【本著作除另有註明外，採取創用CC「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣2.5版授權釋出】 第 3 單元 細胞裡的藍領階級：蛋白質 授課老師 羅竹芳 【本著作除另有註明外，採取創用CC「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣2.5版授權釋出】

細胞裡的藍領階級:蛋白質

蛋白? 臺灣大學 羅竹芳 蛋白質-首先讓人聯想的是煎蛋裡的蛋白，蛋白質與煎蛋裡的蛋白有關係嗎？ 在最早期的蛋白質在研究當中，發現有一種物質，在雞蛋裡的蛋白裡大量存在，並將此物質命名為蛋白質。 臺灣大學 羅竹芳

食物中與細胞中的蛋白質其實是不同的 食物裏的蛋白質 消化吸收 胺基酸 供應能量 合成人體細胞中所需各式各樣的蛋白質 臺灣大學 羅竹芳 臺灣大學 羅竹芳 而後科學家陸續在不同的動物組織裡發現蛋白質這類成份。 蛋白質對於生命而言為必需的，至今已經大概數千萬種的蛋白質。 合成人體細胞中所需各式各樣的蛋白質 供應能量

蛋白質 (Protein) 蛋白質是細胞內不疲倦的工人, 日以繼夜的努力工作, 以維持生命的延續, 就像大多數設計良好的機械一樣, 蛋白質往往被設計來進行特定的工作. 臺灣大學 羅竹芳 若以一種職業來形容蛋白質，那麼它有如細胞內永不倦怠、日以繼夜工作的工人(就像大公司設計的機械一般)，在生物體內進行特定的工作。 臺灣大學 羅竹芳

蛋白質的類型與功能 酵素: 協助破壞或合成一些生命必需物質. 結構性蛋白質: 提供組織或細胞物理性的支撐. 運送蛋白質: 協助攜帶小分子. 臺灣大學 羅竹芳 結構性蛋白質: 提供組織或細胞物理性的支撐. 臺灣大學 羅竹芳 蛋白質如日常使用的螺絲起子所對應的六角螺絲一樣，能以各式各樣不同的形式對應不同的工作。 蛋白質研究至今已超過半世紀之久，並且發現非常多不同類型的蛋白質，以下整理幾種有代表性的蛋白質: 酵素：廣告中常強調某某飲料或化妝品中添加了酵素，可美白或健身，該類均屬於蛋白質。而酵素這種蛋白質為協助或合成生命的必須品，例如，人體吃下一些食物，食物到達胃裡，胃液裡含有一群不同的蛋白質，可消化或分解食物的小分子，該小分子經過胃吸收經血液循環後被細胞攝取，又被另一群蛋白質，將小分子轉換成為能量，以維持生命之進行，所以酵素對於生物非常重要。 結構性蛋白質：蛋白質就像大廈的鋼樑、骨架一樣支撐建築，它可以提供細胞組織物理性的支撐，皮膚、毛髮即是一例。 運輸蛋白質：這種蛋白質就像我們紅血球裡的血紅素一樣，可以協助攜帶一些小分子，例如氧氣，並運送到身體各處的細胞，提供細胞之所需。 運送蛋白質: 協助攜帶小分子. 臺灣大學 羅竹芳

蛋白質的類型與功能 運動蛋白質: 協助細胞或組織移動. 儲存蛋白質: 負責儲存細胞內一些小分子. 訊息傳導蛋白質: 將訊息於細胞間傳遞. 臺灣大學 羅竹芳 儲存蛋白質: 負責儲存細胞內一些小分子. 臺灣大學 羅竹芳 臺灣大學 羅竹芳 運動蛋白質：協助細胞或組織移動，並牽移肌肉及改變肌肉的形狀，使人可以走路或跑步，如 NBA 籃球員體內的該類蛋白質應是比平常人豐富許多。 儲存蛋白質-『storage protein』 ：負責儲存細胞內的小分子。我們可將未吃完或未食用的食物存放冰箱，人體的細胞裡面內也有類似的機制，可將暫時沒用到或有害的小分子，裝進儲存蛋白質的這個冰箱內，待需要時打開用。 訊息傳導蛋白質：串連細胞的與細胞之間的訊息傳遞，此類蛋白質如細胞間的紅綠燈，可告知細胞對於何種物質的運用原則。 訊息傳導蛋白質: 將訊息於細胞間傳遞. 臺灣大學 羅竹芳

