蛋白質的一生（改版）：認識生命科學的第一...

〈前言〉細胞中的工作者，蛋白質
聽到「蛋白質」這個詞，你首先會聯想到什麼？或許很多人會連想到，它是牛奶、牛肉、豆腐等食品裡含有的營養，或者也有讀者會想到世面大力宣傳，具有「美膚效果」的膠原蛋白。
不過，並不是只有牛肉和大豆含有蛋白質，我們人體有百分之六十到七十是水分，固體成分約有百分之二十是蛋白質。構成我們身體的蛋白質，由二十種胺基酸排成一列，而非分枝衍生而成的。我們從食品從攝取的蛋白質，會分解成它的構成要素──胺基酸，然後再讓胺基酸連結起來，產生蛋白質。這個循環本身就是生命活動的根本，而蛋白質則是支持人體最重要的物質之一。
常有人說：「人體就是個宇宙。」但我們從幾項數值更能切實體會這句話。細節後面的章節中再談，這裡我們先來看看三個問題。
第一個問題是關於細胞。我們人體，是由「細胞」所構成，這一點我想大部分的讀者都已經知道了，但你可知身體是由幾個細胞組成的呢？答案是約六十兆個。這個數字太大了，實在很難想像。比如說，平成十九年度的日本國家總預算，一般會計預算約為八十兆圓。這個數字也同樣沒有真實感，但如果把這筆金額換成一萬圓鈔票，每束一百萬圓為一公分，那麼就有八百公里，相當於兩百座富士山的高度。若是排在地上，約為東京到下關的直線距離。
每個不同種類的細胞大小也不相同，大約為十～二十微米，一釐米的百分之一到五十分之一的程度。依此數據，假定一個細胞，是大小直徑為十微米的球，而將全身上下的細胞排成一列的話，長度就有六十萬公里。可以確定的是我們每個人身體中，都塞滿了這麼多細胞。
除去紅血球之外，我們的細胞，每個都各自含有「核」的部分，核中則儲存著「DNA」。現在大家都知道DNA保存著遺傳資訊，但這個儲存父母傳遞給孩子的遺傳資訊，也是身體設計圖的DNA，簡單地說，就像一條很細的線。為了在任何時候都能完整讀取這個資訊，所以它採取不分枝的一條線構造，使情報得以完整傳達。DNA的線以四十六個染色體，藏在細胞核中，但如果把一個細胞裡所含的DNA連結起來，拉長成一條線的話，約有一點八公尺長。也就是說，僅僅百分之一釐米大小的細胞，位於其中的核裡，事實上擠滿了與自己差不多高的DNA。
那麼，接下來是第二個問題。一個人身體中的DNA，如果連結成一條直線的話，大概會有多長呢？答案是很單純，用乘法將一點八公尺乘以六十兆，就會得到一○○○億公里。這已經不是國家預算可以形容，而是地球到太陽來回三百圈的長度。由此可知，我們的身體裡擁有一組天文數字，細胞雖然只是個渺小的生命單位，但其中卻是有宇宙級的數值，的確可以叫它「微小宇宙」（micro cosmos）。
大約在二十年前，我無意間讀到一本書，是本庶佑先生寫的《遺傳子述說的生命像》。裡面有一段便提到DNA的長度。雖然只是一個大略的數字遊戲，但它充滿了新鮮和驚奇，從中窺見了生物本身的神祕。
近日，中小學生自殺或年幼小孩虐待致死的案件時有所聞。尋求有效的預防方法，乃是國家緊急的議題。但從個人的角度，我認為與其重複一百次生命的重要，不如告訴大家我們體內DNA的神奇長度，是否可能更為有效。
我們人類是身高不及兩公尺的動物，而從地球的規模來看，我們存在的時間，也只不過百年。真的是極其渺小、微弱的存在。但是我們這個微小的存在，一方面卻在微量連接了巨量，形成了偉大的宇宙。一個人體實際上擁有六十兆細胞，從父母身上繼承的DNA連接起來，有地球到太陽來回三百次的長度。這樣低微、渺小的「自己」，如果從這個觀點重新檢視的話，或許就能稍微切身地感受到輕易尋死，或虐待幼兒，是多麼荒唐無稽的事。生命的重量，不是用理智去了解，而是憑感覺去體會，所以藉由本書後面的敘述，期待各位或許可以在接觸生命的奇妙結構後，很自然地理解它。
