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第 5 章 蛋白質

第 5 章 蛋白質. 胺 基酸以胜 肽 鍵連接而成一條長線性的胜 肽 鏈 (peptide chain) 。蛋白質是由一條或多條胜 肽 鏈所組合而成 。 在體內蛋白質的功能 : 催化反應 作為細胞建構材料. 典型蛋白質. 一、醣蛋白 二、脂蛋白 三、膠原蛋白 四、免疫球蛋白. 一、醣蛋白 ( 一 ) 結　構 醣蛋白 (glycoproteins) 是糖與蛋白質的複合物。. 黏蛋白 (mucoprotein) : 含糖量多者 (4% 以上 ), 稱黏蛋白。 含糖量少者 (4% 以下 ), 稱醣蛋白。

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第 5 章 蛋白質

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  1. 第5章 蛋白質

  2. 胺基酸以胜肽鍵連接而成一條長線性的胜肽鏈(peptide chain)。蛋白質是由一條或多條胜肽 鏈所組合而成 。 在體內蛋白質的功能: 催化反應 作為細胞建構材料

  3. 典型蛋白質 一、醣蛋白 二、脂蛋白 三、膠原蛋白 四、免疫球蛋白

  4. 一、醣蛋白 (一) 結　構 醣蛋白(glycoproteins)是糖與蛋白質的複合物。 • 黏蛋白(mucoprotein): 含糖量多者(4%以上),稱黏蛋白。 • 含糖量少者(4%以下),稱醣蛋白。 又稱蛋白聚糖(proteoglycan)，醣基部分 為醣胺聚醣(glycosaminoglycan)，是一種 長而不分支的多醣鏈，含有許多酸性基團， 大多具有黏性， 故稱為黏多醣(muco-polysaccharide)。

  5. 黏蛋白廣泛地存在於哺乳動物各種組織中，其中尤以結締組織含量最為豐富，是細胞間隙的主要成分。黏蛋白廣泛地存在於哺乳動物各種組織中，其中尤以結締組織含量最為豐富，是細胞間隙的主要成分。 @@ 血型蛋白亦是醣蛋白的一種，含糖量多達85%。

  6. 血型蛋白亦是醣蛋白的一種 • Three related oligosaccharide components of • certain glycoprotein and glycolipids are expressed • on the surfaces of human red blood cells.

  7. 血型蛋白亦是醣蛋白的一種 • All human have the enzymes for synthesizing O antigen. • Persons with type A blood also have a glycosyltransferase enzyme • Persons with type B blood also have a transferase enzyme that • adds galactose to O antigen • AB blood types: • both A B transferase N-acetylgalactosamine

  8. 醣蛋白的種類 醣蛋白中糖的種類只有十來種，  六碳糖（hexose，又稱為己糖），  五碳糖（pentose，又稱為戊糖），包括D-半乳糖(galactose)、D-甘露糖(mannose)、D-葡萄糖(glucose)、D-木糖(xylose)、L-阿拉伯糖(arabinose)、L-岩藻糖(fucose)、N-乙醯葡萄糖胺(N-acetylglucosamine)、N-乙醯半乳糖胺(N-acetylgalactosamine)和唾液酸（sialic acid，又稱為N-乙醯神經胺酸）等。 糖苷鍵連接方式大多為O­酯鍵， 少數為N­胜肽鍵 （如圖5-1）。

  9. 醣蛋白的種類 動物、植物、病毒和微生物都具有醣蛋白。 蛋白質在抹種動物中是以醣蛋白形式表現 但在另一種動物中卻不一定。 即使同為醣蛋白，但所含的醣成分與含量 也會不同。 ex: 牛、綿羊、豬、大鼠的核糖酸酶(ribonuclease) 都是醣蛋白，但含醣量分別是 9.4%、9.8%、38%、0 %。

  10. (三) 功　能 醣蛋白中扮演不同的生物功能。  病毒外膜所含有的表面醣蛋白與其對寄主的吸附作用有關  酵母菌和植物細胞壁的醣蛋白則是一種結構成分 在高等動物中上皮細胞(epithelial cell)所分泌的醣蛋白具有保護和潤滑作用 血液中的許多醣蛋白擔負著運輸、血液凝固和免疫等功能。 ex: 免疫球蛋白抗原、血型抗原、組織相容抗原

