- 專欄
文章專區
2020-11-01酶有問題才是大問題！
611 期
Author 作者
范博勛／於臺灣大學取得化學學士，目前是美國德州大學奧斯丁分校博士研究生，研究非典型醣類的生物合成及酶反應機理。
生病、看醫生、吃藥，早已是生活中再平凡不過的事，是否曾好奇過：我們吃到肚子裡的藥物是如何緩解病痛的呢？拜眾多科學家努力所賜，原來生活中許多藥物或保健食品是小分子有機化合物，他們扮演了蛋白質、酶抑制劑的角色。透過了解酶抑制劑作為藥品在人體內的作用機制，期待未來有更多人的疾病可以得到醫治。
生命的運作是基於生物體內高度整合的各式蛋白活性，蛋白質不僅催化各式各樣的化學反應，還負責調控新陳代謝、傳遞小分子建立溝通網路或提供細胞結構性支撐。蛋白質是由20個胺基酸為最小單元所組成的大型生物分子，胺基酸之間以肽鍵（peptide bonds）相連，其序列更決定了蛋白質的摺疊方式與3D結構，妥善折疊後在蛋白質、酶（enzyme, E）內部會形成具催化功能的活性中心（enzyme active site）。
酶的活性與許多小分子化合物間的消長相互影響，像是熟知的胰島素、升醣素與血液中葡萄糖濃度之間的關係；抑或是曝曬於陽光下時，皮下合成的維生素D被用來調控副甲狀腺素及降血鈣素的濃度，進而影響血液中鈣離子的濃度等。蛋白質、酶如何調控小分子，小分子又如何影響蛋白質功能是個有趣的命題，隨著對此領域的認知提升，生技、製藥產業也越加發展，更多人也能因此遠離病痛。接下來就來探討小分子化合物在生物體內的影響吧！
酶抑制劑的古代傳說及現代生活應用
人類史上很早便有使用藥物對抗疾病的紀錄，傳說神農氏嘗百草以身試毒，直到試到一種名為斷腸草的劇毒草藥而不治。距今約2400年前，古希臘時期的醫師希波克拉底（Hippocrates）也曾嘗試使用柳樹皮治療他的頭痛，後來才知道是柳樹皮中的阿斯匹靈（aspirin）這個化學物質幫助緩解疼痛。事實上，神農氏、希波克拉底所服用的「植物」中含有豐富的小分子天然產物，而且除了植物外，土壤中的「細菌」也是常見的天然產物生產機器。現今普遍認為，天然產物被製作出來的目的是用來自保，能夠驅趕甚至是殺死掠食者。
至於這些天然產物是如何緩解、治癒疾病的呢？其中的反應機制是什麼？其實這些小分子扮演了針對特定蛋白質、酶的抑制劑（enzyme inhibitor），當它們進入生物體內並與特定的酶產生交互作用後，便會導致酶的反應速率大幅降低或失去活性。抑制酶的概念至今已被廣泛應用在現代社會中，除了平常生病時服用的藥物外，除蟲時噴灑的殺蟲劑、農田裡防止雜草生長的除草劑，甚至是生化實驗室中用來篩選菌株的抗生素等，都是常見的應用。
酶抑制劑的種類與動力學常數
在探討抑制酶的反應機制前，必須先對酶如何催化反應有基礎認知。酶催化的對象為反應物（substrate, S），反應過後生成產物（product, P），在酶反應過程中，反應物會與酶相互吸引生成反應物－酶錯合物（enzyme–substrate complex, E‧S），反應物在活性中心進行化學反應變成產物後被釋出（圖一）。
圖一:酶反應的反應機制及Michaelis–Menten飽和曲線圖
當加入酶抑制劑時，酶的反應速率降低，這是一種動力學（kinetics）現象，因此蒐集越多反應動力學資訊，便能更加瞭解酶反應是如何發生的。……【更多內容請閱讀科學月刊第611期】