BC G2007B.pdf

生物化學基礎

細胞與分子

1

構造

胺基酸

蛋白質

核酸

生物技術

性質

酵素

2

研究

技術

生化部份範圍包括 [1] 各種基本分子 , 以及 [2] 應用這些基礎的酵素部份。我們將由生命起源

開始 , 探討最早的分子如何產生 , 接著如何演變成生命形式。這可能是令人驚嘆的旅程。細

胞與分子一節 , 可以說是整個生物化學的鳥瞰 , 對瞭解我們的前世今生 , 以及探討生命是什

麼 , 有極大的催化作用。上課每一個部份都是先解析構造 , 再由構造理解其性質 , 二者可說

是一體之兩面 , 修習生化請勿忘記此點。

我把所有的上課投影片公佈在網站 , 每張都列有出處 , 可找出原來的文字閱讀 ; 每張投影片

都寫有詳細說明文字 ( 印有備忘稿文字為格式 B)。雖然如此 , 每堂課一定要準時來上課聽講 ,

因為上課是一種整體觀念的發揮與放送 , 所得到的觀念與你自己看書完全不一樣 ; 可以說是

在短短兩個小時內 , 馬上增加數成生化功力 , 非常有效。前一天最好早點睡覺 , 早一點來學

校 , 課前喝一杯咖啡 , 甚或懸樑刺股 , 任何有助上課效果的方法都可一試。上課前千萬不要

喝牛奶 , 原因在上胺基酸時會講。另外 , 請常上本課程網站 , 可快速找到更多的相關內容 ,

其中含有大量連結 , 大大開展我們的眼界 ; 並且有許多分子立體構造的教學網站 , 更令人歎

為觀止。

C-1

General

細胞與分子

● 1 生命源起

● 2 細胞的生物化學 :

2.1 原核細胞

2.2 古生菌

2.3 真核細胞

Introduction

● 3 細胞分子 :

3.1 水與 pH

3.2 細胞的組成分子

3.3 分子間的作用力 : 二級鍵

這是生化第一章的三個主題 , 都是非常基本的生物現象。首先以分子角度說明生命如何開

始 , 產生最原始的細胞 ; 接著跳到今日的細胞形式 , 但並不詳細說明 ; 最後看到細胞內的主

要成份 – 水 , 水分子與酸鹼度的關係 , 以及影響生化現象最重要的『二級鍵』。

生命的源起一節 , 由大爆炸開始 , 描述所釋出的基本粒子聚集成原子 , 原子再組成小分子 ,

小分子自行組合成大分子 , 這些巨分子居然會複製自己 , 開始攝取環境的物質來繁衍 , 進而

獨霸環境。最早的巨分子可能是 RNA, 它以簡單的複製機制 , 形成地球最原始生命的開端

( 但還不是生命形式 )。幾種分子聚成最早形式的簡單細胞 , 經過漫長 (?) 的演化 , 細胞越來

越複雜 , 有了細胞核等胞器 , 功能更為強大 , 並且組合幾種細胞變成多細胞生物 , 開始有了

具體形象。這整個細胞的演化過程 , 我們只大略帶過 , 但從生物化學的觀點 , 重點說明三種

巨分子在生命演化上的角色。

最後要說明水在這個生物化學世界上的巨大影響 , 水無所不在地參與所有生化反應 , 決定溶

液的酸鹼度 , 組成細胞的大部分。同時各種分子之間的結合 , 是以一類非常細膩的微弱力量

來達成 , 這些力量都很小 , 但卻是構成生命活動的最主要根本。

C-2

地球上所有的故事是這樣開始 …

135 億年前

大霹靂

牛頓雜誌 (1994) 第 132 期 , p.20

據說整個宇宙在最早的時候 , 空無一物 ; 只有一顆小球體 , 質量密度之高 , 不可思議。在宇

宙開始的那一剎那 , 這個小球體爆炸開來 , 釋出其中所含的物質 , 就是無數的基本粒子 , 是

我們目前所知的最小粒子。此一爆炸使得整個宇宙充滿各種基本粒子 , 渾沌不堪 ; 然而 , 基

本粒子很快開始進行組合 , 幾種不同基本粒子分別組成質子、中子等 , 後者再組成原子、分

子 , 一路進行著『組合』的工作。這就是生物化學開講的故事主軸 , 也是生物化學的終極源

起。

組合

C-3

10 -44 sec

大霹靂

10 -34 sec

大渾沌

10 萬年

宇宙放晴

135 億年

現在的宇宙

肥皂泡模型

牛頓雜誌 (1994) 第 129 期 , p.116

大霹靂放出基本粒子 , 整個宇宙成為渾沌狀態 , 開始『組合』的過程。

基本粒子先聚合成質子、中子 , 後者再組合成最簡單的幾種原子 , 進而聚合反應成較重的原

子 , 整個宇宙漸漸放晴 , 並且開始形成星系、星體。再過約一百多億年 , 宇宙逐漸形呈目前

的狀態 , 星球銀河等是以類似肥皂泡的樣子 , 不均勻地散佈在宇宙空間。

你將會發現 , 這種『組合』的主題一直延續下去 , 由原子、簡單分子到巨分子 , 然後一起組

合成生命形式 , 並且複雜化而達成有如今日地球上的多樣性世界。

C-4

-

原子核

原子

-

電子

氦 He 2

取材自牛頓雜誌 (1991) 第 93 期 , p.103

由原子核與電子組成

由基本粒子到原子

質子

原子核

+ n

+

質子和中子各由三個夸克組成

由質子和中子組成

中子

基本粒子

u

d

夸克

u

大爆炸所放出的無數基本粒子組成質子與中子 , 後者開始組合與堆疊 , 並加上電子成為原

子。最簡單的原子是由一個質子 ( 帶正電 ) 與一個電子 ( 負電 ) 所組成 , 就是最小的氫原子 , 是

唯一沒有中子的原子。

各種基本粒子中 , 若由生物化學或有機化學的觀點看來 , 電子的特性最為奇妙。它是繞在原

子外頭的帶負電粒子 , 兩個原子間的鍵結要靠電子組成配對 ; 因為原子或分子的最外層電子

都要有一定的數目 , 以便維持穩定的狀態。許多具有高能量的分子 , 其能量是貯藏在某些電

子上。

念有機化學或生物化學一定要掌握住電子 , 電子可以說是所有有機或生化反應的唯一主導因

素。在一個原子中 , 只有電子能夠自由出入 , 或者遊走在不同原子之間。物質的化學變化 ,

完全決定於電子的操作。

組合

C-5

氦 He 2

+ n n +

氫 H 1

Juang RH (2007) BCbasics

氫原子模型很清楚看到中央的質子 , 以及繞在外圍軌道上的電子。

若兩個氫原子融合起來 , 則有兩個質子與電子 , 就成為氦原子。然而兩個帶正電的質子會互

相排斥 , 因此氦原子核必須加上兩個中子。如此氫原子之核融合就產生大量熱能 , 也就是目

前太陽最主要的活動。原子如此融合下去 , 原子核因此越來越大 , 造就了整張週期表上面的

百餘元素。

C-6

H

C N O

1 5678 2

3 4

週期表

Everyday Science Explained (1996) p.130

原子以核融合反應產生更大的原子 , 如此衍生了整個宇宙各種大大小小的原子家族 , 全都可

排到週期表上。週期表除了把各種化性相似的原子排隊之外 , 還可以預測將會有什麼樣的重

原子會出現。週期表的『偉大』之處 , 就是這張表適用於全宇宙 , 整個宇宙都是由週期表上

的各種原子所組成。

各種原子因為所含電子的數目不同 , 因而有相異的化學性質 ; 原子或分子的行為 , 完全決定

於所含最外圍電子數目 , 具有相同外圍電子數的不同原子 , 會有相似的化學性質。至於外圍

電子數目如何影響化性 , 在普通化學或有機化學已經非常精彩地交代過 ; 整個有機化學可說

是某原子攻擊 ( 或被攻擊 ) 另一原子的故事 , 而武器就是電子。

C-7

第一層軌道 1s (2e - )

n + n

+ +

n

n

碳 C 6 +

n

第二層軌道 2s 2p x,y,z (4e - )

+n + Juang RH (2007) BCbasics

碳的質子數目有 6 個 , 則其外圍的電子也有 6 個。第一層電子軌道最小 , 只能容納兩個電

子 , 碳因此多出了 4 個電子 (6 -2 = 4), 必須移到第二層軌道。

第一層軌道很單純 , 就是一個球形軌道 , 稱為 1s (spherical)。第二層軌道比較大 , 因此除了有

一個稍大的球形軌道 2s 外 , 還有三個位於 x, y, z 軸線上的 p 軌道 , 總共有四個。量子力學觀

察告訴我們 , 每個軌道最好能有兩個電子 , 這樣有最安定的能量狀態。因此 , 碳原子的第二

層軌道理論上要有 8 個電子 , 但實際上只有 4 個。

到週期表去看 , 第二層真正佔滿 8 個電子的是氖 (Ne), 氖總共有 10 個電子 , 扣除 1s 佔掉兩個

電子 , 剛好剩下 8 個電子在第二層 , 分別佔住 2s 及三個 p 軌道 , 每個軌道有兩個電子 , 非常

安定 , 因此氖不太會進行化學反應 , 是『鈍氣』的一員。

C-8

混成軌道 (4 個外層電子 )

sp 3 碳 C 6

H

CH 4

甲烷

H

H

H

+

+

共價鍵


碳原子外層的 2s 及三個 p 軌道有另一種排列方式 , 稱為『混成軌道』。

混成軌道就是把上述的 s 及 p 軌道混合 , 重新組成四個形狀相似 , 且平分在空間四個角落的

sp 3 軌道 ; 以能量來說 , 這樣的安排可能最有利。而碳原子外圍的 4 個電子 , 就分別安置在每

一個 sp 3 軌道 , 但都還是『單身』, 非常渴望接受另外一個電子 , 來滿足兩個電子的最安定狀

態。

這時 , 宇宙間最多的氫原子 , 因為只有一個電子 , 很容易對碳提供一個電子 , 兩者一起共用

這兩個電子 , 就形成了 C-H 共價鍵。而碳有 4 個 sp 3 軌道 , 可與 4 個氫原子鍵結 , 形成 CH 4

的分子形式 , 就是甲烷。

除了碳之外 , 很多較輕的原子 , 也喜歡以 sp 3 的混成方式存在。

問題 : 請依照此例 , 畫出氮 (7) 與氧 (8) 的外層軌道與電子分布 , 並且指出它們如何與氫結合

成分子。

C-9

地球早期演進的重要關鍵

地球只有薄薄一層地殼是冷的

小行星碰撞岩漿海地殼形成第一場大雨天空放晴

46 億年前 38 億年前

地球上的水分是由殞石帶來的

牛頓雜誌 (1994) 第 132 期 , p.37

回到宇宙形成 , 焦點在地球。

約五十億年前 , 在太陽系形成過程中 , 一些如地球的行星 , 漸漸由塵埃聚合成星體。當星體

越來越大 , 自轉所產生的重力也越來越大 , 吸引了更多的小行星飛到地球來 , 而每次的撞擊

都產生了巨大的能量 , 長久的撞擊使地球漸漸溶解。撞擊地球的大量小行星 , 攜有很大比例

的水分 , 水分因高熱而蒸發 , 散到地表。但因水蒸氣無法逃離地心引力 , 在地表形成蒸氣

雲 , 越堆越厚 , 終於凝聚成雨 , 開始下起地球上的第一場大雨。大雨除了使地殼表面冷卻 ,

造成巨大的海洋 , 同時也使天空放晴。在原始的大海中 , 沒有任何生物 , 極高的溫度中溶解

有各種樣式的大小分子 , 被科學家想像成原始的『濃湯』, 開始了演化並孕育生命形式。

C-10

H

H

H

C

H

N

6

H

7

H

由基本小分子到單位小分子

H

O

H

8

H

基本小分子

單位小分子

Campbell (1999) Biochemistry (3e) p.16

地球原始濃湯裡 , 可以想像充滿了一些『基本小分子』, 例如甲烷、氨、水分子等 ; 而這三

種分子剛好是碳、氮、氧三種原子 , 分別以氫原子填滿其外層軌道所得。連同其它的常見小

分子 , 在高溫、高能量下反應 , 很容易產生生物常見的有機分子 , 例如單醣、胺基酸、核苷

酸等『單位小分子』。這個可能性 , 可在試管中再現 , 就是 Miller 有名的實驗。

組合

C-11

可以在試管中模擬地球初始狀態

Alberts et al (1994) Molecular Biology of the Cell (3e) p.4

單位小分子

胺基酸

Gly

S Miller

Ala

Asp

核酸鹼基

A

U C G

Campbell (1990) Biology p.17

Miller 把一些簡單的小分子 , 如甲烷、氨、氫氣等 , 密封在一真空玻璃球中 , 並模擬地球早

期的高溫、溼熱狀態 , 同時也以電擊、放電供應能量。數日後 , 原本透明的玻璃球 , 開始出

現不透明的深色物質 , 收集分析其成份後 , 發現有很多胺基酸 , 以及核酸的鹼基 , 這些都是

組成蛋白質與核酸的單位小分子。

這個實驗的意義是 , 在早期的地球上 , 一些簡單的基本小分子 , 可能直接反應成為單位小分

子 , 後者則可組成生命所需要的巨分子 , 如蛋白質與核酸。

基本小分子 → 單位小分子 → 巨分子

C-12

甘油可能形成最早的核酸骨架

5

HOCH 2

HC 4

3

HC

O

OH

Base

1 CH

2

CH

OH

核糖組成核酸骨架

HOCH 2

O

HC

CH 2

OH

Base

CH 2

C-OH

C-OH

C-OH

甘油

Adapted from Darnell et al (1990) Molecular Cell Biology (2e) p.1054

核酸除了鹼基之外 , 還要有一個五碳醣的骨架 , 以便把一個個鹼基連接成長串。五碳醣在早

期的濃湯中也許還不易找到 , 但是以較為簡單的甘油可以方便的替代之 , 甘油因此可能就是

形成早期核酸骨架的分子。

如此 , 核酸為了有效貯藏信息 , 其長鏈分子可大略分成兩部份 :(1) 以鹼基的序列來記錄信

息、(2) 以多醣骨架連結這些鹼基。

(2)

多

醣

骨

架

(1)

信

息

貯

藏

C-13

巨分子的自我複製機制

A U C G

連結

Trick

1

U C G A U C G A U C G


這時有些分子『發明』一些聰明的把戲 , 蒐羅各種單位分子 , 並依幾個簡單的規則 , 結果是

可以大量複製自己 , 漸漸在原始濃湯中壯大。複製分子的第一個把戲 , 就是把單位小分子一

個一個連結成長串。這並不難 , 很多分子都可以經由脫水反應 , 兩兩連結起來 ; 例如 , 胺基

酸、單醣類、核苷酸等 , 都是經由脫水產生蛋白質、多醣類、核酸等巨分子 , 在後面的課程

中 , 一定要注意其脫水反應是如何進行的。

C-14

Trick

2

T

A

配對

DNA

C

G

H

H

H

H

H

N

O

T

N

H

O

H

H

N

N

X

A

H

N

O

H H

N

N

H

N

C

N

H

N

H

H

H

N

O

G

N

N

H

1.08 nm 1.08 nm

N

N

U A RNA

C

G


第二個把戲是兩個單元分子間的專一性配對 , 以核苷酸最擅長此一技巧。若當時的原始濃湯

中已經有豐富的 A, U, C, G 四種核苷酸 , 則 A 與 U 或 C 與 G 之間 , 可以因為化學鍵的吸引 ,

產生了專一性的配對。

上圖兩對鹼基之間是以氫鍵結合 , 而氫鍵有方向性。由氫鍵數目以及其方向性的不同 ,A 只能與 U 配對 , 而 C

只能配 G。

不論 DNA 或 RNA 中的核苷酸 , 都可以遵循如此的規則 ; 而 RNA 中的 U, 等於是 DNA 的

T。一般相信 , 在地球初始濃湯中 , 應該是只有 RNA, 而 DNA 是演化後來的產物 , 這段故事

將在後面敘述。

C-15

Trick

1

2


A G C U A G C U A G C

連原結版

配對


原版


原版


原版


模版


模版


模版


副本

U C G A U C G A U C G 副本 2









利用上述兩個把戲 , 核酸分子就可以用來複製自己。首先是各種核苷酸 ( 單元分子 ), 依照第

一個把戲把自己連結成一長串巨分子 , 然後用第二個技巧開始由濃湯中找尋配對 , 並且一一

連結起來 , 則所配對出來新的巨分子序列 , 剛好與原來的分子序列互補 ( 模版 )。

接著以這條互補分子為模版 , 同樣依照第二個把戲開始配對、連結 , 則所生產的巨分子序

列 , 將會與第一條分子一模一樣 , 可說是其副本。若移除此一副本 , 同法以上述模版再度配

對與連結 , 將可產生第二、第三、第四 …. 副本 , 就是大量複製原來的分子。

■ 本圖在網頁上有動畫。

C-16

同時具有遺傳訊息及構形的 RNA 分子

Hepatitis delta RNA


RNA 以上述的兩個把戲複製自己 , 並且開始分子自身的演化 ; 演化是因為改變了分子上的核

苷酸序列 , 而此序列可能會影響該分子的構形 , 構形會決定分子的功能 , 擁有適當而強大的

功能性 , 將有利生存機率。例如 , 若有一分子具有催化能力 , 可增加分子複製效率 , 則將大

大增加其生存優勢。

RNA 分子不但有複製的機制 , 也因為可形成適當的構形 ( 為什麼 ?), 因此地球上最早出現的

巨分子很可能就是 RNA, 這個理論稱為 RNA World。

C-17

催化性蛋白質及細胞膜的出現

原始細胞膜

蛋白質催化

當環境資源減少

複製越來越困難

蛋白質

酵素元祖 ?


若上述的巨分子一直不斷複製 , 則不同序列的同類巨分子之間 , 就會發生競爭現象 , 互相搶

奪複製的原料 ( 鹼基 )。此時 , 若有某巨分子演化出優勢策略 , 就可能優先生存下來。例如 ,

可納入蛋白質分子 , 此蛋白質可以加速分子複製 , 執行最原始的催化作用 ( 最早的酵素 ?)。若

進一步再發展出簡單的細胞膜 , 把巨分子及蛋白質的優良複製系統 , 包圍在一原始細胞膜

中 , 有效而安全地複製該巨分子 , 可能就是最原始細胞的起源。

再來 , 此一原始細胞可能發展出一種蛋白質合成系統 , 可以自行有效地在細胞內把胺基酸一

一連結起來 , 並且利用核酸上面的鹼基序列為密碼 , 來指導胺基酸的序列 , 合成出正確的蛋

白質種類。

蛋白質的引入 , 使細胞的功能大大提升。例如在核酸複製中 , 當一個個鹼基 ( 核苷酸 ) 連結起

來時 , 若在三度空間的細胞中自由進行 , 其效率將不會太好 , 因為各種材料要碰撞在一起才

能有效連結。假若能有一個類似桌面的分子 , 抓住已經合成好的長鏈 , 再一一接上核苷酸 ,

則效率將會大增。這種桌面 , 以蛋白質最為適任 , 因為蛋白質可以組成特定的構形 , 甚至發

展出催化連結的反應。

C-18

細

胞

膜

的

形

成

並

不

困

難

單層脂肪膜

單層脂肪球

雙層脂肪球

(liposome)


像上述原始細胞的形成 , 要先有一簡單的細胞膜 , 並且形成空心球體 , 這並不難達成。在實

驗室中可以很容易製作 : 在一水溶液中 , 加入一些具有雙極性的脂質分子 , 後者可能在水溶

液表面形成一層脂質薄膜 ; 若加以能量攪拌 , 則此薄膜可形成小油滴 ; 若把能量加大 , 以超

音波震盪 , 則脂質分子可能兩兩以非極性的尾巴接觸 , 極性頭部向外 , 形成一個中空球體 ,

非常類似早期的細胞膜。這種中空球體可以裝入各種物質 , 目前在醫藥或研究上使用相當

多 , 稱為 liposome ( 微脂體 )。

C-19


Campbell (1999) Biochemistry (3e) p. 329

早期細胞的形成 , 簡單來說 , 就是把核酸裝入一個細胞膜的球體中 , 或許連帶裝有若干蛋白

質。其實 , 現今所存在著的某些病毒 , 與這種早期細胞的可能形態 , 非常類似。

C-20

Central Dogma 的演化進程

pre-RNA-based systems

pre-RNA

RNA and protein-based systems

pre-RNA 被 RNA 取代

RNA

Proteins

RNA-based systems

RNA

DNA 取代 RNA 後蛋白質演化

複製 DNA 能力並可轉錄 RNA

Present-day cells

RNA 經演化得指導

蛋白質合成之能力

DNA

RNA

Proteins

Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.372

大體來看細胞的演化過程 , 可能是先有可進行自我複製的 RNA 為遺傳物質 ,

然後加入蛋白質作為其複製的催化幫手 , 最後 RNA 把它的遺傳信息轉由 DNA

來攜帶並貯藏 , 而由 RNA 專責蛋白質的合成工作。

到底是何種原因、何種機制 , 使得原來以 RNA 為主體的複製系統 , 變成以 DNA 為主 ? 目前

沒有人確實知道原因。但法國科學家 Patrick Forterre 提出 , 可能是某類 RNA 病毒 , 在其演化

過程中 , 開始採用 DNA 作為貯藏遺傳信息的工具 , 比較能夠穩定而忠實地傳遞遺傳密碼 , 因

而造成如此巨大的改變。

■ 請參閱 Nature (2006) 439: 130 有關病毒可能創造 DNA 的假想。

C-21

T

A

C A T C G A T C G

DNA

A

U

G

U A G C U A G C

RNA

Transcription

T A C A T C G A T C G

DNA

T

A C A T C G A T C G

DNA

T A C A T C G A T C G

DNA

Ribosome

A U G U A G C U A G C

messenger

mRNA


mRNA


mRNA

U A

1

Met

Translation

C A U

2

Ile

C

tRNA

transfer

Met

A U

2

Ile

C G A U

3

Asp

tRNA

Met Ile Asp

Protein





DNA 先經轉錄把信息傳給 RNA, 然而 RNA 要如何轉成蛋白質 ?

RNA 的序列是轉譯成蛋白質的訊息 (mRNA), 每三個小單位成為一個密碼 ( 例如上面的第一個

密碼 AUG)。另外 , 需要一種專門用來運輸胺基酸的 tRNA, 每種胺基酸都有其特定的

tRNA, 這群 tRNA 的一端接著其特定胺基酸 ( 如 Met), 另一邊則是反密碼 ( 如 UAG), 會與

mRNA 上面的密碼互補接合 ; 如此就可按照 mRNA 上面的密碼 , 利用 tRNA 把對應的胺基酸

一個一個接上去。當兩個胺基酸被帶到一起時 , 核糖體上面的 rRNA 就會把這兩個胺基酸連接

在一起 ( 向右箭頭 )。

可以說核糖體是把 mRNA 翻譯成蛋白質的翻譯機 , 而 tRNA 是翻譯時的最重要界面 , 直接把

mRNA 密碼轉換成胺基酸。胺基酸一個一個接上去 ,tRNA 任務完成後就獨自離開 , 漸漸形成

蛋白質的長鏈。蛋白質的長鏈形成 , 最後脫離製造蛋白質的核糖體。


C-22

T

A

C

A T C G A T C G

DNA

A

U

G

U

G

A

C

U

A

G

C

mRNA

Destroyed


當合成足夠的蛋白質後 , 通常這條帶有重要遺傳信息的 mRNA 就很快被銷毀。在真核細胞

內 , 對 RNA 的存在是非常敏感的 , 尤其是『雙股』的 RNA, 可能因為太像 DNA 了 , 而且還

帶有遺傳信息 , 因此細胞會啟動很複雜的機制 , 以便徹底消滅這種雙股 RNA, 稱為 RNAi

(RNA interference), 到核酸時會再說明。

C-23

最後形成目前的細胞模式

DNA 取代 RNA 成為遺傳物質

RNA 專司蛋白質的合成

DNA

ribosome

mRNA

proteins

DNA

5’

process

3’

mRNA

mature

mRNA

cap

5’ 3’

tail

proteins

原核細胞

真核細胞

單身宿舍三房兩廳 Juang RH (2007) BCbasics

Central Dogma 發生在原核及真核細胞中 , 可說是所有生物細胞必定遵循的基本生命法則。

只是真核細胞的整個流程 , 比原核細胞稍微複雜 ; 而兩者的主要差異 , 在於細胞核的有無 ,

也因此在各自的基因表現上 , 有不同程度的調節控制手法。

原核細胞好像單身宿舍 , 吃飯睡覺全在一間小房間中進行 , 一切快速、經濟、有效 , 也沒有複雜的規矩 ; 而真核

細胞好像住三房兩廳的房子 , 有隔離的臥室 ( 細胞核 )、客廳 ( 細胞質 )、廚房 ( 粒線體 )、浴廁 ( 溶脢體 )、走道及樓

梯 ( 內質網 )、玄關 ( 高爾基體 ) 等 , 住起來較舒服 , 但是打掃運作較繁複 , 而且規矩可能很多。

C-24

大爆炸基本粒子原子基本小分子

核酸

複製信息

Central

Dogma

A

Gly

C

U

G

Asp

組合

蛋白質

催化功能

巨分子

Ala

單位小分子

本圖由最開始的大爆炸 , 經過原子、分子的形成 , 到巨分子的產生 , 以及原始細胞的出現 ,

做一個全面的整理。巨分子的出現 , 是一件重要的事 , 而核酸及蛋白質分別負擔兩種不同的

任務 , 核酸是信息的傳遞 , 以便能夠正確地繁衍下去 ; 蛋白質則依核酸上面的信息製造出

來 , 可以執行有利於核酸繁衍的種種生物功能。此二者的共同合作 , 加上一個由脂質所組成

的細胞膜 , 造就了最原始形態的細胞。

到目前沒有任何直接證據可以完全支持以上的說法 , 通常都是以後來觀察到的現象 , 去回推地球生命的開端 ; 因

此有關生命的起源一直是個很大的爭議 , 也無法重複生命誕生的實驗。可能的辦法就是時光倒流 , 回到數十億年

前去看早期地球 , 不過這純屬想像。另一較為可能的方法是 , 去外星世界找一個類似地球的初生行星 , 觀察它如

何產生生命 , 如何演化 , 可是這目前也是無法做到。

組合

C-25

有規則的序列

一堆凌亂磚塊不能組成一間房屋 ( 建築 )

一堆散亂字母無法組成有意義的文章 ( 文法 )

串起一堆胺核基苷酸不能成為一個有用的蛋基白因質


自然界雖然物質是趨向最大亂度 , 但生命卻是以消耗能量來保持其秩序性。就像人類的文

字有其排列意義 , 一棟房屋有其建築藍圖 , 生命的巨分子也有其排列法則 ; 這種有規則的序

列 , 是生命的最基本條件。事實上 , 這個序列也是基因所傳遞信息 (meme) 的根本。

從大爆炸開始 , 一直都在進行著組合的遊戲 : 基本粒子組成質子、中子 , 後者組成各種形形

色色的原子 , 原子組成小分子 , 小分子再組成巨分子。巨分子因為能夠複製 , 開始有了繁衍

自己的能力 ; 但並非所有的巨分子都能有效地複製自己 , 複製能力差的就要被淘汰。因此 ,

好的序列可以有好的複製能力 , 也就會成為優勝者。演化的巨大力量 , 在早期地球的分子世

界已經殘酷地開始運作。

若你能瞭解上圖的意義 , 知道細胞的運作以及巨分子的次序 , 都是如此井井有條 , 那為何我們的生活環境卻是亂

七八糟 ?

C-26

核酸

蛋白質

細胞內的三種巨分子

遺傳信息傳遞

蛋白質合成

細胞構造

生理功能

DNA

RNA

肌肉

酵素

醣類

細胞構造

能量

細胞壁

葡聚糖


細胞內有三大類巨分子 , 都是由特定的單位小分子所組成 , 回想自大爆炸開始 , 整個宇宙

都在做組合的遊戲。巨分子核酸由核苷酸單位組成 , 蛋白質由胺基酸 , 多醣類由單糖組成 ;

有關它們的詳細構造及性質 , 會在以後的課程中介紹 , 在此則說明三者的差異。

另外 , 這些小分子之間 , 都是以『脫水反應』連接起來的。反之 , 若要把巨分子分解 , 是以

加入水分子來進行『水解反應』的。

C-27

組合

細胞內巨分子的特性

(1) 巨分子由單位小分子聚合成

(2) 單位小分子的序列有其意義

(3) 每一層次組合都有新的機能

(4) 越後來的組合其複雜性越高

Nelson & Cox (2000)

Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.5, 70

核酸及蛋白質分子中 , 其序列的變異性都很大 , 而多醣則較單調 ; 因此前兩種分子 , 不是帶

有信息 , 就是賦有生物功能 , 而多醣則主要只作為能量的貯存之用 , 或是生物體的構造性建

材。

請注意 , 這些組合有很多層次 , 而且越來越複雜 , 並且衍生出一定的規則。例如字母組成單

字 , 單字再組成片語 , 片語加單字組成句子 , 許多句子組成文章。每形成一個更複雜的層

次 , 就會產生新的機能性 , 例如質子與中子組成原子 , 各種原子的性質都不一樣 ; 胺基酸的

長鏈組成的蛋白質 , 後者會有不同於原來胺基酸的功能。

我覺得英文的片語很有趣 , 有類似前述那種層次的特質。例如 ,put, up 及 with 三個單字的意思大家都能理解 ,

然而把三個字變成片語 put up with, 就變成『忍受』的意思 , 與原來的字義毫不相干。

以遺傳信息而言 , 核酸最為神奇 , 因為它不只可以貯藏 , 而且還可以複製其所含的遺傳密

碼。而核酸所用的基本字母 , 居然只有四個 , 然後任取三個字母為一組單字 , 可以轉譯為胺

基酸 , 進而連接成蛋白質。這就是生命運轉最重要的一條大道 ,F. Crick 稱之為 Central Dogma

( 生命的中心教條 )。

C-28

生

物

資

訊

學

已

成

形

Bioinformatics

Nature 阿拉伯芥基因體紀念光碟


核酸序列可說蘊藏著生命的祕密 , 因為所有生命都是由其所含基因的核酸序列 , 決定將表達

出何種蛋白質 , 然後蛋白質藉著其功能性質 , 表現細胞的種種生命特質。因此過去十年來 ,

科學家開始對各種生物的基因 , 進行其核酸序列的解碼工作 , 人類的基因在 1999 年初步解

碼 , 以 ATCG 為字母 , 全部共達 30 億個密碼 , 可寫滿一張 DVD 光碟。植物方面 , 阿拉伯芥

是實驗室最常見的研究對象 , 也被歐美日的研究團體合作解碼 (2000 年 )。

刺激人類基因解碼的科學家 C. Venter 後來又自創 J. Craig Venter Institute, 挑戰人造生命形

式 , 嘗試轉殖整個微生物的染色體 , 並在 2007 年六月的國際會議發表初步成果。早先在 2002

年紐約州立大學 SUNY 科學家 E. Wimmer, 由網路下載病毒基因序列 , 經郵購得到合成的基

因 , 再依照一般程序把病毒組合起來 , 注入病毒的小鼠立刻痲痹後死亡。

■ 請參考新聞 Science (2002) 297: 174; 原始論文 Science (2002) 297: 1016。

C-29

細胞

細胞核

3,000 Mb (3 G)

總共 2.4 萬檔案

46 條染色体

細胞核

23 x 2

23 個子目錄

23 對應目錄

同源染色体

染色体複製

複

製

備

份

子

染

色

体

細胞

分裂前


人類的染色體總共約有兩萬四基因 , 存放在 23 對染色體 , 每一對分別由精子與卵子而來。

因此每一條都有一條對應染色體 , 含有對應基因 , 互稱同源染色體 , 故一般人體細胞核內共

有 46 條染色體。染色體平時是一長條核酸 , 散佈開在細胞核中運作 ; 當細胞準備分裂時 , 此

長條染色體先複製成為兩條 , 並捲繞成為我們所熟知的染色體模樣 (X 型 )。

若把人體細胞核比擬成電腦硬碟 , 則所含共 24,000 個檔案 , 分別存放在 23 個子目錄中。然而

這 23 個子目錄 , 每一個都有一對應子目錄 , 兩者所含的檔案類似 , 檔名也相同 , 但內容可能

有點不一樣 , 有時只會使用其中的一個檔案 ( 顯性基因 )。而這兩套子目錄 , 是分別由兩個不同

的來源 ( 精子及卵子 ) 所得到的。

體細胞分裂前 ,46 個子目錄先複製所含的檔案 ( 上圖右側 X 形染色體 ), 每個 X 形染色體由中

心粒分裂成兩半 , 其中的一半移到另一磁片 ; 因此新的磁片也將含有 46 個子目錄 , 與原先的

磁片沒什麼不同。

但是產生精子或卵子時 , 當所有檔案複製後 , 相對應的同源染色體之間 , 先互換其檔案或內

容 ; 然後每一對同源染色體 , 只選取其中之一 , 因此新磁片中的染色體只有 23 條。精子與卵

子的染色體數目 , 只有一般細胞的一半 , 稱為減數分裂。

C-30

大多生物基因體的解碼只完成草圖

台灣古代地圖台灣空照地圖功能地圖

核酸序列必須加以定義註解 (annotation) 才能得到有用的資訊

生物資訊學 (bioinformatics) 就是對這些資訊的解讀與應用


人體基因序列解碼是一浩大工程 , 共有三十億個鹼基序列 , 在 2001 年已完成初稿 , 是一部

蘊藏著人類生命奧祕的『有字天書』, 也開啟了『基因體學 genomics』及『生物資訊學

bioinformatics』的時代。

除了紅血球沒有細胞核 , 以及精子或卵子細胞只含有一半染色體 , 我們身體上每個細胞 , 都

攜帶有上述的完整遺傳資訊 , 理論上都可以重新建構一個新的個體。但只有遺傳訊息 , 還不

能啟動發育 , 以形成完整的生物體。染色體上的基因 , 要有種種之調控系統 , 以協調並組織

生物體的正常發育。

這有點像你擁有一片光碟 , 裡面有 46 首音樂 , 但必須放在光碟機中播放 , 才會產生音樂 ; 光碟機可以啟動光

碟 , 並有解讀資訊以轉換成聲波的功能。只有一張光碟 , 你是聽不到任何音樂的。

基因序列剛解碼時 , 所得到的序列都只是初步的草圖 , 並且有許多地方無法定出。除了要仔

細比對確認序列 , 並且耐心檢查核酸序列的意義。例如找出每個基因的首尾 , 確定其

intron/exon 位置。如此經過定義註解後的序列資料 , 對科學家才有進一步的用處 , 可以開始

使用電腦進行種種序列上的運算與比對 , 這就是生物資訊學的範疇。

C-31

不同生物的基因體大小相差很大

Hedges & Kumar (2002) Science (297) p.1284

把基因擠到十分之一大小之內

Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.33, 459

比對一些不同動物的基因後 , 發現基因的大小有很大差異 , 但卻都能行使完整的生物功能 ,

顯然那些染色體過大的動物細胞中 , 含有許多『不必要』的核酸。河豚的基因令科學家極感

興趣 , 因為它的染色體大小約只有人類的十分之一 , 但是卻含有相似數目的功能基因。初步

瞭解是河豚的基因比較不會任意『複製副本』, 也就不會做出一大堆功能相似的基因 , 或者

無用的假基因 , 佔據著染色體。

染色體所有密碼中 , 最後只有 1% 是會表達出蛋白質的基因 , 而人類與黑猩猩的基因中有 99%

是相同的 , 只有 1% 差異 ( 但 2007 年研究認為可能差異更高 , 也許相差到 6.4%)。

■ 請參考新聞 Science (2007) 316: 1836。

C-32

Central Dogma

複製

Replication

轉錄

Transcription

DNA

反轉錄

Reverse

Transcription

RNA

轉譯

Translation

Protein


地球上的生物 , 小至病毒、細菌 , 大至人類、鯨魚、杉木 , 所有生物的基本運作 , 都基於

Central Dogma。因此當動物吃了植物 , 把植物的核酸、蛋白質、糖類等巨分子分解成小分

子 , 就可被動物吸收利用 ; 而當動物死後 , 也會被細菌等微細生物分解吸收 ; 事實上在這個

大循環裡 , 誰都沒有佔到太大便宜。

巨分子之間 , 會有互相指引的關係 , 例如 DNA 指引 RNA 的產生 ,RNA 再引導蛋白質合成 ,

蛋白質的功能也會調節 DNA 或 RNA 的表現。三者間互有分工機制 , 如此應用各種巨分子的

不同特性。

另外引發了一個問題 , 假如真有外星生命 , 則構成此外星生命的分子形式將如何 ? 也就是說 , 他們是否也是以

Central Dogma 來進行生命機制 ? 是否也使用 A, T, C, G 四種鹼基 ? 也是利用我們所用的二十種胺基酸 ? 這些問

題目前無法明確回答。但是推論外星人可能使用相同或類似的原子 , 相信是較為確定 , 因為整個宇宙都由週期表

上的原子所構成 ; 但它們所使用原子的種類與組成 , 則可能與人類有差異 , 因為不同的星球可能有不同比例的蘊

藏元素。

C-33

自私

Selfish Gene

基因

GENE

GENE

GENE

GENE

迷因


Richard Dawkins 的巨著 The Selfish Gene 引起了相當的震撼 , 因為他明白地指出 , 人類或

萬物不過是基因利用來繁衍基因自身的一種工具而已 ; 以生物或演化的角度看來 , 事實上確

是如此。基因的所有行為及目的 , 都是以其自身的傳遞為第一優先。這個概念使得人類對自

己存在的意義 , 產生極大的懷疑與恐慌。

更令人驚訝的是 , 本以為基因繁衍的是 DNA 這種分子 , 我們出生、成長、及結婚生子、死亡

等過程 , 全在傳遞我們細胞核中的那長條 DNA 分子。但在發現地球上最早的分子可能是

RNA 而非 DNA 後 , 大家又對所要傳遞的東西是否真的是 DNA, 開始感到懷疑。因為假如

RNA 真的是最早的傳遞分子 , 為何會被 DNA 篡位 ?

