生物化學基礎 Biochemistry Basics 2008

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在細胞中 經常要抑制某些酵素的活性，以利生理活動進行，因此酵素除了要能夠順利催化之外，也必須有抑制其活性的機制。各類酵素的抑制劑，不論是一般作為實驗室的研究工具，或者臨床醫藥的應用上都極為重要。

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酵素 好像汽車，除了有好的引擎能夠推動外，更要有靈敏的煞車系統，期能動靜得宜。 而酵素的確也與汽車一樣，有其命名、配備、動力、煞車系統、操控系統，以及汽車上路有如在代謝途徑中駕駛一般。

酵素的抑制作用，在細胞生理上，就有如煞車系統一樣，當細胞要終止某些酵素的作用，其中的一種方法就是使用抑製劑。另外，生物之間也常常使用抑製劑，以便抑制掉別種生物的酵素作用，順遂自己的生存條件，好像是自然界的生化武器。

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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)。

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酵素 的抑制劑有不同的抑制機制，通常依照抑制劑對酵素的結合方式，可分成兩大類。其一為競爭同一活性區 (competitive)，可以用提高基質濃度的方法來競爭；另一則是結合在活性區之外的地方，又可分成 non-competitive 及 uncompetitive 兩種。後面兩種抑制方式大致相同，因此有些課本也就不再細分，其差別在於基質的結合，會不會影響抑制劑的結合。雖然這幾種抑制方式，都是可逆反應，但只有 competitive 可以用提高基質的方式來對抗抑制。

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這些 抑制機制都可以用酵素動力學來描述，使用雙倒數作圖更可明顯地指出是屬於何種抑制方式。不過，以上三種作圖都是屬於最典型者，很多時候實驗所得到的作圖結果，可能會有混合型態出現，則是較為複雜的抑制機制，或者有其他的干擾因子在內。

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競爭性 抑制劑通常都與正常的基質相像，可以與酵素結合，但無法繼續反應，產生生成物；因為都是競爭同一活性區，因此可提高基質來對抗抑制。

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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。

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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。

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蛋白脢 的作用廣泛，是一種『很厲害』的酵素，可以水解許多蛋白質；但是其『天敵』也很多，自然界散佈有很多蛋白脢抑制劑。 這些抑制劑多為蛋白質，也都可被蛋白脢作用，它是以『自殺性』方式，投入活性區被該蛋白脢切開，但在切開後並不離開，而賴皮在該酵素的活性區，因此抑制了蛋白脢的活性。

為什麼抑制劑被蛋白脢切開後還能與其結合？ 因為兩者之間的結合面，在構形上有極吻合的互補關係，因而產生很大的親和力。

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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。

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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。

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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。

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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。

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Aspartyl protease 利用兩個 Asp 夾住一分子水，並以之進行水解反應；它在酸性條件下反應，代表酵素為 pepsin (胃蛋白脢)，是胃中的水解酵素之一，因此其最佳反應 pH 為 2~3 之間。活性區的兩個 Asp 對催化反應貢獻很大，除了可以結合並活化一分子水，還可作為催化過程中的質子暫存區。

一般的酸性蛋白脢分子相當對稱，是由兩個相似的 domains 組成，可能是原始迷你基因的複製所造成；因此與下面所說的 HIV protease，雖然水解作用與機制相同，但在整體分子構形上有相當的差異。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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，這些抑制劑會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。

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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。

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