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小麥麵團可以任我們搓圓捏扁,其實跟小麥蛋白質很有關係!——《麵的科學》

晨星出版
・2020/07/08 ・2983字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 569 ・九年級

  • 作者/山田昌治;譯者/吳佩俞

小麥蛋白質在麵粉的狀態下是堅硬且不易變形的,不過一旦加水搓揉就會產生變化,成為具有獨特彈性與黏性的物質。這種同時具備彈性與黏性的性質稱為「黏彈性(Viscoelasticity)」。如先前所提到的,因為室溫的水不會造成澱粉糊化,所以可以說這種黏彈性是因為小麥蛋白質才得以出現。

任由我們揉捏的麵糰。圖/pixabay

接下來,我們就針對小麥當中的蛋白質種類及性質加以解說。

小麥蛋白質的水合物稱為「麩質( gluten)」。蛋白質是一種由許多胺基酸聚集構成的串珠狀天然高分子(macromolecule),構造相當複雜。在這裡,我們先省略蛋白質構造的相關說明,把重點放在麩質的物理特性解析,並試著以湯馬斯.奧斯本(Thomas Osborne)的分餾(fractionation)分析法來進行說明。

奧斯本的分餾法是將麩質加入極性(溶解蛋白質的性質)較弱的溶劑當中,接著對溶出的蛋白質性質進行測試檢查,而無法溶出的物質會再繼續浸入極性較弱的溶劑裡,然後再繼續檢查溶出蛋白質的性質,換言之,分餾是一種依序不斷重複進行的手法。使用這種方法可以得知構成小麥蛋白質的蛋白質。也就是表 1-1 的內容。

表 1-1 奧斯本的分餾法。圖/晨星出版提供

至於這份表格的閱讀方法,則是若為白蛋白(albumin),可溶在水中,不溶於水的球蛋白(globulin)則是溶入鹽水裡,然後這樣就能由上而下依序看出各種蛋白質能夠溶解和不能溶解的溶劑了。

  • 白蛋白

白蛋白的主要成分為澱粉酶抑制劑,不過其特性是只會抑制動物性澱粉酶,並不會對植物性澱粉酶產生抑制。許多研究學者都認為這可能是小麥種子為了避免被動物和昆蟲吃掉,才會發展出此種防禦特性。這也是大家說生吃小麥麵粉會讓胃腸不適的原因之一。

  • 球蛋白

所謂的「球蛋白」,就是無法溶入水中、但卻能以「食鹽水」萃取出的「餾分」。目前已經知道這是一種可溶於鹽水的蛋白質。雖然佔比極低,僅有 3 %,不過球蛋白擁有 α-澱粉酶、β-澱粉酶、蛋白酶(protease)等許多對於植物維持生命活動極為重要的酵素

  • 麥膠蛋白

使用比食鹽水極性更強的「酒精溶液」萃取出的餾分,稱為麥膠蛋白(gliadin)。這種蛋白質具有黏性,置於斜面上會如泥流般滑動。麥膠蛋白與下面提到的麥穀蛋白(glutenin)都與小麥麵粉麵團展現的黏彈性有著密切的關聯。

  • 麥穀蛋白

麥穀蛋白是一種無法溶解於酒精溶液的蛋白質,不過卻可以溶在比酒精溶液更強烈的「醋酸溶液」當中。這種蛋白質與極富彈力的性質有著密切的關聯。所謂的極富彈性,就是意味著施加力道後,只要不再使力就會恢復原狀的性質。

小麥麵團黏彈性的祕密

在小麥蛋白質中,佔有關鍵地位的就是極具彈性的麥穀蛋白和富有黏性的麥膠蛋白。那麼,麥穀蛋白又為何會富有彈性呢?

我們在前面曾提過,小麥是生長在沙漠高原地帶並持續進化的植物。在這樣的環境中,與水同為小麥所必須的氮應該會出現常態性缺乏的情況。不過,即使在如此嚴苛的環境,有時還是會因為降雨而以銨離子(ammonium ion)與硝酸鹽離子(nitrate ion)的形式來取得氮的供給。

雖然無法獲得大量的補充,但小麥還是會盡其所能地留下這些氮的養分並加以儲存。銨離子雖然會保持原狀,但硝酸鹽離子一旦轉換成銨離子,就會改以麩胺酸(glutamic acid)及麩醯胺酸(glutamine)這類胺基酸的形式儲存在種子當中。

含量(質量%)
麩胺酸 34.7
脯胺酸 11.8
絲胺酸 4.4
天門冬胺酸 3.7
甘胺酸 3.4
精胺酸 3.1
丙胺酸 2.6
蘇胺酸 2.4
離胺酸 1.9
芳香族胺基酸 11.0
含硫胺基酸
(branched-chain amino acid)
4.1
支鏈胺基酸
(ammonia)
13.1
3.8
合計 100

小麥麩質的胺基酸組成

麩胺酸與麩醯胺酸都是蛋白質的原料,利用這些原料所合成的蛋白質即被稱為儲藏蛋白(storage protein)。因此,小麥種子當中的蛋白質就是由麩胺酸、麩醯胺酸,以及作為誘導體的脯胺酸(proline)以極高比率所構成的。

麥穀蛋白加水揉和,結構開始變化

如同圖① 所顯示的,麥穀蛋白的構造是兩條帶子於末端互相連結。因為麥殼蛋白也是一種蛋白質,所以這種「帶子」其實是由胺基酸連結成為一長串而形成的。

麥穀蛋白的構造。圖/晨星出版提供

我們在前面提過,麥殼蛋白的構成胺基酸因含有較多麩醯胺酸,所以乾燥狀態下會因麩醯胺酸彼此結合而變成兩條軌道般的形狀。此時加水揉和的話,水分就會進入這兩條軌道之間,成為圖② 那樣的小圓圈。

麥穀蛋白的構造。圖/晨星出版提供

如果再繼續加入大量水分,即會出現如同圖③ 的大圓圈。看到這張圖,大家應該就能夠感受到小麥麵粉具有的彈性了。

麥穀蛋白的構造。圖/晨星出版提供

擁有泥土般黏性的小麥麵團

另一方面,若從分子等級來觀察,可以發現麥膠蛋白呈現微小球狀,直覺上就給人似彈珠滾來滾去那種滑動的感覺,所以在目視程度時,就會有如泥土般地溢流移動。這種泥土般流動的性質稱為「黏性」。

因此,麥穀蛋白的彈性與麥膠蛋白的黏性彼此混合在一起後,就形成了小麥麵粉麵團的性質。從這層意義來看,小麥麵粉麵團的物理性質也可以稱為黏彈性質。

麥殼蛋白、麥膠蛋白的每一個單位(domain,結構域)大小約僅有數奈米(奈米:10億分之1公尺),不過,這些結構域會因各種相互作用而連結起來,並且聚合(polymerization)成為目視程度尺寸的薄膜般構造。

我是一坨充分揉和的小麥麵團。圖/晨星出版提供

上圖就是將小麥麵粉與水混合並充分搓揉後的麵團狀態。這點從麵團延展性極佳,且呈現為可透光至對側的薄膜就能看得出來。

掌控空間、溫度與時間,做出專屬口感

麵團之所以延展良好,其實是來自於結構域彼此結合的相互作用,但其中原因為何正是長年研究小麥學者們的課題。目前知道的是這與名為交聯(cross-link)的結合作用有著密切的關係。