因此 , 生物所要傳遞的 , 也許不是物質層面的 DNA 或 RNA 分子 , 而是其上面的分子序列 ;

也就是說 , 是 DNA 或 RNA 都不重要 , 重要的是上面所攜帶的信息。若物質的 DNA 是以一種

叫基因 gene 的單位來傳遞 , 那麼上述這種信息傳遞 , 也好像可有一種單位 ,Dawkins 創造了

一個新名詞叫做 meme ( 迷因 )。 Meme 寄生在基因中 , 以基因為『肉身』把自己一直傳遞下

去 , 而此肉身可以是早期的 RNA, 也可以是現在的 DNA, 甚至是電腦光碟。 Meme 的概念事

實上無所不在 , 例如我們到處散佈教條、傳播觀念 , 我們都要別人聽自己的想法 , 否定別人

的想法 , 這是微觀的 meme 的鉅觀表現。

■ 若有興趣 , 天下有本書的翻譯本『自私的基因』可以一讀。

C-34

包括動物、植物、微生物之所有生物 , 以及病

毒等 , 都是使用這四種遺傳密碼單位 ; 這是天

地萬物合一 , 以及眾生皆平等的最佳說明。

胺基酸也是一樣

ACDEFGHIKLMNPQRSTVWY


從另一觀點看 , 不管是病毒或鯨魚或是人類 , 都是使用相同的四種核苷酸、二十種胺基酸、

若干種主要單醣類。各種生命形式間 , 都是可以互通的 ; 因此各生物間只有複雜與簡單之

分 , 而無所謂高低善惡 , 因為能夠歷練演化過程而存活至今者 , 都是相當奇妙。

而生物間的相互殘食 , 可看成是一種互相依賴的關係 , 不見得只是無意義的消滅對方 ; 就整

個地球看來 , 並不會因某一物種的壯大或消滅 , 而有所增減。甚至表面上敵對的雙方 , 真正

卻可能互相有所依賴。例如病毒一向寄生並危害人類 , 但若人類把所有的病毒一舉消滅 , 則

人類可能在短期內也漸漸滅亡。因為某些病毒可能刺激人類的免疫系統 , 幫助誘發人類對環

境的抵抗力。

你的人身 , 也是各種奇妙生命活動的組合 , 其中蘊藏著所有生物學大發現的根本。雖然一般

人並不確知細胞如何運作 , 但他身上所有的細胞 , 卻是孜孜不倦地工作著 ; 該呼吸的呼吸 ,

該心跳的心跳 , 二十四小時維護你的舒適生活 , 毫無怨言。因此 , 我們應該好好感謝身上所

有的細胞 , 並且努力且有意義地活著。

我常常覺得 , 我們身上細胞本能地努力工作 ( 有彼良能 ), 而我們卻不知道它們的存在與貢獻

( 無此良知 )。

C-35

由原子到生物分子

週期表

生物偏好較輕原子

地球上存量較多

且原子間鍵結較強

外層電子

化性不同

1

H 6 C 7 N 8 O

1s

H

CNO

2s 2p

H C N O

大

小

不

同

組成生物分子的

原子成分種類

比無生物複雜許多

sp 3

sp 3

地球早期的大氣成分 : H 2 CH 4 NH 3 H 2 O

碳原子的四面體構造

有很強的立體限制性

是蛋白質構形的根本


在週期表上 , 可挑出地球上最豐富的幾種原子 – 碳、氫、氧、氮。因為它們的原子量都不

大 , 容易在宇宙生成 , 因此方便取得應用。另外 , 兩個較小原子之間的鍵結 , 原子核的間距

較短 , 會有較強的鍵能 , 所生成的化合物比較穩固。因此很自然地 , 地球上的生物便採取了

這種以碳氫氧氮為主的組合系統 , 也是有機化學的主要探討對象。

碳、氮、氧扣除內層的兩個電子後 , 其外層電子依序是 4, 5, 6, 分布在一個 2s 軌道與三個 p

軌道上繞行 , 依據量子力學的計算 , 這四個軌道可以平均起來 , 重新分配成四個相同的混成

軌道 , 稱為 sp 3 ; 基本上碳氮氧都可以看作是這種混成軌道 , 把上述的 4, 5, 6 個外層電子依序

放到四個軌道中 , 因此碳原子每個軌道都含單一電子 , 氮有一個軌道含有飽和的兩個電子 ,

氧原子則有兩個飽和。若把上面含單一電子的軌道以氫原子填滿 , 碳可接四個氫 , 便是 CH 4 ,

氮接三個氫成為 NH 3 , 氧接兩個成為 H 2 O, 這些物質可能是早期地球上最豐富的物質。

上面的 sp 3 混成軌道並非特例 , 許多較大的原子也會產生類似的混成 , 例如比碳大的同行原子

矽 , 也是以 sp 3 的混成方式組成氧化矽晶體 , 並可用電子顯微鏡觀察到 , 請見本章的最後一張

圖片。

C-36

陰電性對化學性質有重大影響

地球早期的大氣成分 : H 2 CH 4 NH 3 H 2 O

有機化合物

陰電性

O 3.5

N 3.0

C 2.5

H 2.1

C-C

R

C

官能基

C

CH 3

- +

COOH

NH 2

由各種原子所組合成的官能基 ,

因為原子間陰電性的不同 , 造成

官能基的極性大小不同 , 反應性

也有所差異。

重新看水分子構造

lp

-δ

O

+δ

lp

永

久

的

偶

極

性

● 水分子的極性

● 水的介電常數

● 水分子間的氫鍵

● 水與 pH 的關係


除了與氫原子結合外 , 碳也可以與其他原子結合 , 其中若與其他碳原子結合 , 在所形成的碳

長鏈上 , 再接上其他原子 , 便可組成多采多姿的各種有機化合物。碳的這種組合特性極為驚

人 , 是因為碳有四個含有單一電子的『半空』sp 3 軌道 , 每個軌道都可以接上另一個原子 , 如

此四個方向連綿不斷 , 可長可短 , 可簡單可複雜。有機化學便是研究以碳為主角的各種化合

物 , 以及其種種反應。

除了碳之外 , 氮與氧的角色也很重要。當氮或氧原子接到碳的長鏈上去 , 配合以氫去填滿原

子軌道 , 便可以組成種種官能基。例如 , 在兩個碳的分子鏈上 (C-C), 加上一個氧原子 (C-C-

O-), 這個氧原子必須再接一個氫 ( 因為氧有兩個單原子的空軌道 ), 成為 C-C-OH 便得醇基 ,

寫成 CH 3 -CH 2 -OH 就是乙醇。如此 , 若接上氮原子形成 –NH 2 的胺基 , 或者較複雜的 –COOH

酸基。有一類分子也是以碳原子為中心 , 碳的四個鍵結分別接上胺基、酸基、氫以及一個任

意基團 , 因為同時含有胺基及酸基 , 因此稱為胺基酸 , 可說是建構生物體的基本磚塊。

當兩個原子接在一起時 , 雙方各出一個電子 , 形成共用兩個電子的共價鍵。但是 , 兩個原子

核對這兩個共用電子的吸引力並不相同 , 使得電子在分子上的分佈不很均勻 , 經常偏向某個

原子 , 就是分子具有『極性』的原因。原子之間 , 對電子為何有不同的吸引力 ? 這是因為它

們的原子核中 , 帶正電的質子數目不同所致 ; 例如氧原子在週期表的右側 , 含有八個質子 ,

因此它比只含有六個質子的碳原子 , 更能吸引電子 ( 陰電性很高 )。

C-37

誇張但較正確的水分子模型

-δ

-δ

-δ

-δ

+δ +δ

lp sp 3

lp

+

-

H

+δ

H

+δ

Adapted from Zubay (1988) Biochemistry (2e) p.57

一直談碳原子的重要性 , 對氧原子有點不公平 , 因為氧原子與兩個氫組成的水分子 , 可說是

無所不在、無處不入的重要生命分子。大家不要再以簡單的 H 2 O 來看水分子 , 因為水分子的

性質 , 不只是表面的這三個英文及數字而已 ; 而其立體構形 , 也不只是長得像米老鼠頭型的

三個連環泡泡。

不要忘記氧原子也是用 sp 3 混成軌道 , 其外層電子數為 6, 因此有兩個軌道是飽和的 , 電子分

配為 2-2-1-1, 後面兩個單電子軌道則分別接一氫原子 , 成為氧化二氫 (H 2 O)。這兩個已經飽

和的軌道稱為 lone pair electrons (lp), 經常被忽視 , 忘記了它們在水分子性質上的重大影響與

貢獻。這兩對 lp 佔據了水分子相當大的體積 , 約有一半都被 lp 電子所佔據 , 形成帶有極強負

電的一端。

另一方面 , 氧與氫的陰電性相差甚大 , 其共價電子幾乎都被氧原子搶去 , 兩個氫原子幾乎是

以質子裸露在外 , 因此形成帶有正電的一端。如此的兩個正負極端 , 使水分子具有很強的極

性。可把水分子看成具有四隻腳的模型 : 兩隻較大 , 帶負電 ; 兩隻較小 , 帶正電 ; 兩兩則互

相垂直。這樣的分子形態 , 使得水分子具有極強的『介電常數』, 很容易介入一對正負離子

之間 , 並分隔這一對離子 , 就是『水合作用』的基礎。

C-38

離子鍵在鹽溶液中不易形成

Adapted from Nelson & Cox (2004) Lehninger Principles of Biochemistry (4e) p.51

水合作用

+

+

-

- + - +

+

+ -

+

- + - +- +

- - -

+

-

- + - + +

+

+ - +

-

-

- +

- +

C

O

+ ? -

● 水中的酵素與基質還是可以生成離子鍵

-

+ + +

- + - H

+

O +

-

+

-

-

- -

- +

H

N

H


因此 , 在水溶液中 , 因為水分子的強大介電能力 , 使得兩個正負基團之間 , 無法順利形成離

子鍵。若此水溶液中含有鹽類 , 例如 NaCl, 則加劇此一現象 : 鹽類離子被水合作用溶離出

來 , 所溶出的離子被上述正負基團所吸引 , 更加阻礙其離子鍵的形成。

右上圖提出一個陷阱 : 既然鹽類離子 (Na + , Cl - ) 會大量被吸附到上述的兩個相對正負基團 (-COO - , -NH 3 + ), 則這些

離子可聚集成更大的正負聚落 , 因此可以產生更強的吸引力。答案當然是錯 , 但問題在哪裡 ?

在細胞的水溶液環境中 , 蛋白質分子間經常要進行專一性的辨認 , 很多情況都要靠離子鍵的

形成 , 但是如何去避免水分子的干擾 ? 主要是因蛋白質可以形成固定的構形 , 此構形使得兩

分子間的正負電結合 , 是處在一個凹陷的口袋中進行 ; 在此種分子形狀的限定下 , 水分子或

離子無法自由進入 , 穩定的離子鍵便得以形成。

C-39

共價鍵或非共價鍵的鍵能

共價鍵

離子鍵

氫鍵

凡得瓦爾力

鍵長真空中水溶液

0.15 nm 90 90

0.25 nm 80 3

0.30 nm 4 1

0.35 nm 0.1 0.1

kcal/mole


但是高中課本常說 , 離子鍵的能量大約與共價鍵差不多。這是在真空中的測量結果 , 若在水

溶液中 , 離子鍵只有 3 kcal/mole 鍵能。另一個受到水分子影響的是氫鍵 ( 見下圖 ), 因為氫鍵

是利用氫質子與負電基團間產生的吸引力 , 水分子很容易介入。

凡得瓦爾力幾乎不受水分子影響 , 是因為凡得瓦爾力是非極性分子之間 , 所誘導的短暫微弱

吸引力所形成 , 既然是非極性分子間的把戲 , 那就不會受到極性分子的影響。

C-40

氫鍵 Hydrogen Bond

+

N H O

成一直線

較弱的氫鍵

不成直線

O


既然名為氫鍵 , 當然一定有氫原子涉入。當氫原子與高陰電性的原子 ( 例如 N) 組成基團時 (-

N-H), 氫的電子會被搶走 , 露出質子的正電荷 ; 若附近有另一個帶有較強負電性的原子

(:O=), 則正負電荷之間會形成類似離子鍵的鍵結 (–N-H…O=), 就稱為氫鍵。如此說來 , 氫鍵

也是離子鍵的一種 ? 那倒也沒錯 , 只是一定要以氫原子當作正電荷的來源 , 而且比真正的離

子鍵弱。

上述 –N-H…O= 氫鍵的連線中 , 若這幾個原子在同一直線 , 則所形成的氫鍵將是最強的 ; 若

因為立體構造的限制 , 使得三者連線有轉折點 , 則氫鍵鍵能減弱。這些強強弱弱的氫鍵 , 在

生物的分子構造中 , 扮演非常重要的角色 , 以後我們將會提到。其重要性 , 可能超過你的想

像 , 它決定了生命的複製 , 組成了活性分子的主要運作力量 , 甚至是生命泉源的水分子中的

主要成份 ( 下圖 )。

C-41

水分子間藏有龐大的氫鍵系統

δ + δ +

H

H

2δ - δ +

2δ -

H


δ +

H

hydrogen bond

Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.84

一杯水中的億萬個水分子 , 其實都互相以氫鍵連結著 , 只是這種鍵結非常弱 , 隨時在斷裂 ,

但也隨時在形成著 , 只要一般室溫的能量 , 就可以打斷 ( 因此在室溫下 , 水是可流動的液體 )。

但是 , 當室溫漸漸下降並接近零度 , 此時外來能量無法再破壞氫鍵 , 水分子便以氫鍵搭成一

個晶格狀構造 , 就是凝結成冰的現象。

因此 , 當我們喝下一杯水 , 可以想像喝入億萬個氫鍵 , 會不會覺得活力十足 ?

C-42

疏

水

鍵

的

形

成

水分子與氫鍵

強迫非極性

分子之間

產生吸引力

即為疏水鍵

疏水鍵多為

凡得瓦爾力

所貢獻


水分子所形成的動態晶格構造 , 雖然不是固定的 , 但也有相當的排它性 , 通常若不能與水產

生氫鍵的分子 , 都會被排斥 ( 例如非極性的一些飽和碳氫化合物 )。若硬是把非極性分子溶入水

中 , 這些非極性分子便會互相聚集在一起 , 產生另一類吸引力量 , 稱為疏水鍵。雖然疏水鍵

可說是被水排斥所產生的 , 但也有積極的吸引力量 , 因為非極性分子之間 , 也可以凡得瓦爾

力互相吸引。

疏水鍵在生物的水溶性環境中 , 也扮演很重要的角色。例如細胞膜就是利用脂質的非極性尾

巴 , 兩兩相吸聚合成薄膜。水溶性蛋白質的中央部份 , 是一個堅實的疏水性核心 , 使得蛋白

質的正確立體構形得以維持。核酸的鹼基對之間 , 是以疏水性引力 , 維持 DNA 的雙螺旋構

造 , 以維護遺傳密碼的安全貯藏 , 不致外露在水溶性環境中 , 遭受破壞。

C-43

極性相近者互相吸引

Like

Dissolves

Like

● 極性相似的兩分子間 , 其親和力較強。

極性 → 極性

非極性 → 非極性


若要分類自然界中的所有分子 , 可以大略分成極性及非極性兩大類。

極性分子上的電子分佈不均勻 , 導致分子上某些部份的電子密度較大 , 因而產生偶極性 , 偶

極會有暫時性的微弱正負電荷產生 ; 因此兩個極性分子相遇 , 可利用其偶極性的微弱正負電

荷互相吸引 , 會產生微弱的親和力。

反之 , 非極性的分子上 , 其電子密度分佈較為均勻 , 因此不容易有偶極產生 , 事實上非極性

分子上不會帶有明顯電荷。非極性的分子 , 比較喜歡與非極性的分子接近 , 除了形成凡得瓦

爾力之外 , 也可看作因為無法與極性分子形成氫鍵 , 被極性分子排斥所造成的。

為何極性分子上的電子密度分佈會較不均勻 ? 若分子內的任何兩個原子之間 , 其間的陰電性

相差太大 , 例如氫 ( 陰電性 2.1) 與氧 (3.5), 則氫原子上的電子會被氧原子所吸引 , 使得氫氧

附近的電子分佈不均勻 ( 因此 –OH 是個極性基團 )。反之 , 碳 (2.5) 與氫 (2.1) 之間的陰電性相

差較小 , 因此飽和碳氫化合物都是屬於極性較小的非極性分子 ( 如 –CH 3 )。

陰電性是描述一個原子搶電子的能力 , 陰電性大者容易搶奪其相鄰原子的電子。這與其原子

構造有關 , 在週期表右方的原子 , 因為其原子核內的質子數相對上越來越多 , 正電荷較大 ,

因此吸引電子的能力也較大。

C-44

細胞內各種鍵結能量大小

室溫


ATP 水解共價鍵葡萄糖氧化

0.1 1 10 100

二級鍵

kcal/mole

凡得瓦爾力

疏水鍵

氫鍵

離子鍵

共價鍵

0.1 kcal/mole

1 kcal/mole

1 kcal/mole

3 kcal/mole

90 kcal/mole


同一分子內的原子之間是以共價鍵連接 , 而蛋白質分子之間 , 很多是靠一些次於共價鍵的微

弱二級鍵 , 作為聯繫兩個分子的力量。二級鍵的形成 , 事實上都與電子有關。離子鍵是正電

基團與負電基團間的吸引力 ; 氫鍵是氫的電子被奪而露出質子 , 與附近原子上的電子產生吸

引力 ; 凡得瓦爾力是兩原子間 , 瞬間電子分佈不均所形成的微弱引力。

二級鍵的能量都很弱 , 約只有共價鍵的百分之一到千分之一 ; 因此 , 兩分子間若要以二級鍵

形成有效的鍵結 , 就要增加其總鍵數。二級鍵的好處是 , 不用費太大的能量就可打斷 , 因此

適合可逆性的分子間作用模式。

C-45

二級鍵是巨分子間的專一性結合力量

x


可逆性的非共價結合

二級鍵這種微弱的吸引力 , 對生物分子間的專一性辨識反應 , 佔有極重要角色。但是因為二

級鍵實在太弱了 , 因此要靠數量來達成足夠的吸引力量 , 才能有生理意義。

若兩個蛋白質分子之間 , 要靠二級鍵進行專一性的吸引與結合 , 則此二分子的結合面之間 ,

其構形要有互補的關係 , 有點像兩個互補的積木一樣契合。因此兩個結合面間 , 必須形成無

數二級鍵之結合點 , 以便共同組成足夠份量的吸引力。

為何要以二級鍵作為分子間的結合力量 ? 主要是因為由二級鍵所造成的吸引力 , 是一種可逆

的過程 , 也就是說兩個分子在結合之後 , 可以在某調控條件下 , 隨時把兩者分開 , 因而終止

因結合所誘導的生理現象。 ( 結合 → on, 分開 → off)

想像一個柔軟又可自由運動的人體 , 若全身都是由共價鍵所組成 , 則此人體每次動作 , 一定要先打斷一大堆共價

鍵 , 然後在動作完成後 , 再形成另一堆共價鍵。這種過程勢必耗費極大能量 , 不切實際。是故細胞內許多大小分

子之間的結合 , 多不是以共價鍵為之 , 而是使用較弱但數目較多的二級鍵 : 但是 , 要形成有效的鍵結 , 二級鍵必

須以量取勝。

C-46

魔鬼氈也是由微弱作用力所組合


魔鬼氈可說明兩分子間 , 以二級鍵作為結合力量的最好例子。

魔鬼氈由兩種不同的表面所構成 , 其一佈滿小鉤鉤 , 另一佈滿很多小圈圈 ; 小鉤鉤隨意地去

鉤小圈圈 , 若能鉤上 , 就形成一個連結點。單一連結點的力量非常小 , 但若能夠有整面的小

鉤與小圈 , 則其所形成的力量 , 就足夠讓小朋友穿鞋子不用綁鞋帶。

聽說魔鬼氈的想法是師法植物的種子 , 有些種子會產生許多小鉤 , 當人類或者動物經過這些

植物的聚落時 , 就會被種子鉤上 , 帶到其他地方 , 然後順勢掉下來發芽。

C-47

sp 3

矽原子軌道 sp 3 的掃描顯微照片

Campbell (1990) Biology (2e) p.23

非常令人驚訝的照片 , 居然把 sp 3 軌道照了出來 , 雖然不是碳原子 , 而是較大一些的矽原子

氧化物。當然不可能非常清楚 , 但是氧化矽的四面體構造可以辨認。原子的電子軌域 , 是以

方程式計算出來的理論 , 以前的科學家從沒看過 s 或 p 軌道 , 乃至混成的 sp 3 。

最近又有人以 X-ray 繞射法 , 解出 Cu 2 O 晶體中 , 銅原子的 d 軌道 , 的確如以前所計算的 , 有

一個大啞鈴 , 中間加上幾個小啞鈴軌道。

■ 請參考 Nature 401:49-52 (1999)。

C-48

胺基酸

● 1 胺基酸基本構造

● 2 胺基酸分類

● 3 胜肽

● 4 胺基酸的離子性質 :

4.1 解離度

4.2 等電點

除了水之外 , 生化課第一個碰到的重要生物分子 , 就是胺基酸。這一章將說明胺基酸的構造

與性質 , 看它長麼樣子 , 做什麼用途。事實上 , 所有的生化分子 , 都可分成構造與性質兩方

面來說明 , 若能確實把握此二重點 , 往後的生物化學課程必可順利學好。

胺基酸雖然有二十種 , 但其基本構造骨架是相似的 ( 第一節 ); 我們將描述這些生物體內常見胺

基酸的構造 ( 第二節 ), 並且分類 , 說明其側鏈基團的極性或非極性特質。我設計了一張模擬

的地下鐵地圖 , 用來說明各種胺基酸之間的構造關係 , 並且方便記憶。請注意此圖並非代謝

途徑。然後看兩個胺基酸間如何連接成胜肽 ( 第三節 ), 很多這樣的胜肽已經具有生理功能。

最後 ( 第四節 ) 說明胺基酸最重要的性質 , 就是很容易離子化的特性 : 一個胺基酸分子上 , 可

能同時帶有正電及負電。當這些胺基酸組合成蛋白質時 , 這種離子性質也延續到蛋白質上 ,

造就了蛋白質的離子特性 , 賦予蛋白質應有的構形與活性。這是學習生物化學成敗的第一個

關卡 , 請一定要痛下決心整理清楚 , 否則以後的觀念都不會正確。

另外 , 要提醒的是『生化讀書小組』要趕快開動 , 各成員先把講義及教科書念好 , 並且自行

解答各章的問題 , 然後聚在一起討論不明白的部份。建議各小組先把預定進度與時間表編列

出來 , 以便大家早日規劃遵行。

A1-1

L-Form Amino Acid

酸基

COO -

sp 3

胺基

+

H 3 N

α

H

R group

H = Glycine

CH 3 = Alanine


當你忘記胺基酸的構造時 , 胸前畫個十字禱告 , 奇蹟馬上出現。你只要在這十字的中央 , 先

填上一個碳原子 ( 叫做 α 碳 ), 在周圍的四個位置分別填上一個胺基、酸基 ( 因為是胺基酸構

造 )、氫原子及一個 R 基團 , 基本的胺基酸構造即完成。

R 基團可以由最小的 H 開始填入 , 就是最簡單的 glycine; 再來 CH 3 就是 alanine; 如此越來越

大 , 並加入其它種類的原子 ( 如氧或硫 ), 或是額外的胺基、酸基或醇基 , 就可以組成多采多姿

的二十種胺基酸。

A1-2

西

北

線

Basic

-C-C-C-C-NH 3

+

中央線

Non-polar

Polar

-C-C-C-N-C-N

-C-C C

N N +

=

N +

Arg R

Lys K

-H -CH 3

-C-OH

中

山

線

-C-

His H

Gly G

-C-C

OH

Ser S

Thr T

-OH

Hydroxy

Aromatic

Trp W

Tyr

Phe F

Ala

雙

和

線

Y

A

-C-

-C-

N

Cys C

Met M

Sulfur

-C-CONH 2

Asn N

Asp D

-C-COOH

Val

C C

-C

-C-SH

V

-C-C-S-C

南

港

線

胺基酸地下鐵道圖

-C-C-CONH 2

Gln Q

Glu E

-C-C-COOH

Ile

C

-C-C-C

環狀線

Pro

I

P

Amide

Acidic

Aliphatic

Leu L

C

-C-C-C

OH

C

C C

HN C-COOH

α

Imino acid,

Circular


把二十種胺基酸構造編在虛擬的台北市地下鐵系統中 , 依其側基的特性分布在各條線路上 ,

主要目的是要表達各種胺基酸的構造與特性 , 因為這在蛋白質中的角色很重要。請特別注

意 , 這只是虛擬的構造相關圖 , 並非代謝路徑。

一定要把胺基酸的中英文名稱、兩種縮寫法 ( 三字母及一個字母的縮寫 )、分子構造等 , 努力背

起來 , 絕對有益你未來的學習與發展。依照上面各路線的分類來背 , 比較合乎邏輯 , 並且容

易記憶。

A1-3

胺基酸的極性分類

POLAR

NON-

POLAR

Acidic Neutral Basic

Asp

Glu

Ala

Val

Tyr

Asn Ser Arg

Cys His

Gln Thr Lys

Gly

Ile

Leu Met Phe Trp

Pro

『極性或非極性 , 是蛋白質性質之所繫。』

Juang RH (2007) Biochemistry

不管二十種胺基酸的構造、名稱是否背得起來 , 熟知各種胺基酸側鏈基團的性質 , 也是同等

重要的事。若大略分成兩類 , 則可分成極性及非極性 , 可說是最重要的基本分類 ; 因為胺基

酸基團的極性或非極性 , 最後會影響所形成蛋白質的整體構造與性質。

很明顯地 , 非極性胺基酸在大小上有相當大的差別 , 而且是各種大小都有 , 好像是一套很完

整的積木 , 將來可有效地填塞在蛋白質的核心部份 , 構成堅實的蛋白質構造。另一方面 , 極

性胺基酸又分成酸性、中性、鹼性三大類 , 每大類又包含二到數種 , 也有大小上的差異 , 但

鹼性胺基酸的基團都比較長。

上表的分類只是參考 , 一些比較難以分類的胺基酸 ( 如 Tyr, Gly, His), 其性質就比較模糊 , 但

也各有其存在目的 , 而且經常有相當重要的角色。

A1-4

各式胺基酸的大小樣式齊全

Gly Ala Val Leu Ile

S

S

-SH

-S-CH 3

Phe Tyr Trp Cys Met

Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.20

非極性的胺基酸的大小非常齊全 , 由最小的 Gly 到最大的 Trp, 大多是由飽和碳氫化合物所

組成。當然 Tyr 或 Gly 的極性也不小 , 但為了方便比較 , 也列入其中。

對水溶性蛋白質而言 , 整個球狀的蛋白質分子中 , 大部分非極性胺基酸都擠在分子的核心部

份 , 形成了堅實的『非極性核心』, 使得蛋白質在水溶液中 , 得以保持其完整三級構造 , 因

而保持其活性。因此這些非極性胺基酸 , 就採用各種大小不同的側基 , 充分填滿蛋白質核心

部份。

另外 , 有兩個帶有硫原子的胺基酸 , 在功能上卻相差很遠。 Cys 因為有 –SH 硫醇基 , 可與另

一個 Cys 形成雙硫鍵 (-S-S-), 對穩固蛋白質的構造 , 有極大的貢獻 ( 下一頁圖 )。 Met 的硫並

非硫醇 , 而是被甲基化 , 因此無法如 Cys 般形成雙硫鍵 , 但它是一個非常奇特的胺基酸 , 任

何蛋白質的轉譯 , 其第一個胺基酸一定是 Met。

A1-5

兩種胺基酸對蛋白質構造影響很大

Cys

Cys

雙硫鍵

Cysteine

SH

SH

Cys

S

S

Cys

Cystine

Pro

劇烈轉折

Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.25, 32

硫醇基被氧化可以去掉氫 , 雙雙結合形成雙硫鍵 (-S-S-), 把兩條蛋白質鏈連結在一起 , 對蛋

白質的構形有很大的貢獻。這種反應是可逆的 , 也就是說雙硫鍵可以被還原 , 回去變成硫

醇 , 因此斷掉兩條蛋白質間的連結。

兩個獨立的 Cys (cysteine) 之間 , 也可以雙雙氧化硫醇基後形成二元體 , 特稱為 cystine, 縮寫

成為 (Cys) 2 。注意英文寫法的不同。

Pro 是構造最突出的胺基酸 , 它的側基含有三個碳 , 由 α 碳出發後 , 回去與旁邊的氮原子接

合 , 形成一個五員環。這樣的構造 , 非常彆扭 , 使蛋白質的長鏈必須轉折成固定角度 ; 因此

它在蛋白質的構形上 , 有非常重要的影響力 , 遇有 Pro 必出現劇烈轉折。

A1-6

胜肽鍵的形成

兩個胺基酸分子頭尾連接起來

NH2

1 COOH 2 NH2 COOH

Carbodiimide

脫水

1

O

NH2 C N COOH

H

2


胺基酸像樂高玩具或積木一樣 , 可以一個一個頭尾接起來 , 組成一個巨分子蛋白質。連接的

方法非常簡單 , 前一個胺基酸 (1) 的酸基與後一個胺基酸 (2) 的胺基 , 經脫水反應即可。所生

成的雙胜 (1-2) 都還有一個胺基及酸基 , 可以繼續連接下去。如此兩個胺基酸間所產生的新

鍵 , 稱為胜肽鍵 (peptide bond), 如上圖中的 C-N。許多胜肽鍵組成了蛋白質的骨架 , 蛋白質

是生物的重要分子 , 因此胜肽鍵也可以說是組合了生命的基本骨架。在試管中也可以把兩個

胺基酸連結在一起 , 使用脫水劑 carbodiimide, 進行如上的操作。

A1-7

胜肽鍵的特性

● 胜肽鍵雖是單鍵卻有雙鍵性質

● 胜肽鍵周邊六個原子在同一平面上

● 前後兩個胺基酸的 α-carbon 在對角 (trans)

α

N

C

sp 2

C

sp 2

N

H

O

C

α

C


胜肽鍵看似單鍵 , 但 C-N 鍵旁的 C=O 雙鍵會與它產生共振 , 因此具有雙鍵的性質 ; 且中心

的 C 與 N 原子都是使用 sp 2 軌道 , 因此其前後六個原子都躺在同一平面上 , 稱為胜肽平面 ( 如

上圖虛線所圍起 )。注意每一個胺基酸的中心是 α 碳 , 而兩個 α 碳之間是以胜肽平面連在一

起 , 因此蛋白質可以說是由許多胜肽平面以 α 碳為接點連成的。

A1-8

p 軌道電子共振使胜肽鍵具雙鍵特性

C

C

N

H

O

C


為何胜肽鍵 (-C-N-) 具有雙鍵性質 ?

氮原子上面有一對 lone pair 電子 , 是以 p 軌道繞行在平面的上下兩邊 ; 而 –C=O 的雙鍵 , 是

碳與氧原子的兩對 p 軌道所形成。因此總共在 O=C-N 上共有三個 p 軌道 , 有時碳與氮的 p 軌

道會混在一起 , 形成短暫的雙鍵 ; 也可以把這三個 p 軌道的電子 , 一起混成為一個類似共振

的綜合軌道 , 使得胜肽鍵具有雙鍵的資格。

如此混成所形成的雙鍵 , 造成胜肽鍵 (C-N) 無法自由轉動 , 也就是說胜肽平面所包含的六個原

子 , 必須平躺在同一平面上。

A1-9

以胜肽鍵平面連接成多肽長鏈

兩胜肽鍵平面的交接點為 α- 碳

注意 α- 碳上面接有各種大小不等的基團

Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.136

一個個胜肽平面連接起來 , 組成了蛋白質長鏈 , 而各平面之間的接點就是 α 碳原子。請特別

注意 ,α 碳上面就是接著每種胺基酸的獨特側基 , 有大有小、有正有負、有極性有非極性 , 每

種胜肽或蛋白質的獨特性格 , 於此開始形成。

A1-10

具有生理功能的胜肽或胺基酸

● 腦啡 Enkephalin (YGGFM)

● 代糖 L-Aspartame (L-Asp-Phe-CH 3 )

● 短鏈荷爾蒙 Oxytocin, Vasopressin

● 抗生素 Gramicidin S ( 含 D-amino acid)

胺

基

酸

色胺酸 ( 安眠效果 ) Tryptophan

麩酸鈉 ( 味素 ) Sodium Glutamate


有許多胜肽已經具有生理功能 , 而且作用強大。以上各例請仔細琢磨。這些胜肽的合成方式

都不盡相同 , 有些是經過蛋白質轉譯後切下來的片段 , 有些是要用酵素把一個一個胺基酸接

上去的。它們的基本作用機制很相似 , 都是以該胜肽所組成的特殊立體構形 , 與目標細胞膜

上的受體 (receptor) 結合 , 進而對細胞產生作用。味覺對糖類的甜味接受器 , 與對味素的甘味

接受器不同。

含有數個至數十個胺基酸者 , 稱為胜肽 (peptide) 或多肽 (polypeptide); 百個以上者可稱蛋白

質 , 至於其間的模糊地帶 , 稱蛋白質或多肽均可。另一方面 , 很多胺基酸也有生理作用 , 例

如味素成分的麩胺酸也是神經傳導物質的一種 , 而色胺酸有安眠的作用 , 牛奶中含有很多色

胺酸。

A1-11

質子可以吸著或脫離基團

Proton: 最小且最多的生物粒子 , 影響酸鹼度及分子帶電性質

胺基

lone pair

electrons

N

H

H

高

H +

pKa

低

H +

N

H

H

酸基

C O O

H

低

pKa

高

C O O

H +

Ampholyte: 一個分子上同時帶有正電及負電基團


質子 proton 是宇宙中的奇妙粒子 , 這是一顆光溜溜的粒子 ; 當氫原子丟掉一個電子後 , 即可

得到質子 , 因此寫作 H + 。質子可以隨時附著到一個帶有電子密度的基團 ( 如胺基 ), 使該基團

多帶了一個正電。質子也很容易由某一個基團脫出 ( 如酸基 ), 而使該基團成為帶負電。

胺基酸同時帶有上面兩種基團 , 因此可同時帶有正電及負電 , 稱為雙性離子 ampholyte。若胺

基酸同時帶有一個正電及一個負電 , 則其淨電荷為零 , 特稱之為 zwitterion。

請注意上述基團的解離 , 受環境 pH 影響甚鉅 ; 當環境的 pH 大於此基團的 pKa 時 , 此基團將

帶負電 ; 反之則帶正電。因此 , 一個基團的 pKa 越小 ( 我們說越酸性的物質 ), 就越容易帶負

電 , 因為其質子很容易跑掉 , 剩下的分子就呈負電荷。

再舉一例 ,glycine 上有胺基及羧基各一 , 其 pKa 分別為 9.6 及 2.3, 則在中性 pH 下 , 其胺基

將帶正電如上圖 ( 因為環境 pH < 胺基的 pKa); 反之酸基則帶負電如上圖。在中性溶液中 ,

glycine 因此同時帶有正電及負電各一 , 是一個 zwitterion。

A1-12

酸性環境中性環境鹼性環境

Zwitterion

NH 2 H +

R-C-H

COOH

NH 2 H +

R-C-H

COO -

pK 2 ~ 9

NH 2

R-C-H

COO -

pK 1 ~ 2

5.5

+1 0

-1

等電點


胺基酸非常特別 , 同一個分子上同時帶有一個弱酸及弱鹼 ; 因此可以用胺基酸來作為酸性或

鹼性的緩衝液。例如 , 某胺基酸的酸基 pK 1 = 2, 胺基的 pK 2 = 9, 則此胺基酸在 pH 為 2 或 9

附近 , 都有緩衝作用。

在胺基酸質子的解離過程中 , 在某個 pH 條件下 , 同時帶有一個正電及負電 ( 上圖中央 ), 其淨

電荷恰好為零 , 這種形式稱為 zwitterion, 這個 pH 則稱為此胺基酸的等電點 (pI); 處於等電點

的胺基酸並非不帶電 , 而是正、負電荷的數目剛好相等。

等電點的算法很簡單 , 只要把等電點上下的兩個 pK 值平均即得 ; 如上例中 (2 + 9) ÷ 2 = 5.5。

A1-13

胺基酸的緩衝作用範圍

環境

pH

12

9

★

pK 2

6

NH 2 H +

H-C-R

等電點 =

pI

3

COO -

★

pK 1 + pK 2

2

pK 1

0

外加 [OH] →


由上面胺基酸的滴定曲線看來 , 當環境的 [OH - ] 逐漸增加時 , 在其兩個 pK 處的 pH 變化最

小 , 具有緩衝作用 ; 而在其 pI 處 , 幾乎完全沒有緩衝作用。為何處於等電點的分子 , 完全不

具緩衝作用 ? 而其分子上有一個 H + , 看來可以作為供應質子者 ; 也有一個 –COO - 可以作為接

受質子者 , 非常完美。

原因是這個 H + 無法放出 , 因為攜帶 H + 的基團是 –NH 3+ , 要到 pH = 9 才會放出 ( 因為其 pK =

9); 相似的理由 , 這個 –COO - 也無法接受質子 , 成為 –COOH, 要到 3 以下才行。因此 , 你可

以得到一個概念 , 分子上的這些基團能否收放質子 , 都決定於其自身的 pK。回頭想一想 ,pK

到底是什麼東西 ? pK 就是描述一個基團釋出或吸收質子的能力或程度 ,pK 越大的基團 , 就

越不容易釋出 ; 反之 ,pK 越小的基團 , 容易放出質子 , 也就是所謂的酸性物質。

A1-14

環

境

酸

鹼

度

影

響

蛋

白

質

的

淨

電

荷

Isoelectric point,

pI

+

Buffer pH

10

9

8

7

6

5

4

3

0 -

Net Charge of a Protein

-


通常一個蛋白質分子上都帶有電荷 , 有正電荷、也有副電荷 , 這些正、負電荷的淨值 , 即為

此蛋白質所帶的淨電荷 ; 蛋白質的淨電荷可能為正、也可能為負 , 在某 pH 下蛋白質的淨電荷

可能為零 , 則此 pH 稱為此蛋白質的『等電點』(isoelectric point, pI), 一個蛋白質的 pI 通常不

會變 , 除非其胺基酸的組成改變。

當環境的 pH 大於某蛋白質的的 pI ( 如上圖某蛋白質的 pI = 6, 環境 pH = 9), 則此蛋白質的淨

電荷為負 ; 反之則為正值。另外 , 環境的 pH 離其 pI 越遠 , 則其所帶的淨電荷數目將會越

大 ; 越接近 pI 時 , 所帶淨電荷變小 , 最後在其 pI 處淨電荷為零。因此 , 蛋白質溶液的 pH 要

很小心選擇 , 以便使該蛋白質帶有我們所需要的淨電荷 , 或者不帶有淨電荷。

細胞中的蛋白質 , 其 pI 大多在 4~6 之間 , 因此處於中性的環境時 , 大都帶有負電荷。

A1-15

各種胺基酸基團的離子化與其 pKa

胺基酸中有很多可以釋出質子或接受質子的基團

α

R

-COOH α -COO -

-COOH R -COO -

His -Imidazole·H + His -Imidazole

Cys -SH Cys -S -

Tyr -OH Tyr -O -

α

R

-NH

+

3

α -NH 2

-NH

+

3 R -NH 2

+ H +

+ H +

+ H +

+ H +

+ H +

+ H +

+ H +

His 是唯一具有近中性 pKa 基團 (imidazole) 的胺基酸

α 酸基或胺基的 pKa 都比 R 基團上面者要低 ( 較容易解離 )

pKa = 1.8~2.4

pKa = 3.9~4.3

pKa = 6.0

pKa = 8.3

pKa = 10

pKa = 8.8~11

pKa = 10~12.5

pKa 越小質子越容易放出

在蛋白質中的胺基酸基團 pKa 會受到環境影響而改變 ( 蛋白質微環境 )