  11. 二、脂蛋白 (一) 結　構 脂蛋白(lipoproteins)是由脂質和蛋白質結合而成。共價性結合，則至少有三種方式： 1.酯鍵: 脂肪酸的COOH與胺基酸的OH結合 2.醯胺鍵:脂肪酸的COOH與胺基酸的NH2結合 3.硫醚鍵: 雙醯甘油（Diacylglycerol）上 的OH與Cysteine的-SH結合成 硫醚鍵（Thioether bound） N R H + +

  12. N R H 二、脂蛋白 脂蛋白中的蛋白質部分稱為脫輔基蛋白(apoprotein)， 脫輔基蛋白富含厭水性胺基酸區域，易於與脂質結合。 厭水性的胺基酸 脂蛋白的apoprotein 可調節特定脂質在細胞的進出； 脂蛋白脂質的部分包含磷脂質（phospholipid）、 三醯甘油(triacylglycerol)以及膽固醇（cholesterol）。

  13. B-100 血漿脂蛋白是存在於動物血液中的一類可溶性脂蛋白， 可溶解於血漿中。脂蛋白的主要功能是運輸脂肪族及固醇類脂質。

  14. 根據密度大小，血漿脂蛋白可分為幾種不同類型：根據密度大小，血漿脂蛋白可分為幾種不同類型： • 1.乳糜微粒(chylomicron, CM)：含脂質99%以上，以 • 三醯甘油(triacylglyceride)最多，蛋白質含0.2~0.5%。 •  Apoprotein以A1、A2 、 A4為主，由小腸細胞合成。 • 腸壁細胞吸收的脂質，先合成脂肪，再與apoprotein形成CM •  脂肪來自於食物，所以CM的功能是運送外源性的脂肪 • 2.極低密度脂蛋白(very low density lipoprotein, VLDL)：含蛋白質5~10%、脂質約90%。 • 3.低密度脂蛋白(low density lipoprotein, LDL)：含蛋白質25%、脂質75%。

  15. 根據蛋白質密度大小，血漿脂蛋白可分為幾種不同類型：根據蛋白質密度大小，血漿脂蛋白可分為幾種不同類型： 1.乳糜微粒(chylomicron, CM)：含脂質99%以上，以 三醯甘油(triacylglyceride)最多，蛋白質含0.2~0.5%。  Apoprotein以A1、A2 、 A4為主，由小腸細胞合成。 腸壁細胞吸收的脂質，先合成脂肪，再與apoprotein形成CM  脂肪來自於食物，所以CM的功能是運送外源性的脂肪 2.極低密度脂蛋白(very low density lipoprotein, VLDL)：含蛋白質5~10%、脂質約90% ，以三醯甘油(triacylglyceride)最多。  Apoprotein以B-100、C 、 E為主，由肝臟細胞合成。  脂肪來自於糖或儲存性的脂質，VLDL是運送內源性的脂肪

  16. 3.低密度脂蛋白(low density lipoprotein, LDL)：含蛋白質25%、脂質75%。  Apoprotein以B-100、E為主。 LDL經由脂蛋白解脂酶 （lipoprotein lipase）和蛋白酶水解掉部分的脂質和蛋白質後形成，使血液中的膽固醇與磷脂比例升高。  LDL的功能是將肝內的膽固醇送到肝外。 4. 高密度脂蛋白(high density lipoprotein, HDL)：所含蛋白質和脂質大約各佔一半。 脂質內以膽固醇與磷脂為主。  Apoprotein以B-100為主，由肝細胞合成。  功能是將肝外組織的膽固醇及磷脂運輸入肝內。

  17. B-100 專門運送三醯甘油脂 （triacylglyceride） 專門運送膽固醇（cholesterol） 以及磷脂（phospholipid）

  18. 5. 極高密度脂蛋白(very high density lipoprotein, VHDL)：蛋白質佔99%，脂質佔1%。 •  脂質為游離的脂肪酸 •  Apoprotein以A1、A2為主。 •  功能是運輸游離脂肪酸。 • 6. 中低密度脂蛋白（intermidiate density lipoprotein, IDL）: •  IDL是VLDL被lipase水解成LDL的中間產物。

