佛光人文社會學院 自然科學史 (History of Natural Science) 第10章 生命為何偏愛螺旋狀 (生物大分子螺旋)

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佛光人文社會學院 自然科學史 (History of Natural Science) 第10章 生命為何偏愛螺旋狀 (生物大分子螺旋) 楊棋明 博士 中央研究院生物多樣性研究中心 Tel: #612, 613 FTP:

2 生命為何偏愛螺旋結構---生物大分子螺旋
生物大分子DNA、蛋白質、澱粉、纖維素的結構中都存在著螺旋結構。 遺傳物質DNA是雙螺旋結構，它包含著人體的遺傳信息。在受精卵中父系與母系的各一條鏈相結合，就誕生了綜合二者資訊的新的生命。DNA最重要的結構是雙螺旋結構，但也可以形成其他結構、當雙螺旋體的一部分解開時，其中一條DNA鏈可以折疊回去，形成了三螺旋或其他結構。 與DNA雙螺旋結構相比，蛋白質中的螺旋是由氨基酸經脫水組成的單鏈螺旋，蛋白質末端運動自由度較大，可以組成三圈螺旋，三圈螺旋還可以轉變成折疊形狀。從這種意義上講，折疊是螺旋的一種特殊形式。 人體中的蛋白質就是螺旋與折疊結構複合而成的複雜結構。比如，人體中重要的蛋白質——膠原蛋白就是由三條肽鏈擰成“草繩狀”三股螺旋結構，其中每條肽鏈自身也是螺旋結構。人體中有16%左右是蛋白質，膠原蛋白占體內蛋白質總量的30%～40%，主要存在於皮膚肌肉、骨骼、牙齒、內臟與眼睛等處。 除遺傳物質與蛋白質外，我們的主要食物澱粉的結構和所穿衣物(棉)中的主要成分棉纖維，也多是螺旋結構。

3 生物大分子(Macrobiomolecule)
1. 遺傳物質/遺傳密碼：DNA---linear or circular 2.遺傳密碼的轉錄者：RNA---mRNA, tRNA, rRNA 3. 生命活性的執行者：蛋白質(Protein) 4. 生命能量的攜帶者與儲存者：多醣類(Polysaccharide)

4 DNA分子的右旋或左旋(Right- and left-handed double helix)
右旋 左旋

5 DNA雙螺旋結構(DNA double helix)

6 RNA---mRNA, tRNA, rRNA rRNA mRNA tRNA tRNA

7 The rRNA of a 30S ribosomal subunit 30S 核糖體的rRNA
mRNA(blue) head (green) central domain (blue) body (red) anticodon stem loop ■ 原態與變性 圖 例                                                                                                                                                                          保持原態的構形，是蛋白質所有功能性質的基本。 雖然 部份蛋白質經變性後可以在變性條件去除後，回復原態蛋白質，但並非所有蛋白質均可如此。 請如下表整理出組成蛋白質四級構造的鍵結力量，然後看哪些因素可以破壞這些力量，就是使蛋白質變性的方法。            構成力量：         共價鍵       非共價鍵        一級構造        二級構造        三級構造        四級構造  S5A3-1 ▲ TOP ■ 網路漫畫 圖 例                                                                                                                                                                          說明蛋白質四級構造組成的漫畫。  我以漫畫方式，說明蛋白質如何由胺基酸開始，一步一步組合成具有立體構形的活性分子；除了這個漫畫之外，還有解釋 基因重組、單株抗體、以及 免疫系統 的漫畫故事。這些網頁，都可從 莊榮輝首頁 中連結。  S5A4 ▲ TOP ▼ 下一節︰ 蛋白質純化  鹽溶及鹽析  構  造     ．     純  化     ．     分  析                                                            Protein/Structure/S4 本網頁最近修訂日期：

8 Cytochrome B/human growth hormone/Citrate synthase
   蛋白質構造 蛋白質純化 蛋白質分析 其他連結                                巨分子 鹽溶及鹽析 蛋白質定量法 生物技術中心 一級構造 膠體過濾法 酵素活性分析 生物技術核心實驗 二級構造 離子交換法 膠體電泳法 酵素純化與分析 三級構造 親和層析法 免疫轉印法 流程圖 A 種 四級構造 純化策略 Proteomics 流程圖 B 種　                             蛋白質構造 四級構造 ．四級構造 ．血中氧分子的運送 ．四級構造的意義 ．原態與變性 ．網路漫畫 ■ 四級構造 圖 例                                                                                                                                                                          血紅蛋白是解釋蛋白質分子四級構造的範例。 上圖由左至右依序說明，如何一級一級組合成血紅蛋白的最後構形，而形成一個有活性的分子。有很多蛋白質在三級構造即有完整或性，但有些則需要再組成四級構造，以利更複雜的生理功能。  S5A1 ▲ TOP ■ 血中氧分子的運送 圖 例                                                                                                                                                                          為何血紅蛋白要有第四級構造，而肌紅蛋白只需有三級構造？ 四級構造 的妙用，可以 血紅蛋白 (Hb) 與 肌紅蛋白 (Mb) 的例子說明。 Hb 是四元體，有所謂的四級構造；Mb 為單元體，只有三級構造。Hb 在血中循環，由肺泡中取得氧分子，運送到肌肉中，下載給 Mb。 因此 Hb 必須得知，何時該吸收氧分子，何時該放出；也就是說 Hb 必須有感應氧分子濃度的能力，同時還得做出吸收或放出的動作。這些能力都源自其四級構造的組成。 在靜脈中 Hb 都不載有氧分子，這時候它的四個次體分子都處於一種休息狀態，結合區不容易張開讓 heme 接受氧分子。 當 Hb 循環到肺部時，環境的氧分子濃度提高了，四個次體的任何一個分子接上一個氧分子後，馬上會牽動其它次體，使得其它次體的分子構造舒張，變得很容易接受氧分子。因此在肺部的 Hb 都很容易地滿載氧分子，經動脈輸送至肌肉。若當時肌肉相當勞累，需要大量氧分子的補充，其酸鹼度會降得比較低，Hb 就更容易釋出氧分子，而 Mb 則一昧地吸收 Hb 所下的氧分子，並無調節作用。放下氧分子的 Hb 就回復休息狀態，循著靜脈流回肺部。 蛋白質的構形事實上都不是固定不動，其分子會有某些程度的運動，上述的 Hb 分子也是如此。當其處於休息狀態時，是分子較為緊密的一種構形，稱之為 tense (T) 型；反之，若其構造較為疏鬆，則基質或其結合對象比較容易進入，稱之為 relaxed (R) 型。 T 與 R 型的變化，在酵素分子的活性調節也很重要。 ■ 下載動畫檔 Hb.pps (MS PowerPoint)  S5A2 ▲ TOP Cytochrome B/human growth hormone/Citrate synthase ■ 原態與變性 圖 例                                                                                                                                                                          保持原態的構形，是蛋白質所有功能性質的基本。 雖然 部份蛋白質經變性後可以在變性條件去除後，回復原態蛋白質，但並非所有蛋白質均可如此。 請如下表整理出組成蛋白質四級構造的鍵結力量，然後看哪些因素可以破壞這些力量，就是使蛋白質變性的方法。            構成力量：         共價鍵       非共價鍵        一級構造        二級構造        三級構造        四級構造  S5A3-1 ▲ TOP ■ 網路漫畫 圖 例                                                                                                                                                                          說明蛋白質四級構造組成的漫畫。  我以漫畫方式，說明蛋白質如何由胺基酸開始，一步一步組合成具有立體構形的活性分子；除了這個漫畫之外，還有解釋 基因重組、單株抗體、以及 免疫系統 的漫畫故事。這些網頁，都可從 莊榮輝首頁 中連結。  S5A4 ▲ TOP ▼ 下一節︰ 蛋白質純化  鹽溶及鹽析  構  造     ．     純  化     ．     分  析                                                            Protein/Structure/S4 本網頁最近修訂日期：