最後，是第三個問題。在細胞的微小宇宙中，又含有多少蛋白質呢？答案也很天文學。六十兆個細胞裡，據說每個細胞都有八十億個蛋白質。而且這八十億個蛋白質，並不是產生之後就結束了，它還會反覆地分解和生成，進行新陳代謝。它的生成速度，有人計算過最活躍的細胞一秒鐘可生成數萬個。百分之一釐米大小的細胞，每一個細胞為了生存，就需要八十億個蛋白質。
六十兆個細胞中，每一個每秒鐘都以驚人之勢不斷合成蛋白質。我們一般不會意識到這件事，但在我們渾然不覺間，就因為它們祕密地辛勤工作著，才有我們的存在。
所以，就如本書後面將提到的，唯有如此生成的種種蛋白質，才能全面地支持微小宇宙的生命活動。反言之，了解蛋白質，才能夠明白「生命」的存續。說到蛋白質，一般人都會立刻聯想到牛、豬等肉，或是大豆等植物性蛋白質等食物。但是，蛋白質不僅是重要的食物，也是在所有比細胞更小的分子當中，最重要的維持生命的工作者。各種疾病也都多多少少與蛋白質相關。有時候是缺乏生命活動中所必須的蛋白質，發生異常，而使正常的生命活動無法繼續，又或是身體中累積異常的蛋白質。另外也有些時候，異常蛋白質累積，會像阿茲海默症或傳染性海綿狀腦病（如狂牛症）一樣，損害我們的神經細胞。毋庸置疑地，蛋白質是我們生命活動中的主角。
生命科學，即所謂Life Science，這個字已是一般人都很熟悉的字眼，它是一種以負責生命活動的分子為對象，解開該分子如何運作，生命活動如何進行的學問。本書是就現代生命科學的根基──細胞生物學的範圍來說明，但是，筆者並沒有打算只將它寫成細胞生物學的教科書，而是想把焦點放在生命活動的主角──蛋白質，與讀者們一起體驗每個蛋白質誕生、成長、成熟、老化，以至死亡等，人生一般的連續劇。進而來談談最近受到極大矚目、可說是蛋白質本身的病變──異常蛋白質的生成，以及細胞如何早一步發現異常、對應那種異常狀態的危機管理能力。當這種危機管理系統出現破綻，無疑就會直接通向生病一途，因此我也將把重點放在細胞內的蛋白質品質管理系統，與形成其破綻的疾病。
在本書中，第一章將會簡單說明蛋白質的工作場所──細胞，這部分包含高中程度的生物學複習，因此不熟悉生物學的朋友，務請不要錯過。接著第二章，我們將來看看在DNA中的遺傳訊息基礎下，蛋白質如何合成的機制。以及它合成之後，各種蛋白質形成了什麼樣的構造。關於蛋白質的成長、成熟機制，我們會在第三章說明。它可說是蛋白質一生中的青少年期。
蛋白質光是形成還不行，它如果沒有配送到正確的地點，仍是不能發揮功能的。因此，我會在第四章談談貼在蛋白質身上的名牌，標示它將配送到哪裡去；並認識配送的目的地，和揀選機構。如果用人的一生來類比，它就是通勤和轉車的部分吧。
經過正確合成、運送到正確位置的蛋白質，在充分發揮功能之後，終於也要面對壽終正寢的時刻。第五章裡，我將說明蛋白質死亡時如何分解的過程，也就是蛋白質的後半生、退休、老年到死亡的局面。
我們人體內，每天都會有大量的蛋白質生成，並且經常在分解。其中當然也會生成錯誤的蛋白質，有時也必須清理製造過剩的蛋白質。在第六章中，我們將來談談蛋白質生產現場的品質管理機制。在人類社會中，常因食品或醫藥品品質管理的假造，而形成種種社會問題。但我們每個細胞的內部，都有非常完美的機制在運作，令人聯想的人類社會的品質管理機構。而且這個機制不會有欺瞞、馬虎、甚至竄改等情事發生，它們切實認真地進行蛋白質的品質檢查，並運用再生、分解等來應對。
但是一旦這個品質管理有錯，生產大量的壞品，而無法適切地處理應被廢棄的蛋白質時，人體就會產生種種疾病了。和人一樣，蛋白質的疾病也經常在老年發生，但疾病仍也可能在年輕時期，或幼年時期就發病，而蛋白質在誕生時，也有極精密的品質管理系統在運作。
跟隨這幾章的介紹，您將能認識蛋白質的一生。我們身體裡數萬種蛋白質中，壽命短的只有僅僅數秒，但壽命長的，可以一直工作數個月。蛋白質其實是十分具有個性的個體。我希望能時時記住其多樣性的前提下，來談談其普遍性的一生。

