主講人:邱顯峯老師  


前言
人要活著就需要有支撐活著所需要的營養素,在目前醫學已知的醫學裡,人類所需的營養素有蛋白質、碳水化合物、脂質、礦物質、維生素和最近幾年所重視的植化素等六大類。從本輯起將陸續做簡明扼要的介紹。



認識蛋白質與胺基酸


蛋白質的結構

蛋白質是由眾多胺基酸所組成的。胺基酸是一有機化合物,其基本結構是分子內同時含有一個胺基(NH2)和一個羧基(-COOH),並且胺基和羧基都直接連接在一個CH結構上,再加上R基團。R基團可以是直鏈或支鏈,也可以是芳香族胺基酸、異環狀結構和含硫基團、含碘胺基酸等。通式是H2NCHRCOOH。各種胺基酸的區別是根據胺基連結在羧酸中碳原子位置上R基團的不同來區分,可分為α、β、γ、δ……的胺基酸( C……C―C―C―C―COOH)。如圖式 :


胺基酸的基本結構

蛋白質.jpg

蛋白質經 水解 後,即生成 20多種 α- 胺基酸 ,如 甘胺酸、丙胺酸等。


多數蛋白質是由22種胺基酸所組成。胺基酸以胜鍵(Peptide bond,又譯為胜肽鍵、肽鍵)相連而組成蛋白質,亦即一個胺基酸的胺基與另一個胺基酸的羧基經脫水而成。以此方式,兩個胺基酸形成雙胜肽(Dipeptide),三個胺基酸形成三胜肽(Tripeptide),以此類推,蛋白質就是由數百個胜肽鏈所組成。

構成蛋白質的主要成分有碳、氫、氧和氮元素,有的也含磷、鐵、銅等。其中氮的含量約有16%左右,所以分析蛋白質含量時,常以氮的含量乘以6.25倍即粗蛋白質的含量。

蛋白質的理化特性與酸鹼性
具有酸鹼兩性,因為同時含有一個胺基和一個羧基,所以大多數胺基酸呈現中性反應,如丙胺酸(Alanine)。含有兩個羧基和一個胺基的呈酸性反應,如穀胺酸(Glutamic acid),相反的,含有兩個胺基和一個羧基的呈鹼性反應,如賴胺酸(lysine)。大多數胺基酸都呈顯不同程度的酸性或鹼性,呈顯中性的較少。所以既能與酸結合成鹽,也能與鹼結合成鹽。

都是無色結晶。熔點約在230℃以上,大多沒有確切的熔點,熔融時分解並放出CO2;都能溶於強酸和強鹼溶液中,除胱胺酸、酪胺酸、二碘甲狀腺素外,均溶於水;除脯胺酸和羥脯胺酸外,均難溶於乙醇和乙醚。

 
 
蛋白質的功能
蛋白質在體內扮演極為重要的功能,舉凡生命的功能,蛋白質都有參一腳。主要功能簡述如下:
1. 是細胞的主成分
細胞除了70%水分之外,蛋白質佔15%,是含量最多的有機成分,分布在細胞膜、胞器與細胞質中。細胞膜上的蛋白質參與物質通透、荷爾蒙受器、連結、酵素等作用。細胞質中的微結構也含有多種纖維狀蛋白質。
   
2. 是肌肉的主成分
肌肉含有肌纖維,由肌凝蛋白與肌動蛋白所構成,負責肌肉的收縮作用。此外,骨骼、牙齒、皮層、毛髮等等也都含有獨特的纖維狀膠原蛋白(collagen)。
   
3. 酵素作用
酵素的主成分是蛋白質。其功用是催化各種合成或分解的生化反應,例如各種消化酵素。
   
4. 荷爾蒙的作用
蛋白質是荷爾蒙的主成分之一,荷爾蒙是體內多種功能的調節激素,例如胰島素等。
   
5. 具有運送功能之蛋白質:例如血紅素、脂蛋白等。
   
6. 形成抗體,扮演免疫功能。
   
7. 平衡水份
血漿中蛋白質維持血液的滲透壓,蛋白質不足會使水分滲出血管,流入組織間隙,造成水腫的症狀。
   
8. 電解質的平衡功用
   
9. 酸鹼平衡的功用
蛋白質既可以為酸也可以是鹼,所以可緩衝血液酸鹼度的變化。
   
10. 提供熱量
禁食或飢餓時,會由肝醣供應熱量,而當肝醣也用盡時,可由胺基酸代謝轉變成葡萄糖以維持血糖濃度。組織蛋白質會分解生成胺基酸,氧化以供應細胞所需的能量,每公克蛋白質可以產生 4 大卡熱量。
   
