人體營養學基礎/蛋白質的定義

5.1 蛋白質的定義

所有活細胞都由蛋白質構成（不詳），包括激素、酶和抗體等物質，這些物質對於生物體的正常運作至關重要。蛋白質對生命至關重要。它們是一組由碳、氫、氧和有時是硫組成的複雜有機化學化合物，由一個或多個氨基酸鏈組成。它們是身體真正的“工作者”。蛋白質在生物體內執行著各種各樣的功能，包括複製DNA、催化代謝反應和對不同刺激做出反應。它們是生物體的重要組成部分，參與細胞內幾乎所有過程。它們在動物飲食中極其重要，因為某些氨基酸無法合成，必須從食物中獲取。氨基酸在消化後被分解代謝，並在代謝中使用。

一些富含蛋白質的食物包括雞蛋、牛奶、肉類、魚類、豆腐和豆類。

根據蛋白質的組成，可以將其分為三種類型。

1. 簡單蛋白質
2. 結合蛋白質
3. 衍生蛋白質

簡單蛋白質是由透過肽鍵連線的氨基酸組成的蛋白質。一些例子包括球蛋白、白蛋白、組蛋白、白蛋白類、精蛋白和谷蛋白。

結合蛋白質是與輔基或輔助因子結合的簡單蛋白質。一些例子包括磷蛋白、色蛋白、核蛋白和糖蛋白。

衍生蛋白質是使用化學試劑和酶的作用從簡單蛋白質獲得的，它們不是天然存在的蛋白質。一些例子包括肽、腖和變性蛋白。

簡單蛋白質是由透過肽鍵連線的氨基酸組成的蛋白質。一些例子包括球蛋白、白蛋白和麥醇溶蛋白。

結合蛋白質是與輔基或輔助因子結合的簡單蛋白質。一些例子包括磷蛋白和色蛋白。

衍生蛋白質是使用化學試劑和酶的作用從簡單蛋白質獲得的，它們不是天然存在的蛋白質。一些例子包括肽和腖。

氨基酸和蛋白質是生命的基石。當蛋白質被消化或分解時，會留下氨基酸。人體需要多種氨基酸來：

1. 分解食物
2. 生長
3. 修復身體組織
4. 其他身體功能

氨基酸分為三類

氨基酸有三種類型：必需氨基酸、非必需氨基酸和條件性氨基酸。

1. 必需氨基酸，我們無法合成，因此必須從食物中獲取。異亮氨酸、亮氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、色氨酸和纈氨酸這八種氨基酸不能由人體合成，因此必須是飲食中必不可少的成分。
2. 非必需氨基酸由人體合成，因此人們不需要透過食物獲取。它們是：丙氨酸、天冬醯胺、天冬氨酸和穀氨酸。
3. 條件性氨基酸：如果你的身體處於壓力、失衡或患病狀態，這些氨基酸就會變得必需，你必須從食物或補充劑中獲取。它們是：精氨酸、甘氨酸、胱氨酸、酪氨酸、脯氨酸、谷氨醯胺和牛磺酸。

5.1.1 結構

蛋白質有四個組織層次。每個層次都賦予蛋白質一個新的物理複雜性，進而帶來更多樣的功能。這句話“形式決定功能”對於蛋白質來說是一個恰當的口號。四個層次如下

一級結構

蛋白質在最基本的層面上是透過肽鍵連線在一起的單個氨基酸的有序串聯。可以將單個蛋白質想象成一條串著不同珠子的項鍊，每個珠子都具有獨特的特性（惠特尼，E.，& 羅爾夫斯，S.，2013）。每種蛋白質都有自己的氨基酸模式，使其結構不同，從而使其功能不同。氨基酸排列的不同影響將在下一個組織層次中發揮作用。

二級結構

現在蛋白質鏈開始呈現出獨特的形狀。形成是由單個氨基酸與其他氨基酸之間的弱電吸引力驅動的（惠特尼，E.，& 羅爾夫斯，S.，2013）。根據傑弗裡·庫珀的說法，這是蛋白質形成的主要指導，也是為什麼一級結構中氨基酸的順序決定了未來蛋白質的功能的原因。此外，分子伴侶幫助蛋白質摺疊，它們唯一的目的是幫助蛋白質以其已經預先傾向的摺疊方式摺疊（庫珀，G.，2000）。

蛋白質鏈可以呈現一些形狀，如摺疊片和螺旋（惠特尼，E.，& 羅爾夫斯，S.，2013）。埃爾姆赫斯特大學將螺旋形狀描述為彈簧狀，這種形狀透過單個氨基酸的氮和氫與該氨基酸向下 4 個氨基酸的碳和氧之間的氫鍵穩定。埃爾姆赫斯特大學還指出，β摺疊片是由氫鍵側面連線的蛋白質鏈組成的片狀結構，與螺旋結構相比，它呈平面狀。

