E101

酵素講義總目錄

清楚瞭解蛋白質的構造，對學習酵素而言非常重要；我假設同學對蛋白質的構造與性質，都有很好的基礎背景。因此除非必要，將不會再講到蛋白質的四級結構與其性質，請自行 複習 上一部份的教材。

我們上課的進度將以所發的講義為主，其中各章節的編排方式，與所用的課本不太一樣，但應可找出互相對應的部份，請勿忽略閱讀課本文字。酵素部份的上課內容，也將全程以幻燈片講解；幻燈片的內容來自十多本教科書，希望能找到最好、最容易瞭解的圖片，來說明生物化學中有關酵素的種種有趣現象。雖然講義中寫有酵素在生物技術上的一些應用例 (第八節) ，但因時間關係在課堂上無法講述，僅供同學參考之用。

為了方便同學們找到這些資料，我把圖片 集中 影印，並且加上自行編製的圖表及說明，收集成冊以利同學課餘研讀。雖然如此，課堂上的講習仍然是最重要的，因為可以很快速給同學們整體且鮮明的觀念。

用幻燈片上課甚為直接而有效，但因燈光昏暗以致同學容易入睡；請在上課前一天早早入睡，次日一早提前到課堂預習上課，則必能大有收穫。亦不妨以咖啡或濃茶提神，甚或懸樑刺股，均可一試。

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E102

酵素的演進歷史

埃及人很早就知道利用醱酵來製造酒類。造酒的原理是利用穀類或水果中的糖分，培養酵母菌使之生長醱酵，所產生的代謝物中，有一部份是酒精，另有一小部份芳香物質，造成了吸引人的酒類風味。

古人不知酵母菌的作用，因此覺得造酒過程中有種神奇的轉換力量，可以把穀類或水果變成好喝的酒。現在我們知道，酵母菌是以糖類為起始基質，經由 糖解作用 (glycolysis) 產生乙醇。而此糖解過程中，都是各種酵素在進行催化反應，一步一步把糖類催化轉換成乙醇。這糖解作用是代謝的第一條主要大道，將會在後面的課程中詳細介紹。

時空轉換到二十世紀初，還不清楚這種自然的轉換力量是什麼；當有機化學開始發展後，才漸漸得知是酵母菌中的某類物質，在進行著糖類的轉換反應；後來分析得到是一種蛋白質。

在 1926 年 Sumner 首度將一種酵素 urease 結晶出來，是生物化學上的一個重大里程碑；因為具有神奇催化能力的酵素，居然也可以像一般有機化合物一樣，在試管燒杯中結晶出來。從此開啟了數十年的蓬勃酵素化學研究，發現細胞內大部分的代謝途徑，而每一步代謝反應，都有一個對應的專用酵素來負責催化。

酵素對細胞的生理作用幾乎無所不在，古早認為無法捉摸的人類情緒，卻發現與酵素的能否正常運作有部份關係。例如，貓狗的除蚤劑是一種酵素的抑制劑 (acetylcholinesterase inhibitor)，不小心吸入生物體，會使得人或動物的脾氣變得很暴躁。

酵素這一部份的課程，將要帶領同學進入這個催化的神奇世界。

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E103

酵素的催化例︰ H₂O₂

酵素可以加快某一反應的速率，因為酵素可以降低此反應的活化能。

以雙氧水為例，雙氧水放在室溫下，本身會慢慢降解成水及氧分子，但其速率很慢 (上圖以 1 表示其速率)。若在雙氧水中加入氯化鐵，則其降解速率可增加一千倍；若加入血紅蛋白，則可增加一百萬倍。這都是因為兩者的鐵原子可以吸附掉產物之一的氧分子，使得反應向右進行；但比起 catalase 來，這兩者都是業餘的，因為酵素 catalase 可以使上述反應增加十億倍。Catalase 是真正推動了雙氧水的降解反應，使其降解速率加快，而非僅僅利用勒沙特列原理而已。Catalase 提供一個催化表面，吸附雙氧水分子，並誘使產生氧分子。

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E104

構形 conformation

構形 是蛋白質的一切根本。

若沒有正確的構形，蛋白質將喪失其活性，在細胞內也會很快被消滅。蛋白質的一切行為，都可以構形來說明；而構形的形成，又根基於其一級構造的胺基酸序列；後者則是由基因上核苷酸序列所轉譯而得的。

