Protein(3) 2007B.pdf

三 級 構 造 (Tertiary structure)
● 二 級 構 造 單 位 集 合 組 成 三 級 構 造
一 些 二 級 構 造 組 合 會 反 複 出 現 在 不 同 蛋 白 質
如 αααα; βαβ; α 8
β 8
( 桶 狀 ) ← Motif, Supersecondary
● 三 級 構 造 的 組 成 力 量 :
▓ 氫 鍵 ▓ 離 子 鍵 ▓ 疏 水 鍵 ▓ 雙 硫 鍵
→ 三 級 構 造 的 氫 鍵 多 由 胺 基 酸 的 基 團 所 貢 獻
→ 蛋 白 質 上 的 金 屬 離 子 通 常 都 可 穩 定 分 子 構 形
→ 疏 水 性 胺 基 酸 多 深 埋 在 水 溶 性 蛋 白 質 的 核 心
→ 各 級 組 成 力 量 中 只 有 雙 硫 鍵 及 胜 肽 鍵 是 共 價 鍵
Juang RH (2007) BCbaiscs
由 若 干 二 級 構 造 單 位 , 可 進 一 步 組 成 一 個 完 整 的 蛋 白 質 分 子 , 即 為 三 級 構 造 。
一 些 二 級 構 造 的 組 合 , 經 常 會 重 複 出 現 在 不 同 的 蛋 白 質 中 , 例 如 有 許 多 蛋 白 質 都 有 αααα 的
二 級 構 造 組 成 ,α 8 β 8 捲 成 的 桶 狀 構 造 也 常 看 到 ; 可 稱 為 蛋 白 質 二 級 構 造 的 motif, 或 稱
supersecondary 構 造 。 演 化 似 偏 好 這 些 motif 的 構 造 , 可 能 有 其 功 能 或 構 造 上 的 優 點 。
Motif 的 使 用 有 點 氾 濫 , 胺 基 酸 序 列 、 二 級 構 造 、DNA 序 列 等 , 都 有 motif 的 稱 呼 , 都 是 在 指 那 些 經 常 出 現 的 序
列 片 段 , 經 常 被 重 複 拿 來 應 用 。 若 胺 基 酸 比 喻 成 文 章 中 的 單 字 , 則 二 級 構 造 的 α helix 及 β sheet 就 好 像 句 子 , 由
數 個 句 子 組 成 段 落 , 即 為 上 述 的 motif; 若 干 段 落 可 組 成 文 章 , 即 整 個 蛋 白 質 分 子 。 這 樣 的 一 個 motif 段 落 , 若 在
蛋 白 質 分 子 構 造 上 成 為 一 個 區 域 , 則 可 稱 之 為 功 能 區 塊 domain。
這 些 含 有 數 個 二 級 構 造 的 組 合 , 是 以 何 種 力 量 連 繫 在 一 起 的 ? 通 常 還 是 以 二 級 鍵 為 主 要 力
量 , 除 了 氫 鍵 外 , 在 空 間 上 相 接 近 的 胺 基 酸 基 團 若 分 別 帶 有 正 負 電 荷 者 , 也 可 以 離 子 鍵 相 結
合 。 水 溶 性 蛋 白 質 的 疏 水 性 胺 基 酸 多 藏 在 分 子 內 部 , 以 疏 水 鍵 造 成 了 一 個 核 心 , 可 以 穩 定 整
個 蛋 白 質 分 子 的 構 造 。Cysteine 是 帶 有 -SH 基 團 的 胺 基 酸 , 當 兩 個 Cys 的 -SH 遇 在 一 起 時 , 會
氧 化 形 成 -S-S- 的 雙 硫 鍵 , 可 以 把 蛋 白 質 的 兩 段 脊 骨 像 架 橋 般 接 在 一 起 。 雙 硫 鍵 越 多 的 蛋 白 質
通 常 對 熱 較 穩 定 , 因 為 分 子 比 較 不 易 被 扯 開 。
由 二 級 構 造 到 三 級 構 造 的 過 程 , 有 比 較 多 且 較 複 雜 的 步 驟 或 程 序 , 因 此 對 蛋 白 質 三 級 立 體 構
造 的 預 測 , 比 較 不 容 易 。
P3-1