因為交聯效應而聚合體化(macropolymer)示意圖。圖/晨星出版提供

因為交聯的形成屬於一種化學反應,所以也會依循化學反應的一般規則。換言之,只要充分混合拌勻,就能提高與反應相關部分的促發機率,進而開展交聯作用。這種情況就稱之為「空間效果」。

另外,我們也可以說溫度較高時亦較容易進行化學反應。這種情況被稱為溫度效果。還有,花費較多時間也能使化學反應持續進展。這個情況則稱之為時間效果。

空間效果、溫度效果,以及時間效果這三大原則,對於思考麩質的形成與控制是很有幫助的。

舉例來說,烤點心時,如果充分揉和麵團,就會做出脆硬口感的餅乾,但若只是稍加搓揉,就會成為鬆軟口感的點心。不同揉製方法帶來不同口感,應該就是交聯作用的空間效果。此外,製作烏龍麵時,也是有個充分揉和後放上一晚靜置醒麵的作業,這個程序的重點應該就是交聯作用的時間效果了。

——本文摘自《麵的科學:麵粉如何創造豐富的口感、香氣和美味》,2020 年 3 月,晨星出版

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【2004諾貝爾化學獎】蛋白質的分解機器
諾貝爾化學獎譯文_96
・2022/09/12 ・6710字 ・閱讀時間約 13 分鐘

本文轉載自諾貝爾化學獎專題系列,原文為《【2004諾貝爾化學獎】蛋白質的分解機器

  • 譯者/蔡蘊明|台大化學系名譽教授

譯者前言:今年的諾貝爾化學獎又落入了生化學家的口袋,連續兩年頒給生化學者並不常見,我想這應該是反映了現在化學研究的熱門趨勢。今年的諾貝爾化學獎讓我們注意到細胞是如何精妙的去控制它的蛋白質系統,昨日(十月六日)我在中研院生醫所聽了一場 2002 年諾貝爾生理及藥學獎的得主 H. Robert Horvitz 的演講,那是另一個熱門的題目:細胞凋亡,真是一場精采的演講,同樣的我們看到這些蛋白質的另一種運作。前幾日與一位生技系的學生聊到他未來想走的方向,言談之間他似乎認為蛋白質的化學已經熱門了好一陣子了,恐怕熱潮已過。不過從現實來看,在諾大的生命體系中,我們對它的瞭解實在是太少了,由這些蛋白質的研究看來,我覺得蛋白質的化學仍應是方興未艾吧!

後記:  詹健偉是我在 2003 年教過的學生,他原在植微系,後來轉入了生化科技系,從起初對生物系統的興趣加上對化學的熱愛導致他轉入生化科技的領域,然而這些年他逐漸的體認:「只有化學才能完美的解釋生物體系」,現在他已經決定投入“化學生物學”的領域。健偉是個認真的學生,他讀我的翻譯文章極為仔細,更進一步的從一個學生化的背景看出我許多翻譯的謬誤以及不通順之處。約莫半年前碰到他,他主動的提及願意幫我修改,一直到最近才讓我如願。有學生如此,是我的福分,感謝健偉也祝福他!

— 蔡蘊明 謹誌於 2006 年 10 月 9 日

一個人的細胞中含有上百萬種的不同蛋白質,它們具有無數的重要功能:例如以酵素(或稱為酶)的型式存在的化學反應加速者,以荷爾蒙的型式存在的訊息傳導物質,在免疫的防禦上扮演要角以及負責細胞的型態和結構。今年的諾貝爾化學獎得主:席嘉諾佛(Aaron Ciechanover)、赫西柯(Avram Hershko)以及羅斯(Irwin Rose)研究在細胞中如何對一些不需要的蛋白質加上一種稱為泛素(ubiquitin)的多胜肽標籤,藉以調節某些蛋白質的存在,他們的研究在化學知識上有重要的突破。這些被加上標籤的蛋白質,接著會在一個稱為蛋白解體(proteasome)的細胞"垃圾處理機"中迅速的降解。

透過他們發現的這個蛋白質調節系統,這三位學者使得我們能在分子的層次瞭解細胞如何的控制許多重要的生化程序,例如細胞週期、DNA 的修補、基因的轉錄以及新合成之蛋白質的品質管制。有關這種形式之蛋白質凋亡控制的新知識也使得我們能解釋免疫防禦系統如何的運作,這個系統的缺陷可造成包括癌症在內的不同疾病。

被貼上毀滅標籤的蛋白質

分解是否需要能量?

當大部分的注意力和研究都集中在企圖瞭解細胞如何的控制某些蛋白質的合成時(這方面的研究產生了五個諾貝爾獎),與其相反的蛋白質降解則一直被視為是較不重要的。其實有一些簡單的蛋白質降解酶是早就知道的,一個例子就是胰蛋白酶(trypsin),這是一個存在於小腸中,將食物中的蛋白質分解為胺基酸的一種酵素。類似的,有一種稱為溶體(lysosome)的細胞胞器也早就被研究過,它的功能是把由細胞外吸入的蛋白質降解。這些降解程序的共通性在於這些功能不需要能量。

不過早在 1950 年代的實驗就顯示要分解細胞本身所具有的蛋白質是需要能量的,這個現象一直困擾著研究者,這個矛盾也就是今年的諾貝爾化學獎的背景:亦即細胞內蛋白質的分解需要能量,但是其它蛋白質的分解卻不需要額外的能量。解釋這個需要能量的蛋白質分解過程是由 Goldberg 與其研究夥伴在 1977 年踏出了第一步,他們從一種稱為網狀紅血球(reticulocyte)之未成熟的紅血球,製造出一個不含細胞的萃取物,倚賴ATP(ATP = adenosine triphosphate;是一種細胞的能量貨幣)的能量,這種物質可以催化不正常蛋白質的分解。

運用這個萃取物,今年的三位諾貝爾化學獎得主在 1970 年代後期及 1980 年代初,透過一系列劃時代的生化研究,成功的顯示在細胞中的蛋白質分解,是透過一系列一步步的反應,導致要被摧毀的蛋白質被掛上一個稱為泛素(ubiquitin)的多胜肽標籤。這個過程使得細胞可以非常高的專一性分解不需要的蛋白質,而且就是這一個調控的過程需要能量。與可逆的蛋白質修飾例如磷酸化(1992 年的諾貝爾生理醫學獎)不同之處是:被聚泛素化(polyubiquitination)調控的反應,常是不可逆的,因為被掛上標籤的蛋白質最後被摧毀了。大部分的這些工作是在以色列 Haifa 大學的赫西柯以及席嘉諾佛在休假年,於美國費城的 Fox Chase 癌症中心的羅斯博士的實驗室所完成的。

泛素的標籤

這個後來被發現用在需要分解掉的蛋白質上所貼的標籤,早在 1975 年就從小牛胸腺中被分離出來,它是一個由 76 個胺基酸所組成的多肽,該分子被認為參與在白血球的成熟過程中,其後由於這個化學分子在各種不同的組織和生物體中(細菌除外)亦被發現,因此被賦予了泛素(ubiquitin)的名稱(ubique在希臘文中有到處或廣泛的意思)(圖一)。

