生物化學基礎 Biochemistry Basics 2008

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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)。

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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。

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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。

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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。

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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)。

這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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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因為 自然界中的去氫脢實在太多了,而且許多反應更可以用耦合的方式,接軌到去氫反應,因此去氫脢在研究工作上,就變得極常見且重要。最方便的是,所有去氫反應,都伴隨著 NAD+ 與 NADH 的改變,也造成吸光上面的消長,而得以測量反應速率。

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細胞中,NAD+-NADH 循環可以作為氧化與還原反應的耦合,上面 A 去氫脢先行氧化反應,把氫暫留在 NADH 上,再由 B 去氫脢把氫還原到另一個分子上。

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NADH 實在太重要了,請徹底明瞭上面的構造,以及所進行的反應;同時,檢討 NADH 的名稱與構造的關係,以及為何氫的加入或失去會影響吸光度 (前頁)。注意 NAD+ 上面的 nicotinamide 環相當穩定,在上圖箭頭所指處加入 hydride 後成為 NADH,反而因為電子數目增加而較不穩定,因此是一個高能化合物,可以再轉換成 ATP。

其實,上面的構造應該是 NADP+ 與 NADPH,也就是在分子上面都加了一個磷酸 (下方的核糖 2' 碳上);這種加有磷酸的輔脢,專門用在葉綠體等胞器內。 大體而言,細胞內進行同化方向的酵素,使用 NADP+-NADPH 系統:而異化作用方向者,則使用 NAD+-NADH 系統。這是一種細胞內的分工,以及重要共通資源 (NAD+-NADH) 的分流,以免代謝方向相反的酵素,爭取相同的資源。

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氫原子 是唯一不含有中子的原子,因為原子核中只有一個質子,所以不須要中子介入。氫原子有一個電子,當它獲得一個額外電子,即成為氫離子 (稱 hydride, :H -);若 hydride 丟掉一個電子,就變回氫原子;當氫原子再失去一個電子,就剩下質子 (H+)。雖然環境中到處充斥著質子,但以能量而言質子並無貢獻;因為質子已經失去了電子,而電子是生物界的能量根源。但具有一個額外電子的 hydride 就是具有能量位階的粒子,是自然界中能量的貯藏處。NADH 所攜帶的氫原子,就是這種具有能量位階的 hydride。

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核苷酸 是由三部份構造所組成,每一部份又可有數種選擇;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。含有核糖的核苷酸 (不是去氧核糖),不但出現在遺傳物質 RNA 中,也經常出現在輔脢分子構造中,也是攜帶能量的分子 (ATP)。這些事實,隱約指引出下一張圖片的主題︰RNA world。

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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。

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除了 前面三個論點可支持地球演化之初為 RNA 世界外,尚有其他反面考量可以加強此一觀念。例如,RNA 是核糖核酸,而 DNA 是去氧核糖核酸;在自然界中,應該先有核糖,然後再產生去氧核糖才是。另外,RNA 分子的不穩定,鹼基序列容易突變,在早期地球的旺盛分子演化,反而是一種有利的因素。

最後,DNA 的確是一個非常好的信息貯藏分子,它的雙股長鏈把鹼基包在分子內側,以防紫外線對鹼基造成的破壞;核糖核酸去除氧分子後,變得非常穩定,不會像 RNA 一樣容易因水解而消滅;DNA 也把 RNA 上的 U 換成 T 鹼基 (多一個甲基),使得因誤讀所造成的突變大為降低。不過,DNA 分子實在很長,除了貯藏信息外無法有其他顯著生理功能;在早期的分子世界中,只能貯藏信息的分子是沒有很大生存優勢的。

因此,一般推測早期的地球是先有 RNA 及蛋白質巨分子,當 RNA 衍生出一套複製規則 (A=U, C≡G),開始了分子演化的序幕。 某些 RNA 可能以自己的信息指導有用蛋白質的合成,而此蛋白質可回頭催化 RNA 的複製,因而形成一個極為有效的搭檔關係。當此搭檔收納到一脂質薄膜所圍成的小球後,即形成最原始的細胞形式。接著 RNA 為了有效保存其核酸序列,把其信息交給少數 DNA 分子貯藏,再由 DNA 複製多個 RNA 來製造蛋白質,也可以增加表現的效率。 如此,便成為今日所有細胞中的中心大法 (Central dogma):DNA → RNA → Protein。上面所說那個催化 RNA 複製的原始蛋白質,很可能就是今日酵素的始祖。

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回顧 一下地球剛形成不久的原始濃湯裡,充滿了能量與物質,也開始了種種可能的分子組合遊戲。上面想像圖的濃湯中可能充滿了各種不同 RNA 的長鏈,由 RNA 稱霸地球,也會製造蛋白質作為服侍臣僕;但是到了後來卻由 DNA 取代為傳遞遺傳信息,RNA 則要努力依照 DNA 的指示去生產蛋白質。而且,攜有 DNA 遺傳信息的 mRNA,其命運極為悲慘,在依照指示完成蛋白質合成的任務後,馬上會被銷毀。

本網頁最近修訂日期: 2008/02/08