9 血紅蛋白是解釋蛋白質分子四級構造的範例。
   蛋白質構造 蛋白質純化 蛋白質分析 其他連結                                巨分子 鹽溶及鹽析 蛋白質定量法 生物技術中心 一級構造 膠體過濾法 酵素活性分析 生物技術核心實驗 二級構造 離子交換法 膠體電泳法 酵素純化與分析 三級構造 親和層析法 免疫轉印法 流程圖 A 種 四級構造 純化策略 Proteomics 流程圖 B 種　                             蛋白質構造 四級構造 ．四級構造 ．血中氧分子的運送 ．四級構造的意義 ．原態與變性 ．網路漫畫 ■ 四級構造 圖 例                                                                                                                                                                          血紅蛋白是解釋蛋白質分子四級構造的範例。 上圖由左至右依序說明，如何一級一級組合成血紅蛋白的最後構形，而形成一個有活性的分子。有很多蛋白質在三級構造即有完整或性，但有些則需要再組成四級構造，以利更複雜的生理功能。  S5A1 ▲ TOP ■ 血中氧分子的運送 圖 例                                                                                                                                                                          為何血紅蛋白要有第四級構造，而肌紅蛋白只需有三級構造？ 四級構造 的妙用，可以 血紅蛋白 (Hb) 與 肌紅蛋白 (Mb) 的例子說明。 Hb 是四元體，有所謂的四級構造；Mb 為單元體，只有三級構造。Hb 在血中循環，由肺泡中取得氧分子，運送到肌肉中，下載給 Mb。 因此 Hb 必須得知，何時該吸收氧分子，何時該放出；也就是說 Hb 必須有感應氧分子濃度的能力，同時還得做出吸收或放出的動作。這些能力都源自其四級構造的組成。 在靜脈中 Hb 都不載有氧分子，這時候它的四個次體分子都處於一種休息狀態，結合區不容易張開讓 heme 接受氧分子。 當 Hb 循環到肺部時，環境的氧分子濃度提高了，四個次體的任何一個分子接上一個氧分子後，馬上會牽動其它次體，使得其它次體的分子構造舒張，變得很容易接受氧分子。因此在肺部的 Hb 都很容易地滿載氧分子，經動脈輸送至肌肉。若當時肌肉相當勞累，需要大量氧分子的補充，其酸鹼度會降得比較低，Hb 就更容易釋出氧分子，而 Mb 則一昧地吸收 Hb 所下的氧分子，並無調節作用。放下氧分子的 Hb 就回復休息狀態，循著靜脈流回肺部。 蛋白質的構形事實上都不是固定不動，其分子會有某些程度的運動，上述的 Hb 分子也是如此。當其處於休息狀態時，是分子較為緊密的一種構形，稱之為 tense (T) 型；反之，若其構造較為疏鬆，則基質或其結合對象比較容易進入，稱之為 relaxed (R) 型。 T 與 R 型的變化，在酵素分子的活性調節也很重要。 ■ 下載動畫檔 Hb.pps (MS PowerPoint)  S5A2 ▲ TOP ■ 原態與變性 圖 例                                                                                                                                                                          保持原態的構形，是蛋白質所有功能性質的基本。 雖然 部份蛋白質經變性後可以在變性條件去除後，回復原態蛋白質，但並非所有蛋白質均可如此。 請如下表整理出組成蛋白質四級構造的鍵結力量，然後看哪些因素可以破壞這些力量，就是使蛋白質變性的方法。            構成力量：         共價鍵       非共價鍵        一級構造        二級構造        三級構造        四級構造  S5A3-1 ▲ TOP ■ 網路漫畫 圖 例                                                                                                                                                                          說明蛋白質四級構造組成的漫畫。  我以漫畫方式，說明蛋白質如何由胺基酸開始，一步一步組合成具有立體構形的活性分子；除了這個漫畫之外，還有解釋 基因重組、單株抗體、以及 免疫系統 的漫畫故事。這些網頁，都可從 莊榮輝首頁 中連結。  S5A4 ▲ TOP ▼ 下一節︰ 蛋白質純化  鹽溶及鹽析  構  造     ．     純  化     ．     分  析                                                            Protein/Structure/S4 本網頁最近修訂日期：