(圖一)泛素:一個共通的多胜肽代表"死亡之吻"

發現由泛素所媒介的蛋白質分解

在赫西柯取得博士學位之後,研究了一陣子肝細胞中倚賴能量的蛋白質分解,不過在 1977 年決定改為研究上述的網狀紅血球萃取物,這個萃取物含有大量的血紅素,嚴重的影響實驗,在企圖利用層析法來去除血紅素時,席嘉諾佛以及赫西柯發現這個萃取物可被分成兩個部分,二者個別都沒有生化活性,但是他們發現一旦二者混合在一起,那個倚賴 ATP 的蛋白質分解活性就恢復了。在 1978 年他們發表了其中一個部分中的具活性物質,是一個對熱穩定的多肽,分子量只有 9000,他們稱之為 APF-1,這個物質後來證實為泛素。

席嘉諾佛,赫西柯,與羅斯在 1980 年發表了兩份決定性的突破工作,在這之前 APF-1 的功能是完全不清楚的。這頭一份報告顯示 APF-1 是以共價鍵(就是一種很穩定的化學鍵結)與萃取物中的各種不同蛋白質結合。在第二部份的報告更進一步的顯示有許多個 APF-1 鍵結在同一個目標蛋白上,此一現象被稱為聚泛素化(polyubiquitination)。我們現在知道這個將目標蛋白質多次泛素化的步驟,是一個導致蛋白質在蛋白解體(proteasome)中降解的啟動信號;也就是這個聚泛素化反應,在蛋白質貼上降解的標籤,或可稱其為"死亡之吻"。

就這麼一擊,這些完全未預期的發現,改變了其後的研究方向:現在就可以集中力量開始鑑定那些將泛素接上蛋白質標靶的酵素系統。由於泛素普遍的存在於各種不同的組織和生物體中,大家很快的體認到,由泛素所媒介的蛋白質分解對細胞一定是很普遍而重要的。研究者更進一步的推測,那個倚賴 ATP 的能量需求,可能是為了讓細胞控制這個程序的專一性。

這個研究領域就此大開,而在 1981 到 1983 年間,席嘉諾佛,赫西柯,羅斯與他們的博士後研究員及研究生發展了一套“多重步驟泛素標籤化假說”,這個假說是基於三個新發現之酵素的活性,他們稱這三個酵素為 E1、E2與E3(圖二)。我們現在知道一個尋常的哺乳類細胞含有一個或數個不同的 E1 酵素,大約幾十個 E2 酵素,以及幾百個不同的 E3 酵素,就是這個 E3 酵素的專一性,決定了在細胞中要為哪些蛋白質貼上標籤,然後在垃圾處理機中摧毀。

到這個節骨眼為止,所有的研究都是在沒有細胞的系統中進行的,為了也能夠研究泛素所媒介的蛋白質降解之生理功能,赫西柯與其協同工作人員發展了一種免疫化學方法:用數種放射性胺基酸,以瞬間脈衝的方式來培養細胞,可標定細胞內某一個瞬間所合成的蛋白質。但是泛素中剛好沒有這幾種胺基酸,所以在這瞬間合成的泛素並未被放射性標記。利用泛素的抗體,可以將 "泛素-蛋白質"複合體自該細胞中分離出來,而其中的蛋白質的確具有放射性標記。實驗結果顯示,細胞中也確實以泛素系統來分解有缺陷的蛋白。我們現在知道細胞中大約 30% 的新合成蛋白質都會被垃圾處理機分解,因為它們沒有通過細胞的嚴格品質管制。

(圖二)泛素所媒介的蛋白質降解
  1. E1 酵素活化泛素分子,這個步驟需要 ATP 形式的能量。
  2. 泛素分子被轉移到另一個不同的酵素 E2。
  3. E3 酵素可辨認需要摧毀的目標蛋白質,"E2-泛素"複合物和"E3酵素"結合的位置,非常接近目標蛋白質。這個非常接近的距離,使得泛素標籤足以被轉移到目標蛋白上。
  4. E3 酵素釋放出具有泛素標記的蛋白質。
  5. 最後一步重複數次直到一個由泛素分子構成的的短鏈接在目標蛋白質上。
  6. 這個泛素的短鏈在垃圾處理機的開口處被辨識後,泛素標籤脫落而蛋白質被允許進入並被切成碎片。

蛋白解體-細胞的垃圾處理機

什麼是蛋白解體?一個人類細胞含有約 30,000 個蛋白解體,這個桶狀的結構體可以基本上將所有的蛋白質分解為七到九個胺基酸長短的胜肽,蛋白解體的活性表面是位於桶的內璧,也就是與細胞的其它部份是分隔開來的,唯一能進入蛋白解體的桶中活性表面的方式是必須透過"鎖",鎖能夠辨認接有多個泛素構成的短鏈之蛋白質,藉由 ATP 的能量將蛋白質變性(denature),並在泛素構成的短鏈移除後允許蛋白質進入,並將之降解,降解出來的胜肽由蛋白解體的另外一端釋放出來。因此蛋白解體本身並不能挑選蛋白質,決定哪一些蛋白質需要貼上銷毀的標籤,是 E3 酵素的工作。(圖三)

(圖三)細胞的垃圾處理機。黑點代表具有蛋白質分解活性的表面。

最近的研究

當貼上泛素標籤的蛋白質分解過程背後的生化機制在 1983 年被暴露後,它在生理學上的重要性尚未能完全掌握,雖然知道它在銷毀細胞內具有缺陷的蛋白質上是非常重要的,但是再進一步的,就需要一個突變的細胞來研究泛素的系統,藉著仔細的研究一個突變的細胞與正常的細胞在不同的生長條件下有何不同,希望知道細胞中有哪些反應是與泛素的系統有關,這才能得到更清晰的概念。

一個突變的老鼠細胞在 1980 年由一個東京的研究小組分離出來,他們的突變老鼠細胞含有一個因為突變之故而對溫度非常敏感的蛋白質。在較低溫度時它能發揮應有的功能,但是在高溫時則否,因此在高溫時培養的細胞會停止生長。此外,在高溫時它們顯示其 DNA 的合成會有缺陷以及一些其它的錯誤功能。一群在波士頓的研究人員很快的發現這個突變鼠細胞中對熱敏感的蛋白質是泛素活化酵素 E1,顯然泛素的活化對細胞的運作及複製是不可或缺的,正常蛋白質分解控管不僅對細胞中不正確蛋白質的銷毀很重要,也可能參與了細胞週期、DNA 的複製以及染色體結構的控管。

從 1980 年代末期開始,研究者鑑定出許多生理上很重要的基質是泛素所媒介的蛋白質分解機制中的標靶,在此我們僅提幾個最重要的為例子。

避免植物的自我授粉

大部份的植物是兩性或雌雄同株的,自我授粉將會導致基因多樣性的逐漸喪失,長期而言將造成該物種的完全絕滅,因此為了避免這個情形,植物利用泛素所媒介的蛋白質分解機制來排除"自身"的花粉,雖然完整的機制尚未明朗,但是已知 E3 酵素參與了運作,而且當加入蛋白解體的抑制劑時,排除自身花粉的能力就被削弱。

