生物化學基礎 Biochemistry Basics 2008

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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)。

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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。

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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。

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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、a 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 a 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 a 碳，第二個碳是 carbonyl 基團。而第二部份便是 a 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？ 。

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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？

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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？

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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。

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不管 是核苷酸或是胺基酸的序列，都像人類的文字一樣，可能是有意義的，只是人類還看不懂這種生命的文字。如同考古學家一樣，若科學家能夠解出核酸或蛋白質序列的含意，就可能解出此一分子功能。事實上，我們也漸漸能夠讀出某些分子序列的意義，就像我們開始認得一篇古石碑文字上的字句一樣。

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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。

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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？

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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？。

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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。

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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 a 碳，是一級構造上比較能夠自由轉動的要點。但 a 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，也決定了這個蛋白質的功能。

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