谈蛋白质折叠和氨基酸序列

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1、談蛋白質折疊與氨基酸序列王自豪*§林誠謙*#李弘謙$*中央研究院計算中心#中央研究院物理研究所$國立中央大學物理系 §E-mail:claude@gate.sinica.edu.tw*#E-mail:sclin@sinica.edu.tw$E-mail:hclee@phy.ncu.edu.tw摘要蛋白質(Protein)是一切生物藉以表現生命功能的基本單元。任何一個生命體的繁衍、新陳代謝、結構與運動、乃至於蛋白質本身的形成，都是經由許多不同蛋白質精密的配合運作而得以順利的進行。每一個蛋白質都由二十種氨基酸(aminoacid)依

2、特訂的秩序串聯而成。不同的蛋白質則由不同長短的氨基酸序列組成。蛋白質執行各種特定的生物功能則完全仰賴其特定的三度空間結構。Miyazawa和Jernigan兩人在1985和1996年間，從蛋白質資料庫中統計分析所有已知結構的蛋白質內部不同種類氨基酸間相互接觸的數目，再利用統計熱力學的波茲曼原理導出任兩種氨基酸間，平均在所有蛋白質結構中相互接觸的約略能量。利用這樣的數據資料，我們可以定性及定量的解釋，驅動蛋白質氨基酸序列折疊形成特定三度空間結構的作用力，主要是來自於氨基酸旁鏈(sidechain)分子和水分子間的表面張力及其電偶極

3、(dipole)間電磁力的交互作用，和氨基酸旁鏈分子間電偶極的電磁力交互作用。這個新的物理詮釋或許可以幫忙應用在改善氨基酸序列早期快速折疊的分子動學模擬。■327■物理雙月刊（廿四卷二期）2002年4月蛋白質-Protein是取用自希臘字protos，意指"第一"的意思。它是一切生物藉以表現生命的最重要基本單元，它可以算是自然界最微小的自動機器。一個普通大小的蛋白質直徑約五奈米(5x10-9m)，大約是一顆蛋直徑的千萬分之一。任何一個生命體的繁衍、新陳代謝、結構與運動、乃至於蛋白質本身的製造，都是經由許多不同蛋白質間精密的配合運

4、作而得以順利的進行。為了要執行特定的生物功能，蛋白質必須擁有特定的三度空間結構。這好比是一個工具或一部機器必須有符合它功能的形狀和結構才具有用途。如果有某種原因令生物體內一個蛋白質的空間結構產生錯誤而使該蛋白質失去它應有的功能，其後果小則使生物體的運作輕微失調，大則導致生物體死亡。狂牛病的起因就是上述的一個典型例子。蛋白質三度空間結構的形成，背後隱藏著一個極端複雜、令人歎為觀止的過程。簡單的說，以人類為例，我們的基因體(■327■物理雙月刊（廿四卷二期）2002年4月genome)所含有的最重要的資訊，就是由鹼基(nucleot

5、ide)序列所編成的基因(gene)。所有基因裏所載的鹼基序列是一個人正常運作所需所有的蛋白質的編碼，每一個基因載著一個或多個蛋白質的編碼。這種編碼記載著製造蛋白質所需的一切資訊。人類的基因體分別儲藏在二十三條染色體內。而人體內的每一個細胞裡都有一套完整的染色體。這就是說每一個細胞裡都藏有一個人正常運作所需的所有蛋白質的編碼。理論上這似乎意味著人類的任何一種蛋白質都有可能在人體內任何一個細胞被製造。事實上，人體內（許多其他生物亦同）大部份的細胞在胚胎發育時都已經過特化的過程，而功能特化的細胞也只會製造與該功能有關的特定種類蛋白質

6、。蛋白質在細胞裡經過所謂轉錄(transcription)和翻譯(translation)的過程而被合成。轉錄基本上是簡單的把對應於要被製造的蛋白質的鹼基編碼從基因上抄錄下來，複製成一段方便於運輸和操作的含載編碼的信使核糖核酸(mRNA)。翻譯是將信使核糖核酸上所載的編碼譯出，並依照譯出的指示利用細胞質內已現存的氨基酸，串聯合成一個對應於要被製造的蛋白質的氨基酸序列。翻譯是一個複雜的程序，由數種很大的核糖體核糖核酸(rRNA)，數十種轉移核糖核酸(tRNA)和數十種蛋白質參與執行。基因經過翻譯的產物是一組還沒有生物功能的氨基酸串

7、列。這樣的串列是由二十種氨基酸依特訂的秩序串聯而成的，通稱為蛋白質的一級結構(PrimaryStructure,圖一)。■327■物理雙月刊（廿四卷二期）2002年4月圖一■327■物理雙月刊（廿四卷二期）2002年4月每一個氨基酸都有一個中心α-碳原子(Cα)，Cα與一個氫原子(H)、一個氨基(NH2)、一個酸基(COOH)和一個被稱為旁鏈(sidechain)的R基團相連(圖二)。■327■物理雙月刊（廿四卷二期）2002年4月圖二■327■物理雙月刊（廿四卷二期）2002年4月二十種氨基酸的差別在於與Cα相連的旁鏈基團R的

8、不同。根據氨基酸的名稱、所帶電荷、和化學性質，二十種氨基酸可以分類如下表一:■327■物理雙月刊（廿四卷二期）2002年4月表一分類氨基酸名稱英文縮寫(符號)性質化學結構甘氨酸glycineGly(G)親水脂肪族丙氨酸alanineAla(A)厭水纈氨酸vali