胺基酸上面的基團 , 若屬於弱酸或弱鹼 , 能夠可逆性地吸收或放出質子 , 就可以作為緩衝液

之用。每個弱酸或弱鹼 , 都有一個解離常數 , 通常以 pKa 來表示 ; 前面已經說過 , 一個可作

為緩衝的基團 , 其緩衝範圍就在它的 pKa 附近。而 pKa 越小者 , 越容易放出質子 , 比較適用

在酸性 pH 的緩衝液 ;pKa 大者則適用在鹼性的 pH。

所有胺基酸的胺基及酸基 , 其 pKa 都不接近中性 , 而 R 側基上的各種基團 , 只有 His 上面的

imidazole 有接近中性的 pKa (6.0)。因此 ,His 在蛋白質的構造中 , 可以有緩衝的作用 , 是相

當特殊的胺基酸 , 對蛋白質的功能有很重要的影響。

A1-16

蛋白質

● 蛋白質構造 : 從一級到四級構造

● 蛋白質性質 :

變性及復性

蛋白質構形是活動的

蛋白質的專一性結合

● 蛋白質研究技術 :

蛋白質純化技術

蛋白質性質與構造檢定

胺基酸序列決定法

許多胺基酸頭尾接在一起組成了蛋白質 , 因此蛋白質的整體性質 , 基本上可由胺基酸的性質

來推衍 ; 但因為一個個胺基酸連成了長鏈 , 蛋白質的構造因此不但比較複雜 , 而且衍生出胺

基酸所無法想像的次元與功能。

蛋白質是很具象的東西 , 學習蛋白質應注意其立體構造與功能的關係 , 在視覺上也是一種愉

快的經驗 ; 因此要主動攝取並了瞭解正確的分子概念 , 而非只是背誦一些分子構造與性質而

已。由於電腦及網路的快速發展 , 現在已經非常容易在網站上找到分子構造的立體模型 , 本

課程網頁上的資料中 , 含有大量的相關連結 , 請一定要上網看看。

明白了蛋白質的構造之後 , 以此分子構造為根本 , 再去探討其性質 ; 最重要的一點 , 就是蛋

白質必須維持其正確的分子形狀 , 也就是構形 (conformation)。蛋白質若失去正確的構形 , 就

失去其活性與功能 , 稱之為變性 (denaturation)。蛋白質最重要的性質 , 即如何保持其構形 ,

如何導致變性 , 又如何回復其原態與功能 , 稱為復性 (renaturation)。

P-1

蛋白質的四級構造

一

級

構

造

二

級

構

造

三

級

構

造

四

級

構

造


以人為的分類方法 , 把蛋白質構造分成四種層次 .. 由胺基酸序列的一級構造開始 , 先捲繞成

幾種固定的二級構造 , 若干二級構造組合成完整的三級構造 , 成為蛋白質的一個獨立單位 ,

可以有其生理功能及活性。但有些蛋白質分子 , 再次聚合若干如此的獨立單元成為多元體 ,

進而有了四級構造 , 衍生更複雜的調節功用。

學習基本的蛋白質生物化學時 , 請徹底理解每一級構造的構成力量 , 以及對蛋白質立體構造

的影響 , 並且找出蛋白質構造與功能性質間的關係。

P-2

細胞內巨分子的特性

(1) 均由單位小分子連接而成 :

A-T-C-G-G-C-T-A-

Gly-Ala-Lys-Glu-Asp-Val-

(2) 巨分子構造有規律性、層次性 :

Double Helix α Helix, β Sheet

(3) 巨分子長鏈有方向性 :

5‘------------→3'

N----------→C


三大類巨分子 , 包括核酸、蛋白質、多糖類 , 除了其組成單位不同之外 , 構造卻有相似的基

本特性 :

(1) 巨分子一定是由小分子單位 , 一個一個串連起來的 , 絕非一開始就合成如此巨大的分子 ,

這似乎是自然界的定律與生成法則。同時請不要忘記 , 核酸上的序列 , 很可能是生命延續之

唯一目的 ; 而此核酸序列再經轉譯成蛋白質 , 就成為生物形體 , 而產生了多采多姿的生命世

界。

(2) 巨分子絕不只是一個長條分子而已 , 巨分子多會捲曲成一定的構造形狀 ; 例如 DNA 可捲

繞成 double helix, 蛋白質有複雜的四級構造 , 構形更是蛋白質所有特性的根本。

(3) 各種巨分子的長鏈 , 都有一定的方向性 , 也就是說有頭尾之別 ; 這種方向性 , 與其生合成

時的反應方向有關 ; 在以後的巨分子功能上 , 方向性也扮演很重要的角色 , 會影響各種生理

反應。

問題 : 這些巨分子的生合成 , 在化學反應上 , 還有一個共同之處 , 請說明之。

P-3

蛋白質的骨架 (Backbone)

Constant

Variable

H 3 N

H

R

C

N

H

+

COO -

H

C

O

O

H

H

N

C

C

N

R

O

C

H N

C C

R

H

H

N

O

N

C C

O C

R

C

N

R C

H

H N

R C

C

O

O

C

N C

O H

R

R

C

C O

O -

+

α H

N-C-C-N-C-C-N-C-C

α

O

α

O

α

O

R group


蛋白質的骨架與上一章所提到的胜肽骨架相似 , 也是由 N-C-C-N-C-C-N- 這樣的重複序列所

構成 , 只是長度變長。也請注意如何去辨認其兩邊端點、如何找出每個胺基酸單位、找出胜

鍵的位置、α 碳的位置。對於這樣的架構 , 有幾點應該注意而能夠辨認 ..

(1) 兩端的原子分別為何 ? 各屬於何種官能基團 ?

(2) 能否指出每一個單位胺基酸 ?

(3) 能否指出每一個胜肽鍵在哪裡 ?

(4) 骨架上的 α 碳在哪裡 ? 上面接著什麼基團 ?

請注意 , 可以把一個蛋白質的分子構造 , 分成兩大部分來看 ; 其一是 N-C-C-N-C-C-N- 的骨

架部份 , 由 N 端算來 , 第一個 C 便是 α 碳 , 第二個碳是 carbonyl 基團。而第二部份便是 α 碳

上所接的各種胺基酸側鏈基團。對任何兩種蛋白質而言 , 其第一部份的骨架不會有任何差

異 , 而第二部份側鏈基團之種類及序列 , 則隨著蛋白質的種類而不同。

問題 : 若有兩種分析蛋白質的方法 , 方法 A 是根據上述第一部份的蛋白質骨架特性來定

量 , 而方法 B 則是根據第二部份側鏈基團來反應。請問那一個方法所測出來的結果 , 在『準

確度』上比較高 ? 那一個方法在『靈敏度』上比較高 ?

P-4

以傳統胺基酸定序法決定蛋白質序列

COO -

T

K

P

V

E

A

L

Y

L

V

T

B-chain

Y

L H

S C

G

F

- OOC

S S

C

G

E

R

G

F

F

V

N

Q

H

L

S S

NH 3

+

+ NH 3

G

I

V

E

Q

C

C

S

T

S

N S

C I C S

Y L

N

E Y

L Q

A-chain

F. Sanger

(1951, Cambridge U)

Insulin 胰島素 (A, B chains)

Nelson & Cox (2004) Principles of Biochemistry (4e) p.97

蛋白質的一級構造就是其胺基酸序列 , 早期是一個一個把 N- 端的胺基酸直接切下來 , 再看

是何種胺基酸 ,F. Sanger 如此定出了胰島素的序列 , 也得到他的第一個諾貝爾獎。後來 F.

Sanger 又因發展出核酸的定序方法 , 得到他的第二個諾貝爾獎 , 他這一生似乎都與序列有

關。

假如你還記得第一章的概論 , 應該會理解『序列』對生命及其延續 , 具有重大意義。

問題 : Sanger 是利用那一種有機化學反應 , 來進行蛋白序列的分析 ? 如何進行 ?

P-5

一級構造 (Primary structure)

● 如何定出一級構造 : 蛋白質的胺基酸序列

(1) 直接進行胺基酸定序 :

Edman degradation

F. Sanger (Cambridge U.)

→ Insulin 胰島素 (A, B chains)

(2) 由 cDNA 序列反推胺基酸序列 :

DNA 定序法 : F. Sanger

每股 DNA 可讀出三種胺基酸序列兩股共六種


除了直接定序外 , 若知道某蛋白質的 cDNA 序列 , 則依遺傳密碼可以翻成胺基酸序列 , 也可

以得到其一級序列。由於分子生物學的快速發展 , 使得要定出某蛋白質的 cDNA 序列非常方

便 , 現今多以此方法決定整條蛋白質的序列。

但是傳統以 Edman degradation 來定胺基酸序列的方法 , 還是有其用途。例如有些 peptide 並非

轉譯產物 , 沒有 cDNA, 就必須直接測定胺基酸序列。除了 Edman degradation 外 , 目前質譜

儀技術非常發達 , 可以很快定出短鏈 peptide 的胺基酸序列。

問題 : 各位應該在化學課程裡學過質譜儀 , 請說明如何用質譜儀來決定一段含有十個胺基酸

片段的序列 ?

P-6

由核酸序列推出蛋白質序列

核酸序列閱讀方向


每段 DNA 有兩股 , 因為密碼是三個核苷酸為一組 , 每股可能推出三種序列 , 因此總共有六

種可能的序列。這六種序列中 , 只有一條是有效的胺基酸序列。這並不難辨認 , 因為若不是

蛋白質的基因序列 , 會有很多終止密碼 , 因此所翻譯出來的胺基酸序列 , 都斷斷續續的。由

下半圖的例子可知 , 上方那條 DNA 的第 1 種解碼法 ( 右側標有星號 ), 才是正確的基因。

許多同學們對本圖可能還不能清楚瞭解 , 是因為對核酸的基本構造還沒有基礎 , 我們後面會

正式介紹核酸構造 , 屆時要記得再回來複習。

P-7

澱粉磷解脢胺基酸序列

destroy me

Cut me

許多有意義的序列被各物種間所通用

文字與書寫 (1994) 時報文化發現之旅 , p61


這篇看來像是考古文字的段落 , 其實是一種酵素的胺基酸序列 , 每個胺基酸就像英文字母一

樣 , 串連成文章。科學家漸漸嘗試去解出這種文字的意義 , 也確實有一點點成果。例如上面

有一段胺基酸序列的意思 , 翻成英文就是 cut me; 而在更近開頭的地方 , 有鄰近兩各句子 , 都

是 destroy me 的意思。蛋白質利用這些信息 , 來記錄或指導這個蛋白質的某些生理功能或命

運。

有趣的是 , 這種語言可通行在不同的蛋白質之間 , 也會被其他的蛋白質所辨識 ; 甚至不同的

個體、物種之間 , 也會使用相同的辭彙。

P-8

一級構造的意義

古羅馬石碑文字 ● 澱粉磷解脢序列

■ 蛋白質上的胺基酸序列是有意義的 :

決定蛋白質的整体構形 → 正確功能

標示蛋白質的功能訊息 → Signal Peptide

Signal Peptide: 有特殊功用的胺基酸序列

ER signal ( 進不進入內質網 )

進入各種胞器的 signals ( 粒線体 , 細胞核 )

蛋白水解脢的切斷點 PEST site


除了某些有意義的字句片段之外 , 蛋白質整體的構形與功能 , 也取決於整體胺基酸序列所載

的信息。有時候整體的形狀比起其中個別的胺基酸來得重要 , 例如所有生物的血紅蛋白 (Hb)

分子的胺基酸序列相似性不見得都很高 , 但其整體構形卻極近似 , 因為都要正確地抓住

heme, 以便能夠吸附一個分子的氧。

造成這種現象 , 是因為血紅蛋白非常古老 , 其基因在很早就出現在地球上 , 生物得以攜帶外

界的氧分子進入體內。但經過數十億年的演化過程 , 突變造成血紅蛋白分子上的胺基酸不斷

改變 , 但無論胺基酸如何變化 , 其整體分子構形不能變化太大 , 否則將無法結合攜帶氧分子

最重要的 heme 分子 ( 就會滅亡 )。因此 , 一些不重要位置的胺基酸 , 都已經改變了 ; 但與

heme 分子結合有關的幾個關鍵性胺基酸 , 則完全不能改變 , 數十億年來都保持一樣 , 稱為序

列的保守性。

這種保守性強的胺基酸序列 , 都有相當重要的功能 , 科學家也漸漸辨認出若干這樣具有功能

的序列 , 稱之為 signal sequence。

問題 : 那麼對蛋白質功能而言 , 到底是序列比較重要 , 還是構形比較重要 ?

P-9

G Blobel (1999)

一些重要的胺基酸信息序列

KDEL

Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p. 667

蛋白質分子上有一些固定的胺基酸序列 , 帶有某些意義 , 稱為 signal sequence。有一大類

signal sequence 像是郵遞區號 , 標示這個蛋白質將會被運送到何處去 , 在細胞的內質網系統

中 , 以此來控制蛋白質合成之後的輸送交通。

這種序列的長短不一 ( 有短至四個胺基酸 , 有長至數十個 )、組成不一 ( 許多由極性胺基酸組

成 , 也有含大量非極性胺基酸者 )、位置也不一定 ( 有些靠 N- 端 , 有靠 C- 端 , 也有很多不在兩

端 )。但是都會與細胞的某『受體』結合 , 進行專一性辨識 , 再執行其輸送功能。

問題 : 上面的信號序列有些很短 , 短到只有三、四個胺基酸 , 你會不會擔心什麼 ? 請描

述。然而 , 前面的章節曾提到 , 阿斯巴甜僅有兩個胺基酸 , 卻能夠與甜味受器結合 , 而產生

甜味覺。這個事實能否稍微舒緩你所擔心的問題 ?

P-10

胜肽平面連成蛋白質但不會展開成一直線


前面說過 , 一級構造的胺基酸長鏈是由胜肽平面連接而成的 , 但若把蛋白質看成是一長串的

平面 , 頭尾相接成一長條狀 ( 像上面圖示 ), 那就與事實相差太遠。這些連續的平面無法平攤開

來 , 因為平面與平面之間 , 無法自由轉動 , 有相當的限制性。因此 , 就會自動捲繞成幾種固

定的形狀 , 稱為二級構造。

P-11

兩個胜肽平面之間不能任意轉動


+ -

Garrett & Grisham (1999) Biochemistry (2e) p.161

為何兩個胜肽平面之間的轉動會受限制 ? 受到什麼限制 ?

首先要複習胜肽鍵是無法轉動的 , 其周圍的原子落在胜肽平面上 , 而兩個胜肽平面之間的接

點就是 α 碳 , 是一級構造上比較能夠自由轉動的要點。但 α 碳上連接有一個氫 , 還有一個側

鏈 R 基團 , 而這些 R 基團的大小與電荷 , 就會影響兩個胜肽平面之間的立體關係 , 產生了相

當的限制性。這也說明了為何胺基酸的序列 , 會影響最後所形成蛋白質的構形 , 也因此決定

了這個蛋白質的功能。

P-12

二級構造的成因

α Helix, β Sheet

(1) Peptide bond 不能轉動 → Peptide bond 平面

(2) 一個胺基酸 R 基團與前後 R 基團的限制 →

Peptide bond 平面不能任意轉動 →

(3) R 基團的大小、電荷限制 → 只做規律摺疊

→ α Helix, β Sheet Ramachandron plot

(4) 穩定二級構造的力量 : 氫鍵

Juang RH (2007) BCbaiscs

蛋白質的胺基酸長鏈 , 並不是一條隨意飄動的長線 , 因為胜肽鍵的平面不能任意轉動 , 使得

此一長鏈只能有固定的幾種摺疊法。因此一級構造的胺基酸鏈 , 會捲曲成 α helix, β sheet 及

turn 等幾種規律的二級構造 , 原因如上。除了上述許多限制因素之外 , 二級構造中也含有大量

氫鍵 , 正面地鞏固其形成。

問題 : 二級構造的成因 , 乃源自構造上的限制 , 以及結構能量的優勢 , 請分別說明之。

P-13

以

胜

肽

平

面

轉

角

可

預

測

二

級

構

造

Ramachandron

plot


二級構造的摺疊相當具規律性 , 由兩兩胺基酸之間的胜肽平面轉動角度 , 可以預測將會形成

何種二級構造 (Ramachandron plot); 只要輸入一串胺基酸序列 , 電腦軟體就可準確地推測 α

helix 或 β sheet 的形成。

P-14

蛋

白

質

二

級

構

造

α helix

β sheet

兩者都由

氫鍵組成


請仔細觀察這兩種二級構造的形狀與構成 , 尤其注意氫鍵的形成與位置 , 規律地組成兩種二

級構造。因為這些二級構造的存在 , 使蛋白質成為一個相當堅固的巨分子 , 同時也賦予其功

能與活性。

P-15

二級構造 (Secondary structure)

Hydrogen bond 氫鍵

● 生物功能分子最重要的構成鍵結力量 :

(1) 蛋白質二級構造、三級構造

(2) DNA 鹼基間的配對 : A:T; G:C

(3) 水分子之間 → 冰

(4) 抗原 - 抗体結合

- δ

(5) 蛋白質間親和力

● 氫鍵有方向性 :

立体排列

電子流向

+ δ - δ

... O-

-N--H ...


二級構造上最主要的構成力量 , 就是氫鍵 , 且數目極多。

由於 α helix 螺旋摺疊的關係 , 一個胺基酸的 C=O (carbonyl) 會與下游第三個胺基酸上的 N-H

產生氫鍵 (C=O…H-N)。而其間的相對位置與方向 , 是非常完美的配合 , 因此可以得到最大力

量的氫鍵鍵結。同時因為 α helix 上的每個 C=O 與 N-H 都會結成氫鍵 , 整個 α helix 就以相當

多數的氫鍵為架橋 , 形成堅固的圓筒狀結構。

氫鍵的形成是因為氫原子的超低陰電性 , 容易被同一分子上的強陰電性原子 ( 如氮 ) 奪去電

子 , 露出正電荷 , 再被另一個帶強負電性的原子 ( 如氧 ) 吸引 , 產生類似離子鍵的吸引力 , 不

過其力量很弱。若此三個原子 (O...H-N) 在空間上排成一直線 , 則所產生的氫鍵最強 ; 但若不

排成一直線 , 則氫鍵會減弱。因此各原子的相對位置 , 就變得極為重要。

除了 α helix 之外 ,β sheet 的長條之間 , 也會產生很多氫鍵 , 把 β sheet 的許多長條鏈連結在一

起 , 成為一片堅固的盾牌狀構造。

P-16

Linus Pauline

& α helix

Judson (1996) The Eighth Day of Creation

Campbell (1990) Biology (2e) p.65

α Helix 是由 Linus Pauling 所發現與建立的 , 也因為如此以及對化學鍵的重要貢獻 , 得到了

諾貝爾化學獎 (1954)。Pauling 可說是生物化學的開山始祖 , 曾經發現血紅素蛋白質上的胺基

酸缺陷 , 開創了 molecular disease 這個字。

Pauling 回憶他如何發現 α helix: 當正傷腦筋在解構造時得到感冒 , 就到海邊的別墅去休息 , 養病無聊的期間 ,

隨手在一張長紙條寫下一段胜肽 , 然後在手中把玩 , 把紙條捲成一條長筒 , 突然發現螺旋構造間可以產生很多氫

鍵 , 是一個相當完美的構造 , 回到實驗室檢查由 X-ray 所得到的資料 , 也都吻合螺旋構造。因為是他所發現的第

一個螺旋構造 , 因此命名為 α helix。

P-17

C

3

α

3.6

α

11 12

α

2

α

1

α

5.4 A o

10

α

C

9 8

N

C

13

氫鍵

1

7

6

2

C

胜

鍵

胜

鍵

N

N

5

3

N

α

C

C

N

4

H

O

C

α

氫鍵

C

Alpha Helices by Geis

α Helix 的捲繞方式不只一種 , 其中最常見的一種 , 是每 3.6 個胺基酸捲繞成一圈的 α 13

helix, 每圈高度有 5.4 Å ( 中圖 ), 其分子上的任何一個氫鍵 , 都是由 13 個原子所夾 ( 請數一數

右圖上半的數字 )。

問題 : 二級構造中的氫鍵結構都很完美 , 請在圖中指出來。最好能夠不看書本 , 自己畫出一

條 α helix 構造。

P-18

二級構造的特徵

Linus Pauling (Caltech)

● α Helix: 螺旋

(1) Right handed ( 右手旋 )

(2) 每 3.6 胺基酸繞一圈 , 每圈 5.4 Å 高

(3) Carbonyl (C=O) 與下游 H-N- 生成氫鍵

(4) 每個氫鍵以 13 個原子夾著 (α13)

(5) 整個 α helix 呈圓筒狀 , 且有偶極性

● 肌紅蛋白 (Myoglobin):

含有八個 α helix 圓筒其間以 turn 轉折連結


α Helix 主要的構造與性質摘要如上表 , 請按圖索驥在一張 α helix 的圖上 , 找出以上所有的

特徵 ; 然後試著不要參考書本 , 自己在紙上畫出一條 α helix, 並註明所有特質。大部分蛋白

質上都有 α helix, 尤其是肌紅蛋白或血紅蛋白 , 幾乎全由 α helix 所構成。

P-19

肌紅蛋白 myoglobin

用 α helix 組成堅固的立體構造

Zubay (1988) Biochemistry (2e) p.64

肌紅蛋白 (myoglobin, Mb) 分子幾乎全部由 α helix 所組成。簡單看來 , 肌紅蛋白是由八段筒

狀的 α helix 螺旋所構成 ; 上右圖把 α helix 畫成長筒狀 , 非常適切 , 也請把 α helix 看成長筒

狀。因為 α helix 除了捲成螺旋狀之外 , 在螺紋之間還用許多氫鍵連結著 , 這些氫鍵把螺旋連

結的更為堅固 , 這就是二級構造的重要作用。

蛋白質分子若只是由長條狀的單薄胺基酸長鏈來回纏繞組成 , 則這個立體構造將會相當脆弱 , 一壓就扁。反之 ,

若能先捲成筒狀的螺旋二級構造 , 再由這些筒子組成整個蛋白質 , 將會堅固許多。因此 , 二級構造是組成蛋白質

三級構造的小單元 , 角色極為重要。

問題 : 說明 Mb 如何以兩個 α helix 夾住 heme, 後者又如何與 Mb 上面的兩個 His 連結。

P-20

數個 α helices 可聚成更高層結構

αααα

形成更複雜的構造


許多二級構造可再聚合成更大的組合 , 以兩個或數個 α helix 聚集在一起 , 致使蛋白質的構

造更為堅固 ; 或可圍成一個中空的管狀通道 , 以供物質通過。像上圖 αααα 構造是由四個 α

helix 組合 , 中間相鄰接的部份 ( 土黃色 ), 可能由非極性胺基酸組成 , 就會造成此種構造更趨

穩定。或者相反地 , 外圍的部份都由非極性胺基酸組成 , 則此種構造可以鑲在細胞膜中 , 成

為膜蛋白 ; 而中央的部份 , 則有可能成為貫穿細胞膜的孔道 , 由極性胺基酸所組成。

問題 : 這種群聚構造稱為 supersecondary 或者 motif, 常常在不同蛋白質的構造中出現 , 想一

想這種構造在蛋白質整體構形的生成上 , 有何有利之處 ?

P-21

α helix 可捲繞出新的相鄰關係



由於 α helix 上面胺基酸的螺旋排列方式 , 使得原本在直線序列上相差三或四個胺基酸者 , 在

立體位置上的排列卻變成最為接近 , 好像住在樓上及樓下。因此位於 1, 5, 9… 的三個胺基

酸 , 捲成 α helix 時 , 剛好落在螺旋圓筒的同一側而形成一條線。

P-22

其他重要二級構造

● β Sheet: 長帶

(1) 數條胺基酸鏈平行排列 , 並以氫鍵側向連接

(2) 胺基酸鏈可為同向 (parallel) 或反向排列

(3) 整片 β sheet 呈板狀或盾形 , 更可捲成筒狀

● Reverse Turns: β turn, γ turn

連結各種二級構造的轉折角 , 也是以氫鍵固定

● Irregular: 不規則形狀 ( 但有固定形狀 )

● Random: 任意形 ( 時時在改變形狀 )

β helix


β Sheet 也是二級構造的一種 , 但與 α helix 形狀完全不同 , 是許多彩帶狀長條的集合 , 這些

長條橫向以許多氫鍵連在一起 , 成為一大塊堅固的平板構造。這兩種基本二級構造 , 可以同

時在蛋白質中發現 , 共同組成了堅固的巨大分子。

有些分子構造中 , 許多相鄰 β sheets 會一個接一個圈成螺旋狀 , 稱為 β helix 構造 , 但本質上

還是 β sheet 的構造 , 與 α helix 沒有任何關係 ( 下右圖 Wikipedia)。

P-23

典型的 β sheet 二級構造

平板

平板


蠶絲蛋白質的 β sheet 構造 , 由 Ala, Gly, Ser 等側基較小的胺基酸所組成 ,β sheet 的長條狀

彩帶之間 , 以許多氫鍵結合在一起 , 成為一平板 ; 兩平板之間 Ala 的側基 –CH 3 剛好垂直相

向 , 互相錯開並互補地卡在一起 ;Gly 也是一樣 , 但兩個平板間的空隙較小。

問題 : 蠶絲的特質令人喜愛 , 絲質製品可以用雙手拉開 , 而當放開後卻很容易回復。如何用

上述的構造來說明 ?

P-24

β sheet 的同向與反向平行

anti-parallel

轉折

turn

parallel


β sheet 中各條彩帶的方向 , 可以都一致 , 稱為平行 parallel; 方向也可以相反 , 成為反平行

anti-parallel。通常以箭頭來表示 β sheet 彩帶 , 都由 N- 端指向 C- 端方向。

P-25

各種二級構造組合

all α helices all β sheets helices + sheets

Kleinsmith & Kish (1995) Principles of Cell and Molecular Biology (2e) p.26

組成蛋白質分子的二級構造是什麼 ? 不一定。有時全部是 α helix, 有時全是 β sheet, 大部分

蛋白質分子是兩種皆有之。

P-26

造成轉角的幾種二級構造

β turn

三

個

胺

基

酸

平

面

夾

一

氫

鍵

R 在同一側

R 在相對側

γ turn

兩

個

胺

基

酸

平

面

夾

一

氫

鍵

劇烈轉折

Pro


在連接二級構造的 α helix 或 β sheet 時 , 蛋白質以特定的轉角方式來連接 , 稱為 β turn 或 γ

turn, 也是以氫鍵組成。造成 γ turn 的胺基酸以 Pro 最為常見 , 因為 Pro 的環狀結構 , 使得其

附近蛋白質的脊骨產生極大轉彎。

P-27

三級構造 (Tertiary structure)

● 二級構造單位集合組成三級構造

一些二級構造組合會反複出現在不同蛋白質

如 αααα; βαβ; α 8

β 8

( 桶狀 ) ← Motif, Supersecondary

● 三級構造的組成力量 :

▓ 氫鍵 ▓ 離子鍵 ▓ 疏水鍵 ▓ 雙硫鍵

→ 三級構造的氫鍵多由胺基酸的基團所貢獻

→ 蛋白質上的金屬離子通常都可穩定分子構形

→ 疏水性胺基酸多深埋在水溶性蛋白質的核心

→ 各級組成力量中只有雙硫鍵及胜肽鍵是共價鍵


由若干二級構造單位 , 可進一步組成一個完整的蛋白質分子 , 即為三級構造。

一些二級構造的組合 , 經常會重複出現在不同的蛋白質中 , 例如有許多蛋白質都有 αααα 的

二級構造組成 ,α 8 β 8 捲成的桶狀構造也常看到 ; 可稱為蛋白質二級構造的 motif, 或稱

supersecondary 構造。演化似偏好這些 motif 的構造 , 可能有其功能或構造上的優點。

Motif 的使用有點氾濫 , 胺基酸序列、二級構造、DNA 序列等 , 都有 motif 的稱呼 , 都是在指那些經常出現的序

列片段 , 經常被重複拿來應用。若胺基酸比喻成文章中的單字 , 則二級構造的 α helix 及 β sheet 就好像句子 , 由

數個句子組成段落 , 即為上述的 motif; 若干段落可組成文章 , 即整個蛋白質分子。這樣的一個 motif 段落 , 若在

蛋白質分子構造上成為一個區域 , 則可稱之為功能區塊 domain。

這些含有數個二級構造的組合 , 是以何種力量連繫在一起的 ? 通常還是以二級鍵為主要力

量 , 除了氫鍵外 , 在空間上相接近的胺基酸基團若分別帶有正負電荷者 , 也可以離子鍵相結

合。水溶性蛋白質的疏水性胺基酸多藏在分子內部 , 以疏水鍵造成了一個核心 , 可以穩定整

個蛋白質分子的構造。Cysteine 是帶有 -SH 基團的胺基酸 , 當兩個 Cys 的 -SH 遇在一起時 , 會

氧化形成 -S-S- 的雙硫鍵 , 可以把蛋白質的兩段脊骨像架橋般接在一起。雙硫鍵越多的蛋白質

通常對熱較穩定 , 因為分子比較不易被扯開。

由二級構造到三級構造的過程 , 有比較多且較複雜的步驟或程序 , 因此對蛋白質三級立體構

造的預測 , 比較不容易。

P-28

三級構造中的氫鍵

二級構造氫鍵

β sheet

三級構造氫鍵

α helix

胰臟 trypsin inhibitor


三級構造的氫鍵與二級構造者不同 , 請注意這些氫鍵並不是在 α helix 之內 , 那些以脊骨的

C=O 及 N-H 所鍵結成的氫鍵 , 而是胺基酸側鏈基團間所造成的氫鍵。

問題 : 二級構造與三級構造的氫鍵 , 兩者在許多方面不太一樣 , 請說明其不同點 , 以及對構

造的影響。另外 , 做這樣的區別有意義嗎 ?

P-29

三級構造中的離子鍵

可與金屬離子形成離子鍵 :

Cys, His, Glu, Asp

金屬離子對蛋白質的貢獻

(1) 穩定蛋白質構造

(2) 參與該蛋白質的功能


金屬離子對穩定三級構造有相當的貢獻。許多蛋白質中含有金屬離子 , 鑲在蛋白質的二級

構造之間 , 可吸引一些側基基團 (-COOH, -SH, -imidazole) 形成配位鍵 , 以穩定蛋白質三級構

造。有些金屬離子 , 也會直接參與該蛋白質的生理功能 , 例如參加酵素的催化反應。上圖 zinc

finger 是一種常見的蛋白質構成小單位 , 由一個鋅原子抓住一段 α helix 及兩條 β sheet, 形成

好像手指的構造 , 數隻手指組成一個區域 , 可用來與 DNA 結合。

問題 : 與蛋白質構造有關的金屬 , 大多是過渡金屬 , 如鐵鈷鎳鋅銅等。請問過渡金屬有何特

點 ? 為何蛋白質都使用過渡金屬 ? 而不用鋰納鉀等小金屬 , 或金銀鎘鈾等重金屬 ?

■ 除 zinc finger 外 , 還有幾種可與 DNA 結合的蛋白質區塊 , 請先到 Lehninger Principles of Biochemistry (4e) p.

1088 前後查看這幾種蛋白質的構造特徵。

P-30

三級構造中的疏水性作用力

疏水性胺基酸基團

親水性基團

以水溶性蛋白質而言

( 脂溶性蛋白質恰相反 )


對水溶性蛋白質而言 , 整個立體構造的中心 , 大都由非極性胺基酸所組成 , 非極性基團之間

形成疏水性吸引力 , 可避開外界水分子環境 , 使得構造更為穩定。反之 , 大部分的親水性基

團 , 便暴露在分子外側 , 與外界的水分子有較強的親和力 , 容易融入水環境中。

想一想 , 若水溶性蛋白質的核心部份 , 大多是由親水性胺基酸組成 , 則如此組成的蛋白質三級構造 , 便有一個親

水性很強的核心 , 可能會跑出來與外界的水分子結合 , 就很容易因此造成變性。

但是脂溶性的蛋白質則恰好相反 , 有一個親水的核心 , 而其表面多為疏水性基團。這種蛋白

質多分布在細胞膜內 , 是細胞膜蛋白質的特性 , 例如許多細胞受體 (receptor)、離子通道、呼

吸鏈酵素等。

P-31

三級構造中的雙硫鍵

C

CH 2

SH

SH

分子間

Interchain

Disulfide bond

C

CH 2

S

S

C

CH 2

SH

SH

CH 2

C

CH 2

C

Oxidation

Reduction

分子內

Intrachain

Disulfide bond

C

CH 2

S S

CH 2

C

CH 2

C


雙硫鍵有上述架橋特性 , 形成堅固的連接 , 也可經由還原反應打斷 ; 但打斷後的 -SH 也可再

氧化回來 , 恢復雙硫鍵。因此 , 早期 Anfinsen 以含有很多雙硫鍵的 ribonuclease A (RNase A)

進行這種可逆反應的實驗 , 發現 RNase A 可在原態與變性狀態下來回轉變。

後來發現 , 大部分的蛋白質卻不像 RNase A 一樣地可自由地變性與復性 , 雙硫鍵的形成或打

斷 , 都需要經由另一種酵素的催化。而要正確地摺疊三級構造 , 有時需要相當複雜的幫手來

協助 , 這一群幫手統稱為 chaperonin。

問題 :Cys 除了形成雙硫鍵以穩定構造外 , 也可能直接參與催化反應。若你已經有某蛋白質

的全部序列 , 以及其立體結構 , 將如何區別這兩種不同功效的 Cys?