有些蛋白質可容忍其分子中大部分胺基酸種類的改變，但其整體分子構形則維持不變，血紅蛋白 hemoglobin (Hb) 即為一例。經過數十萬年的演化，雖然不同物種間的血紅蛋白，其胺基酸序列已經有相當大的變異，但其整體分子構形仍然很相像，都可以有效地夾住 heme，以便與氧分子結合。雖然胺基酸序列有相當的不同，但若干個重要位置的胺基酸，在所有的血紅蛋白分子中，卻永遠保持不變。

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E105

四級構造 的意義

我們對蛋白質的四級構造區分，似乎不只是作為構造上的組織層次，而有其生理功能上的重大意義。

只看一級構造時，其胺基酸序列只是一條胺基酸的連續排列，沒有人能說它是有生命的。 當此胺基酸序列漸漸捲成二級構造，生成 a helix 及 b sheet 等固定結構，再集合成為三級的獨立單位，蛋白質因為有了固定的構形，產生了催化活性或生理功能。而當數個如此的三級構造進一步組成四級構造，分子似乎會有思考的能力，知道何時該有較大的活性，何時該休息。具有活性的蛋白質巨分子，已經是生命細胞的基礎；而具有辨別力的四級構造，則似乎有所謂的智慧了。血紅蛋白的運氧功能調節方式，是一個絕佳的例子。

回想一下宇宙的生成，起先是基本粒子的組成，接著是一連串的組合，由小分子組成巨分子，到了巨分子的蛋白質，竟然還是以組合來達成某些特定的功能。這些大大小小的分子，組成了細胞膜、染色體、器官組織等，也組成了生命。

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E106

Ribozyme (催化性 RNA)

RNA 分子因為是單股核酸，而且其分子通常不會很長，因此可以捲繞成一定的分子構形，可能因而具有催化的能力；此種具有催化力的 RNA，統稱之為 ribozyme。

T. Cech 發現原蟲之一的四膜蟲，其核糖體 RNA 含有 intron，此 rRNA 可以催化其自身 intron 的切除；而這段被切出來的 intron 分子卻可以繼續催化此種切除動作，已有類似酵素的催化行為。 同時，在進行上述催化反應時，須外加一個 guanosine 核苷作為輔助；這又可能是輔脢的始祖。

DNA 是雙股核酸，而且其分子量非常巨大，因此無法自由捲繞成特定構形，都只是形成長長的雙螺旋構造。 RNA 分子內的鹼基，除了有正常的 Watson-Crick 配對以外，還有非 W-C 配對的鍵結，使得 RNA 得以形成各種形狀的構形，以配合某種特定的催化反應。 RNA 是唯一同時具有貯藏信息能力及擁有固定構形的分子。

Ribozyme 的發現，使我們更肯定在地球上最早形成的巨分子，可能是 RNA。 RNA 可以指示某特定功能的蛋白質的轉譯，並且把其遺傳信息貯藏到 DNA 分子上，因此達致目前 DNA → RNA → Protein 的世界。

◆ Lehninger Biochemistry in 3D 點選 Hammerhead Ribozyme (要 Chime)

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E107

酵素目錄 第 1, 2 節

我們在描述了酵素的大體印象後 (概論)，將由酵素的命名法則 (第一節) 開始；因為千萬種的酵素，各有不同的名稱與性質，如何釐清其命名規則，是極為重要的起步；因名不正則言不順也。然後將剖析酵素的分子組成，除了蛋白質外，還可能含有許多非蛋白質的輔助因子 (輔脢)，使得酵素成為更具威力的催化工具 (第二節)。

在探索輔脢早期演化角色的時候，把我們帶進了生命源起之前的 RNA 世界，並且很快地經歷了一次假想的地球早期的分子演化過程，同時也瞥見可能的酵素以及輔脢之始祖。

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E108

酵素的命名：[催化反應]-ase

請注意有 -in, -zyme, -ase 字尾的名詞，可能是某種酵素的名稱。目前新發現的酵素都使用系統命名法，可以很清楚地表達該酵素的功能。國際生化聯盟 (IUBMB) 的酵素委員會 (Enzyme Commission) 所訂定的一套數字系統命名法，像是身分證字號一樣，給每一種酵素一個系統編號。

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E201

2.1 酵素的組成︰全脢 holoenzyme

部份酵素本身只有蛋白質，但很多酵素另需加上其他種類的小分子，才能成為完整的酵素，稱為 全脢 (holoenzyme)。這些小分子通稱輔助因子，又分成微量金屬及輔脢兩大類，後者多屬維生素。輔助因子都是人體無法自行合成，須由外界攝取者；我們日常吃的維他命丸 (如善存)，就幾乎全是輔助因子。