三 級 構 造 中 的 氫 鍵
二 級 構 造 氫 鍵
β sheet
三 級 構 造 氫 鍵
α helix
胰 臟 trypsin inhibitor
Garrett & Grisham (1999) Biochemistry (2e) p.181
三 級 構 造 的 氫 鍵 與 二 級 構 造 者 不 同 , 請 注 意 這 些 氫 鍵 並 不 是 在 α helix 之 內 , 那 些 以 脊 骨 的
C=O 及 N-H 所 鍵 結 成 的 氫 鍵 , 而 是 胺 基 酸 側 鏈 基 團 間 所 造 成 的 氫 鍵 。
問 題 : 二 級 構 造 與 三 級 構 造 的 氫 鍵 , 兩 者 在 許 多 方 面 不 太 一 樣 , 請 說 明 其 不 同 點 , 以 及 對 構
造 的 影 響 。 另 外 , 做 這 樣 的 區 別 有 意 義 嗎 ?
P3-2

三 級 構 造 中 的 離 子 鍵
可 與 金 屬 離 子 形 成 離 子 鍵 :
Cys, His, Glu, Asp
金 屬 離 子 對 蛋 白 質 的 貢 獻
(1) 穩 定 蛋 白 質 構 造
(2) 參 與 該 蛋 白 質 的 功 能
Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.1000
金 屬 離 子 對 穩 定 三 級 構 造 有 相 當 的 貢 獻 。 許 多 蛋 白 質 中 含 有 金 屬 離 子 , 鑲 在 蛋 白 質 的 二 級
構 造 之 間 , 可 吸 引 一 些 側 基 基 團 (-COOH, -SH, -imidazole) 形 成 配 位 鍵 , 以 穩 定 蛋 白 質 三 級 構
造 。 有 些 金 屬 離 子 , 也 會 直 接 參 與 該 蛋 白 質 的 生 理 功 能 , 例 如 參 加 酵 素 的 催 化 反 應 。 上 圖 zinc
finger 是 一 種 常 見 的 蛋 白 質 構 成 小 單 位 , 由 一 個 鋅 原 子 抓 住 一 段 α helix 及 兩 條 β sheet, 形 成
好 像 手 指 的 構 造 , 數 隻 手 指 組 成 一 個 區 域 , 可 用 來 與 DNA 結 合 。
問 題 : 與 蛋 白 質 構 造 有 關 的 金 屬 , 大 多 是 過 渡 金 屬 , 如 鐵 鈷 鎳 鋅 銅 等 。 請 問 過 渡 金 屬 有 何 特
點 ? 為 何 蛋 白 質 都 使 用 過 渡 金 屬 ? 而 不 用 鋰 納 鉀 等 小 金 屬 , 或 金 銀 鎘 鈾 等 重 金 屬 ?
■ 除 zinc finger 外 , 還 有 幾 種 可 與 DNA 結 合 的 蛋 白 質 區 塊 , 請 先 到 Lehninger Principles of Biochemistry (4e) p.
1088 前 後 查 看 這 幾 種 蛋 白 質 的 構 造 特 徵 。
P3-3

三 級 構 造 中 的 疏 水 性 作 用 力
疏 水 性 胺 基 酸 基 團
親 水 性 基 團
以 水 溶 性 蛋 白 質 而 言
( 脂 溶 性 蛋 白 質 恰 相 反 )
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.135
對 水 溶 性 蛋 白 質 而 言 , 整 個 立 體 構 造 的 中 心 , 大 都 由 非 極 性 胺 基 酸 所 組 成 , 非 極 性 基 團 之 間
形 成 疏 水 性 吸 引 力 , 可 避 開 外 界 水 分 子 環 境 , 使 得 構 造 更 為 穩 定 。 反 之 , 大 部 分 的 親 水 性 基
團 , 便 暴 露 在 分 子 外 側 , 與 外 界 的 水 分 子 有 較 強 的 親 和 力 , 容 易 融 入 水 環 境 中 。
想 一 想 , 若 水 溶 性 蛋 白 質 的 核 心 部 份 , 大 多 是 由 親 水 性 胺 基 酸 組 成 , 則 如 此 組 成 的 蛋 白 質 三 級 構 造 , 便 有 一 個 親
水 性 很 強 的 核 心 , 可 能 會 跑 出 來 與 外 界 的 水 分 子 結 合 , 就 很 容 易 因 此 造 成 變 性 。
但 是 脂 溶 性 的 蛋 白 質 則 恰 好 相 反 , 有 一 個 親 水 的 核 心 , 而 其 表 面 多 為 疏 水 性 基 團 。 這 種 蛋 白
質 多 分 布 在 細 胞 膜 內 , 是 細 胞 膜 蛋 白 質 的 特 性 , 例 如 許 多 細 胞 受 體 (receptor)、 離 子 通 道 、 呼
吸 鏈 酵 素 等 。
P3-4