P-32

三級構造的形成

■ 雙硫鍵 : 可用還原反應斷開之 ( 是可逆反應 )

Cys-S-S-Cys → Cys-SH + HS-Cys

■ RNase A (RNA 水解脢 ):

124 胺基酸序列中有四對雙硫鍵極度堅固

■ Chaperonin

Chaperonin 可誘導蛋白質的正確摺疊

Proteasome 則摧毀不正確摺疊者

● Myoglobin: 第一個被解出 3D

3D 立体構造

Kendrew & Perutz (X-Ray crystallography)


Anfinsen 提出一個說法 , 認為蛋白質的最終立體構形 , 是決定於其一級構造上的胺基酸序

列 ; 也就是說 , 蛋白質依其胺基酸序列合成出來後 , 其三級立體構造就可自動形成。蛋白質

可能都像 RNase A 一樣 , 可自由地把雙硫鍵打斷變性後 , 再經氧化回復雙硫鍵而恢復原態構

造 ; 這種說法大家接受了數十年 ,Anfinsen 也因此得了諾貝爾獎 , 基本上是正確的 , 但是後來

發現蛋白質摺疊沒有這麼簡單。

P-33

變性的 RNase A 可以回復正常構形

Anfinsen

- Urea, Mercaptoethanol

+ Urea, Mercaptoethanol

不正確摺疊


Anfinsen 選用 RNase A 當實驗材料是很幸運的 , 因為實際上只有少數幾個蛋白質能夠經得起

反覆變性與復性而仍然活著 ,RNase A 是其中佼佼者。現在我們知道 , 並非所有的蛋白質都可

以把它扯開 , 然後再自動摺疊回去。有許多蛋白質 , 在剛合成出一段胜肽時 , 沒有辦法自動

摺疊 , 要靠一類輔助性蛋白質來進行正確的摺疊。這一大群輔助蛋白質 , 統稱為 chaperonin;

某些熱休克蛋白質就有 chaperonin 的功能 , 是因為在高溫下蛋白質的構形不易維持 , 要特別誘

生 chaperonin 來防止蛋白質進行不正確摺疊。

問題 : 如上圖所示 , 要把兩個正確的 Cys 拉在一起 , 產生正確的雙硫鍵 , 才能完成正確的摺

疊 , 而不正確的雙硫鍵也很容易產生。你覺得細胞要如何設計機制 , 才可促使 Cys 完成正確

的雙硫鍵 ?

■ 請參閱 J Biol Chem (2006) 281(14): e11 有關 Anfinsen 的紀念論文。

P-34

蛋白質轉譯出來之後要靠

chaperone 系統正確摺疊


Chaperonin 家族中 , 有些是很大的蛋白質複合體 , 由二、三十個蛋白質聚集成一個像桶子

的容器 , 初合成出來的蛋白質若構形不正確 , 就可送到桶子內矯正構形 , 變成正確的原態蛋

白質後 , 才釋放出來。若如此也摺疊不好 , 就會被送到另一種桶子 , 在其中被降解 , 回收胺

基酸使用。這另一種桶子的構造或外型都與 chaperonin 非常像 , 也是由很多蛋白質單元所組

成的 , 但其功用是水解摺疊不良的蛋白質。在細胞內 , 蛋白質分子的生與死是在一線之間 ,

一個蛋白質若不能形成正確構形的分子 , 馬上會被分解掉。

P-35

摺疊不良的蛋白質會被送到銷毀系統

泛素

UPS


Proteasome ( 內部水解區 )

先去除醣基

Lowe et al (1995) Science 268: 533

Proteasome 的作用 , 有點像是資源回收筒 , 而資源回收需要先消耗一些能量。

例如 , 有一個蛋白質在內質網中無法被 chaperone 正確摺疊 , 就會被送到細胞質中 , 先除去一

些修飾分子後 , 貼上泛素 (ubiquitin) 標籤 , 然後再送到 proteasome 內進行降解。 Proteasome

內部有幾個水解位置 ( 右下圖 ), 送入其中的蛋白質分子 , 被降解成較小片段。整個過程需要

消耗很多 ATP, 但可以專一地清除無用蛋白質 , 並且回收寶貴的胺基酸資源 , 因此還是划

算。

P-36

相似的桶狀巨分子卻有相反的作用

Proteasome (20S)

Chaperonin (GroEL)

Weissman et al (1995) Science 268: 524

Proteasome 與 chaperone 在外型上的相似性令人驚訝 , 直徑大小也相當接近 ( 但是胺基酸組

成就不相似 )。兩者的主體 , 都是由四個環狀的聚合分子所組成 , 而每個環狀物都是由七個小

單位分子所組合的 ; 兩者的順利運作 , 都需要能量參與。只是 , 一個是用來導正摺疊不佳的

蛋白質 , 另一則是用來摧毀無法正確摺疊的蛋白質 ; 好像一個是演白臉的勸人向善 , 另一則

是扮黑臉的摧毀惡人。

P-37

各種胺基酸對二級構造的貢獻程度

Glu

Met

Ala

Leu

Lys

Phe

Gln

Trp

Ile

Val

Asp

His

Arg

Thr

Ser

Cys

Tyr

Asn

Pro

Gly

α helix β sheet β turn


各種胺基酸的側鏈基團 , 因為其大小、電荷、極性或非極性之不同 , 對蛋白質二級構造的貢

獻也不一樣。大致來說 , 比較容易形成 α helix 者 , 就比較不容易形成 turns; 遇到 Pro 一定會

破壞 α helix 或 β sheet 的形成或延續。上圖只是一個統計資料 , 並不是說 Gly 一定不會在 α

helix 中出現。

問題 : 由上圖的調查統計 , 你能否看出一些規律性來 ?

P-38

預

測

蛋

白

質

二

級

構

造

相

當

準

確

預測

α

β

β

觀察

α

β

β

GP = Glycogen

phosphorylase

L78

兩種磷解脢

SP = Starch

phosphorylase

(L-SP)

α

α

SP

GP

L

H


預測三級構造需以已知結構為藍本

由一條胺基酸序列來預測蛋白質的二級構造是相當準確的。但是 , 由二級構造還是無法推知

正確的三級構造。通常還是要經由 X-ray 繞射分析 , 或者是核磁共振 NMR 來決定真實的立體

構造。這是因為由二級到三級構造 , 蛋白質的摺疊其實相當複雜 , 並不是很呆板的堆疊動

作 , 很多蛋白質還需要別種蛋白質的幫忙 ( 例如 chaperone), 才能正確摺疊。

有一變通方法 : 若能找到另一種生物來源的類似蛋白質 , 或是另一同質性極高的蛋白質 , 而

且已解得其立體構造 , 則可把此未知蛋白質的胺基酸序列套入此已知模型 , 經比對並推測出

可能的立體構造。

右側圖先比較 SP 與 GP 在一級構造上的相似程度 , 再以 GP 的三級構造為藍本 , 就可模擬出 SP 的立體構造。L-

SP 很奇特地在分子中央多出一段蛋白質 , 含有 78 個胺基酸 , 也可以在模擬時插入 , 請見次頁。

P-39

澱粉磷解脢

Computer modeling of L-SP

(base on the template of GP)

Starch binding site

PLP binding site

PEST site

B site

A site

L78

Active site

Helix a

Helix b

Phosphorylation site (Ser 71)

我在生技系的研究主題之一 , 就是植物的澱粉磷解脢 (L-SP) 構造 ,L-SP 可能在植物的澱粉合

成上 , 佔有非常重要的角色。

澱粉磷解脢在動物細胞中的對等蛋白質為肝糖磷解脢 (GP), 五十多年以來 ,GP 已經被研究得

很清楚 , 很早就解出其 3D 立體構造。由於 L-SP 與 GP 在蛋白質序列上有 80% 以上的相似

度 , 預測兩者的蛋白質構形也極相像。因此可以用 GP 的構造為藍本 , 以電腦程式模擬 L-SP

的構造。

另外 ,L-SP 與 GP 在構造上有一個很不同的地方 , 就是 L-SP 的分子中央 , 多出一段約 78 個

胺基酸的片段 , 稱為 L78。電腦程式可以先預測 L78 的二級構造後 , 再插入所預測的 L-SP 分

子中 , 就得到上圖的模擬構造。依此構造 , 我們就可以預測 L-SP 的活性催化機制 , 推測有無

調節或控制。

L78 據推測是由 intron 演化而來 , 變成了 exon, 但在表現出來之後 , 這段蛋白質卻插在 L-SP 的澱粉結合區上面

( 如上圖 ), 使得 L-SP 無法與澱粉結合。後來發現 ,L78 會被降解 , 甚至完全切除掉。這實在是說不通 ,L-SP 把

intron 演化成 exon 表現出蛋白質來卡住自己的嘴巴 , 然後又要把它切掉。

問題 : 請幫上述 L78 的困境想一個合理的說法。

P-40

膜蛋白的三級構造預測比較可靠

Hydropathic plot

週期性地間隔出現疏水與親水片段


直接由一級構造的胺基酸序列 , 來推測蛋白質的立體構造 , 是非常不容易 ; 但對插在細胞膜

上的蛋白質 , 卻有相當正確的推測結果。原因是大部分的細胞膜蛋白 , 都有一種大致相似的

摺疊規律。

分析蛋白質序列上各胺基酸側基的親水與疏水性質 , 就可以得到 hydropathic plot; 若發現有

週期性地間隔出現疏水與親水性片段 , 就有可能是細胞膜蛋白質。然後 , 便可推測其立體構

造是來回穿梭細胞膜 , 而疏水性片段就鑲在細胞膜中 , 親水性片段則分別分布在細胞膜兩

側。

問題 : 這種膜蛋白貫穿細胞膜 , 其餘的親水部份露在膜外的兩側 ( 上圖綠色片段 ), 例如可能

是在高爾基氏體的 lumen 側或者細胞質側 ( 如上面右圖 )。請問能否預測某片段是落在那一側 ?

■ 請先到 Lehninger Principles of Biochemistry (4e) p. 377 前後查看細胞膜上的各種蛋白質模樣。

P-41

三級構造還有轉譯後修飾

■ 蛋白質轉譯後的修飾 :

● + 醣基 → 醣蛋白 (glycoprotein)

● + 脂質 → 脂蛋白 (lipoprotein)

● + 金屬離子 → 金屬蛋白 (metalloprotein)

● + 輔助基團 (prosthetic group)

→ 活性蛋白質 (active protein)

● + 蛋白質裂解 → 活性蛋白質

insulin chymotrypsinogen

heme

myoglobin

● + 磷酸化 (phosphorylation) → 磷酸化蛋白質

● + 輔脢 (coenzyme) → 完全酵素 (holoenzyme)


一個蛋白質在合成之後 , 經常還要加上許多東西 , 才能成為真正有活性的分子 ; 以上列出這

些可能的修飾方法或添加物質。其中磷酸化是很重要的蛋白質修飾方法 , 被廣泛發現存在於

細胞中 , 尤其在信息傳導上 , 扮演極重要角色 , 將在酵素一章詳述之。上圖中的每一個例

子 , 請一一理解清楚 , 因為所有的例子將會在未來的課程中 , 一再出現。

問題 : 為何蛋白質除了其本身的胺基酸序列之外 , 還要加上這些形形色色的附加物 ?

因為可以增加胺基酸官能基團的強度。回顧胺基酸的各種官能基 , 除開那些非極性的不談 , 極性的胺基酸也都不

帶有較強烈的反應基團。因此 , 為了達成某些任務 , 蛋白質在形成基本的球狀巨分子後 , 再加上一些較具強烈個

性的分子 , 可以幫助各種生化反應進行。進一步再想一個問題 , 為什麼二十種胺基酸的基團中 , 不含有這些強烈

的基團 ?

P-42

類似的蛋白質區域經常被重複使用

分子層次的世界也經常發生互相抄襲的事


上述的區塊 domain 概念 , 有深一層的意義。經常會在不同的蛋白質分子上 , 看到相似的區

塊 , 有相似的胺基酸序列 , 行使類似的功能。這些相似的區塊 , 是如何來的 ?

原來分子世界也有抄襲的現象 , 一個好用的分子構造 , 可能被利用在不同的分子中 , 行使類

似的功能 , 但又稍加修飾後 , 成為另一個蛋白質。例如 , 上圖中的 domain X 分別與 domain A

與 domain B 形成兩種蛋白質。這種組合是發生在基因層次 , 早期 domain X 可能由獨立基因所

指導轉譯 , 後來因為此基因的自我複製 , 並與其他功能的基因合併 , 乃衍生了今日的各種混

血蛋白質。

domain X domain A domain B domain X

P-43

三級構造的功能區塊

■ Domain: 功能區塊

(1) 介於二級與三級構造之間的分區單位

(2) Domain 已經具有特定構形

(3) 有些蛋白質只有一個 domain (myoglobin)

(4) 大部份蛋白質含有兩個 domains (hexokinase)

(5) 部份蛋白質含有兩個以上 domains (Ab 分子 )

■ 分子演化 : 一個有用的 domain 可反覆被利用

Gly-3-P

EtOH

Dehydrogenase


蛋白質分子中的一些二級構造聚集起來 , 成為一個功能區塊 (domain)。很多蛋白質發現有若

干 domains, 但也有蛋白質只含有一個 domain, 例如 myoglobin 即是。請注意一個蛋白質分

子中的各個 domain 都還是屬於同一個蛋白質鏈 ,domain 與 domain 間是以胜肽鍵連在一起 ,

並沒有斷開。

勿把 domain 與次體 (subunit) 混淆 .. 例如 hemoglobin 由四個次體所組成 , 是四條獨立的蛋白

質 , 而每個次體各含有一個 domain, 但有四個次體不能說是含有四個 domains。

Domain 在早期可能是獨立的基因 , 演化過程中一再地被重複拷貝使用 , 並可以不同的組合形

式出現。其實這不難想像 , 若分子演化果真是事實的話 , 則地球上所有的基因 , 都將溯源到

恆古的一條或少數幾條巨分子 , 以後所有的巨分子都是由這些『基因夏娃』所衍生出來的 ,

因此互相盜用或模仿也不足為奇。

P-44

Hexokinase 的兩個功能區塊組成活性區

Domain 1

Domain 2


Hexokinase 很明顯含有兩個 domains, 兩者所包圍的空間 , 形成一個口袋 , 並且是活動的 ,

剛好成為進行酵素催化的活性區。酵素之所有如此高的催化效率 , 與這種口袋式的活性區有

密切關係。這兩個 domains 之間也有較大的自由度 , 因此所形成的口袋 , 活動力相當好 , 像個

嘴巴一樣把基質吞入。

■ 請先到 Lehninger Principles of Biochemistry (4e) p. 524 糖解代謝中察看 hexokinase 的角色。

P-45

抗體具有十二個以上功能區塊

Edelman, Porter (1972)

每一抗體分子有四條次體 (subunits) = 2H (heavy) + 2L (light)

L 2

H 次體由四個

domains 組成

H 4 H 4

L 2

L 次體由兩個

domains 組成

各個 domain 可能由同一原始基因所演化

Gene duplication

Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.1382 Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.246

抗體是相當奇特的分子 , 一個抗體分子含有兩條長鏈 (H) 及兩條短鏈分子 (L), 共有四個次

體 (2H2L), 次體之間以雙硫鍵連接起來。每個長鏈分子含有四個球形 domains, 每短鏈分子則

含有兩個 , 這些 domains 的構形都很相似 , 在遠古以前源自同一個原始基因。每一次體都是由

其 mRNA 轉譯出來 , 但只有兩種 mRNA, 在內質網中分別轉譯出 H 及 L 兩種次體 , 各取兩條

在高爾基氏體中 , 組裝成整個抗體分子。

■ 請到 Lehninger Principles of Biochemistry (4e) p. 178 了解抗體分子的構造與免疫功能。

Subunit →

domain

domain

L

Subunit →

Subunit →

domain domain domain domain

domain domain domain domain

H

H

Subunit →

domain

domain

L

P-46

Lysozyme

Backbone

Hydrophobic

Hydrophilic

Total

+ substrate

Watson et al. (1987) Mol Biol Gene, Plate 3

Lysozyme 是一個很重要且古老的酵素 , 可以分解細菌細胞壁上的多醣 , 其分子構造也已定

出。本圖把其構造上各種不同極性的胺基酸分層顯示 , 可發現非極性胺基酸的確都擠在分子

內部 , 極性胺基酸大多分佈在外表。而與基質的結合區是一凹陷的口袋 , 基質剛好鑲入此一

口袋中 , 接受水解的催化反應。

P-47

四級構造 (Quaternary structure)

Myoglobin

Hemoglobin


四級構造的妙用 , 可以血紅蛋白 (Hb) 與肌紅蛋白 (Mb) 的例子說明。 Hb 是四元體 , 有所

謂的四級構造 ;Mb 為單元體 , 只有三級構造。四元體的 Hb 在血液中循環 , 到肺部攜帶氧分

子 , 然後送到肌肉 , 交給單元體的 Mb。細胞為何有如此的安排 ? 其目的與機制又是如何 ?

請注意 Mb 的四元體雖然看起來都很相似 , 其功能也都一樣 , 但卻是由 α 及 β 兩種次體以 α 2

β 2

兩兩配合而成。

這兩種次體 , 是分別由兩個獨立基因表現出來 , 在細胞質中各取兩個組裝起來。

P-48

血中氧分子的運送

任何一個次体接受氧分子後 , 會增進其它次体吸附氧分子的能力

氧

分

子

Lung

環境氧濃度高時

Hb 快速吸收氧分子

動脈

(R)

relaxed state

環境氧濃度低時

Hb 迅速釋出氧分子

Muscle

靜脈

Hemoglobin

(T)

tense state

Myoglobin


Hb 在血中循環 , 經肺泡取得氧分子 , 運送到肌肉中 , 下載給 Mb。因此 Hb 必須知道 , 何時

該吸收氧分子 , 何時該放出。也就是說 Hb 必須有感應氧分子濃度的能力 , 同時還得做出吸收

或放出的動作。這些能力都源自其四級構造的組成。

在靜脈中 Hb 大都不載有氧分子 , 這時候它的四個次體分子 , 都處於一種休息狀態 , 結合區不

容易讓 heme 接受氧分子。當 Hb 循環到肺部時 , 環境的氧分子濃度提高了 , 當四個次體的任

何一個分子接上一個氧分子後 , 馬上會牽動其它次體 , 使得其它次體的分子構造舒張 , 變得

很容易接受氧分子。因此在肺部的 Hb 都很容易地滿載氧分子 , 經動脈輸送至肌肉。若當時肌

肉相當勞累 , 需要大量氧分子的補充 , 其酸鹼度會降得比較低 ,Hb 就更容易釋出氧分子 , 而

Mb 則一昧地吸收 Hb 所下載的氧分子 , 並無調節作用。放下氧分子的 Hb 就回復休息狀態 ,

循著靜脈流回肺部。

蛋白質的實際構形 , 都不是固定不動 , 其分子會有某些程度的運動 , 上述的 Hb 分子也是如

此。當其處於休息狀態時 , 是分子較為緊密的構形 , 稱之為 tense (T) 型 ; 反之 , 若其構造較

放鬆 , 則基質或其結合對象比較容易進入 , 稱之為 relaxed (R) 型。 T 與 R 型的變化 , 對酵素

分子的活性調節也很重要 , 在酵素部分會提到。

問題 : 想像一下 , 若血液中只有 Mb, 則人類的生理會有何種改變或災難 ?

P-49

血紅素中負責攜氧的血基質 heme

以 X 光繞射法決定分子構造


血紅蛋白貯藏氧分子的地方 , 是在其分子上的 heme,heme 分子中央有一個鐵離子 , 氧分子

便是與此鐵離子結合。鐵在 heme 上面是被四個氮以配位鍵抓住 , 但是過渡元素的鐵原子可以

有六個配位鍵 , 另兩個則由 Hb 的兩個 His imidazole 側基所供應。但是 E7 上面的 His 結合較

淺 , 並有一空間讓氧分子取代 , 如此則可攜氧。

問題 : 上右圖由 X-ray 繞射顯像可以精準地看到這些鍵結情形 , 你知道這張看來像地形圖的

立體構造 , 是如何畫出來的嗎 ?

■ 請到 Lehninger Principles of Biochemistry (4e) p. 136 查看決定蛋白質構造的幾個方法。

P-50

任何次體吸收氧分子後牽動骨架



原先沒有氧原子時 ,E7 His 與鐵的配位並不強 , 因此 heme 平面稍稍被 F8 His 拉過去 , 呈現

一點凹面。若氧分子進來取代 E7 His, 就會把此平面拉平 , 而 F8 His 也會跟著被拉動 , 並牽

動整條 F8 helix。此一牽動波及整個分子 , 且傳到其它的 Hb 次體上 , 拉動他們的分子結構 (T

form → R form), 使得氧分子很容易進入。

這樣的結果是 , 若 Hb 分子上的任何一個次體接受到氧分子 , 將會使得其它的幾個次體構造改

變 , 大大提高它們結合氧的能力 , 是一種感受環境氧分子的機制。因此 , 環境的氧分子濃度

可調節 Hb 的攜氧能力 , 使 Hb 能夠判斷何時要吸收 , 何時要放出氧分子。

有沒有覺得 Hb 比 Mb 有智慧 ? Hb 很清楚自己何時應該努力工作 , 何時可以休息 ; 而 Mb 只是一昧豪奪 , 拼命

吸收 , 沒有節制。

問題 :Heme 並非蛋白質 , 必須經由代謝路徑製造之 , 比較麻煩且耗費能量。然而由上述

heme 的功能看來 ,heme 的構造沒辦法以胺基酸的組合來取代 , 請說明之。

■ 請先到 Lehninger Principles of Biochemistry (4e) p. 855 查看 heme 的合成代謝路徑。

P-51

牽

一

髮

動

全

身

所

有

次

體

均

受

影

響

WIKIPEDIA

Cartoon by I. Geis

這張卡通當然是 I. Geis 所繪 , 相當傳神地表現出 ,Hb 四元體分子間的牽動 , 以及影響分子

構形的程度。Geis 的蛋白質立體繪製 , 都依據精確的科學數據 , 因此上圖的抖動情形都是相

當接近事實的。

■ 請到 Wikipedia 查詢 hemoglobin, 就有上右圖的動畫。

P-52

蛋

白

質

的

四

級

構

造

1

2

3

4


上圖由左至右依序說明 , 如何一級一級組成血紅蛋白的最後構形 , 而形成一個有活性的分

子。有很多蛋白質在三級構造即有完整活性 ( 如 Mb), 但有些則需要再組成四級構造 ( 如 Hb),

以利更複雜的生理功能。

問題 : 請自己思考這個問題 , 就是四級構造的各次體之間 , 是由何種力量所連結 ?

組合

P-53

蛋白質四級構造的意義

一級構造 ( 胺基酸序列 )

↓

二級構造 (α helix, β sheet)

↓

三級構造 (monomer)

↓

四級構造 (dimer)

Domain ( 區塊 ααββ)

有形体 ?

有生命 ?

有智慧 ?

序列

↓

構形

↓

活性

↓

調節


蛋白質的四級構造區分 , 不只是構造的組織方式 , 而且有生理功能上的重大意義。

單獨看一級構造時 , 其胺基酸序列只是一條胺基酸的連續排列 , 沒有人能說它是有生命的。

當此胺基酸序列漸漸捲成二級構造 , 生成 α helix 及 β sheet 等固定結構 , 再集合成三級的獨立

單位 , 蛋白質因為有了固定的構形 , 產生了催化活性或生理功能。而當數個如此的三級構造

進一步組成四級構造 , 分子似乎會有思辨能力 , 知道何時該有較大的活性 , 何時該休息。具

有活性的蛋白質巨分子 , 已經是生命細胞的基礎 ; 而具有辨別力的四級構造 , 則似乎有所謂

的智慧了。

回想一下宇宙的生成 , 起先是基本粒子的組成 , 接著是一連串的組合 , 由小分子組成巨分子 , 到了巨分子的蛋白

質 , 竟然還是繼續以組合來達成某些特定的功能。這些大大小小的分子 , 組成了細胞膜、染色體、器官組織等 ,

也組成了生命。

P-54

鐮

形

血

球

症

因

於

一

個

胺

基

酸

之

改

變

Glu→Val

致病突變

非致病突變

大

部

份

突

變

不

影

響

整

體

分

子

構

形

EF pocket


蛋白質這樣一級一級地組合 , 其目的當然是要組成具有活性的分子 , 最好還能有調節作用。

那麼 , 這些目的是如何達成的 ? 這是因為蛋白質分子形成了特定的立體構形 , 利用此構形達

成其生物活性。由四級構造推回去 , 可以發現構形的根本 , 就是一級構造的胺基酸序列 , 因

此蛋白質的序列就是活性的根本 , 再往上推核酸序列就是生命的源頭 – 核酸。這樣當然非常

正確 , 也合乎所有的生命法則。但是真正的生命現象還稍微複雜一點。

若以演化的全面性角度來看 , 構形的重要性 , 有時會凌駕蛋白質的胺基酸序列 , 或者核酸序

列。血紅蛋白的演化歷史極久 , 所散佈的生物種類也非常多 , 當比較各種遠近親緣生物的血

紅蛋白時 , 發現各種生物的蛋白質序列 , 因為演化的關係而有相當大的變異 , 但所有 Hb 的分

子構形 , 卻大致不變。而一些重要位置的胺基酸 , 例如與 heme 結合的胺基酸卻是永遠不會改

變。

因此 , 若有人問你到底蛋白質的序列重要 , 還是它的構形重要 ? 他一定是在找你麻煩。折衷的回答是 , 整體來

說 , 當然要靠正確的胺基酸序列 , 才能有正確的構形 ; 但是 , 假如胺基酸要變化 , 只要維持正確的構形 , 那蛋白

質大致是活得下去 ; 然而 , 那些對構形或者活性具有關鍵性影響的胺基酸 , 則絕對不能改變 ( 其所對應的基因序

列也不能變 )。因此 , 兩者是互為裡表 , 互相影響的。

胺基酸的突變 , 因此有的不很嚴重 , 有的可能就會致命 ; 鐮形血球就是因為血紅蛋白分子上

的一個胺基酸突變所造成的。

P-55


鐮形血球是因為其中的血紅蛋白 , 有一個胺基酸突變 , 由 Glu 變成 Val, 側基變成較大的非

極性基團 ; 此一改變 , 剛好使得血紅蛋白能夠一個接一個地連結起來 , 成為一個巨大的長條

狀構造 , 其長度可到把血球撐開來 , 看起來像鐮刀 , 因此稱為鐮形血球。

這種突變會造成呼吸困難而致死 , 本來應該無法在地球上生存 , 但是在非洲瘧疾肆虐的地

區 , 卻意外的發現 , 瘧疾原蟲無法在鐮形血球中寄生 , 因此反而成了有利的基因。

問題 : 你能否把 Glu 與 Val 的分子構造精確畫出來 ? 以便比較其分子大小與帶電性 , 然後考

量這樣的改變 , 如何影響一個分子 ?

P-56

所有蛋白質活性與功能的根本

構形

Conformation

構形是蛋白質的一切。

若沒有正確的構形 , 蛋白質將喪失其活性 , 在細胞內也會很快被消滅。

蛋白質的一切行為 , 都可以其構形來說明 ; 而構形的形成 , 乃根基於其

一級構造的胺基酸序列 ; 後者又是由基因上核苷酸序列所轉譯而得的。


構形幾乎是蛋白質的一切 ( 稍微保守一點 )。

蛋白質的各種功能中 , 沒有任何一項是與其構形無關 ; 也可以說是蛋白質的外形 , 造就了它

所有的功能 ; 而形成正確構形的指令 , 就藏在其一級構造的胺基酸序列當中。另外 , 絕大部

份的性質 , 也都與構形有關 ; 只有分子量、等電點 , 並不在乎有無正確構形 , 主要是決定於

其胺基酸的排列順序。因此 , 蛋白質的一級構造可說極為重要 , 但只有一級構造還是無法順

利推算出正確的蛋白質構形 , 到目前都還是科學界的一大挑戰。

幾年前 , 我曾懸賞若能舉出任何蛋白質的功能 , 與其構形無關 , 我將付出一千元台幣。到目前沒有人領賞 , 這個

挑戰還繼續有效。( 哈哈 ! 我一定贏。因為 ... 所以蛋白質一定不會有活性的。)

P-57

蛋白質所有性質的根本 : 構形

原態蛋白質

Native protein

變性 denaturation

各級構造解構

復性 renaturation

變性蛋白質

Denatured protein


雖然部份蛋白質經變性後可以在變性條件去除後 , 回復原態蛋白質 , 但並非所有蛋白質均可

如此。請如下表整理出組成蛋白質各級構造的鍵結力量 , 然後看那些因素可以破壞這些力

量 , 就是使蛋白質變性的方法。

構成力量共價鍵非共價鍵破壞方式

一級構造

二級構造

三級構造

四級構造

P-58

蛋

白

質

之

變

性

與

復

性

用高濃度尿素及

還原劑可使

蛋白質變性

而失去活性

去除上述變性劑

可使蛋白質回復

原態而恢復活性

是為復性

並非所有蛋白質

均可順利復性

恢復原來活性

Darnell et al (1999) Molecular Cell Biology (2e) p.55

RNase 可以用尿素與 mercaptoethanol 造成變性 , 暫時失去活性 ; 但是當變性劑去出之後 ,

RNase 會記得原來的構形 , 恢復原來的活性。當然 , 有部份 RNase 分子可能會摺疊錯誤 , 因

此無法回復原態。

P-59

蛋

白

質

的

構

形

不

是

固

定

的

Hexokinase

看漫畫學遺傳 (1987) p.112

蛋白質或酵素並非死板板的分子 , 而是有相當大的彈性。上面是『看漫畫學遺傳』一書中 ,

說明酵素作用的卡通圖 , 書中的酵素還畫得相當誇張 , 像一隻會動的大嘴巴。以後當你仔細

學了酵素的作用機制後 , 會瞭解其實這些卡通還蠻傳真的 , 有些酵素真的會有像圖中一樣的

動作。

P-60

以核磁共振解析蛋白質構造


Hemoglobin

粗細線條代表

蛋白質骨架

的可能位置

核磁共振同時可以想像蛋白質

分子的振動情形 ( 並非固定 )

Bovine trypsin inhibitor


核磁共振 NMR 是偵測某個原子與周圍其它原子間的共振情形 , 則可計算得兩原子間的相對

位置 ; 若一個蛋白質分子上的每個原子都能如此一一偵測 , 整體計算起來 , 便可推得整個蛋

白質構造的形狀。

因核磁共振是在水溶液中進行 , 蛋白質並非固定在結晶中 , 因此所『看到』的蛋白質構造 , 就不像以 X-ray 繞射

法所得『照片』般的固定影像。所有可能出現的位置 , 都會被計算出來 , 因此所得到的『影像』有點像漫畫中的

『發抖』圖形 , 看起來蛋白質分子好像在抖動 , 可能也真是如此。

看左邊的 Hb 分子 , 周邊的蛋白質片段抖動得較厲害 , 另有些地方則較不易抖動 , 正是夾著

heme 的部份。

P-61

分

子

間

的

專

一

性

結

合

力

量

抑制劑

胰蛋白脢



蛋白質與另一不相干的蛋白質之間 , 有時會產生相當專一性的吸引力 , 而兩者可能來自不同

細胞、不同生物 , 完全沒有關係。像胰臟中的胰蛋白脢 trypsin, 是動物專門用來消化食物蛋

白質的酵素 , 在自然界中居然產生有許多種抑制劑 , 這些抑制劑都與 trypsin 有專一性的親和

力 , 與 trypsin 結合後抑制了其活性 , 好像是自然界的生化武器。

抑制劑的分子構造中 , 通常都會有一部份長得很像 trypsin 的基質 , 讓 trypsin 誤以為是獵物而

捕捉 , 雖然 trypsin 的確將抑制劑水解了 ( 只切一刀 ), 但在水解後卻發現 ,trypsin 無法掙脫抑

制劑的結合 , 因此不能再進行下一個催化動作 , 活性因此被卡住。

抑制劑為何與 trypsin 有如此巨大的親和力 ? 因為抑制劑與 trypsin 的活性區之間 , 兩個分子接

面的形狀互補 , 並產生相當強大的吸引力。

P-62

具有親和力的兩種蛋白質

卵白

胰臟

CHOM

雞蛋粘多醣蛋白

Trypsin

胰蛋白脢

當代國語大辭典 (1984) p.199


另一抑制劑實例 , 就是卵白中的 trypsin 抑制劑 CHOM, 是卵白中的重要成份之一 , 卻與胰

臟中的 trypsin 有極強的親和力。我們可以拿容易純化的 CHOM 為釣餌 , 結合到親和吸著劑上

面 , 用來釣取胰臟中的 trypsin, 就是一種親和層析法。

■ 請參考生物化學實驗 http://juang.bst.ntu.edu.tw/BCX/Protein.htm#P2。

P-63

專一性結合力量的構成因素

I. Conformational Match:

Van der Waals interaction

兩分子間因構形互補所造成的

吸引力是由凡得瓦爾力所貢獻

II. Interaction Forces:

(1) Hydrogen bond

(2) Hydrophobic interaction

(3) Electrostatic interaction

(4) Van der Waals interaction

+

Kd

=O…H-N-

+ -


兩個分子之間的親和力是如何產生的 ?

首先 , 此二分子的接合面 , 在分子構形上 , 一定要成為互補。其次 , 兩個互補的接面結合

後 , 可以再利用其間所生成的一些二級鍵 , 加強兩者的吸引力。

尤其 , 接面構形互補的條件甚是重要 , 若能有互補形狀 , 而兩者間並無其它顯著的二級鍵吸

引力 , 一樣也可以有相當強的親和力 , 原因請見後述。

P-64

構

形

互

補

所

造

成

的

吸

引

力

凡

得

瓦

爾

鍵

數

目

夠

多

即

足

以

造

就

親

和

力

Van der Waal interactions

A

vdw

vdw

B

between non-polar surfaces


因為凡得瓦爾力實在很弱 , 因此要集合數十個凡得瓦爾力才能發揮作用。兩個巨分子間的接

面 , 若其間相互對應的每一對原子 , 都能保持其凡得瓦爾半徑 , 則此二巨分子便可產生相當

強的親和力量 ; 這只有當兩個巨分子間的接觸面 , 剛好成為積木般的互補形狀時 , 才能達

成。這種巨分子間的親和力 , 造就了很多細胞的生理特性與功能。

你相信嗎 ? 壁虎可以飛簷走壁就是靠凡得瓦爾力。它的腳掌上有很多凸出條紋 , 上面佈滿奈

米級的細毛 , 與牆面密切接觸 , 產生很多的凡得瓦爾吸引力。

■ 請參考新聞 Nature (2007) 447: 1035。

P-65

蛋

白

質

間

的

專

一

性

交

互

作

用

Scientific American (2002) cover page

基因體開拓了科學家的視野 , 以更寬廣的角度去看原先的問題。同樣的 , 也影響我們對蛋白

質的看法 ; 蛋白質體學就是針對生物的某一器官、生長時期或生理反應 , 對整體蛋白質的消

長 , 進行全面性的探索。除了瞭解所增減的蛋白質種類或身份之外 , 檢查整個蛋白質體內 ,

各種蛋白質之間的專一性交互作用 , 也是重要課題。

因為 , 細胞內各種蛋白質並非單獨作業 , 而是相互間有密切且頻繁的聯繫與關係 , 可說是互

相有對談 (cross talk), 以便合力把一件生理任務執行好。然而 , 此種對談並非隨意 , 否則細胞

內的生理機能可能大亂 ; 分子與分子間的對談有其專一性對象 , 因此分子間的專一性交互作

用 , 便是執行細胞任務的最基本條件。

你無法在細胞裡面 , 找到任何一個蛋白質 , 不需與其它分子交談 , 而能進行其生理機能者 ;

而這種交談 , 必須是專一性的。也就是說 , 細胞內每一個蛋白質 , 都至少有一個專一性的結

合對象。因此 , 若把這種結合關係一一連線起來 , 將會有一張很複雜的關係圖 , 從這張圖中

可推知細胞的種種生理途徑。

■ 請參考 Ezzell C (2002 六月 ) 蛋白質當家。科學人 4: 46~54。

P-66

● 分子構造 :

核酸

N1

核苷酸核酸雙螺旋三級構造 Palindrome

質體 RNA 基因表現 N2

● 功能性質 :

N3

參加重要生理功能 Central Dogma 變性與復性

鹼基組成的影響雜合反應 Intron 與 exon

● 研究技術 :

N4

核酸之純化限制脢核酸轉印法基因操作

基因庫建構 PCR DNA 定序定點突變 RFLP

核酸是細胞內的巨分子之一 , 分成 DNA ( 去氧核糖核酸 ) 及 RNA ( 核糖核酸 ) 兩大類 , 是由核

苷酸的小單位分子所組成。同樣的 , 核酸部份也是先說明其分子構造後 , 再以構造為基礎 ,

來認識其種種生理性質。

學習核酸的構造 , 要清楚辨別核酸巨分子 , 是如何以單位小分子連接起來 , 兩條 DNA 分子如

何配對成為雙螺旋鏈。這幾乎是所有生命現象的核心 , 在五十年前 Watson 及 Crick 發現雙螺

旋的構造 , 同時也開啟了分子生物學的研究。目前我們只能簡短說明核酸的構造與一般性

質 , 至於圍繞著 Central Dogma 所發生的種種分子遺傳學知識 , 只能留待分子生物學中講述。

雖然如此 , 我們還是把基因操作的一些基本方法與原理 , 在適當的段落 , 做精要說明。

希望同學在這段課程打下良好基礎 , 以便未來面對種種複雜的分子生物學問題時 , 能夠清楚

地對應 ( 當你搞不清楚 5‘ 及 3’, 或不知何為 sense 何為 anti-sense, 那就粉慘的啦 )。

N-1

象形文字

核苷酸

鹼基五碳糖磷酸


核苷酸這三個字有點像象形文字。因為它剛好指出了 nucleotide 單位分子中的三個主要部

分 : 鹼基、五碳糖、磷酸。當核苷酸去掉磷酸時 , 中文直接變成核苷 , 英文則改了一個字母

成為 nucleoside, 見次頁的構造說明。

N-2

核苷酸的基本構造

Acid

磷酸

Monophosphate

Diphosphate

Triphosphate

5’

4’

3’

Sugar

五環糖

Ribose,

Deoxyribose

Base

鹼基

Adenine

Guanine

Thymine

Cytosine

Uracil

Purine

Pyrimidine

核苷

核苷酸 Nucleoside (Adenosine)

Nucleotide (Adenosine monophosphate, AMP)

1’

2’


核苷酸是由三部份構造所組成 , 每一部份又有數種選擇 ; 例如五碳糖部分 , 可能是核糖

(ribose) 或是去氧核糖 (deoxyribose), 此種差別造成了 DNA 與 RNA 在性質與構造上的不同。

我們所常見的 ATP 分子 , 是含有核糖 , 若核糖改成去氧核糖 , 則寫成 dATP。上圖只是畫出

大略的構造關係 , 請自行在課本上找出確實的分子構造 , 要能自己默寫出詳細構造才可以 ;

尤其各種鹼基之間 , 以氫鍵連結的配對情形 , 一定要十分清楚。生命的奧祕 , 幾乎盡藏於

此。

DNA 與 RNA 所使用的鹼基幾乎一樣 ..DNA 用 ATCG,RNA 用 AUCG, 只有 T, U 不同 , 而 T 與 U 在構造上也

很相似 , 都能夠與 A 配對。

■ 請自己列一張表 , 慢慢整理出 RNA 與 DNA 在構造與功能上的異同點。

N-3

分子扁平可緊密堆疊

單環與雙環配對

密實

配對

防水

不溶於水可穩定貯藏

四種鹼基

牛頓 (1985) no. 25 p. 74

為何自然界會選用這幾種鹼基作為遺傳密碼 ? 可能有幾個理由 ..