  19. VLDL and LDL increase the risk of coronary heart disease; HDL appears to protect against it . HDL可將肝外的膽固醇及磷脂運輸入肝內代謝掉

  20. 三、膠原蛋白 • 所有多細胞生物都含有膠原蛋白(collagen)，是哺乳動物最為豐富的一種蛋白質，約佔其總量的25%， 是皮膚、軟骨、動脈血管以及結締組織的主要成分。 • (一) 膠原蛋白的胺基酸組成和排列 • 以每三個胺基酸為一個重複單位，X-Pro-Gly 或X-Hyp-Gly，X可以是任一種胺基酸，但通常是Pro或Hyp，第三個胺基酸總是甘胺酸（Gly），因為膠原是一種三股螺旋結構，每個重複單位的第三個殘基剛好位於螺旋內，只有甘胺酸能小到位於螺旋內。其他兩個殘基的R基處於螺旋的外部（圖5-2）。

  21. 膠原蛋白的基本結構單位 • 膠原蛋白基本結構單位稱為原膠原(tropocollagen)。原膠原分子定向排列整齊，分子之間通過共價交聯，形成穩定的膠原微纖維，再由許多微纖維聚集成膠原蛋白。 • Tropocollagen每隔64～70nm距離就有易於染色的極性部位存在，而在膠原微纖維中又是以階梯式定向排列，所以在染色的膠原蛋白上可以看到較深的橫紋

  22. 膠原蛋白由三條peptide chain組成，每條約有1000 amino acids。 Peptide chain 之間由氫鍵聯繫，由Gly的NH與另一條Gly的CO形成。

  23. 四、免疫球蛋白 當生物受到外來抗原(antigen)的刺激而產生抗體(antibody)，抗體與抗原會進行免疫反應，故又稱抗體為免疫球蛋白(immunoglobulin)。 (一) 免疫球蛋白的生成 免疫球蛋白是由漿細胞(plasma cell)產生的，而漿細胞由淋巴細胞(lymphocyte)轉變而來。淋巴細胞有兩大類：T淋巴細胞和B淋巴細胞，這兩類淋巴細胞均起源於骨髓。

  24. T細胞： 在發育時受到胸腺(thymus)的控制，轉變成胸腺依賴性淋巴細胞。 •  負責細胞性免疫(cellular immunity)作用 • B細胞： 細胞在鳥類受到法氏囊(Bursa Fabricii)所控制，轉變成囊依賴性淋巴細胞(dependence of lymphocyte on bursa)。 •  負責體液性免疫(humoral immunity)作用。

  25. (二) 種類與結構 每一個免疫球蛋白分子由四條胜肽鏈所構成，兩條相同的長鏈稱重鏈或H鏈(heavy chain)，兩條相同的短鏈稱輕鏈或L鏈(light chain)。各鏈間透過雙硫鍵連接成一個Y字形。 無論重鏈或輕鏈，都各有兩個特化 的區域： 可變區（variable region，V區） 恆定區（constant region，C區） V區 V區 C區

  26. 根據重鏈(heavy chain)恆定區（C區）結構的不同，以及物理化學性質和免疫學特性的不同，將Ig分為五類： IgG、IgA、IgM、IgD、IgE （依據正常人血漿濃度遞減順序）。 κ /λ 根據輕鏈（light chain） 恆定區（C區）抗原特異性的不同 ，則可分為κ(kappa)和λ(lambda) 兩型。 Ig分為五類

  27. 可變區內有高度可變區 （heavy variable region） 幾乎所有序列變化都發生在此區 各種抗體的特異性都取決於 H chain and L chain的高度可變區 κ /λ Ig分為五類

  28. 蛋白質結構與功能 • 一、鐮刀形紅血球貧血症 • 鐮刀形紅血球貧血症(sickle cell anemia)即因病人在缺氧時紅血球變為鐮刀狀而得名。 • 和正常人的血紅蛋白(HbA)相比，鐮刀形貧血症病人血紅蛋白(Hbs)在鏈第六位的麩胺酸（Glutamic acid;Glu;E）被纈胺酸(Valine;Val;V)所取代，這種"病變的"血紅蛋白在紅血球表面聚集時，降低了細胞膜的穩定性，使得紅血球變成彎月狀（鐮刀形），攜帶氧的能力也大大降低，導致貧血的現象。

  29. 蛋白質與細胞癌 膀胱癌細胞中P21蛋白與正常細胞比較， 僅有一個胺基酸的差異， amino acid 12 Gly (正常細胞) Val （癌細胞） 由此可見，蛋白質一級結構中，胺基酸的改變 通常會使蛋白質的功能發生變化。 胺基酸維繫蛋白結構以及蛋白功能的發揮與作用