三 級 構 造 中 的 雙 硫 鍵
C
CH 2
SH
SH
分 子 間
Interchain
Disulfide bond
C
CH 2
S
S
C
CH 2
SH
SH
CH 2
C
CH 2
C
Oxidation
Reduction
分 子 內
Intrachain
Disulfide bond
C
CH 2
S S
CH 2
C
CH 2
C
Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.152
雙 硫 鍵 有 上 述 架 橋 特 性 , 形 成 堅 固 的 連 接 , 也 可 經 由 還 原 反 應 打 斷 ; 但 打 斷 後 的 -SH 也 可 再
氧 化 回 來 , 恢 復 雙 硫 鍵 。 因 此 , 早 期 Anfinsen 以 含 有 很 多 雙 硫 鍵 的 ribonuclease A (RNase A)
進 行 這 種 可 逆 反 應 的 實 驗 , 發 現 RNase A 可 在 原 態 與 變 性 狀 態 下 來 回 轉 變 。
後 來 發 現 , 大 部 分 的 蛋 白 質 卻 不 像 RNase A 一 樣 地 可 自 由 地 變 性 與 復 性 , 雙 硫 鍵 的 形 成 或 打
斷 , 都 需 要 經 由 另 一 種 酵 素 的 催 化 。 而 要 正 確 地 摺 疊 三 級 構 造 , 有 時 需 要 相 當 複 雜 的 幫 手 來
協 助 , 這 一 群 幫 手 統 稱 為 chaperonin。
問 題 :Cys 除 了 形 成 雙 硫 鍵 以 穩 定 構 造 外 , 也 可 能 直 接 參 與 催 化 反 應 。 若 你 已 經 有 某 蛋 白 質
的 全 部 序 列 , 以 及 其 立 體 結 構 , 將 如 何 區 別 這 兩 種 不 同 功 效 的 Cys?
P3-5

三 級 構 造 的 形 成
■ 雙 硫 鍵 : 可 用 還 原 反 應 斷 開 之 ( 是 可 逆 反 應 )
Cys-S-S-Cys → Cys-SH + HS-Cys
■ RNase A (RNA 水 解 脢 ):
124 胺 基 酸 序 列 中 有 四 對 雙 硫 鍵 極 度 堅 固
■ Chaperonin
Chaperonin 可 誘 導 蛋 白 質 的 正 確 摺 疊
Proteasome 則 摧 毀 不 正 確 摺 疊 者
● Myoglobin: 第 一 個 被 解 出 3D
3D 立 体 構 造
Kendrew & Perutz (X-Ray crystallography)
Juang RH (2007) BCbaiscs
Anfinsen 提 出 一 個 說 法 , 認 為 蛋 白 質 的 最 終 立 體 構 形 , 是 決 定 於 其 一 級 構 造 上 的 胺 基 酸 序
列 ; 也 就 是 說 , 蛋 白 質 依 其 胺 基 酸 序 列 合 成 出 來 後 , 其 三 級 立 體 構 造 就 可 自 動 形 成 。 蛋 白 質
可 能 都 像 RNase A 一 樣 , 可 自 由 地 把 雙 硫 鍵 打 斷 變 性 後 , 再 經 氧 化 回 復 雙 硫 鍵 而 恢 復 原 態 構
造 ; 這 種 說 法 大 家 接 受 了 數 十 年 ,Anfinsen 也 因 此 得 了 諾 貝 爾 獎 , 基 本 上 是 正 確 的 , 但 是 後 來
發 現 蛋 白 質 摺 疊 沒 有 這 麼 簡 單 。
P3-6

變 性 的 RNase A 可 以 回 復 正 常 構 形
Anfinsen
- Urea, Mercaptoethanol
+ Urea, Mercaptoethanol
不 正 確 摺 疊
Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.38
Anfinsen 選 用 RNase A 當 實 驗 材 料 是 很 幸 運 的 , 因 為 實 際 上 只 有 少 數 幾 個 蛋 白 質 能 夠 經 得 起
反 覆 變 性 與 復 性 而 仍 然 活 著 ,RNase A 是 其 中 佼 佼 者 。 現 在 我 們 知 道 , 並 非 所 有 的 蛋 白 質 都 可
以 把 它 扯 開 , 然 後 再 自 動 摺 疊 回 去 。 有 許 多 蛋 白 質 , 在 剛 合 成 出 一 段 胜 肽 時 , 沒 有 辦 法 自 動
摺 疊 , 要 靠 一 類 輔 助 性 蛋 白 質 來 進 行 正 確 的 摺 疊 。 這 一 大 群 輔 助 蛋 白 質 , 統 稱 為 chaperonin;
某 些 熱 休 克 蛋 白 質 就 有 chaperonin 的 功 能 , 是 因 為 在 高 溫 下 蛋 白 質 的 構 形 不 易 維 持 , 要 特 別 誘
生 chaperonin 來 防 止 蛋 白 質 進 行 不 正 確 摺 疊 。
問 題 : 如 上 圖 所 示 , 要 把 兩 個 正 確 的 Cys 拉 在 一 起 , 產 生 正 確 的 雙 硫 鍵 , 才 能 完 成 正 確 的 摺
疊 , 而 不 正 確 的 雙 硫 鍵 也 很 容 易 產 生 。 你 覺 得 細 胞 要 如 何 設 計 機 制 , 才 可 促 使 Cys 完 成 正 確
的 雙 硫 鍵 ?
■ 請 參 閱 J Biol Chem (2006) 281(14): e11 有 關 Anfinsen 的 紀 念 論 文 。
P3-7

