1、東海大學物理系 計算科學總論東海大學物理系東海大學物理系施奇廷施奇廷東海大學物理系 計算科學總論Protein這個字來自於希臘文Proteios，以英文來說就是Primary，就是首要的、主要的、初級的意思。由此可見蛋白質的重要性。在生命活動中，到處可見蛋白質的蹤跡。蛋白質由20種氨基酸組成（amino acid），其化學組成主要為 C,H,O,N，以及少量的 S。其分子量變化範圍很大，可從 5,000 到大於 1,000,000。生物界中蛋白質種類估計約為 10101012種，人體內的蛋白質種類約為十萬種左右。東海大學物理系 計算科學總論1.生物反應的催化作用（生物反應的催化作用（biolo
2、gical catalysis)：這種蛋白質稱為脢（enzyme），幾乎所有的生物體中化學反應都是由脢催化。（例外：有些 RNA（核糖核酸：RiboNucleic Acid）也有催化能力，故被稱為 ribozyme，這個並不是蛋白質。）2.儲存（儲存（storage）：生物體內的離子、小分子、代謝物（metabolite）可藉由與蛋白質結合儲存於體內，如血紅素（haemoglobin）攜帶氧、肝臟中的鐵蛋白（ferritin）儲存鐵質。東海大學物理系 計算科學總論3.運輸（運輸（transport）：）：輸送小至電子，大至巨型分子等各種物質到體內各處，例如運鐵蛋白（transferrin）運送
3、鐵質；血紅素運送氧氣；有些蛋白質在細胞膜（membrane）上做出氣孔或通道讓離子通過細胞膜；而蛋白質本身要穿過細胞膜時，也需要其他蛋白質的幫助。4.傳遞訊息（傳遞訊息（message）：在神經細胞的接合處（cross junction），蛋白質擔任某些傳遞神經訊號所需的小分子的接受器；另外，一些生物反應的進行必須由組織、器官之間的訊號來控制，攜帶這些訊號的分子稱為荷爾蒙（hormone），大部分的荷爾蒙是蛋白質，如胰島素（isulin）；也有一些蛋白質擔任荷爾蒙的接受器。東海大學物理系 計算科學總論5.抗體（抗體（antibody）：）：免疫（immune）系統的產物，可以用來與外部入侵的細
4、菌或是病毒結合。6.調控（調控（regulation）：）：在合成蛋白質的過程中，有許多（其他的）蛋白質必須適時、適量加入反應。脢將 DNA 訊號轉譯合成蛋白質，這個生產過程由其他多種蛋白質透過複雜的回饋機制來促進（promote）或是抑制（repress）這些作用。7.結構（結構（structure）：）：構成生物體的力學支架，例如膠原蛋白（collagen），約佔哺乳類蛋白質含量的1/4，這類蛋白質稱為結構蛋白（structural protein）。東海大學物理系 計算科學總論自然界中的氨基酸約有一百多種，而組成蛋白質的只有其中 20 種。所謂的氨基酸為一含有氨基（NH2）與羧基（COO
5、H）的有機酸。20 種氨基酸大略可依其物理化學性質分為以下五個群（分法不唯一）：非極性、脂肪族 R 基團：G,A,V,L,I,P極性、不帶電荷 R 基團：S,T,C,M,N,Q芳香族（苯環）R 基團：F,Y,W帶正電荷 R 基團：K,R,H帶負電荷 R 基團：D,E東海大學物理系 計算科學總論兩個氨基酸脫去一個水可形成 peptide bond，將氨基酸串在一起，右圖為一 dipeptide，若有多個氨基酸，則為 polypeptide。蛋白質由一或多條 polypeptide組成，為長鏈狀分子（不會分叉）。由氨基端開始到酸基端的氨基酸順序，稱為蛋白質的氨基酸序列（序列（sequence）或一
6、級結一級結構（構（primary structure）。東海大學物理系 計算科學總論東海大學物理系 計算科學總論東海大學物理系 計算科學總論東海大學物理系 計算科學總論東海大學物理系 計算科學總論東海大學物理系 計算科學總論東海大學物理系 計算科學總論東海大學物理系 計算科學總論東海大學物理系 計算科學總論東海大學物理系 計算科學總論東海大學物理系 計算科學總論東海大學物理系 計算科學總論東海大學物理系 計算科學總論東海大學物理系 計算科學總論東海大學物理系 計算科學總論東海大學物理系 計算科學總論東海大學物理系 計算科學總論東海大學物理系 計算科學總論東海大學物理系 計算科學總論東海大學物理
7、系 計算科學總論東海大學物理系 計算科學總論非極性、脂肪族 R 基團：G,A,V,L,I,P極性、不帶電荷 R 基團：S,T,C,M,N,Q芳香族（苯環）R 基團：F,Y,W帶正電荷 R 基團：K,R,H帶負電荷 R 基團：D,E蛋白質的各種性質東海大學物理系 計算科學總論1955 年 Frederick Sanger 解出胰島素（insulin）的一級結構，獲得 1958 年諾貝爾化學獎。方法：先將 polypeptide 切成小段，以化學方法定出小段序列後，由各小段重疊的部分將原序列重組回來。目前使用之自動定序儀（sequenator）通常需將之切割為長度 2060 氨基酸之 polype
8、ptide。東海大學物理系 計算科學總論另一個定序法是以基基因碼（因碼（genetic code）來決定氨基酸序列，每三個 RNA 碼就可決定一種氨基酸（RNA中的U對應於DNA中的T）。例如：AUG 表 methionine（代號為 MET 或 M），同時也是基因碼中開始製造蛋白質的訊號。東海大學物理系 計算科學總論自由度：每個原子在空間中有三個自由度（degrees of freedom），即 XYZ 三個方向，若分子由 N 個原子組成，則有 3N 個自由度，整個分子扣除質量中心位置與轉動方向，共有 3N-6 個自由度。要決定分子的形狀，即是找出一組對應於這 3N-6 個自由度之解，使其自