三級結構

蛋白質的三級結構是形式真正開始體現功能的時候。富含α螺旋和β摺疊片的氨基酸鏈開始向自身摺疊，親水性氨基側基朝向水性環境的外側，疏水性側基朝向內側（惠特尼，E.，& 羅爾夫斯，S.，2013）。現在很容易理解為什麼一級結構中氨基酸的順序對於蛋白質的正確形式和功能至關重要。

四級結構

在某些情況下，蛋白質需要超越三級結構進行組織。多個已經達到三級結構的蛋白質，也被稱為多肽，可以聚集在一起形成更大的結構（惠特尼，E.，& 羅爾夫斯，S.，2013）。

錯誤摺疊

蛋白質摺疊是一個複雜的過程，直接影響蛋白質的功能。蛋白質只有在三維結構正確的情況下才能在體內正常工作。雖然大多數蛋白質都正確摺疊，但有些蛋白質在摺疊過程中可能會錯誤摺疊或展開。這會導致體內無法使用的無活性蛋白質。錯誤摺疊的蛋白質是由於蛋白質沒有足夠的能量摺疊到其正確狀態而產生的，可能會受到溫度或細胞空間有限的影響（格雷格森，2006）。這在細胞中很常見，通常可以透過身體的機制來糾正。錯誤摺疊的蛋白質可以透過伴侶系統重新摺疊，伴侶系統會重新摺疊蛋白質，或者透過變性來破壞（格雷格森，2006）。但是，有些蛋白質如果摺疊不正確，可能會對健康有害。在體內積累的錯誤摺疊的蛋白質會複製並導致阿爾茨海默病、帕金森病和亨廷頓舞蹈症等退行性疾病（雷諾，2010）。隨著年齡的增長，患退行性疾病的風險會增加，因為人體在蛋白質重新摺疊過程中的效率會降低（雷諾，2010）。

變性

變性是指蛋白質被分解的過程（奧夫哈特，2003）。在這個過程中，三維三級結構會解開。由於三級結構被解開，蛋白質就不能再正常發揮作用。變性可以透過強酸或強鹼、鹽、去汙劑、熱量或機械力誘導（奧夫哈特，2003）。蛋白質摺疊是由氫鍵引起的，氫鍵是一種弱相互作用；因此，使蛋白質變性並不需要太多努力。變性後，蛋白質處於“無規捲曲”結構（奧夫哈特，2003）。這種無規捲曲結構與一級、二級、三級或四級結構無關。蛋白質變性後，它無法重新摺疊回其二級和三級結構（奧夫哈特，2003）。由於它無法恢復三級結構，因此它不再能像以前一樣發揮功能，如果它還能發揮功能的話。變性幾乎是一個不可逆的過程。變性會導致細胞活性的改變，甚至可能導致細胞死亡（奧夫哈特，2003）。然而，變性也可能只導致顏色、質地和物理形式的微小變化。變性是一種常見現象；人體需要它來消化食物。日常生活中發生的變性例子是雞蛋在煮熟時蛋白和蛋黃變硬（奧夫哈特，2003）。為了使雞蛋可食用，必須透過熱量使其變性。變性也是肉類在烹飪時變硬的原因。來自食物的蛋白質在與胃酸接觸時會變性（奧夫哈特，2003）。

完全蛋白質和不完全蛋白質

完全蛋白質包含所有九種必需氨基酸，數量足以滿足人體的需求。這些蛋白質主要存在於動物性蛋白質中，如肉類、魚類、乳製品和雞蛋。這些蛋白質通常具有更好的吸收率和生物利用度。不完全蛋白質不包含所有必需氨基酸，或不含足夠的必需氨基酸。不完全蛋白質來自植物性食物，如穀物、蔬菜、堅果、種子和豆類。它們可以組合起來形成完全蛋白質（莫羅，2012）。

蛋白質分解

蛋白質在分解代謝過程中被分解成氨基酸。一旦這些氨基酸被分解，它們就會被重新組裝成數千種不同的形式，人體可以利用這些形式來合成激素、酶和神經遞質。為了使蛋白質分解，胃分泌一種叫做胃泌素的激素，它會引起胃分泌胃液。胃還會產生胃蛋白酶原，它在胃液中的鹽酸的作用下轉化為胃蛋白酶。胃蛋白酶是將蛋白質分解成肽的酶。胃分泌的另一種消化酶是蛋白酶。一旦這些肽進入十二指腸和胰腺，它們就會被胰蛋白酶進一步分解。在腸道中，在肽酶的幫助下，肽被完全分解成氨基酸，這些氨基酸被小腸吸收進入血液（Gromisch，2014）。