(1) 鹼基分子扁平 , 可以緊密堆疊在雙螺旋長鏈中。

(2) 鹼基一類為單環 , 一類為雙環 , 單環配雙環成一鹼基對 , 不易弄錯。

(3) 鹼基分子相當疏水性 , 藏在兩股磷酸長鏈中 , 可保安定。

絕對還有其他理由 , 可以自己再思索。

■ 上圖各種鹼基的構造 , 其氫原子與雙鍵位置並沒有畫得很清楚 , 請自行參考課本上的構造 , 把四種鹼基與兩

種配對的氫鍵仔細畫好。

N-4

-

PO 4

2-

O

O-P=O

O

核苷酸以磷酯鍵連結成長鏈核酸

5’

3’

1

OH

PO 4

2-

Phosphodiester bond

5’

2

3’ OH

5’

P

R

1

P

R

P

R

P

R

P

R

P

R

2

3

4

3’

5

6

是

一

種

磷

酸

多

醣


兩個核苷酸之間 , 前一個 (1) 以 3‘-OH 與次一個 (2) 的 5’- 磷酸進行脫水反應 , 連結形成磷酸

二酯鍵 (phosphodiester bond)。如此一直連接下去 , 就成為核酸的長鏈。但最後有一個磷酸及

一個 -OH 基是不被作用的 , 因此核酸的長鏈具有方向性 , 可寫成 5’-P → 3’-OH 兩端 , 就像蛋

白質有 N- 端及 C- 端一樣。

又如同蛋白質的 N-C-C-N-C-C-N-C 骨架 , 核酸長鏈也有分子脊骨 , 它是以磷酸 - 核糖輪流出現

的 P-R-P-R-P-R 骨架 , 同時在核糖分子上一個一個加上各種鹼基 , 組成核酸序列。

N-5

核酸長鏈紀錄方式之演進

A T C G A T C G

5’ 3’

P

OH

B

R

P

5’

1’

2’

3’

5’ pApTpCpGpApTpCpG-OH 3’

5’ pATCGATCG-OH 3’

ATCGATCG


核酸巨分子長鏈的記錄法 , 當然不能每次都把整個構造寫出來。方便的筆記法是把核糖變成

一直線 (R), 從上到下分別是 1’ → 5’, 而 1’ 接有鹼基 (B),5’ 接有磷酸 (P); 各核苷酸間以斜

線表示磷酸二酯鍵。

後來覺得這樣還是很麻煩 , 就省去直線及斜線 , 以 p 代替雙磷酯鍵 , 只留下各個不同的鹼基

序列 , 最後又去掉鹼基間的 p; 有時特別標出 5’ 及 3’ 端 , 以作為提醒 , 因為核酸的方向性極

為重要。到最後 , 只剩下鹼基排列。

N-6

兩股核酸的方向相反

5’ 3’

5’ pApTpCpGpApTpCpG-OH 3’

5’ pCpGpApTpCpGpApT-OH 3’

3’ 5’


兩條 DNA 核酸配對在一起時 , 其 5’-3’ 方向剛好相反 ; 有點像馬路有來回兩向的車道一樣。

這兩股 DNA 互相捲繞成為有名的雙螺旋構造。這種方向性 , 對核酸的複製及轉錄很重要 , 因

為這些活動都有一定方向。

N-7

每一鹼基配對有如階梯的一層


雙螺旋分子有點像扭曲的樓梯 , 而 A=T 與 C≡G 就是水平的踏板 , 一階一階排列在兩條磷

酸脊骨之間。請注意扁平的鹼基配對 , 可以很經濟地堆疊在兩股核酸之間 , 每一單糖分子都

與鹼基垂直 , 而磷酸則裸露在外側。再強調一次 , 兩股分子的方向相反 ( 箭頭 )。

N-8

雙螺旋有 A, B, Z 三種形式

A DNA B DNA Z DNA


Watson 與 Crick 所發現的雙螺旋 , 是稱為 B 型的水結合型 DNA, 在細胞中最為常見。另外

也有 A 型及 Z 型兩種。Z 型 DNA 早期是實驗室中的人工產物 , 當 GC 配對重複較多的片段容

易產生 ; 最近發現細胞中可能也有存在 , 也許可調節基因的表現或重組。

N-9

核

酸

二

級

構

造

的

特

徵

Small groove

5’

4

5

1

2

3

6

7

3’

36 Å

Large groove

8

9

10

1 Twist = 10.5 bp

5’

3’


雙螺旋是一條雙股重複扭曲的螺旋鏈 , 其重複出現的單位如上圖所示 ; 以常見的 B 型 DNA

而言 , 每 10.5 bp 形成一個扭曲單位 , 長度 3.6 nm; 注意每一個扭曲單位中 ,DNA 的一股會

交過另一股一次。因為分子的扭曲並非對稱 , 因此分子表面會形成大小凹谷 , 這些凹谷對核

酸與蛋白質的相互作用關係 , 有很大的貢獻。

同時因為磷酸脊骨露在外面 , 因此核酸的外側有相當大的負電聚集。若把 DNA 溶在純水裡 ,

則兩股磷酸脊骨會互相排斥 , 造成 DNA 的兩股分開而變性沈澱 , 故 DNA 都要溶在含有陽離

子的緩衝溶液中 (TE buffer)。

N-10

染

色

體

緊

密

包

裹

核

酸

核酸緊密纏繞在 histone 上面



在真核細胞中 ,DNA 捲繞在帶有強正電的蛋白質上 ( 如 histone), 除了抵消負電性外 , 還有利

於 DNA 的包裝 , 以便容納在細胞核的有限空間中。這種包裝方式 , 在真核細胞的染色體中 ,

有極為複雜的組織與控制。

N-11

核

酸

骨

架

的

自

由

度

比

蛋

白

質

高


雙螺旋的磷酸脊骨 , 雖然比起蛋白質長鏈有較大的彈性 , 可以較為自由地活動 , 但仍有一定

的限制。因此 , 整條雙螺旋分子並不能很自由地平攤成一直線 , 會以雙螺旋為軸心再度捲

繞 , 稱為超捲曲 (supercoil) 的構造。

N-12

但是兩股核酸捲繞仍有立體限制


雙螺旋的實際構造可用橡皮圈做簡單的模型 .. 把兩股橡皮筋捲繞作成雙螺旋的樣子 , 若把捲

繞的程度加大 , 則這條雙股橡皮筋會再度捲繞起來 , 成為超捲曲 ( 下圖 )。

你也可以用毛巾做實驗 , 先把一條毛巾捲起來 , 好像一條雙螺旋 , 但不要捲太緊 , 適度即

可。然後 , 握住兩頭 , 試著再度把這條毛巾再捲繞幾圈 , 則毛巾就會繞成超捲曲。這樣做出

來的毛巾雙螺旋 , 也可以顯示出 DNA 的 (+) 超捲曲或 (-) 超捲曲 , 完全取決於再度捲繞時的方

向 ; 這很不容易以文字說明 , 請在課堂上看示範。可以的話 , 請自己帶一條毛巾來上課 , 邊

看示範邊練習。

N-13

Palindrome, Restriction Enzyme, Sticky Ends

Arber, Nathans, Smith (1978)

CIVIC, Madam

Sticky Ends

(Cohesive Ends)

GAATTC

G

AATTC

G

AATTC

GAATTC

EcoRI

GAATTC

Get An Apple To The Class

G AATTC


核酸的構成序列中 , 有一種特殊鹼基序列 , 其鹼基的排列是前後互補 ( 如 GAATTC), 稱之為

palindrome ( 迴文 ); 此字是文學用字 , 指文句可以隨意自前向後念 , 或由後向前念者 ( 如

madam)。

有一大類酵素 , 可以辨認核酸序列上的這種特殊構造並水解之 , 統稱為限制脢 (restriction

enzyme); 這是因為含有某種限制脢的大腸菌 , 會限制某入侵病毒的攻擊。

天字第一號的限制脢為 EcoRI, 是從大腸桿菌分離出來的 , 可把 GAATTC 序列不對稱地切

開 , 切口會形成 sticky ends (cohesive ends)。具有相同 sticky ends 的核酸片段 , 可以互相準確

地黏在一起 , 這在基因重組技術上有很大貢獻。


N-14

EcoRV 可產生鈍端 Blunt ends

EcoRV

GATATC

GATATC


有些限制脢 (EcoRV) 是在 palindrome 序列的正中央對稱地切開 , 成為平口的鈍端 (blunt

ends)。兩個鈍端間雖然也可以進行連結 , 其效率差很多 , 但在基因重組上也有其用途。


N-15

DNA 的

外

圍

可

以

被

蛋

白

質

辨

識

A A D H

A D A

A A D H

A D A M

H D A A

M A D A

A D A

A H A

A D A

A H A

A

D

A

D

H

M

A

A H A

M


蛋白質與 DNA 之間經常要互相辨認 , 以便進行許多生理功能 ; 尤其是這些辨認都是專一性

的 , 蛋白質必須要結合到核酸上面的特定序列 , 才能正確進行生理功能。那麼 , 蛋白質是如

何辨認核酸序列的 ? 需不需要把兩股核酸打開 , 以辨識其鹼基序列 ?

答案是不一定 , 也就是說蛋白質可以在雙股核酸配對結合的情況下 , 認出裡面的鹼基是什

麼。有點像認人不一定要看到對方面孔 , 許多熟人你看側影甚或背影 , 就可以叫出名字。同

樣的 , 蛋白質要辨認鹼基不一定要把雙螺旋打開 , 只要看鹼基側面各種基團的排列 , 就可以

認出 , 因為每一對鹼基的外側輪廓都不太相同 , 請見上面的對照密碼就可明白。

■ 有許多種可與 DNA 結合的蛋白質區塊 , 請先到 Lehninger Principles of Biochemistry (4e) p. 1088 前後查看這幾

種蛋白質的構造特徵。

N-16

DNA 的限制脢圖譜檢定

CK A

Restriction

enzymes

B A+B M

A B? 10 kb

A

B

A

+

B

8 kb

2 kb

7 kb

3 kb

5 kb

3 kb

2 kb


因為限制脢可以辨認核酸序列上的特定序列 , 因此對某段固定的核酸 , 每次用相同限制脢所

切的位置是固定的 , 所得到的大小片段也都是恆定的 , 這些片段可用電泳分離之 , 稱為限制

脢圖譜。當然 , 使用不同的限制脢會切在不同的地方 , 因此 A, B 兩種限制脢所切得的電泳圖

譜也會不同。若同時使用這兩種限制脢 , 則由所得到的圖譜 , 可推出這兩種限制脢在該段核

酸上的切點位置。

例如上面的兩種限制脢分別切出 2 + 8 (A) 以及 3 + 7 (B) 兩種圖譜 , 合起來都是 10 kb, 對其切

點的預測有兩種可能 ; 但經由混合水解所得到的 2 + 3 + 5 片段 , 可以推出兩個限制脢切點之

間相隔 5 kb, 若不做混合水解則無法得知。

N-17

以限制脢及連結脢進行核酸剪接

GAATTC

CTTAAG

G AATTC

CTTAA G

EcoRI

GAATTC

CTTAAG

G AATTC

CTTAA G

G

CTTAA

EcoRI sticky end

G AATTC

CTTAA G

DNA Ligase

G AATTC

CTTAA G

AATTC

G

EcoRI sticky end


限制脢所切出來的 sticky ends, 可與另一相同的 sticky end 相連結 , 再用 DNA ligase 連結脢

把各股補滿 , 這使得 DNA 的剪接非常精準有效 , 是基因操作的最基本工具之一。任何兩個鈍

端 (blunt ends) 也可相互連接 , 沒有專一性 , 而且其連結效率非常低。

這些工具提供了在核酸序列上的精確剪接動作 , 可以像編輯錄音帶一樣 , 把所要的核酸片段

剪出 , 然後接到另一段核酸上 , 開啟了基因操作的大門 , 科學家也快樂地打開了潘多拉的盒

子。

N-18

CsCl ultracentrifugation

質體 Plasmid

DNA

plasmid

RNA

質體是環狀的獨立核酸

質體可以大量製備

Kleinsmith & Kish (1995) Principles of

Cell and Molecular Biology (2e) p.101

質體是一種小型環狀 DNA, 可以進出宿主細菌。質體上面帶有可以表現的遺傳信息 ; 最有

名的是產生抗藥性的質體 , 它所轉譯出來的酵素會水解抗生素。傳統上純化質體都是利用超

高速離心法 , 因質體為超捲曲構造 , 構形較為緊密 , 因此密度比染色體 DNA 要大一點 , 離心

後會在主要的 DNA 色帶下面 , 找到一個質體 DNA 的色帶。

N-19

抗藥性質體可在細菌間傳遞

抗藥基因

質體

mRNA

抗藥性菌種

質體可進出宿主細胞

抗藥性新菌種

抗藥酵素

水解抗生素

非抗藥性菌種


質體可以由一種宿主傳到另一種宿主菌 , 因此抗藥性也可以因此傳播開來 , 使得很多細菌很

快對抗生素產生抗藥性。遺傳工程也是利用質體的這種傳播功能 , 把一個被修改過的重組質

體 , 放到宿主細菌中去表現 , 生產我們所要的物質。

N-20

目標基因殖入質體並轉形宿主菌

限

制

脢

目標基因

限

制

脢

染

色

體

重組基因

目標基因

殖入質體

重組質體

轉型宿主

宿主菌

細胞轉形

1 plasmid

1 cell


質體用限制脢切開後 , 可以插入各種外來的 DNA, 形成重組質體 , 後者可以轉形到宿主細

胞中。但是 , 一個細菌只能接受一種重組質體 , 而這個轉進去宿主的質體 , 可以在細菌中大

量複製相同的質體。

N-21

目標基因的放大與篩選

1

培養皿

塗佈

1 cell line, 1 colony

菌體複製

X1,000

X100

質體複製

挑出單一菌落

含有目標質體

=100,000


質體在細菌中會大量複製 , 大約每一隻細菌可以累積 5~200 個質體 ( 以 100 計算 ); 若把這些

轉形菌途佈在培養皿上 , 則由單一細菌所形成的菌落 , 將只含有一種轉形菌 , 也就是只含有

一種重組質體。

每一個菌落若有 1000 隻細菌 , 而每隻細菌含有 100 個重組質體 , 則每個菌落就有

1×100×1000 個均質的純系重組質體 , 沒有雜夾其他的質體 ; 因為一個細菌只能包容一種質

體 , 而一個菌落只有一種細菌。

因此這種分子群殖 (molecular cloning) 手法 , 有點像在『種植分子』, 把一個目標基因 , 經過

上述的純化與放大的過程 , 得到數目眾多的複製 DNA, 可以抽取出來應用。

最後所得到的群落 , 可以用探針進行雜合反應 , 挑選出含有目標基因的菌落。

N-22

Central Dogma

複製

Replication

轉錄

Transcription

DNA

反轉錄

Reverse

Transcription

RNA

轉譯

Translation

Protein


Central Dogma 是生物界運作的中心基本法則 , 其重要角色就是核酸 , 包括 DNA 及 RNA。

Central dogma 說明了遺傳信息由 DNA 流到 RNA 再到蛋白質的過程 , 而其運作機制與核酸的

分子構造有極大的關係。分子生物學就是以分子的層次 , 探討整個 Central Dogma 的作用機

制 , 當然比上圖要複雜很多。

問題 : 反轉錄現象主要發生在病毒 , 很多病毒基因是 RNA, 要反轉錄成 DNA, 以便入侵細

菌或動植物的染色體 DNA。這個事實 , 能否給你一些暗示 , 以便推得下面兩個假說 :

(1) 地球上最早出現的核酸 , 應該是 RNA 而非 DNA。

(2) 若 (1) 所述為真 , 那麼 DNA 可能是如何出現的 ?

由 DNA 到 RNA 的 transcription 中文翻成轉錄 , 有抄錄的意思 , 非常傳真。也就是把 DNA 上

的信息 , 一一抄錄成 RNA, 就像『全錄』影印機一樣。但是由 RNA 到蛋白質是 translation,

是一種『翻譯』的關係 , 有點像把英文翻成中文 , 乃兩種不同的語文。真是如此 , 蛋白質是

以胺基酸單位一個一個接起來 , 不同於 DNA 或 RNA, 後兩者是以 A, T (U), C, G 為字母。

問題 : 因此 ,Central Dogma 好像有兩個層次 , 一個是以核酸序列為信息貯藏的工具 , 另外

則是以蛋白質為功能或構造單位。以如此方式安排 , 有何重要意義 ?

N-23

mRNA 可獨立表現出蛋白質

Acetabularia

Starr & Taggart (1987) Biology (4e) p.225

RNA 雖然也是核酸 , 但其構造與 DNA 有很大的不同 , 以致於其生理功能也有相當的差異。

RNA 與 DNA 最大的不同點 , 在於 RNA 是單股分子 , 而且分子也比 DNA 小 ; 因此 RNA 是從

長條的 DNA 分子所拷貝下來的一小段功能單位 , 也帶有 DNA 上的密碼指令 , 並依此指令行

事。主要的 RNA 有三大類 , 是為 mRNA, tRNA, rRNA 等 , 每個都與蛋白質的合成有關。

上圖以一種特殊的單細胞植物為例 , 說明即使在隔離開 DNA 的情況下 , 由該 DNA 所指導做

出來的 mRNA, 也能夠完全地把遺傳指令忠實執行。難怪 DNA 在 mRNA 完成任務後就馬上

銷毀之 , 而且有打不死的 RNase 去追殺細胞內外的游離 RNA, 以免 RNA 上面的信息流出細

胞外。

N-24

RNA 具

有

固

定

構

形

核

糖

體

催

化

蛋

白

質

合

成

接轉運的胺基酸

W-C pairs

Non W-C pairs



DNA 是雙股核酸 , 而且其分子量非常巨大 , 因此無法自由捲繞成特定構形 , 都只是形成長長

的雙螺旋 , 或捲成超捲曲構造 , 也可以再度纏繞組成染色體的構造。而 RNA 分子內的鹼基 ,

除了正常的 Watson-Crick 配對以外 , 還有非 W-C 配對的鍵結 , 這樣使 RNA 得以形成種種構

形 , 以配合某種特定的催化反應。核醣體由許多分子的 RNA 及蛋白質共同組成 , 這些 RNA

都是 ribozyme, 可協助轉譯蛋白質的功能。

所有的 RNA 真的是鞠躬盡瘁 , 努力地為細胞製造蛋白質 , 然而五十年來分子生物學的光芒都

給 DNA 搶去。

N-25

RNA 很

容

易

被

水

解

而

斷

裂

微鹼

斷裂

RNase


Nelson & Cox (2000)

Lehninger Principles of

Biochemistry (3e) p.176

RNA 在其核糖分子的 2‘ 位置上 , 比 DNA 多了一個氧原子 , 亦即其 2’ 位置為 -OH 官能基 ,

因此在微鹼情況下 ,OH - 會攻擊此醇基 , 導致 3‘ 上面磷酯鍵的斷裂 , 因而瓦解 RNA 分子。所

以 RNA 分子比起 DNA 不穩定 , 容易被破壞掉 ; 同時無所不在的 RNase 也隨時在細胞內外等

著水解 RNA, 因此 RNA 的半衰期比較短 ( 尤其是 mRNA)。

N-26

有一面模板即可大量生產複製品

模板

template

複製


DNA 的一股像是一個模板 , 打開這個模板後 , 就可以大量複製出互補的形狀出來。而這個

模板平時不用時 , 還會有一個與其互補的蓋子保護 , 以免模板損壞。

N-27

可轉錄 RNA 那段 DNA 稱 template (-) 股

nontemplate strand (+) strand coding strand

5’ 3’

ATG

TAG

Codon 是所轉錄 RNA 的序列

這兩條

序列一樣

Start

codon

AUG

UAG

5’ 3’ RNA

TAC

ATC

3’ 5’

template strand (-) strand


兩股 DNA 中只有一股能轉錄出 RNA, 稱為 template strand 或 (-) strand; 另一股則稱

nontemplate strand, (+) strand 或 coding strand。兩股上的核酸序列 , 都可能成為 template, 決定

於 3’ 端上游是否有轉錄起始的信號。

RNA 的轉錄合成 , 一定是從 RNA 的 5’ 端向 3’ 端複製 , 而模板 DNA 則是由 DNA 的 3’ 向 5’

方向讀取密碼。這些方向性一定要徹底瞭解 , 並且最好記得很清楚 , 因為分子生物學將由這

些反應開始。

同時 , 我們一般所知的遺傳密碼 (codon), 是根據所合成 mRNA 編的 ; 也就是說 mRNA 上面

的序列就是遺傳密碼。而 mRNA 的序列是與 nontemplate (+) 相同的 , 而與 template (-) 互補。

N-28

兩股 DNA 都可能轉錄出 RNA

DNA

5’ 3’

3’ 5’

RNA 的合成方向是 5’→ 3’

RNA

RNA

5’ 3’

3’ 5’

Promotor

充分利用空間

的腺病毒基因

DNA


雖然只有一股 DNA 是 template, 但是兩股 DNA 的任何一股都有可能成為 template, 甚至可

能互相重疊。但同一條 DNA 上的所有 templates, 其閱讀方向都一樣 ,RNA 都由 5’ 端向 3’ 端

複製。每一個基因的前面 , 都有 promotor 序列 , 作為開始轉錄的信號。

N-29

Antisense RNA 可抑制特定基因的表現

非模板股

+

反義基因

反義 RNA

RNA/RNA

混成後抑制

Promotor

X

模板股

RNAi

mRNA

+ -

+

-

抑制 pectinase


Nature Biotechnology

雖然只有 template strand 可以轉譯出 RNA, 但也可以用人工的手法 , 把 nontemplate strand 選

殖出來 , 並且送入細胞中表現。則所轉錄出來的 antisense RNA, 將會與正常的 mRNA 互補 ,

形成 RNA/RNA 雜合分子 , 因而抑制了該基因的表現。

RNA/RNA 雜合分子在細胞內無法久留 , 並經由一個機制誘生 RNase, 把這段雙股 RNA 切成

大約 23 鹼基對的片段 , 因而抑制了該基因的表現 , 誘發 RNAi (interference)。上述的 RNase

以及所切下來的單股 23 鹼基片段 , 還會繼續連結在一起 , 並且由那段有 23 個鹼基的片段做

引導 ( 報馬仔 ), 繼續去找其他具有互補序列的單股或雙股 RNA, 然後降解之 ( 真是趕盡殺

絕 )。這樣的過程 , 還可以有放大的機制 , 使得清除效果擴大。

RNAi 可能是細胞用來抵抗外來的 RNA 病毒 , 以免受病毒之害 ; 或者要消除細胞內自行生出

的一些雙股 RNA, 以免這些 RNA 的遺傳信息干擾細胞運作。

N-30

cap

真核細胞的 Intron 與 Exon

exon exon exon

promotor intron intron DNA

3’ 5’

Transcription

Processing

Splicing

start codon

去除 intron

5’ 3’

stop codon

mRNA

poly A

tail

都在細胞核中進行

mature mRNA

送至細胞質


真核細胞的基因構造有一點與原核細胞差別很大 , 就是其基因當中 , 插入有將來不會被表現

出來的片段 , 稱為 intron。當轉錄 RNA 時 , 這些 intron 也會如數被合成出來 , 形成初生

RNA, 後者先經 capping 及 polyA tail 的頭尾修飾 , 再以 spliceosome 切出 intron, 得到成熟

mRNA, 送出細胞核 , 以便在細胞質中轉譯蛋白質。

目前還不確知為何有 intron 的存在 , 但若以遺傳工程手法去除 intron, 則此基因可能無法正常

在原來的細胞核中表現。

N-31

周芷發現 Intron

Roberts, Sharp (1993)

[ 周芷 ]

First intron


第一次發現基因並非連續 , 是生化科技系前身農化系系友周芷用電子顯微鏡觀察到的。她把

某基因與其 cDNA 混合 , 則兩者的相似序列可以互相雜合 , 但卻發現在原來的基因上 , 有些

『多出來』的核酸片段 , 整個露在外頭 , 無法與 cDNA 雜合。

周芷的老闆 Roberts 起先不相信 , 以為實驗有問題 , 後來證實真核細胞的基因中 , 的確含有一

些不會表現的片段 , 稱之為 intron ( 內隱子 ); 而那些會表現出來的片段 , 稱為 exon ( 外顯子 )。

Roberts 因此獲得諾貝爾獎 , 而周芷卻無緣 , 說來實在有點不太公平。

■ 更詳細的報導可以參考中研院網頁 http://www.sinica.edu.tw/as/weekly/83/478/person.txt, 或由生化科技系首頁

連結。

N-32

肌紅蛋白由三個 Exons 所組成



上圖以肌紅蛋白 Mb 為例 , 說明 exon 與所表現蛋白質的關係。Mb 基因由三個 exons 所組

成 , 其中第二部份所表現的蛋白質 , 便是與 heme 結合的區塊 ; 很可能在幾億年前 , 就是由這

一個區塊來負責攜帶 heme, 然後在演化過程中 , 先後加入第一及第三部份。用基因操作的方

法 , 可以把第二個 exon 單獨分出來表現 , 發現也有結合 heme 的能力。

N-33

cDNA 由 mRNA 反轉錄合成

Baltimore, Dulbecco, Temin (1975)

Reverse

transcription

mature mRNA

5’ 3’

TTTT

3’ 5’

RNA

hydrolysis

poly A tail

3’ 5’

DNA polymerase

3’ CCC

5’

5’ GGG

3’


成熟的 mRNA 是去除 intron 的修飾後基因 , 含有完整的基因信息 ; 因此若以 mRNA 為模

板 , 經反轉錄所得到的 DNA, 稱之為互補 DNA (cDNA)。 cDNA 可以殖入載體 , 並且大量表

現之 ; 以某細胞全部 mRNA 所得的 cDNA 庫 , 含有該細胞正在表現中的基因。 cDNA 選殖株

可以表現蛋白質 , 因此可以用抗體篩選之。

N-34

兩種基因庫 : cDNA 基因庫 vs 染色體基因庫

表現中基因

mRNA

染色體 DNA

全體基因

Reverse

transcription

Restriction digestion

cDNA

完整基因

基因片段

使用質體為載體

基

因

庫

較

小

基

因

庫

較

大

使用質體或

噬菌體為載體


基因庫的建構依基因來源的不同而有兩種方法 : 其一是由 mRNA 反轉錄所得的 cDNA 來建

庫 ( 上圖左 ), 另一則由全部染色體 DNA 的限制脢片段來建庫 ( 上圖右 )。兩者在基因庫的大小

與用途上 , 有相當差別 , 要依使用目的做適當選擇。許多常用的生物或細胞 , 都有已經建立

好的基因庫出售 , 只要買回來篩選 , 即可得到所要的基因。當然 , 自己必須準備好適當的探

針 , 以便準確挑選。

上圖雖然都使用質體當作載體 (vector), 但是染色體基因庫中所攜帶的核酸片段都很大 , 因此

多改用噬菌體基因 , 可以容納較長的片段。

N-35

核苷酸直接參加重要生理功能

為何核酸無所不在 ?

能量分子 : ATP, GTP

及其活化分子 : UDP-Glc

輔脢 : FAD, NAD + , CoA

第二傳信者 : cAMP

其他 : Adenosine

H 3 C

O

N

O

N

CH 3

N

N

-

Receptor 休息信號

Caffeine

CH 3


除了作為遺傳信息的傳遞外 , 核苷酸的單位小分子也在很多的生理功能上 , 扮演重要角色 ,

而且其影響範圍非常廣泛。上面所提示的三種功能 , 是很多生物都具有的基本功能 , 顯示核

苷酸在演化史上的時間非常久遠 , 更加強了核酸可能在早期地球演化過程中 , 是最早具有演

化及複製功能的巨分子。另外 , 腺嘌呤 (adenine) 一直活躍地參與這些生理功能 (ATP, cAMP,

NAD + ), 暗示腺嘌呤在早期分子演化上的主角地位。

Adenosine 可結合到人類某種神經細胞表面的受體 , 接著引發一連串信息 , 主要是 cAMP 及其

下游的磷酸化及去磷酸化梯瀑反應 , 最後導致該神經元細胞反應遲鈍 , 因此是一種催促『休

息』的信號。而咖啡所含的咖啡因 , 構造很類似 adenosine, 可阻礙後者與此受體結合 , 因此

防止神經細胞之遲鈍化 , 導致咖啡有提神的效果。

■ 有關咖飛的提神效果研究可參考 Nature (2002) 418: 734。

N-36

核酸的變性與復性


DNA 的功能主要是貯藏遺傳訊息 , 而其最重要的生化性質 , 就是兩股核酸長鏈以加熱方式分

開 , 稱為變性。兩股核酸分開後的最大改變 , 就是鹼基全部暴露出來 , 而鹼基在紫外線 260

nm 附近 , 有強烈的吸光 , 稱為核酸變性的 hyperchromic effect。

經加熱變性後的核酸 , 若慢慢回復室溫 , 則兩股核酸上的鹼基 , 會自行尋找正確配對 , 因而

捲繞回原來的雙螺旋構造 , 稱為復性。核酸的變性復性現象與蛋白質很相像 , 並非所有的蛋

白質分子都可以正確復性 , 但核酸卻可以相當正確地找回原來的配對。注意回復溫度的速度

不能太快 , 以免失去配對的正確性。

N-37

Hyperchromic Effect 核酸變性觀察

Relative absorbance (260 nm)

1.3

1.2

1.1

1.0

T m

50 70 90

Temperature (C)

Adapted from Voet et al (1999) Fundamental of Biochemistry p.739

若把 DNA 逐漸加溫 , 分子間的活動力越來越大 , 也越難維持兩股間的吸引力 ( 是由哪一種力

量所構成 ?), 當到達某一溫度後 , 兩股一下子分開來 , 期間的鹼基對全部外露 , 會增加此

DNA 對紫外光的吸收能力 , 稱為 hyperchromic effect。其實兩股 DNA 間的吸引力還算相當

強 , 因此不到一定溫度 , 兩股不會散開來。而每一種 DNA 兩股間的吸引力大小不同 , 各有其

特定的解開溫度 , 稱為 Tm (melting temperature), 是每種 DNA 的特性。

N-38

核酸 G+C 組成分越高者 Tm 越大

Relative absorbance (260 nm)

1.4

1.2

Pneumococcus

(38%) G+C E. coli (52%)

M. Phlei

(66%)

1.0

70 80 90 100

Temperature (C)

S. Marcescens

(58%)

Adapted from Garrett & Grisham (1999) Biochemistry (2e) p.372

為何每種 DNA 的 Tm 都不一定相同 ? 因為兩股間吸引力比較大的 , 其 Tm 就比較高 ; 而兩

股間的吸引力為何有大小之別 ? 那是因為兩種鹼基對中 ,AT 之間只有兩個氫鍵 , 而 CG 間有

三個氫鍵 , 因此 GC 含量越多的 DNA,Tm 就越大。

N-39

陽離子中和核酸的負電荷而使 Tm 增大

100

80

0.01 M phosphate

0.001 M EDTA

5’

3’

G + C (%)

60

40

20

0

0.15 M NaCl

0.015 M Na citrate

60 70 80 90 100 110

Tm (C)

5’

3’

Adapted from Garrett & Grisham (1999) Biochemistry (2e) p.372

除了 GC 含量會影響 Tm 外 , 溶液中的離子濃度也有很大影響。若溶液的離子濃度低 , 則

DNA 的 Tm 也會降低。因為離子可中和兩股 DNA 分子上的強大負電基團 ( 磷酸 ), 若離子濃度

太低 , 則兩股磷酸負電無法有效中和 , 造成兩股互斥而使得 Tm 下降。因此 , 注意不要把

DNA 溶在純水中 , 純水中沒有離子中和效果 , 兩股 DNA 互斥造成變性而沈澱。

問題 : RNA 則無此問題 , 可以溶在純水中 , 為什麼 ?

N-40

核酸分子間的雜合反應 hybridization

DNA1

DNA2

RNA

探針

Northern

hybridization

Southern

hybridization


DNA 變性後可再黏合復性 , 回復原來的雙股核酸。若取兩種不同來源的 DNA, 經變性後混

合在一起 , 假如兩種 DNA 的序列同質性高 , 則可能會雜合為混成的雙股核酸。也可使用已知

序列的核酸小片段 , 作為探針 (probe) 與 DNA 雜合。

一般實驗操作上可先把樣本 DNA 經電泳分離後 , 轉印至尼龍膜上 , 再以放射性探針進行雜

合 , 稱之為 Southern hybridization。 RNA 雖是單股 , 但也可以在電泳後 , 與其互補的 DNA 探

針雜合 , 則稱為 Northern hybridization。

N-41

傳統核酸探針的製備與應用

Amino acid sequence

GLY-ASP-GLU-SER-SER-VAL-LEU-----

GGG-GAC-GAG-TCC-TCC-GTT-CTC---

* * * * * * *

Nucleic acid sequence

* Codon degeneracy

由胺基酸序列推得核酸序列

人工合成

Synthesizing

oligonucleotide

PROBE: GGGGACGAGTCCTCCGTTCT


探針的來源有很多 , 上圖舉出一例 , 說明可以由已知蛋白質的一小段胺基酸序列 , 回推其核

苷酸序列 , 並依此序列進行人工合成探針。

注意對應同一種胺基酸的核酸密碼 , 可能有數種 , 例如 Ser 就有 UCU, UCC, UCA, UCG , AGU,

AGC 等六種可能 , 稱為密碼不確定性 (codon degeneracy)。這樣合成人工探針時就會比較麻

煩 , 有幾個對應之道 :(1) 把所有可能的密碼全部合成 , 則探針成為一種混合物 , 各種可能的

序列都有 , 其精確度降低 ;(2) 調查該種生物的密碼使用習慣 , 並選擇較常使用的密碼 ;(3) 參

考不同生物來源的同源基因序列 , 抄襲所用的密碼。當然 , 這些方法都各有缺點 , 好消息是

DNA 的復性 , 有時不太計較兩股序列是否百分之百互補 , 有時只要大部份序列配對正確 , 就

可以順利復性。而我們可以控制雜合的條件 ( 溫度、離子濃度 ), 來調整復性的嚴苛度

(stringency), 以便得到我們想要的配對精確度。

問題 : 假如你利用上述原理製備探針 , 是由已知的胺基酸序列回推核苷酸序列 , 那麼在使用

此種探針進行雜合時 , 應該要用高嚴苛度 , 或是低嚴苛度的復性條件 ?