10 tRNA synthase 蛋白質構造 ．四級構造 ．血中氧分子的運送 ．四級構造的意義 ．原態與變性 ．網路漫畫 圖 例
   蛋白質構造 蛋白質純化 蛋白質分析 其他連結                                巨分子 鹽溶及鹽析 蛋白質定量法 生物技術中心 一級構造 膠體過濾法 酵素活性分析 生物技術核心實驗 二級構造 離子交換法 膠體電泳法 酵素純化與分析 三級構造 親和層析法 免疫轉印法 流程圖 A 種 四級構造 純化策略 Proteomics 流程圖 B 種　                             蛋白質構造 四級構造 ．四級構造 ．血中氧分子的運送 ．四級構造的意義 ．原態與變性 ．網路漫畫 ■ 四級構造 圖 例                                                                                                                                                                          血紅蛋白是解釋蛋白質分子四級構造的範例。 上圖由左至右依序說明，如何一級一級組合成血紅蛋白的最後構形，而形成一個有活性的分子。有很多蛋白質在三級構造即有完整或性，但有些則需要再組成四級構造，以利更複雜的生理功能。  S5A1 ▲ TOP ■ 血中氧分子的運送 圖 例                                                                                                                                                                          為何血紅蛋白要有第四級構造，而肌紅蛋白只需有三級構造？ 四級構造 的妙用，可以 血紅蛋白 (Hb) 與 肌紅蛋白 (Mb) 的例子說明。 Hb 是四元體，有所謂的四級構造；Mb 為單元體，只有三級構造。Hb 在血中循環，由肺泡中取得氧分子，運送到肌肉中，下載給 Mb。 因此 Hb 必須得知，何時該吸收氧分子，何時該放出；也就是說 Hb 必須有感應氧分子濃度的能力，同時還得做出吸收或放出的動作。這些能力都源自其四級構造的組成。 在靜脈中 Hb 都不載有氧分子，這時候它的四個次體分子都處於一種休息狀態，結合區不容易張開讓 heme 接受氧分子。 當 Hb 循環到肺部時，環境的氧分子濃度提高了，四個次體的任何一個分子接上一個氧分子後，馬上會牽動其它次體，使得其它次體的分子構造舒張，變得很容易接受氧分子。因此在肺部的 Hb 都很容易地滿載氧分子，經動脈輸送至肌肉。若當時肌肉相當勞累，需要大量氧分子的補充，其酸鹼度會降得比較低，Hb 就更容易釋出氧分子，而 Mb 則一昧地吸收 Hb 所下的氧分子，並無調節作用。放下氧分子的 Hb 就回復休息狀態，循著靜脈流回肺部。 蛋白質的構形事實上都不是固定不動，其分子會有某些程度的運動，上述的 Hb 分子也是如此。當其處於休息狀態時，是分子較為緊密的一種構形，稱之為 tense (T) 型；反之，若其構造較為疏鬆，則基質或其結合對象比較容易進入，稱之為 relaxed (R) 型。 T 與 R 型的變化，在酵素分子的活性調節也很重要。 ■ 下載動畫檔 Hb.pps (MS PowerPoint)  S5A2 ▲ TOP tRNA synthase ■ 原態與變性 圖 例                                                                                                                                                                          保持原態的構形，是蛋白質所有功能性質的基本。 雖然 部份蛋白質經變性後可以在變性條件去除後，回復原態蛋白質，但並非所有蛋白質均可如此。 請如下表整理出組成蛋白質四級構造的鍵結力量，然後看哪些因素可以破壞這些力量，就是使蛋白質變性的方法。            構成力量：         共價鍵       非共價鍵        一級構造        二級構造        三級構造        四級構造  S5A3-1 ▲ TOP ■ 網路漫畫 圖 例                                                                                                                                                                          說明蛋白質四級構造組成的漫畫。  我以漫畫方式，說明蛋白質如何由胺基酸開始，一步一步組合成具有立體構形的活性分子；除了這個漫畫之外，還有解釋 基因重組、單株抗體、以及 免疫系統 的漫畫故事。這些網頁，都可從 莊榮輝首頁 中連結。  S5A4 ▲ TOP ▼ 下一節︰ 蛋白質純化  鹽溶及鹽析  構  造     ．     純  化     ．     分  析                                                            Protein/Structure/S4 本網頁最近修訂日期：