9、由能（free energy）為最小值，故為一最佳化（optimization）之問題 難！難！有時候一些額外的條件或限制（constraint）可以減少這個問題的自由度，讓它變得簡單一些。原則上，解決這類問題所需之時間與自由度之指數函數成正比。東海大學物理系 計算科學總論分子內的原子之間，以及分子內、外原子之間的作用力，會決定分子的形狀因為自由能的形式是由原子間的作用力所決定的。生物化學中常用的能量單位為千卡每莫耳（kcal/mole），相當於每分子 0.026 eV。作用力之能量函數可寫為：V(R)=Ebonded+Enon-bonded，前者為與化學鍵有關之能量，包括化學鍵形成之能量、化
10、學鍵轉動、振動、彎曲之能量，後者則為與化學鍵無關之部分，包括凡得瓦力、氫鍵、庫倫靜電力等。共價鍵或離子鍵：原子與原子交換、共用外層價電子的作用力，大小約為 50200 kcal/mole。東海大學物理系 計算科學總論鍵長、鍵角的變化：化學鍵之伸縮、彎曲、振動，能量約為 17 kcal/mole。扭角的變化：化學鍵之旋轉運動，能量約為 0.11 kcal/mole。東海大學物理系 計算科學總論凡得瓦力：原子與原子之間的瞬間電偶極之間的交互作用，強度約為 1 kcal/mole。凡得瓦力的函數形式為 V=A/r12 B/r6，稱為 Lenard-Jones potential。氫鍵：NHO 或是
11、OHO，虛線代表氫鍵，氫與N、O、Cl、F 之類體積小、電子親和力大的原子形成共價鍵，氫附近電子雲密度小而略成正電性，鄰近這類原子時會有吸引力，此即為氫鍵，強度為 37 kcal/mole。庫倫靜電力：帶電荷氨基酸之間的交互作用。東海大學物理系 計算科學總論疏水鍵並不是一種真正的交互作用力，而是一種等效等效意義上的力意義上的力。由於生物體中的分子都處於水的環境中，所以分子與水之間的交互作用特別重要。水具有強極性，很容易形成氫鍵，氫鍵的能量比凡得瓦力來得大，故應優先形成。如果水與非極性基團混合，由於兩者無法形成氫鍵，故水分子為了增加自己的氫鍵數，會將非極性基團排除，故看起來看起來好像是水與非極性
12、基團之間有排斥力。疏水鍵可說是非鍵結作用力的總和等效作用，與蛋白質結構有極密切的關係。東海大學物理系 計算科學總論蛋白質的氨基酸序列（一級結構）以及前述的作用力決定了其分子構造。由於 peptide bond 具有雙鍵特性，所以主鏈中只有兩個單鍵可以旋轉（Ca-N鍵之轉角為F，Ca-C鍵之轉角為Y），加上不可抵觸空間限制（steric constraint），這個特性是限制蛋白質構形（conformation）的主要原因。F東海大學物理系 計算科學總論由於 F、Y 角度是決定蛋白質構形的重要因素，且只要知道 F、Y 角就等於知道了主鏈（main chain 或骨幹 backbone）的結構，因
13、此分析蛋白質構形就由 F、Y 角開始著手。G.N.Ramachandran首先對已知結構蛋白質的 F、Y 角做統計，得到如右圖：紅色表示較常出現之 F、Y 對，白色表示禁止區（主要是因違反空間限制）。東海大學物理系 計算科學總論若連續幾個氨基酸的 F、Y 為前頁 Ramachandran plot 中的區域 A 的角度，則可能形成螺旋狀，由於這種結構可以產生許多氫鍵，所以是一種相當穩定的結構。最常見的螺旋稱為 a-螺旋，n=3.6 殘基每圈，螺距 p=0.54 nm。側鏈向外以減少空間障礙。長度為 4-50 殘基，平均為 12 殘基。東海大學物理系 計算科學總論 Side view and t
14、op view of a-helix東海大學物理系 計算科學總論當 a-螺旋處於親、疏水介面時，經常是雙性的（amphipathic），亦即其序列常為 HHPPHPP 重複出現。我們可以依據此特性設計一段氨基酸序列使其折疊為 a-helix。與 a-helix 形成最為相關的作用力：氫鍵以及親疏水性。東海大學物理系 計算科學總論b-sheet的b表示這是第二種規則的二級結構，呈現摺板狀，如同a螺旋，亦靠重複的q與y角形成大量的氫鍵以使結構穩定。東海大學物理系 計算科學總論和a-螺旋不同的是，b-摺板並不一定要在一級結構（序列）上連續，而是各片段可以來自不同的一級結構區，而且相較於a-螺旋的緊密
15、結構，b-摺板是完全伸展的。東海大學物理系 計算科學總論許多球蛋白中，a-helix或b-sheet二級結構可以形成所謂的超二級結構，在不同的蛋白質中重複出現。東海大學物理系 計算科學總論三級結構描述各二級結構單元之空間關係。大蛋白質的二級與超二級結構常組成domain，此為由polypeptide骨架連結之緊密單元，其功能與折疊常獨立於其他domain。三級結構描述這些domain的關係以及蛋白質折疊讓序列中距離遙遠的氨基酸互相靠近的途徑，以及使其構形穩定的鍵結。東海大學物理系 計算科學總論東海大學物理系 計算科學總論當蛋白質的polypeptide chain不只一條，各鏈之間藉由非共價鍵連結時，會有四級結構，也就是鏈與鏈之間的相關位置。
