有些蛋白
質會結合到某一片段特別序列的核酸(DNA) 上來啟動基因轉錄(gene
transcription)，或配位體(ligand)結合到受體(receptor)來傳遞訊息(signal transduction)
等
once there is an organization with a potential energy barrier, there is a function
結構生物學與蛋白質工程
Structure Biology and Protein Engineering
廖淑惠
陽明大學生命科學系
一、 前言
結構生物學(Structure Biology)主要是研究蛋白質結構與功能之間的關係(1)。目前
已發展到以蛋白質結構為基石，來修飾或創造蛋白質(2-4)。或是做合理且有效率的藥
物設計(5-7)(structural based protein engineering and design or rational drug design)
1. 基本觀念
生物是由原子所組成的，而生命即是由原子間交互作用力所執行的。原子間相
互作用力可分兩種：共價鍵與非共價鍵作用力。非共價鍵作用力可分兩種：親水性
(hydrophilic) 與疏水性(hydrophobic) 作用力。親水性作用力包括了靜電力
(electrostatic, salt bridge)與氫鍵，而疏水性作用力則有凡得瓦力(van der waal)，π 電
子的堆疊(stacking)與疏水性 (hydrophobicity) 。疏水性是由極性分子間親水性作用
力造成非極性分子聚集。疏水性作用力強調原子間立體空間堆疊互相吻合(steric
complementary)，而親水性作用力則在於正與負電性，氫鍵捐贈者與接受者
(hydrogen bond donor and acceptor)的配合。
原子間經由化學反應形成共價鍵，而彼此串連成各種小分子如氨基酸，各小分
子串連成大分子如蛋白質，大分子如蛋白質則由分子內原子間以非共價鍵作用力
(除雙硫鍵例外)來折疊(folding)成一能量較低，較穩定的構象(conformation) 。相對
的，多醣與脂質則以多種構象存在，較難以研究。生物分子間大多也是藉由非共價
鍵作用力來相互辨認(recognition)，互傳訊息，以執行其生物功能：例如有些蛋白
質會結合到某一片段特別序列的核酸(DNA) 上來啟動基因轉錄(gene
transcription)，或配位體(ligand)結合到受體(receptor)來傳遞訊息(signal transduction)
等。總之，物理作用力先讓蛋白質折疊成適當的立體構象，以造就其表面上數十個
原子適當的空間位置，來產生適當的分子作用力，執行蛋白質功能。另外，蛋白質
功能調控可透過基因表現(gene regulation)與蛋白質降解(degradation)來調控其量多
寡，或者經由調整期功能原子的適當空間位置來控制蛋白質本身功能(specific
activity) 。例如磷酸化(phosphorylation)，磷酸化是最常見調控訊息傳遞蛋白質的功
能。因此，想真正瞭解生物分子的功能與調控機制，便需看清楚其原子間的立體空
間排列與其交互作用。也就是說，生物分子的功能是由其立體結構所執行(圖一)。
圖一 生物分子是由原子所堆積而成，並形成一個較穩定的結構。左圖是一段核
酸的結構; 右圖則是的蛋白結構，每一個球表示一個原子。
2. 蛋白質結構
a. 原子成分
生物體內各個原子元素扮演不同角色。碳、氫、氧、氮是主要組成元素，故為
四大新陳代謝系統。碳、氫、氧、氮分別是脂肪、醣類、蛋白質的主要骨架，而礦
物質(金屬離子)、微生物則是輔助因子(cofactor) 。碳、氫、氧、氮也是執行化學反
應與物理作用力的主要原子。在化學反應中，常伴隨氫的轉移，負電性較高的氮或
氧原子做攻擊者，去攻擊負電性較低的碳、磷原子，而產生共價鍵的形成與斷裂。
生物體內有非常多種類酵素來催化其所需要的化學反應。而在物理作用中，氧與氮
結構生物學與蛋白質工程 Structure Biology and Protein Engineering
1
