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蛋白質股份無限公司

110/09/30 瀏覽次數 81

無論是類風濕性關節炎、紅斑性狼瘡、阿茲海默症,還是被稱為王室病的血友病,許多疾病的發生都和身體內的蛋白質出了問題有關!如果把身體比喻為營運穩健的公司,蛋白質就是公司裡各司其職的員工,而遺傳物質 DNA 就如同公司至高無上的管理規範,規定所有員工應有職能與肩負職責,當規範制訂出了問題,出現不符公司要求的員工,或是員工發生衝突,就可能造成公司動盪。

公司部門介紹—蛋白質功能

身體就像間公司,經營得好,身體就健康。身為公司的 CEO,想要經營得當就得從認識各部門著手,瞭解蛋白質在身體各個部門的工作內容(圖1)。

「身體公司」各部門蛋白質介紹

圖一:「身體公司」各部門蛋白質介紹。圖/國立科學工藝博物館

  • 資訊傳遞部門 (激素性蛋白)
    資訊部門的蛋白質又稱為激素蛋白,專責把工作訊號傳遞到各個接收單位,以便工作單位做出相對應的反應,傳遞訊息速度堪比光纖,例如生長激素促進生長、胰島素調節血糖。
  • 收發部門 (接受性蛋白)
    就像是公司的收發單位,通常位於每個細胞辦公室的表面,經常和資訊傳遞部門的蛋白質合作,負責接收資訊並將資訊傳送到細胞辦公室裡面,讓後端的部門依資訊執行任務。
  • 機械運動部門 (收縮性蛋白)
    例如肌動蛋白和肌凝蛋白,促進細胞分裂,纖毛擺動,形成肌肉組織,負責肌肉的收縮作用,讓人體可以自由活動。
  • 倉儲補給部門 (儲存性蛋白)
    幫助儲存身體所需要的營養素,例如鐵蛋白負責儲存身體所需要的鐵質。
  • 維安警衛部門 (防禦性蛋白)
    免疫球蛋白就是這個部門的員工,也是大家耳熟能詳的抗體。負責保衛身體的安全,具有辨識外來物的特異功能,當有細菌或病毒等不速之客闖入,防禦性蛋白就會快速偵測發現,幫助身體抵擋並消滅這些外來物。
  • 物流運輸部門 (運輸性蛋白)
    類似公司內部的快遞員,傳送各個部門需要的物質。大家最熟悉的就是血紅蛋白,負責把氧氣從肺臟帶到其他部門,再將其他部門產生的二氧化碳帶回肺臟排掉。
  • 生產加工部門 (酵素性蛋白)
    種類繁多,各有專長,功能五花八門,具有催化各種化學反應的能力,提升公司營運效率。有些可以因應其他單位的需求,產出不同的物質供其他員工利用,例如發電產生ATP(三磷酸腺苷)能量,合成或分解醣類、脂質與蛋白質等物質,對維持身體運作舉足輕重。
  • 土木建築部門 (結構性蛋白)
    提供身體架構堅固的支持,從骨骼到頭髮和指甲的角蛋白,都屬於這個部門。最有名的就屬膠原蛋白,是身體公司數量最多的蛋白質員工,從皮膚到骨頭都看得到,還可以讓身體組織變得更有韌度,達到保護效果。

蛋白質交誼廳—蛋白質交互作用

身體公司的運作全靠蛋白質員工們分工合作,因各有專長且分工詳細,僅會和特定對象合作,可能是蛋白質、 DNA 或醣類等其他物質,但就像男女朋友交往,必須找到跟自己和得來的,他們合作的對象多數具有專一性,例如:酵素蛋白和受質 (substrate)、受體蛋白 (receptor) 和配體 (ligand)、抗體 (antibody) 和抗原 (antigen),專一性交互作用取決每個蛋白質的特殊長相(特定構型)是否能跟合作對象相互吸引結合,也因此被比喻為鎖與鑰匙的關係(圖2)。

