胺基酸amino acids

 
「胺基酸amino acids」是什么成份?
胺基酸是普遍存在人体及食物中的营养素,对人体组织的构成尤其重要。人体组成中约20%是蛋白质,而胺基酸就是构成人体蛋白质的基本要素,构成蛋白质的胺基酸共有20种,包含了9种必需胺基酸及11种非必需胺基酸。
 
从食物中摄取「胺基酸amino acids」跟直接摄取营养补充品,有什麼不同吗?
一般来说,人体透过食物摄取到蛋白质,必须经由胃肠道消化后,转换成小肠可吸收的肽,再逐渐分解成最小分子—胺基酸之后运送到全身,并被人体吸收利用,这样的消化分解过程通常需花上3~4个小时的时间。而胺基酸营养补充品本身就是最小分子,因此不需经过消化分解过程,约30分鐘即可被人体吸收。
 
每天应摄取多少「胺基酸amino acids」才足够呢?
胺基酸是营养素,并不是药品,不需每日定量服用。应依照个人需求,例如每天的运动量、运动强度等状况来判断是否需要补充以及补充量的多寡。
 
「胺基酸amino acids」补充量越多越好吗?
虽然胺基酸是原本就存在於人体中的营养素,但任何营养素的摄取,都必须以适量為佳,过量都有可能会造成身体额外的负担。如摄取过多的胺基酸,人体会经由尿液自然排出体外。
 
「胺基酸amino acids」可以从日常的饮食中获得吗?
当然可以!

一般人透过正常均衡的三餐饮食,都可以摄取到人体所需要的营养素,不一定需要额外补充胺基酸营养品。但有些特殊情况,例如进行长时间、大量耗费体力的运动,饮食不均衡或是饮食中有营养摄取限制,就会导致体内胺基酸不足的状况发生。这时候,可视需求补充胺基酸营养品,来提供人体所需的营养及能量。

 
该摄取哪些食物来获得人体必需的胺基酸营养呢?
為了从日常饮食中获得人体必需的胺基酸营养,建议均衡摄取主食如米饭、麵包、主菜如鱼肉类、蛋及豆类食物,乳製品如牛奶、优格或起司等,再搭配水果、青菜,就可以获取到足够的营养素。
 
摄取「胺基酸amino acids」对运动选手来说,有什麼好处?
胺基酸是构成蛋白质的营养素,也是维持人体基础运作的基本要素。其中,对运动选手非常重要的肌肉蛋白也是由胺基酸所组成,更可作為能量来源,并促进肌肉合成、帮助肌肉修復。

除了专业运动选手之外,所有运动爱好者也都可以藉由补充胺基酸,来达到更好的运动表现。

 
「胺基酸amino acids」有运动禁药方面的问题吗?
胺基酸是原本就存在於人体中的营养素,完全没有运动禁药的问题。
 
摄取「胺基酸amino acids」会有增加体重的可能性吗?
1公克的胺基酸约為4大卡,因此适量的摄取胺基酸营养补充品,是不用担心体重增加的问题。
 
「胺基酸amino acids」可以做為哪些运用?
日常生活中可以看到「胺基酸amino acids」被广泛地使用,例如食品调味料、健康保健食品、运动营养食品、医疗药品及美容化妆品等。
 
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DNA到蛋白质的过程


首先,我们先提到蛋白质(protein)。蛋白质非常重要,因為我们生物的细胞,到处都是蛋白质的组成,所以蛋白质就像身体的砖块一样,不能缺少。生物从出生以后,还要面对环境的各种挑战,就像汽车出厂以后,还是要保养,有时候还要维修。所以我们的身体也有自我维护的能力,以及适应环境的时候,身体各部分彼此调节的能力。举例来说,吃饱饭以后,血糖升高,就有胰岛素(insulin)来转换成肝糖,如果缺少胰岛素,就变成糖尿病(diabetes)了。我们从食物吸收的脂肪,如果在肝臟没有办法代谢,就变成高血脂症(hypercholesterolemia)了。血红蛋白(hemoglobin)上的一个位置的小突变,会让红血球成為镰刀状,变成镰刀型贫血。身体中需要各种酵素(enzyme),才能让各种化学反应进行,体温能够保持在37度C,血液的酸硷度能够维持在正常值,这些由蛋白质组成的酵素也都非常重要。因此,无论是细胞的构成,或是身体器官之间的讯息传递和调节,蛋白质都是不可或缺的。

蛋白质与胺基酸

蛋白质又是甚麼东西组成的呢?蛋白质是由胺基酸(amino acid)所组成的。胺基酸顾名思义就是一种酸,因此有酸基。下图显示了一个胺基酸的基本架构:

左手边就是胺基(amino group),右手边是羧基(carboxyl group),上面字母R的地方称為side chain,这个地方会带入不同的化学基,不同的化学基连上去,就形成不同的胺基酸。下图列出人体中常见的20种胺基酸,粉红色的框框就是side chain有变化的地方::

有了這些胺基酸,經由身體內的機制組合起來,就變成多肽鏈(poly peptide),成了蛋白質最原始的結構,也就是一堆胺基酸串起來的樣子。之後蛋白質還會自己摺疊(folding),成為特定的形狀,才有特殊的功能和活性,在身體裡面扮演特殊的功能,像是成為某一種酵素等等。

有了这些胺基酸,经由身体内的机制组合起来,就变成多肽链(poly peptide),成了蛋白质最原始的结构,也就是一堆胺基酸串起来的样子。之后蛋白质还会自己摺叠(folding),成為特定的形状,才有特殊的功能和活性,在身体裡面扮演特殊的功能,像是成為某一种酵素等等。