結構生物學與蛋白質工程
Structure Biology and Protein Engineering
廖淑惠
陽明大學生命科學系
一、 前言
結構生物學(Structure Biology)主要是研究蛋白質結構與功能之間的關係
(1)
。目前
已發展到以蛋白質結構為基石，來修飾或創造蛋白質
(2-4)
。或是做合理且有效率的藥
物設計
(5-7)(structural based protein engineering and design or rational drug design)
二、結構生物學
1. 基本觀念
生物是由原子所組成的，而生命即是由原子間交互作用力所執行的。原子間相
互作用力可分兩種：共價鍵與非共價鍵作用力。非共價鍵作用力可分兩種：親水性
(hydrophilic) 與疏水性 (hydrophobic) 作用力。親水性作用力包括了靜電力
(electrostatic, salt bridge)與氫鍵，而疏水性作用力則有凡得瓦力(van der waal)，π 電
子的堆疊(stacking)與疏水性 (hydrophobicity) 。疏水性是由極性分子間親水性作用
力造成非極性分子聚集。疏水性作用力強調原子間立體空間堆疊互相吻合(steric
complementary)，而親水性作用力則在於正與負電性，氫鍵捐贈者與接受者
(hydrogen bond donor and acceptor)的配合。
原子間經由化學反應形成共價鍵，而彼此串連成各種小分子如氨基酸，各小分
子串連成大分子如蛋白質，大分子如蛋白質則由分子內原子間以非共價鍵作用力
(除雙硫鍵例外)來折疊(folding)成一能量較低，較穩定的構象(conformation) 。相對
的，多醣與脂質則以多種構象存在，較難以研究。生物分子間大多也是藉由非共價
鍵作用力來相互辨認(recognition)，互傳訊息，以執行其生物功能：例如有些蛋白
質會結合到某一片段特別序列的核酸 (DNA) 上來啟動基因轉錄 (gene
transcription)，或配位體(ligand)結合到受體(receptor)來傳遞訊息(signal transduction)
等。總之，物理作用力先讓蛋白質折疊成適當的立體構象，以造就其表面上數十個
2
原子適當的空間位置，來產生適當的分子作用力，執行蛋白質功能。另外，蛋白質
功能調控可透過基因表現(gene regulation)與蛋白質降解(degradation)來調控其量多
寡，或者經由調整期功能原子的適當空間位置來控制蛋白質本身功能(specific
activity) 。例如磷酸化(phosphorylation)，磷酸化是最常見調控訊息傳遞蛋白質的功
能。因此，想真正瞭解生物分子的功能與調控機制，便需看清楚其原子間的立體空
間排列與其交互作用。也就是說，生物分子的功能是由其立體結構所執行(圖一)。
圖一 生物分子是由原子所堆積而成，並形成一個較穩定的結構。左圖是一段核
酸的結構; 右圖則是的蛋白結構，每一個球表示一個原子。
2. 蛋白質結構
a. 原子成分
生物體內各個原子元素扮演不同角色。碳、氫、氧、氮是主要組成元素，故為
四大新陳代謝系統。碳、氫、氧、氮分別是脂肪、醣類、蛋白質的主要骨架，而礦
物質(金屬離子)、微生物則是輔助因子(cofactor) 。碳、氫、氧、氮也是執行化學反
應與物理作用力的主要原子。在化學反應中，常伴隨氫的轉移，負電性較高的氮或
氧原子做攻擊者，去攻擊負電性較低的碳、磷原子，而產生共價鍵的形成與斷裂。
生物體內有非常多種類酵素來催化其所需要的化學反應。而在物理作用中，氧與氮
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原子提供了親水性作用力，而但則提供了疏水性作用力。一價陽離子如鈉、鉀主要
是維持離子平衡，而二價金屬離子則常微笑素的輔助因子，做為路易士酸(Lewis
acid) 。另外，陽離子有時會穩定蛋白質某些區域的結構，例如抑癌蛋白質 p53 的
鋅離子會穩定其與核酸作用的某部分結構，因此，鋅離子是 p53 與核酸結合的必要
輔助因子。
b. 蛋白質一級結構