細
胞
內
基
因
的
表
現
故
事
Chaperone
Proteasome
蛋 白 質 的 出 生 與 死 亡
DNA
mRNA
Protein
Starr & Taggart (1987) Biology (4e) p.216
萬 一 蛋 白 質 合 成 出 來 後 無 法 正 確 摺 疊 , 那 可 能 會 送 去 受 另 一 群 chaperonin 進 行 矯 正 , 成 為 構
形 正 確 的 蛋 白 質 。 若 摺 疊 還 是 失 敗 , 就 會 被 標 上 標 籤 (ubiquitin) 送 到 proteasome 去 分 解 , 並
回 收 胺 基 酸 。 蛋 白 質 從 出 生 到 死 亡 , 一 路 有 照 顧 或 監 控 機 制 , 都 在 細 胞 質 中 進 行 。
P3-8

蛋 白 質 轉 譯 出 來 之 後 要 靠
chaperone 系 統 正 確 摺 疊
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.357
Chaperonin 家 族 中 , 有 些 是 很 大 的 蛋 白 質 複 合 體 , 由 二 、 三 十 個 蛋 白 質 聚 集 成 一 個 像 桶 子
的 容 器 , 初 合 成 出 來 的 蛋 白 質 若 構 形 不 正 確 , 就 可 送 到 桶 子 內 矯 正 構 形 , 變 成 正 確 的 原 態 蛋
白 質 後 , 才 釋 放 出 來 。 若 如 此 也 摺 疊 不 好 , 就 會 被 送 到 另 一 種 桶 子 , 在 其 中 被 降 解 , 回 收 胺
基 酸 使 用 。 這 另 一 種 桶 子 的 構 造 或 外 型 都 與 chaperonin 非 常 像 , 也 是 由 很 多 蛋 白 質 單 元 所 組
成 的 , 但 其 功 用 是 水 解 摺 疊 不 良 的 蛋 白 質 。 在 細 胞 內 , 蛋 白 質 分 子 的 生 與 死 是 在 一 線 之 間 ,
一 個 蛋 白 質 若 不 能 形 成 正 確 構 形 的 分 子 , 馬 上 會 被 分 解 掉 。
P3-9

Chaperone
監 護 者
Chaperonin 這 個 字 是 由 chaperone 衍 生 來 的 。 如 上 面 Renoir 的 名 畫 中 , 在 西 方 社 會 的 社 交 場
合 , 一 些 剛 踏 出 社 會 的 少 女 , 通 常 都 會 由 一 名 年 長 的 女 性 陪 伴 , 以 免 遭 人 誘 拐 , 這 名 陪 伴 者
就 稱 為 chaperone。 (-nin 的 字 尾 通 常 代 表 蛋 白 質 )
P3-10

摺 疊 不 良 的 蛋 白 質 會 被 送 到 銷 毀 系 統
2004
泛 素
UPS
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.705
Proteasome ( 內 部 水 解 區 )
先 去 除 醣 基
Lowe et al (1995) Science 268: 533
Proteasome 的 作 用 , 有 點 像 是 資 源 回 收 筒 , 而 資 源 回 收 需 要 先 消 耗 一 些 能 量 。
例 如 , 有 一 個 蛋 白 質 在 內 質 網 中 無 法 被 chaperone 正 確 摺 疊 , 就 會 被 送 到 細 胞 質 中 , 先 除 去 一
些 修 飾 分 子 後 , 貼 上 泛 素 (ubiquitin) 標 籤 , 然 後 再 送 到 proteasome 內 進 行 降 解 。 Proteasome
內 部 有 幾 個 水 解 位 置 ( 右 下 圖 ), 送 入 其 中 的 蛋 白 質 分 子 , 被 降 解 成 較 小 片 段 。 整 個 過 程 需 要
消 耗 很 多 ATP, 但 可 以 專 一 地 清 除 無 用 蛋 白 質 , 並 且 回 收 寶 貴 的 胺 基 酸 資 源 , 因 此 還 是 划
算 。
P3-11

