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探索細胞內生物分子交互作用機制

105/09/23 瀏覽次數 2122
細胞像是一個藉由演化所產生的精緻工廠,當外界食物以及空間充足的時候,細胞會視需要擴廠。當外在環境改變的時候,細胞會調節生產線,控制產品組合。由於外在資源有限,生物各物種或個體間資源競爭激烈,目前存活的物種,大多擁有盡可能讓後代延續的機制。在大多數的細胞工廠中,DNA是遺傳物質,藉由轉錄(transcription)產生信使RNA (mRNA),轉譯(translation)產生蛋白質(protein),由蛋白質機器執行功能。當蛋白質被轉譯出來後,會折疊成固定構型,導致某些原子在空間上有特定的相對位置。當不同蛋白質或是受質間適當的相對位置碰在一起時,就可能產生反應,一連串相關的反應表現出生命現象。

細胞是一個近似封閉的空間,細胞內擁有大量的生物分子、小分子以及離子。水提供生物分子自由旋轉、移動的媒介。溫度提供分子內各個原子的動能,擁擠的空間增加分子間自由碰撞的機率。在細胞的訊號傳遞網路中,蛋白質跟蛋白質(或受質)會結合,結合後蛋白質構型(conformation)可能會產生變化,讓訊息傳遞下去,然後結合的蛋白質會再度分開,回到最初狀態。如果蛋白質構型太穩定,或蛋白質跟蛋白質(或受質)間結合形成的複合物太穩定,造成不容易回到最初狀態,對生命體來說並不見得好!所以,蛋白質跟蛋白質(或受質)間的結合能(binding free energy)通常不會太大。

早期數學家和物理學家發展出統計熱力學、量子力學、古典力學以及電動力學等理論,但由於物理學家通常把物體看成沒有體積的粒子,所以不適合直接拿來處理化學分子的問題。因此,計算化學家發展出一些新方法,藉由結合電腦運算應用在化學小分子上。雖然生命科學領域蓬勃發展,但由於實驗無法觀測到諸如電子轉移以及生物分子內原子間的交互作用。因此,計算化學家把研究小分子的方法擴展到研究生物巨分子,計算蛋白質跟蛋白質(或受質)間的結合能或是計算酵素催化反應的電子轉移,藉以瞭解細胞內生物分子的交互作用機制。相當有趣的是,相關的理論都是從無生命現象的結果歸納或推導出來的,卻成功的應用在跟生命現象有密切相關的生物分子交互作用機制。

大部分生化、分生實驗量測到的是巨觀量。亦即經過一段時間,包含亞佛加厥(Avogadro)數目個分子反應出的量。統計熱力學將微觀的物理量,包含生物分子及水分子,每個原子的位置、速度分布,連結到巨觀實驗的結果(例如:溫度或壓力等),或是將蛋白質跟小分子間的結合能,連結到巨觀實驗得到的解離常數(dissociation constant)。2015年最新研究認為藉由瞭解蛋白質如何藉由胺基酸(amino acid)中的原子參與反應,將有助於瞭解細胞工廠內部蛋白質機器如何運作,以及外加電磁場對生物的非熱效應。科學家將更有機會改良原有蛋白質的功能,設計出具有新功能的蛋白質,或是修復細胞工廠內部的蛋白質機器,設計新的細胞工廠;甚至把外加電磁場應用在非侵入式的檢測以及治療。(感謝科技部補助「新媒體科普傳播:健康醫藥新媒體科普傳播實作計畫III,MOST 104-2515-S-214-001」。)
 
責任編輯:楊智惠
審校: 王英基,黃耿祥
 
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