專一性作用如同鎖與鑰匙的關係

圖二:以酵素蛋白和受質為例,專一性作用如同鎖與鑰匙的關係,須正確配對才有功能。圖/國立科學工藝博物館

就以「長相」較簡單,臨床應用廣泛的抗體為例,就是由 Y 字型構造的單體所組成,共有四條以雙硫鍵相連的多肽鏈,分別是兩條相同的輕鏈和重鏈。如果把抗體比喻為一個張開雙臂的人,手的位置就是抗原結合區 (fragment antigen binding,Fab),可以和特定的抗原對象結合;手以外的位置則被稱為可結晶區 (fragment crystallizable region,Fc),能夠跟專門清除外來物質的巡邏怪獸—白血球結合。因抓取抗原的「手」胺基酸序列並不相同,而各自與不同抗原結合,也因此抗原結合區又稱為多變區 (variable region);可結晶區 (Fc) 則因序列不變而稱為恆定區 (constant region)(圖3)。

抗體構造介紹

圖三:抗體構造介紹。圖/國立科學工藝博物館

前面的介紹有提過,抗體屬於維安警衛部門,防禦入侵身體的外來物,舉凡細菌、病毒,抑或塵螨等過敏原。抗原就是這些入侵者表面的蛋白質,然而抗體的「手」不大,沒辦法摸清楚抗原的全貌,僅能透過辨識抗原的特定位置抓住敵人,這個特定區域就稱為抗原決定位 (epitope)。抗原與抗體間的專一性作用並非透過共價鍵結合,而是透過抗體的「手」與抗原決定位之間胺基酸分子的特性與蛋白質立體構型,產生氫鍵、離子鍵、凡得瓦力或疏水作用等結合(圖 4),這種結合是屬於可逆性的,而且會受到溫度與 pH 值等因素影響,結合的緊密程度也就是抗原抗體間的親和性。

抗原與抗體的結合作用力

圖四:抗原與抗體的結合作用力。圖/國立科學工藝博物館

當抗體抓住抗原,除了阻擋有害外來物和身體公司其他員工接觸,許多抗原抗體互相結合形成的巨大免疫複合物,也可以讓抗原變得極為笨重,難以在體內四處遊走。此外,抗體還能在抗原身上添加調味料(補體),使抗原變得更加美味,讓巡邏怪獸聞香而來,一口吃掉這些意圖邪惡的入侵者(圖 5)。

抗體透過辨識抗原決定位

圖五:抗體透過辨識抗原決定位,誘導免疫細胞清除入侵者。圖/國立科學工藝博物館

公司危機—蛋白質與疾病

然而,身體公司規模極大,跨部門合作複雜,每個不同的蛋白質都肩負著維護公司正常營運的重要任務。因此當有些員工出現了問題,就會導致公司營運出狀況。譬如原本僅會辨識外來物的抗體,開始不分敵我,互相串連結合,對其他同事發動攻擊,就會造成所謂的自體免疫疾病。若公司出現冗員又無法適度裁員,導致冗員工不斷累積,最後就會造成公司負擔而影響正常營運,阿茲海默症就是因蛋白質在腦部異常堆積所致。

此外,當公司管理規範制訂失當,無法培育特定的蛋白質員工,或是員工表現未能達到公司要求,也會影響公司營運。身體公司的管理規範就是所謂的遺傳物 DNA,無論是源自於管理規範制定失當,或因分層管理傳達過程出錯,都可能造成營運危機,引發遺傳性疾病。血友病就是因無法產生凝血蛋白質,以致身體很容易因受傷而血流不止,動輒面臨死亡威脅,最有名的例子就是英國維多利亞女王與其後代,因近親通婚導致血友病在貴族之間流傳,甚至使歐洲許多王室貴族出現斷後危機!

資料來源
  1. Functions of Proteins
  2. Proteins in the human body. 
  3. Polanski, J., & Bak, A. (2019). Ligand potency–an essential estimator for drug design: between intuition, misinterpretation and serendipity. Future medicinal chemistry, 11(14), 1827-1843.
  4. Turner, A. (2014). Anti-Idiotypic Antibodies to Monitor Immune Responses. Genetic Engineering & Biotechnology News, 34(17), 18-19.
  5. R. A. Goldsby, et al. (2000) Kuby immunology. New York: W. H. Freeman & Co.
    English Antibody-mediated inflammatory disorders. 
  6. Antibody-mediated inflammatory disorders
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