生物化學基礎 Biochemistry Basics 2008

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酵素 的重要性質之一，就是其催化活性的大小，可受到各種方式的 調節；細胞因此可以打開或關閉某些酵素的活性，以此來調節細胞內外的種種生理性質 (第六章)。這在整個細胞或生物個體的 代謝 上，有相當重要的角色，我們也將對細胞代謝做一個通則性描述，以作為將來代謝各論的引介 (第七章)。

細胞內酵素的調節方式有許多層次，可以是在基因層次、RNA 表現層次，或者蛋白質的層次等。我們把所有在蛋白質轉譯後的調控方式，整理在下兩張圖表中，也將一一說明。酵素的調控以及相關的一些信息傳導機制，甚或蛋白脢的抑制劑調節，都是現代生化或分子生物學的重心，各位有志於分子細胞學或分子醫學研究的同學，要在此打好穩固基礎。

Lehninger Principles of Biochemistry 專門闢有一章 (12) 論述生物的信息傳導機制，相當重要但有點複雜。同學在學過蛋白質、酵素與細胞膜之後，整合這些知識，再重新鑽研這一章，將會對你在分子細胞學的研究上，起很大的作用 (也就是說若要念通這一章，需要較廣泛的基礎生化與生物學背景)。

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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 。

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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。

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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。

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由 mRNA 所轉譯出來的蛋白質，有許多都暫時沒有活性，或者活性很低，要再經過裂解修飾後，才能開始顯現活性，這是一種不可逆的共價性修飾方式。例如，較為危險的蛋白脢，多先以不具活性的形式合成出來，以免其他蛋白質遭受到其水解。這種沒有活性的前驅物，稱為該酵素的脢原 (zymogen)。以上列出一些常見的例子，注意其中有很多並非酵素。

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人體 內最複雜的脢原系統，可能非凝血機制莫屬。 凝血機制是一連串的蛋白質裂解，一步一步活化下一步的蛋白脢，到最後一個蛋白脢 thrombin 則可切開凝血蛋白的原料 fibrinogen 產生凝血纖維 fibrin 開始凝血。 設計這麼複雜的梯瀑式調控之原因，是因為在人體中不能任意凝血，否則對循環系統會有大害；因此，以一種極為複雜的調控機制來控制，以免有失。 而無法凝血的血友病，是因為上述凝血過程中一個蛋白脢 (factor VIII) 無法正常合成，因此斷了凝血梯瀑的鏈子，最後也就無法凝血。

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凝血作用 最後一步是把 fibrinogen 的兩種片段裂解掉，空出來的地方可以讓 fibrin 分子之間互相堆疊，並且組成纖維狀的凝血物質，與紅血球一起組成血塊。 右圖呈現出整個凝血網路的全貌，注意有色方塊的酵素，全部都是 Ser 家族蛋白脢。

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怪頭博士 設計了一個喝湯可以自動擦嘴的方法，當他喝湯時 (A) 拉動 (B) 線把湯匙 (C) 拉動跳起麵包 (D)，鸚鵡 (E) 去咬麵包而使得槓桿 (F) 失衡，導致另一頭的飼料 (G) 掉入 (H) 桶中，桶子太重下滑拉動 (I) 線而打開打火機 (J)，打火機引燃火箭 (K) 飛走，同時帶走鐮刀 (L)，鐮刀飛走時割斷 (M) 線而釋出鐘擺 (N)，於是鐘擺上面的餐巾滑下，剛好可以擦怪頭博士的嘴，真是殺雞用牛刀。

我們的細胞好像怪頭博士一樣，設計了一個很複雜的凝血機制，以便確定凝血的命令是正確的，而非偶發性的失誤。這張漫畫雖然傳神而好笑，但是還沒有把酵素的一個重大特性顯現出來，請看下一張圖。

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信息傳導 是細胞把外來的信息，傳入細胞內並且放大的過程；這種策略在細胞中很常見。