〈前言〉細胞中的工作者，蛋白質
聽到「蛋白質」這個詞，你首先會聯想到什麼？或許很多人會連想到，它是牛奶、牛肉、豆腐等食品裡含有的營養，或者也有讀者會想到世面大力宣傳，具有「美膚效果」的膠原蛋白。
不過，並不是只有牛肉和大豆含有蛋白質，我們人體有百分之六十到七十是水分，固體成分約有百分之二十是蛋白質。構成我們身體的蛋白質，由二十種胺基酸排成一列，而非分枝衍生而成的。我們從食品從攝取的蛋白質，會分解成它的構成要素──胺基酸，然後再讓胺基酸連結起來，產生蛋白質。這個循環本身就是生命活動的根本，而蛋白質...

分享科學進步的樂趣──我讀《蛋白質的一生》
林正焜
商周出版社的黃靖卉總編輯，告訴我日本有一本科普書籍，二○○八年出版後蟬聯紀伊國屋不分類銷售排行榜前三十名好幾個月，指的就是本書。科普書進入不分類排行榜，代表的是日本科普的質與量都有傲人的成就，對長期耽於閱讀這類書籍的我而言，不禁欣羨不已。
科普市場反映的是一國的科技水準和國民的科學素養。經過多年的深耕易耨，日本的科學發展有目共睹，他們的成就絕非僥倖。本書能高掛排行榜，一方面固然是由於日本人熱切追求新知的讀書品味，另一方面，當然就是書的內容新穎有趣。本書作者是國際知名的蛋白質專家，更是和歌寫作的高手。有這樣的科學與文學素養，這本書受到大眾歡迎的原因也就有跡可尋了。
從書名《蛋白質的一生》，可以知道書的內容敘述的是蛋白質從生成到分解，一路所經歷的行旅紀事。蛋白質究竟是什麼？以人體來講，構成我們身體最主要的成分，是水，人體含水量高達體重的三分之二；其次就是蛋白質了，佔體重的五分之一。身上有那麼多蛋白質，我們不免要問，蛋白質究竟有什麼作用，有多麼重要？看看下列這些例子，就可以窺知一二。
為什麼我們會動？那是因為我們有肌肉，肌肉收縮牽動關節，人就動了，肌肉中會收縮的成分，是蛋白質。為什麼血液可以攜帶氧氣？因為血液含有大量血紅素，會依據環境條件捕捉或釋放氧分子，血管就成為氧分子流通的管道了，血紅素是一種蛋白質。為什麼我們對病原有抵抗力？因為我們有可以對抗病原的抗體，抗體也是蛋白質。蛋白質是骨骼的基質，骨骼讓我們有特殊的儀態；酵素、賀爾蒙、臟器、毛髮、指甲、皮膚等等的主要成分，也都是蛋白質。皮膚的光滑質感和彈性是哪一種蛋白質的效果？許多人知道的，膠原蛋白，那可是關乎美容、傳播媒體經常提及的名詞。身體要維持正常的功能，需要正常的蛋白質，有時候體內的蛋白質出了問題，人就會生病。甚麼樣的原因會讓身體的蛋白質出現問題？最直接的原因，當然就是構成蛋白質的成分不正確，也就是決定蛋白質組成的DNA序列出錯，依據DNA訊息製造的蛋白質自然不正常，就跟寫信的時候寫錯字、寫漏字，讓人不知所云，是一樣的意思。到這裡所介紹的，可以說是比較古典的蛋白質學問。新知，則是本書的特色，是已往大多數生命科學書籍比較少提到的。
蛋白質新知包括：
（一），構成蛋白質的胺基酸鏈，如何從原本一個接一個像一條金鏈子一樣的一長串，折疊成三度空間的機器？機器壞了如何維修？在這裡，折疊、伴護者、逆境蛋白質是重要的機制和分子。折疊是非常複雜的過程，宛如奇妙的大自然在細胞裡面打中國結，但是複雜得多，而且有一點點失手打造出來的機器就沒辦法運轉。伴護者是本書最重要的主題，作者正是這方面的專家。作者提出一個極端的例子，從某些蛋白質凝集變性後，利用伴護者處理，可以讓蛋白質復活，推論到有一天水煮蛋可以變回生蛋，讓讀者產生遠颺的遐想。