11 抗體與抗原(Antibody and antigen/protein)
   蛋白質構造 蛋白質純化 蛋白質分析 其他連結                                巨分子 鹽溶及鹽析 蛋白質定量法 生物技術中心 一級構造 膠體過濾法 酵素活性分析 生物技術核心實驗 二級構造 離子交換法 膠體電泳法 酵素純化與分析 三級構造 親和層析法 免疫轉印法 流程圖 A 種 四級構造 純化策略 Proteomics 流程圖 B 種　                             蛋白質構造 四級構造 ．四級構造 ．血中氧分子的運送 ．四級構造的意義 ．原態與變性 ．網路漫畫 ■ 四級構造 圖 例                                                                                                                                                                          血紅蛋白是解釋蛋白質分子四級構造的範例。 上圖由左至右依序說明，如何一級一級組合成血紅蛋白的最後構形，而形成一個有活性的分子。有很多蛋白質在三級構造即有完整或性，但有些則需要再組成四級構造，以利更複雜的生理功能。  S5A1 ▲ TOP ■ 血中氧分子的運送 圖 例                                                                                                                                                                          為何血紅蛋白要有第四級構造，而肌紅蛋白只需有三級構造？ 四級構造 的妙用，可以 血紅蛋白 (Hb) 與 肌紅蛋白 (Mb) 的例子說明。 Hb 是四元體，有所謂的四級構造；Mb 為單元體，只有三級構造。Hb 在血中循環，由肺泡中取得氧分子，運送到肌肉中，下載給 Mb。 因此 Hb 必須得知，何時該吸收氧分子，何時該放出；也就是說 Hb 必須有感應氧分子濃度的能力，同時還得做出吸收或放出的動作。這些能力都源自其四級構造的組成。 在靜脈中 Hb 都不載有氧分子，這時候它的四個次體分子都處於一種休息狀態，結合區不容易張開讓 heme 接受氧分子。 當 Hb 循環到肺部時，環境的氧分子濃度提高了，四個次體的任何一個分子接上一個氧分子後，馬上會牽動其它次體，使得其它次體的分子構造舒張，變得很容易接受氧分子。因此在肺部的 Hb 都很容易地滿載氧分子，經動脈輸送至肌肉。若當時肌肉相當勞累，需要大量氧分子的補充，其酸鹼度會降得比較低，Hb 就更容易釋出氧分子，而 Mb 則一昧地吸收 Hb 所下的氧分子，並無調節作用。放下氧分子的 Hb 就回復休息狀態，循著靜脈流回肺部。 蛋白質的構形事實上都不是固定不動，其分子會有某些程度的運動，上述的 Hb 分子也是如此。當其處於休息狀態時，是分子較為緊密的一種構形，稱之為 tense (T) 型；反之，若其構造較為疏鬆，則基質或其結合對象比較容易進入，稱之為 relaxed (R) 型。 T 與 R 型的變化，在酵素分子的活性調節也很重要。 ■ 下載動畫檔 Hb.pps (MS PowerPoint)  S5A2 ▲ TOP 抗體與抗原(Antibody and antigen/protein) 抗體 抗原 ■ 原態與變性 圖 例                                                                                                                                                                          保持原態的構形，是蛋白質所有功能性質的基本。 雖然 部份蛋白質經變性後可以在變性條件去除後，回復原態蛋白質，但並非所有蛋白質均可如此。 請如下表整理出組成蛋白質四級構造的鍵結力量，然後看哪些因素可以破壞這些力量，就是使蛋白質變性的方法。            構成力量：         共價鍵       非共價鍵        一級構造        二級構造        三級構造        四級構造  S5A3-1 ▲ TOP ■ 網路漫畫 圖 例                                                                                                                                                                          說明蛋白質四級構造組成的漫畫。  我以漫畫方式，說明蛋白質如何由胺基酸開始，一步一步組合成具有立體構形的活性分子；除了這個漫畫之外，還有解釋 基因重組、單株抗體、以及 免疫系統 的漫畫故事。這些網頁，都可從 莊榮輝首頁 中連結。  S5A4 ▲ TOP ▼ 下一節︰ 蛋白質純化  鹽溶及鹽析  構  造     ．     純  化     ．     分  析                                                            Protein/Structure/S4 本網頁最近修訂日期：

12 膠原蛋白的三螺旋(Triple helix of collagen)
   蛋白質構造 蛋白質純化 蛋白質分析 其他連結                                巨分子 鹽溶及鹽析 蛋白質定量法 生物技術中心 一級構造 膠體過濾法 酵素活性分析 生物技術核心實驗 二級構造 離子交換法 膠體電泳法 酵素純化與分析 三級構造 親和層析法 免疫轉印法 流程圖 A 種 四級構造 純化策略 Proteomics 流程圖 B 種　                             蛋白質構造 四級構造 ．四級構造 ．血中氧分子的運送 ．四級構造的意義 ．原態與變性 ．網路漫畫 ■ 四級構造 圖 例                                                                                                                                                                          血紅蛋白是解釋蛋白質分子四級構造的範例。 上圖由左至右依序說明，如何一級一級組合成血紅蛋白的最後構形，而形成一個有活性的分子。有很多蛋白質在三級構造即有完整或性，但有些則需要再組成四級構造，以利更複雜的生理功能。  S5A1 ▲ TOP ■ 血中氧分子的運送 圖 例                                                                                                                                                                          為何血紅蛋白要有第四級構造，而肌紅蛋白只需有三級構造？ 四級構造 的妙用，可以 血紅蛋白 (Hb) 與 肌紅蛋白 (Mb) 的例子說明。 Hb 是四元體，有所謂的四級構造；Mb 為單元體，只有三級構造。Hb 在血中循環，由肺泡中取得氧分子，運送到肌肉中，下載給 Mb。 因此 Hb 必須得知，何時該吸收氧分子，何時該放出；也就是說 Hb 必須有感應氧分子濃度的能力，同時還得做出吸收或放出的動作。這些能力都源自其四級構造的組成。 在靜脈中 Hb 都不載有氧分子，這時候它的四個次體分子都處於一種休息狀態，結合區不容易張開讓 heme 接受氧分子。 當 Hb 循環到肺部時，環境的氧分子濃度提高了，四個次體的任何一個分子接上一個氧分子後，馬上會牽動其它次體，使得其它次體的分子構造舒張，變得很容易接受氧分子。因此在肺部的 Hb 都很容易地滿載氧分子，經動脈輸送至肌肉。若當時肌肉相當勞累，需要大量氧分子的補充，其酸鹼度會降得比較低，Hb 就更容易釋出氧分子，而 Mb 則一昧地吸收 Hb 所下的氧分子，並無調節作用。放下氧分子的 Hb 就回復休息狀態，循著靜脈流回肺部。 蛋白質的構形事實上都不是固定不動，其分子會有某些程度的運動，上述的 Hb 分子也是如此。當其處於休息狀態時，是分子較為緊密的一種構形，稱之為 tense (T) 型；反之，若其構造較為疏鬆，則基質或其結合對象比較容易進入，稱之為 relaxed (R) 型。 T 與 R 型的變化，在酵素分子的活性調節也很重要。 ■ 下載動畫檔 Hb.pps (MS PowerPoint)  S5A2 ▲ TOP 膠原蛋白的三螺旋(Triple helix of collagen) Top view of triple helix Side view of triple helix Glycine ■ 原態與變性 圖 例                                                                                                                                                                          保持原態的構形，是蛋白質所有功能性質的基本。 雖然 部份蛋白質經變性後可以在變性條件去除後，回復原態蛋白質，但並非所有蛋白質均可如此。 請如下表整理出組成蛋白質四級構造的鍵結力量，然後看哪些因素可以破壞這些力量，就是使蛋白質變性的方法。            構成力量：         共價鍵       非共價鍵        一級構造        二級構造        三級構造        四級構造  S5A3-1 ▲ TOP ■ 網路漫畫 圖 例                                                                                                                                                                          說明蛋白質四級構造組成的漫畫。  我以漫畫方式，說明蛋白質如何由胺基酸開始，一步一步組合成具有立體構形的活性分子；除了這個漫畫之外，還有解釋 基因重組、單株抗體、以及 免疫系統 的漫畫故事。這些網頁，都可從 莊榮輝首頁 中連結。  S5A4 ▲ TOP ▼ 下一節︰ 蛋白質純化  鹽溶及鹽析  構  造     ．     純  化     ．     分  析                                                            Protein/Structure/S4 本網頁最近修訂日期：