N-42

探針標以放射性核種

32

P

雜合反應

GGGGACGAGTCCTCCGTTCT

GGATCCATCCCCTGCTCAGGAGGCAAGAGGCAT

DNA

denaturation

Target gene

Single colony

Lysed


合成探針經放射性磷酸標定後 , 可用在 Southern blotting 上 , 與未知樣本中的核酸進行雜合

反應。目標基因在細菌染色體中 , 實驗時必須先把細菌溶解 , 然後以化學反應使核酸變性 ,

露出單股 DNA, 才能與探針進行雜合反應。

N-43

菌落轉印到濾紙後以探針雜合

蓋

上

濾

紙

轉印中

Colony hybridization

取出濾紙

溶解細胞

顯

像

呈

色

核酸變性

加入探針


探針雜合反應的做法實例。

菌落在培養皿長出來之後 , 先以濾紙複印得菌落 , 利用氯仿把細菌溶並解釋出核酸 , 然後以

變性解開核酸雙股 , 再加入標有放射線的探針 , 進行雜合反應。若某菌落中含有目標基因 ,

便會與探針成功雜合 , 該菌落的位置便會出現放射線影像 ; 然後再回去挑出原來培養皿上面

的菌落 , 大量培養後可純化目標基因。

■ 本圖接續前面分子群殖 , 在培養基生長的各個菌落 , 可以用探針經雜合反應挑出所要的目標菌落。

N-44

Southern Blotting 的轉印


Southern blotting 轉印方法 : (1) 將核酸以洋菜電泳分離開來 ;(2) 利用毛細作用把電泳片

上的核酸色帶轉印到尼龍膜上。下頁 :(3) 取下轉印膜並使核酸變性 ;(4) 加入放射性探針進行

雜合反應 ;(5) 以放射性顯像觀察所雜合到的色帶。

N-45

取

出

轉

印

紙

以

探

針

雜

合

呈

色


Southern hybridization 到現在都還是分子生物學實驗室的必備工具 , 數十年來在基本做法

上沒有太多改變。而基因晶片所根據的原理 , 還是類似 Southern hybridization 的雜合反應 , 只

是雜合對象的數目變得很多。

N-46

核酸晶片也是利用雜合反應

樣本 DNA

或 mRNA

生物晶片

互補的核酸序列會互相雜合

每一點上塗佈有已知 DNA

Schena (2000) Microarray Biochip Technology, p. A31

產生

訊號


基因晶片的基本原理 , 就是利用類似 Southern blotting 的核酸雜合反應。但是比起一般的毛

細管轉印雜合 , 有幾點不同 :(1) 以極細微的色點替代電泳色帶 ;(2) 一次可以處理上千萬個核

酸色點 , 因此對同一樣本可有上千萬個測試 ;(3) 樣本所需的量極小 ;(4) 偵測方式簡便快速 ,

也配合電腦比對分析。

基因晶片看起來很炫 , 也有其實質的效用。但晶片最重要的靈魂 , 還是在那一公分見方的小

玻片 , 上面所點的到底是何種 DNA。也就是說 , 每一個點上的 DNA 是什麼 , 才是最重要的

關鍵因素 ; 若這些 DNA 能夠明確指示某種關鍵性疾病的有無 , 則這塊晶片便是無價之寶。這

些重要的 DNA 要從哪裡來 ? 當然還是要經由無數的基礎研究 , 獲得對生物的深刻瞭解後 , 所

得到的基本知識。

晶片製作過程是一種技術 (technology), 而晶片上必須點上何種 DNA, 便要靠基礎科學 (science) 來提供 , 兩者是

不一樣的 , 但絕對相輔相成。其他很多方面也有類似的情形 , 例如大學裡的教學與研究必須並進 , 不能偏廢 , 大

家都知道。然而 , 目前台灣有個很嚴重的問題 , 可能會影響國本。那就是在研究上 , 大家只重視可以馬上應用的

技術 , 不太支持長期的基礎科學研究 ; 在大學裡 , 教授又只重視如何發表大量論文 ( 不管有沒有用 ), 不太花時間

在教學的努力與改進上。

■ 可參閱 Friend SH, Stoughton RB (2002 四月 ) 神奇的 DNA 晶片。科學人 2: 40~48。

N-47

Mullis (1993)

PCR 基因放大連鎖反應

染色体

PCR 可以把指定的基因片段數量放大

↓

生物親緣鑑定


PCR 是聚合脢連鎖反應的縮寫 , 可以把指定的基因片段數量放大。但必須知道目標基因的起

始及終結的部分序列 , 以便分別製得界定起點與終點的兩個引子。如此 , 聚合脢便會在兩個

引子之間複製 DNA, 所得到的複製品 , 可在變性後再度黏合引子 , 進行次番複製 ; 如此來回

重複多次 , 即可得到大量介於兩個引子之間的核酸片段。

PCR 技術剛被發展出來的時候 , 居然不受重視 , 後來發現越來越多的重要應用 ; 不但在研究

上有貢獻 , 在分子診斷與法醫學上更是大放異彩。

■ 網頁動畫 http://ccms.ntu.edu.tw/~juang/BCbasics/Animation2.htm#N28PCR。

N-48

抽

取

核

酸

先

用

乙

醇

沉

澱

(1) 打破細胞

(2) 加入乙醇

(3) 以玻棒撈取 DNA

(4) 乾燥後溶出 DNA

(5) 以限制脢切開 DNA

(6) 以電泳檢視

Pharmacia

核酸的純化方法相當固定 , 除了因材料不同所可能導致的特殊抽取問題外 , 處理核酸的方法

大致都相同。所有核酸都可以被乙醇沈澱 , 但其中只有 DNA 因其分子很長 , 可以使用玻璃棒

撈取之 , 乾燥後再以緩衝液溶出 , 就可以得到粗的 DNA 材料。利用限制脢可以把 DNA 切成

特定片段 , 再以電泳檢視。不同種類的 DNA 在抽出後進行限制脢水解 , 所得到片段的電泳圖

譜 , 大概都不會相同 , 是一種重要的生物鑑定方法。

N-49

核酸定序原理

膠體電泳可以分開各種不同長度

的核酸 , 在電泳膠片依序排開 ..

32

P

32

P

32

P

32

P

32

P

32

P

32

P

32

P

32

P

32

P

ATCGATCGAT

ATCGATCGA

ATCGATCG

ATCGATC

ATCGAT

ATCGA

ATCG

ATC

AT

A

但這樣的圖譜不能判別出

各核酸端點的核苷酸種類

Polyacrylamide Gel Electrophoresis

T A G C

G

C

T

A

若能把尾端核苷酸相同的片段

提出 , 跑在同一行 , 則比較這

樣的四行 , 即可讀出序列。


核酸定序方法的關鍵方法 , 在於如何製得一系列的核酸片段 , 而這些片段各中止於不同的鹼

基位置 ; 一個鹼基的差異 , 即可用電泳分析出來 ( 上圖左 )。其次 , 要把具有相同尾端鹼基的片

段提出來 ( 例如 T), 放在一起進行電泳 , 則分別有 A, T, C, G 四條電泳 ( 上圖右 )。比較這樣的

四條電泳圖譜 , 依序判讀色帶出現的先後 , 即可推出序列。有兩種方法可製備一系列長度不

同的核酸片段 , 請見下一頁。

目前大多定序工作已經自動化 , 並且利用新的螢光標示物質 , 以及靈敏螢光檢測器 , 可以直

接以顏色辨認鹼基的種類。另外 , 也改用毛細管電泳或 HPLC 進行核酸片段的分離 , 使得定

序的進行更為快速而精確 , 請看下右圖以彩色標示如此分離出來的片段 , 馬上可以唸出核酸

序列 (Wikipedia) 。

N-50

做出不同長短核酸的方法

Maxam-Gilbert's Method:

化學法

破壞 → 斷裂

32

P

ATCGATCGAT

Specific Reaction to G

32

P ATCGATCG

32

P ATCG

破壞 → 斷裂

AT

ATCGAT

無放射線片段

不能顯像

Sanger's Method:

32

P A,T,C,G

ATCG

TAGCTAGCTA

Template

生合成法

A Analogue

or

32

P

ATCGA

TAGCTAGCTA

STOP

ATCG

TAGCTAGCTA

A

繼續合成

產生各種片段

中止合成


(1) Maxam-Gilbert 法 :

以四種化學反應分別對四種鹼基作用 , 每一反應只對單一種鹼基進行修飾 , 而在該鹼基的地

方斷開 , 得到一系列長度不同的核酸片段。電泳可依照這些 DNA 片段的大小 , 在膠體中排

開 , 即可依序判讀 DNA 分子上核苷酸的序列 ; 比較如此四組鹼基序列電泳 , 即可組合成整段

DNA。

事實上第一步只有兩種反應 , 分別對 purine 與 pyrimidine 反應 , 然後再利用其他方法分辨 A, G ( 或 C, T)。

(2) Sanger 法 :

以樣本 DNA 為模板 , 使用 DNA polymerase 進行試管中 DNA 生合成。有四個反應 , 每個反

應各缺乏一種核苷酸 , 而代以其類似物 (analogue), 可以被接納進入反應 , 但是無法繼續下一

個反應 , 因此合成會停在該類似物的核苷酸處 , 因而造成各種長短不一的 DNA 片段 , 以電泳

分離如上頁 , 即可組合判讀 DNA 的序列。

上述兩種方法 , 均以 32 P 標示在核酸分子上 , 以便顯像各不同長度的核酸片段。

N-51

生

合

成

核

酸

定

序

法

的

反

應

5’

可

正

常

連

結

3’

1

OH

PO 4

2-

Phosphodiester

bond

dideoxynuceotide

5’

3’

H

2

H

ddNTP

A

無法再接下去

5’

P

R 1

P

R

P

R

P

R

P

R

P

R

2

3

A

4

3’

5

中止

6


目前都用 Sanger 的生合成法 , 以目標核酸為模板 , 加入四種核苷酸及 polymerase, 複製該段

核酸 ; 但除了所加的四種核苷酸外 , 額外加入其中任一種核苷酸的雙去氧衍生物 ( 類似物

dideoxynucleotide), 合成反應可能止於這種核苷酸的位置 , 因而可得到各種長短不同的片段 ,

再以電泳依序排列出來。

問題 : 現在有很多人要想出更方便的核酸定序方法 , 你能否也設計一些 ?

N-52

Site-directed mutagenesis 定點突變

CAG

GTC

CAG

GTC

Wild type

(1)

(5)

translation

primer

(2)

(3)

Smith (1993)

CAG

+ primer

CAG

GCC

+ polymerase

CAG

GCC

(4)

replication

Val

Wild type protein

CGG

GCC

Mutant

(6) translation

Thr

Mutant protein

突變只改變了一個胺基酸

Val → Thr


定點突變是使用人工合成的引子 , 先與目標基因雜合 (2), 而此引子的核苷酸序列與目標基

因互補 , 但其上有一個核苷酸變異 (GTC→GCC)。然後補滿雙股核酸 (3), 再把此混成基因轉

殖進入宿主 , 則宿主菌的複製系統將會因複製而產生兩種質體 (4), 其一為原來的野生型 , 轉

譯可得原來的蛋白質 (5); 另一則為突變型 , 轉譯則得到突變的蛋白質 , 但只改變了一個指定

位置的胺基酸 (6)。

問題 : 定點突變在研究 (1) 蛋白質構造或者 (2) 酵素催化反應 , 非常有用。你能否舉出一些

可能的應用實例 ?

N-53

RFLP 限制脢圖譜多形性

Gene insertion/duplication

Original gene

Single base mutation

Restriction enzyme

digestion

probe

Electrophoresis


限制脢圖譜多形性 (Restriction fragment length polymorphism) 可用來檢定兩種生物或個體在

分子演化上的親疏關係。雖然同一群族內的每個個體 , 其基因組成大同小異 , 但是個體間仍

然會有微小的差異 , 也就是說其基因序列並不完全相同 , 稱為多形性。而基因序列的不同 ,

也會使得限制脢所能辨認的位置 , 可能有所差別 ; 因此兩個個體的相對應基因 , 若以同一限

制脢水解 , 就可能切出不同的片段出來。

生物染色體的核酸序列經常會有變異 , 很多都是發生在單一個鹼基 , 稱為 single nucleotide

polymorphism (SNP)。人類染色體中每 100~300 個鹼基 , 就可能有一個 SNP。這些單點變異可

能根本不會影響到後來表現出來的蛋白質 ( 為什麼 ?), 但也有可能是某些疾病的根源。 ( 右圖

Wikipedia)

那麼 , 人類基因計畫所定出來基因序列 , 到底是一個人的 ? 或者是許多人的 ?

據主持該計畫的 Venter 說 , 賽拉雷是取用五、六名匿名自願者的基因 , 進行選

殖定序 , 其中也可能包括他自己的基因。

N-54

Enzyme

基

礎

動

力

機

制

酵素

● 1 酵素的命名 E1

● 2 酵素的構成 E2

● 3 酵素動力學 E3

● 4 酵素的抑制 E4

● 5 酵素的催化機制 E5

εν ζυημ

調

節

應

用

● 6 酵素活性的調節 E6

● 7 細胞代謝與酵素調控 E7

● 8 酵素在生物技術上的應用

清楚瞭解蛋白質構造 , 對學習酵素非常重要。我假設同學對蛋白質的構造與性質 , 都有很好

的基礎 , 因此除非必要 , 將不會再複習蛋白質的結構與性質。

酵素部份也是以幻燈片講解 , 幻燈片的內容來自十多本教科書 , 收集最優質、最清楚、容易

瞭解的圖片 , 來說明生物化學中有關酵素的種種有趣現象。第八章生物技術部份獨立出來 ,

概括介紹最近生物技術發展的一些範疇與成果 , 雖然還是以基因操作為主要工具 , 但這些基

因大多必須表現出蛋白質或酵素 , 才能有生技產業上的價值。

E-1

中

古

歐

洲

相

信

人

類

有

四

種

體

液

Phlegm

虛弱

Yellow

Bile

暴躁

Blood

熱情

Black

Bile

憂鬱

Milestones of Science (2000) p.36, National Geographic Society; photo from The Granger Collection, NY

中古歐洲認為人類的生理與情緒是由四種體液控制 .. 黏液造成虛弱、血液造成熱情、黃膽

汁使人暴躁、黑膽汁使人憂鬱。後來大家當然明白並非如此 , 所有這些外表所呈現出來的反

應 , 發現都與酵素有關。

種種生活中的現象 , 也經常與酵素有密切關係 , 例如貓狗的殺蚤劑含有酵素抑制劑 , 因此有

些貓因為舔了殺蚤劑 , 抑制神經傳導中的關鍵酵素 (acetylcholinesterase), 使得性情變得暴躁

乖謔 , 這是酵素影響情緒的一個例子。

最近分子遺傳學極進步 , 漸漸發現許多生物或人類的特質 , 事實上最後都與酵素有關。例

如 , 動物的記憶力 , 與其神經細胞內的某激脢或磷酸脢有關 ; 這些酵素所造成的影響 , 最後

可能表現成為一個人智力的高低。

1

2 3

小鼠記憶力測驗

E-2

古

埃

及

人

用

麥

粉

醱

酵

製

造

啤

酒

磨粉去糠打碎

麥芽萌發浸潤

成酒醱酵裝瓶

Discovering Enzyme (1991) p.22

埃及人很早就知道利用醱酵來製造酒類。造酒的原理是利用穀類或水果中的糖分 , 在缺氧環

境下培養酵母菌 , 醱酵所產生的代謝物中 , 有一部份是酒精 , 另有部份芳香物質 , 共同形成

了吸引人的酒類風味。

E-3

Sumner 對酵素的發現有重大貢獻

進行酵素反應的試管

Sumner

Urease crystal

時間

溫度

Discovering Enzyme (1991) p.82

1930 年代 Sumner 首度將一種酵素 urease 結晶出來 , 是生物化學上的一個重大里程碑 ; 因為

具有神奇催化能力的酵素 , 居然也可以像一般有機化合物一樣 , 在試管或燒杯中結晶出來。

從此開啟了數十年的蓬勃酵素化學研究 , 發現細胞內大部分的代謝途徑 , 而每一步代謝反

應 , 都有一個對應的專用酵素來負責催化。

在 Sumner 的時代 , 對酵素的認知相當模糊 , 當時的大師 Willstätter 認為酵素是一種小分子 ,

包埋在一種膠狀物體裡面 , 而且其活性是無法用化學方法來界定的。但是 Sumner 有不同看

法 , 直接從具有高 urease 活性的植物中 , 抽取出具活性成份 , 並以丙酮溶液誘導出結晶。當

然這種做法也可能得到其它物質的結晶 , 但很幸運地 urease 是主要的結晶成份 , 此結晶並具

有高度 urease 活性。檢定結晶的成份 , 發現都是胺基酸 , 因此確定 urease 是一種蛋白質。結

果剛發表時 , 引來極大的批評 , 好像這是一些突破性發現的共同命運。

Urease 催化的反應是 : NH 2 -CO-NH 2

得氮源。

+ H 2 O → 2NH 3 + CO 2 因此植物可以把尿素分解 , 以便取

E-4

酵素印象

催化專一性反應

增加反應速率

降低活化能

+

反應可調節控制

P

大多為蛋白質


上面圖表摘要酵素的共同性質及特性 :

高效率、專一性、可調節、蛋白質

當後面課程在解釋酵素的行為時 , 幾乎都離不開這幾個主題 , 請把這些印象深植入你的腦海

中。以上這四個酵素性質 , 還是歸源到酵素的蛋白質構形 , 都可以用分子構形來解釋。

E-5

酵素的催化效果

2H 2 O 2 2H 2 O + O 2

1

雙氧水裂解

S E

P

FeCl 3

Hemoglobin

Catalase

1,000

1,000,000

1,000,000,000

反應速率


酵素可以加快某一反應的速率 , 因為酵素可降低此反應的活化能。

以雙氧水為例 , 雙氧水在室溫下 , 會慢慢降解成水及氧分子 , 但速率很慢 ( 上圖以 1 表示其速

率 )。若在雙氧水中加入氯化鐵 , 則降解速率可增加一千倍 ; 若加入血紅蛋白 , 則可增加一百

萬倍。這都是因為鐵原子可以吸附掉產物之一的氧分子 , 使反應向右進行 ; 但比起 catalase

來 , 這兩者都是業餘的 , 因為酵素 catalase 可以使上述反應增加十億倍。Catalase 是真正推動

了雙氧水的降解反應 , 使其降解速率加快 , 而非僅僅利用勒沙特列原理而已 ;Catalase 提供了

一個催化表面 , 吸附雙氧水分子 , 並誘使產生氧分子。

E-6

酵素參與細胞所有代謝路徑


細胞內的所有代謝路徑 , 每一步驟都有酵素參與催化反應。上左圖把部份的代謝路徑列出 ,

並且把最中心、最重要的基本代謝路徑『醣解作用』標出來。這有點像市街圖 , 錯縱複雜 ,

住久了又覺得四通八達 ; 而每一個城市 , 都有一條主要的大街 , 上述的糖解作用就是細胞代

謝的主要大街。有人把細胞代謝圖以立體方式來表示 ( 右圖 ), 也相當有趣。

酵素除了在代謝地圖上的角色外 , 也組成另一類細胞內的網狀路徑 , 就是信息傳導流程。信

息傳導鏈上面的各個節點 , 許多都是具有酵素功能的蛋白質 , 其中有一大部份就是蛋白質基

脢及磷酸脢。細胞內的信息傳導網路 , 相當倚賴分子之間的交互作用 (protein-protein

interaction), 好像分子間以對話 (cross-talk) 來傳導信息一般。

E-7

酵素活性可調節控制

上游反應物

+

A B C

X

Y

Z

下游生成物

-


上述代謝路徑事實上並非一昧地催化 , 不停地工作著 ; 代謝路徑會感受到整個細胞的需要程

度 , 而進行調節。通常是下游的產物 ( 左圖 Z) 會回來抑制上游的酵素 , 以免產生過多 Z; 而上

游的原料 , 可能促進下游酵素的活性 ( 左圖 A)。這種迴饋控制編織成網 ( 右圖 ), 並且互通有

無 , 形成一種動態平衡 , 使整個代謝順暢地符合細胞所需。除了這種對整體代謝路徑的調節

之外 , 酵素會進行分子層次的調節機制 , 直接對酵素分子作用 , 以便活化或去活化 , 將在第

六章說明。

上一頁所提及的信息傳導流程 , 有更嚴密且複雜的調節控制 , 不亞於代謝途徑的調控 , 將在

酵素活性的調節中簡要說明 ,Lehninger 課本也有專門一章 (12 Biosignaling) 介紹之。

E-8

Ribozyme - 具有催化能力的核酸

Altman, Cech (1989)

RNA 具有催化能力

有些 RNA

Tetrahymana (ciliated protozoan) 四膜虫 rRNA 含有 intron

其 intron 可自行催化切除 (no protein !)

→ 切下來的 intron 可再進行催化反應 ( 要認定專一性序列 )

??? WHY ???

● 因為 RNA 分子也可能有特定構形 ( 為何 DNA 不能 ?)

● 以 WC pair 以外的鍵結 ( 何種鍵結 ?) 幫助塑成特定構形


RNA 分子因為是單股核酸 , 且其分子通常不很長 , 因此可捲繞成一定的分子構形 , 可能因而

具有催化的能力。此種具有催化力的 RNA, 統稱之為 ribozyme。

原蟲之一的四膜蟲 , 其核糖體 rRNA 含有 intron, 此 rRNA 可以催化自身 intron 的切除 ; 而這

段被切出來的 intron 分子可以繼續催化如此的切除動作 , 非常類似酵素的催化行為。在進行

上述催化反應時 , 須外加一個 guanosine 核苷輔助 ; 這又可能是輔脢的始祖。

為何 RNA 有這種功能 ? 不要忘記 , 凡是具有催化功能的分子 , 大多與其構形有關。

E-9

Ribozyme 會辨識專一性序列

辨認專一性鹼基對


類病毒 viroid 乃一種無外殼病毒 , 含有可感染植物的巨大 RNA, 其部份 RNA 序列 , 居然可

催化其遠端 RNA 的裂解 , 是典型的 ribozyme。上圖的 ribozyme 會摺疊成一定構型 , 並可辨

識其所要切開的序列 , 其反應也需要鎂離子協助 , 都很像是酵素的行為。

E-10

RNA 具

有

固

定

構

形

核

糖

體

催

化

蛋

白

質

合

成

rRNA

tRNA

攜帶正確胺基酸並辨認密碼


DNA 是雙股核酸 , 而且其分子量非常巨大 , 因此無法自由捲繞成特定構形 , 都只是形成長長

的雙螺旋構造。 RNA 分子內的鹼基 , 除了有正常的 Watson-Crick 配對以外 , 還有非 W-C 配

對的鍵結 , 使得 RNA 得以形成各種不同構形 , 以配合某種特定的催化反應。核醣體由 RNA

及蛋白質組成 , 這些 RNA 都是 ribozyme, 協助蛋白質轉譯。

Ribozyme 的發現 , 使我們更肯定地球上最早形成的巨分子 , 可能是 RNA, 因為 RNA 兼具貯

藏信息及固定構形 , 相當不尋常。

E-11

1 酵素的命名

Trypsin Pepsin Renin Lysozyme

催化反應 -ase

EC 4.1.1.22 4 Main Class Lyase

Enzyme Commission

Histidine 基質

carboxylase 反應

1 Subclass C-C lyase

1 Sub-subclass carboxylase

22 Series number 第 22 個


我們在描述了酵素的大體印象後 ( 概論 ), 將由酵素的命名法則 ( 第一章 ) 開始 ; 因為千萬種酵

素 , 各有不同名稱與性質 , 如何釐清其命名規則 , 是重要的起步。然後將剖析酵素的分子組

成 ( 第二章 ), 除了蛋白質外 , 還可能含有許多非蛋白質的輔助因子 ( 輔脢 ), 使得酵素成為更具

威力的催化工具。在探索輔脢演化早期的角色時 , 把我們帶進了生命源起之前的 RNA 世界 ,

並且很快地複習想像中地球早期的分子演化過程 , 同時也瞥見可能的酵素以及輔脢的始祖。

請注意有 -in 或 –zyme 字尾的名詞 , 可能是某種較老的酵素名稱。目前新發現的酵素都使用

系統命名法 , 可以很清楚地表達該酵素的功能。國際生化聯盟 (IUBMB) 的酵素委員會

(Enzyme Commission, EC) 所訂定的一套數字式系統命名法 , 像是身分證字號一樣 , 給每一種

酵素一個系統編號。

E-12

2.1 酵素的構成

Holoenzyme

全脢

輔脢

多

元

體

Apoenzyme

輔

Cofactor

Coenzyme

金屬

維生素


部份酵素本身只有蛋白質 , 但很多酵素另需加上其他種類的小分子 , 才能成為完整的酵素 ,

稱為全脢 (holoenzyme)。這些小分子通稱為輔助因子 , 又分成微量金屬及輔脢兩大類 , 後者

多屬維生素。輔助因子都是人體無法自行合成 , 須由外界攝取者 ; 我們日常吃的維他命丸 ( 如

善存 ), 就幾乎全是輔助因子。

有些蛋白質要聯合兩個或數個相同或不同的次單元體 , 連結在一起之後 , 才能成為具有功能

的酵素 ; 相反的 , 有些蛋白質則要先切除掉其分子上的某些胜肽片段 , 才會具有催化活性 ( 例

如 chymotrypsinogen → chymotrypsin 及胰島素 insulin, 請注意胰島素是荷爾蒙而非酵素 )。

E-13

許多酵素要先經裂解後才有活性

Chymotrypsinogen (inactive)

245

π-Chymotrypsin (active)

R15-I16

S14-R15

L13 I16

α-Chymotrypsin (active)

Trypsin

π-Chymotrypsin

T147-N148

Y146 A149

Disulfide bonds

Adapted from Campbell (1999) Biochemistry (3d) p.179

凝乳胰蛋白脢 (chymotrypsin) 剛轉譯出來的時候 , 並無活性 ; 要經過裂解之後 , 才因為分子

構型的改變而產生催化活性。為何要如此麻煩 ? 因為這些酵素在細胞中負責蛋白質水解 , 可

能也會裂解無關的重要蛋白質 , 因此在需要有其活性前 , 先以非活化型存在。所有的蛋白脢

大多以脢原的形式做控制 , 也可以把這些危險酵素集中在胞器中隔離。

Chymotrypsin 是極為重要的模型酵素 , 在催化機制中將詳細討論 , 也會說明為何反而在裂解

後才會有活性。

E-14

肝糖磷解脢是同質二元體

Glycogenbinding

site

AMP site

Phosphorylation site

4 nm

Active site

A

P

Pyridoxal

phosphate

site

A

P

Glycogen phosphorylase

各種對稱形態

Adapted from Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.592

與 chymotrypsin 一樣 , 肝糖磷解脢 (glycogen phosphorylase, GP) 是一個重要的典型酵素 , 在糖

類代謝上非常重要 , 而且因為已被詳細研究 , 因此其構造與性質極為清楚。與 chymotrypsin

不同的是 ,GP 由兩個相同的次體組成 , 因此有四級構造 , 其活性受到精密調控。我們將在第

六章酵素的調節作用中 , 深入說明。

GP 有四級構造 , 是由兩個相同的次體對稱結合而成。上圖的 GP 分子中央 , 有一隻看來像眼

睛的圖案 , 事實上是一種表示對稱的記號 , 以眼珠為中心轉 180 度後會回復原狀。右下方還

有一些其他的對稱標記 , 三角形表示轉 120 度 (360÷3), 是由三個次體組成的四級構造 , 其餘

類推。

E-15

形

形

色

色

的

胺

基

酸

側

基

S

S

+

+

-

-

+

有大有小

有正有負

有極性

非極性

都

沒

有

強

烈

的

反

應

基

團

Bio-Lab 廣告 Cell 83 (4), 1995

雖然二十種胺基酸很稱職地組合成蛋白質的立體構造 , 但是其反應性基團的活性都不是非常

高 , 無法提供極強力的官能基 , 以供催化反應時的活性基團。因此 , 許多蛋白質合成出來之

後 , 經常還要進行各種修飾 ( 例如磷酸化 ), 或添加其它輔助因子 ( 如金屬或輔脢 ), 以便達成更

複雜的任務。

E-16

為何需要用輔脢

二十種胺基酸的官能基強度不足供酵素反應所需 !

→ 找幫手

1. 改變蛋白質構形 : Coenzyme↓ [Cofactor]

Carboxypeptidase

Zn

Hexokinase ATP

2. 基團轉移暫存區 :

Dehydrogenase

NADH

3. 提供強力反應基團 :

Pyruvate Vit. B1 Zn

decarboxylase (thiamine)


組成蛋白質所用的二十種胺基酸的基團中 , 不是屬於非極性者 , 就是相當溫和的酸性或鹼性

機團 ; 因此整個蛋白質分子上 , 也少有特別具反應性的基團。為了補足此一缺點 , 以增加酵

素的反應能力 , 酵素分子通常可以加入其他的化學小分子或金屬離子 , 作為幫手 , 以達致其

最適當的狀況。這些小分子即稱為輔脢 , 與金屬離子統稱輔助因子。

輔助因子除了可以直接參與酵素的催化反應外 (3), 通常它的加入會對酵素的分子構形有影響

(1)。同時 , 輔脢也提供一個場所 , 讓催化反應中的基團轉移作為暫存區 (2)。

請儘量在此先把各種輔脢的構造與功能學好 , 因為在往後的各種代謝過程 , 其所用的許多酵

素都含有輔脢。我們以一種最重要的輔脢為例 , 說明其構造與功能 , 此即所有的去氫脢都會

用到的 NADH。

E-17

輔

脢

可

提

供

強

力

反

應

基

團

酵素

– =

O

=

H 3 C–

–

O

N

C C

N C

C

=

–

–

=

=

–

–

–

–NH 2

CH 2

-

O–P–O–P–O–CH 2 –CH 2

O - O -

–

N +

=

H 3 C–C

C

=

–

–

C

–

S

-

輔脢

Thiazolium ring

N +

=

H 3 C–C

C

–

–

=

–

–

OH

C–C–CH 3

S H

–

–

–

醛基轉移


維生素 B1 是一種輔脢 , 由上面的構造即可發現 , 是一種反應性相當高的小分子 , 其分子構

形剛好可以鑲入酵素的輔脢結合區 , 其上的 thiazolium 環具有強烈負電荷 , 可與醛基反應作為

暫存區 , 達成輔脢的任務。請注意酵素與輔脢之間的結合 , 也是經由專一性的吸引力 , 酵素

分子上有輔脢的專一性結合區。

E-18

金屬離子可維持蛋白質分子構形

Carboxypeptidase A

金屬離子

鋅銅鐵

錳鈷鎳

鉬釩硒

那些胺基酸可與

金屬離子結合 ?

Glu

2+

Cys

His

部份蛋白質結構要再加上某些金屬離子



金屬離子帶有強烈的正電荷 , 可以填補到某些蛋白質上的適當位置 , 與上面所帶的負電性胺

基酸基團結合 ; 此舉不但使蛋白質帶上一個金屬 , 蛋白質構形也因此而有所改變 , 甚至成為

活性型。有些酵素上面的金屬 , 不但有上述增強構形的功用 , 甚而參加酵素的催化反應 , 尤

其在一些氧化還原反應上 , 更有重要角色。

酵素所含的金屬大多為過渡元素 , 是因為過渡元素的原子軌域 (d) 較大 , 可經由配位鍵與多個

官能基結合。

E-19

Todd (1957)

維生素含有輔脢具重要生理功能

B2 Riboflavin (FADH)

氧化還原反應 H -

B3 Niacin (NADH, NADPH)

氧化還原反應 H -

B1

B5

B6

B12

Thiamine (thiamine pyrophosphate)

Pantothenic acid (coenzyme A)

Pyridoxine (pyridoxal phosphate)

Biotin

Lipoic acid (lipoamine)

Folic acid (tetrahydrofolate)

Cobalamin

醛基活化及轉移

乙醯基活化及轉移

胺基酸活化

CO 2 活化及轉移

醯基活化氧化還原

單碳的活化及轉移

異構化及甲基轉移

其他 .. ATP 轉移磷酸根 ; UDP-Glc 轉移葡萄糖


輔脢都在負責各種重要基團的轉移 , 在代謝上不可或缺 , 人體細胞也無法自行合成 , 因此都

是維生素中的一員。以上所有的輔脢 , 在往後的代謝課程中 , 將一一再度呈現 , 目前請先把

它們的名稱與用途 , 先清楚瞭解 , 以後再探究其分子構造。

E-20

許多酵素要加上輔脢才有活性

NADH

binding

domain

NADH

See also:

Lehninger

Principles of

Biochemistry (4e)

p.514, F13-16

Gly-3-P

Substrate

binding

domain

Glyceraldehyde-3-phosphate

dehydrogenase

Kleinsmith & Kish (1995) Principles of Cell and Molecular Biology (2e) p.25

Gly-3-P dehydrogenase 的兩個 domains 各有不同的功能 : 其一與其基質 Gly-3-P 結合以進行

催化作用 , 另一與輔脢 NADH 結合。細胞中的去氫脢都有類似的 NADH domain, 因為它們

要催化類似的去氫反應 , 以 NADH 接受去氫反應中氫離子的暫存。

E-21

RNA 可

能

是

地

球

最

早

的

巨

分

子

RNA World

(1) Ribozyme 有催化能力 ,

可主導反應。

(2) RNA 帶有遺傳訊息 ,

可自行複製。

(3) 一些輔脢、能量分子

(ATP, NADH) 都含有

RNA 的單位分子。

RNA


今日留存的許多跡象 , 可以證明最早稱霸在地球上的巨分子可能是 RNA, 而非 DNA。至少

有以上三個理由 , 不過一定還有其他的觀察與證據 , 請多花心思再想想看。

E-22

棒棒脢 Stickase

基質

中間過渡狀態

生成物

X

若只是與基質互補結合則無催化反應

T

酵素不但能基質結合還會誘導過渡狀態生成


Lehninger 課本的 Stickase 假想酵素 , 是一個不錯的例子 , 請多琢磨。

注意 Stickase 與基質結合區的外型 , 並非直接與基質成互補關係 , 而是與其『中間過渡』狀態

有較佳的構形互補 ( 下排中圖 ,T 代表過渡狀態 )。另外 , 酵素與基質的結合區大多深陷入分子

裡面 , 是促進酵素反應的一大優勢。

E-23

3.1 酵素的催化反應

● 酵素分子提供一個空間或表面

● 此空間可穩定過渡狀態的生成

● 過渡狀態可很快轉變成生成物

A

A

B

B

酵素活性區表面


一般化學催化劑的主要功能是提供一個表面 , 讓反應物在上面進行反應 , 而此表面可以提供

一種空間上的便利 , 使得反應物更容易轉變成生成物。在反應物轉變成生成物的過程 , 會有

一個介於兩者的中間過渡狀態 , 是整個催化反應最難達致的步驟 ; 通常此一催化表面可以使

得過渡狀態更為穩定 , 更容易形成。

酵素也是一樣 , 酵素的活性區提供一個催化口袋 , 此口袋可以穩定中間過渡狀態的形成。也

就是說 , 酵素可以促進此過渡狀態之形成 , 所需要的能量 ( 活化能 ) 比較低。

但請注意 , 單是有一個與基質結合表面是不夠的 , 催化性抗體 (abzyme) 的例子可以說明此一

問題所在。

E-24

酵素可降低所催化反應的活化能

反應能量變化

無

酵

素

時

所

需

能

量

S

ES

S T

ES T

EP

P

有

酵

素

時

所

需

能

量

較

低

T = Transition state

反應進行方向

差別在那裡 ?


有無使用酵素催化的最大差別 , 在於跨越過渡狀態的能量不同。由上圖可以看出在酵素催化

下 , 到達過渡狀態的能量較低 ; 也就是說有酵素存在時 , 其過渡狀態比較容易形成。為什

麼 ? 最直接的原因 , 是因為酵素可以穩定過渡狀態 , 因此反應物一下子就可跳到過渡狀態 ,

然後轉變成生成物。

問題 : 為什麼酵素可以穩定過渡狀態 ?

E-25

抗體可專一性地結合抗原

+


抗體構造相當奇特 , 有兩個與抗原結合的區域 , 可以專一地與其抗原分子結合 , 這點和酵素

與基質的結合很相像。但是 , 酵素會把基質轉換成生成物 , 但抗體卻沒有進一步的催化動

作。這兩者的差別何在 ?

問題 : 請利用 E3-2 Stickase 的圖解來回答上面問題。

E-26

酵素有較深的結合區

酵素與其基質結合

抗體與其抗原結合

Lerner & Tramontano (1988) Scientific American (March) p.43

抗體可以專一性地與其抗原結合 , 這種方式很像酵素與基質的結合 : 而酵素可以催化生成物

的生成 , 抗體可否也用來模擬酵素的催化作用 ? 如此一來 , 就可以設計自己所要的反應 , 誘

生催化性抗體 abzyme 來進行指定的酵素反應。這是所有酵素學者的美麗夢想。

■ 可參考 Sci Am March: 43, 1988 原文。

E-27

酵素有較深的結合區

抗體結合區的構形與抗原分子

直接互補而無法有進一步反應

酵素活性區的構形與

反應的過渡狀態互補

X


酵素與抗體的最大不同點 , 在於兩者對目標的結合區構形不一樣。抗體只是很專一性遞與抗

原結合了 ( 結合區較淺 ), 再來就沒有進一步動作。酵素則不但與其基質結合 , 活化區口袋會誘

導基質變成中間過渡狀態 ( 因此結合區較深 ), 然後很快轉成生成物。

問題 : 你覺得催化性抗體 abzyme 有無可能達到與自然酵素相當的催化能力 ?

E-28

酵素活性區是一個凹陷的口袋

酵素活性區為何可降低活化能 ?

