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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
Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.129
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
Juang RH (2007) BCbasics
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
Juang RH (2007) BCbasics
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
Juang RH (2007) BCbasics
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
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.506
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
Juang RH (2007) BCbasics
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
Juang RH (2007) BCbasics
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
Juang RH (2007) BCbasics
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
Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.165
+ -
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
Nelson & Cox (2004) Lehninger Principles of Biochemistry (4e) p.125
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
Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.164
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 ...
Juang RH (2007) BCbaiscs
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
Juang RH (2007) BCbaiscs
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
Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.436
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
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.679
Garrett & Grisham (1999) Biochemistry (2e) p.1054
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
Juang RH (2007) BCbaiscs
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
Garrett & Grisham (1999) Biochemistry (2e) p.174
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
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.140
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
Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.181
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
Juang RH (2007) BCbaiscs
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
Garrett & Grisham (1999) Biochemistry (2e) p.181
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
Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.1000
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 )
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.135
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
Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.152
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)
Juang RH (2007) BCbaiscs
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
Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.38
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
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.357
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
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.705
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
Garrett & Grisham (1999) Biochemistry (2e) p.197
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
Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.194
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
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.701, 630
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)
Juang RH (2007) BCbaiscs
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
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.122
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
Juang RH (2007) BCbaiscs
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
Alberts et al (1994) Molecular Biology of the Cell (3e) p.196
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
Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.214
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
Juang RH (2007) BCbasics
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
Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.151
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
Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.163
Garrett & Grisham (1999) Biochemistry (2e) p.486
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
Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.195
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
Juang RH (2007) BCbasics
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
Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.236
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

Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.239
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 。
Juang RH (2007) BCbasics
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
Juang RH (2007) BCbasics
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
Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.181
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
Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.208
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
Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.199
Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.252
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
Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.250
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-
+ -
Juang RH (2007) BCbasics
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
Juang RH (2007) BCbasics
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。
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