相 似 的 桶 狀 巨 分 子 卻 有 相 反 的 作 用
Proteasome (20S)
Chaperonin (GroEL)
Weissman et al (1995) Science 268: 524
Proteasome 與 chaperone 在 外 型 上 的 相 似 性 令 人 驚 訝 , 直 徑 大 小 也 相 當 接 近 ( 但 是 胺 基 酸 組
成 就 不 相 似 )。 兩 者 的 主 體 , 都 是 由 四 個 環 狀 的 聚 合 分 子 所 組 成 , 而 每 個 環 狀 物 都 是 由 七 個 小
單 位 分 子 所 組 合 的 ; 兩 者 的 順 利 運 作 , 都 需 要 能 量 參 與 。 只 是 , 一 個 是 用 來 導 正 摺 疊 不 佳 的
蛋 白 質 , 另 一 則 是 用 來 摧 毀 無 法 正 確 摺 疊 的 蛋 白 質 ; 好 像 一 個 是 演 白 臉 的 勸 人 向 善 , 另 一 則
是 扮 黑 臉 的 摧 毀 惡 人 。
P3-12

以 X-Ray 繞 射 法 解 出 三 級 構 造
■ 雙 硫 鍵 : 可 用 還 原 反 應 斷 開 之 ( 是 可 逆 反 應 )
Cys-S-S-Cys → Cys-SH + HS-Cys
■ RNase A (RNA 水 解 脢 ):
124 胺 基 酸 序 列 中 有 四 對 雙 硫 鍵 極 度 堅 固
■ Chaperonin
Chaperonin 可 誘 導 蛋 白 質 的 正 確 摺 疊
Proteasome 則 摧 毀 不 正 確 摺 疊 者
● Myoglobin: 第 一 個 被 解 出 3D
3D 立 体 構 造
Kendrew & Perutz (X-Ray crystallography)
Juang RH (2007) BCbaiscs
肌 紅 蛋 白 是 第 一 個 被 解 出 立 體 構 造 的 蛋 白 質 , 這 件 大 事 也 是 在 劍 橋 完 成 , 與 DNA 雙 螺 旋 的
發 現 同 時 同 地 , 但 不 同 人 (Kendrew & Perutz), 卻 也 是 同 年 領 諾 貝 爾 獎 (1962)。 這 些 事 都 發 生
在 劍 橋 大 學 的 Cavendish 實 驗 室 , 是 一 個 傳 奇 的 地 方 , 可 以 參 考 陳 之 藩 的 『 劍 河 倒 影 』 第 十 三
篇 『 不 鑄 大 錯 』, 其 中 所 述 及 的 開 溫 第 士 就 是 Cavendish Lab。 文 中 的 科 學 探 索 精 神 , 到 現 今
還 是 一 樣 適 用 , 鏗 然 有 聲 :
『 一 八 七 一 年 , 開 溫 第 士 實 驗 室 成 立 。 成 立 的 原 因 是 鑒 於 當 時 工 業 革 命 之 後 , 社 會 發 展 的 需 要 , 需 要 新 的
觀 念 去 處 理 問 題 , 需 要 新 的 技 術 去 解 決 問 題 。 正 如 航 海 時 代 的 英 國 需 要 天 文 研 究 , 需 要 航 海 儀 器 一 樣 。 一 百 年 前
呢 , 蒸 汽 、 機 械 、 以 及 電 工 , 在 在 需 要 深 入 的 探 討 與 研 究 。 當 時 的 劍 橋 知 道 需 要 實 驗 室 的 設 備 , 知 道 動 手 的 重
要 , 更 知 道 實 驗 方 法 值 得 深 入 , 有 待 摸 索 。
可 是 , 有 些 教 授 卻 是 持 反 對 論 調 的 。 有 一 位 數 學 權 威 說 :「 先 生 如 何 教 , 學 生 就 如 何 學 , 要 實 驗 做 什 麼 ?」
而 這 些 阻 擾 , 尚 屬 次 要 ; 重 要 的 難 關 是 沒 有 錢 開 辦 !
當 時 的 劍 橋 大 學 校 長 是 開 溫 第 士 , 他 的 辦 法 最 直 捷 了 當 。 從 自 己 荷 包 中 拿 出 六 千 三 百 磅 來 作 為 開 辦 費 ; 而 房
子 建 起 後 , 錢 又 花 過 了 預 算 , 校 長 又 從 自 己 荷 包 中 補 出 二 千 磅 來 , 這 是 開 溫 第 士 的 起 源 。
…… 這 個 實 驗 室 中 諾 貝 爾 獎 金 得 主 之 多 , 是 很 難 令 人 想 像 的 。 布 瑞 格 是 二 十 五 歲 得 獎 的 ; 就 以 現 在 常 常 碰
面 , 一 同 喝 茶 的 得 主 就 有 四 個 或 五 個 之 多 。』
■ 陳 之 藩 : 劍 河 倒 影 ( 遠 東 圖 書 公 司 )。
P3-13