蛋白質的類型與功能 受器蛋白質: 接受外來的刺激. 基因調節蛋白質: 與DNA結合, 並調節基因的開關. 功能特化的蛋白質 受器蛋白質: 接受外來的刺激. 臺灣大學 羅竹芳 基因調節蛋白質: 與DNA結合, 並調節基因的開關. 臺灣大學 羅竹芳 受器蛋白質：接受外來的剌激，引導細胞細胞產生一系列的反應。像瞳孔裡面的感光性蛋白質，在我們早上睡醒接觸到光之時，感光性蛋白質便會因受到光的剌激而啟動身體一系列的化學反應，使人從睡眠中清醒。日本的大版大師，正在研究新的光受性蛋白質命名，因該蛋白的訊息傳導的很快，因此命其名為”皮卡丘”，如果有興趣的人可上網探詢一些蛋白質的名稱。 基因調節蛋白質：負責與DNA結合，並調控某些基因的啟動(表現)或關閉。 功能特化蛋白質：例如可協助細胞抗抗低溫的蛋白質，當細胞處於低溫環境下(低於零下20度30度時)，細胞內的水份將形成冰晶，冰晶可剌破細胞膜，導致細胞受傷進而死亡，這一類型的抗低溫蛋白質可將冰晶捉住，先防止冰晶剌破細胞膜，使細胞在低溫環境下仍然無傷，保有生氣。 功能特化的蛋白質 臺灣大學 羅竹芳

蛋白質與木蛙之『凍結/復甦』（影片4’23”） 蛋白質與木蛙之『凍結/復甦』影片 說明抗低溫蛋白質是如何在木蛙裡面作用。 該類物質為抗低溫的蛋白質，可迅速將冰晶包圍住，預先一步防止冰晶剌破細胞，可說是生物善用了一個複雜蛋白質使其避開細胞被次破的危機，安然進入冬眠，渡過寒冬。 從在葡萄醣注入細胞成為天然防凍劑的同時，蛋白質也協助細胞間的液體形成足夠小的冰晶，預先一步防止長大如刀似的冰晶剌破細胞。 除了抗低溫蛋白質可參與使用工作外，其他如凍結的木蛙復甦時的『第一道電流電擊心臟機制』，其實這也牽涉到非常多的受器蛋白質參與其中。 各式各樣的蛋白質如同network 的合作方式，使青蛙有抗低溫的機制。 臺灣大學 羅竹芳

生命如何選擇蛋白質? DNA mRNA 蛋白質 生命密碼資訊寶庫. 轉錄 被選取資訊的傳遞者. 轉譯 人體內存在包羅萬相的蛋白質。生物運用『生命的中心法則』將DNA經由轉錄機制變成mRNA，mRNA 再經轉譯製造蛋白質。 DNA 就如同生命密碼的資訊寶庫，充滿了各式各樣的遣傳訊息，可協助人體因應不同的環境和情況。mRNA將被選出的部份訊息「節錄」出，並傳遞給核醣體，核醣體便根據 mRNA 的資訊再建造一系列的蛋白質，這些蛋白質便像機器一般負責執行各式各樣的工作，協助生命對應環境。 蛋白質 根據選取資訊而做出來的機器, 負責執行各式各樣的工作, 以維持生命的存續.

組成蛋白質的基石: 胺基酸 (amino acid) 胺　基　酸 側 鏈 天門冬氨酸 (Aspartic acid) ASP D Negative 丙胺酸 (Aaline) Ala A nonpolar 麩氨酸 (Glutamic acid) Glu E 甘胺酸 (Glycine) Gly G 精胺酸 (Arginine) Arg R Positive 纈草胺酸 (Valine) Val V 賴胺酸 (Lysine) Lys K 亮胺酸 (Leucine) Leu L 組胺酸 (Histidine) His H 異白胺酸 (Isoleucine) Ile I 天門冬醯胺 (Asparagine) Asn N Uncharged polar 脯胺酸 (Proline) Pro P 麩醯胺 (Glutamine) Gln Q 苯基丙胺酸 (Phenylalanine) Phe F 絲胺酸 (Serine) Ser S 甲硫胺酸 (Methionine) Met M 蘇胺酸 (Threonine) Thr T 色胺酸 (Tryptophan) Trp W 酪胺酸 (Tyrosine) Tyr Y 胱胺酸 (Cystine) Cys C 組成蛋白質的基石為胺基酸。細胞起初建造蛋白質所使用的胺基酸有20種，這些胺基酸構成了我們生物體內不同的蛋白質。 Polar amino acids Nonpolar amino acids 11

胺基酸的組成 H R 胺基酸主要組成: 氮(N),氫(H), 氧 (O), 碳 (C) 胺基酸由四個不同種類的分子組成，其為氮、氫、氧、碳。R-group具有『非常多變性』，20種胺基酸有20種不同的R-group，吾人利用 R-group 來區分不同種的胺基酸。 食品中的蛋白質與其他養份不一樣，食品中的醣類主要由氮、氫、氧所組成，但胺基酸最特別之處為其含有氮原子，因此可用氮原子之量來檢測食物蛋白質含量之多寡。