13 膠原蛋白在細胞的位置(Location of collagen)
   蛋白質構造 蛋白質純化 蛋白質分析 其他連結                                巨分子 鹽溶及鹽析 蛋白質定量法 生物技術中心 一級構造 膠體過濾法 酵素活性分析 生物技術核心實驗 二級構造 離子交換法 膠體電泳法 酵素純化與分析 三級構造 親和層析法 免疫轉印法 流程圖 A 種 四級構造 純化策略 Proteomics 流程圖 B 種　                             蛋白質構造 四級構造 ．四級構造 ．血中氧分子的運送 ．四級構造的意義 ．原態與變性 ．網路漫畫 ■ 四級構造 圖 例                                                                                                                                                                          血紅蛋白是解釋蛋白質分子四級構造的範例。 上圖由左至右依序說明，如何一級一級組合成血紅蛋白的最後構形，而形成一個有活性的分子。有很多蛋白質在三級構造即有完整或性，但有些則需要再組成四級構造，以利更複雜的生理功能。  S5A1 ▲ TOP ■ 血中氧分子的運送 圖 例                                                                                                                                                                          為何血紅蛋白要有第四級構造，而肌紅蛋白只需有三級構造？ 四級構造 的妙用，可以 血紅蛋白 (Hb) 與 肌紅蛋白 (Mb) 的例子說明。 Hb 是四元體，有所謂的四級構造；Mb 為單元體，只有三級構造。Hb 在血中循環，由肺泡中取得氧分子，運送到肌肉中，下載給 Mb。 因此 Hb 必須得知，何時該吸收氧分子，何時該放出；也就是說 Hb 必須有感應氧分子濃度的能力，同時還得做出吸收或放出的動作。這些能力都源自其四級構造的組成。 在靜脈中 Hb 都不載有氧分子，這時候它的四個次體分子都處於一種休息狀態，結合區不容易張開讓 heme 接受氧分子。 當 Hb 循環到肺部時，環境的氧分子濃度提高了，四個次體的任何一個分子接上一個氧分子後，馬上會牽動其它次體，使得其它次體的分子構造舒張，變得很容易接受氧分子。因此在肺部的 Hb 都很容易地滿載氧分子，經動脈輸送至肌肉。若當時肌肉相當勞累，需要大量氧分子的補充，其酸鹼度會降得比較低，Hb 就更容易釋出氧分子，而 Mb 則一昧地吸收 Hb 所下的氧分子，並無調節作用。放下氧分子的 Hb 就回復休息狀態，循著靜脈流回肺部。 蛋白質的構形事實上都不是固定不動，其分子會有某些程度的運動，上述的 Hb 分子也是如此。當其處於休息狀態時，是分子較為緊密的一種構形，稱之為 tense (T) 型；反之，若其構造較為疏鬆，則基質或其結合對象比較容易進入，稱之為 relaxed (R) 型。 T 與 R 型的變化，在酵素分子的活性調節也很重要。 ■ 下載動畫檔 Hb.pps (MS PowerPoint)  S5A2 ▲ TOP 膠原蛋白在細胞的位置(Location of collagen) 多醣分子 細胞外液 醣類 分子 膠原蛋白 蛋白多醣 複合體 核心 蛋白 纖網蛋白 蛋白多 醣分子 細胞膜 整合蛋白 細胞質 細胞骨架微絲 (肌動蛋白) 整合蛋白 ■ 原態與變性 圖 例                                                                                                                                                                          保持原態的構形，是蛋白質所有功能性質的基本。 雖然 部份蛋白質經變性後可以在變性條件去除後，回復原態蛋白質，但並非所有蛋白質均可如此。 請如下表整理出組成蛋白質四級構造的鍵結力量，然後看哪些因素可以破壞這些力量，就是使蛋白質變性的方法。            構成力量：         共價鍵       非共價鍵        一級構造        二級構造        三級構造        四級構造  S5A3-1 ▲ TOP ■ 網路漫畫 圖 例                                                                                                                                                                          說明蛋白質四級構造組成的漫畫。  我以漫畫方式，說明蛋白質如何由胺基酸開始，一步一步組合成具有立體構形的活性分子；除了這個漫畫之外，還有解釋 基因重組、單株抗體、以及 免疫系統 的漫畫故事。這些網頁，都可從 莊榮輝首頁 中連結。  S5A4 ▲ TOP ▼ 下一節︰ 蛋白質純化  鹽溶及鹽析  構  造     ．     純  化     ．     分  析                                                            Protein/Structure/S4 本網頁最近修訂日期：

