蛋白質和酶 - Protein and Enzyme

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一、氨基酸(amino acid)結構

蛋白質是又一類生物大分子，它的monomer是氨基酸(amino acid)，結構如下：

可以看到amino acid由一個中心碳(central carbon)連接了4個group: 一個H，一個氨基(amino group or amine group)，一個羧基(carboxyl group or carboxylic acid group)，以及一個側鏈基團(side group or R group)。

構成生命體的amino acids一共20種，差別僅在於R group的結構，-OH、 -NH2以及-COOH完全相同。

Amino acid的性質主要是由R group決定，有些amino acid是疏水的(hydrophobic)，有些是親水的(hydrophilic)，有些amino acid的R group還帶電荷。

二、氨基酸的縮合(condensation)

Condensation發生在不同amino acid的carboxyl group與amino group之間，carboxyl group提供 「-OH」，amino group提供 「-H」，生成水。所形成的covalent bond叫做肽鍵(peptide bond)，注意R group不參與peptide bond的形成。

多個amino acid連接起來形成的polymer叫做多肽(polypeptide)，Polypeptide形成之後，還需要經過彎曲(twist)、摺疊(fold)才能形成具有功能的蛋白質(protein)。接下來我們介紹這一過程是如何進行的。

三、從多肽(polypeptide)到蛋白質(protein)

1. 一級結構(primary structure)

Primary structure是指構成protein的amino acid sequence。下圖是消化道的一種酶-核糖核酸酶(Ribonuclease)的primary structure，每個amino acid用其英文名稱的縮寫表示。

蛋白質的primary structure由DNA決定，而primary一旦確定，接下來的二級結構、三級結構，甚至四級結構也就確定了。

2. 二級結構(secondary structure)

Secondary structure是protein的一部分polypeptide經捲曲(coil)、摺疊(fold)形成的重複結構。通常有兩種類型：α螺旋(α helix)和β摺疊片(β pleated sheet)。

α helix呈螺旋狀，β pleated sheet之間互相平行。需要注意的是α helix和β pleated sheet結構的維持都需要氫鍵(hydrogen bond)，這些hydrogen bond是由carboxyl group的「-CO-」和amino group的「-NH-」之間形成（上圖中紅色虛線表示hydrogen bond），不涉及R group。

進階：在α helix中，hydrogen bond是在第n個和n+4個amino acid之間形成（見上圖）。

3. 三級結構(tertiary structure)

Tertiary structure是R group之間的相互作用而形成的protein的整體結構。維持tertiary structure的作用力相對多一些，有hydrogen bond、二硫鍵(disulfide bond) 、離子鍵(ionic bond)和疏水作用力(hydrophobic interactions)。

維持tertiary structure的hydrogen bond是R groups之間形成的。

Disulfide bridge由兩個半胱氨酸(cysteine) R group中的巰基(sulfhydryl group)脫去2個H所形成。

Hydrophobic interactions指在形成tertiary structure時，疏水氨基酸的hydrophobic R groups由於排斥水而產生的相互作用力。

Ionic bond由帶電荷的R groups之間相互吸引所形成。

4、四級結構(Quaternary structure)

如果蛋白質只含有一條polypeptide，那麼tertiary structure就是它的最終結構。但有些protein由多條polypeptide構成，這些polypeptide的相互作用構成了蛋白質的整體結構，稱為quaternary structure。構成quaternary structure的每一條polypeptide稱為亞基(subunit)。

以血紅蛋白(hemoglobin/haemoglobin)為例，它具有4個subunits，兩條紅色的subunits結構相同，兩條藍色的subunit結構相同，4個subunits之間的相互作用形成了hemoglobin的整體結構。

Quaternary structure同樣是由R groups之間的相互作用維持，作用力的類型與tertiary structure中完全相同，此處不再贅述。

四、蛋白質的形狀

1. 纖維蛋白(fibrous protein)

蛋白質最終形成的形狀呈纖維狀，它們通常不溶於水，作為細胞或組織的結構性物質。例如構成頭髮、指甲的角蛋白(keratin)，構成皮膚、軟骨、骨骼等的膠原蛋白(collagen)。

進階：膠原蛋白結構

Collagen molecule是由3根呈螺旋狀的polypeptide纏繞而成（不是α helix），3根polypeptide之間主要由hydrogen bond維持。對於每一根polypeptide，它的每三個amino acid幾乎都是glycine (縮寫Gly)。

2. 球狀蛋白質(globular protein)

蛋白質彎曲、摺疊，最後形成「球」狀的整體結構，它們通常溶於水，在生命體中通常具有各自特殊的功能，例如紅細胞中的血紅蛋白和肌肉細胞中的肌紅蛋白(myoglobin)攜帶氧氣，酶具有催化功能。

進階：血紅蛋白結構

Hemoglobin的4個subunit稱為珠蛋白(globin)，每個globin都含有一個血紅素(heme/haem group)。蛋白質中，像heme group這樣的非氨基酸組成部分被稱為輔基(prosthetic group)。Globin的heme group中含有一個二價鐵(Fe II)，能結合一個oxygen molecule（2 oxygen atoms）。因此一個hemoglobin能結合four oxygen molecules (eight oxygen atoms)，結合了oxygen molecule的hemoglobin被稱為oxyhemoglobin。

五、蛋白質變性(denaturation)

蛋白質在被細胞合成出來後，它的primary structure就已經確定了，在另外一些蛋白質（例如分子伴侶，chaperone）的幫助下，摺疊形成具有特定空間結構的蛋白質。但是蛋白質空間結構的維持還與它所處溶液的溫度、pH、鹽濃度(salt concentration)有關。當這些外界條件改變時，維持蛋白質結構的一些作用力可能會改變，最終導致蛋白質不能維持其空間結構而失去活性，這個過程叫做變性(denaturation)。有時候，變性的蛋白質在外界條件恢復正常時也可以恢復其自身結構，這個過程叫做復性(renaturation)。