（二），其次，合成好了的蛋白質一定要配送到正確的地方，才能發揮應該有的作用，就跟信寫好了要寄給正確的收信人一樣的意思。這是怎麼辦到的？這個過程，作者用淺顯的例子，說明運送有明信片型運輸、包裹型運輸兩種方式。
（三），再來就是蛋白質週期的控管，每一種蛋白質質機器都有它特定的作用時機，任務結束就要退場。泛素、自噬體是分解蛋白質時會出現的角色。作為一種標籤，泛素是處理蛋白質不良品十分重要的蛋白質分子。
（四），最後，細胞必須管制蛋白質的品質，中止製造不良品、回收壞掉的、老舊的蛋白質，這又是怎麼辦到的？原來是一種叫作結合蛋白（BiP）的守護者，平常牢牢抓著分解機制的啟動器，一旦出現壞掉的蛋白質，守護者就會轉而抓住它們，試著修補，同時啟動分解機制，藉這個方式來管理品質。
對於上述種種有趣的新知，除非是專家，一般人在報章雜誌上看到這些字眼的時候，很可能就讀不下去了。本書的長處就是很仔細、很生動地介紹了這些名詞，讓外行人也能深入認識這些行話。古人說我們要多識於草木鳥獸之名，那是認識大自然最初步的工作。如今生命科學進展的腳步神速，我們也要多識於生命賴以運行的分子和機制之名，才能分享科學進步的樂趣，才能保持對生命最正確的看法，也才不會被充斥街坊的、善於操弄新名詞的商品，騙得生活失去平靜。
　　蛋白質出了問題會造成嚴重影響生活的疾病。例如，近年來令人想到牛排心裡就有陰影的俗稱狂牛症的疾病，牽涉到的就是蛋白質品管機制的疏漏。我們身上原本就有正常的傳統型普恩蛋白，而染病的牛身上則有折疊錯誤的散發型普恩蛋白。傳統型遇見散發型，會受影響改變結構變成散發型，於是折疊錯誤的普恩蛋白越來越多，它們堆積在腦子的細胞裡頭，腦子就變得如海綿一般有許多空泡。現在科學家發現，利用一種稱為熱休克蛋白的逆境蛋白質，可以讓傳統型不再變成散發型，因此可能可以用來中止疾病的進行。又例如，一開始以僵硬、緩慢和顫抖表現的帕金森症，目前已經發現有七個基因的突變跟它有關係。這些基因產出的蛋白質，有的是拼錯了，造成蛋白質折疊不正常，有的則是泛素化出問題，也就是在腦細胞遇到逆境的時候，慌亂中細胞裡的蛋白質被折疊錯了，這時應該會有泛素過來跟折疊錯了的蛋白質結合，才知道那是要送去分解的東西。如果泛素化的基因發生突變，壞的蛋白質沒被分解而堆積在細胞裡，腦細胞逐漸死亡，就造成疾病。
從這些例子可以感受到，這些年來生命科學突飛猛進，讓我們對疾病發生的機制已經有比較新的觀念、比較詳細的說法了。我時常見到一些對疾病的成因很有興趣深究，卻苦於不知道如何著手學習的人；也常見到對生命科學充滿興趣，卻擔心自己太外行而無法入門的人。推薦給有一樣心情的讀者朋友，閱讀這本認識生命科學的第一本書，閱讀相關的科普書籍雜誌，會是很有收穫、很有趣的經驗。
（本文作者為現為開業醫師，OneGene Biotech Inc.同仁。科普著作有：《認識DNA》、《細胞種子》、《性不性，有關係？》，其中《細胞種子》榮獲2006年中國時報開卷十大好書獎、《性不性，有關係》榮獲第五屆吳大猷科學普及著作獎創作類金籤獎。）

