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生命的秘密蛋白質知道

110/09/30 瀏覽次數 279

你知道除了水之外,人體最重要的成分是什麼嗎?其實從頭髮到腳趾頭,只要說得名稱的身體組織,大部分都是由蛋白質組成!那…蛋白質是什麼呢?是怎麼來的?長什麼模樣?又有什麼功能呢?

揭開沉睡在生命中的秘密

談起蛋白質從何而來,就必須從生命的起源,也就是決定我們長得圓、還是扁的遺傳物質--DNA 說起。DNA 也就是所謂的去氧核糖核酸,在 1953 年,生物學家華生和物理學家克里克解構了 DNA 的分子結構,這項歷史性突破讓人類終於解開遺傳密碼的組成,也讓他們因此獲得諾貝爾獎殊榮!

DNA 的分子結構有點像長長的螺旋樓梯,稱之為雙股螺旋,由一對一對核苷酸分子排列組合而成。核苷酸包括三大部分:五碳糖(去氧核糖)、含氮鹼基和磷酸根;含氮鹼基又有 A、T、C、G 四種。DNA 的螺旋樓梯由去氧核糖與磷酸組成「扶手」;四種不同鹼基則以兩兩配對的方式組成「階梯」, A 與 T 配對鍵結, C 與 G 互相鍵結,以特定順序排列,就像是一串長長的電報密碼。這些特定的遺傳密碼就是大家熟知的基因。

細胞內的解密任務(生物學的中心法則)

這些長串的遺傳密碼怎麼變成蛋白質?如何決定遺傳性狀,影響我們的長相呢?關鍵就在細胞內有一群破解密碼的特務使者。這些特務使者首先將 DNA 拉直,把兩股分開後再開始複印遺傳密碼;這份複印遺傳密碼就是 RNA(核糖核酸)。RNA 和 DNA 很像,都是由核苷酸所組成,但 RNA 核苷酸的五碳糖是核糖,鹼基則由 A、U、C、G 組成,透過 A 對應 U 或 T,C 對應 G 的方式,將 DNA 的遺傳密碼轉而複印成 RNA,而這個複印過程稱為轉錄 (transcription)。

被複印出來的 RNA 就像原始的電報訊號,可能受到不需要的雜訊干擾,特務使者就會去蕪存菁做些修飾,讓訊息變得更加明確,再傳給下一階段的解密工作者。接續第二棒的解密工作者有張密碼表,可以把電報訊息以三個為一組轉換成蛋白質的最基本單位—胺基酸。透過解密工作者的翻譯,RNA 序列轉換成為胺基酸序列,也就是蛋白質的雛形,整個過程稱之為轉譯 (translation)。從 DNA 轉錄成 RNA,再從 RNA 轉譯成蛋白質,時時刻刻在細胞內發生,也是身體形成蛋白質的重要過程,被稱為生物學中心法則(圖1)。

生命中心法則

圖一:生命中心法則:DNA 複製、轉錄與轉譯。圖/國立科學工藝博物館

蛋白質的誕生

經過連串解密程序,蛋白質終於誕生!胺基酸是組成蛋白質的基本單位,基本結構含有胺基 (-NH2) 及代表著「酸」的羧基 (-COOH),此外在碳原子上還接有一個支鏈 (R),這個支鏈賦予各個胺基酸擁有不同特性(圖2)。自然界常見的胺基酸約有 20 種,以脫水縮合方式形成肽鍵,一個一個相連的胺基酸就形成蛋白質最初的結構(一級結構)--多肽鏈,剛合成的蛋白質長鏈就像一團毛線,必須送到細胞特定胞器(工廠)修飾折疊形成特定的立體構造,才具有活性與功能。

胺基酸的基本結構

圖二:胺基酸的基本結構。圖/國立科學工藝博物館

蛋白質養成記

成熟的蛋白質究竟需要經過哪些加工呢?首先多肽鏈會以氫鍵形成螺旋或褶板狀等簡易立體結構,稱為二級結構。接著透過胺基酸側鏈的鍵結引力形成更為複雜的立體結構,稱為三級結構,此時的蛋白質才開始具有功能。有些蛋白質由好幾條折疊好的多肽鏈(次單元)所組成,這種蛋白質就是擁有四級結構的蛋白,例如血紅素就是由 4 條多肽鏈所組成(圖3)。

除了折疊,蛋白質也可能經過裁切,例如胰島素必須經過切割部分多肽鏈才具有活性(圖 4);有些蛋白質會以「蛋白原」的形式存在,也就是還沒經過裁剪的狀態,就像預先做好的半成品,需要時就能夠立即剪切派上用場,不但提高身體面對各種狀況的反應效率,還可以把資源用在刀口上。至於蛋白質的修飾則有許多種類,包含接上醣類、脂質、磷酸根等,除了賦予蛋白質獨特的功能,也是掌控蛋白質活化與否的關鍵!

血紅素蛋白的四級結構

圖三:血紅素蛋白的四級結構。圖/國立科學工藝博物館

經過切割才具有活性的胰島素

圖四:經過切割才具有活性的胰島素。圖/國立科學工藝博物館

蛋白質的死亡之吻

加工完成的蛋白質,依照用途被分派到不同地方,形成不同的組織單位,行使功能。然而蛋白質也有一定的壽命,當蛋白質壽命告終或者在摺疊修飾時出現錯誤,沒辦法正確行使功能,就會被接上被喻為死亡之吻的蛋白「泛素」 (ubiquitin)。接上一連串的泛素後,蛋白質就像被套上枷鎖帶向斷頭台(蛋白酶體-proteasome),最終被水解為基本的胺基酸分子,提供身體再次利用。蛋白質修飾不僅僅賦予蛋白質功能與活性,同時操縱著蛋白質的死亡!

資料來源
  1. Nril A. Campbell, Jane B. Reece著; 鍾楊聰等譯(2019)。生物學(上)(第十版)。台北:偉明圖書有限公司。
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