 
 

胺基酸的分類

胺基酸可分為必需胺基酸、半必需胺基酸和非必需胺基酸等三類。人體內不能自行合成而必須仰賴食物直接供應的稱為必需胺基酸,成人需要9種,嬰孩需要10種﹙加上精安酸﹚;有些胺基酸在特殊狀況下體內需要量特別多,或是體內合成能力不足,必須由飲食中攝取補充的稱為半必需胺基酸;身體能夠自行合成足夠量的稱為非必需胺基酸。
必需胺基酸(9種) 色胺酸(Trp)、纈胺酸(Val)、異白胺酸(Ile)、羥丁胺酸(Thr)、離胺酸(Lys)、苯丙胺酸(Phe)、白胺酸(Leu)、甲硫胺酸(Met)、組胺酸(His)
   
半必需胺基酸  
醯胺麩胺酸﹙Gln﹚:
酪胺酸﹙Tyr﹚:

精胺酸(Arg):
手術、外傷病人。
苯丙酮尿症﹙PKU﹚患者,無法代謝利用苯丙胺酸生成酪胺酸。
成長中的嬰兒、病患。
   
非必需胺基酸 甘胺酸(Gly)、麩胺酸(Glu)、酪胺酸(Tyr)、丙胺酸(Ala)、絲胺酸(Ser)、半胱胺酸(Cys)、胱胺酸(Cyn)、脯胺酸(Pro)、氫氧基脯胺酸、天門冬酸(Asp)、瓜胺酸(Cit)、氫氧基麩胺酸。
 
補充說明
1. 必需胺基酸 是指只存在食物中,動物無法合成,只能由食物中攝取,則這些 胺基酸 被稱為必需胺基酸。動物需攝取必需胺基酸以製造 蛋白質 。由於不同物種的化合能力不同,對於某一物種是必需胺基酸的,對另一物種則不一定是必需胺基酸。
   
2. 胺基酸的互換:有些胺基酸可以用必需胺基酸為原料而代謝生成。
例如:苯丙胺酸 → 酪胺酸;甲硫胺酸 → 半胱胺酸


 
蛋白質的消化與吸收
蛋白質的主要功用在於供應人體所需的各種胺基酸,因此來自各種動植物食品的蛋白質都必須分解成胺基酸,才能供人體利用。

蛋白質的消化從胃部開始,先經酵素的作用將胜鍵水解,首先形成較短的胜鏈,進入小腸中受胰臟分泌的消化液作用,再繼續分解成含有兩個胺基酸的雙胜與三個胺基酸的三胜,還有一些胺基酸產物。

雙胜、三胜、胺基酸都可以被小腸細胞所吸收。小腸細胞內含有雙胜脢與三胜脢,可將雙胜與三胜完全分解成胺基酸,然後運送到微血管,經由肝門靜脈送到肝臟,再到全身利用。
 
 
胺基酸的代謝與利用
1.合成作用: 合成人體所需的各樣蛋白質
2.生成葡萄糖: 在醣類供應不足時,肝與腎可利用胺基酸來合成葡萄糖以維持血糖濃度
3.生成脂肪: 過量胺基酸在肝中轉換成脂肪,可運送至脂肪組織儲存
4.供應熱量: 每公克提供 4 大卡
5.代謝廢物: 胺基酸代謝為能量或生成葡萄糖與脂肪酸時,分子中的氮在肝臟代謝為尿素,由腎臟排泄。由尿液中之氮含量,可推測體內蛋白質的耗損狀況。
 
 
蛋白質的合成原則與應用
細胞進行蛋白質合成反應時,遵循全或無定律,作為原料的胺基酸種類和含量都必須齊全。胺基酸從食物或體內蛋白質分解而來,如果任一種必需胺基酸不足,合成反應就會中止。

合成蛋白質時也需要有充足的熱量供應,若不足則蛋白質利用效率降低。受傷、疾病、緊張等特殊的生理狀況之下,蛋白質的代謝消耗增加,對蛋白質的需求也增會增多。蛋白質的代謝受荷爾蒙的調節,胰島素可以促進合成作用。

人體內的蛋白質處於動態平衡的狀況,細胞內蛋白質不斷地依照生理需求而進行分解與合成作用。過量之蛋白質或胺基酸最終轉換成脂肪而儲存。一般而言,體內並無「儲存性」之蛋白質。
 
 
從氮平衡的觀念看蛋白質的需要量

由於氮是蛋白質特有的元素,因此追蹤氮的攝取和排泄可以反應蛋白質的利用狀況。因此蛋白質的平衡以氮平衡來代表,其公式表示如下:

