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114年:營養生理生化(2)

下列何種胺基酸不能做為酵素執行酸／鹼催化（acid/base catalysis）時的活性中心（active site）？

A組胺酸（histidine）
B甲硫胺酸（methionine）
C天門冬胺酸（aspartic acid）
D離胺酸（lysine）

詳細解析

本題觀念：

本題的核心醫學與生化觀念在於酵素動力學中的酸鹼催化（Acid-Base Catalysis）機制。

  1. 酸鹼催化定義：酵素活性中心（Active Site）透過胺基酸側鏈（R group）充當質子（H+H^+）的提供者（酸）或接受者（鹼），來穩定反應的中間產物或降低活化能。
  2. 關鍵條件：要能執行此功能，該胺基酸的側鏈必須具備可解離的官能基（Ionizable group），即在生理環境或微環境中能夠進行質子化（Protonation）與去質子化（Deprotonation）的可逆反應。
  3. 常見催化胺基酸：包括組胺酸（His）、天門冬胺酸（Asp）、麩胺酸（Glu）、離胺酸（Lys）、精胺酸（Arg）、半胱胺酸（Cys）、酪胺酸（Tyr）等。

選項分析

  • A. 組胺酸（Histidine, His）：

    • 分析：其側鏈為咪唑基（Imidazole group），pKa 值約為 6.0。這使得它在生理 pH 值（約 7.4）附近，既容易帶正電（質子化）也容易呈中性（去質子化），是酵素中最理想、最常見的廣義酸鹼催化劑（General acid-base catalyst）。
    • 結論：可以執行酸鹼催化。

  • B. 甲硫胺酸（Methionine, Met）：

    • 分析：其側鏈含有一個硫醚基（Thioether group, -S-CH3CH_3）。這是一個非極性、疏水性的結構。與半胱胺酸（Cysteine, -SH）不同，甲硫胺酸的硫原子已經接了甲基，沒有可解離的質子，也無法在生理條件下接受質子。因此，它無法作為布忍斯特酸（Brønsted acid）或鹼（Base）來參與質子轉移反應。其在酵素中主要提供疏水作用力或作為甲基供體（如 SAM），而非酸鹼催化中心。
    • 結論：不能執行酸鹼催化。

  • C. 天門冬胺酸（Aspartic acid, Asp）：

    • 分析：其側鏈為羧基（Carboxyl group, -COOH），pKa 值約為 3.9。在生理 pH 下通常帶負電（COO−COO^-），但在酵素活性中心的特殊微環境中，其 pKa 值可能改變，使其能作為質子提供者（酸）或接受者（鹼）。例如在天門冬胺酸蛋白酶（Aspartyl proteases）中，兩個 Asp 殘基協同工作進行酸鹼催化。
    • 結論：可以執行酸鹼催化。

  • D. 離胺酸（Lysine, Lys）：

    • 分析：其側鏈為一級胺基（Amino group, −ϵ−NH2-\epsilon-NH_2），pKa 值約為 10.5。雖然在生理 pH 下通常帶正電（−NH3+-NH_3^+），但在許多酵素活性中心（如醛縮酶 Aldolase 或絲胺酸蛋白酶），它可以去質子化形成希夫鹼（Schiff base）或作為廣義鹼來接受質子。
    • 結論：可以執行酸鹼催化。

答案解析

答案為 B. 甲硫胺酸（Methionine）。

酸鹼催化的先決條件是側鏈必須具備「可逆的質子轉移能力」。

  • 組胺酸（Imidazole）、天門冬胺酸（Carboxyl）、離胺酸（Amino）均具有可解離基團，是標準的催化性殘基。
  • 甲硫胺酸的側鏈是疏水性的硫醚結構（-S-CH3CH_3），化學性質惰性，不具備酸鹼解離性質，無法直接參與質子傳遞，因此不能作為酸鹼催化的活性中心。

核心知識點

考生應熟記以下兩類胺基酸的區別：

  1. 具催化潛力（可解離）的胺基酸：

    • 酸性：Aspartic acid (Asp), Glutamic acid (Glu) — 側鏈含 Carboxyl group。
    • 鹼性：Histidine (His), Lysine (Lys), Arginine (Arg) — 側鏈含 Nitrogenous base。
    • 極性/其他：Cysteine (Cys, 含 Thiol group -SH), Tyrosine (Tyr, 含 Phenol group -OH), Serine (Ser, 含 Hydroxyl group -OH)。
    • 註：His 因 pKa 接近中性，是體內最通用的酸鹼催化劑。

  2. 不具酸鹼催化能力的胺基酸：

    • 疏水性/非極性：Methionine (Met), Glycine, Alanine, Valine, Leucine, Isoleucine, Phenylalanine, Proline。
    • 這些胺基酸主要負責維持蛋白質的三級結構（透過疏水作用力），而非直接參與化學鍵的酸鹼催化斷裂或形成。

參考資料

  1. [Britannica] Amino acid - Basic amino acids & Enzymatic function
    • 指出 Histidine 側鏈的 imidazole 基團使其能在接近生理 pH 值下進行酸鹼催化，而 Methionine 為疏水性胺基酸。
    • 來源：Britannica.com
  2. [NIH/PMC] Ionizable Side Chains at Catalytic Active Sites of Enzymes
    • 確認酵素活性中心的標誌是具有酸性或鹼性側鏈的胺基酸（Acid and base side chains are reliable markers of catalytic active sites）。
    • 來源：NCBI PMC
  3. [The Biology Project] The Chemistry of Amino Acids - Methionine
    • 明確指出 Methionine 的硫醚側鏈通常不參與酵素活性中心的共價化學反應（Generally not a participant in the covalent chemistry）。
    • 來源：University of Arizona
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