分享科學進步的樂趣──我讀《蛋白質的一生》
林正焜
商周出版社的黃靖卉總編輯，告訴我日本有一本科普書籍，二○○八年出版後蟬聯紀伊國屋不分類銷售排行榜前三十名好幾個月，指的就是本書。科普書進入不分類排行榜，代表的是日本科普的質與量都有傲人的成就，對長期耽於閱讀這類書籍的我而言，不禁欣羨不已。
科普市場反映的是一國的科技水準和國民的科學素養。經過多年的深耕易耨，日本的科學發展有目共睹，他們的成就絕非僥倖。本書能高掛排行榜，一方面固然是由於日本人熱切追求新知的讀書品味，另一方面，當然就是書的內容新穎有...

〈推薦專文〉分享科學進步的樂趣──我讀《蛋白質的一生》　　林正焜醫師
前言　細胞中的工作者──蛋白質

第一章 蛋白質居住的世界：細胞這個小宇宙
常見的蛋白質／蛋白質的元素「胺基酸」／一條「鏈」／種類數算不盡的蛋白質／骨骼、酵素也是蛋白質／專業的蛋白質／細胞生物學／細胞的條件／生物體的階層結構／動物、植物都有／細胞的構造／製造蛋白質的內質網／粒線體／共生細菌變成粒線體／細胞的進化／共生關係的建立／DNA是什麼／DNA的訊息量／一切都是為了蛋白質

第二章 誕生：解讀遺傳密碼
雙螺旋模板的衝擊／在DNA的密碼中／中心法則／卓越的資訊保存系統／DNA的複製／把DNA的絲捲起來／RNA的功能／RNA世界／轉錄過程／訊息的轉譯單位──遺傳密碼／密碼的起點與終點／轉譯機器核糖體／轉運RNA（tRNA）／需要花費多少時間呢？／試管內的轉譯裝置

第三章 成長：細胞內的大配角，分子伴護蛋白
分子伴護蛋白的發現／折疊起來做出形狀／四個階層／親水性、疏水性／折疊的大原則／安芬森的法則／試管中、細胞中／蛋白質的凝集／伴護者──分子伴護蛋白出場／從熱休克蛋白質到逆境蛋白質／從逆境蛋白質到分子伴護蛋白／在大腸菌中工作的伴護蛋白／在搖籃中折疊／「電動搗米器」的架構／正確折疊原來這麼難／逆境蛋白質／蛋白質的維修員／水煮蛋變回生蛋！／伴護蛋白的運作原理有三／腦缺血／獲得逆境耐性／應用在移植手術／癌症治療與逆境蛋白質／溫熱療法的實際運用／嗜熱菌的逆境蛋白質／保護生命的系統／逆境應答的機制

第四章 輸送：細胞內的物流系統
「運輸」的精巧系統／目的地的寫法──明信片與包裹的方式／蛋白質的運輸路徑／磷脂質的「膜」／製造「通道」的膜蛋白／信號假說／共轉譯運輸的過程──穿針引線的技巧／醣鏈的附加──蛋白質修整門面／內質網中的折疊／迴紋針固定──雙硫鍵／細胞「內的外側」／「包裹型」名條──宅急便的便利性／貨物運輸的軌道與馬達蛋白／細胞內交通的上行和下行／流通中心‧高爾基體／由外而內──內噬作用／胰島素的分泌／膠原蛋白的合成／HSP47的發現／分子伴護蛋白與疾病／送往粒線體的運輸／帶它進去的齒輪／出入自在的核運輸／運輸架構是維持生命的基礎

第五章 輪迴轉世：為了維持生命之「死」
長生不老的夢／蛋白質的壽命／更新的蛋白質／每天誕生變化的細胞／胺基酸的再循環系統／細胞周期需要的蛋白質分解／「時鐘的基因」／果蠅的時間基因／對時的裝置／吃自己延長壽命？／選擇性的分解？整批分解？／泛素是分解的標記／分解機制──蛋白酶體／卓越的「環型分子機器」／大老饕──自噬系統／分解的保全裝置／細胞的死／蛋白質的輪迴轉生

第六章 蛋白質的品質管理
「品質管理」的必要性／危機管理／工廠的品質管理／細胞內的四階段品質管理／發生不良品的時候／策略一──生產線停擺／策略二──修理員伴護蛋白的誘導而再生／策略三──廢棄處置／策略四──關閉工廠／品質管理的「時間差攻擊」／品質管理破洞而出現的病態／血友病／折疊異常疾病的發現／神經退化性疾病／「紅鞋」的病／過多麩醯胺酸疾病發病機制／不能再生的神經細胞／阿茲海默氏症／各種海綿狀腦病／人的普恩蛋白疾病／散發型普恩蛋白／普恩蛋白的感染力／BSE的威脅／普恩蛋白與分子伴護蛋白／阿茲海默氏症的機制／走向新治療法

後記

〈推薦專文〉分享科學進步的樂趣──我讀《蛋白質的一生》　　林正焜醫師
前言　細胞中的工作者──蛋白質

第一章 蛋白質居住的世界：細胞這個小宇宙
常見的蛋白質／蛋白質的元素「胺基酸」／一條「鏈」／種類數算不盡的蛋白質／骨骼、酵素也是蛋白質／專業的蛋白質／細胞生物學／細胞的條件／生物體的階層結構／動物、植物都有／細胞的構造／製造蛋白質的內質網／粒線體／共生細菌變成粒線體／細胞的進化／共生關係的建立／DNA是什麼／DNA的訊息量／一切都是為了蛋白質

第二章 誕生：解讀遺傳密碼
雙螺旋模板的衝擊／在DNA的密碼...