知識力

DNA上的遺傳密碼，會決定構成蛋白質之胺基酸序列，進而決定細胞內蛋白質的結構。然而，組成細胞的大分子還有醣類和脂質，為何DNA的遺傳密碼卻僅記載蛋白質的構造，而不記載細胞內其他大分子的構造呢？

最直接的答案就是——蛋白質可做為酵素，酵素可以促使細胞內特定化學反應能夠快速進行。若生物體是「一連串高度秩序的化學反應所展現的有機體」，那麼，擁有了各種具特定催化功能的蛋白質的細胞，就等於獲得了快速進行各種生化反應的指令。一般而言，無催化劑協助的化學反應要在加熱或加酸、鹼等反應條件變化較大的狀態下才能較快進行，然而在體溫約為37℃、酸鹼度恆定的人體細胞中，要使得化學反應順利進行，一定得靠細胞內的催化劑，亦即酵素的協助。酵素的基本作用原理乃是在其結構中，具有催化活性的位置可與被催化的受質在形狀上互補，而且活性位置和受質間可形成離子鍵或凡得瓦力而互相吸引，使得受質因為這樣的吸引而進入活性位置中，再由活性位置中之特殊胜肽序列、基質或輔酶與受質中的某些原子搶奪或共用電子，造成該受質處的化學鍵斷裂或形成新的化學鍵。

那麼，既然作用的是構造相對簡單的胜肽、基質或輔酶，那為什麼還得要有個龐大分子量的蛋白質來包裹呢？也就是說，除了活性位置以外，其他的部位到底用來做什麼啊？

可能的答案之一是其他部位的胺基酸側基，可用來穩固活性部位的形狀，調整基質或輔酶在活性部位中的空間位置，使得受質與酵素的專一性更高，催化的效率也比一般化學催化劑更好。此外還有一個可能，就是為了讓此酵素可以「變形」。以簡單的催化劑而言，要調節其催化能力，使其順應特定需求而變快或變慢是非常的困難。然而在細胞中，高度秩序的化學反應才使生命現象得以展現，因此酵素的催化能力也必須隨著細胞內的各種成份以及內外物理環境的變化而機動調整。許多酵素的活性位之所以包著一個金屬離子作為輔酶，卻又無法讓金屬離子單獨擔任細胞的催化劑，除了可以增加專一性和催化效率外，「可調節性」也是需要一個龐大的蛋白質分子的原因——細胞可以利用抑制物（或促進物）與酵素的另一個部位（非活性位置）結合，使得酵素變形，造成活性部位的空間位置和構造發生改變，便能抑制（或活化）酵素的活性了。

「異位抑制（或活化）」的機制不限於調控酵素的活性，而可廣泛運用於細胞內有功能的蛋白質，1965年諾貝爾獎得主賈柯與莫洛所發現的乳糖操縱組中，其中可抑制基因表現的抑制子，在乳糖存在時會失去活性，而這就是「異位抑制」的首次發現——乳糖與抑制子的另一個位置結合，使得蛋白質改變結構，造成活性位置失去作用，進而使整個蛋白質失去活性。

協助物質進出細胞的載體蛋白，是另一個將「變形」發揮得很好的例子，不同於通道蛋白的作用方式——架好一個通道讓物質直接通過。載體蛋白是以與物質結合的方式來運輸，那麼結合之後，要怎麼讓它從細胞膜的這一邊送向另一邊呢？答案是——變形，這個變形是由於物質或離子在細胞膜的某一側與蛋白質結合後，造成內部弱吸引力的改變，而使得結構發生改變，而將物質或離子在此變形的過程中，被輸送到細胞膜的另一側。而與載體蛋白機制相似的幫浦蛋白，更能以「不斷變形」來達成複雜的任務，例如人體細胞膜常見的主動運輸蛋白——鈉鉀幫浦，它主要的功能是將鈉離子往細胞外、鉀離子往細胞內運輸，過程中需要消耗ATP，目的是要使得細胞外的鈉離子的濃度高於細胞內，細胞內的鉀離子的濃度高於細胞外，以維持靜止膜電位。鈉鉀幫浦是一個開口向細胞內側、具有三個鈉結合位的蛋白質，當三個鈉離子與鈉鉀幫浦結合後，ATP便會水解使得幫浦結構中的天門冬胺酸被磷酸化，提高其側基的極性，造成鈉鉀幫浦構形改變而呈現開口朝細胞外側，這個構形的改變也同時讓與鈉結合的部位在結構上變得與鈉不太相容而促使其離開。此時，接著一個磷酸根、向細胞外打開的鈉鉀幫浦，會露出兩個鉀離子的接合位，當鉀接上後會促使磷酸根離開鈉鉀幫浦，而使構形恢復至向內打開，此時換成與鉀結合的部位會變得與鉀不太相容而促使其離開。鈉鉀幫浦藉由與鈉、鉀和磷酸根結合或分開來改變構形，進而完成複雜的運輸作業。

除了酵素和運輸蛋白外，還有令人意想不到的絕妙例子：血紅素是體內攜氧的蛋白質，由四個次單元構成，包含兩個α次單元和β次單元，每個次單元都有一個血基質，每個血基質含有一個亞鐵離子，負責在肺部裝載一個氧分子，運送至身體其他部位的細胞附近卸下。既然與氧結合的是血基質上的亞鐵離子，那麼為什麼血基質還需要附著在一個龐大的蛋白質上呢？又，既然每個含血基質的次單位蛋白質都可以與氧結合，又為何需要四個次單元結合在一起，而無法單獨行動呢？

前一個問題的答案是因為，若亞鐵離子「氧化」，兩者間形成的化學鍵結非常強，而難以斷裂，因此不適合這種裝載、卸下的可逆反應。但若將亞鐵離子置放在血基質的中央，周遭的胺基酸分子造成的特殊構形與在此構形下的原子間吸引力之平衡，會使得亞鐵離子與氧結合時，僅能形成較弱的靜電力或離子鍵，而使裝載和卸下的可逆反應能快速進行，達到運輸氧氣的效果。另外，四個次單元形成的血紅素有一個特性，當其中一個亞鐵離子與氧結合時，會促使另外三個迅速與氧結合，而亞鐵離子卸下氧氣時也有相同的協同反應。這是因為脫氧血紅素之β次單元的血基質所在位置的構形不易使氧進入，而當氧與α次單元的亞鐵離子結合時，會造成次單元「變形」，並影響了β次單元，使其血基質附近的構形變得適合氧的進入，因此，剩餘的三個氧氣便會很快裝載完成，這個精巧的設計使得血紅素的攜氧效力達到最高。

陳妙嫻：任教板橋高中生物科

【延伸閱讀】其他精彩內容請線上訂閱「科學月刊」。＜我要訂閱＞