第
一
個
解
出
的
蛋
白
質
立
體
構
造
Perutz
Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.189
1962
Kendrew
Judson (1996) The Eighth Day of Creation
三 級 構 造 被 解 出 來 的 第 一 個 蛋 白 質 是 肌 紅 蛋 白 ,Kendrew 及 Perutz 因 此 得 到 諾 貝 爾 獎 。 他 們
使 用 肌 紅 蛋 白 的 結 晶 , 從 X-ray 繞 射 圖 譜 推 算 肌 紅 蛋 白 分 子 上 , 每 個 原 子 的 立 體 座 標 , 使 人 們
能 夠 『 看 到 』 一 個 蛋 白 質 的 真 正 面 貌 。 而 X-ray 繞 射 法 的 發 明 人 布 瑞 格 父 子 , 正 是 Cavendish
Lab 的 先 輩 ; 當 時 小 布 拉 格 還 在 當 Cavendish 的 主 任 , 對 研 究 所 內 有 另 外 兩 個 年 輕 人 在 胡 鬧 相
當 頭 痛 , 他 們 的 名 字 叫 Watson 及 Crick。
問 題 : 蛋 白 質 分 子 無 法 用 電 子 顯 微 鏡 清 楚 看 到 其 相 貌 , 只 能 用 X-ray 繞 射 法 解 出 蛋 白 質 結 晶
中 , 各 原 子 的 相 對 位 置 , 以 此 來 推 算 整 個 蛋 白 質 的 分 子 構 造 。 其 實 電 子 顯 微 鏡 之 解 析 力 再 如
何 增 加 , 都 無 法 看 清 原 子 的 相 貌 , 請 說 明 原 因 。
P3-14

各 種 胺 基 酸 對 二 級 構 造 的 貢 獻 程 度
Glu
Met
Ala
Leu
Lys
Phe
Gln
Trp
Ile
Val
Asp
His
Arg
Thr
Ser
Cys
Tyr
Asn
Pro
Gly
α helix β sheet β turn
Garrett & Grisham (1999) Biochemistry (2e) p.197
各 種 胺 基 酸 的 側 鏈 基 團 , 因 為 其 大 小 、 電 荷 、 極 性 或 非 極 性 之 不 同 , 對 蛋 白 質 二 級 構 造 的 貢
獻 也 不 一 樣 。 大 致 來 說 , 比 較 容 易 形 成 α helix 者 , 就 比 較 不 容 易 形 成 turns; 遇 到 Pro 一 定 會
破 壞 α helix 或 β sheet 的 形 成 或 延 續 。 上 圖 只 是 一 個 統 計 資 料 , 並 不 是 說 Gly 一 定 不 會 在 α
helix 中 出 現 。
問 題 : 由 上 圖 的 調 查 統 計 , 你 能 否 看 出 一 些 規 律 性 來 ?
P3-15

預
測
蛋
白
質
二
級
構
造
相
當
準
確
預 測
α
β
β
觀 察
α
β
β
GP = Glycogen
phosphorylase
L78
兩 種 磷 解 脢
SP = Starch
phosphorylase
(L-SP)
α
α
SP
GP
L
H
Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.194
預 測 三 級 構 造 需 以 已 知 結 構 為 藍 本
由 一 條 胺 基 酸 序 列 來 預 測 蛋 白 質 的 二 級 構 造 是 相 當 準 確 的 。 但 是 , 由 二 級 構 造 還 是 無 法 推 知
正 確 的 三 級 構 造 。 通 常 還 是 要 經 由 X-ray 繞 射 分 析 , 或 者 是 核 磁 共 振 NMR 來 決 定 真 實 的 立 體
構 造 。 這 是 因 為 由 二 級 到 三 級 構 造 , 蛋 白 質 的 摺 疊 其 實 相 當 複 雜 , 並 不 是 很 呆 板 的 堆 疊 動
作 , 很 多 蛋 白 質 還 需 要 別 種 蛋 白 質 的 幫 忙 ( 例 如 chaperone), 才 能 正 確 摺 疊 。
有 一 變 通 方 法 : 若 能 找 到 另 一 種 生 物 來 源 的 類 似 蛋 白 質 , 或 是 另 一 同 質 性 極 高 的 蛋 白 質 , 而
且 已 解 得 其 立 體 構 造 , 則 可 把 此 未 知 蛋 白 質 的 胺 基 酸 序 列 套 入 此 已 知 模 型 , 經 比 對 並 推 測 出
可 能 的 立 體 構 造 。
右 側 圖 先 比 較 SP 與 GP 在 一 級 構 造 上 的 相 似 程 度 , 再 以 GP 的 三 級 構 造 為 藍 本 , 就 可 模 擬 出 SP 的 立 體 構 造 。L-
SP 很 奇 特 地 在 分 子 中 央 多 出 一 段 蛋 白 質 , 含 有 78 個 胺 基 酸 , 也 可 以 在 模 擬 時 插 入 , 請 見 次 頁 。
P3-16

