生物化學基礎 Biochemistry Basics 2008

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蛋白質 的大部分性質,都與其分子構形有關。

當蛋白質維持正確構形時,即為其原態分子,就可進行種種活動;當構形瓦解時即為變性,大部份都喪失活性。我們將探討如何維持蛋白質的正確構形,如何使蛋白質變性;同時將討論蛋白質的構形,事實上也非固定不動的,而是經常在活動著。

兩個蛋白質分子之間,可能會有特殊的專一性結合力,以便進行很多細胞生理反應,這也跟其分子間構形的互補有極大的關係;同時分子間的微弱吸引力 (二級鍵),也是這種專一性的主要構成力量。

生物化學的實驗技術中,蛋白質純化是很重要且基本的工具,上課部份只列出講義,但沒有在課堂講述。若有興趣或研究上之需要,請上網頁『酵素純化與分析』載有各種蛋白質的純化與分析方法 (http://juang.bst.ntu.edu.tw/M1230/index.htm)。

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雖然 部份蛋白質經變性後可以在變性條件去除後,回復原態蛋白質,但並非所有蛋白質均可如此。 請如下表整理出組成蛋白質各級構造的鍵結力量,然後看那些因素可以破壞這些力量,就是使蛋白質變性的方法。

構成力量

共價鍵

非共價鍵

破壞方式

一級構造

 

 

 

二級構造

 

 

 

三級構造

 

 

 

四級構造

 

 

 

 

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RNase 可以用尿素與 mercaptoethanol 造成變性,暫時失去活性;但是當變性劑去出之後,RNase 會記得原來的構形,恢復原來的活性。當然,有部份 RNase 分子可能會摺疊錯誤,因此無法回復原態。

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常見 的幾種變性劑,各有其變性機制,都是因於其分子構造的特點所致,說明於後。

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蛋白質 的二級構造純由氫鍵所組成,是利用蛋白質骨架上的 -C-CO-N- 與另一個氮原子所夾成的,而且數目極多,因此可穩定蛋白質的結構。尿素或 guanidine HCl 的分子構造模擬上述 -C-CO-N- 並取代之,因此可破壞二級構造;又因二級構造上的氫鍵數目極大,因此要使用相當高濃度的尿素 (2 M~8 M)。

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SDS (sodium dodecyl sulfate) 是一種界面活性劑,其分子同時含有極性的硫酸基團,以及非極性的十二碳飽和碳氫兩個部份。

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SDS 是強力的分子變性劑,其非極性部份可進入蛋白質的疏水性核心,與其疏水性胺基酸基團結合;同時極性部份露出蛋白質外,與環境的水分子結合。如此,就會把蛋白質的內部翻出來,使蛋白質分子變性,成為一條沒有構形的長條分子,並且分子表面均勻地塗佈上一層 SDS 的負電荷。蛋白質經 SDS 處理後,可以在膠體電泳中依其分子量大小泳動,是極為有用的分析工具。

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b-Mercaptoethanol 構造很像乙醇,但多了一個 -SH 基。此 -SH 基可以吸收氧分子,以防止氧化反應破壞蛋白質構形,可說是犧牲了自己來拯救蛋白質。 但 mercaptoethanol 也會對蛋白質上的雙硫鍵 -S-S- 進行還原動作,成為兩個 -SH 基團,同時瓦解部份的三級構造,使蛋白質構形改變而致變性。

在早期的女子美容院裡,經常聞到 mercaptoethanol 的獨特含硫味道。 因為燙髮過程中,先要用 mercaptoethanol 把頭髮蛋白質上的雙硫鍵打斷,把頭髮重新捲好之後,再加熱並氧化產生新的雙硫鍵,如此固定了頭髮蛋白質後,頭髮就會永遠捲曲。

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蛋白質 或酵素並非死板板的分子,而是有相當大的彈性。上面是『看漫畫學遺傳』一書中,說明酵素作用的卡通圖,書中的酵素還畫得相當誇張,像一隻會動的大嘴巴。以後當你仔細學了酵素的作用機制後,會瞭解其實這些卡通還蠻傳真的,有些酵素真的會有像圖中一樣的動作。

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以蛋白脢 carboxypeptidase A 的 X-ray 繞射圖為例,來檢視蛋白質的動作情形。分子中央有一個鋅,其右側隱約可以看到一個凹陷的洞口,周圍還有三個胺基酸的基團,一起等個獵物上門。

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當基質 進入活性區的凹陷口袋後,整個分子把基質吞入,洞口的幾個胺基酸基團收緊,然後在分子內部進行水解反應。其中以右側的 Tyr 基團動作最大,其移動的距離幾乎達到 20 埃。

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核磁共振 NMR 是偵測某個原子與周圍其它原子間的共振情形,則可計算得兩原子間的相對位置;若一個蛋白質分子上的每個原子都能如此一一偵測,整體計算起來,便可推得整個蛋白質構造的形狀。

因核磁共振是在水溶液中進行,蛋白質並非固定在結晶中,因此所『看到』的蛋白質構造,就不像以 X-ray 繞射法所得『照片』般的固定影像。所有可能出現的位置,都會被計算出來,因此所得到的『影像』有點像漫畫中的『發抖』圖形,看起來蛋白質分子好像在抖動,可能也真是如此。