有些蛋白質要聯合兩個或數個相同或不同的次單元體，連結在一起之後，才能成為具有功能的酵素；相反的，有些蛋白質則要先切除掉其分子上的某些胜肽片段，才會具有催化活性 (例如 chymotrypsinogen → chymotrypsin 及胰島素 insulin)。

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E202

20 種胺基酸基團的樣子

二十種胺基酸基團 在蛋白質分子構形中的模擬位置圖解，可以看出各種基團大小的不同，在蛋白質構造中所造成的不同填充效果；較大的基團 (如 Trp) 可佔據較大的空間，較小如 Gly 者幾乎看不到；非極性的胺基酸基團，都可以作為類似積木般的填充單位。

另外，各種帶有電荷的胺基酸基團，也會對蛋白質的構形或性質做出貢獻；比較 Asp 與 Glu 的側鏈長短不同，因此其基團所帶的負電荷，在空間中伸出的長度也不同。帶有正電的鹼性基團 (如 Lys, Arg) 都有相當長的側鏈基團，因此有相當大的自由活動空間。至於最彆扭的 Pro 則在蛋白質表面轉折成一急轉角，蛋白質長鏈通常會在此逆轉方向，形成一個 turn。

雖然這二十種胺基酸很稱職地組合成蛋白質的立體構造，但是其反應性基團的活性都不高，無法提供較強力的基團，以供構形組成之用，或者進行催化反應時的活性基團。因此，蛋白質合成出來之後，經常還要進行各種修飾，或添加其它輔助因子，以便達成更複雜的任務。

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E203

為何要使用輔脢？

組成蛋白質所用的二十種胺基酸的基團中，不是屬於非極性者，就是相當溫和的酸性或鹼性機團；因此整個蛋白質分子上，也鮮有特別具有反應性的基團。為了補足此一缺點，以增加酵素的反應能力，酵素分子通常可以加入其他的化學小分子或金屬離子，作為幫手，以達致其最適當的狀況。這些小分子即稱為輔脢，與金屬離子統稱輔助因子。

輔助因子除了可以直接參與酵素的催化反應外 (3)，通常它的加入會對酵素的分子構形有影響 (1)。同時，輔脢也提供一個場所，讓催化反應中的基團轉移作為暫存區 (2)。

請儘量在此先把各種輔脢的構造與功能學好，因為在往後的各種代謝過程，其所用的許多酵素都含有輔脢。 我們以一種最重要的輔脢為例，說明其構造與功能，此即所有的去氫脢都會用到的 NADH。

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E204

2.2.1 金屬離子可維持構形

金屬離子帶有強烈的正電荷，可以填補到某些蛋白質上的適當位置，與上面所帶的負電性胺基酸基團結合；此舉不但使蛋白質帶上一個金屬，蛋白質構形也會因此而有所改變，甚至成為活性型。

有些酵素上面的金屬，不但有上述增強構形的功用，甚而參加酵素的催化反應，尤其在一些氧化還原反應上，更有重要角色。

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E205

輔脢 NADH

去氫脢是一大群常見的酵素種類，可以對不同的基質，催化類似的去氫反應。所有的去氫脢分子都含有兩個 domains：其一可專一性地與其基質結合，另一則與輔脢 NADH 結合。所有去氫脢上的 NADH 結合 domain 都長得很像，推測是由同一基因衍生過來的。

請詳細研究 glyceraldehyde-3-P dehydrogenase 的例子。

這個 NADH 結合 domain 可以結合一分子 NAD⁺，當酵素對其基質進行去氫反應時，所除去的氫原子，要暫時貯藏在 NAD⁺ 分子上，成為 NADH。因此，此去氫反應會伴隨著 NAD⁺ → NADH 的變化；而此二個形態的分子，在 340 nm 的波長會有不同的吸光程度。利用此一性質，當我們監視 340 nm 吸光度的增加，就可以知道去氫反應是否在進行著，也因此可測量去氫脢的活性。

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E206

Hydride, H^- (含有額外電子的氫原子)

NADH 上的氫是含有額外電子的氫離子 hydride (:H^-)，而非一般常見的已經去掉電子的 proton (H⁺)；這個 hydride 是接在 NADH 的 nicotinamide 環上。 具有額外電子的 hydride 才有化學能，因此 NADH 是具有位能的能量分子；NADH 可以進入氧化磷酸化反應，以便產生 ATP。