蛋白質結構可分為一級、二級、三級與四級結構。蛋白質通常是由二十種氨基
酸組成，其氨基酸序列便是蛋白質一級結構。氨基酸含有一(carboxyl ate)與一胺基
(amine)，carboxyl ate 和胺基反應，脫水成(amide)，是由此(amidation)反應而將氨基
酸一個個連接而成的。氨基酸有共同的主鍊，但不同的支鍊，其支鍊大小之分，有
非極性與極性之分，有環團基、直鍊、分叉鍊、帶正、負電等等之分別。有些氨基
酸很相似，有些差異卻很大，各有自己的特性與功能：(一)氨基酸參與分子內（間）
分共價鍵作用力。非極性氨基酸經由立體互補作用力(steric complementarity)來造就疏
水性堆積(hydrophobic packing)，因此，有不同形狀、大小的非極性支鍊。而極性氨
基酸則參與分子內親水性作用來穩定蛋白質立體結構，或分子間作用力來參與特殊
分子辨認(specific molecular recognition)，例如 Arg 常參與蛋白質與核酸、磷酸間作用
力。另外，有些胺基酸參與金屬離子的結合。不同金屬離子偏好不同胺基酸作為其
配位體(ligand) 。例如鎂、錳離子偏好 Asp 與 Glu；而銅、鋅離子則偏好 Cys 與 His。
(二)有些胺基酸會參與各種化學反應，如化學修飾(chemical modifcation) 。醣分子與
蛋白質的 Asn、Ser、Thr 形成共價鍵，產生醣蛋白，稱為醣基化作用(glycosylation) 。
脂分子與 Gly、Cys 形成共價鍵，產生脂蛋白，稱為脂化(lipidation) 。磷酸化
(phosphorylation)則是(kinases)將其輔助因子 ATP 的第三個磷酸轉移到 Try、Ser、Thr、
Asp、His 的支鍊…等等。另外，兩 Cys 會形成雙硫鍵(三)值得一提的是 Gly 與 Pro
在蛋白質結構上的特殊角色。Gly 因形狀小，常填在二級結構狹小轉彎處(turn)，如
typeII β-turn 的第二個胺基酸必須為 Gly。而 Pro 由於其五角環狀支鍊，構象較受
限制，會形成特殊構象，如 poly-proline helix II，而 SH3 domain 便是辨認此種特殊
構象，以形成蛋白質間交互作用力。
由於個胺基酸有其特殊功能，因此，一個胺基酸(一個或數個原子)的改變，常可
破壞蛋白質的功能。最有名的例子便是抑癌蛋白質 p53，目前在一半以上癌細胞中，
發現 p53 都是單一胺基酸突變，而此一點突變便能破壞其抑癌功能。在臨床上，也
有很多其他病變蛋白質是單一胺基酸突變。如何有意義地分析胺基酸序列呢？可利
用基因庫與電腦軟體(生物資訊學，bioinformatics)來分析。首先，尋找類似胺基酸序
列的基因，做多個胺基酸序列比對，利用胺基酸的演化保守程度(conservation)來猜測
其可能重要性，並可幫忙判別其在病變蛋白質是屬於 missense mutation 或者是
polymorphism。另外，分析蛋白質的胺基酸序列可幫助瞭解此蛋白質可能的功能或含
有某些已知功能的胺基序列，如鈣離子結合….等。
4
c. 蛋白質二級結構
由於各個胺基酸間與其週遭環境間交互作用力，促使蛋白質摺疊成立體結構，
其立體結構元素，稱為二級結構，此結構定義了蛋白質主鍵的方向性（orientation）。
二級結構是區域性（local）、有規則性的（regular）、較穩定的（rigid）的結構，主要
有 α-helix 與 β-strand。二級結構的行程乃是因為極性的主鍵（main chain）要摺垂於
疏水性的蛋白質內部。在主鍵上極性的 C=O 會與 NH 形成氫鍵而中和降低其極性，
而能存在於疏水性環境中。
α-helix，顧名思義為螺旋狀（圖二），每轉一圈大約需 3.6 個胺基酸，其第 i 個
胺基酸的 C=O 會與第 i+4 個胺基酸的 NH 形成螺旋內氫鍵，由於螺旋內 C=O，NH
的偶極距（dipole moment），因此產生了頗強的偶極距，靠 N 端較帶正電，而靠 C
端較常負電。
圖二 α-helix 的氫鍵交互作用網
β-strand 氫鍵的形成在於兩 strand 間（圖三）：一條 β-strand 的 C=O，與另一條