好像城外有一個信差過來 (例如某種荷爾蒙)，在城門交代一個信息給守城門的人 (荷爾蒙受體)，後者把這個信息傳給十個城門下面的人 (可能是 G protein)，這十個人每人又傳給另外十個人 (可能是 cyclase)，如此一傳十、十傳百，會傳遍整個細胞。

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蛋白脢 要先裂解後，才會有活性；有時是別種蛋白脢操刀，有時要自己操刀。這也是一種調解作用，與控制活性的網路。這種切來切去的酵素調控方式與系統，是細胞內的生理常態，可在很多生理現象中看到。

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複習 chymotrypsin 如何以裂解來啟動活性，因為新切開的 Ile16 N-端可固定 Asp194，連帶地使活性區的 Ser195 就定位，以電荷接力產生活化的 Ser。

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像 蛋白脢這種危險的酵素，在其生合成或運送途中，最好保持休眠狀態，以免沿途亂砍其它無辜的蛋白質。因此，採用脢原的方式，或者包在胞器中運送，都比較安全。

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有些 像腦啡這樣的短鏈胜肽，必須先轉譯出較長的多元複合體，再由其中裂解出較小的片段來。因此可以預測，其合成也受到一種類似 trypsin 活性的蛋白脢所控制，此種蛋白脢後來也被發現確實存在。

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凡是 可以水解胜肽鍵的酵素，均統稱為蛋白脢。蛋白脢的種類非常多，我們大致歸納為四大類，均依其催化特性來命名。例如 metal protease 是因為分子中含一金屬離子，此金屬離子不但可維持酵素的正確分子構形，也可以參與催化反應；Ser 及 Cys protease 是因為催化區上含有一個 Ser 或 Cys 胺基酸為主要的催化機團；而 Asp protease 也是因為分子上需要有兩個 Asp 基團，以便抓住水解所需的水分子。

每一類蛋白脢家族內，其成員的催化機制都相同，但催化目標的專一性不同；例如 Ser 家族內的 trypsin 嗜好水解鹼性胺基酸，而 chymotrypsin 喜歡較大的芳香基團。

以下將把重點放在 Ser 蛋白脢的催化區，看其催化鐵三角如何作用，以及此家族在分子演化上的奇特表現。最有趣的是，這種有效的催化鐵三角，居然也會被其它酵素盜用 (或是純屬雷同？)。

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Ser 家族的兩個成員，有非常相似的三級構造，以及保守性的胺基酸序列；尤其在重要的位置上，其胺基酸種類不能改變 (上面序列比對中的 Ser 及其周邊序列)。

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為了 研究 Ser protease 的催化區，有人把 subtilisin 催化鐵三角上面的胺基酸修改，再看影響修飾後的蛋白脢活性大小。結果發現 Ser195 是絕對不可改變的重要胺基酸，His57 及 Asp102 次之。同時，若把穩定過渡狀態分子的 Asn155 改成不具電荷的 Leu，活性也會下降一千倍。因此，這三個重要胺基酸不能任意改變，所有 Ser protease 家族成員，都有這三個胺基酸在固定的位置。

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把 Ser 家族幾個成員拿出來比較，看催化鐵三角附近胺基酸序列的差異性如何。最重要的 Ser 附近的胺基酸保守性非常高，其它地方也都是半保守性地取代 (即極性取代極性、非極性取代非極性)。

成員中有一個 acetylcholinesterase (AchE) 似乎是認養來的，AchE 也有催化鐵三角，但是整體的胺基酸序列並不太像 (因此上圖無法列出比較的序列)，好像沒有『血緣』關係。的確如此，AchE 原來並非 Ser 家族的嫡系成員，只是趨同演化出具有與鐵三角類似的催化機制。