(圖四)細胞週期中控制染色體分離的機制:剪刀代表分解蛋白質的酵素而綁住剪刀的繩子代表它的抑制劑,APC 將這條繩子貼上標籤造成繩子的分解,剪刀就會釋放出來,接著將那條綁在染色體周圍的繩子切斷,最後造成染色體分離。

細胞週期的控制

當一個細胞要複製自己的時候會有許多的化學反應參與其中,在人體中的 DNA 有六十億個鹼基對必須複製,它們聚集成必須拷貝的 23 對染色體。普通的細胞分裂(也就是有絲分裂),形成生殖細胞(減數分裂),都與今年的諾貝爾化學獎的研究領域有許多交集。在此運作的 E3 酵素稱為"有絲分裂後期促進複合體"(anaphase-promoting complex簡稱 APC),其功能在檢查細胞是否離開了有絲分裂期,這個酵素複合體也被發現在有絲分裂及減數分裂過程中,對染色體的分離扮演了重要的角色。有一個不同的蛋白質複合體,它的功能就好像是一條綁在染色體周圍的繩子,將一對染色體綁在一起(圖四)。在一個特定的訊號出現後,APC 會在一個"降解蛋白質酵素"的抑制劑上貼上標籤,因此這個抑制劑就會被帶到蛋白解體中分解掉,而前述的那個降解蛋白質的酵素就會被釋放出來,在經過活化後將那條綁在染色體周圍的繩子切斷,一但繩子脫落,那一對染色體就會分離。在減數分裂時,錯誤的染色體分裂,是造成孕婦自然流產最常見的原因;一條多出來的人類第 21 號染色體會導致唐氏症;大部份的惡性腫瘤會具有數目改變的染色體,其原因也是由於有絲分裂時錯誤的染色體分裂。

DNA 的修補,癌症以及細胞凋亡

蛋白質 p53 被封為"基因體的守護神",它也是一個腫瘤抑制基因(tumor-suppressor gene),這個意思是只要細胞能製造 p53 就可以阻擋癌症的發生。可以非常確定的,在所有人類癌症中有至少一半的蛋白質是突變的。在一個正常細胞中,蛋白質 p53 一直不斷的被製造和分解,因此其數量是很低的,而它的分解是透過泛素標籤化過程以及負責與 p53 形成複合體的相關 E3 酵素來調控;當 DNA 受到損傷後,蛋白質 p53 會被磷酸化而無法與 E3 酵素結合,p53 的分解無法進行,因此細胞內的 p53 數量迅速增高。蛋白質 p53 的功能是作為一個轉錄因子(transcription factor),換言之就是一個調控某些基因表現的蛋白質。蛋白質 p53 會與控制 DNA 修補以及細胞凋亡的基因結合,並調控該基因,當它的數量升高時會影響細胞週期藉以保留時間給 DNA 修補的運作,倘若這個 DNA 的損傷過於嚴重,計劃性細胞凋亡將會啟動而導致細胞的"自殺"。

人類乳突病毒的感染與子宮頸癌的發生有極大的關聯性,這個病毒避開了 p53 所控制的關卡,它的方法是透過它的蛋白質去活化並改變某一個 E3 酵素(稱為 E6-AP)的辨識行為,E6-AP 被騙去將蛋白質 p53 貼上死亡的標籤而造成 p53 的消失,這個後果是被感染的細胞無法正常的修補其 DNA 所受到的傷害或者引起計劃性細胞凋亡,DNA 突變的數目增加最後終於導致癌症的發生。

免疫與發炎反應

有某一個轉錄因子調控著細胞中許多與免疫防禦及發炎反應有關的重要基因,這個蛋白質,亦即這個轉錄因子,在細胞質中是與一個抑制蛋白質結合在一起的,在這個結合的狀態下,此一轉錄因子是沒有活性的。當細胞暴露到病毒時或有其它的訊號物質出現時,這個抑制蛋白質就會被磷酸化,接著被貼上銷毀的標籤而送到蛋白解體中分解掉,此時被釋放出來的轉錄因子被運送到細胞核中,在那裡它與某些特定的基因結合,進而啟動這些基因的表現。

免疫防禦系統中,被病毒感染的細胞,會利用泛素-蛋白解體系統,將病毒蛋白質降解到適當大小的多肽,這些多肽會被呈獻到細胞的表面。T 淋巴細胞會辨識這些多肽然後攻擊這些細胞,這是我們的免疫系統對抗病毒感染的一項重要防禦方式。

纖維囊腫症(cystic fibrosis)

一個稱為纖維囊腫症的遺傳疾病,簡稱 CF,是由一種不具功能的細胞膜氯離子通道(稱為 CFTR;纖維囊腫跨膜通道傳導調節蛋白)所造成。大部份的纖維囊腫病患都具有一個相同的基因損傷,也就是一個在 CFTR 蛋白質上缺少了一個苯丙胺酸的胺基酸。這個突變導致了這個蛋白質的錯誤摺疊結構,使得該錯誤摺疊蛋白被保留在細胞的蛋白質品管系統中,這個品管系統要確實的將此一錯誤摺疊的蛋白質透過泛素-蛋白解體系統銷毀,而不能將之傳送到細胞膜上,一個沒有正常氯離子通道的細胞將無法透過細胞膜傳送氯離子,這就影響到肺部以及一些其它組織的分泌系統,造成肺黏膜液的增加而破壞其功能,更大幅的增加其受到感染的危險性。

這個泛素系統已經成為一個很有趣的研究領域,可用來發展治療各種疾病的藥物,在此的工作方向可以利用泛素所媒介的蛋白質分解機制去避免某些特定蛋白質的分解,也可以設計成讓這個系統將某一個不想要的蛋白質清除。已經有一個在進行臨床實驗的藥,那是一個稱為 Velcade(PS341)的蛋白解體抑制劑,可以用來醫治多重性骨髓瘤(multiple myeloma),這是一種會影響體內製造抗原的細胞的一種癌症。

今年的得獎者從分子的基礎上解釋了一個對高等細胞而言極為重要的蛋白質控制系統,由泛素所媒介的蛋白質分解機制所控制的細胞功能,現在一直不斷的有新的發現,而這方面的研究也在世界各地無數的實驗室中進行著。

參考資料

這份文章是譯自諾貝爾獎委員會公佈給大眾的閱讀資料:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/public.html

有意進一步的瞭解就得詳讀以下資訊:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/adv.html

原文附有一個很精采的動畫,對這個蛋白質控制系統有畫龍點睛之妙,推薦各位看看:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/animation.html

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諾貝爾化學獎譯文_96
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「諾貝爾化學獎專題」系列文章,為臺大化學系名譽教授蔡蘊明等譯者,依諾貝爾化學獎委員會的新聞稿編譯而成。泛科學獲得蔡蘊明老師授權,將多年來的編譯文章收錄於此。 原文請參見:諾貝爾化學獎專題系列

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這是真的嗎?傳說級的暴龍之血,引起古生物學家的學術攻防戰!──《 誰讓恐龍有了羽毛? 》
臉譜出版_96
・2022/08/17 ・4514字 ・閱讀時間約 9 分鐘