β-strand 的 NH 形成氫鍵，故另一條 β-strand 的 C=O 較不穩定，也較少見，而多條
β-strands 形成平行與反平行 β-strand。除了 α-helix 與 β-strand 外，其他較無規則的結
構。通常稱為 random coil 或者 loop。α-helix 與 β-strand 對蛋白質結構穩定性影響較
大，故在演化上較保守；而 loop 則較常參與蛋白質的功能，如抗體即用六個 loops
來參與抗原作用，在演化上變化較大。
5
圖三 β-strand 的氫鍵交互作用網
而超二級結構（supersecondary structure）是由幾個二級元素所組合，或稱為
motifs。目前有很多常見的 motifs，可能是因結構較為穩定。有些 motifs 具特殊功能，
例如 coiled-coil helices 與 calcium-binding motif（圖四），有些 motifs 尚不知其特殊功
能，可能只是結構穩定吧。
圖四 左圖是造成聚合化方式之一的 coiled-coil helices，右圖是 calcium-binding motif。
6
d. 蛋白質三、四級結構
三級結構則是由數個二級結構元素所形成的一個摺疊緊密的結構，其結構元素
為 domain 是個能自行摺疊的結構單元，具有一個生物功能。例如霍亂毒素有三個
domains：一個負責與細胞表面接受器結合（receptor-binding domain），另一個則負責
擘畫細胞內某一蛋白質功能（catalytic domain）而導致疾病。最常見含有數個 domain
的事訊息傳遞蛋白質，含有常見的 domains，如 kinase、SH2、SH3…等（圖五）。
圖五 SH2 SH3 與 TIM-barrel 的 domain 結構
四級結構乃指數個三級結構在空間上的排列
（右圖）。例如多個 domains 蛋白質與寡聚物
（oligomer），如雙分子（dimer）、三分子（trimer）、
四分子（tetramer）…等。經由蛋白質摺疊，很多
胺基酸雖然在序列上相離很遠，但空間上卻很相
近，甚至是相同位置胺基酸互相作用。例如愛滋
病毒蛋白酶（雙分子）利用兩個第 25 個位置的
Asp 來水解蛋白質。而同位異構酶都是寡聚物，
其異構物的結合會改變單分子間交互作用力，促
使四級結構排列改變，以調控酵素活性。總之，
不同部位的胺基酸可共同形成蛋白質的活性位，來執行其生物功能，因此蛋白質結
構較解釋蛋白質突變實驗結果，所以蛋白質三度結構可提供詳盡的功能機制與各胺
基酸的可能功能。
蛋白質結構由其二級結構元素組成成分，一般可分為 α-helix，β-strand 與 α/β-結
構。α-helix 結構蛋白只含有 helix 而無 β-sheet，例如血蛋白（hemoglobin）。β-sheet
結構蛋白只含有 β-sheet 而無 helix，例如抗體。一般蛋白大都是 α-helix/β-sheet 混合。
7
β-sheet 摺疊有一些通則，較常見有三中方式：up-down、Greek key 與 jelly rollβ-sheet。
蛋白質形狀一般是球形（globular），帶少數為長條纖維狀（fibrous），一般纖維
狀蛋白是由某些特定胺基酸重複排列延伸的，且大都是結構蛋白，如皮膚的 elastin，
頭髮的 ketatin，絲的 β-fibroin 與 collagen。剛合成的蛋白質首先會摺疊成三度立體構
象。很多藥物如尿素（urea）可用來破壞蛋白質氫鍵，造成蛋白質變性（denaturation），
當這些藥品被清除後，有些蛋白質又可摺疊，但有些則不能。另外，有些蛋白質可
幫助蛋白質摺疊，例如 chaperonin、prolyl isomerase、disulfide isomerase•••等。
e. 蛋白質結構測定方法
蛋白質胺基酸序列，可由重組 cDNA 技術或傳統 Edman 化學方法來測定。二級
結構組成成分則可由（circular dichorism）測定。而蛋白質三度結構可由 X 光繞射法