NADH 上的 hydride 也可以只是暫存，NADH 可供應 hydride 給需要氫的還原反應，則也是作為輔脢的功用。

(Hydride 的說明另請參閱 A07)

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E207

Nucleotide 的構造

若你仔細分析輔脢的分子構造，可以發現很多輔脢上面都有核苷酸或核苷的部份，NADH 就是一個很典型的例子。

若同學還記得 ribozyme 的催化性質，有時需要一個 guanosine 來幫忙催化反應，則此小幫手 guanosine 可能是最早的輔脢分子。因此輔脢含有核苷酸可能是一個重要的證據，支持地球演化最早可能是一個 RNA 世界的假說。

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E208

RNA world (三個理由)

除了上面三個論點可支持地球演化之初為 RNA 世界外，尚有其他反面考量可以加強此一觀念。例如，RNA 是核糖核酸，而 DNA 是去氧核糖核酸；在自然界中，應該是先有核糖，然後再產生去氧核糖才是。另外，RNA 分子的不穩定，鹼基序列容易突變，在早期地球的旺盛分子演化，反而是一種有利的因素。

另外，DNA 的確是一個非常好的信息貯藏分子，它的雙股長鏈把鹼基包在分子內側，以防紫外線對鹼基造成的破壞；核糖核酸去除氧分子後，變得非常穩定，不會像 RNA 一樣容易因水解而消滅；DNA 也把 RNA 上的 U 換成 T 鹼基 (多一個甲基)，使得因誤讀所造成的突變大為降低。不過，DNA 分子實在很長，除了貯藏信息外無法有其他顯著生理功能；在早期的分子世界中，只能貯藏信息的分子是沒有很大生存優勢的。

因此，一般推測早期的地球是先有 RNA 及蛋白質巨分子，當 RNA 衍生出一套複製規則 (A=U, C≡G)，開始了分子演化的序幕。 某些 RNA 可能以自己的信息指導有用蛋白質的合成，而此蛋白質可回頭催化 RNA 的複製，因而形成一個極為有效的搭檔關係。當此搭檔收納到一脂質薄膜所圍成的小球後，即形成最原始的細胞形式。接著 RNA 為了有效保存其核酸序列，把其信息交給少數 DNA 分子貯藏，再由 DNA 複製多個 RNA 來製造蛋白質，也可以增加表現的效率。如此，便成為今日所有細胞中的中心大法 (Central dogma)：DNA → RNA → Protein。

上面所說得那個催化 RNA 複製的原始蛋白質，很可能就是今日酵素的始祖。雖然 RNA 的催化反應已經改由蛋白質負責，但還是沿用原來的核苷酸小幫手，就是日後的輔脢。

◆ The RNA World Page (有許多相關的基本定義及連結)

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E209

Shelfish Gene 基因為何自私

Richard Dawkins 的巨著 The Selfish Gene 引起了相當的震撼，因為他明白地指出，人類或萬物只不過是基因利用來繁衍基因自己的一種工具而已；以生物或演化的角度看來，事實上確是如此。基因的所有行為及思考，都是以其自身的傳遞為第一優先。這個概念使得人對自己存在的意義，產生極大的懷疑與恐慌。

更令人驚訝的是，本以為基因繁衍的是 DNA 這種分子，我們出生、成長、及結婚生子、死亡等過程，全在傳遞我們細胞核中的那長條 DNA 分子。但在發現地球上最早的分子可能是 RNA 而非 DNA 後，大家又對所要傳遞的東西是否真的是 DNA，開始感到懷疑。因為假如 RNA 真的是最早的傳遞分子，為何會被 DNA 篡位？

因此，生物所要傳遞的，或許不只是物質上的 DNA 或 RNA 分子，而是其上面的分子序列；也就是說，是 DNA 或 RNA 都不重要，重要的是上面所攜帶的信息。若物質的 DNA 是以一種叫基因 gene 的單位來傳遞，那麼上述這種信息傳遞，也好像可有一種單位，Dawkins 創造了一個新名詞叫做 meme。 Meme 寄生在基因中，以基因為『肉身』把自己一直傳遞下去，而此肉身可以是早期的 RNA，也可以是現在的 DNA。 Meme 的概念事實上無所不在，例如我們到處散佈教條、傳播觀念，我們都要別人聽自己的想法，否定別人的想法，這是微觀的 meme 的鉅觀表現。 我在寫這份講義時，也是在傳佈我的 meme。

各位若有興趣，天下已有本書的翻譯本『自私的基因』 ，可以一讀。

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