流傳了六千萬年的血液!找到疑似暴龍的血管和細胞

體認到 DNA 不能持續存在個幾千年,讓大家失望不已。也因此,所有那些聲稱找到數百萬年前昆蟲、植物和細菌 DNA 的投稿文章,最後全都被學術期刊拒絕。

千萬年下來,DNA 幾乎無法保存良好,使得古生物學家難以藉此完全破解恐龍的秘密。圖/Pixabay

然而,要是恐龍化石中存在有其他種類的蛋白質呢?好比說骨骼中特定的蛋白質?一九九七年發表了一篇發現恐龍血跡的文章,又為大家帶來新希望。

由瑪麗.史懷哲(Mary Schweitzer)領導的蒙大拿州立大學(Montana State University)的研究團隊表示,他們已經從保存完好的暴龍骨骼中抽取出蛋白質和血液化合物。

若真是如此,這將使我們對恐龍的生理學有更進一步的認識——它們的血紅蛋白結構可能會提供攜氧能力的線索,解決恐龍是否為溫血動物的爭議。

瑪麗.史懷哲因為受到一具保存異常完好的暴龍骨架所啟發,而展開她尋找古代蛋白質的探尋。「就某些方面來看,它幾乎與現代骨骼相同,並沒有受到礦物質的填充,」她說。

外面一層緻密的骨層似乎阻止了水分進入,所以內部的骨骼看來和新鮮的一樣。史懷哲鑑定出這些內部區域的蛋白質和可能的 DNA。她這樣描述當時的興奮之情:

實驗室裡充滿了驚奇的低語聲,因為我注意到血管內有一些我們以前從未注意到的東西:微小的圓形物體,呈半透明的紅色,中間則是黑色的。

然後一位同事過來看了看,大喊道:「你找到紅血球。你找到紅血球了!這看起來就跟一塊現代骨骼一樣。

但是,當然,我無法相信。我問實驗室的技術員:「這骨骼畢竟有六千五百萬年的歷史。紅血球怎麼可能保存那麼久?」

瑪麗.史懷哲的研究團隊可能在暴龍的骨骼中,找到了牠們的血管以及細胞。圖/Science

然後我們對這根可能含有紅血球的骨骼進行測試。骨骼中似乎確實含有血紅素,這是血液中的血紅蛋白分子上負責攜帶氧氣的那部分。

血紅素呈紅色,這也是血液呈紅色的原因,因為這當中富含鐵,在與氧氣結合時就會呈現紅色,這有點類似鐵生鏽時會出現顏色變化的原理。

質疑:這些是恐龍本身的組織,還是外來汙染?

然而,許多其他科學家質疑這些報告,並認為骨骼中富含鐵的痕跡與血液或血液製品無關,可能只是這動物在遭到掩埋很長時間後進入骨骼的鐵質。

在受到許多評論——有些公平,有些可能不公平——後,瑪麗.史懷哲和她的團隊在二〇〇五年又在《科學》雜誌上發表了一篇後續文章,題為「暴龍的軟組織血管和細胞保存」(Soft-tissue vessels and cellular preservation in Tyrannosaurus rex)。

她的團隊溶解掉一些四肢部位堅硬骨骼的磷酸鈣,留下了由狹窄的血管組成的殘留物,其中包含可以擠出的圓形物體。

從圖 A 中可以發現,脫礦的骨骼基質具有彈性,在箭頭處,拉伸後仍然可以恢復,而在圖 C 箭頭處可以看到纖維狀的特徵。圖/Science

脫礦後的骨骼基質是纖維狀的,並保留了一些原始彈性——在一根將近有七千萬年的化石上,這是非常驚人的。

在後來針對相同材料的研究中,史懷哲和她的同事進行了一系列生化測試,試圖證明這些彈性纖維線是由膠原蛋白組成,就像在原始骨骼中那樣。

骨骼通常由兩種主要材料組成:磷灰石礦化針,這是一種磷酸鈣,會嵌入在纖維性的膠原蛋白中。正是這種彈性蛋白質和硬礦物質的結合,賦予活體骨骼有趣的特性,讓骨骼能夠彎曲(在某個角度範圍內),但彎太大還是會脆裂折斷。

在沒有磷灰石晶體的地方,膠原蛋白形成軟骨,這種柔軟的材料讓我們的耳朵和鼻子變硬,也是鯊魚骨骼的主要成分。

不久之後,在二〇〇八年,托馬斯.凱耶(Thomas Kaye)及其同僚將重新解釋所有這些化石發現,指出這全是人為因素所造成的。他們說,這個疑似血管的構造可能是細菌膜,而所謂的紅血球只是黃鐵礦晶體,是一種硫化鐵礦物。

反轉、反轉再反轉,究竟誰比較靠近真相?

瑪麗.史懷哲對這些批評並不買單,到了二〇一五年,她的研究似乎得到了另一個研究團隊的證實,他們表示從八塊白堊紀時代的恐龍骨骼中取得膠原蛋白和紅血球。

然而,到了二〇一七年,又有一篇文章發表,曼徹斯特的麥克.巴克萊(Michael Buckley)及其同事顯示,這些暴龍的膠原蛋白主要是由實驗室汙染物、土壤細菌以及鳥類血紅蛋白和膠原蛋白所組成的。

他們特別指出,那個所謂的恐龍蛋白質與現代鴕鳥的序列相吻合——這是很容易出錯的地方,若是在分析化石材料的實驗室中,也處理這些現代生物的樣本,就會出現這樣的錯誤。

然後,情況變得比較明朗。在二〇一八年的一篇論文中,耶魯大學的博士生亞斯米娜.偉曼恩(Jasmina Wiemann)帶領的一個小組再次研究了那些去除所有礦物質後的化石骨骼中的血管和其他褐色物質。

她進行了一連串複雜的測試,發現這些血管和組織都是真的,但其組成已經不是最初的蛋白質,可能只有膠原蛋白還保持原樣。

其他的成分都已腐爛,轉變成另一種形式,稱為N-雜環聚合物(N-heterocyclic polymers)——所以事實上,瑪麗.史懷哲是對的,她發現的確實是血管、皮膚細胞和神經末梢的一部分,只是在化石化的過程中,蛋白質發生本質上的轉變。

原始的膠原蛋白有可能被保存下來,但處理時必須格外小心,確保它沒有受到汙染。在一九九二年,荷蘭研究人員傑哈德.麥瑟(Gerard Muyzer)從兩隻白堊紀恐龍的骨骼中找到另一種骨蛋白,稱為骨鈣素(osteocalcin)。

有可能是骨鈣素(osteocalcin)讓恐龍骨頭組織可以逃離腐化的命運。圖/Wikipedia

骨鈣素存在於所有脊椎動物的骨骼中,其作用類似於荷爾蒙,可以刺激骨骼修復以及其他生理功能。骨鈣素是一種堅韌的蛋白質,可以非常牢固地與骨礦物質結合,正是因為如此,似乎可以逃過腐化的命運。

它也是一種相對較小的蛋白質,由大約五十個胺基酸組成。在二〇〇二年,曾經為一隻五萬五千年前的野牛化石的骨鈣素分子進行完整定序。也許有一天,我們也可以幫恐龍的骨鈣素定序。

雌、雄恐龍長得到底一不一樣?