看左邊的 Hb 分子,周邊的蛋白質片段抖動得較厲害,另有些地方則較不易抖動,正是夾著 heme 的部份。

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蛋白質 與另一不相干的蛋白質之間,有時會產生相當專一性的吸引力,而兩者可能來自不同細胞、不同生物,完全沒有關係。 像胰臟中的胰蛋白脢 trypsin,是動物專門用來消化食物蛋白質的酵素,在自然界中居然產生有許多種抑制劑,這些抑制劑都與 trypsin 有專一性的親和力,與 trypsin 結合後抑制了其活性,好像是自然界的生化武器。

抑制劑的分子構造中,通常都會有一部份長得很像 trypsin 的基質,讓 trypsin 誤以為是獵物而捕捉,雖然 trypsin 的確將抑制劑水解了 (只切一刀),但在水解後卻發現,trypsin 無法掙脫抑制劑的結合,因此不能再進行下一個催化動作,活性因此被卡住。

抑制劑為何與 trypsin 有如此巨大的親和力? 因為抑制劑與 trypsin 的活性區之間,兩個分子接面的形狀互補,並產生相當強大的吸引力。

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另一 抑制劑實例,就是卵白中的 trypsin 抑制劑 CHOM,是卵白中的重要成份之一,卻與胰臟中的 trypsin 有極強的親和力。我們可以拿容易純化的 CHOM 為釣餌,結合到親和吸著劑上面,用來釣取胰臟中的 trypsin,就是一種親和層析法。

請參考生物化學實驗 http://juang.bst.ntu.edu.tw/BCX/Protein.htm#P2

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兩個 分子之間的親和力是如何產生的?

首先,此二分子的接合面,在分子構形上,一定要成為互補。 其次,兩個互補的接面結合後,可以再利用其間所生成的一些二級鍵,加強兩者的吸引力。

尤其,接面構形互補的條件甚是重要,若能有互補形狀,而兩者間並無其它顯著的二級鍵吸引力,一樣也可以有相當強的親和力,原因請見後述。

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自然界中 的親和配對很多,最常見的就是抗體與抗原;而抗體的製備方法,是目前極少數的生化操作,可以對特別指定的物質,得到其專一性的結合分子。例如,我們可以用 SARS 病毒外殼蛋白質為抗原,對小白鼠進行免疫,則小白數的血清中,將可能產生有抗 SARS 病毒的抗體,純化分離此種抗體,將極為有用。

問題:除了抗體與抗原的例子,能否再舉出若干個具有專一性的分子配對?

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凡得瓦爾力 是分子間微弱且短暫的吸引力,多發生在非極性的分子間;雖然極性分子之間也可能有凡得瓦爾吸引力,但其重要性不若其它二級鍵。

繞在原子最外圍的電子依固定軌道運轉,而此電子在軌道球體上的分佈通常是均勻的。當兩個原子漸漸接近時,這兩個原子上的電子會相互影響其分佈情形;若其中一個原子的電子分佈非常短暫地發生不均勻現象,則會導致短暫的偶極性產生 (d+d-),而這短暫的偶極性會馬上誘導另一個原子上的電子,也產生電子分佈不均的現象,但接觸面的偶極剛好相反(d+d-)a ...(d+d-)b。這兩個相反的偶極,便可以產生極微弱且短暫的吸引力,即稱為凡得瓦爾力。

凡得瓦爾力的存在太短暫,因此很容易就散掉;為了達致最大的凡得瓦爾力,兩個原子核之間,要保持在一最適距離;太近則因電子相斥而減弱,太遠則電子間的吸引力又不夠。這個最適距離,即為該原子的凡得瓦爾半徑。

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因為 凡得瓦爾力實在很弱,因此要集合數十個凡得瓦爾力才能發揮作用。兩個巨分子間的接面,若其間相互對應的每一對原子,都能保持其凡得瓦爾半徑,則此二巨分子便可產生相當強的親和力量;這只有當兩個巨分子間的接觸面,剛好成為積木般的互補形狀時,才能達成。這種巨分子間的親和力,造就了很多細胞的生理特性與功能。

你相信嗎? 壁虎可以飛簷走壁就是靠凡得瓦爾力。它的腳掌上有很多凸出條紋,上面佈滿奈米級的細毛,與牆面密切接觸,產生很多的凡得瓦爾吸引力。

請參考新聞 Nature (2007) 447: 1035。

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基因體 開拓了科學家的視野,以更寬廣的角度去看原先的問題。同樣的,也影響我們對蛋白質的看法;蛋白質體學就是針對生物的某一器官、生長時期或生理反應,對整體蛋白質的消長,進行全面性的探索。除了瞭解所增減的蛋白質種類或身份之外,檢查整個蛋白質體內,各種蛋白質之間的專一性交互作用,也是重要課題。

因為,細胞內各種蛋白質並非單獨作業,而是相互間有密切且頻繁的聯繫與關係,可說是互相有對談 (cross talk),以便合力把一件生理任務執行好。然而,此種對談並非隨意,否則細胞內的生理機能可能大亂;分子與分子間的對談有其專一性對象,因此分子間的專一性交互作用,便是執行細胞任務的最基本條件。

你無法在細胞裡面,找到任何一個蛋白質,不需與其它分子交談,而能進行其生理機能者;而這種交談,必須是專一性的。也就是說,細胞內每一個蛋白質,都至少有一個專一性的結合對象。因此,若把這種結合關係一一連線起來,將會有一張很複雜的關係圖,從這張圖中可推知細胞的種種生理途徑。

請參考 Ezzell C (2002 六月) 蛋白質當家。科學人 2002 (6): 46~54

本網頁最近修訂日期: 2008/02/08