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Acetylcholinesterase (AchE) 是存在神經節間，用來水解神經傳導後的傳導物質乙醯膽鹼 (acetylcholine)，若不能把這些剩餘的傳導物質水解掉，神經細胞會持續受刺激，會導致極大的危險。

AchE 的水解方式如上式所示，水解乙醯基出來成為醋酸。而其水解機制，與胜肽鍵的水解極為類似，因此也發展出具有活性的 Ser 基團攻擊 C=O。

Sarin 毒氣是 chymotrypsin 的抑制劑，可以攻擊活性區上的催化鐵三角 (Ser)。因為 AchE 的作用機制與 chymotrypsin 太像了，因此 Sarin 也會攻擊 AchE 而被用為毒氣。

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Acetylcholinesterase 的催化機制與胜肽鍵水解極相似，活性區有高反應性的 Ser 以及 His 和 Asp 的質子接力，也分成 acylation 及 deacylation 兩個階段。順便注意一下，水分子有一個氫原子留在酵素上面。

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看來 它們是各自發展出類似的催化機制，一個有用的組合不但會被重複使用，還會有趨同演化的情形，天底下大家想的真是都差不多。

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Acetylcholinesterase (AchE) 是與 Ser protease 家族完全無關的一個酵素，它獨立演化出類似 Ser 催化鐵三角的 Asp-His-Ser 活性區，其作用模式也與 Ser protease 類似，但催化的是水解 acetylcholine 的 ester bond 而非 peptide bond；事實上，這兩種鍵結的水解方式，也極為相像。這種由不相關的前驅物開始，卻發展出相同的催化機制，稱為 趨同演化；而 Ser protease 家族則是由一個相同的始祖開始，趨異演化 成各個不同的家族成員。注意 subtilisin 並非 Ser 家族成員，它也是經由趨同演化得到相同的催化機制。

因此，演化現象不但在鉅觀的生物圈發生，同時也在分子層次的微觀世界上演。

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羅馬教皇 宣佈達爾文的演化論不再是異端，指出精密的科學觀察與證據，證實許多在時間座標上所發生的種種現象。 分子層次的觀察，也發現有演化論的蹤跡，更確定了演化這個事實的存在。

達爾文是個在無限的時間座標上馳騁的智者，身處十九世紀，卻能由許多現有生物的細微線索中，推出幾億年來的生物演化軌跡。而愛因斯坦則在無限的空間座標上來去自如，關在專利局的辦公室中，看到宇宙的運行律動模式。兩個人真是『通宇宙、貫古今』。

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以 裂解來控制一個蛋白質的活性，是一種無法回頭的單向調節；因此，一旦蛋白脢被活化之後，便無法再回復其原來的無活性狀態。 細胞可用兩種方法把蛋白脢的活性終止：或把此蛋白脢完全水解掉，或是用該蛋白脢的抑制劑來抑制其活性。 因此，蛋白質的降解也是一種調控方式；尤其為了有效利用體內的胺基酸資源，沒有用途的蛋白質都要在水解後，進行回收使用。

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細胞 內有兩種構造奇特但類似的巨大蛋白質，基本上都是由四個甜甜圈形狀的大分子聚合體所組成。 其中之一 chaperonin 可以幫助蛋白質摺疊成正確的構形；若蛋白質還是無法成為原態蛋白質，就被送到另一種由四個甜甜圈構成的 proteasome 內進行水解。 另外有一些細胞不再需要或者準備廢棄的蛋白質，會被標示以叫做 ubiquitin 的小蛋白質，有此標誌者會很快被送到 proteasome 內水解。

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最近 發現某些蛋白質在轉譯之後，其分子上的某一部份會被切除掉，剩下的部份又可連接在一起。有點像核酸的 intron 與 exon 系統一樣，這段被切掉的蛋白質可稱為 intein，留下來的部份則稱為 extein；intein 可能有其他的生理作用，據稱可以回到細胞核中，修飾它原來所轉錄轉譯而來的基因。

下接 E6-26

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