輔

(4) -

(3)

+

(1)

(2)

是一個魔術口袋

(1) 可穩定過渡狀態

(2) 防止水分子干擾

(3) 具高反應性基團

(4) 有輔脢幫助反應


酵素活性區像一個魔術口袋 , 把反應物放進去後 , 就可以變成生成物出來。當然我們已經知

道 , 這個口袋可以降低反應中間物的活化能 , 但它是如何做到的呢 ? 本圖提出四個可能的機

制。

(1) 過渡狀態的分子構造 , 經常有很高的局部電荷 , 而催化口袋內的某個適當位置上 , 剛好佈

置有可以中和掉此局部電荷的基團 , 因而得以穩定過渡狀態。

(2) 在水溶液中 , 許多離子間的鍵結或反應都會被水分子干擾 , 因此凹陷的催化口袋可以隔離

大多數水分子 , 使得離子間的反應順利進行。

(3) 在活性區內的胺基酸基團 , 有些可以因為特別的空間排列 , 而使得原本反應性較低的基團

( 例如 Ser-OH), 因為附近其他基團的影響 ( 如 His 可奪取其 H + ), 而變成具有高反應性的基團

( 如 Ser-O - )。

也因為活性區構形的關係 , 才有可能在同一 pH 的環境下 , 同時把正、負兩種反應性基團安排

在鄰近的位置 , 能夠一推一拉以促進反應的進行。

(4) 活性區通常也是輔脢的結合區 , 輔脢分子都帶有強大的電荷基團 , 可以直接參與反應或者

輔助反應進行。

E-29

Hexokinase 的兩個功能區塊形成結合區


Hexokinase 是一個鮮明的例子 , 可說明活化區與基質結合的情形 , 同時酵素本身的構形也

不是固定的 , 會像一個嘴巴一樣 , 咬入基質並且關起來咀嚼 , 然後吐出生成物。

蛋白質三級構造中的『功能區塊 domain』對活性區的形成 , 可能有非常重要的貢獻。很多酵

素的活性區 , 是夾在兩個 domains 之間 , 很容易可以生成深邃的凹谷。有些酵素 , 則會利用兩

個次體間所形成的狹縫 , 作為催化區。都是很聰明的做法。

E-30

Michaelis 與 Menten 發展出酵素動力學

Michaelis

Menten


這兩位科學家一起完成了酵素動力學公式 , 也共同命名此一公式。在此之前 , 已經有一些科

學家 (Fischer, Brown & Henri), 注意到酵素與基質要先結合在一起的現象。

Michaelis 後來遭到一件科學迫害 , 他勇敢揭發當時德國科學界大老所聲稱之 defensive enzyme

的假象 , 指出根本沒有這種東西 , 因而被迫離開德國 , 其結果相當悽慘。但是到現在 , 沒有

任何人還聽說過 defensive enzyme, 而 Michaelis-Menten 公式卻一直寫在生化教科書上。

E-31

轉化脢 Invertase (IT)

非還原糖

Sucrose

IT

還原糖

Glucose

Reducing Power

+

Fructose

HOCH

HOCH 2 2 6

HOCH 2 HOCH

HOCH 2

2 HOCH 2

O

6 1

O

O

5

O

5

4 1

2

1 2

3

2 OH

4 OH

OH HO

3 β β

HOCH 2

O

H-C-OH 2 C=O

HOCH 2 HOCH 2

O

HO-C-H 3 HO-C-H

H 2 O

CHO

H-C-OH

1

4

H 2 C-OH

H-C-OH

O

H-C-OH

H 2 -C-OH

5

6

H-C-OH

H 2 -C-OH


Michaelis 及 Menten 以當時普遍被研究的酵素 invertase ( 轉化脢 ) 作為對象 , 其催化反應如上

圖所示 , 可以把非還原糖的蔗糖 , 轉化成為兩個具有還原力的單糖 ( 葡萄糖及果糖 )。因此做實

驗時 , 只要把蔗糖加入轉化脢 , 測量所生成還原力的增高 , 即可得知酵素活性。

他們在進行實驗時 , 觀察到一件事實 : 當酵素的量固定時 , 若增加基質的量 , 則反應速率會

跟著上升。但此種上升並非沒有限制 , 當基質增加到某一濃度後 , 反應速率即不會再增加

了 , 反應速率似乎是受限於其中的酵素分子數量。因此 , 推想酵素可能要先與基質結合 (E + S

→ ES), 才能進行催化反應。

E-32

提

高

基

質

濃

度

增

強

酵

素

活

性

表

現

生

成

物

濃

度

80

60

40

20

0

1 2 3 4 5 6 7 8

0

0 2 4 6 8

基質濃度 μmole

S

+

E

↓

P

( 在

固

定

時

間

內

反

應

)


其實動力學實驗很簡單 , 先分別在各試管內加入不同量的基質 , 並以相同的酵素量進行催化

反應 , 在固定時間內測定其所生成的產物。由結果可以發現 , 隨著基質濃度上升 , 反應也越

快速 , 但基質濃度太高時 , 酵素的活性 ( 生成物濃度 ) 便無法再上升了。

其結果直接作圖如上曲線 , 此一曲線是雙曲線的一股 , 並可以用數學式描述之。

E-33

酵素動力學的基本出發點

Steady State Theory

E

E S

E

+

S

+ P

ES 的生成量與消失量相等 ,

故平衡時 [ES] 濃度成一穩定狀態。


由 Michaelis 與 Menten 的觀察證實了一個想法 , 就是酵素 [E] 與基質 [S] 一定要先結合在一起

成為 [ES], 然後才能得到生成物 [P]。當每個酵素都接滿基質時 ,[ES] 的濃度將漸趨恆定 , 因

此 [ES] 的生成與其消失速度一樣 , 稱為 Steady state theory。我們的確可以在實驗中 , 觀察到

反應溶液中有穩定濃度的 [ES]。由此引發了整個酵素動力學的基本研究。

E-34

Steady State 時 ES 的濃度恆定

S

P

濃

度

E

ES

反應時間


後來的研究發現 , 確實有酵素與基質的結合體存在 , 此一結合體 ES 的濃度在整個反應過程

中 , 呈現一平衡狀態。在酵素與基質剛混合後 , 尚未達到 ES 的平衡狀態時 , 特稱之為 presteady

state。

E-35

3.1

酵素動力學大綱 – 基本定義

3.2 酵素必須先與基質結合

k 1 k 3

E + S ES

(v o )

E + P

k 2

Steady State

ES 的生成量

k 1 [E][S] = k 2 [ES] + k 3 [ES]

由上式出發可推得

Michaelis-Menten 公式

[ES] 濃度恆定 3.2.1

等於其消失量

3.2.2

[Et]=[E f ]+[ES]

v o = k 3 [ES]

V max = k 3 [E t ]

v o = V max [S]

K m + [S]


由上述的 [ES] 恆定出發 , 加上三條衍生的觀察 , 可以一步一步推出動力學公式 ; 上圖把動力

學公式的緣由及基本假設 , 整理出來。

E-36

酵素動力學大綱 – 推衍

k cat /K m

v o = V max [S]

K m + [S]

3.2.4.1

直接作圖

3.2.3

動力學公式的意義

zero order

1st order

k cat

Turn over

number

k 3 [E t ]

3.2.4.3

V max

3.2.4

&

K m

改變基質濃度 [S]

觀察 v o

的改變

可以作圖法求得

V max

及 K m

E3

E2

E1

Activity Unit

1 μmole

min

比活性

unit

mg

3.2.4.4

活

性

單

位

催化的

最大速率

3.3

與基質的

親和力

3.2.4.2

雙倒數作圖

雙基質反應也可應用在

M-M 公式 , 但在測定時

另一個基質的濃度要飽和

4 酵

素

抑

制

Competitive

Non-competitive

Uncompetitive


本表整理出動力學公式的意義及其應用 , 所有結果到今天仍完全適用。圖中所各個要點及定

義 , 都將在後面的圖表中說明。

E-37

K m : Hexokinase 的例子

Glucose + ATP → Glc-6-P + ADP

碳號

1

2

3

4

5

6

Glucose Allose Mannose 基質

CHO

H-C-OH

HO-C-H

H-C-OH

H-C-OH

H 2 -C-OH

CHO

H-C-OH

H-C-OH

H-C-OH

H-C-OH

H 2 -C-OH

CHO

HO-C-H

HO-C-H

H-C-OH

H-C-OH

H 2 -C-OH

K m = 8 8,000 5 μM


Hexokinase 可以催化數種六碳糖 ( 如 glucose, allose, mannose 等 ), 但三者的 K m 相差甚大。

Hexokinase 對 glucose 及 mannose 有較大的親和力 ( 因 K m 低 ), 而對 allose 親和力很差 (K m 為

8,000 μM)。檢查比對這三種單糖的分子構造 , 發現三號碳上面 -OH 基的立體構形有很大的影

響 ;hexokinase 偏好類似 glucose 的構形。

由此結果反推回去想像 hexokinase 的構造 , 可以推測 hexokinase 與基質結合的活性區 , 一定

有相當專一的空間排列 , 其空間排列形狀可以與葡萄糖的形狀互補 ; 而且對葡萄糖分子上的

三號碳特別挑剔 , 但對二號碳則較為寬容。

E-38

3.2.4.4 酵素活性單位

S → P μmole

t

v o = [P]/ min

生

成

物

[P]

斜率

tan

Unit =

比活性 =

μmole/min

活性單位

蛋白質量

0 10 20 30 40

x

反應時間 (min)

y

y

x = tan


一般測定酵素活性時 , 是在單位時間內測定所得到生成物的量 , 如上圖所示。若生成物以

μmole 表示 , 在酵素每分鐘催化產生得到 1 μmole 時 , 稱為一個活性單位 (U)。若活性單位再

除以蛋白質的 mg 數目 , 即得比活性 (U/mg)。有時候活性單位可自行定義 , 因此在使用任何

酵素前 , 要先仔細研究其活性的計算方式 , 以及其比活性的高低如何 , 並且注意有沒有添加

其它物質。

在一定時間內測量生成物時 , 要注意生成物的量與反應時間要成正比 ; 要取用如上面右圖所

示的直線關係部份 , 反應時間在 30 min 之內都可以 ( 因為其 tan 值都一樣 )。但反應在 40 min

以後 , 生成物已不成線性關係 , 測出來的活性不準確 ( 會低估或高估 ?)。

問題 : 依上例的說法 , 反應時間在 30 min 之內都可以 , 你應該會選擇多少時間 ? 時間若選

擇 1 min 好不好 ?

E-39

4 酵素的抑制

可逆性抑制

抑制劑與酵素非共價結合

不可逆抑制

抑制劑與酵素行共價性修飾

Competitive

Non-competitive

(Mixed inhibition)

Uncompetitive

Penicillin 青黴素

重金屬 (Hg, Pb)

DFP, TPCK

Sarin (-Ser)

PCMB (-Cys)


蛋白質一旦被轉譯出來 , 若要完全終止其作用 , 可以用蛋白脢水解之 ; 但有些酵素的活性 ,

可以用另一個蛋白質或化合物來抑制 , 而不需要以水解的方式破壞掉。一般細胞內的抑制

劑 , 都是屬於可逆性的 ; 也就是說當抑制劑去除後 , 酵素得以恢復原來的活性。可逆性的抑

制方式可依其抑制方式分成三類 , 相關的機制請見下面的列表整理。

但有些外來的抑制劑 , 或者是人工合成的化學抑制劑 , 都是對酵素分子造成共價性的永久抑

制 , 是為不可逆性的抑制。某些不可逆性的抑制劑是救人的抗生素 ( 如青黴素 ), 有些則是殺人

的毒藥 ( 如沙林毒氣 )。

E-40

Domagk (1939)

磺胺藥也是一種競爭性抑制劑

Para-aminobenzoic acid (PABA)

H 2 N-

-COOH

細菌的葉酸合成

需要 PABA

前驅物

Folic

acid

Tetrahydrofolic

acid

H 2 N-

-SONH 2

磺胺藥類似 PABA

會抑制細菌葉酸合成

Sulfanilamide

磺胺藥 ( 消炎藥 )

Adapted from Bohinski (1987) Modern Concepts in Biochemistry (5e) p.197

磺胺藥就是消炎藥 , 因為其構造類似細菌生長細胞壁所需之 PABA, 會競爭性地抑制利用

PABA 的酵素 , 因而阻礙細菌的生長 , 但無法完全殺菌。

E-41

酵素的抑制劑在醫藥上有重大作用

● 磺胺藥 Sulfa drug ( 消炎片 )

Pseudo substrate 競爭性抑制劑 → 抑制葉酸的合成

● 蛋白脢抑制劑 Protease inhibitor

老年癡呆症 (Alzheimer's disease) 病變細胞的斑點

● HIV protease 是愛滋病毒存活的重要酵素

HIV protease (homodimer):

↑ 其 inhibitor 可治療 AIDS

subunit 1

Asp

subunit 2

Asp

對稱

→ 類似 aspartyl protease:

(monodimer)

domain 1

Asp

domain 2

Asp

不

對稱


抑制劑在生理或醫藥上 , 有極重大的作用。例如我們常用的磺胺藥 , 即所謂的消炎粉 , 就是

一種競爭性抑制劑 ; 磺胺藥分子構造 , 類似細菌的一種重要代謝物 (PABA), 因而可與催化

PABA 的酵素結合 , 造成其抑制。

細胞內有一大群蛋白脢 , 也在細胞內負責重要的生理功能 ; 而自然界中存在著這些蛋白脢的

各種抑制劑 , 有些具生理效果 , 有些是病理上的致病因子 , 有些是治病的妙藥 ; 我們將各舉

一例 , 其中可以治療 AIDS 的蛋白脢抑制劑 , 是近年來醫學上的要角之一。

E-42

Alzheimer 氏症病人腦細胞中的沉澱斑

Amyloid β-peptide

Aggregation

Hu et al (2001) J Biol Chem 276:47863-47868

Protease

(ACE)

抑制劑

沉澱斑含有大量蛋白脢抑制劑

Dressler & Potter (1991) Discovering Enzymes, p.245

老人癡呆症的病變組織中 , 可以看到許多不正常的斑點 , 這些斑點中含有大量蛋白脢抑制

劑 ; 顯然這種疾病與蛋白脢或其抑制劑有相當大的關係。

E-43

愛滋病毒的入侵與抑制

愛滋病毒攻擊免疫細胞

免疫細胞吞噬病毒

病毒核酸

侵入細胞

病毒核酸

控制細胞

病毒大量

複製自己

X

酵素抑制劑

包裝病毒

送出細胞

Nowak and McMichael (1995) Scientific American, no. 8, p. 42

愛滋病毒 HIV (human immune deficiency virus) 侵入人體細胞之後 , 先把它所含的 RNA 反轉

錄成為 DNA, 此 DNA 可鑲到人體細胞的染色體上 , 或是馬上開始進行 RNA 轉錄 , 並轉譯成

蛋白質 , 以便複製新病毒。

若能在複製過程中的任何一點或數點 , 進行抑制或阻害 , 則可能抑制病毒的生長。

E-44

愛滋病毒轉譯出來的蛋白質需經剪裁

mRNA

protein

gag pol env

translation

(gag-pol)

HIV protease

p17 p11 (protease)

Campbell (1999) Biochemistry (3d) p.329

p24

p15

p66/51

(reverse

transcriptase)

p32

(intergrase)

Adapted from Garrett & Grisham

(1999) Biochemistry (2e) p.522

因為 HIV 最先所轉譯成的蛋白質長鏈 , 是由很多病毒酵素或外殼蛋白質所連接成的一長條原

始蛋白質 , 要再以蛋白脢分別切出各別的酵素或蛋白質 , 才能供病毒使用。因此 , 蛋白脢在

病毒的生活史上非常重要 , 若此蛋白脢被抑制 , 則病毒個體就無法順利複製。使用病毒蛋白

脢的抑制劑來治療愛滋病 , 是目前的主要療法之一。

E-45

HIV protease vs Aspartyl protease

HIV Protease inhibitor 可抑制 HIV 增殖

↓ HIV protease (homodimer)

subunit 1 subunit 2

Asp

Asp

對稱

二元体

domain 1 domain 2

Asp Asp

↑Aspartyl protease (monomer)

不對稱

單元体


因為 HIV 蛋白脢屬於 aspartyl protease, 其分子中含有兩個 Asp ( 如上圖所示 ), 因此要使用這

類蛋白脢的抑制劑來對付 HIV。問題是 , 人體內也有相似的 aspartyl protease, 對付 HIV 的抑

制劑也對人體有害 ; 因此 , 要如何找到只對 HIV protease 有抑制作用的藥物 ? 藥物設計在目

前的生物技術產業上 , 是一支非常重要的研究發展單位 ; 我們可以從人類以及 HIV protease 在

分子構造上的差異來下手。

這兩種 proteases 剛好可複習 domain 與 subunit 的概念。HIV protease 是由兩個相同的次體所組

成 , 是同質二元體 , 整體四級構造相當對稱 ; 而人體的 Asp protease 則由兩個相似的 domains

所構成 , 沒有四級構造 , 但也有兩個 Asp 可夾住水分子 , 這兩個相似的 domains 可能是由同

一基因複製所形成。

E-46

設

計

專

一

性

的

抑

制

劑

愛滋病毒存活需要

酸性蛋白脢

病毒蛋白脢活性

會受抑制劑干擾

設計抑制劑藥物

只會攻擊病毒

人體不會受害

人類也有類似的

酸性蛋白脢

Nature (1996) 384S p.25

雖然兩種蛋白脢的構造功能都很相似 , 但是 HIV protease 是由兩個相同的單元體所組合成的

對稱性分子 ; 而此兩個單元體 , 在人體細胞中則演化成一長條完整的分子 , 而且兩段胜肽並

不完全一樣 , 因此成為一個不對稱的分子。我們若能設計一種分子構造比較對稱的抑制劑 ,

可專一性地攻擊 HIV protease 活性區 , 而人類細胞的 aspartyl protease 因為比較不對稱 , 可避

免此抑制劑攻擊 , 則可用來抑制人體細胞內的病毒 , 而比較不傷害病人。

E-47

分子對稱的 HIV Protease 抑制劑

Drug design 藥物設計

Combinatory Chemistry

組合化學

HIV Protease

inhibitor

HIV Protease


被設計出來的愛滋病毒蛋白脢抑制劑 , 其分子構造相當對稱 ; 左圖顯示該蛋白脢抑制劑在活

性區與兩個 Asp 及水分子結合的立體構圖。

目前生物技術產業的主流之一 , 就是以電腦及軟體來設計可能的藥物 , 或者以組合式化學

(combinatory chemistry) 合成出所有可能藥物 , 再一一去試驗藥效。

E-48

不可性逆抑制

Fleming (1945)

攻擊活性區 ! 共價性修飾

青黴素 Penicillin

抗生素

● 細菌細胞壁合成 : 酵素 GT 把短鏈胜肽 ▲ 接到多糖 ●

→ 青黴素與酵素 GT 活性區 Ser-OH 反應 ( 捕鼠器 )

→ 青黴素類似酵素 GT 基質 D-Ala-D-Ala ( 木馬屠城 )

● 化學修飾劑 :

→ 共價修飾活性區上的胺基酸 , 抑制酵素活性。

[E]-Cys-SH ... PCMB ← 人造的 protease inhibitor↓

[E]-Ser-OH ... DFP, TPCK ( 抑制 chymotrypsin); TLCK (trypsin)

→ Sarin 神經毒氣 ( 抑制 acetylcholinesterase)


蛋白脢不可逆性的抑制 , 所造成的生理影響通常都很嚴重 ; 同時 , 這種抑制方式多針對蛋白

脢活性區進行共價性修飾。我們將介紹天字第一號抗生素青黴素的抑制機制 , 以及化學試劑

所造成的抑制作用。

蛋白脢的活性區上 , 都有其重要的催化性胺基酸 , 例如 cysteine protease 活性區有 Cys,serine

protease 上有一個 Ser。化學性抑制劑多半屬於某種特定基團的修飾劑 , 可專一性地對蛋白脢

活性區上面的重要胺基酸 ( 如上述的 Cys, Ser) 進行化學修飾 , 因此破壞蛋白脢的水解活性。

抑制劑與蛋白脢之間有相當強的專一性 , 可用來鑑定蛋白脢的種類 ; 例如被 cysteine protease

抑制劑 PCMB 所抑制的酵素 , 其活性區上可能就有 Cys 胺基酸。

E-49

細

菌

細

胞

壁

含

有

短

鏈

胺

基

酸

tetrapeptide

pentaglycine

Sugar chain

Glycopeptide

Transpeptidase

(GT)

把短鏈胜肽接到

多糖胜肽骨架


通常天然抑制劑的外型多類似蛋白脢的基質 ; 青黴素的分子構形是一條短鏈 , 會被細菌的一

種重要酵素 (glycopeptide transpeptidase, GT) 誤以為是基質而結合 , 但是結合之後青黴素就利

用其分子上的一個活性四元環 , 對 GT 產生共價性修飾 , 並且卡在其活性區而達成抑制。細菌

的 GT 若失去活性 , 就無法進行細胞壁的生合成 , 也就無法繼續生長。

E-50

Penicillin 與酵素 GT 活性區結合

OH

Ser

Glycopeptide

transpeptidase

Penicillin

R

C=O

H–N H S CH 3

H–C C C

CH 3

O=C N C

OH

H

COO -

Ser

Glycopeptide

transpeptidase

(inactive)


微生物細胞壁的合成 , 需要一種轉胜肽酵素 (GT), 是一種以 Ser 為催化中心的酵素。而青黴

素會攻擊此一 Ser 活性區上的 -OH 基團 , 形成共價修飾 , 使得此酵素完全失去活性。青黴素

分子上有一個緊繃的四員環 , 結合到 GT 後很快地與其活性 Ser 反應。

E-51

Penicillin 構形類似細菌多醣

Penicillin

四員環 →

S

D-Alanine

D-Alanine

多糖胜肽骨架

( 部份 )


為何青黴素會攻擊 GT 酵素的活性區 ? 因為青黴素的分子構形 , 外觀與細菌細胞壁上面的片

段很像 , 被 GT 誤以為基質而結合之。注意 ! 又是構形的問題。

E-52

化學性共價修飾劑

Cl–Hg–

–COO -

Para-chloro-mercuribenzoic acid (PCMB)

E

E

-CH 2 -SH

Cys Cl - E -CH 2

-CH 2 -OH

Ser

O–CH(CH 3 ) 2

F–P=O

O–CH(CH 3 ) 2

E -CH 2 -O

-S– Hg– –COO-

O–CH(CH 3 ) 2

Diisopropyl-fluorophosphate (DIFP)

–P=O

F -

O–CH(CH 3 ) 2

Adapted from Bohinski (1987) Modern Concepts in Biochemistry (5e) p.200

化學藥劑也有很多會特定地去攻擊酵素活性區 , 上面列有兩種常用的酵素抑制劑 , 分別能

夠攻擊含有 -SH 基的 Cys, 以及含有 -OH 基團的 Ser, 都相當致命。

有一個問題是 , 這些抑制劑難道不會攻擊蛋白質其他的 Ser 或 Cys? 當然也會。但是因為通常

活性區上面的胺基酸基團 , 都比其它的基團要活躍 , 因此被修飾的機會比較大 ; 若是抑制劑

的整體構形 , 能夠更接近基質 , 則酵素上當的機會就會加大 , 抑制效果更好。

E-53

有

些

毒

氣

是

酵

素

抑

制

劑

Adapted from Dressler & Potter (2000) Discovering Enzymes, p.249

放毒氣 ?

俺も

出來ます

よー


化學性抑制劑在醫療或研究上應用極多 , 例如 acetylcholinesterase 的抑制劑 Sarin, 也是一種

Ser 蛋白脢抑制劑 , 可以抑制神經傳導 , 即為第一次世界大戰使用的神經毒氣 , 幾年前被日本

真理教用做為恐怖活動之工具。

E-54

5.1 基本反應機制

三個基本動作

1) Bond Strain

2) Acid-base transfer

3) Orientation

構形扭曲

化學轉移

空間方向

協同式

Carboxypeptidase A

Carboxypeptidase B

Carboxypeptidase Y

non-polar

RK

non-specific

金屬蛋白脢

外切脢

順序式

Chymotrypsin

Trypsin

Elastase

YFW

RK

GA

Ser- 蛋白脢

內切脢


通常酵素的催化反應是要經過數個步驟來完成的 , 歸納酵素的各種反應 , 可以整理出以上三

種基本動作 ; 由這三個基本動作 , 可以組合成各種不同酵素的反應來。而這些選取的動作 ,

可以是同時發生的 ( 協同式 ), 也可以是一個一個接續發生的 ( 順序式 )。

協同式催化的代表酵素是 carboxypeptidase (CP) 家族 , 而順序式的代表是 chymotrypsin ( 或

trypsin) 家族 ; 剛好全都是蛋白脢。因為是協同發生的 , 因此 CP 的催化機制只要用一張圖片

就可以完全說明 , 但是 chymotrypsin 則像連環圖畫一樣 , 要用六張圖片說明它的連續性反應

步驟。我們也舉例協同式為反應較為單純的外切脢 , 由蛋白質的一端開始 , 一個一個切下胺

基酸 ; 而順序式則屬較為複雜的內切脢 , 才能把蛋白質從中間切開來。

■ 生物化學基礎網站中 , 有以上兩種酵素催化機制的動畫。

E-55


Acid-base

Catalysis

N

H

O

C

=

棒棒脢的催化機制及酸鹼催化

吸引力

+

N

H

O

C

=

誘導生成過渡狀態

Acid

catalysis

O

C

=

H

+δ C

H Both

H

H N C

H

N C H H N C

H

O

-δ

O

H

O

H H

H H

H H

O

H H

H H

O - O

O - O

Base C

C

catalysis

Slow Fast Fast Very Fast

+

N

H

O

C

=


棒棒脢的催化動作 , 可分成數個步驟 , 催化機制就是一步一步地探討這些步驟。活性區首先

獲得基質 , 並以正確方向結合之 , 然後以吸引力誘導棒棒的扭曲 , 造成折斷後完成催化反

應。此一模型正確顯現催化機制的構形扭曲 , 以及調整空間方向的貢獻 , 但是對吸引力的作

用 , 則較看不出來。

事實上在酵素活性區中 , 有許多酸鹼性的催化協助機制 , 可以幫助酵素或基質 , 產生更強的

反應基團 , 而達快速反應。以本頁下半圖為例 , 酸或鹼可分別對兩種基團進行強化反應性的

修飾 ( 中間 Fast 兩圖 ); 但是只有在酵素的活性區中 , 利用預先安排好的基團 , 同時對攻擊與

被攻擊的基團進行強化修飾 , 才會得到最大的催化反應速率。

E-56

協同式外切脢的催化機制

活性區

口袋

N

基質

胜肽鏈

(270)

Glu

C

COO -

+

H

2

1

Carboxypeptidase A

3 4

C

O - H

O -

+

Zn

His Glu

(196) (72)

His (69)

(248)

Tyr

N

O -

H

C

ACTIVE

SITE

COO -

C-terminus

R

5

+

Arg (145)

C- 端確認區

專一性

確認區


協同式的 carboxypeptidase 作用機制 , 請參考網頁上面的動畫 , 及講義上的文字說明。

(1) Zn 2+ 離子乃重要輔助因子 , 可吸住基質胜肽鍵上的 carbonyl 基 , 增強其極性 , 使 (2) 碳帶

正電。

(3) Glu 270 吸住水分子 , 放出 OH - 攻擊 C + (2), 產生新的 C-OH 鍵。

(4) Tyr 248-OH 上的質子 , 與氮 lone pair 電子產生新鍵 , 原來的胜鍵斷裂。

(5) 附近的胺基酸與基質 C- 端的 R 基團 , 有專一性的結合 , 以辨別基質的極性 ; 同時 Arg 145

與基質 C- 端的 -COOH 結合 , 確定基質蛋白質是以 C- 端進入活性區。

E-57

Chymotrypsin 順序式催化反應 A1

Catalytic Triad

His57

Asp102

H

H

Ser195

O

[HOOC]

N

C

C

N

H

C

O

C

C

N

C

C

[NH 2 ]

Check substrate specificity

Chymotrypsin 的作用機制分成兩個階段 , 每個階段各有數個步驟。其詳細說明請見講義或

課本 , 同時網頁上有動畫說明 , 請仔細觀察琢磨。




Catalytic Triad

His57

His57

Asp102

[HOOC]

H

N

C

Ser195

H

O

N C

C H C

O

C

N

C

C

[NH 2 ]

Asp102

H

[HOOC] C

N

C

Ser195

H

O

N C

H C

O

C

N

C

C

[NH 2 ]

[HOOC]

N

H

C

C

H

N

H

O

C

O

C

C

N

C

C

[NH 2 ]

Check substrate specificity

First Transition State

Acyl-Enzyme Intermediate

Chymotrypsin 順序式催化反應 D1



H

H

H

O

O

C

O

C

C

N

C

C

[NH 2 ]

H

H

O

H

O

C

O

C

C

N

C

C

[NH 2 ]

H

H

O

H

O

C

O

C

C

N

C

C

[NH 2 ]

[HOOC]

N

C

C

N-H

H

Acyl-Enzyme Water Intermediate

Second Transition State

Deacylation

E-58

Chymotrypsin 活

性

區

的

電

子

接

力

O

C–O -

=

Asp 102

O

C–O–H

=

Asp 102

H

H–N

C

N

C C

H

CH 2

His 57

H

N

C

N–H

C C

H

CH 2

His 57

H–O–CH 2

Active Ser

- O–CH2

Ser

195

Ser

195


Chymotrypsin 活性區上面有三個極為重要的胺基酸 , 雖然原來在蛋白質長鏈上並沒連在一

起 (57, 102, 195), 但經蛋白質摺疊後 , 卻湊在一起成為一直線。然後發生一件非常重要的事 ,

就是 Asp 102 搶走中間 His 57 的氫 , 然後 His 57 去搶 Ser 195 的氫 , 最後 Ser 195 留下一個光

溜溜的氧原子 , 而此氧原子因失去氫而變得極為活躍 ( 因為有多餘的負電荷 ); 這就是著名的催

化鐵三角 (catalytic triad) 的形成。

E-59

Trypsin 家族的專一性不同

Trypsin Chymotrypsin Elastase

切 Lys, Arg 切 Trp, Phe, Tyr 切 Ala, Gly

O O

–C–N–C–C–N–

C

C

C

C

NH

+ 3

COO -

C

Asp

Deep and negatively

charged pocket

O O


C

Non-polar

pocket

酵素活性區

O O


CH 3

Shallow and

non-polar

pocket


Ser 蛋白脢家族以其專一性區來辨識基質種類 , 基質的特性決定辨識區的構形。

Trypsin 有一個細長的專一性口袋 , 帶底還有一個 Asp 189, 因此其基質都是 Lys 與 Arg 等帶

有正電荷的長條胺基酸。構形的確決定了很多蛋白質的功能與作用。

E-60

基因表現的控制點

DNA

ribosome

mRNA

proteins

原核細胞

轉錄控制

RNA Processing

RNA Transport

RNA Degradation

轉譯控制

活性調節

降解控制

Post-translational

control

反應較快速

DNA

5’

process

mature

mRNA

cap

5’ 3’

tail

proteins

3’

真核細胞

mRNA


上圖把原核細胞及真核細胞中的基因表現過程作一整理 , 並且指出整個過程中可供調控的控

制點。有許多都是在 DNA 或 RNA 層次的調控 , 細胞可以藉由開關某基因 , 而開啟或關閉相

對應蛋白質的表現。而此種基因表現的控制方式 , 是十分複雜的 ; 多是利用某種調節性蛋白

質 , 在基因的前端 ( 調控區 ) 指揮該基因是否能夠被轉錄出 mRNA。因此細胞內酵素活性的調

節 , 有許多不同的層次 , 本課程的焦點放在蛋白質生合成之後 , 對蛋白質進行的種種修飾與

控制 ; 至於基因表現層次的調控機制 , 就是分子生物學的主軸 , 台大有許多相關課程可以選

修。

E-61

6 酵素活性的調節

抑制劑 4 胜鍵裂解 6.1

S

o

I or

I

inhibitor

I

x

I

x

proteolysis

S

o

回饋控制 6.4

S

o R x

x

regulator

effector

信息傳導分子 6.3

(-)

調節

次體

A

R

or

S

磷酸化 6.2

o

x

+

P

A

S

phosphorylation

o

(+)

P

cAMP or

calmodulin


上圖整理出五種酵素的調控方式 , 其中以抑制劑來抑制酵素的方法與機制已在第四節中介紹

過 , 將不再談。其餘四種除了胜鍵裂解 (6.1) 是不可逆性的修飾方法外 , 都是可逆性的調節。

而三種可逆性調節方式當中 , 只有磷酸化 (6.2) 是共價性修飾 , 其餘兩種為非共價性的結合 ,

都是利用某種分子與酵素結合而修飾之 ; 其中 cAMP 及 calmodulin (6.3) 是都信息傳導的分

子 , 是把指令由細胞外面傳到裡面的中間人 ; 另外的迴饋控制 (6.4) 則是以細胞內的上下游代

謝物質來控制酵素活性。這幾種方法 , 都同時在生物體中努力地進行細胞內外酵素活性的調

控 , 以便讓細胞達到最有效 , 而且可以控制自如的生理功能。

近年來 , 酵素的活性調控方面有很大的進展 , 尤其是信息傳導的方式極複雜 , 其五花八門更

是令人眼花撩亂。本課程只是一個入門 , 因此儘量簡化各種所要介紹的主題 , 通常是以一個

比較成熟的實例或機制為故事的主角來說明 , 點出該主題的最重要主軸 ; 至於深入到何種程

度 , 則通常適可而止 , 其深度與廣度要靠同學自行去努力。最近台大已經有很多相關課程 ,

深入討論信息傳導 , 有志者應可挑選適當的課程進一步精研。

E-62

Activity (%)

100

酵素活性受到溫度與酸鹼度影響

50

Pepsin Urease Arginase

0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

pH

0 20 40 60 80 100

Temperature (C)

Adapted from Kleinsmith & Kish (1995) Principles of Cell and Molecular Biology (2e) p.47

正式介紹酵素的調控之前 , 要說明在試管中也可對酵素的活性 , 做相當程度的控制。例如許

多酵素對不同的 pH 有不同的敏感度 , 適應範圍的差異相當大 ( 上左圖 )。但是對溫度的感受 ,

則都差不多 , 通常隨著溫度上升而增 , 但到了七八十度之後 , 則急遽下降 , 此時蛋白質可能

開始變性。某些古生菌的蛋白質可耐高溫 , 尤其是溫泉區所分離出來的極端環境細菌。最有

名的大概是用在 PCR 的 DNA polymerase 了 , 因為要在連鎖反應的反覆高溫下存活 , 只有耐高

溫菌的 Taq polymerase 最為理想。

E-63

Diabetes Mellitus (1980) Eli Lilly and Company (8e), p.20-21

當我們把酵素的種種性質一一說明之後 , 就即將準備上路 ; 好像瞭解汽車的種種構造、性

質、操控等知識後 , 就可以開上馬路去馳騁了 , 但是還必須有一張地圖 , 而酵素的地圖就是

細胞的代謝途徑。

E-64

7.1 醣解作用與醱酵途徑

Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.107 Dressler & Potter (1991) Discovering Enzymes, p.22

回顧埃及人就已經會釀酒 , 但他們不知道其實是利用酵母菌的醣解作用 , 以及無氧醱酵所共

同得到的成果。上面這張代謝路徑圖 , 只是整體代謝的一小部份 , 但其中也標出整個代謝中

最重要的大道 - 醣解作用 (glycolysis), 以及大道末端的圓環 - 檸檬酸循環 (TCA cycle)。要徹

底把這條大道及圓環理解清楚 , 因為上面的每一條巷道 , 都會再通往很重要的景點 , 帶你進

入細胞生物化學的種種驚異旅程。

E-65

代

謝

路

徑

調

控

原

則

Enzyme 1 Enzyme 1

Enzyme 2 Enzyme 2

Enzyme X

不可逆

A

B

C

控制步驟

D

可逆

關鍵反應的基因層次調控

不可逆

Enzyme Y

Enzyme 3 Enzyme 3

E

(1) 每一步反應均有酵素催化

(2) 代謝路徑有速率決定步驟

(3) 反應可能為可逆或不可逆

(4) 各條代謝路徑之間可互通

Yang Cycle ( 楊祥發發現植物乙烯合成路徑 )


代謝途徑每一個關卡 , 都是酵素在進行催化 , 因此使得細胞的整體運作 , 非常順暢。但是這

些路徑 , 也不是一昧往前推動 , 當產物太多時 , 會回來控制出發點上的某酵素 , 這個可調控

的酵素 , 大多控制著整條路徑的速率決定步驟。

另外 , 個別的代謝途徑之間 , 都有互相的通道 , 以免當其中一條路徑不通時 , 可以曲折迂迴

達到目的地 ; 就像當高速公路不通時 , 大家還是可以改走省道。

大部分的道路都是雙向的 , 酵素的催化也大多是可逆。但是在某些關卡 , 酵素的催化變成不

可逆的單向反應 , 例如前面所說的蛋白質激脢就是不可逆反應。那相反方向的反應如何進

行 ? 通常是改用另外一種酵素 , 例如磷酸脢就可以去除激脢所催化的磷酸。這種由酵素控制

的磷酸化 - 去磷酸循環 , 成為細胞中重要的調控手段 , 也極為有效且快速。

E-66

STAGE 1

巨分子 → 單元分子

H

4

3

2

1

0

Starch

碳的氧化

H 3 -C-H

↓

H 3 -C-OH

↓

H 2 -C=O

↓

H-COOH

↓

O=C=O

O

0

1

1

2

2

Glucose

Kinase

消化

6

3

碳

數

改

變

3

7.1.2 主要代謝路徑

Glycolysis

Glc-6-P

P

P

Pyruvate

Glc-1-P

P

2

Mitochondria 粒線體

Oxidative phosphorylation

Acetyl

CoA

STAGE 2 單元分子 → 關鍵小分子

Glycogen phosphorylase

A

Pyruvate

ATP

$

NADH

$ $

Citric

acid

cycle

STAGE 3 產生能量

Glycogen

H 2 O

CO 2

1


在細胞內可降解澱粉或肝糖得到磷酸化的單糖 , 再將此單糖導入糖解作用 (glycolysis); 單糖

碳數一路崩解 , 由六碳成為三碳 (pyruvate), 進入粒線體後成為兩碳 (acetyl CoA), 再進入檸檬

酸循環完全氧化成為二氧化碳。在此過程中 , 產生許多能量分子 , 其中的 NADH 再進入氧化

磷酸化反應生成 ATP。

這條主要代謝路徑有幾個應注意之重點。首先是上面所說的碳數一直下降而分解 , 同時要注

意碳數不但下降 , 而且碳原子一直被氧化 ( 失去氫原子 ), 最後成為二氧化碳。細胞就是靠這樣

的氧化作用 , 消耗具有化學能的碳氫化合物 ( 糖類 ), 以產生能量。

其次 , 整個步驟可大分為三個階段 , 先是把巨分子的澱粉或肝糖分解 , 成為單位小分子的磷

酸化單糖 , 進入糖解作用繼續分解成 pyruvate,pyruvate 再進入粒線體 , 先變成重要的 acetyl

CoA, 再經檸檬酸循環完全氧化成二氧化碳。

請依下列各種角度來觀察這條主要代謝路徑 :