14 蛋白質的一、二、三、四級結構 一級 細胞膜上的跨膜型蛋白質之四級結構 二級 三級 血紅素(hemoglobin) (2α＋2β) 四級

15 胰島素一級結構(Primary structure of insulin)
50 21 31 41 1 11

16 多醣類(澱粉與肝糖)的結構

17 DNA雙螺旋結構(DNA double helix)
生命為何偏愛螺旋結構？ 雖然人類設計建築與馬路時均偏好於筆直的線條，但大自然的選擇對此並不贊同，而更傾向於螺旋狀的捲曲結構。小到決定生命形態的DNA結構，乃至關乎我們後天性狀美醜的蛋白質結構及我們賴以生存的食物的主要組分澱粉，無一例外是螺旋結構。什麼決定了這樣的自然選擇及這種結構的益處。 DNA雙螺旋結構(DNA double helix)

18 螺旋生物體---螺旋藻 不僅生物大分子採取了螺旋的構型，而且有時整個生物體的形狀或生物體的組成部分也可以是螺旋體。我們熟悉的螺旋藻就是這樣的一種生物，其得名就是由於其形體在顯微鏡下觀察時呈螺旋狀的緣故。 螺旋藻是地球上最早出現的光合生物，是所有已被發現的生物中營養成分最豐富，最全面，最 均衡的海洋生物。它的細胞壁是由多糖類物 質構成，極易被人體消化吸收，吸收率可達 95%以上。螺旋藻還富含糊蘿蔔素，亞麻酸 和亞油酸等活性物質，有清除血脂、疏通血 管和保持血管彈性的作用，對防治心、腦血 管疾病很有益處。螺旋藻是人類的朋友，而下面的另一種螺旋狀的生命體就不能算是人類的朋友。

19 最古老多細胞生物模擬圖 蛋白質構造 ．四級構造 ．血中氧分子的運送 ．四級構造的意義 ．原態與變性 ．網路漫畫 圖 例
   蛋白質構造 蛋白質純化 蛋白質分析 其他連結                                巨分子 鹽溶及鹽析 蛋白質定量法 生物技術中心 一級構造 膠體過濾法 酵素活性分析 生物技術核心實驗 二級構造 離子交換法 膠體電泳法 酵素純化與分析 三級構造 親和層析法 免疫轉印法 流程圖 A 種 四級構造 純化策略 Proteomics 流程圖 B 種　                             蛋白質構造 四級構造 ．四級構造 ．血中氧分子的運送 ．四級構造的意義 ．原態與變性 ．網路漫畫 ■ 四級構造 圖 例                                                                                                                                                                          血紅蛋白是解釋蛋白質分子四級構造的範例。 上圖由左至右依序說明，如何一級一級組合成血紅蛋白的最後構形，而形成一個有活性的分子。有很多蛋白質在三級構造即有完整或性，但有些則需要再組成四級構造，以利更複雜的生理功能。  S5A1 ▲ TOP ■ 血中氧分子的運送 圖 例                                                                                                                                                                          為何血紅蛋白要有第四級構造，而肌紅蛋白只需有三級構造？ 四級構造 的妙用，可以 血紅蛋白 (Hb) 與 肌紅蛋白 (Mb) 的例子說明。 Hb 是四元體，有所謂的四級構造；Mb 為單元體，只有三級構造。Hb 在血中循環，由肺泡中取得氧分子，運送到肌肉中，下載給 Mb。 因此 Hb 必須得知，何時該吸收氧分子，何時該放出；也就是說 Hb 必須有感應氧分子濃度的能力，同時還得做出吸收或放出的動作。這些能力都源自其四級構造的組成。 在靜脈中 Hb 都不載有氧分子，這時候它的四個次體分子都處於一種休息狀態，結合區不容易張開讓 heme 接受氧分子。 當 Hb 循環到肺部時，環境的氧分子濃度提高了，四個次體的任何一個分子接上一個氧分子後，馬上會牽動其它次體，使得其它次體的分子構造舒張，變得很容易接受氧分子。因此在肺部的 Hb 都很容易地滿載氧分子，經動脈輸送至肌肉。若當時肌肉相當勞累，需要大量氧分子的補充，其酸鹼度會降得比較低，Hb 就更容易釋出氧分子，而 Mb 則一昧地吸收 Hb 所下的氧分子，並無調節作用。放下氧分子的 Hb 就回復休息狀態，循著靜脈流回肺部。 蛋白質的構形事實上都不是固定不動，其分子會有某些程度的運動，上述的 Hb 分子也是如此。當其處於休息狀態時，是分子較為緊密的一種構形，稱之為 tense (T) 型；反之，若其構造較為疏鬆，則基質或其結合對象比較容易進入，稱之為 relaxed (R) 型。 T 與 R 型的變化，在酵素分子的活性調節也很重要。 ■ 下載動畫檔 Hb.pps (MS PowerPoint)  S5A2 ▲ TOP 最古老多細胞生物模擬圖 ■ 原態與變性 圖 例                                                                                                                                                                          保持原態的構形，是蛋白質所有功能性質的基本。 雖然 部份蛋白質經變性後可以在變性條件去除後，回復原態蛋白質，但並非所有蛋白質均可如此。 請如下表整理出組成蛋白質四級構造的鍵結力量，然後看哪些因素可以破壞這些力量，就是使蛋白質變性的方法。            構成力量：         共價鍵       非共價鍵        一級構造        二級構造        三級構造        四級構造  S5A3-1 ▲ TOP ■ 網路漫畫 圖 例                                                                                                                                                                          說明蛋白質四級構造組成的漫畫。  我以漫畫方式，說明蛋白質如何由胺基酸開始，一步一步組合成具有立體構形的活性分子；除了這個漫畫之外，還有解釋 基因重組、單株抗體、以及 免疫系統 的漫畫故事。這些網頁，都可從 莊榮輝首頁 中連結。  S5A4 ▲ TOP ▼ 下一節︰ 蛋白質純化  鹽溶及鹽析  構  造     ．     純  化     ．     分  析                                                            Protein/Structure/S4 本網頁最近修訂日期：