胺基酸組成與毒奶粉

三鹿毒奶粉 臺灣大學 羅竹芳 近日來的熱門話題-「三鹿毒奶粉事件」：毒奶粉也與胺基酸組合有直接的關連。 緣由於中國大陸石家莊「三鹿公司」所生產的奶粉內含「三聚氰胺」，嬰兒食用後產生腎衰竭、腎發炎及腎衰竭，甚至是必須終身洗腎或死亡。全世界各地開始警戒三聚氰胺。 分析三聚氰胺被添加在食品裡的原因。 臺灣大學 羅竹芳

毒奶粉與三聚氰胺 66 % 胺基酸 三聚氰胺 食品工業中常常需要檢查蛋白質含量，但是直接測量蛋白質含量技術上比較複雜，成本也比較高，不適合大範圍推廣，所以業界常常使用“ 凱氏定氮法（Kjeldahl method）” 之方法，通過食品中氮原子的含量來間接推算蛋白質的含量。也就是說，食品中氮原子含量越高，這蛋白質含量就越高。 食品工業裡需檢查蛋白質含量，若直接測定蛋白質的含量較為複雜的，就實驗室的檢驗而言，一個實驗往往需耗一個小時左右的時間，因此成本高，不適合於食品工業大量的檢驗工作。所以業界常使用”凱氏定氮法” 用以檢測樣本的氮含量，間接推算出食品內蛋白質的含量，也就是食品中氮原子的含量與食品中的蛋白質含量成正比。 三聚氰胺為無色、無味的粉末，含有 66% 的氮，若添加在奶粉裡，則凱氏定氮法無法檢驗出三聚氰胺與蛋白質的分別。該物質並不會被人體所利用，若食用後，將被運送至腎，藉由尿液排出體外。然三聚氰胺於腎累積達一定濃度，則形成結石，並導致腎發炎或腎衰竭。嬰幼兒的主食為牛奶/奶粉，攝取三聚氰胺量較一般為多，又其代謝率較成人為低，因而成為相關病症的高危險族群。 由於三聚氰胺的特性，製造廠為獲得最大利益，將工廠所生產的牛奶加水稀釋，而後再添加三聚氰胺，製造牛奶含高量蛋白質的假象，之後賣給三鹿公司被製成奶粉，致使嬰兒食入後造成後嚴重的危害。 若各位認為只有奶粉才會被添加該物質?那麼就錯了。早在1983年，當時貓狗發生不少死亡案例，美國早針對三聚氰胺做研究，經檢測後發現寵物食品中被添加三聚氰胺，去年在美國又發生該事件案，其結果同樣為中國進口的寵物食品作祟。 倘若各位發現食品中仍有被添加三聚氰胺，請不用太驚慌，對成人而言，該物質可被人體代謝掉，因此並無大害，舉例來說，現在政府單位規定三聚氰胺含量不可超過2.5ppm，ppm為百萬分之一的單位，2.5ppm而言意指成人一天要喝掉500包左右的三合一咖啡，才會致死。但相對於小孩而言，因小孩的基礎代謝率較低，若以總體積而言比成人體較小，體重也較輕，因此嬰幼兒所食入的三聚氰胺則相對較多也較容易造成危害。 就嬰幼兒層面而言，在三聚氰胺事件中，誰需要付最大的責任？ 是酪農 三鹿牛奶廠的品管人員 還是政府 或化工廠？懂得該類知識的人。 在最初層次而言，化工廠應負最大的責任。誠如：「越有知識的人，他所必須負擔的責任也越重」。當人濫用所擁有的專業知識時，他對社會造成的傷害相形越高。

由胺基酸到一個有功能的蛋白質

胺基酸可以彼此串連程一長串 N- -C A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V 蛋白質之組成份-胺基酸 如何從胺基酸轉變成有功能的蛋白質？胺基酸有20多種，它如同顏色不同的積木供挑選，細胞根據生命的遺傳訊息，挑選對應的胺基酸，並將胺基酸串成一長鏈，又稱胜肽鏈。

胺基酸可以彼此串連程一長串 N- -C 臺灣大學 羅竹芳

生命的密碼主導胺基酸的組成 轉錄 帶有胺基酸的 tRNA, 會配合 mRNA 上的生命密碼, 將不同的胺基酸彼此串起 胺基酸 轉譯 19 臺灣大學 羅竹芳 修正 19

蛋白質折疊 N- -C 折疊 未折疊的胺基酸 -C N- 折疊好的蛋白質 胜肽鏈並非完整有功能可工作的蛋白質 ，它仍需經過折疊的步驟。折疊像玩串珠一樣，本是一串東西，接下來有計畫地將它折成固定的形狀，而後變成財神或小熊。 在生物體中，這種機制也同樣在進行，胜肽鏈本身為線狀，在體內有其他不同的機制，經計畫性將胜肽鏈折成一個的形狀，行使特定的功能。譬如把胜肽鏈折成一個鎚子，以便有槌子可以把釘子鎚進木頭中似的。 臺灣大學 羅竹芳 臺灣大學 羅竹芳