氮平衡 =食物攝食之氮 - 排泄之氮 (糞便、尿、汗、皮膚、毛髮…)

氮平衡可分為三種狀態:正、平衡、負。健康的成年人應該維持氮平衡。成長中的嬰幼兒、兒童、青少年、懷孕的婦女、病後調養復原時,都應維持正氮平衡。任何情況下,負氮平衡均有損健康。以氮平衡為標準可以估計人體對必需胺基酸與蛋白質的需要量。

2002年的研究指出國人飲食之蛋白質品質比20年前大幅提昇,因此蛋白質之需要量可能接近每公斤體重0.9 – 1.0 公克即可。



蛋白質的品質
飲食蛋白質的主要功能在於供應人體所需的胺基酸,因此蛋白質的營養價值取決於其胺基酸種類、含量和消化吸收效率。品質優良之蛋白質消化率高,必需胺基酸種類齊全,比例適當,足供人體生長與維持生命的需要。

限制胺基酸
把食物蛋白質與高品質蛋白質比較時,食物中含量最低的必需胺基酸稱為第一限制胺基酸,該蛋白質的利用效率即受其限制而降低。五穀類含量較低的必需胺基酸是離胺酸,豆類含量較少的是甲硫胺酸與色胺酸。

互補原則
素食者必須善用互補的原則,五穀類與豆類配合食用,來提升植物性蛋白質的品質,例如早餐的燒餅豆漿,並利用奶類等動物性食品來補充蛋白質營養。

補充說明
在西醫的物質觀念裡,將蛋白質分為完全蛋白質和不完全蛋白質兩類。完全蛋白質指的是所含必需胺基酸種類齊全,含量充足,比例適當,可以滿足生長與維持生命之需要,又稱為高生物價蛋白質。不完全蛋白質指的是缺乏某一種或某些必需胺基酸,又稱為低生物價蛋白質。



健康靈性的蛋白質來源
依筆者所知,動物性蛋白質會作用在較低層次荷爾蒙上,而植物性蛋白質則有助於較高層次荷爾蒙的應用。動物性蛋白質會使人較具有爆發的能量,較刺激人類底層的習氣與慾望,相反的植物性蛋白質使人較具有持久的耐力,對高尚情操的培養有較佳的功效,且不易使人老化。況且只要素食者飲食內容搭配得宜,絕不會有營養不良的現象。所以在選擇上應以豆類、五穀類和奶類為主要來源。

黃豆、黑豆、花生、杏仁果、紅豆、綠豆、亞麻子、紅薏仁、蕎麥、裸麥、小米、腰果、葵花子等都是非常好的蛋白質和胺基酸的來源。據研究,黃豆中的皂草苷可延緩人體衰老;其中的蛋白質比瘦肉多1倍,比雞蛋多2倍,比牛乳多1倍;它的卵磷脂可除掉血管壁上的膽固醇,防止血管硬化;它的胰蛋白酶抑制物,對糖尿病患有一定的療效;它的磷,對神經衰弱及體質虛弱者非常有幫助;它的鐵質,對缺鐵性貧血患者,大有補益。黑豆含蛋白質36~40%(是肉類的兩倍、雞蛋的三倍、牛奶的十二倍)並富含十八種氨基酸,特別是人體必須的九種氨基酸含量,較美國FDA(食品藥品管理局)規定的高級蛋白質標準還高。除此之外,上述所列的豆類與五穀都含有豐富的礦物質,又能降低心血管疾病,相反的肉類和蛋類易導致心血管疾病,礦物質的含量又稀少。詳細內容請參考本部落格五穀飯系列專輯http://minibaba.pixnet.net/blog/category/85506

攝取原則:儘管某些食物所含的蛋白質和胺基酸超高,但是在攝取上仍應以多樣性較好,例如選用多種不同的豆類和穀物時常搭配。況且植物內尚有多種營養素未被發現,所以還是要重視均衡與多樣性。

攝取量
:蛋白質的攝取量以每公斤體重0.9 – 1.0 公克即可。在熱量供應上,蛋白質攝取量以佔每日熱量之12~15%為宜。以男性每天攝取2200大卡估計,蛋白質最多可佔330大卡,相當於82公克;如果女性攝取熱量1600大卡,蛋白質最多可有240大卡,相當於60公克蛋白質。過量的蛋白質或胺基酸的攝取最終會轉換成脂肪而儲存,並沒有「儲存性」的蛋白質。過量的攝取會導致鈣質流失與血中尿酸增高,而且還可能加重腎臟的負荷。基本上,只要選擇適當且經常變換的五穀雜糧飯,再加適當的奶類或製品,就不會有蛋白質不足之慮,更不需要選用蛋白質的營養補充劑。