(1) 流程 : 澱粉 → Glc-6-P → Glycolysis → 氧化磷酸化反應 → ATP

(2) 分子 : 大分子 → 小分子 → CO 2 + H 2 O

(3) 碳鏈長度變化 : 6 → 3 → 3 → 1

(4) 細胞空間 : 胞外或胞器 → 細胞質 → 粒線體

(5) 氧化狀態 : 醇基 -OH →→→CO 2

E-67

主要代謝路徑提供能量及材料

其他代謝路徑的許多材料是由主要代謝路徑生產

澱粉磷解 → 糖解作用 → 檸檬酸循環 → 氧化磷酸化

Stage 1 Stage 2 Stage 3

CO 2

巨分子 → 單元分子 → 關鍵小分子 → 能量分子 → 水

Starch Glc-6-P Acetyl CoA NADH ATP

◆ 基本動作 : (1) 把分子裂解 (2) 把碳分子氧化

◆ 空間移動 : 胞外或胞器 → 細胞質 → 粒線體

◆ 氧化數增加 → 產生 NADH → ATP


上圖把糖解作用的主要代謝路徑 , 做大略的分析與解釋。

此路徑的主要基本動作是 (1) 將糖類分子分解 ,(2) 把碳分子氧化 ,(3) 並且獲得能量。其中列

出主要的三個 Stages, 並且把各個 Stage 的關鍵分子列出 , 最後在檸檬酸循環釋出二氧化碳 ,

並在氧化磷酸化後產生水分子 , 完成碳原子的利用。整個過程中 , 糖解作用收獲得少數能量

(ATP), 而檸檬酸循環可以得到許多 NADH, 這些 NADH 上的能量 ( 電子 ) 可以再經粒線體上

的氧化磷酸化反應 , 轉換成 ATP。

E-68

生物技術

● 1 生物技術定義與範疇

● 2 基因操作與基因體學

● 3 其他生物技術

● 4 未來發展

生物技術將在二十一世紀成為全球經濟與產業的主力 , 同時也在日常生活的各方面深刻地影

響我們。由於生物技術在遺傳操作上的超強能力 , 衍生了在社會、倫理及法律上的許多問

題 , 使得大多數人對生物技術產生疑慮與恐懼 , 甚至排斥。

對於一門具有強大力量的新型態科技 , 這種無法駕馭的不安感正是人類的正常反應 ; 想像遠

古人類對火的恐懼 , 乃至控制火、使用火的歷程 , 以及近代工業發現電、利用電力的傳奇性

過程 , 都是類似的情境。如今面對同樣的挑戰 , 是否也應該正面地去瞭解與探索 , 才能有效

控制可能帶來的科學災難 , 同時享受新科技對人類所創造的進步與滿足。

本章將簡要說明生物技術的定義與內容 , 希望能把各個重要領域的操作技術原理說明清楚 ,

以便建立基本的科學背景 , 獨立判斷生物技術所衍生的種種問題 ; 尤其是對於人類社會、文

明或倫理上的可能衝擊 , 則是更需要關心與討論。

B-1

生物技術的定義

利用生物 ( 動物、植物或微生物 ) 或其產物來

生產對人類醫學或農業有用的物質或生物。

● 傳統生物技術 : 釀造醱酵配育新種

● 現代生物技術 :

以生物化學或分子生物的操作

方法 , 來改變生物或其分子的

( 遺傳 ) 形質 , 以達上述目的。

以新的技術來解決已有的問題


廣義的『生物技術』可說是無所不包 , 人類日常生活上的食衣住行 , 幾乎全部離不開生物技

術的影響 ; 通常可把『生物技術』的意義定義如下 : 利用生物 ( 動物、植物或微生物 ) 或其產

物 , 來生產對人類醫學或農業有用的物質或生物。依此定義 , 則早在數千年前 , 埃及人就已

經知道用生物技術的方法來生產啤酒或其他酒類 , 我們所吃的醬油、泡菜、豆腐乳、紅糟

肉、養樂多、味精等 , 也都是利用微生物幫我們加工過的食品。酒類所含的酒精與風味、醬

油或泡菜的迷人香味、紅糟肉的抗血脂物質等 , 都是微生物的代謝產物 ; 而赫赫有名的青黴

素 , 則是青黴菌為了抵抗周遭環境各種細菌 , 所生產的『生化武器』, 但被人類利用來消滅

入侵人體的細菌。

因此 , 生物技術很早就被人類廣泛應用 , 這些產品也都符合上述定義 , 可稱為『傳統的生物

技術』, 但與現代的生物技術有基本上的差別。『現代生物技術』乃運用生物化學、分子生

物學以及分子遺傳學等現代科技利器 , 來改變生物個體的遺傳形質 ; 這是在根本上控制了生

物的代謝或生理 , 以達到生產有用物質之目的。兩種生技領域的最大差異處 , 在於現代生物

技術是使用『細胞與分子』層次的微觀手法來進行操作 , 不同於傳統以『整體』動物、植物

或微生物的飼養、交配或篩選方式。

B-2

豆瓣醬泡菜高粱酒醬油啤酒稻

白酒鹹菜製糖鳳梨脢醃製醬菜

硝養樂多果樹麥芽糖靈芝酒麴

水耕抗生素畜產園藝水產養殖

豆腐乳蘭花鹼米酒胰島素酵素

紅茶蠱品種改良鹹菜酒釀花卉

栽植葡萄酒醱酵疫苗澱粉釀造

保鮮澱粉脢紅酒組織培養味精


廣義的生物技術包含日常生活的許多重要事物 , 本圖只是自娛之作。你一定使用過以上很多

製品 , 也可以想出更多生物技術產品。

根據 Wikipedia 的條文 ,『蠱』是一種人工畜養的毒蟲。將不同種類的多隻毒蟲 ( 俗稱百毒 ) 放在瓦罐或罎中 , 使

其互相咬殺 , 最後存活下來的毒蟲就叫蠱。放蠱的人通常會將蠱蟲或蠱藥研磨成粉末狀 , 放入飲食或飲水中 , 或

用指甲彈在衣物上。有的必須開壇作法 , 使用厭魅之術使人中蠱 , 有的則是將有蠱的衣服、物品放置在路中央 ,

任由人去撿拾 , 拾獲者即是把蠱帶回家中 , 那家人就成了有蠱的人家。

B-3

古埃及人用麥粉醱酵製造啤酒

現代科技防止啤酒氧化變質

Discovering Enzyme


生物技術可以貫穿古今。幾千年前埃及壁畫顯示 , 埃及人已經知道用麥粉製造啤酒 , 此一技

術至今仍應用相同原理 , 使用酒麴菌進行醱酵產生酒精。但現代生物技術還要更上層樓 , 利

用改良菌種產生抗氧化劑 , 以降低啤酒中的氧化變質現象。

B-4

佛來明發現青黴素

Fleming

Chain

Florey

(1945)

牛頓 (1985) no. 25 p. 122

佛來明由黴菌堆中找到了可以殺死細菌的抗生素 , 是不折不扣的生物技術先驅 , 除了帶給人

類醫學極大的進步與福祉外 , 他自己也獲得諾貝爾獎。

■ 請複習酵素部份 , 看青黴素如何抑制細菌細胞壁的合成。

B-5

現代生物技術

範疇

基因操作

細胞培養

單株抗體

酵素工技

把外來基因經重組後導入宿主細胞中 ,

則可表現並生產此基因的有用產物。

人工培養生物細胞 , 可大量生產所代謝

的有用物質 , 或經再生成為新個體。

可生產有用抗體的淋巴細胞若與癌細胞

融合 , 則形成穩定而可培養的細胞株。

將酵素固定化或修飾 , 可增加穩定性或

專一性 ; 也有人造酵素或催化性抗體。


生物技術產業經過數十年的發展 , 各種操作或技術可謂琳琅滿目 , 可主觀地歸納成數個範

疇。科學期刊 Science 對生物技術的分類 , 主要有基因操作、細胞培養、單株抗體、酵素工技

等四大領域 , 以及相互的跨領域科技。

把單株抗體獨立列成一項 , 乃因於單株抗體是我自己的主要科技專長 , 且在學術界或產業應用上 , 其應用相當廣

泛 ; 同時 , 在後基因體時代的研究上 , 單株抗體對抗原蛋白質的高度專一性 , 也將使單株抗體的發展 , 進入另一

個新的紀元。

B-6

Modern

Biotechnology

固定化酵素

酵素電極

酵素抑制劑

酵素工程

定點突變

生物資訊學

蛋白體學

Enz

Abzyme

催化性抗體

基因操作生物晶片

人類基因體計畫

DNA

細胞培養

Ab

PCR 聚合脢連鎖反應

分類

反義基因 DNA/RNA

基因轉殖

基因治療

細胞融合

Cell 組織培養

幹細胞

複製動物

Hybridoma

融合瘤

診斷試劑抗體治療


生物技術有一個特點 , 就是所涉及的科技範疇 , 非常複雜多樣 , 是一門『跨領域』特性極強

的綜合學問。以研究系統而言 , 幾乎農林漁牧醫工各行業的動物、植物、微生物以及人體 ,

都可成為生物技術的探討對象。其研究的深度與廣度 , 可以微觀至分子與細胞 , 甚至奈米級

的原子層次 , 也可大到組織、個體、群落甚至整個生態系。

最近 , 複製生物的倫理問題 , 以及基因改造物體的安全與法律問題 , 也把生物技術拖入法律

與哲學的辯論中。因此 , 上面的四大領域分類只是供參考 , 其互相間有相當多的關聯 , 甚至

有些是混合兩種以上之生技領域所衍生出來的新科技 ; 而這種跨領域精神 , 正是生物技術或

生物產業不折不扣的創新表現。

B-7

基因重組及相關應用

基因表現

Gene products

基因序列

Gene sequence

反義基因

Antisense

● 有用蛋白質 ( 胰島素 ) 生產

● 基因轉殖 → 基因治療

● 人體基因體的 DNA 序列

● 由 genome 到 proteome

● 生物晶片、生物資訊學

● PCR 基因放大技術

● 病毒防禦 (HIV

或植物病毒 )

● 基因抑制 ( 蕃茄保鮮 )


基因操作是整個現代生物技術中 , 最重要的主流科技。其中最直接的應用 , 就是把基因表現

出蛋白質 , 或者對於細胞中缺陷基因的修正。另外 , 基因本身的核酸序列也是重要資訊 , 是

建構生物體的藍圖 , 基因體計畫就是要解讀某一生物細胞內的全體基因序列。反義基因是一

種逆向思考 , 以人工方式反而去抑制某個基因 , 以便達到某種目的。

B-8

目標基因剪接

人類胰島素

Human Insulin

Kleismith & Kish (1995) Cell and Molecular Biology, p. 115

基因接入載體

Stryer (1995) Biochemistry, p. 119

送入宿主細菌

挑出所要群落

探針 Probe

互補 DNA

專一性抗體

得到純系轉殖菌株

大量培養生產

循著中心教條來看 , 改變染色體即有可能改變該生物的蛋白質表現 , 也就會改變該細胞的外

在性狀。當科學家把外來基因的 DNA 放到大腸菌中 , 發現宿主大腸菌會『收養』此外來基

因 , 並且遵循『中心教條』表現出此基因的蛋白質。但是 , 大腸菌認養外來基因須先經過一

『歸化』手續 , 即外來基因必須接在一種大腸菌所特有的環形核酸中 , 稱為質體 (plasmid);

接入質體內的外來基因 , 才能被『夾帶』入細菌內 , 並在宿主菌內複製與表現。一旦進入 ,

就可以大量表現此一基因 , 得到有用蛋白質產物。

例如 , 第一個被大量表現以生產藥用蛋白質者 , 是人類的胰島素基因 , 可以取代原先使用的

猪胰島素 , 防止病人發生過敏反應。

■ 請複習核酸部份 , 如何把外來基因植入細菌 , 並挑出含有此基因的細菌群落。

B-9


螢火蟲發光基因轉殖煙草

植物

基因

轉殖

抗蟲基因轉殖

David Ow

香蕉殖入

病原菌抗原

作成口服疫苗

早期大部分研究工作所使用的表現宿主 , 都是人類最小的朋友 - 大腸菌 ; 現在除了大腸菌 ,

目標基因也可以有效地表現在動物或植物。例如 , 把人類凝血第八因子的基因轉殖到山羊細

胞 , 並設法讓它在乳腺細胞中大量表現 , 則山羊的乳汁中就含有大量凝血因子 , 純化出來以

供醫藥使用。在植物方面 , 最早是把螢火蟲的發光基因植入煙草中 , 結果轉殖之煙草可在暗

處中隱隱發光。

一直受到爭議的是 , 把易受蟲害的棉花等植物植入抗蟲基因 , 但是為了商業利益也順便植入

一自毀基因 , 一旦這種棉花受粉交配就可自動開啟自殺程式 , 以免繁殖下一代 , 這樣種子公

司就可以年年賣種子給農民。問題是 , 這種自毀基因在一般農地中表現 , 可能會跑出原來的

植物 , 到處散播而危害整個生物環境。

B-10

基因治療

血友病為遺傳缺陷

Campbell (1990) Biology, p. 351

腺病毒

adenovirus

修正基因

插入修正基因

感染病人細胞

取出病人細胞

修正基因

轉入病人

細胞中

注射修正細胞


基因轉殖也可應用在人體上 , 稱為『基因治療』; 雖然還不是十分成熟 , 但技術在穩定地改

善與進步中。例如 , 血友病人體內的凝血第八因子基因有缺陷 , 血中因為沒有有效的第八因

子而無法凝血 ; 若能把正確的基因導入病人的細胞中 , 並且表現產生第八因子 , 則可使病人

正常凝血。把正確基因導入人體的方法 , 與動植物之轉殖不同 , 而是採用人類更小、更悠久

的敵人與朋友 - 病毒。

病毒的構造非常簡單 , 通常是一顆外形像釋迦果的圓球 , 某些病毒還長有一隻柄並接有幾隻

腳。這個釋迦果的內部充滿病毒核酸 , 可能是 DNA 或 RNA, 外殼則是由一顆顆的蛋白質組

合成 , 這些蛋白質負責辨識並攻擊目標 , 在找到目標後便將其中的核酸注入宿主細胞 , 並且

大量繁殖。流行性感冒病毒便是如此攻擊人類的呼吸道等細胞 , 使我們流鼻涕或頭痛。有一

種腺病毒 , 也可以攻擊人體細胞 , 但若把其中所含的核酸修改 , 使它不會產生太多不良症

狀 , 但又可把指定的基因注入人體細胞 , 則可能修正細胞內的錯誤基因。

B-11

人體的基因已經全數解碼

肺炎球菌

Science

基

因

體

序

列

幽門螺旋桿菌

基因被選殖出來之後 , 除了可以進行轉殖或表現之外 , 另一件更重要的工作 , 就是解讀基因

上面鹼基序列的排列資訊 , 也就是通稱的基因序列。基因序列之所以重要 , 是因為這個序列

可以直接轉錄成 RNA 序列 , 然後再轉譯成蛋白質的胺基酸序列 , 而胺基酸序列則是決定如何

形成蛋白質正確構造 , 及如何進行正常細胞功能的根本原因。

目前已經有數百種生物的基因體被解碼 , 其中有些是對人類極重要的一些微生物 , 以便釐清

它們對人類致病的機制。

B-12

由化石所得 DNA 來複製

生物仍然還只是科幻電影

株羅紀公園

牛頓

基因的操作與改造 , 引起人類極大的嚮往 , 同時帶來恐懼。『侏罹記公園』以此為主題 , 幾

個主角在盛嘆科學力量的強大之餘 , 也譴責蓄意干涉生命長河的野心份子。這些新科技有點

像遠古人類發現『火』, 以及近代電力引入 , 人類面對其強大威力而顯得興奮與不安。盲目

向前衝固然不對 , 一昧否定與禁止 , 也同樣糟糕 ; 對於科學這隻可怕的怪獸 , 我們只能面對

它 , 多瞭解其本質 , 慢慢摸清其可能造成的危害 , 才是正確的態度。

B-13

反義基因

番茄殖入反義基因

可防止軟化


抑制果肉軟化的酵素

( 果膠脢 pectinase)

番茄成熟後容易軟化而腐爛 , 是因為番茄的一個基因被啟動 , 產生一種酵素可把番茄的果膠

質 (pectin) 水解而造成軟化。若植入此酵素基因的反義基因 (antisense sequence), 此反義基因

會抑制正常基因的表現 , 就可以抑制番茄的軟化。此種番茄早已上市 , 的確相當堅實 , 不易

腐爛。

B-14

細胞培養

人工培養生物細胞 , 可大量生產所代謝

的有用物質 , 或經再生成為新個體。

基因治療

Gene therapy

複製生物

Animal

cloning

植物

組織培養

Tissue culture

● 生長激素基因導入小鼠卵子

● 血友病缺凝血因子 VIII 基因

● 複製生物個体 (Dolly sheep)

● 異種器官移植

● 幹細胞 stem cell 培養及分化

● 抗虫抗病基因轉殖植物

● 人蔘紫杉蘭花組織培養

● 兩品種融合產生新種


生物體都由細胞組成 , 若把細胞分離出來在試管中培養 , 則可大量生產該細胞所合成的有用

物質 , 例如植物細胞的某些二次代謝物是具有生理療效的藥物 , 動物的抗體則是由一群白血

球所分泌製造。但是 , 並非所有細胞都可以離開生物體生長 ; 植物細胞比較容易以分離的形

式培養在試管中 , 甚至再生成整個植株 , 而動物細胞通常並不容易再生 , 癌細胞與幹細胞

(stem cell) 是例外 , 後者是存在於骨髓或胚胎的低度分化細胞 , 有潛力發育成各種不同的組織

或器官。

B-15

受精胚胎第一次分裂後以人工分開

複製生物

同

卵

雙

胞

桃莉的誕生沒有經過授精過程

牛頓 (1985) no. 23 p. 103


很早前就有類似胚胎複製的操作技術。當冠軍種牛的胚胎分裂成二或四個子細胞時 , 取出來

以人工方法分開成數個單獨細胞 , 然後再分別移植回母牛子宮 , 如此就可生出多條冠軍小

牛 , 其原理與同卵多胞胎相同。但是這種複製方式的胚胎 , 是經過授精的有性生殖 , 子代會

有父母雙方的特徵 ; 但桃莉羊的複製方式則不同 , 完全沒有經過授精過程。

B-16

複製生物

代母

桃莉母親的

乳腺細胞核

代理孕母的

無核卵母細胞

單性生殖 :

胚胎的遺傳信息

僅來自單一細胞

沒有經過受精過程

↑ 台大畜產系鄭登貴教授

桃莉羊的胚胎並沒有經過授精 , 而是從桃莉母親的乳腺細胞取出細胞核 , 放入另一個已經去

掉細胞核的卵細胞中 , 再殖回代理孕母的子宮 , 發育成熟出生。它是以上述乳腺細胞核中的

DNA 為藍圖 , 直接發育成一個個體 , 沒有加入其他個體的遺傳物質 , 因此子代與親代的遺傳

背景幾乎一模一樣 )。

像桃莉羊的無性複製方式已經引起各方爭論 , 尤其若是應用在人類 , 可能會產生倫理與法律

上種種無法預期的問題。複製人將只有父親或母親 , 而且與其親代極為相似 , 外觀上幾乎無

法分辨 ; 雖然如此 , 其生長背景與歷程不同 , 最後成人的個性或品格難以預料。因此 , 想把

複製人變成為自己的『重生』, 是不切實際的想法。另外 , 複製技術相當困難 , 大多數的複

製個體都是失敗的 , 桃莉是 1/277 的僅存成功者 , 若貿然應用在人體上 , 會產生許多如『科學

怪人 Frankenstein』的悲劇 ; 因此 , 目前世界上的先進國家都已立法禁止複製人體。

B-17

體細胞只有少數能夠進行分化

幹細胞骨髓臍帶血

二 ○○ 一年底的人類胚胎無性群殖引起了極大的爭議 , 美國一家生技公司 ACT 宣佈 , 把一

個未受精的卵子去掉細胞核 ( 只有 23 條染色體 ), 植入一個含有完整 46 條染色體的細胞核 , 可

以分裂生長到六個細胞的胚胎。此胚胎若能繼續生長 , 將可形成含有大約一百個細胞的囊

胚 , 這些細胞都是尚未分化的幹細胞 , 可以控制生長成為各種不同的組織 , 以供殖入需要的

病人體內。這是第一個報導人類胚胎複製的實驗 , 異議者除了因為法律禁止複製人類的胚胎

之外 , 對於只能分裂到六或八個細胞 , 還不算真正成功的結果就貿然發表 , 也都深表不滿與

抗議。

幹細胞是分化程度很低的細胞 , 可以說是『還沒賦予任務』的細胞 , 因此具有分化成各種組

織與器官的潛力。成人體內幹細胞的大本營是骨髓 , 幹細胞自我增生並分化成各種血球細

胞 ; 嬰兒的幹細胞則聚集在肝臟與脾臟 , 並且也在血液中流動 , 因此臍帶血中也含有幹細

胞。近來流行的臍帶血銀行 , 就是把自己出生時的臍帶血以超低溫保存 , 等到長大有需要

時 , 可以解凍回來使用 ; 因為是自己的血液 , 因此沒有排斥的問題。

幹細胞因為具有分化潛力 , 因此是各種人造組織或人造器官的重要起始材料。例如 , 幹細胞

若分化成腦神經細胞 , 植入巴金森病人的腦中生長 , 將可誘導分泌多巴胺來控制病情。但目

前最大的困難 , 還是在於如何正確控制幹細胞分化 , 以便生成所要的組織或細胞 , 這仍有待

深入的基礎研究來支持。而要由幹細胞獨立發展成一個生物器官 , 則是更遙遠的事 ; 目前僅

嘗試製作簡單的器官 , 也只能以人造材料先塑成器官的構形 , 再於此一架構上生長細胞。

B-18

基因改造方法可去除猪細胞上引起人體排斥的標誌

異種器官移植

人類抗體

表面抗原

X

猪細胞

猪細胞


異種器官移植的最大問題是 , 異種生物之間會互相排斥對方的細胞。原因是因為接受一方的

免疫系統 , 把外來的器官視為『入侵物』, 引發免疫系統攻擊之。而免疫系統如何辨認敵

我 ? 當免疫系統發現某個外來細胞或器官 , 其細胞表面的某重要標誌分子若與自身不同 , 就

啟動免疫反應產生抗體 , 抗體會攻擊這些外來物並摧毀之。

猪的器官在大小上與人類最接近 , 很適合植入人體 ; 同時 , 猪細胞上面的這些標誌分子 , 算

是與人類相當接近的 , 因此所引發排斥不是最嚴重的。雖然如此 , 還是含有異種標誌分子會

引發人體的免疫反應。若以遺傳工程手法 , 把猪細胞上面的這些危險標誌去除 , 則所產生新

種的猪細胞或器官 , 將不會引起人體的排斥反應。

B-19

Scientific American

溶解細胞壁

植物細胞再生

紫杉醇


每一植物細胞都有極強的再生能力

原生質體

Trends in Biotechnology

癒創組織

再生植株

Life Processes of Plants

固定化細胞

以上對動物細胞的分化與控制技術 , 的確都還很困難 ; 但對植物細胞而言 , 早就是家常便

飯。這是因為植物的每一個體細胞 , 都具有分化成整株植物的能力 , 稱為『全能分化力

totipotency』。目前科學家還不明白此一神奇能力的原因 , 但他們早就利用在植物組織培養。

大部分植物都可誘出『癒創組織』, 例如切下一小塊葉片培養數日 , 就會長出形狀不規則的

癒創組織 , 有些人把癒創組織看作是動物的癌細胞。但不同的是 , 癌細胞會繼續不斷地分裂

下去 , 危害整個生物體 , 而癒創組織在某些荷爾蒙的控制下 , 卻可以開始分化成根、莖、

葉 , 最後成為完整殖株。

由癒創組織所在生出來的植株 , 與原來的植物一模一樣 , 因此可以保留優良品種的純系。台

灣早就利用組織培養的方法 , 大量群植蘭花 , 所以很多餐廳的餐盤中經常擺了一朵蘭花。另

外 , 若能夠把有藥用效果的植物 , 誘生其癒創組織並大量培養 , 則可以用培養的方式來生產

有效成份 , 不必花費時間種植。例如需要長時間培養的人蔘 , 以及稀有植物的紫杉 , 都是最

佳目標。

B-20

原生質体細胞融合

J.F. Shepard (1983) Science 219: 683-688

Potato

+

Tomato

Pomato

植物的這種全能生長特性 , 使得組織再生或物種間雜交操作比較容易。果農們早就知道以插

枝法來繁衍果樹或甘藷等 , 而嫁接法更是在不同的植株上生長所要的植物。科學家也可以把

兩種不同的植物細胞融合起來 , 生成新品種。例如美國科學家融合番茄及馬鈴薯的細胞 , 所

生成的融合細胞經過癒創組織後 , 成長為植株 ; 此新品種植株的地上部結有番茄 , 地下莖部

則膨大形成馬鈴薯 , 可惜聽說兩者口味都不是很好。這種細胞融合的方法 , 也可應在用動物

細胞 , 並且在單株抗體的製備上發揚光大。

B-21

牛頓 (1985) no. 23 p.100

細胞融合

融合瘤

National Geographic

抗體是極有用的分子工具 , 可專一性地與其抗原結合 , 也是分子層次的『奈米探針』。生物

體內由一群叫做 B 細胞的白血球 , 負責生產各種抗體 , 但每一種 B 細胞只能產生一種抗體 ,

可對抗其特定抗原。因此 , 當有十種外來抗原 , 體內就至少會生成十種 B 細胞 , 每種 B 細胞

分泌一種抗體 , 來對付這十種抗原。若能夠把其中某一種 B 細胞分離出來培養 , 則我們就能

夠在培養液中 , 生產其所分泌的抗體 ( 而且只有單一種抗體 , 不會夾雜其他無關的抗體 )。若此

種抗體能夠對抗某種癌症 , 將會是極有用的試劑。然而 ,B 細胞不能在培養液中永續生長 , 因

此無法達成上述目的。

自然界中卻有一類細胞可以無限制增長 , 那就是癌細胞。於是有人想到 , 能否把這兩類細胞

融合在一起 , 產生既可生產抗體 , 又可長生不死的細胞株。

B-22

抗原

1 2 3 4

單株抗體製備過程

免疫

BALB/c

1 2 3 4

B 細胞

x

1

2 3 4

1

2 3

4

m m m

m

取出脾細胞

+

癌細胞

細胞融合

1 2 3 4

1 2 3 4

傳統抗血清

所有抗體混合

單株抗體

各抗體分開

Adapted from Milstein (1980) Scientific American, Oct. p.58

兩位在劍橋大學的科學家 (Kohler 及 Milstein) 試著把可產生抗體的 B 細胞 , 與不停分裂生長

的癌細胞混合一起 , 並以化學物質融合之 , 則的確產生了『融合瘤 hybridoma』, 可以在培養

基中永續生長 , 並且分泌有用的抗體。

B-23

單株抗體的高度專一性有很多用途

單株抗体是對其抗原有極強專一性的

魔彈 (magic bullet) 或巡弋飛彈

研究

醫療

檢驗

以免疫轉印法偵測特定抗原

以毒素連結抗体攻擊病變細胞

以 ELISA 偵測特定病原体


單株抗體最早被發明出來時 , 因為其超高的準確度與專一性 , 被譽為生物界的『魔彈 magic

bullet』。其實 , 單株抗體更像『巡弋飛彈』, 可以非常準確地擊中目標 , 而不是像二次世界

大戰時 , 以 B-52 轟炸機做地毯式全面轟炸。因此 , 若轟炸目標是體內的癌細胞 , 以單株抗體

攜帶藥物去攻擊目標 , 會比化學治療的地毯式轟炸要有效得多 , 而且不會傷及無辜。然而 ,

因為癌細胞的多樣性與善變本質 , 專一性太高的單株抗體 , 反而有時無用武之地 , 因為癌細

胞的種類與變化太多 , 一直找不到所有癌細胞的共通標誌 , 因此也無從生產專門攻擊癌細胞

的單株抗體。

雖然如此 , 單株抗體的專一性辨識能力 , 仍然在研究與診斷上發揮很大的功能。在研究上 ,

單株抗體可準確地追蹤目標蛋白質 , 是所有蛋白質研究的必備工具。在醫學診斷上 , 一大部

份的醫療檢驗都是以單株抗體為辨識探針。在疾病治療上 , 單株抗體也被修飾為專一性的攻

擊武器 , 且避免身體的免疫反應。因此 , 在目前的生物技術產業 , 單株抗體相關的投資與產

值 , 都有相當大的比重。

B-24

以

單

株

抗

體

來

清

除

體

內

癌

細

胞

National Geographic

單株抗體可以用來清除人體內的癌細胞 ; 例如把抗體接上毒素 , 利用抗體的專一性把後者帶

到癌細胞處 , 就可以針對癌細胞進行毒殺。但是 , 因為癌細胞的高度變異性 , 各種不同病變

的癌細胞 , 以及每個癌症病人身上的癌細胞 , 都有不同的變化 , 使得專一性極高的單株抗

體 , 反而無法辨認。

B-25

酵素工技



● 生物体內的每一生化反應

都有酵素專門負責催化 :

A

E

專一性

B

● 酵素可催化許多有用的生化反應 :

( 麵粉 ) 澱粉 →→ 葡萄糖 →→→→→→→ 酒精 ( 啤酒 )

● 由 genomics 經 proteomics 到 metabolomics:

由未知生物的整體蛋白質表現 , 即可推知其代謝及生理。


酵素可以催化其基質 , 經反應後產生生成物 , 可以說是最小型的工作機器。酵素發現得很

早 , 目前已經發現無數的酵素 , 共同組成了細胞內的重要生理活動 , 也就是細胞的代謝系

統 , 以維持生物的生命活動。

B-26

酵素工技



● 固定化酵素

● 酵素電極

● 酵素抑制劑

● 人工酵素

● 催化性抗体

酵素經固定化後可增加穩定性 , 或可改

變該酵素的催化性質。

酵素反應可連結到各種偵測工具 , 則可

以電極偵測酵素酵素反應之進行。

酵素抑制劑在醫療上有重大用途 , 可抑

制許多不利於細胞的生化反應。

以人工方法改變酵素的構造 , 則可以增

加酵素的催化速率或改變其專一性。

使抗体模擬酵素的催化功能 , 則可設計

出特定的催化反應。


酵素抑制劑是用來控制細胞或病毒生長 , 最有用的工具 , 很多都是極有效的藥物。例如 ,

愛滋病毒的生活史中 , 需要一種蛋白脢 , 以便切開它所合成的蛋白質長鏈 , 放出各種酵素以

供病毒增生使用。治療愛滋病的雞尾酒藥劑中 , 有一項蛋白脢抑制劑 , 可阻害此蛋白脢的活

性 , 使病毒無法得到正確的酵素。另外有許多酵素的抑制劑 , 因為也可以抑制人體中的重要

酵素 , 因此成為毒藥 ; 例如日本真理教所用的沙林毒氣 , 是人體內重要蛋白脢的化學抑制

劑。

在研究酵素的催化機制之後 , 發現酵素最重要的區域為其『活性區』, 活性區是酵素與基質

結合並且催化成產物的部份 , 通常都是一個凹陷的口袋形構造 , 以便吸入基質。科學家嘗試

在一人造骨架上 , 選取其中的適當區域的周圍 , 接上酵素活性區的重要胺基酸 , 模擬酵素活

性區以做成人造酵素。如同催化性抗體的嘗試 , 數十年來人造酵素的進展並不是很令人興

奮。因為酵素是一個相當複雜的巨分子 , 其催化機制也暗藏著許多未知因素 , 很難以簡單的

模擬 , 得以達到一般酵素經過千萬年演化所獲致的強大作用。雖然如此 , 人造酵素或相關的

人造催化模具一直有人努力著 , 尤其配合最近奈米科技的進步 , 在奈米的微觀基礎上 , 可能

更容易有所進展。

B-27

酵素電極可方便快速偵測各種物質

酵素電極膜

牛頓 (1985) no. 23 p.108

除了以蛋白質工程的方法可以改善酵素的品質外 , 把酵素固定起來 , 也有增加酵素安定性、

耐熱性 , 以及可重複使用的特性。固定酵素的方法很多 , 可以用化學鍵結 , 把酵素連到某一

固相物體 ; 也可以用物理的區隔方法 , 把酵素限制在某一區域內。固定化酵素可以做成大規

模反應槽 , 讓基質通過反應槽後 , 即可收穫產物 ; 若此反應器中 , 含有某一代謝路徑中連續

反應的酵素群 , 則可模擬細胞內的連續催化路徑 , 產生更有學術或經濟價值的產物。若把酵

素固定化在薄膜上 , 則還可有一個重要應用 , 就是做成以酵素反應為基礎的檢驗電極 , 得以

快速檢驗大量樣本。另外 , 酵素的固定化 , 也是將來蛋白質或酵素晶片的第一步 , 預期會有

無窮的應用潛力。

B-28

奈米科技 – 蛋白質是自然界現成的奈米機器

Scientific American (2001) September; August, p. 46

奈米科技的定義可以很簡單 , 任何設計或物體的大小 , 約在一至數百奈米間者 , 均可為奈米

科技的研究對象。奈米的大小是 10 -9 公尺 , 一般的蛋白質分子大約在十個奈米左右 , 因此分

子層次的生物技術也可以說是奈米科技之一。奈米科技的起始 , 常被提及的就是諾貝爾物理

獎得主費曼 , 他曾經懸賞徵求設計一個極小的馬達 , 可說是奈米科技的創始想法。把奈米應

用到生物技術的例子目前還不多 , 但都相當有趣。例如 , 貝爾實驗室的科學家利用雙股 DNA

的互補性質 , 設計了可以打開與關閉的核酸開關。

其實 , 生物化學中早已有很多奈米機器 , 但其製造者都是大自然 ; 所有酵素都是奈米催化機

器 , 其中 ATPase 最有趣 , 整個分子看起來好像由三個扇葉環繞組成 , 這三個扇葉可以轉動 ,

在轉動同時生成了 ATP, 是奈米級的 ATP 產生器。另外 ,DNA 是一個核酸複製機 , 同時也

是個 RNA 製造機 , 而核糖體是讀取 RNA 訊息的蛋白質製造機 , 加上酵素及蛋白質 , 全都是

奈米機器 ; 而細胞則組合這些奈米機器 , 加上奈米級的許多隔間與外膜 , 成為一個更大的奈

米組合體。想起來會不會有點毛骨悚然 ? 不過 , 假如這一切都是真的 , 那會不會興起『我為

什麼會存在』的問題 ?

B-29

台

大

生

物

科

技

園

區

概

念

其實台大總區在椰林大道、羅斯福路和基隆路三條主要道路的範圍內 , 加上附近周邊的一些

相關單位 , 是一個不折不扣的生物科技園區。裡面的數百名主要研究人員 , 概括有動物、植

物、微生物等各種研究系統 ; 另外 , 大到生態系統 , 小至原子分子的操作 , 都有相當先進與

完備的研究工具與技術 ; 區內甚至有醫院、動物醫院、農場等大型研發及服務單位。此一理

想若能落實 , 並以虛擬方式建立聯繫網路與溝通管道 , 將可與中研院、台北市生物科技園區

等 , 產生密切的互動與輝映 , 建立大台北區的生物技術板塊。

B-30

Vision on Taiwan

生物技術

電子資訊

台灣優勢

(1) 優越的地理條件

(2) 豐沛的人才資源

(3) 獨特的華文世界條件

(4) 本地現有的生物技術

產業環境與科技

(5) 結合台灣強大的電子

資訊產業力量


再放大地圖來看 , 台灣位居目前最熱絡的東亞經濟圈中點 , 除了優越的地理位置 , 以及豐富

的人才資源外 , 因為其特有的華文背景 , 使得台灣最有資格成為東亞生物科技發展的樞紐。

多年來台灣一直努力發展的生物科技 , 目前雖然還看不到很成功的例子 , 但所累積的經驗與

人才 , 也將發揮相當的作用 ; 尤其 , 台灣強大的電子資訊產業 , 若能夠與生物科技結合 , 將

會醞釀成為一種極獨特而有用的雜合物種 , 可能得以形成一個更強大的『台風』去橫掃全

球。

B-31

生物化學的基礎部份在此完成 , 是一件值得慶賀的事 ; 在這兩三個月中 , 若同學們相當認真

地探討所交代的內容 , 則預期應該有以下的成效 :

(1) 充分瞭解生化的基本分子 , 如胺基酸、蛋白質、核酸及酵素 , 準備深入代謝路徑。

(2) 已有基本的生化知識與背景 , 可以開始進入分子生物學的學習層次。

(3) 可以嘗試去接觸生物技術領域的一些專門課題。

當然不可能在短短兩個月 , 大約兩學分的課程中 , 保證能夠學習到完整的生物化學概念與科

技 , 但努力建立一個良好與健全的開始 , 確實是非常重要。除了這些預定的專業目標 , 以及

考試成績的好壞之外 , 我想經由基礎生物化學的介紹 , 至少同學們應該有一些觀念上的收穫

或認知 , 並且啟發新的思考 :

(1) 經歷一次億萬年的前世今生經驗 , 稍稍漫遊了宇宙與時空 , 是否對人生觀有所影響 ?

(2) 由分子的角度重新來看生命現象 , 對維持生命的奈米機器 , 是否有新的認識與讚嘆 ?

(3) 開始理解生命、演化與遺傳的運作機制 , 是否對人類在自然中的角色 , 甚或自己在這個社

會中的意義 , 能夠誘發另一種思考的機會 ?

Good Luck !

B-32

BC G2007B.pdf

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