千奇百怪的蛋白質外型 Nevit Dilmen Zephyris Gareth White 常見的蛋白質外形，有長的、圓的等等各種千奇百怪的外形，在科學界有專門研究這領域的科學，稱為蛋白質結構學。 用蛋白質結構來形容蛋白質外形，再由蛋白質的外形來判定蛋白質的功能。舉例來說： 若是屬於切DNA的蛋白質，蛋白質上有一類似開口的部位，以咬住DNA，並將 DNA 咬斷。 以膠原蛋白為例：在市面上常可聽見火鍋內添加富含膠原蛋白的物質，可讓皮膚柔嫩，這類是屬於結構性蛋白質，形成像鋼筋骨架的形狀，以支撐細胞的整個形狀，所以由外形可判定蛋白質的功能 Gareth White

蛋白質結構基本組成: -helix 及 -sheet 若就細部而言，蛋白質不外乎有兩種基本的結構： 一種稱為 alpha helix，中文名稱為”阿法螺旋”，它的胜肽鏈的形狀，採一圈一圈的圍繞型態。 另外一種我們稱為 Beta-sheet，Beta-sheet 是平版的意思，可形成平板狀。 蛋白質上有Alpha helix 的好處是什麼呢？Alpha helix 就像柱子，可協助整個蛋白質插入某個物質，另一方面也可塞到更大分子的凹槽，更大的分子就像DNA，DNA有一個固定的凹槽，要跟DNA結合的蛋白質，都必須將 一個 Alpha helix 塞進DNA的凹槽面才能使用。Beta-sheet 的平版，就像鍋子一樣，可提供一個平台給其他的物質利用，以供其他的分子或物質置放，另外Beta-sheet在蛋白質的另一個功能類似魔鬼粘，當兩個蛋白質的 Beta-sheet 彼此靠近時，就能像魔鬼粘一樣可互黏而不易分開，這種機制在蛋白質的現象是非常重要的。 臺灣大學 羅竹芳

細部觀察蛋白質結構 以卡通圖示意細部的蛋白質結構，可發現大部份的蛋白質均由alpha helix和Beta-sheet兩種結構組成。紅色的即為 alpha helix，藍色的即為Beta-sheet，千變萬化的組合便可構成各式各樣不同外形的蛋白質，蛋白質便可賦予不同的功能。

與變性蛋白質 (prion) 相關疾病 狂牛症 牛海綿樣腦症（Bovine Spongiform Encephalopathy)。 牛有神經性的不正常行為，如行動遲緩、動作無法協調、精神沉鬱或是狂躁不安等現象 。 庫賈氏病（Creutzfeldt-Jakob Disease，CJD） 庫賈氏病在發病初期主要是以記憶力衰退、行為異常和步態不穩等類似痴呆症狀，隨病程進展，除上述症狀逐漸惡化外，患者的四肢和軀幹會有劇烈抽動、視力模糊、麻木感，末期則以嚴重癡呆為主。一般庫賈氏病例的年齡層高，多數腦波顯示不正常。 變性蛋白(prion) 無法誘發宿主的免疫反應而且對於福馬林、紫外線照射及加熱等化學或物理方法處理皆具抵抗力。 新幾內亞（Papau New Guinea）某個小區域呈地方性流行。 包括動物感染的羊搔癢症、狂牛症或人類感染的庫賈氏症等，都與感染性變性蛋白質普里昂 (prion) 有關，普里昂蛋白的發現與致病機制是近年醫學上的重要新發現。 24

蛋白質結構與狂牛症 傳染性海綿樣腦病變: 狂牛症 變性蛋白質普里昂 (prion) 與狂牛症之間的關連性：狂牛症在英國大爆發時，大約有幾萬頭的牛隻因疑似感染狂牛症而被撲殺，造成肉農受災慘重。狂牛症被稱為「傳染性海綿樣腦病變」，如此命名是因為病牛的腦組織會產生類似海綿的空洞，空洞形成原因是由於大部份腦細胞已壞死。患病的牛隻一開始呈現運動失調，走路不穩或逐漸爆燥易怒，最後喪失行為能力至死亡。