蛋白質缺乏症

兒童蛋白質缺乏會道導致營養不良、生長停滯。蛋白質營養不足時,無論年齡都會有機能失調的問題,其中還包括全身浮腫、皮膚乾燥病變、頭髮稀疏脫色、肌肉重量減輕、免疫功能的降低。

 
 
附加說明
1. 蛋白質由胺基酸構成,每個蛋白質都有特定的胺基酸種類以及排列的次序,並且形成獨特的立體形狀。結構正常才有正常的生理活性與功能,加熱或酸鹼處理會破壞結構,使蛋白質喪失作用。
   
2. 食物中的蛋白質有時會引起過敏反應 。
 
 
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蛋白質的四級結構
一級結構 (primary structure)
  組成蛋白質多肽鏈的線性胺基酸序列。
   
二級結構 (secondary structure)
  依靠不同胺基酸之間的 C=O 和 N-H 基團間的 氫鍵 形成的穩定結構,主要為α螺旋和β摺疊。 加熱或酸鹼條件下會破壞此種結構,稱為蛋白質變性。
   
三級結構 (tertiary structure)
  通過多個二級結構元素在三維空間的排列所形成的一個蛋白質分子的三維結構,是單個蛋白質分子的整體形狀。蛋白質的三級結構大都有一個疏水核心來穩定結構,同時具有穩定作用的還有鹽橋、氫鍵和二硫鍵等。常常可以用「摺疊」一詞來表示「三級結構」。例如血紅素,或是纖維狀蛋白質如膠原蛋白。
   
四級結構 (quaternary structure)
  用於描述由不同多肽鏈( 亞基 )間相互作用形成具有功能的蛋白質複合物分子的形態。 由多條胜鏈拼合而成,例如血紅素含有 4 條胜鏈。
 
 
遺傳性疾病
苯丙酮尿症(Phenylketouria,PKU)患者缺乏把苯丙胺酸轉換成酪胺酸的酵素。當苯丙胺酸攝取過多時,則代謝生成大量苯丙酮酸等,在血液中堆積,並由尿液排出體外。大量苯丙酮酸會造成毒性,傷害腦部而使智能受損。同時伴有酪胺酸缺乏。患者需要以飲食控制,長期限制蛋白質之攝取以避免過量之苯丙胺酸,必要時需補充酪胺酸。嬰兒時期則需特殊配方。甜味劑阿斯巴甜﹙aspartame﹚含有苯丙胺酸,PKU患者應注意其警語,不宜食用。


蛋白質的構型
由於有不對稱的碳原子,呈旋光性。同時由於空間的排列位置不同,又有兩種構型:D型和L型,組成蛋白質的胺基酸,都屬L型。 由於以前胺基酸來源於蛋白質水解(現在大多為人工合成),而蛋白質水解所得的胺基酸均為α-胺基酸,所以在生化研究方面胺基酸通常指α-胺基酸。至於β、γ、δ……ω等的胺基酸在生化研究中用途較小,大都用於有機合成、石油化工、醫療等方面。胺基酸及其衍生物品種很多,大多性質穩定,要避光、乾燥貯存。


蛋白質組
英文名為Proteome,又譯作蛋白質體,這個字最早出現的時間是1995年,漸漸應用到不同生物系統的研究中。蛋白質組是指組織或細胞中所有的蛋白質的集合。


蛋白質的大小
合成的蛋白質大小可以通過其含有的胺基酸數目或者其分子量(以道爾頓或千道爾頓,即kDa為單位)來衡量。酵母蛋白的平均長度為466個胺基酸或平均分子量為53kDa。目前已知的最大蛋白質是titin,titin是肌肉中肌節的組分之一,其分子量為近3,000 kDa,含有近27,000個胺基酸。


蛋白質的發現史
在18世紀,安東尼奧•弗朗索瓦(Antoine Fourcroy)和其他一些研究者發現蛋白質是一類獨特的生物分子,他們發現用酸處理一些分子能夠使其凝結或絮凝。當時他們注意到的例子有來自蛋清、血液、血清白蛋白、纖維素和小麥麵筋里的蛋白質。荷蘭化學家Gerhardus Johannes Mulder對一般的蛋白質進行元素分析發現幾乎所有的蛋白質都有相同的實驗公式。用「蛋白質」這一名詞來描述這類分子是由Mulder的合作者永斯•貝采利烏斯於1838年提出。Mulder隨後鑒定出蛋白質的降解產物,並發現其中含有為胺基酸的亮氨酸,並且得到它(非常接近正確值)的分子量為131Da。


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靈性使者 - 天人合一

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