長久以來古生物學家一直認為,恐龍具有雌雄二形性,也就是兩性的外觀不同,至少有些種類是如此,就如同之前在第四章中看到的。

在過去,有人曾認為晚白堊世長角的角龍類和長冠的鴨龍類這些植食性動物是如此,牠們的骨架組成大同小異,只是頭上頂著的冠或角不同。

但若根據這種說法,奇怪的案例就出現了:所有的雄性會在一個時期都生活在一個地方,而所有的雌性,也就是頭骨稍微有些差異的個體,則碰巧在另一個時期生活在另一個地方。

這個例子讓假設完全無法成立!

然而,近來恐龍的雌雄二型性再度成為焦點,因為現在我們可以辨識一些羽毛顏色和圖案細節。

有許多動物的雄性、雌性具有非常迥異的外表,恐龍是否也有類似的現象?圖/Wikipedia

現在普遍認為,許多恐龍的羽毛可能是用於展示,而條紋和頭冠則暗示著雄性在交配前的求偶展示,就跟多數鳥類一樣,而這正是性擇在恐龍演化中扮演的關鍵作用,如之前在第四章所提到的。

髓質骨,也許是破解恐龍性別的關鍵!

最棒的是,我們或許能夠根據這些明確的證據來辨別某些恐龍的性別。

大多數的雌鳥都長有一種特殊的骨骼叫做髓質骨(medullary bone),這是一種填充髓腔的海綿狀骨骼,會出現在某些肢體骨骼的核心。

在現代鳥類中,最初是一九三四年在鴿子身上注意到,然後在麻雀、鴨子和雞的骨架中也有觀察到。鳥的身體可以很快生成髓質骨,也可以很快地將其拆解回收,算是一種鈣質的儲藏庫,在需要形成蛋殼時可以快速釋出原料。

後來的研究發現,所有的現代鳥類都是如此。

生理實驗顯示,在雌鳥開始產卵時,髓質骨會在整套骨架的許多骨骼核心累積,然後隨著鈣進入發育中的蛋殼而減少。髓質骨的發育和轉移會隨著季節而出現週期性的變化,主要是受到雌激素(Oestrogen)和其他與繁殖週期相關的荷爾蒙所控制。

二〇〇五年,瑪麗.史懷哲首次在現代鳥類之外的暴龍身上發現髓質骨。從那時起,也陸續在其他獸腳類恐龍和鳥臀目中的腱龍(見隔頁)和難捕龍(Dysalotosaurus),以及已滅絕的孔子鳥和企鵝(Pinguinis)中發現。

由位於開普敦的南非博物館的阿努蘇亞.欽薩米-圖蘭(Anusuya Chinsamy-Turan)及其同僚所發表的一篇關於孔子鳥的研究特別有說服力,因為他們證明鑑定出髓質骨的化石都是雌性標本(參見下圖)。

白色箭頭處,即為雌孔子鳥的髓骨。圖/臉譜出版

在中國博物館蒐集到的數千個烏鴉大小的孔子鳥標本中,已經確定出雌雄兩性的形態。

有一個非常經典的標本是在同一塊石板上同時有雄鳥雌鳥——推測是雄鳥的那隻,長有旗桿般的長尾羽,而假設是雌鳥的那隻則沒有。

因此,就跟現代鳥類一樣,雄性長有荒謬的裝飾品,以便向較為敏感但外表單調的雌性炫耀,試圖展現牠強韌的特性,暗示牠將會是一個好父親。

欽薩米-圖蘭及其同僚在一個顯微切片中發現了位於內腔的髓質骨,其海綿狀的骨組織與一般較為規則和緻密的骨骼完全不同。髓質骨只有在雌性身上發現,從來沒有在雄性身上發現——雖然也不是所有的雌性都有,因為牠們死時並非都處於繁殖季。

不過,在其他例子中對於髓質骨的功能則還有爭議,比方說有研究指出在暴龍和異特龍等大型恐龍身上也有發現髓質骨。他們提出另一種解釋,認為些大型恐龍中之所以有海綿骨,可能與生長突增(growth spurt)有關。

有些體形較大的恐龍,生長速度非常快,幾個月內,體重可增加數百公斤,因此會需要快速取得和調動鈣質,我們將在第六章談這類恐龍。

在現生鳥類,甚至是化石鳥類中,髓質骨的存在是為了繁殖,這一點毋庸置疑,但只有在小型恐龍身上發現這類骨骼,也許是因為產卵對牠們來說是一項巨大工程,就像對今天的鳥類一樣。

從這一對孔子鳥的化石可以看見明顯的雌雄二型性。圖/臉譜出版

深入研究恐龍骨骼,認識牠們的生理機能和交配行為是一回事,但我們到底能不能一如本章開頭的主題所問的,設計出一隻活生生的恐龍呢?

——本文摘自《誰讓恐龍有了羽毛? 》,2022 年 7 月,臉譜出版

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【2002 諾貝爾化學獎】質譜與核磁共振
諾貝爾化學獎譯文_96
・2022/06/01 ・5803字 ・閱讀時間約 12 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

本文轉載自諾貝爾化學獎專題系列,原文為《【2002諾貝爾化學獎】質譜與核磁共振

  • 譯者/蔡蘊明|台大化學系名譽教授

今年的諾貝爾化學獎是由三位學者所共享,他們的研究涵蓋了兩個重要領域:質譜與核磁共振。這三位得獎者是美國 Virginia Commonwealth 大學的 John B. Fenn,日本島津(Shimadzu)公司年僅四十三歲的研發工程師田中耕一(Koichi Tanaka)以及瑞士理工學院的 Kurt Wuthrich,前二者所專精的是質譜方面的研究,而後者是由於在核磁共振方面的研究而得獎。他們最主要的貢獻,是利用這些工具來解決巨大的生化分子之結構問題,他們的成就代表了一個革命性的突破,使得"化學生物"(chemical biology)成為現今的"大科學"(big science)。化學家們現在已經可以快而準確的鑑定一個試樣中含有的蛋白質為何物,他們也能夠繪出蛋白質分子在溶液中的三度空間圖像,也就是說,化學家已有能力"看到"蛋白質並瞭解它們在細胞中如何的作用。

生化分子的革命性分析方法

為什麼要研究生化的高分子

所有的生物體 ─ 細菌,植物及動物 ─ 都含有相同型態的大分子或高分子,而這些分子與我們所謂的生命是息息相關的。在細胞中所發生的現象是由核酸(例如DNA)來控制的,我們可稱之為細胞的"導演",而各種蛋白質則是細胞的"主角"。每一個蛋白質都具有一種功能,並可隨著環境而變化。例如血紅素將氧氣輸送到人體內的各個細胞。

個別蛋白質的研究並非一項新的研究領域,然而蛋白體學(proteomics),也就是研究不同的蛋白質如何相互的聯合以及合併與其它的物質在細胞中共同運作,卻是一個在過去數年間極速成長的新興領域。隨著一個個生物體的基因之定序完成,以及相關的尖端研究不斷向前挺進,新的問題亦隨之而產生:人類約三萬個左右的基因,其密碼是如何的對應到千百來種不同的蛋白質?如果一個基因損傷或缺少了,會發生什麼狀況?像阿茲海默症或狂牛症是如何發生的?上述的新化學領域是否可運用到更快速的診斷出以及醫治好這些威脅到人類的疾病?

