|
|
生物化學基礎 Biochemistry Basics 2008 |
回蛋白質 1.3 |
|
|
||
|
■■■ |
%202007/P3-19.JPG) |
|
一個 蛋白質在合成之後，經常還要加上許多東西，才能成為真正有活性的分子；以上列出這些可能的修飾方法或添加物質。其中磷酸化是很重要的蛋白質修飾方法，被廣泛發現存在於細胞中，尤其在信息傳導上，扮演極重要角色，將在酵素一章詳述之。上圖中的每一個例子，請一一理解清楚，因為所有的例子將會在未來的課程中，一再出現。 問題：為何蛋白質除了其本身的胺基酸序列之外，還要加上這些形形色色的附加物？ 因為可以增加胺基酸官能基團的強度。回顧胺基酸的各種官能基，除開那些非極性的不談，極性的胺基酸也都不帶有較強烈的反應基團。因此，為了達成某些任務，蛋白質在形成基本的球狀巨分子後，再加上一些較具強烈個性的分子，可以幫助各種生化反應進行。進一步再想一個問題，為什麼二十種胺基酸的基團中，不含有這些強烈的基團？。 |
%202007/P3-20.JPG) |
|
大部分 在內質網合成的蛋白質，都是在其 Asn 的氮原子上，整體性地加上一串分歧的醣類基團 (glycosylation)；被醣化的位置，需有 Asn-X-(Ser/Thr) 的序列。 這些醣蛋白，將會送至細胞膜、高爾基氏體或分泌至細胞外。反之，細胞質中的蛋白質，很少會被醣化；若有的話，也是簡單的在 Ser/Thr 加上一個 N-acetylglucosamine。 醣化反應須由酵素催化，是在蛋白質還沒有完成轉譯前，就開始醣化。多醣的部份是預先組好的，暫時先放在一種叫做 dolichol 的脂質上，當上述的 Asn-X-(Ser/Thr) 信號一出現，就整組轉接上去。但是，若一個蛋白質分子上有太多的醣化部份，將會影響下面的摺疊工作，常常做出構形不正確的蛋白質，因此會進行此種醣化作用的蛋白質，其胺基酸序列中就比較少出現上述 Asn-X-(Ser/Thr) 序列，除非真的要進行醣化修飾。 問題：蛋白質為何要進行醣化修飾？ 醣基團可能作為標誌，以便把蛋白質送到正確的地方，有點像郵遞區號，稱為 protein targeting，是很重要的細胞功能。因為蛋白質合成出來之後，必須送到正確的位置，才能有正確的功能。除了醣化基團外，不要忘記蛋白質上面某些胺基酸序列，也有如此的功能，叫做 signal sequence。 ■ 請先到 Lehninger Principles of Biochemistry (4e) p. 1070 查看蛋白質醣化的方法。 |
%202007/P3-21.JPG) |
|
有些 蛋白質要加上相當特殊的他種分子，才會有正確功能。例如，血紅或肌紅蛋白分子中，都要加上一個血質素 heme，以便攜帶氧分子。這個 heme 的中央有一個鐵原子 (因此血液是紅色的)，是用來與所攜帶的氧分子結合之用。另外，呼吸鏈中的電子攜帶者 cytochrome c 及葉綠素，都含有 heme，只是葉綠素的 heme 接了鎂，因此變成綠色。 上面模型中特地把肌紅蛋白中，非極性的 Leu, Ile, Val, Phe 等分子標出 (藍色)，可以發現大多埋在分子內部，並且相當緊密地堆積著，組成一個非常密實而穩定的分子；相反的，大部分極性胺基酸都分佈在外表 (沒有標出)。 問題：請去查 heme 的構造與功能，以及各種含有 heme 的蛋白質，並說明為何這些蛋白質要外加 heme 才有活性？ |
%202007/P3-22.JPG) |
|
蛋白質 在轉譯完成之後，有時候經常是沒有活性的，要再進行裂解處理，才會產生正確的分子構形，擁有完整活性。 胰島素是典型的例子，剛合成出來的完整蛋白質稱為 pre-proinsulin，切去 N-端的一段信號片段，成為 proinsulin；後者的 Cys 兩兩連接成雙硫鍵後，再切除中央的連結片段 (C 片段)，才能成為具有活性的 insulin。因此我們所說的 insulin 雖然含有兩段胜肽 (A + B)，但是由同一個基因所表現出來的。像胰島素這樣由兩段胜肽所組合成的蛋白質，通常在變性之後，都無法回復原來的構形，也就完全失去活性。 問題：生產出一個有活性的胰島素，為何要如此麻煩？ |
%202007/P3-23.JPG) |
|
利用 蛋白質裂解作為活性調節方式的蛋白質很多，最有趣的是凝乳蛋白脢 chymotrypsin (chy)。 剛合成好的 chy 沒有活性，稱為 chymotrypsinogen。 要先在 N-端附近斷裂一次，才有活性；然後繼續在此開口以及中央部份，各切去兩個胺基酸，變成成熟的酵素。 問題：為何要有如此的機制？ (我們會在酵素機制部份詳細說明) 。 |
%202007/P3-24.JPG) |
|
二十種 胺基酸中，並無含有磷或磷酸的基團，因為磷酸的基團很大，負電性很強。因此蛋白質要到合成完畢之後，才對這個蛋白質上的某些胺基酸基團 (Ser, Thr, Tyr, His)，進行磷酸化修飾。這種磷酸化反應，需要酵素的參與，稱為磷酸化激脢 (protein kinase)，需要 ATP 的參與，而且激脢的催化反應為不可逆。但是，細胞中有許多磷酸脢，可對磷酸化的蛋白質，進行去磷酸反應。如此形成一個『磷酸化-去磷酸化』的調節循環，對蛋白質以及細胞生理，有非常大的作用；尤其在細胞的信息傳導上，磷酸化都扮演關鍵性的角色，也將在酵素調節中詳述。 問題：若真的二十種胺基酸當中，有一種具有磷酸基團 (如上述 phsophoserine)，請預測細胞的運作可能會發生什麼問題？ |