與核磁共振法（NMR）測定。使用 X 光繞射點，首先需培養蛋白晶體（蛋白分子規
則地排列在晶格），X 光照射晶體，便產生 X 光繞射點，這些繞射點經由電子偵測器
來收集，且分析每一點強度，利用重金屬浸泡法，來求得其繞射點相位，經由富立
葉轉換式（Fourier transform），便可得電子密度圖，在得到其原子模型（atomic
model）。而 MNR，則是結合 COSY、NOESY 與 Simulation 來測定溶液中蛋白三度
結構，但 MNR 需要高濃度（1mM 以上）。且蛋白不可過大（小於 20kDa），C 與 N
同位素標的於蛋白質是必須的。
f. 結語
最後，我們利用酵素來說明蛋白質結構與功能間之關係。酵素其三種特性來催化
化學反應：（一）酵素具有基質結合處，某些胺基酸與基質有直接交互作用力；且兩
基質結合處有適當的距離與方向，以有效碰撞。（二）酵素具有可當路易士鹼的胺基
酸如 Glu、Asp、His 來提供其位配位電子對來接受氫（proton），促使攻擊原子（氧、
氮）更具負電性，另一方面，酵素又具有可當路易士酸的胺基酸（Arg、Lys、His）
或金屬離子，促使被攻擊原子（碳）負電性更小，更容易發生化學反應。（三）酵素
上某些胺基酸是用來穩定反應中間物（transition state intermediate），降低其自由能，
因而降低活化能，利於產物生成。所以，要造就一個具有活性的酵素，就需造就適
當酵素立體結構，促使其活性內各參與原子在適當空間位置，執行其與基質、中間
產物之間合適的作用力。若此適當作用力受破壞，則酵素失去原催化能力。
三、蛋白質工程
對蛋白質瞭解，進而改造蛋白質或製造其新的配位體，此為蛋白質工程。由於
目前所累積的蛋白質知識有限，尚無法建立一套完整的蛋白質設計理論，但近年來
仍有很多進展
2-4
，尤其是藥物設計。
8
1. 改變蛋白質的技術
改變蛋白質可經由化學修飾法，將化合物直接反應在某些特殊胺機酸上，或經
由重組 cDNA 技術來改變基因上的鹼基，以改變蛋白質序列，一般較常用後者。胺
機酸序列改變型態一般有三種：（一）點突變：將某特定位置胺基酸換成不同支鍵胺
基酸。此方法最常用來研究每一位置胺基酸的特別功能，例如，變換 Glu 是想瞭解
其支鍵上負電的功能。（二）刪除法(deletion)：去除每一片段嘌胺，來定出其功能部
位。有時也看看 linker 長短的影響。（三）鑲嵌蛋白(chimeric protein)或置換法(swap):
將蛋白質的某段嘌胺互相調換，來定出特殊功能決定區。例如，出血性與神經性蛇
毒頗類似，將不同部位互相對換，看其毒性是否有所改變。或著將活性區域引入另
一蛋白質（transferring active sites into natural scaffolds）。
2. 設計原理與流程
蛋白質工程設計流程如圖五
8
，首先用傳統蛋白質純化方法與蛋白質功能分析
法，由自然界生物體內萃取得該蛋白質，一方面利用微量定序法定出一片段嘌胺
序列，在經由基因選植(clone)定出整個蛋白質序列，利用重組 cDNA 技術來表現，
並純化大量蛋白質。另一方面，研究其生物特性（定性分析）。並且測定其三度立
體結構，根據其立體結構，與已知的資訊（生物資訊學，Bioinformatics）來預測
特殊重要的胺基酸，再利用基因突變法改變蛋白質，並且實驗分析及特性改變，
是否與原先預測相符合，每一次設計結果需重新評估與修改原本的設計理論，完
整的設計原理便是建立再一次次的測試。
3. 蛋白質工程目的
蛋白質工程的目的：（一）蛋白質結構與功能的詳細關係研究。（二）蛋白質
折疊研究。（三）增加蛋白質穩定度。（四）增加酵素活性。（五）改變分子間辨認
與其親和力…等。最終目的在於改變蛋白質或其配位體特性，製造出有用於醫學
或工業的蛋白質或藥品。有關蛋白質工程的文獻，每年都有相當多報導，以下只
是其中一小部份例子。
a.蛋白質結構與功能的關係
結合點突變，功能分析與結構生物學可清除地了解每一個胺基酸在此蛋白質結
構與功能上所扮演的角色。蛋白質內大部分的胺基酸是用來構築適當的蛋白構象
(comformation)，只有小部分胺基酸直接參與其功能執行，兩者胺機酸對蛋白質功能
