E701

酵化講義目錄 第 7 節

熟悉酵素的各種性質後，生化課將要進入各種代謝途徑，因為每種代謝反應，都有一個酵素在做催化。 首先我們將簡介何為代謝途徑 (7.1)，說明調節代謝途徑的一些基本原則，並以異化代謝為例，說明細胞如何有計畫地把食物分子逐步分解成小分子，然後進入細胞內最重要的一條代謝大道 (糖解作用 glycolysis)。

接著將整理出細胞內代謝途徑的調節方法 (7.2)，如何以控制酵素的量或活性來控制代謝途徑，如何以荷爾蒙來開或關閉代謝途徑，細胞甚至可以用空間上的效應來加強酵素系統的作用。最後我們簡要介紹研究酵素及代謝系統的材料種類，以及材料的取得與處理方法 (7.3)。

這一節的討論，多相當鉅觀，沒有太多分子層次的解析。不過，這種大範圍的審視也十分重要，以免走入死胡同而不知全貌。現在的分子生物學研究，也都要回歸到整個細胞、生物體、甚或整個生態的佐證，才能更有力地證明分子層次的發現是否有意義。

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E702

7.1 先瞭解主要代謝路徑 (切牛排)

在細胞內可降解澱粉或肝糖得到磷酸化的單糖，再將此單糖導入糖解作用 (glycolysis)；單糖的碳數一路崩解，由六碳成為三碳 (pyruvate)，進入粒線體後成為兩碳 (acetyl CoA)，再進入檸檬酸循環完全氧化成為二氧化碳。在此過程中，產生許多能量分子，其中的 NADH 再進入氧化磷酸化反應生成 ATP。

這條主要代謝路徑有幾個應注意之重點。 首先是上面所說的碳數一直下降而分解，同時要注意碳數不但下降，而且碳原子一直被氧化 (失去氫原子)，最後成為二氧化碳。細胞就是靠這樣的氧化作用，消耗具有化學能的碳氫化合物 (糖類)，以產生能量 (左下圖方塊中)。

其次，整個步驟可大分為三個階段，先是把巨分子的澱粉或肝糖分解，成為單位小分子的磷酸化單糖，進入糖解作用繼續分解成 pyruvate，pyruvate 再進入粒線體，經過檸檬酸循環完全氧化成二氧化碳。

請依下列各種角度來觀察這條主要代謝路徑：

(1) 流程： 澱粉 → Glc-6-P → Glycolysis → 氧化磷酸化反應 → ATP

(2) 分子： 大分子 → 小分子  → CO₂ + H₂O

(3) 碳鏈長度變化： 6 → 3 → 3 → 1

(4) 細胞空間： 胞外或胞器 → 細胞質 → 粒線體

(5) 氧化狀態： 醇基-OH  →  → → CO₂ 

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E703

主要代謝路徑整理 (Glycolysis)

上圖把糖解作用的主要代謝路徑，做大略的分析與解釋。 此路徑的主要基本動作是 (1) 將糖類分子分解，(2) 把碳分子氧化，(3) 並且獲得能量。其中列出主要的三個 Stages，並且把各個 Stage 的關鍵分子列出，最後在檸檬酸循環釋出二氧化碳，並在氧化磷酸化後產生水分子，完成碳原子的利用。整個過程中，糖解作用收獲得少數能量 (ATP)，而檸檬酸循環可以得到許多 NADH，這些 NADH 上的能量 (電子) 可以再經粒線體上的氧化磷酸化反應，轉換成 ATP。

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E704

細胞如何控制酵素

細胞為了要有效利用酵素及代謝路徑，用了很多方法來調控它們。其中基因表現層次的控制，將在核酸或分子生物學中詳細講述，我們只在下頁圖文中大略介紹；而酵素活性的調控，以及代謝途徑控制的通則，已經在前面詳細說明過。

另外有兩種方式也可以控制酵素及代謝，其中以荷爾蒙來作為全身性的長途控制，是極為常見的方式，而且在生理上極為重要。但請注意，荷爾蒙只把調控命令帶到目標細胞的表面，由細胞膜上的接受體把信息傳入，經由 second messenger (如 cAMP) 引發細胞內的反應，這是我們前面已經提過的調控方式。