蛋白质的结构可以分為四种:

一级结构:就是多个胺基酸串联起来的结构
二级结构:胺基酸之间有氢键(hydrogen bond)的连结
三级结构:可以视為二级结构的子单位之间,经过摺叠(folding)成為的三级结构
四级结构:不同的摺叠过的三级结构子单位,结合后变成四级结构
下面这张图可以帮助大家清楚各种结构的关係:

 

DNA与基因密码

知道了蛋白质和组成的胺基酸以后,我们就可以认识基因密码是甚麼了。基因(gene)是一组有意义的遗传单位。首先先看看我们人体的细胞:

cell

一般人体的细胞都具有细胞膜、细胞质、细胞核、以及一些重要的胞器。在细胞核裡面有染色体(chromoson),是由一些蛋白质和DNA所组成的物质,携带著遗传的密码。DNA中文叫做去氧核糖核酸,顾名思义,就是核苷酸(nucleotide acid)去掉一个氧原子所形成,包含一个含氮硷基,一个五碳糖和一个磷酸基。肉眼看不到DNA,只能透过显微镜观察,化学式如下:(左手边是磷酸基,橘色方框内是含氮硷基,右下方是五碳糖,OH少掉一个氧原子变成H)

DNA

染色体上面的DNA排列,就是所谓的基因。因為DNA携带的硷基不同,就代表者不同的编码,最后可以透过身体裡面的机制来製造不同的蛋白质,发挥不同的功用,因此称為基因密码。人类的DNA只有四种硷基,分别是adenine,cytonine,guanine,thymine。我们后来就简称為ATCG四个字母来代表。因此DNA一连串的编码,像是AATTCCTTAAGATTCT,就可能是一段基因密码,代表将来要製造哪一种蛋白质。DNA会两条形成一对,并且因為氢键的关係形成双螺旋结构(double helix),因為组成核苷酸的四个含氮硷基–ATCG–裡面,A和T会形成氢键,C和G会形成氢键,所以永远是A对T,C对G, 如下图:

另外一种核苷酸是 RNA, 中文叫做核糖核酸。和DNA不同的是他的五碳糖中第二个碳接的是OH,而DNA中接的是H. 另外 mRNA 中四种含氮硷基是AUCG,和 DNA 的ATCG 不同,如下图

 

 

从DNA到蛋白质
DNA和蛋白质究竟是甚麼关係呢?首先DNA会先经过某些酵素,透过特殊物质的作用,开始或停止蛋白质的製造,这部分就是基因表现的调控(regulation)。一旦DNA开始製造蛋白质,第一步是把DNA上面的基因密码,製造成為一个模板,称為mRNA(messenger RNA)。RNA 作一个比喻:如果DNA密码是我们照相的时候,想要拍摄的风景,mRNA就是拍摄后具有影像的底片,底片经过冲洗后的照片,就是蛋白质了。DNA到mRNA的这个过程,叫做转录(transcription),一段DNA如果是ATTGAC,转录的mRNA就会是UAACUG,。

转录后的下一步,是转译(translation)。这时后有第二种RNA出现,叫做tRNA(translation RNA)。tRNA和mRNA一样,都是由核苷酸所组成,DNA刚才提到是由去氧核糖核酸(核苷酸去掉一个氧原子)组成的,DNA有四个含氮硷基ATCG,RNA则是有AUCG四个含氮硷基。tRNA具有一种髮夹(hair-pin)的结构:

tRNA

tRNA上头携带著一种胺基酸,下面有一个可以和mRNA对应的地方,称為Anti-Condon。这时候还有第三种RNA叫做rRNA(ribosome RNA),形成核糖体(ribosome)。如果用刚才照相的比喻,ribosome就是冲洗相片的暗房。mRNA是底片,上面印著和风景顏色互补的景象,也就是和DNA相互补的编码。mRNA在酵素带领下进入ribosome,接者每三个硷基為一个单位(举例:AUU一个单位,UGC一个单位等等),和tRNA做比对,如果和某个tRNA下面的Condon比对成功,tRNA就会附著在这一个单位的mRNA上面,此时这个tRNA上头携带的胺基酸,就成為这三个硷基所代表的胺基酸,(AUU代表Isoleucine这个胺基酸)。比喻来说,底片上的某一块区域(mRNA的某一小段),在暗房裡面(ribosome裡面),透过冲洗相片的东西(tRNA上面携带胺基酸,下面的Condon比对mRNA),冲洗成照片(上面的胺基酸串成一长条,成為蛋白质的一级结构)。这整个过程可以用下图表示:

translation

而mRNA上面每三个单位,会对应到的胺基酸,经过实验以后得出以下的表格:

製造出来的一整条胺基酸,再经过摺叠和次级单位组合以后,就变成有功用的蛋白质,留在细胞内或是运出细胞膜,也可能在等待与某种离子结合之后发挥活性,参与整个身体的功能,包括在本文前面讲到的各种功能,像是醣类、脂肪的代谢,或是红血球的形状了。


总结
1.DNA经过转录(transcription)形成mRNA
2.mRNA和tRNA在ribosome(rRNA组成)裡面转译(translation)出胺基酸链
3.胺基酸链(多肽链polypeptides)自行组成蛋白质的一级到四级的结构
4. 蛋白质最后在参与全身的各种功能,包括组成身体或调节身体

延伸阅读

阳明大学画说DNA网站: DNA From the Beginning
生物科技面面观:生命的螺旋 生命的蓝图
MIT开放式课程:Introduction to Biology, Fall 2004. (video lecture)

http://web2.tmu.edu.tw/m110093011/DNA2protein.htm

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