動物傳播性海綿樣腦病變 動物中之傳播性海綿狀腦病 病名 第一次文獻 所感染之動物對象 綿羊搔癢症 1973 山羊、綿羊 傳播性貂腦病 1965 貂 慢性消耗性疾病 1967 黑尾鹿、白尾鹿、麋鹿 牛海綿狀腦病 1986 牛(畜養) 動物園海綿狀腦病 1988 有蹄動物、大型貓科 貓海綿狀腦病 1990 貓(畜養) 傳播性海綿腦病變不只發生於牛體，早在1973年有一種綿羊搔癢病，患病的羊隻其症狀為開始瘋狂抓癢，終致死亡，其腦內組織也呈現與海綿一樣的結構，主要感染的動物為綿羊及山羊。 像貂、鹿、畜養的牛、大型貓科動物或蓄養的貓等等，都可能得到海綿樣腦病變。 26

動物傳播性海綿樣腦病變 從簡單的腦組織的切片可看出，患病個體的腦組織，其腦細胞並非緊密排列，空洞的細胞分佈形成類似海綿樣的形狀。

庫魯症 (kuru) 及 庫賈氏症 (Creutzfeldt-Jacob disease, CJD) 諾貝爾獎得主加得賽克在新幾內亞，耗費其畢生心力，研究這個被當地人視為巫術的傳染病: 庫魯症。 由觀察病患的組織切片，意外地發現克魯病的患者體內都沒有發炎現象。 病患之間似乎皆有親緣關係。 僅對女人及小孩有致病力。 克魯病一度被懷疑是遺傳疾病，但後來對其他動物所作的實驗證明-克魯病為傳染性疾病，而其傳染方式則是藉由吃食其親人屍體的方式而傳播的。 在人類病理研究中也發現類似疾病，稱為「庫魯症」或「庫賈氏症」，庫魯症為醫學界最早發現類似疾病的新幾內亞當地土著對這種疾病的稱呼，庫賈氏症則為人類的海綿樣腦病變的正式學術名稱。 庫魯症的歷史： 由加得塞克醫生在新幾內亞一支土著民族中發現，此特殊疾病會使病患出現行動失調、四肢無力或喪失語言能力，最後導致死亡。當地土著將該病視為巫術，認為是鬼神作祟。 加得塞克醫生針對該病進行深入的研究，觀察病患的組織切片，意外發現患者體內均無發炎現象 (當生物體被細菌或病毒感染時，組織會出現一系列免疫反應，使該區域組織產生發炎)。沒有發現發炎現象，意謂著該疾病並非由病菌或病毒感染而造成，可能為其他的病原體導致。 研究發現該病有親源關係，常是女人及小孩受感染。深入就當地風俗進行調查，發現該土著民族中，若族人死亡時親屬會將死者屍體吃掉，代表對此人的尊敬與思念。在分食過程中，男人主要分食肌肉部份，女人與小孩則食用內臟及腦部，當女人與小孩吃到得了庫魯症患者腦部的海綿樣組織時，也就被這疾病感染。因此得塞克醫生認為庫魯症為傳染性疾病，傳染的方式為藉由吃屍體的方式傳播，其後加得塞克醫生宣導該群土著『不要吃人肉』，於是庫魯症在這個民族中逐漸消失，加得塞克醫生也因此而獲得諾貝爾獎。 Original by User:Vardion, Image: A large blank world map with oceans marked in blue.svg

英國庫賈氏症一例（影片6’41”） 臺灣大學 羅竹芳 臺灣大學 羅竹芳 其後在不同國家也陸續發現類似症狀，譬如在英國發生了人類感染庫賈氏症的例子，這段影片是幾年前在英國拍攝的，當時正逢爆發狂牛症，許多科學家猜測是否得庫賈氏症的患者，吃了感染狂牛症的病牛肉才會得到庫賈氏症，造成海綿樣腦病變。這段影片記錄了一位得到庫賈氏症的年輕女孩由活潑健康到發病死亡的過程，此過程非常痛苦可怕，同時科學家也對該疾病傳染路徑進行調查分析。 臺灣大學 羅竹芳 臺灣大學 羅竹芳

狂牛症的病源『普里昂蛋白質 (Prion)』 1970年代晚期，牟絲首先利用電子顯微鏡下觀察到此類疾病病源的真面目，她在羊搔癢症的腦部切片中，發現了一種蛋白質纖維，並命名為羊搔癢症纖維，這種蛋白僅見於罹患羊搔癢症的腦部切片中，在正常的腦切片中卻不見蹤影，於是她設想這種蛋白就是羊搔癢症的病原體，但是由於證據不夠充分，所以沒有發表。 但是此時，另外一位科學家普西納，也做出類似的結果，並且先將此結果發表，並另外命名為普里昂 (Prion)，因此成為了第一個發現普利子的人，同時獲得一座諾貝爾獎。 兇手就是它 (Prion) 啦!! 1970年代晚期，牟絲首先利用電子顯微鏡觀察此類疾病病源的真面目，她在羊搔癢症病體的腦部切片中，發現了一種蛋白質纖維，並命名為羊搔癢症纖維，這種蛋白僅見於罹患羊搔癢症的腦部切片中，在正常的腦切片中卻不見蹤影，於是她設想這種蛋白就是羊搔癢症的病原體，但是由於證據不夠充分，所以沒有發表。 但是此時，另外一位科學家普西納，也做出類似的結果，並且先將此結果發表，另外命名為普里昂(Prion)，因此成為了第一個發現普里昂的人，因此獲得諾貝爾獎。 普西納 臺灣大學 羅竹芳