另一方面，細胞可以利用空間上的隔離或集中，來達成調控的目的。例如把一些同質性或高危險的酵素集中在胞器內，或把連續幾個反應的酵素集中成為一個酵素複合體，或把酵素附在細胞膜上，都是利用空間上的便利所達成的。

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E705

7.2 基因的表現

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。

mRNA 生成後，在原核細胞可以很快轉譯出蛋白質，但在真核細胞者又可以有各種調控機制，控制由 mRNA 到蛋白質的轉譯過程。所轉譯出來的蛋白質或酵素，又可受到很多的調節方式，在我們酵素的部份已有詳細說明。

因此，細胞為了掌控胞內蛋白質或酵素的活性，真是無所不用其極；尤其在較高等的真核細胞，擁有比原核細胞複雜而有效的調控機制。

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E706

酵素純化方法的原理

酵素是一種蛋白質分子，而不同的蛋白質分子間，會有各種不相同的性質；例如各種蛋白質的分子量會有大小不同，其表面的帶電性也會有差異，甚至分子的密度也不一樣。 以上這些性質，都可以被利用來作為分離蛋白質的依據；科學家們也設計了很多工具，可以有效地執行這些條件，達成分離的任務。

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E707

如何分離這些大大小小積木？

要純化或分離出某種蛋白質，就要利用蛋白質之間某些性質上的差異，例如它們的形狀、大小、比重等不同。

如上圖的假想例中有 12 個物件，其大小、形狀與比重都不完全相同。若我們要分離出其中的 5 號木球，首先用一大一小兩種篩子，就可去掉 1, 2, 3 號三個較大者，以及 9, 10, 11, 12 號四個較小者。剩下的 4 - 8 號都有相同的大小，但因比重不同，在一個裝有密度梯度溶液 (如甘油梯度) 的量筒中，7 號石頭塊很塊下沈，六號棉球又無法下沈，我們因此可以在中央部份收到木質的 4, 5, 8 號物件。然後把這最後的三個物件放在一斜坡上滾下來，5 號木球會因為形狀的關係滾得最快，而 4 號因為是方塊而幾乎不動，8 號則介於兩者之間慢慢滾下來。我們因此可以分離得到 5 號木球，同時也可分得 4 號及 8 號。

在實際生活裡，我們當然不會用如此笨拙的方法來分離這些東西，但其基本原理與蛋白質的分離與純化非常類似；我們的確利用蛋白質間分子量、分子形狀及密度的不同，或者分子所帶電荷不同，來作酵素的純化分離工作。

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E708

酵素純化方法整理

酵素研究大多要先把該酵素純化出來，才能夠做進一步的分析與鑑定。酵素來源通常由細胞取得，在打破細胞後離心，可除去與細胞碎片。所得到的巨分子中，有核酸、蛋白質、多糖類與脂質的聚合物 (脂質不是巨分子)，我們可以用硫酸銨把所有蛋白質沈澱下來，酵素即在其中。

接著，我們可以利用各種酵素間不同的性質，來做進一步的純化；例如，分子量不同的酵素，可以利用膠體過濾 (gel filtration) 來分離之。以上所列的各種性質差異，都可以選擇利用來分離純化蛋白質，一直到接近純質為止。

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E801

Genome → Proteome

Proteome 這個字是由 genome 衍生來的，故與 genome 有密切關係。

Genome 是一個細胞染色體上全體基因的總稱，假設這些基因全數表現成蛋白質，此一總體蛋白質即稱為 proteome。當各物種的 genome 一一被解出之後，我們可以翻出其總體蛋白質，由其所含的蛋白質種類，即可推測該細胞的代謝生理，或者其生理病變。

要記得一個細胞內的總體基因，並不是每一個基因都正在表現。

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E802

2D 電泳 →  Mass 定序分析

微量純化與分析技術，使得生化學家可以快速分離出一個蛋白質，並且準確判斷此蛋白質的身分。

通常從一個細胞樣本中，把總體蛋白質抽取出來，以二次元電泳分析之，定出所要找的目標蛋白質色點；切出此色點後，可直接在膠體中以專一性蛋白脢水解之，並以 HPLC 或毛細管電泳分離出單一胜肽片段，此一片段可用質譜儀或胺基酸定序儀分析其胺基酸序列，所得胺基酸序列由電腦資料庫中搜尋，即可判別原蛋白質的身分。

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