E1 酵素投影片


	生物化學基礎 Biochemistry Basics 2008 酵素 Enzyme 投影片 E1 - E2 - E3 - E4 - E5 - E6 - E7 - E8	回酵素 1 講義下載

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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。

上課的進度將以講義為主，其中各章節的編排方式，與所用的課本不太一樣，但可找出互相對應的部份，請詳細閱讀課本文字。酵素部份也是全程以幻燈片講解，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。

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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。

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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。

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古人並不知酵母菌的作用原理，因此覺得造酒過程中有種神奇的轉換力量，可以把穀類或水果變成好喝的酒。但現在我們知道，酵母菌是以糖類為起始基質，經由糖解作用 (glycolysis) 產生副產物乙醇。而此糖解過程中，都是由酵素進行催化，一步一步把糖類催化轉成乙醇。這糖解作用是代謝的第一條主要大道，將會在後面的課程中介紹。

時空轉換到二十世紀初，還不清楚這種自然轉換力量是什麼；當有機化學開始發展後，才漸得知是酵母菌中的某類物質，在進行著糖類的轉換反應，後來分析得到是一種蛋白質。

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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： NH₂-CO-NH₂ + H₂O → 2NH₃ + CO₂ 因此植物可以把尿素分解，以便取得氮源。

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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。

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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。

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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。

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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，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，直接對單一酵素分子作用，以便活化或去活化，將在第六章說明。右圖是醣解作用的例子，動物與植物之調控點不同，剛好各有不同的正、負調控。

■ 這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，課本也有專門一章 (12 Biosignaling) 介紹之。

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蛋白質的四級構造區分，似乎不只是構造上的組織單位，更有其生理功能的重大意義。很多酵素都有四級構造，因此也都有調控機制，以便控制整條代謝路徑。

酵素分子可說是智慧型的奈米機器。

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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。)

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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。

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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。

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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。

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