要想解決類似這樣的問題,化學家不斷的追求有關蛋白質的更多知識,以及瞭解它們如何相互聯合或與其它的分子聯合而在細胞中運作,這是因為它們的結合將會影響其結構,而在蛋白質結構上一點點的變化,就會對其功能有決定性的影響,因此下一步就是要掌握其活動狀況:當蛋白質相互作用的那一瞬間,蛋白質分子是何長相?尤其是在那決定性的一刻又如何?若想要瞭解,那我們就必須擁有“目睹”的能力。

質譜 ─ 一個鑑定分子的方法

質譜現在能讓我們利用分子的質量快速的鑑定出一個試樣中的化合物結構,這項技術早就被化學家運用在小型與中型的分子鑑定工作上,這項工具靈敏到能探察非常少量的分子。例如在吸毒以及藥物濫用的檢查,食品的控管以及環境的檢測等方面,質譜的運用在現今已是如例行公事般的尋常。

其實早在十九世紀末頁,質譜就已奠下了基礎,在 1912 年,湯木森(Joseph J. Thompson)就報告了第一例的小分子結構分析。好幾個二十世紀的諾貝爾獎工作就是直接倚賴質譜分析,例如 Harold Urey 發現氘(1934年諾貝爾獎),以及"碳足球"富勒烯(fullerenes 又稱碳六十)的發現,導致 Robert Curl、Harold Kroto 與 Richard Smalley 得到 1996 年的諾貝爾獎。

當然將質譜運用在高分子上的目標早就吸引了許多的科學家,在 1970 年代已經能成功的將高分子轉化成氣相的離子,稱為脫附技術(desorption technology),這成為過去二十年間在此領域中革命性進展之基礎。

雖然與其它的小分子比較,高分子的確很大,但實際上一個單一的高分子仍然是極為渺小的,例如血紅素的一個分子的質量只不過是10-19克左右,那麼要如何量度這麼小的質量呢?關鍵就在於如何讓蛋白質分子相互分開,並形成一片可自由飛翔,並且攜帶電荷的蛋白質離子雲霧,緊接著量度這些離子質量(因之而能鑑定蛋白質)的常用方法,就是在一個真空室中將它們加速,然後量度其飛行時間(Time Of Flight, TOF),它們達到目的地的先後與其質量以及電荷有關,越輕而且電荷越高者,越快抵達。

現今有兩種做法能使得蛋白質轉變為氣態離子而不會改變其結構與形體,這兩種方法背後的發明者就是今年共享一半諾貝爾獎的兩位學者。其中由 John B. Fenn 所發展的方法是運用一個很強的電場將試樣噴灑出去(稱為電灑法,見圖一),而產生一個個帶電荷並能自由飛翔的離子。另一種方式是運用一個強烈的雷射脈衝,在適當的條件下(視能量,與試樣的結構和化學環境而定)運作,試樣可接受雷射脈衝的能量而被釋放成為自由的離子(見圖二),頭一個展示這種"輕雷射脫附"(soft laser desorption)現象可運用在蛋白質這種大分子的人就是田中耕一(Koichi Tanaka)。

(圖一)電灑法
(圖二)雷射脫附法

Fenn 的貢獻 ─ 透過噴灑的飛翔

在 1988 年 John B. Fenn 發表了兩篇後來被視為突破性的質譜論文,那是有關電灑高分子的研究。在第一篇論文中,他研究具有未知質量的聚乙二醇(polyethylene glycol)的質譜,發現可以運用他的方法處理具有高分子質量及高電荷的大分子。他的第二篇論文顯示這個方法亦可運用在中等大小的蛋白質上。離子的釋出是藉由一個電場將試樣噴灑出去,形成許多帶電荷的水滴,當水滴中的水蒸發之後就剩下了帶電而且可自由翱翔的赤裸裸蛋白質分子,這個方法被稱為電灑游離法(electrospray ionization , ESI)。

當這些分子具有很高的電荷時,質量/電荷的比值就會小到可用普通的質譜儀來分析。另一個好處就是相同的分子可能攜帶不同的電荷,因此會得到一系列的訊號,雖然這個現象使得圖譜變得複雜,甚至對早先的研究者造成困擾,但這也產生了更多的資訊,使得鑑定的工作變得較容易。

田中耕一的貢獻 ─ 透過轟擊的翱翔

在同時,於世界的另一端也正進行著另一份精采的工作,在日本東京的島津儀器公司,有一位年輕的日本工程師田中耕一,發表了另一種截然不同的技術來解決那最重要的第一步。在 1987 年的一項學術會議中(並於一年後發表論文),田中耕一展示蛋白質分子可藉由輕雷射脫附(soft laser desorption , SLD)的技術而游離。有別於電灑法,一個處於固相或粘稠的液相狀態的試樣以一束雷射脈衝撞擊,試樣接受能量之後被炸成許多小塊塊,然後分子相互分離,釋出自由翱翔的完整離子,其電荷不高,然後藉由一個電場加速,並透過其飛行時間的長短探測之。田中耕一是展示可運用雷射的技術於生化高分子上的第一人,其原理是現今許多極為有用的雷射脫附技術的基礎,特別是簡稱為 MALDI(Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization,基質輔助雷射脫附游離),SELDI(Surface Enhanced Laser Desorption Ionization,表面強化雷射脫附游離),以及 DIOS(Direct Ionization On Silicon)等三種方法。

質譜的應用

電灑游離法(ESI)與輕雷射脫附法(SLD)可運用在許多領域。這個在現在生化分析中已經成熟的方法,在數年前還不過是個夢想。研究蛋白質之間的作用對瞭解生命體中的訊號系統是非常重要的,這些以非共價鍵結合的生化分子錯合體,可以運用 ESI 來研究,這種方法優於其它方法的原因,在於具有快速,靈敏以及能發現作用機制的多項好處。質譜分析的方法相對而言算是便宜的,這也使得此項技術迅速的擴散到世界上各各角落的實驗室中。現在輕雷射脫附法(MALDI 的形式)與電灑游離法已成為分析胜肽,蛋白質與碳水化合物的標準方法,它們可以迅速的分析出一個完整的細胞或活組織中的蛋白質成分。從下面所列現今的一些研究領域之例子,就可看出今年的諾貝爾獎工作所衍生的運用之廣泛:

  • 製藥的發展:先期的藥物研發已進行了型態的改變。搭配分離的技術,ESI-MS 可以做到每天分析好幾百個化合物。
  • 瘧疾:科學家最近發現了新的方法來研究瘧疾的擴散。借助輕雷射脫附法,現在已可進行早期診斷,人類血紅素上攜帶氧的部份在此處用來吸收雷射脈衝的能量。
  • 卵巢癌,乳癌與攝護腺癌:過去這一年中對於各種不同的癌症之早期診斷方法,以更快的速度被發表出來。只要能取得癌細胞所附著的表面,然後以輕雷射脫附法分析,化學家能比醫生更迅速的發現癌症。
  • 食物的品管:ESI 技術也在小分子的分析上有所進展。在過去這幾個月,我們發現某些製備食物的方法會產生一些有害人體健康的分子,例如可導致癌症的丙烯醯胺(acrylamide),藉著質譜,食物可以在不同的階段接受迅速的分析,藉著溫度以及材料的改變,有害物質的產生可以避免或減少。