皆很重要，例如抑癌蛋白質 p53，在腫瘤細胞的點突變處超過二百個，這些突變造成
p53 的抑癌功能喪失。因此，若沒有蛋白質結構，則點突變結果較難有個合理、明白
9
的解釋，因為有些胺基酸是經由改變蛋白質構象而影響其蛋白功能。而點突變與功
能分析無法分辨兩者差異。一般在不知蛋白質結構情況下，點突變通常選擇演化上
較保守的胺基酸。而 random 或 scanning mutation 則一般是用來對蛋白做較完整，較
廣泛的研究，如愛滋病毒的蛋白酶。
b.蛋白質穩定度
目前大約只有 20 種酵素廣泛用於工業產品製造，主要是因為大部分蛋白質相當
脆弱，容易被化學藥品、溫度破壞而變性(denaturation)。因此，嗜熱菌蛋白質的耐高
溫特色一直廣受注目。由耐高溫蛋白質的研究得知，雙流鍵與鹽橋(salt bridge)對蛋白
質穩定度影響較大，在 1989 年，Matthew 實驗室成功的在 T4 嗜菌體之 lysozme 引入
三對雙硫鍵
10
，將其 Tm 溫度由 42
°C 提高到 66°C。首先觀察 lysozyme 蛋白質三度結
構，選擇空間鄰近的兩兩胺基酸，基因突變為 Cys，以形成雙硫鍵。其中兩對雙硫鍵
並不影響其酵素活性，每一對雙硫鍵各提升 Tm5
°C，6°C 與 11°C。
Asn 與 Gln 在高溫下容易氧化成 Asp 與 Glu，因此有時也會根據其周遭環境，利
用突變成其他合適的胺基酸。有些蛋白質容易被氧化，因此降低其未形成雙硫鍵 Cys
的數目，也有助於維持其原有特性。β 干擾素（β-interferon）的臨床需求很大，然而
重組 β 干擾素效果不好，且容易形成沒有活性的多元體（oligomer）。利用基因突變，
將第 17 個位置未形成雙硫鍵的 Cys 變成 Ser，ser17 干擾素的活性與野生種（wild type）
相似，且不形成多元體，可儲存更久，所以目前便是使用此種變種干擾素
11
。
c.酵素活性與基質異性
歷經長期演化，一般酵素活性以達到高效率，因此，降低其催化能力相當容易，
但增加其活性卻相當困難。想增加酵素活性，便需考慮其基質結合（Km），催化速
率（Kcat），活化能與產物的離開。英國劍橋大學，Fersht 的實驗室長期在研究枯草
桿菌 tyrosyl-tRAN synthetase 的催化機制。在 1984，他意外發現 Thr51 變成 Pro51 會
引起些許構象改變（conformational change），而造成基質對此酵素結合力增加 130 倍
12
。這結果與原先預測認知不同，而出人意料，也顯示我們對蛋白質的了解不夠，至
今亦然。
改變酵素基質特異性也是一種挑戰。在 1980 年代，當一些蛋白苷的立體結構被
測定，發現蛋白苷的基質特異性乃在於其具有一個特殊凹槽（specific pocket）。例如
trypsin 的凹槽底部是帶負電的 Asp189，所以 trypsin 喜歡帶正電的 Arg 或 Lys 的嘌胺，
而 chymotrypsin 凹槽底部是形狀小的 Ser，所以 chymotrgrpsin 喜歡形狀大的 Tyr 或
Lys 的嘌胺。然而，當將 trypsin 的 Asp189 換成 Lys，所偏好的基質不是帶負電的 Asp
或 Glu，而是非極性的 Leu，原因在於 Asp189Lys 影響其凹槽結構。這些為蛋白苷基
質特異性的改變，至今尚未成功。
另一個有趣的例子是在美國加州大學伯克來分校 Schultz 實驗室（1987 年），將
10
黃金葡萄球菌的核酸苷（nuclease）的 Lys116 先換成 Cys-116(Lys116 靠近活性位)，
然後將一段帶有 3’-SH 的單股核酸，與 Cys116 形成雙硫鍵，使原無基質偏好而有基
質特異性
13
。
d. 藥物設計（structural based drug design）
由於各大小藥廠大量投資，使得藥物設計研發蓬勃發展，已有多種人工設計藥品
以運用於醫學治療。目前藥物設計的標的蛋白質（target protein）有近百種，其中成
果較顯著的大多是針對病毒、細菌….等病原體內的某一重要酵素，根據此酵素的立
體結構，尤其是活性位，來設計一特殊的化合物，此化合物只對病原體酵素有很強