%202007/P3-25.JPG) |
|
酵素 在催化反應中，有時需要幫手協助，這個幫手稱為輔脢 (coenzyme)；輔脢大都是一些小分子，可以接受或放出某些基團，以便供應酵素反應所需。例如 glyceraldehyde-3-P 去氫脢 (Gly-3-P deHase) 催化 Gly-3-P 的去氫反應，需要 NADH 作為輔脢，以便暫時貯存所去除的氫原子。 Gly-3-P deHase 分子構造大體看來分成兩個區塊 (稱為 domain) 各有不同功能：其一與基質 Gly-3-P 結合以進行催化作用，另一則與輔脢 NADH 結合以為氫的暫存區。 細胞中所有的 dehydrogenase 都有很類似的 NADH domain，因為它們要催化類似的去氫反應，可能都源自同一個原始基因；但另一 domain 因為要辨認種種不同的基質，因此同質性便很低。 而這類酵素的活性區，也都是夾在兩個 domains 之間，提供一個相當好的催化口袋，以便有效地進行去氫反應；這可能也是 domain 存在的原因之一。 ■ Gly-3-P deHase 是一個非常重要的酵素，請先到 Lehninger Principles of Biochemistry (4e) pp. 524 & 530 查看它在糖解代謝中的角色。 |
%202007/P3-26.JPG) |
|
上述 的區塊 domain 概念，有深一層的意義。經常會在不同的蛋白質分子上，看到相似的區塊，有相似的胺基酸序列，行使類似的功能。這些相似的區塊，是如何來的？ 原來分子世界也有抄襲的現象，一個好用的分子構造，可能被利用在不同的分子中，行使類似的功能，但又稍加修飾後，成為另一個蛋白質。例如，上圖中的 domain X 分別與 domain A 與 domain B 形成兩種蛋白質。這種組合是發生在基因層次，早期 domain X 可能由獨立基因所指導轉譯，後來因為此基因的自我複製，並與其他功能的基因合併，乃衍生了今日的各種混血蛋白質。 |
%202007/P3-27.JPG) |
|
蛋白質 分子中的一些二級構造聚集起來，成為一個功能區塊 (domain)。很多蛋白質發現有若干 domains，但也有蛋白質只含有一個 domain，例如 myoglobin 即是。 請注意一個蛋白質分子中的各個 domain 都還是屬於同一個蛋白質鏈，domain 與 domain 間是以胜肽鍵連在一起，並沒有斷開。 勿把 domain 與次體 (subunit) 混淆︰例如 hemoglobin 由四個次體所組成，是四條獨立的蛋白質，而每個次體各含有一個 domain，但有四個次體不能說是含有四個 domains。 Domain 在早期可能是獨立的基因，演化過程中一再地被重複拷貝使用，並可以不同的組合形式出現。其實這不難想像，若分子演化果真是事實的話，則地球上所有的基因，都將溯源到恆古的一條或少數幾條巨分子，以後所有的巨分子都是由這些『基因夏娃』所衍生出來的，因此互相盜用或模仿也不足為奇。 |
%202007/P3-28.JPG) |
|
Hexokinase 很明顯含有兩個 domains，兩者所包圍的空間，形成一個口袋，並且是活動的，剛好成為進行酵素催化的活性區。酵素之所有如此高的催化效率，與這種口袋式的活性區有密切關係。這兩個 domains 之間也有較大的自由度，因此所形成的口袋，活動力相當好，像個嘴巴一樣把基質吞入。 ■ 請先到 Lehninger Principles of Biochemistry (4e) p. 524 糖解代謝中察看 hexokinase 的角色。 |
%202007/P3-29.JPG) |
|
抗體 是相當奇特的分子，一個抗體分子含有兩條長鏈 (H) 及兩條短鏈分子 (L)，共有四個次體 (2H2L)，次體之間以雙硫鍵連接起來。每個長鏈分子含有四個球形 domains，每短鏈分子則含有兩個，這些 domains 的構形都很相似，在遠古以前源自同一個原始基因。每一次體都是由其 mRNA 轉譯出來，但只有兩種 mRNA，在內質網中分別轉譯出 H 及 L 兩種次體，各取兩條在高爾基氏體中，組裝成整個抗體分子。 ■ 請到 Lehninger Principles of Biochemistry (4e) p. 178 了解抗體分子的構造與免疫功能。 |
%202007/P3-30.JPG) |
|
複雜 的 domain 組合，可組成各種不同功能的蛋白質。 Chymotrypsin 與其它三種蛋白質，都有相同的蛋白質裂解 domains (橢圓形)，因此基本上全是蛋白質水解酵素；但是它們的分子上面，還各有獨特的 domains，賦予不同的功能。 例如：表皮細胞的生長因子 (六角形)、結合鈣離子 (三角)、kringle domain (正方形)。 玩這些蛋白質 domains，跟玩積木基本上沒有很大的不同。 |
%202007/P3-31.JPG) |
|
Lysozyme 是一個很重要且古老的酵素，可以分解細菌細胞壁上的多醣，其分子構造也已定出。本圖把其構造上各種不同極性的胺基酸分層顯示，可發現非極性胺基酸的確都擠在分子內部，極性胺基酸大多分佈在外表。而與基質的結合區是一凹陷的口袋，基質剛好鑲入此一口袋中，接受水解的催化反應。 |
|
■■■ |