20 幽門螺旋桿菌 寄居在胃裏的幽門螺旋桿菌，也是因其呈桿狀、螺旋形而得名。胃液對許多細菌具有強烈的殺傷力，但對幽門螺旋桿菌卻奈何不得。幽門螺旋桿菌埋藏在胃壁表面的黏膜下方，能夠分泌一種物質來中和周圍環境中的強酸，這是其過人之處。幽門螺旋桿菌很愛挑釁我們的免疫系統，往往激怒免疫系統發動初步的無情攻擊，導致發炎反應。因此感染幽門螺旋桿菌的人，會出現沒有症狀的胃炎(也就是胃粘膜發炎)。人進入中年之後，會很容易得這些病，這都是幽門螺旋桿菌的禍害所致。

21 水黽微米剛毛和螺旋狀奈米溝槽 除上述生物體本身呈螺旋狀外，而有些生物卻借助螺旋形狀實現它們獨特的功能。水黽就是利用其腿部特殊的微奈米螺旋結構效應在水面上行動自如，即使在狂風暴雨和急速流動的水流中也不會沉沒而下沉。水黽微米剛毛和螺旋狀奈米溝槽的縫隙內可以有效吸附空氣，在其表面形成一層穩定的氣膜，阻礙了水滴的浸潤，從而表現出水黽腿的超疏水(即不浸水)特性。對其腿的力學測量表明：僅僅一條腿在水面的最大支持力就達到了其身體總重量的15倍。 高倍顯微鏡下的水黽腿部

22 螺旋是有科學原理還是僅僅是一種隨機的生命形態？
生命為何愛螺旋？ 螺旋是有科學原理還是僅僅是一種隨機的生命形態？ 大自然幾乎到處都存在螺旋。螺旋結構是自然界最普遍的一種形狀，許多在生物細胞中發現的微型結構都採用了這種構造。為何大自然對這種結構如此偏愛呢？《科學》雜誌報導了這一現象的數學解釋。 美國賓州大學的蘭德爾·卡緬教授指出，從本質上來看，在擁擠的細胞(例如一個細胞裏的DNA)中，非常長的分子聚成螺旋結構是一個較佳的方式。在細胞稠密而擁擠的環境中，長分子鏈經常採用規則的螺旋狀構造。這一構造有兩點好處：(1)可以讓資訊緊密地結合其中；(2)還能夠形成一個表面，允許其他微粒在一定的間隔處與它相結合。例如，DNA的雙螺旋結構允許進行DNA轉錄和修復。 卡緬教授通過一個模型說明瞭這個問題：把一個能隨意變形、但不會斷裂的管子浸入由硬的球體組成的混合物中，管子就像是一個存在於十分擁擠的細胞空間中的一個分子。觀察發現對於短小易變形的管子而言，U形結構的形成所需的能量最小，空間也最少。而它的U形結構，在幾何學上與螺旋結構最為近似。 “看來，分子中的螺旋結構是自然界能夠最佳地使用手中材料的一個例子。DNA由於受到細胞內的空間局限而採用雙螺旋結構，就像是由於公寓空間局限而採用螺旋梯的設計一樣。”這是生物大分子採取螺旋結構的合理的數學解釋。然而為何生物體也以螺旋結構的形狀存在的原因仍不清楚，還有待進一步的研究。

23 宇宙生命存在的形式有無數種可能(1) “機遇號”和“勇氣號”在火星上忙活著，全世界都看著它們，它們的每一個微小的進展都讓人興奮。
2005/3/2美國NASA宣稱“機遇號”在火星上發現了水，這個消息讓科學家們歡欣鼓舞。 其實地球人類對茫茫宇宙最掛懷的，就是想找到與自己類似的其他生物，他們似乎很孤獨。到底宇宙裏有沒有其他生命形式？存在生命形式的可能性有多大？ 宇宙裏有沒有其他生命形式？

24 宇宙生命存在的形式有無數種可能(2) 地球生命的極限
天文學家們一直以來都在致力於發現外星微生物存在的證據，在火星上、木衛二上……太陽系內一切有條件的地方都是他們尋找的對象。但最近幾年最激動人心的外星生命探索的進展卻是在地球上完成的。外星生物學家來到地球最惡劣、最極端的地方，在智利最乾燥的阿塔卡馬沙漠中、在環境最惡劣的岩洞裏、在南極洲的千年冰架下麵、在幾千米的深海下面、在幾萬米的高空上，他們發現了形形色色的與世隔絕的細菌，它們生命力之頑強令科學家驚歎不已。在南極的古老凍岩中，有一種細菌舒舒服服地躲在石頭表面下多孔的空間裏，活得跟花店櫥窗裏的牽牛花一樣旺盛；法國科學家曾在太平洋底3000米處，水溫高達250℃的熱泉口，發現多種細菌；1969年降落月球的“阿波羅12號”太空船，收回了兩年半前無人探測船“觀察家三號”留在月球上的相機，竟然發現其底部有地球上的微生物“緩症鏈球菌”，這種來自地球的微生物，在幾近真空、充滿宇宙射線的月球表面生存了兩年半！

25 宇宙生命的存在形式有無數種可能(3) 許多種類的細菌無需空氣，它們或是通過分解(而不是氧化)有機食物，或是從硫酸鹽或硝酸鹽等氧化合物而不是從空氣中獲得氧；有的細菌通過轉換鐵化合物和硫來保持生命的延續，生存下來；有的細菌在沸水中滋生；有的細菌則在0℃以下的鹽水中生存；有的細菌在不可思議的高壓下存活。看上去，多數細菌的生命是永無止境的，某些細菌的孢子可以休眠幾千年。 它們生命的潛能與地球上其他生命的潛能完全或者幾乎不同。正是這一不同，向我們暗示著生命的另一種可能，或許是生命在宇宙間其他星球上的另一種可能。