  30. 二、蛋白質酵素的活化 有一些蛋白質在細胞內剛合成時並無活性，它必須按特定程式產生斷裂才會具有活性，這個過程叫做活化(activation)。 例如: 負責血液凝固的纖維蛋白原和凝血酶原 消化作用的蛋白水解酶原 都需要被活化後才有作用

  31. (一) 凝血與溶血作用 • 在血液中存在與血液凝固有關的兩個系統: • 凝血系統 • 溶血系統 • 這兩套系統是由多種蛋白質的活化系統來實現的。 • 血液凝固過程有兩個主要環節: • 血漿中的凝血酶原(prothrombin)受到血小板(platelet)中一些因子的活化（ex: Ca2+）而形成凝血酶(thrombin) • 血漿中的纖維蛋白原(fibrinogen)在凝血酶(thrombin)活化下轉變成不溶性纖維蛋白(fibrin)網狀結構，使血液變為凝膠狀，使血液在創傷處不致外流，產生保護作用。

  32. 血液溶血過程 • 纖維蛋白溶解酶原(profibrinolysin)，它被活化後轉變成纖維蛋白溶解酶(fibrinolysin)，可將纖維蛋白溶解。 Ca2+

  33. (二) 胰島素原的活化(Proinsulin Activation) 胰島素(insulin)含有A、B兩條鏈， 它的前驅物(precursor)—胰島素原(proinsulin)卻是單一條胜肽鏈。 胰島素原(proinsulin)在體內被 類胰蛋白酶(tryptic analogue) 活化，切去C胜肽後轉變成有 活性的胰島素（圖5-4）。

  34. (三) 異位調節作用 一些蛋白質利用其主體結構的改變來調節其生物活性，使蛋白質能配合生理環境的需求發揮其功效，完成複雜的生物機能，稱之為異位作用。例如：血紅素 血紅素具有兩種立體結構，其中一種對氧的親和力很高(R state)，另一種對氧的親和力則相對較低(T state)。 當血紅素的一個次單元與氧結合後，使整個分子立體結構隨之改變，對氧的親和力也急劇增加，這種 現象稱為異位作用 (allosterism)

  35. 三、蛋白質的變性 • 蛋白質在某些外在因子影響下，可引起其物理化學性質的改變，乃至喪失生物功能，稱之為蛋白質變性。 • 蛋白質的變性來自於外在因子破壞了維繫蛋白質高級結構的化學鍵，從而影響蛋白質的生理功能，不同的變性因素對蛋白質高級結構的影響機制不盡相同。

  36. 1. 溫度：加熱使蛋白質變性稱為熱變性(thermal denaturation)。多數熱變性是不可逆性。 •  溫度升高，破壞氫鍵與雙硫鍵，蛋白質會因而發生凝集（agglutination）而沈澱 (precipitation) • 2. 尿素和胍(urea and guanido)： • 尿素和鹽酸胍是常用的蛋白質變性劑。二者的結構如下：

  37. 6M以上的鹽酸胍可使多數蛋白質分子由緊縮的立體結構變得鬆散、四級結構解離成次單元，發生凝集和沉澱。6M以上的鹽酸胍可使多數蛋白質分子由緊縮的立體結構變得鬆散、四級結構解離成次單元，發生凝集和沉澱。 • 3.表面活性劑(surface-active agent)：表面活性劑通常是同時具有厭水性與親水性基團的兩性分子(amphipathic)，例如常用作蛋白質變性劑的十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate, SDS)、Triton X -100

  38. Proteins can be removed from membranes by detergents or high-salt solutions hydrophilic hydrophilic hydrophobic hydrophilic hydrophobic hydrophilic hydrophobic hydrophobic

  39. SDS為一種陰離子表面活性劑，即使在很低的濃度下，也能與蛋白質高度結合。SDS為一種陰離子表面活性劑，即使在很低的濃度下，也能與蛋白質高度結合。 • SDS的非極性部分(hydrophobic)與蛋白質分子內部的厭水基團相互作用，而硫酸根與蛋白質分子表面的親水基團或水分子作用，致使蛋白質分子立體結構發生很大變化： • 寡聚體解離成次單元； • 分子（或次單元）由球狀變為細桿狀 • 螺旋度大大增加，結構鬆散。

  40. Proteins can be removed from membranes by detergents or high-salt solutions (臨界微細胞濃度)

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