普利子蛋白質 (Prion) 致病原因 正常普利子 PrPC 異常普利子PrPSC 臺灣大學 羅竹芳 正常的普里昂蛋白質存在於所有脊椎動物體內，是正常而無害的。但是變性的普里昂蛋白質具有致病性，且會誘導正常的普里昂蛋白質變性。 PrPc 跟 PrPSC在結構上的不同，因為 beta sheet 為主的結構易使 PrPSC 凝聚並沉澱，此為組織病理上的一大特徵，然而其後續致病機轉仍在討論中。 參考文獻： Rafael Linden et al. (2008). Physiology of the Prion Protein. PhysioL Rev., 88, 673-728. Claudio Soto et al. (2008). Protein Misfolding and Neurodegeneration. Arch Neurol, 65(2), 184-189. Gil C. Abalos et al. (2008). Identifying Key Components of the PrPC-PrPSc Replicative Interface. J. Biol. Chem., 283, 49, 34021-34028 正常普利子 PrPC 異常普利子PrPSC 臺灣大學 羅竹芳

普里昂蛋白質 (Prion) 的特別性 普里昂是我們目前所知，唯一不含核酸的病原體。 其構造雖僅有一段蛋白質鏈，卻可以造成感染。 這項發現造成了科學界極大的震撼，因為它打破了我們『病原體必須帶有核酸，才可進行複製的觀念』。 它所造成的疾病如：庫魯症、庫賈氏症、羊搔癢症及喧騰一時的狂牛病，都會造成極其嚴重的腦部傷害。 目前尚無任何有效的治療方式，所以關於此類疾病的研究，仍有待進一步的突破。 普里昂變性蛋白質是我們目前所知，唯一不含核酸的病原體。透過誘導正常的蛋白質變性，可以造成動物感染，主要侵襲神經 (腦) 系統，已知的許多類似疾病如庫魯症、庫賈氏症、羊搔癢症及狂牛症，都是由普里昂變性蛋白質所造成。目前對普里昂變性蛋白質引起的疾病尚無任何有效治療方式，唯一有效的避免受感染方式，是避免食用受感染動物製造的肉品 (尤其是腦組織、骨髓與神經部分)。關於普里昂的研究，未來科學界仍有極大努力空間。

蛋白質上工囉

所有蛋白質都會結合到另一個分子 1.蛋白質藉由結合到另一個分子的方式來執行其生理功能. 2.蛋白質所結合的東西被稱為受質 (substrate) 或配位體 (ligand), 包含了金屬離子, 糖類, 脂質, 甚至另一個蛋白質等. 3. 蛋白質通常專一結合到他們特定的受質, 在蛋白質的結構上, 會特化出一受質結合位置 (binding site), 供抓住受質之用. 蛋白質如何進行工作？其工作方式很簡單，蛋白質由與另外一個分子結合的方式來執行其生理功能。 蛋白質所結合的東西被稱為受質或配合體，我們稱它為substrate或 ligand，這些受質包含的金屬離子、糖類或脂質，它可被另外一個蛋白質所抓住，蛋白質對於其對象非常挑剔，而後形成一個特別的外型，而這外型可被刻畫成出其相對應的受質或配合體的形狀，當受質或配合體太小，則可能會從這蛋白質的位置離開，如果太大則就進不了蛋白質，因此這類受質結合的位置稱為 binding site，提供受質結合之處。 臺灣大學 羅竹芳

血紅素 (hemoglobin) 每個血紅素分子上均結合了原血紅素,協助與氧氣結合,以便攜帶運送. 血紅素 (Hemoglobin) 原血紅素 (heme) O2 蛋白質能抓住某物，這對於蛋白質會有什麼樣的好處呢？紅血球裡的血紅素根：血紅素為人體內紅血球大量存在的一個蛋白質，本身就是結合的原血紅素，它可協助整個血紅素與氧之間的結合，並協助血紅素將氧運送到身體各處。 每個血紅素分子上均結合了原血紅素,協助與氧氣結合,以便攜帶運送. 臺灣大學 羅竹芳

