蛋白质与胺基酸

蛋白质又是甚麼东西组成的呢？蛋白质是由胺基酸(amino acid)所组成的。胺基酸顾名思义就是一种酸，因此有酸基。下图显示了一个胺基酸的基本架构：

左手边就是胺基(amino group)，右手边是羧基(carboxyl group)，上面字母R的地方称為side chain，这个地方会带入不同的化学基，不同的化学基连上去，就形成不同的胺基酸。下图列出人体中常见的20种胺基酸，粉红色的框框就是side chain有变化的地方：：

有了這些胺基酸，經由身體內的機制組合起來，就變成多肽鏈(poly peptide)，成了蛋白質最原始的結構，也就是一堆胺基酸串起來的樣子。之後蛋白質還會自己摺疊(folding)，成為特定的形狀，才有特殊的功能和活性，在身體裡面扮演特殊的功能，像是成為某一種酵素等等。

有了这些胺基酸，经由身体内的机制组合起来，就变成多肽链(poly peptide)，成了蛋白质最原始的结构，也就是一堆胺基酸串起来的样子。之后蛋白质还会自己摺叠(folding)，成為特定的形状，才有特殊的功能和活性，在身体裡面扮演特殊的功能，像是成為某一种酵素等等。

蛋白质的结构可以分為四种：

一级结构：就是多个胺基酸串联起来的结构
二级结构：胺基酸之间有氢键(hydrogen bond)的连结
三级结构：可以视為二级结构的子单位之间，经过摺叠(folding)成為的三级结构
四级结构：不同的摺叠过的三级结构子单位，结合后变成四级结构
下面这张图可以帮助大家清楚各种结构的关係：

DNA与基因密码

知道了蛋白质和组成的胺基酸以后，我们就可以认识基因密码是甚麼了。基因(gene)是一组有意义的遗传单位。首先先看看我们人体的细胞：

一般人体的细胞都具有细胞膜、细胞质、细胞核、以及一些重要的胞器。在细胞核裡面有染色体(chromoson)，是由一些蛋白质和DNA所组成的物质，携带著遗传的密码。DNA中文叫做去氧核糖核酸，顾名思义，就是核苷酸(nucleotide acid)去掉一个氧原子所形成，包含一个含氮硷基，一个五碳糖和一个磷酸基。肉眼看不到DNA，只能透过显微镜观察，化学式如下：(左手边是磷酸基，橘色方框内是含氮硷基，右下方是五碳糖，OH少掉一个氧原子变成H)

染色体上面的DNA排列，就是所谓的基因。因為DNA携带的硷基不同，就代表者不同的编码，最后可以透过身体裡面的机制来製造不同的蛋白质，发挥不同的功用，因此称為基因密码。人类的DNA只有四种硷基，分别是adenine,cytonine,guanine,thymine。我们后来就简称為ATCG四个字母来代表。因此DNA一连串的编码，像是AATTCCTTAAGATTCT，就可能是一段基因密码，代表将来要製造哪一种蛋白质。DNA会两条形成一对，并且因為氢键的关係形成双螺旋结构(double helix)，因為组成核苷酸的四个含氮硷基–ATCG–裡面，A和T会形成氢键，C和G会形成氢键，所以永远是A对T，C对G, 如下图：

另外一种核苷酸是 RNA, 中文叫做核糖核酸。和DNA不同的是他的五碳糖中第二个碳接的是OH，而DNA中接的是H. 另外 mRNA 中四种含氮硷基是AUCG，和 DNA 的ATCG 不同，如下图

从DNA到蛋白质
DNA和蛋白质究竟是甚麼关係呢？首先DNA会先经过某些酵素，透过特殊物质的作用，开始或停止蛋白质的製造，这部分就是基因表现的调控(regulation)。一旦DNA开始製造蛋白质，第一步是把DNA上面的基因密码，製造成為一个模板，称為mRNA(messenger RNA)。RNA 作一个比喻：如果DNA密码是我们照相的时候，想要拍摄的风景，mRNA就是拍摄后具有影像的底片，底片经过冲洗后的照片，就是蛋白质了。DNA到mRNA的这个过程，叫做转录(transcription)，一段DNA如果是ATTGAC，转录的mRNA就会是UAACUG，。

转录后的下一步，是转译(translation)。这时后有第二种RNA出现，叫做tRNA(translation RNA)。tRNA和mRNA一样，都是由核苷酸所组成，DNA刚才提到是由去氧核糖核酸(核苷酸去掉一个氧原子)组成的，DNA有四个含氮硷基ATCG，RNA则是有AUCG四个含氮硷基。tRNA具有一种髮夹(hair-pin)的结构：

tRNA上头携带著一种胺基酸，下面有一个可以和mRNA对应的地方，称為Anti-Condon。这时候还有第三种RNA叫做rRNA(ribosome RNA)，形成核糖体(ribosome)。如果用刚才照相的比喻，ribosome就是冲洗相片的暗房。mRNA是底片，上面印著和风景顏色互补的景象，也就是和DNA相互补的编码。mRNA在酵素带领下进入ribosome，接者每三个硷基為一个单位(举例:AUU一个单位，UGC一个单位等等)，和tRNA做比对，如果和某个tRNA下面的Condon比对成功，tRNA就会附著在这一个单位的mRNA上面，此时这个tRNA上头携带的胺基酸，就成為这三个硷基所代表的胺基酸，(AUU代表Isoleucine这个胺基酸)。比喻来说，底片上的某一块区域(mRNA的某一小段)，在暗房裡面(ribosome裡面)，透过冲洗相片的东西(tRNA上面携带胺基酸，下面的Condon比对mRNA)，冲洗成照片(上面的胺基酸串成一长条，成為蛋白质的一级结构)。这整个过程可以用下图表示：

而mRNA上面每三个单位，会对应到的胺基酸，经过实验以后得出以下的表格：

製造出来的一整条胺基酸，再经过摺叠和次级单位组合以后，就变成有功用的蛋白质，留在细胞内或是运出细胞膜，也可能在等待与某种离子结合之后发挥活性，参与整个身体的功能，包括在本文前面讲到的各种功能，像是醣类、脂肪的代谢，或是红血球的形状了。

总结
1.DNA经过转录(transcription)形成mRNA
2.mRNA和tRNA在ribosome(rRNA组成)裡面转译(translation)出胺基酸链
3.胺基酸链(多肽链polypeptides)自行组成蛋白质的一级到四级的结构
4. 蛋白质最后在参与全身的各种功能，包括组成身体或调节身体

延伸阅读

阳明大学画说DNA网站： DNA From the Beginning
生物科技面面观：生命的螺旋 生命的蓝图
MIT开放式课程：Introduction to Biology, Fall 2004. (video lecture)