26 宇宙生命存在的形式有無數種可能(4) 既然地球細菌展現了如此豐富的生命形態，那麼宇宙中的生命該有多少種可能性呢？地球上的生命都是由核酸和蛋白質組成的，但這是否是生命存在的惟一形式？可以有基於別的化學基礎而發展起來的其他生命嗎？ 這個問題無疑是對生物學家的一項重大挑戰。因為地球上的“蛋白質生命”是以碳元素為基礎的，一些科學家於是翻開元素週期表，看看哪一種元素的性質與碳最為相似—當然是同一族中的矽。矽基生命甚至可以不攝取有機物，而只從宇宙空間中吸收星光維持生命，他的身體是由多數光線粒子和少數物質粒子組成，物質粒子在必要時也可以轉化成光線粒子。可以設想，既然我們這些以碳為基礎的生物呼出的廢氣是二氧化碳，那麼，火星上那些以矽為基礎的生物，呼出的自應是矽和氧的化合物—二氧化矽。二氧化矽其實就是我們平時在沙灘上所見的沙，也就是說，這些火星生物在呼吸時所噴出的是沙粒！

27 宇宙生命存在的形式有無數種可能(5) 以上都只是個別的、零星的構想，真正對問題作出全面性的考察和系統性的分析的，是著名生化學家阿西莫夫所寫的一篇文章《並非我們所認識的》。他在文中提出了六種生命形態： 一、以氟化矽酮為介質的氟化矽酮生物； 二、以硫為介質的氟化硫生物； 三、以水為介質的核酸/蛋白質(以氧為基礎的)生物； 四、以氨為介質的核酸/蛋白質(以氮為基礎的)生物； 五、以甲烷為介質的類脂化合物生物； 六、以氫為介質的類脂化合物生物。 其中第三項便是我們所熟悉的—亦是我們惟一所認識的—生命。至於第一、第二項，是一些高溫星球上可能存在的生命形式，另外，地球上曾經出現過的那些生活在硫礦裏的、厭氧的古細菌就很有可能是以硫作為自己生命的介質；而第四項至第六項，則是一些寒冷星球上可能存在的生物形態。 宇宙中的生命可能有著不同的化學基礎，使我們認識到，生命對環境的適應能力各有不同—所謂“甲之熊掌，乙之砒霜”，我們認為舒適宜人的星球，對一些生物來說可能是酷熱難耐，而對另一些則可能是寒冷難當。

28 地外生物的生命物質是左旋，還是右旋？ 除了火星外，太陽系中還有別的星球可能有生命存在嗎？ 其實木星的木衛二最有希望，甚至超過火星。木衛二表面
是一層厚實的冰殼，冰殼下可能有一個深達100多公里的海 洋。在木衛二上不需辛苦找水，因為它本身就是個大水球。 但木星距地球太遠，登陸探測，花費更大。但是科學家早已經展開想像力，夢想送一架「水中機器人」(hydrobot，如圖)，以核能加熱穿過數公里厚的冰層，潛入海中，四處漫遊照相，說不定能看到魚在鏡頭前出現。拍下來的圖像再經由木衛二通訊衛星中繼站送回地球。 太陽系內的生命，因為隕石互訪感染，生命可能來自同一泉源，生命的結構，也可能和地球一樣，以DNA、RNA乃至於左旋胺基酸構成的蛋白質為基礎。左、右旋胺基酸構成之蛋白質的形成，約在40億年前生命起源年代，機率可能各半。太陽系可能是清一色選擇了左旋胺基酸蛋白質結構，但在太陽系外，右旋胺基酸蛋白質結構的生命很可能存在。人類的科技，已能找到數百光年外的行星，現在正努力發展比哈伯望遠鏡大上數十倍的「下世代太空望遠鏡」(NGST)，通過它對太陽系外行星的光譜分析，我們說不定真的能偵測到生命氣體，看到右旋結構的生命，那又是件多麼令人興奮的事呀！

29 更不可思議的設想 還有一些科幻作家留意到，元素週期表中的硫與同一族的氧在性質上有不少相似之處。那是否表示，在一些較高溫的星球上(硫在地球上的室溫時是固體)，生物呼吸所需的氧氣可以被硫所代替？ 此外，水是一切蛋白質生命所必需的溶液和介質。有沒有一種其他化合物可以取代水的地位呢？有！那就是氨。由於氨在冰點以下仍是液體，一些科幻作家遂推想，在一些寒冷的巨型氣態行星的表面下，可能存在著由氨組成的海洋，而海洋中則充滿著以氨為介質的生命形式。 然而，科幻作家仍不滿足於生命的這些多樣性，他們在各自的作品中充分發揮了想像力，為我們創造出一些更不可思議、但細想之下又似乎不無道理的生命世界。一些作家設想，在某些極寒冷的星球之上，可能存在著以液體氦為基礎，並以超導電流作聯繫的生命形式；另一些作家則認為，即使在寒冷而黑暗的太空深處，亦可能有一些由星際氣體和塵埃組成，並由無線電波傳遞神經訊號的高等智慧生物——霍耳的科幻小說正是這方面的代表作；還有一些想像力更豐富的作家甚至認為外星生命也許根本不需要化學物質基礎，他們可能只是一些純能量的生命形式，比如一束電波。 最為有趣的是著名科幻作家福沃德所寫的《龍蛋》，這部構思出色的作品描述了一顆中子星表面的生物。這顆中子星直徑僅20公里，但表面的引力卻等於地球上的670億倍，磁場是地球的1萬億倍，表面溫度達到8000多攝氏度。什麼生物可以在這樣的環境下生存呢？是由“簡並核物質”組成的生物。所謂“簡並”，就是指原子外部的電子都被擠壓到原子核裏去，因此所有原子都可以十分緊密地靠在一起，形成超密物質。中子星上的生物身高約半毫米，直徑約半釐米，體重卻有70公斤，這是因為他們由簡並物質所組成。此外，他們的新陳代謝是基於核反應而非化學反應，因此一切變化(包括生老病死和思維)的速率都比人類快100萬倍！

30 敬 請 指 教