以溶菌酶 (lysozyme) 的工作來解釋酵素的工作方式 溶菌酶是一個發現在蛋白, 唾液, 眼淚等處的天然的抗生素. 此酵素具有分解構成細菌細胞壁的多糖類之能力. S: 多糖類受質 E: 溶菌酶酵素 溶菌酶 酵素催化位置 (catalysic site) 多糖類 酵素可以協助合成或破壞一些生命必需的物質，酵素會抓住他的受質，將受質破壞或者是合成。 以溶菌黴的工作方式解釋酵素如何進行它的功能；溶菌黴是一個不錯的天然抗生素，這個酵素具有分解細菌細胞壁多醣體的能力，在這張圖中黑色表示多醣體，它呈現柺杖形，綠色代表溶菌黴酵素，當這種東西接觸，溶菌黴上面會有一個類似凹槽的地方咬住多醣體，使多醣體斷裂，當多醣體斷掉後細菌的細胞壁將會因之被破壞，最後導致細菌死亡，溶菌黴就是利用這種方式來協助我們對抗病黴菌。 臺灣大學 羅竹芳 36

如果蛋白質無法正常工作會發生什麼後果？

基因突變如何造成個體的異常？ DNA 上發生突變 蛋白質分子上的胺基酸出現異常 蛋白質的物理化學性質改變 蛋白質無法執行正常的功能 影響器官的生理作用與個體表現 基因突變或會導致個體異常者，是有一定的流程性，不是因為直接性的基因突變而造成個體異常。其流程為：在DNA上發生突變，而後導致蛋白質分子上的胺基酸異常，接著蛋白質的物理化學性質被改變致使其無法行正常功能，最後影響器官的生理作用與個體表現，終究讓器官的生理作用及個體表現均出現異常。

Galactose-1-P uridyl transferase 酵素 以半乳糖症為例 半乳糖症（Galactosemia）是由於基因的突變，不能合成正常的酵素，而破壞了正常的代謝作用產生的病狀： 牛奶所含的乳糖（Lactose）是嬰兒生長發育時所需能量的泉源，乳糖被分解後的半乳糖（Galactose）必須被轉變成　Glucose-1-P　才能被利用於能量（ATP）的合成。 患者負責此工作的　Galactose-1-P uridyl transferase　酵素無法執行正確的功能，在出生不久後即顯示出病狀。 由於牛奶無法被患者消化而發生嘔吐和瀉肚，嬰兒也因為能量吸收不夠而發育不良，同時患者的血液和尿裡的半乳糖含量增加，如果繼續食用牛奶將引起肝硬化，眼內障，如不夭折將來亦必成為白痴。 Galactose-1-P uridyl transferase 酵素 以半乳醣症為例，其因基因突變而不能合成正常的酵素蛋白質並破壞了正常的代謝作用。小孩喜喝牛奶或母乳，食入的牛乳或母乳均含有大量的乳醣，乳醣可經一系列的代謝，變成最終產物並產生能量，在這一系列的代謝過程中，是緣因豐富的酵素蛋白質共同行動，而得到半乳醣症的人則是基因產產生突變，半乳醣該類酵素出了問題，所以無法執行正確的功能。因此乳醣無法被代謝成最終的產物，也無法產生能量，所以嬰兒發生了營養不良的問題，若他的父母未發現而繼續餵食牛奶，則會導致嬰兒的細胞內堆積許多半醣糖物質，當半乳醣大量的堆積將造成嬰兒的肝硬化、白內障或腦病變，也有可能導致智力問題，最不幸則為夭折，此例正可說明「酵素能否正常執行其功能」，對於一個生命的存續極為重要。 參考文獻： http://203.68.20.65/science/content/1970/00120012/0012.htm 酵素1 酵素2 乳糖（Lactose） 半乳糖（Galactose） Galactose-1-phosophate Glucose-1-P 臺灣大學 羅竹芳

蛋白質的功能是如何被控制的？

酵素的活性往往為其他分子所調節 活性下降 負調控 回饋控制 X Y Z α β γ 41 蛋白質的功能如何被控制？蛋白質的功能必須被嚴格控制，否則會導嚴重的後果。有些酵素具有合成一些物質的能力，當細胞衍生的物質過多，這物質會反過來告知酵素活性已下降且量已足夠，不用再生產。所以吾人稱該類控制的方法為”負調控”-回饋控制 。 γ 41

回饋控制會導致蛋白質結構的改變 很多酵素的結構與形狀可藉由與不同分子的結合而改變, 而此改變往往導致酵素活性的變化. 例如bacterial lactate dehydrogenase。 結構改變 具活性的酵素 不具活性的酵素 回饋控制與蛋白質結構有關，蛋白質結構的前後改變在生物裡面非常罕見，之前有狂牛症病源屬於異常結構性的改變，而正常的結構性改變對於生物裡面蛋白質活性的控制是不一樣的。簡易之，該酵素本身會合成一個 CTP 物質。在正常的情況下將一直合成CTP，若CTP在細胞裡面太多，則會結合到酵素上，此時酵素的口就被關起來，形成一個不具活性的酵素，不再產生CTP。當細胞裡面CTP不夠時，CTP就會離開這酵素進行它們的功能，在此例中，具有可控制及增加酵素的功能性，除負回饋控制外，還有正回饋控制。 + fructose 1,6-bisphosphate 42