澱 粉 磷 解 脢
Computer modeling of L-SP
(base on the template of GP)
Starch binding site
PLP binding site
PEST site
B site
A site
L78
Active site
Helix a
Helix b
Phosphorylation site (Ser 71)
我 在 生 技 系 的 研 究 主 題 之 一 , 就 是 植 物 的 澱 粉 磷 解 脢 (L-SP) 構 造 ,L-SP 可 能 在 植 物 的 澱 粉 合
成 上 , 佔 有 非 常 重 要 的 角 色 。
澱 粉 磷 解 脢 在 動 物 細 胞 中 的 對 等 蛋 白 質 為 肝 糖 磷 解 脢 (GP), 五 十 多 年 以 來 ,GP 已 經 被 研 究 得
很 清 楚 , 很 早 就 解 出 其 3D 立 體 構 造 。 由 於 L-SP 與 GP 在 蛋 白 質 序 列 上 有 80% 以 上 的 相 似
度 , 預 測 兩 者 的 蛋 白 質 構 形 也 極 相 像 。 因 此 可 以 用 GP 的 構 造 為 藍 本 , 以 電 腦 程 式 模 擬 L-SP
的 構 造 。
另 外 ,L-SP 與 GP 在 構 造 上 有 一 個 很 不 同 的 地 方 , 就 是 L-SP 的 分 子 中 央 , 多 出 一 段 約 78 個
胺 基 酸 的 片 段 , 稱 為 L78。 電 腦 程 式 可 以 先 預 測 L78 的 二 級 構 造 後 , 再 插 入 所 預 測 的 L-SP 分
子 中 , 就 得 到 上 圖 的 模 擬 構 造 。 依 此 構 造 , 我 們 就 可 以 預 測 L-SP 的 活 性 催 化 機 制 , 推 測 有 無
調 節 或 控 制 。
L78 據 推 測 是 由 intron 演 化 而 來 , 變 成 了 exon, 但 在 表 現 出 來 之 後 , 這 段 蛋 白 質 卻 插 在 L-SP 的 澱 粉 結 合 區 上 面
( 如 上 圖 ), 使 得 L-SP 無 法 與 澱 粉 結 合 。 後 來 發 現 ,L78 會 被 降 解 , 甚 至 完 全 切 除 掉 。 這 實 在 是 說 不 通 ,L-SP 把
intron 演 化 成 exon 表 現 出 蛋 白 質 來 卡 住 自 己 的 嘴 巴 , 然 後 又 要 把 它 切 掉 。
問 題 : 請 幫 上 述 L78 的 困 境 想 一 個 合 理 的 說 法 。
P3-17

膜 蛋 白 的 三 級 構 造 預 測 比 較 可 靠
Hydropathic plot
週 期 性 地 間 隔 出 現 疏 水 與 親 水 片 段
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.701, 630
直 接 由 一 級 構 造 的 胺 基 酸 序 列 , 來 推 測 蛋 白 質 的 立 體 構 造 , 是 非 常 不 容 易 ; 但 對 插 在 細 胞 膜
上 的 蛋 白 質 , 卻 有 相 當 正 確 的 推 測 結 果 。 原 因 是 大 部 分 的 細 胞 膜 蛋 白 , 都 有 一 種 大 致 相 似 的
摺 疊 規 律 。
分 析 蛋 白 質 序 列 上 各 胺 基 酸 側 基 的 親 水 與 疏 水 性 質 , 就 可 以 得 到 hydropathic plot; 若 發 現 有
週 期 性 地 間 隔 出 現 疏 水 與 親 水 性 片 段 , 就 有 可 能 是 細 胞 膜 蛋 白 質 。 然 後 , 便 可 推 測 其 立 體 構
造 是 來 回 穿 梭 細 胞 膜 , 而 疏 水 性 片 段 就 鑲 在 細 胞 膜 中 , 親 水 性 片 段 則 分 別 分 布 在 細 胞 膜 兩
側 。
問 題 : 這 種 膜 蛋 白 貫 穿 細 胞 膜 , 其 餘 的 親 水 部 份 露 在 膜 外 的 兩 側 ( 上 圖 綠 色 片 段 ), 例 如 可 能
是 在 高 爾 基 氏 體 的 lumen 側 或 者 細 胞 質 側 ( 如 上 面 右 圖 )。 請 問 能 否 預 測 某 片 段 是 落 在 那 一 側 ?
■ 請 先 到 Lehninger Principles of Biochemistry (4e) p. 377 前 後 查 看 細 胞 膜 上 的 各 種 蛋 白 質 模 樣 。
P3-18