轉氨基作用和脫氨基作用

當攝入過多蛋白質時，氨基酸必須被分解並以尿素的形式排出。為了開始氨基酸的分解代謝，必須去除其胺基，NH3。胺基可以透過轉氨基作用或脫氨基作用去除。轉氨基作用是指將胺基從氨基酸轉移到酮酸的過程。這是一個可逆反應，因為反向反應被用來合成非必需氨基酸。脫氨基作用主要發生在肝臟中，在稱為脫氨酶的催化劑的幫助下進行。在這個過程中，氨被去除並轉化為尿素，尿素對身體的毒性較小。尿素在透過腎臟後從體內排出。轉脫氨基作用是這兩種反應型別的組合，也稱為偶聯反應。它發生在轉氨基作用直接接著氧化脫氨基作用的情況下。這些過程都是尿素迴圈的一部分。在尿素迴圈中，脫氨基反應釋放的遊離銨離子與碳酸氫根離子縮合形成尿素。在每次迴圈中，會產生一個鳥氨酸分子，它使迴圈持續進行。一些基因突變會阻止鳥氨酸的產生，從而導致尿素迴圈功能障礙。這可能是危及生命的，因為體內過量的氨是有毒的（Yudkoff，1999）。

5.1.2 氨基酸分類

氨基酸以其作為蛋白質的組成部分以及代謝中的中間體而聞名。它們在蛋白質中的排列取決於基因中編碼蛋白質的鹼基序列。這些組成部分的化學性質決定了蛋白質的功能。（Dayhoff，2003）

人體需要 20 種不同的氨基酸來合成所需的各種蛋白質。這些氨基酸可以按其營養方面或化學組成進行分類，特別是它們可變的側鏈。（Fantar，2009）

必需氨基酸、非必需氨基酸和條件必需氨基酸

人體只能自身合成一些氨基酸，而其他氨基酸必須從飲食中獲取。

必需氨基酸，也稱為不可缺少的氨基酸，是人體無法制造的，因此必須從飲食中獲取。9 種必需氨基酸是：組氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、色氨酸和纈氨酸。（Gersten，2012）

非必需氨基酸是指人體自然產生的氨基酸。它們要麼由蛋白質降解產物產生，要麼由其他必需氨基酸產生。這些酸包括：丙氨酸、天冬醯胺、天冬氨酸、穀氨酸、精氨酸、半胱氨酸、谷氨醯胺、甘氨酸、鳥氨酸、脯氨酸、絲氨酸和酪氨酸。（Creative Commons，2012）

條件必需氨基酸通常不需要從飲食中獲取；然而，對於某些人來說，他們在某些生長階段需要它們，或者某些人由於身體無法合成它們而需要它們（McAuley，2015）。當缺少某種氨基酸的必要前體時，非必需氨基酸經常會變成條件必需氨基酸。在壓力、衰老或疾病期間，氨基酸也會變成條件必需氨基酸（Helmenstine，2011）。為了正常發育，兒童除了必需氨基酸外，還應攝入精氨酸、半胱氨酸和酪氨酸。另一個例子是苯丙酮尿症患者，他們必須減少苯丙氨酸的攝入，因為他們的身體狀況會減少酪氨酸的產生，從而使酪氨酸成為飲食中的一種必需氨基酸。條件必需氨基酸包括：精氨酸、半胱氨酸、谷氨醯胺、酪氨酸、甘氨酸、鳥氨酸、脯氨酸和絲氨酸。（McAuley，2015）

非極性、極性、鹼性和酸性氨基酸

另一種氨基酸分類方法是基於側鏈的電荷和極性，即 R 基團。單個氨基酸結構由一箇中心碳原子、一個氨基、一個羧基和一個可變的側鏈組成，該側鏈可使氨基酸成為非極性、極性、鹼性或酸性。（TutorVista，2013）

非極性氨基酸的 R 基團沒有電荷，並且是疏水的。這些側鏈具有純烴烷基。該組中的氨基酸是丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、甘氨酸、色氨酸、蛋氨酸和脯氨酸。（TutorVista，2013）

極性氨基酸將具有醇、醯胺、酸和胺等官能團，並且它們會產生親水化合物。該組中的氨基酸包括：天冬醯胺、谷氨醯胺、半胱氨酸、絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸。（TutorVista，2013）

酸性氨基酸除了羧酸之外，還有酸官能團，產生兩個酸性成分。天冬氨酸和穀氨酸是兩種酸性氨基酸。（Ophardt，2003）

鹼性氨基酸的 R 基團有另一個胺官能團，產生鹼性溶液，因為這個額外的胺基沒有被羧酸中和。鹼性氨基酸包括：精氨酸、組氨酸和賴氨酸。

參考文獻

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