的結合力，而使此酵素失去活性，達到消滅病原體的目的。設計藥物時，除了與酵
素結合能力。尚須考慮，化合物的毒性，穩定度，溶解度等。目前成功例子有愛滋
病蛋白
(7)
與感冒病毒醣解
(6)
（neuraminidase）。
有很多醫藥品本身也是蛋白質，例如一些細胞素、胰島素、干擾素、生長激素…
等等。自 1982 年，人類胰島素第一個上市，至今已有二十種重組蛋白質用於醫學治
療（recombinant therapeutic proteins），其 1994 的消費額是九十億美金，預計左西元
二前年將增為二百億美金。而目前已有二、三百種重組蛋白質正在臨床實驗中，預
計將有一百種醫療重組蛋白質在西元二千年上市
(14-15)
。其中，有些重組蛋白質是經
過基因改變。例如，由於單分子胰島素才具有活性，而重組胰島素會形成寡聚物，
因此當注射到糖尿病人，病人吸收較慢，因此血糖降低速度較慢。Dansh 藥廠嘗試利
用寡聚物胰島素三度結構來改變分子間幾個胺基酸，破壞其分子間作用力，促使突
變種的胰島素只會以單分子形式存在，即能保存其活性，而且快速被吸收
(16)
。
另外，美國Genentech公司長期以來一直在研究開發人類生長激素（human growth
hormone，重組蛋白質在 1985 年上市）。根據生長激素與其受體約三度結構(17)
（圖
六），一個生長激素分子與兩個受體結合而傳遞訊息。將生長激素上參與受體結合的
胺基酸突變，有些突變激素只會與一個受體結合，有些則與兩個受體緊密地結合，
結果顯示要破壞兩個蛋白質作用力較容易，常常只要一個胺基酸突變即可，如 Gly
變為 Trp。而若要加強兩蛋白質之間作用力則較困難，沒一個改變只增加一些，而多
個改變則有加成作用。例如，生長激素上 15 個胺基酸改變，促使與受體的親和力增
加 500 倍。另外，生長受體分子會與一個泌乳激素受體結合，且將生長激素上八個
功能胺基酸引入一個泌乳激素，改造的泌乳激素會與生長激素受體結合，因此該公
司研製多種變種激素，或可當受體拮抗劑或可活化受體功能，目前正在研究作為治
療乳癌的可能性。
11
圖六、一個生長激素分子與其兩個受體結合。生長激素是由 α-helical 結構（主要是四
根helices構成，稱為four-helix bundle，此種結構也見於其他細胞素，如GCSF,GMCSF…..
等。）而生長激素受體細胞外部（extracellular domain of receptor），是 β-sheet 結構（抗
體式折疊）。將生長激素上參與受體結合的胺基酸突變，便可改變具與受體結合力強弱
模式。
四、結語
生物技術發展日新月異，蛋白質工程亦然，每年都有相當多進展。相信未來不只可
提供豐富基礎知識，更可提升醫學與工業的大幅進步。
參考文獻
1. Branden, C. and Tooze, J. (1991) . Introduction to Protein Structure. Garland Publishing,
Inc. New York and London
2. Cleland, J.L., and Craik, C.S. (1996) Protein Engineering: principles and practice.
Wiley-Liss, New York
3. Anonymous. (1997) Protein engineering. Curr. Opin. in biltech.8:397-536.(本期全在討
12
論蛋白質工程，列有數百篇參考文獻)
4. Gross, M. and Plaxco, K.W.(1997) Protein engineering. Reading, writing and redesigning.
Nature 388:419-20.
5. Hunter, W.N. (1997) A structure-based approach to drug discovery; crystallography and
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