三 級 構 造 還 有 轉 譯 後 修 飾
■ 蛋 白 質 轉 譯 後 的 修 飾 :
● + 醣 基 → 醣 蛋 白 (glycoprotein)
● + 脂 質 → 脂 蛋 白 (lipoprotein)
● + 金 屬 離 子 → 金 屬 蛋 白 (metalloprotein)
● + 輔 助 基 團 (prosthetic group)
→ 活 性 蛋 白 質 (active protein)
● + 蛋 白 質 裂 解 → 活 性 蛋 白 質
insulin chymotrypsinogen
heme
myoglobin
● + 磷 酸 化 (phosphorylation) → 磷 酸 化 蛋 白 質
● + 輔 脢 (coenzyme) → 完 全 酵 素 (holoenzyme)
Juang RH (2007) BCbaiscs
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 ?
P3-19

轉 譯 同 時 以 醣 化 反 應 成 為 醣 蛋 白
轉 譯 中
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.703
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 。
P3-20

血 紅 或 肌 紅 蛋 白 要 加 上 血 質 素 heme
藍 色 代 表 非 極 性 胺 基 酸 基 團 ( 集 中 在 內 部 )
Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.176
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 ?
P3-21

裂 解 是 調 節 蛋 白 質 功 能 的 手 段 之 一
C
B
A
X
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.156
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 ?
P3-22

許 多 蛋 白 脢 都 要 先 經 裂 解 後 才 有 活 性
Campbell (1999) Biochemistry (3d) p.179
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 )
P3-23

磷 酸 化 使 蛋 白 質 具 有 強 烈 負 電 基 團
激 脢
磷 酸 脢
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.178
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 ?
P3-24

許 多 酵 素 要 加 上 輔 脢 才 有 活 性
substrate
Binding
domain
NADH
Binding
domain
NADH
Gly-3-P
Glyceraldehyde-3-phosphate
dehydrogenase
Kleinsmith & Kish (1995) Principles of Cell and Molecular Biology (2e) p.25
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 。
P3-25

類 似 的 蛋 白 質 區 域 經 常 被 重 複 使 用
分 子 層 次 的 世 界 也 經 常 發 生 互 相 抄 襲 的 事
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.122
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 。
domain X domain A domain B domain X
P3-26

三 級 構 造 的 功 能 區 塊
■ Domain: 功 能 區 塊
(1) 介 於 二 級 與 三 級 構 造 之 間 的 分 區 單 位
(2) Domain 已 經 具 有 特 定 構 形
(3) 有 些 蛋 白 質 只 有 一 個 domain (myoglobin)
(4) 大 部 份 蛋 白 質 含 有 兩 個 domains (hexokinase)
(5) 部 份 蛋 白 質 含 有 兩 個 以 上 domains (Ab 分 子 )
■ 分 子 演 化 : 一 個 有 用 的 domain 可 反 覆 被 利 用
Gly-3-P
EtOH
Dehydrogenase
Juang RH (2007) BCbaiscs
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 。
P3-27

Hexokinase 的 兩 個 功 能 區 塊 組 成 活 性 區
Domain 1
Domain 2
Alberts et al (1994) Molecular Biology of the Cell (3e) p.196
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 。
P3-28

抗 體 具 有 十 二 個 以 上 功 能 區 塊
Edelman, Porter (1972)
每 一 抗 體 分 子 有 四 條 次 體 (subunits) = 2H (heavy) + 2L (light)
L 2
H 次 體 由 四 個
domains 組 成
H 4 H 4
L 2
L 次 體 由 兩 個
domains 組 成
各 個 domain 可 能 由 同 一 原 始 基 因 所 演 化
Gene duplication
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.1382 Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.246
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 。
Subunit →
domain
domain
L
Subunit →
Subunit →
domain domain domain domain
domain domain domain domain
H
H
Subunit →
domain
domain
L
P3-29

更 複 雜 的 domain 互 用 關 係
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.146
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 。
P3-30

Lysozyme
Backbone
Hydrophobic
Hydrophilic
Total
+ substrate
Watson et al. (1987) Mol Biol Gene, Plate 3
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 。
P3-31

P3-32