生化高分子的核磁共振

質譜可針對譬如說蛋白質所提出的"哪一種?"與"有多少?"的問題給予答案。簡言之,核磁共振則可回答"長相如何?"。即使是最大的蛋白質在任何顯微鏡底下的解析度仍然很低,因為它仍然太小了,為了要能得到一張蛋白質真正長相的圖片,就必須用其它的方法,核磁共振(NMR,nuclear magnetic resonance)的技術就是其中之一。透過核磁共振光譜訊號的解釋,我們就可以對所研究的分子繪出一張三度空間的圖像。其巧妙之處在於試樣可以是一種溶液態,如果是蛋白質的話,那正是細胞中的自然情況。

在核磁共振發展之前,以晶體的 X 光繞射光譜來決定蛋白質分子的三度空間結構是唯一的方法,在 1957 年發表了第一個真正的蛋白質(肌紅蛋白)之三維結構,這使得 Max Perutz 因此於 1962 年得到諾貝爾化學獎。這種結晶學是基於 X 光在蛋白質晶體中的繞射現象,導致了更進一步的一些諾貝爾獎工作之發展。化學家一直在尋求另一種與 X 光結晶學互補的方法,能夠決定分子在溶液相中之結構,因為這較能模擬生化分子在自然界中存在的狀態。

物理學家 Felix Bloch 與 Edward Purcell 早在 1945 年就發現,將某些原子核置於一個強大的磁場中時,透過所謂的核轉量(nuclear spin),會吸收無線電波的頻率,這個發現導致他們得到了 1952 年的諾貝爾物理獎。在這之前幾年也已發現核磁共振的頻率不但與磁場的強度以及核種有關,同時也與這個原子週遭的化學環境有關,更進一步的,不同的核之核轉量會相互影響而在光譜中產生一些細部結構,換言之會因此在核磁共振光譜中產生更多的訊號。

早期 NMR 的運用受限於其低靈敏度:它需要非常濃的溶液,不過在 1966 年,瑞士的化學家 Richard Ernst(1991年諾貝爾化學獎)的研究顯示,若改變過去慢慢改變掃描頻率的做法,而以一個短而強的無線電波脈衝施於樣品,則可以大幅提昇其靈敏度。他的貢獻也包括了在 1970 年代所發展的方法,能決定在一個分子中每一個核的相鄰關係,因此透過 NMR 光譜的判讀就可以推導出該分子的長相,也就是它的結構。這種方法對於相當小的分子是很成功的,然而對於大的分子就很難分辨不同的核之訊號,這種分子的光譜就好像一塊草皮一般(每一根草代表一根訊號),含有上千根的訊號,造成無法區辨哪一個訊號是屬於哪一個核的。最後解決了這個問題的科學家就是瑞士的化學家 Kurt Wuthrich。

Kurt Wuthrich ─ 顯示NMR可運用在蛋白質上

在 1980 年代初期,Kurt Wuthrich 發展了一個如何將 NMR 運用到像蛋白質這樣的生化分子的想法,他發明了一種系統化的方法將訊號與正確的氫核配對,此法稱為循序指認法(sequential assignment),堪稱為現今所有 NMR 結構分析的基石。他又展示接著如何找出許多對氫核之間的距離,然後運用一個基於距離與幾何結構的數學方法,搭配以上的資訊,計算出該分子的三維結構。

在 1985 年 Wuthrich 的方法第一次成功的解出了一個蛋白質的完整三維結構,到目前為止,在所有上千已知的蛋白質結構中約有 15-20% 是透過 NMR 決定的,其它的則主要是利用 X 光結晶學而定的,加上少數幾個是運用電子繞射或中子繞射的方法。

NMR運用於生化分子的領域

在許多方面,NMR 與 X 光結晶學的方法在結構的決定上是互補的,如果一個蛋白質用這兩種方法都分析一遍,前者在溶液中後者則是晶體的形式,通常會得到一致的結果,例外常是發生在一些表面較易受到環境影響的區域 ─ 在晶體中緊密堆積的蛋白質分子相互的影響,在溶液中包圍著分子的溶劑分子的影響。雖然 X 光結晶學的方法強在能非常準確的決定非常大的三維結構,NMR 的方法也有其獨到之處,因為它可以決定在溶液中的結構,代表我們可以模擬真正的生理條件。它最強的地方在於顯示出分子中沒有結構性或動態最高的區域,它可探知其游動性與活動狀況,以及瞭解在蛋白質的鏈上這些運作如何變化。利用同位素的標籤,亦有助我們對結構的鑑定。

一個利用 NMR 決定蛋白質結構的例子是有關一種稱為 prion 的蛋白質,這個蛋白質攸關好幾種危險的疾病,例如狂牛症(1997年 Stanley Prusiner 所得的諾貝爾醫學獎)的發生。Wuthrich 與其工作夥伴運用 NMR 的技術顯示一個正常的 prion 蛋白質具有兩個部份:此一蛋白質約有一半在水溶液中具有一個整齊而且相當堅固的三維結構,而另一半則不具結構性而且游動性很高。

NMR 亦可以運用在其它的生化高分子的結構與動力研究上,例如 DNA 或 RNA。

NMR 也運用在製藥工業中,解決一些蛋白質以及其它可能可以作為新藥目標的高分子的結構,以及瞭解進一步的性質問題。藥物分子的設計就是要能與蛋白質結合 ─ 就像鑰匙與鎖的關係。NMR 或許在工業上面最重要的運用就是在尋找具有潛力,能與特定生化高分子作用的藥物分子,如果一個小分子與一個大的分子結合時,那個大分子的 NMR 光譜通常會有所改變,因而此法可用在發展新藥時,迅速的在早期篩選大量的可能候選者。

結語

在過去這五年,我們看到了在生命科學領域中所出現的"全像"概念,例如基因體學,蛋白質體學以及代謝體學的興起,這種思維主要的觀念是採取一種整體而大規模的研究策略,而非如早期的研究般,採取簡化策略,以解決問題為出發點。現在我們已經可以描述一個生命體中的整個基因體,同樣的,現在也已經可以開始考慮,在一個活的細胞中某一階段所參與的整組蛋白質的運作,只不過尚未能達到定量的階段。這個概念也同樣的運用在整個代謝物流上。這些新的可能性,有一部份是源自於新方法的發展,其中質譜與 NMR 在生物高分子上的運用應為重要的例子。不過隨伴著以企業化方式大幅度的繪製生命體中分子性質的圖譜之時,我們仍有更殷切的需求,深入的瞭解在分子的層次,生化過程是如何發生的。在這個由基本的生化科學所構成的世界裡,質譜及 NMR 在生物高分子上的運用,已成為增進對生命的瞭解之過程中,重要的基石。

參考資料

蔡蘊明譯自諾貝爾化獎委員會公佈給大眾的新聞稿:

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2002/popular.html

若需要進一步的資訊,請至以下網頁點選:

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2002/advanced-chemistryprize2002.pdf

諾貝爾化學獎譯文_96
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「諾貝爾化學獎專題」系列文章,為臺大化學系名譽教授蔡蘊明等譯者,依諾貝爾化學獎委員會的新聞稿編譯而成。泛科學獲得蔡蘊明老師授權,將多年來的編譯文章收錄於此。 原文請參見:諾貝爾化學獎專題系列