回饋控制也可增加一些酵素的活性 不具活性的酵素 具活性的酵素 正回饋控制 臺灣大學 羅竹芳 43

蛋白質功能控制的重要性？

蛋白質功能的控制與發育 1.舉例： 在胚胎發育過程中，參與一個受精卵變成一個胚胎，甚至變成人體特質的過程，這當中有非常多的蛋白質控制參與其中。若其中某環節出現問題時，往往導致身體的異常。 2.舉例： 文獻中說明 (請見參考文獻中之圖與內文) ，一個正常果蠅胚胎為橢圓形，但發現蛋白質產生失調的果蠅胚胎，它則會被扭曲，而該被扭曲的胚胎無法生下正常的果蠅。 蛋白質功能控制的重要性： 舉例：像在胚胎發育過程中，參與一個受精卵變成一個胚胎，甚至變成人體特質的過程，這當中有非常多的蛋白質控制參與其中。若其中某環節出現問題時，往往導致身體的異常。 舉例：Petros Ligoxygakis et al. (2003).的研究結果顯示，一個正常果蠅胚胎為橢圓形，但發現蛋白質產生失調的果蠅胚胎，它則被扭曲，而該被扭曲的胚胎無法生下很正常的果蠅。 參考書目：Scott F. Gilbert (2006) Developmental Biology 8th ed. p259-263, Sunderland: Sinauer. 參考文獻： Jean-Marc Reichhart (2005). Tip of another iceberg: Drosophila serpins. Trends in Cell Biology, 15, 12, 659-665. Petros Ligoxygakis et al. (2003). A Serpin Regulates Dorsal-Ventral Axis Formation in the Drosophila Embryo. Current Biology, 13, 23, 2097-2102.

蛋白質影片 本課介紹蛋白質的功能、如何製造出一個蛋白質、蛋白質結構的重要性、蛋白質如何工作、以及蛋白之調解功能，各位可想像蛋白質在細胞裡面的生活情形與存在的情況，其實它與我們現在的真實生活型態在某種程度上確實的非常相似。請觀賞描述蛋白質的動畫影片，親歷其境。 臺灣大學 羅竹芳 請至下述網站閱覽此影片： 五分鐘版本-http://aimediaserver.com/studiodaily/videoplayer/?src=harvard/harvard.swf&width=640&height=520 八分鐘版本-請點選superspeed version，有英文解說-http://multimedia.mcb.harvard.edu/media.html

參考書目 Bruce Albert, Dennis Bray, Karen Hopkin, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter. Garland Science, Taylor & Francis Group. essential cell biology. second edition. Chapter 4. Protein Structure and Function. Scott F. Gilbert (2006) Developmental Biology 8th ed. p259-263, Sunderland: Sinauer. Jean-Marc Reichhart (2005). Tip of another iceberg: Drosophila serpins. Trends in Cell Biology, 15, 12, 659-665. Petros Ligoxygakis et al. (2003). A Serpin Regulates Dorsal-Ventral Axis Formation in the Drosophila Embryo. Current Biology, 13, 23, 2097-2102. Rafael Linden et al. (2008). Physiology of the Prion Protein. PhysioL Rev., 88, 673-728. Claudio Soto et al. (2008). Protein Misfolding and Neurodegeneration. Arch Neurol, 65(2), 184-189. Gil C. Abalos et al. (2008). Identifying Key Components of the PrPC-PrPSc Replicative Interface. J. Biol. Chem., 283, 49, 34021-34028 47

參考網站 http://life.nthu.edu.tw/~b841623/prion/Prion_Protein.htm http://www.nvri.gov.tw/conference/02/3-index/900412.htm http://life.nthu.edu.tw/~b841623/prion/Prion_Protein.htm http://vettech.nvri.gov.tw/Articles/colloquium/651.html (Prion 和應用西方免疫轉漬法檢測牛海綿狀腦病)  http://vettech.nvri.gov.tw/Articles/ahm/361.html (牛海綿狀腦病之實驗室診斷技術) http://edu1.wordpedia.com/SA/read.asp?docsn=2005022223&readtype=ch (full text) 48

參考影片 蛋白質1 http://aimediaserver.com/studiodaily/videoplayer/?src=harvard/harvard.swf&width=640&height=520 蛋白質2 http://multimedia.mcb.harvard.edu/media.htm 公共電視：「新世紀流行傳染病2-人畜互感染」 BBC 透視動物第三集 極端生活 49

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