【化學奇境】受體‧受體‧受體

神經突觸中的化學傳導(出自英文維基)

■ 十二月十一日周成功教授的演講以「當小分子遇上大分子」為主題,但卻幾乎都在講受體。究竟為何理解受體對於掌握大小分子是重要的呢?

撰文 ∣ 林書瑤

《三國志》的《華陀傳》有這麼一個故事:「某天倪尋和李延兩位地方官一起去找華陀看診,兩人都同樣有頭痛、發燒的症狀。華陀診斷之後,開了藥方說:『倪尋應該服用助瀉劑,李延應該服用發汗劑。』他們覺得奇怪,症狀相同不是應該吃同一帖藥嗎?華陀說:『倪尋是便秘造成體內火氣旺盛,李延是著涼受了風寒,雖然兩人症狀相同,但是病因不同,所以要用不同的方式治療。』倪尋和李延各自吃了藥之後,隔天起床就都痊癒了。」

這段故事是成語「對症下藥」的由來,它翔實呈現了疾病與藥方之間的關係:特定疾病只能使用特定藥物治療,如果施藥不當,對於治療就沒有任何幫助。

此一典故或許也可以帶領大家理解生物化學中「受體(receptor)」的觀念。受體是一種蛋白質分子,通常存在酵素分子的表面,可以和神經傳導物質(neurotransmitter)、荷爾蒙(hormone)、藥物或是毒物等配體(ligand)結合。每種受體只能結合某些特定形狀的配體分子(見下圖),受體在與配體結合之後,會帶來構形(conformation,受體蛋白質的三維結構)的改變,因而影響蛋白質活動,並進一步引起各種細胞反應。

受體與配體的結合端賴分子間作用力,其中並未進行化學反應,也沒有生成共價鍵,因此這樣的結合方式是可以拆解,也是可以被取代的。血紅素與氧氣及一氧化碳的三角關係就是一例:身為受體的血紅素在平時都與氧氣結合,但是當空氣中的一氧化碳濃度過高時,血紅素就會拋下氧分子,選擇和一氧化碳分子結合。這是因為一氧化碳對血紅素的親和力大過於氧氣的親和力,所以在與受體結合的競爭關係中,親和力越大的分子越容易取得勝利。

鎖與鑰

配體與受體

德國化學家Fischer曾提出「鎖鑰理論(Lock and Key Theory)」,認為分子和生物細胞之間的關係存在高度的專一性,就像鎖頭和鑰匙一樣,每道鎖都必須利用某把特定的鑰匙才能夠打開。然而,也有一些比較不那麼嚴謹的受體,由於其本身的分子很大,因此可以在與形狀不完全相合的配體結合時,改變自己的構形去配合配體的形狀,這種具有較大彈性的配對結合方式,稱為「誘合理論(Induced-Fit Theory)」,亦即受體會受到形狀不合的配體誘導而改變構形與之結合。

配體對受體的作用大致可區分為兩種:作用劑(agonists)與拮抗劑(antagonists),前者會活化蛋白質的活動,啟動細胞反應;後者則會抑制蛋白質活動,並關閉細胞的反應。因此作用劑與拮抗劑之間存在拮抗關係(antagonism,兩者互為對立的作用關係)。周成功教授在十二月十一日的演講中談到,毛果芸香鹼(Pilocarpine)可刺激狗的唾液腺分泌,但這個作用可被阿托平(Atropine)完全抑制,不論在之前或之後施藥。因為毛果芸香鹼為作用劑,可增強副交感神經的反應;阿托平則為拮抗劑,會抑制副交感神經的作用,故兩者之間存在拮抗關係。而阿托平的親和力高於毛果芸香鹼,所以無論在毛果芸香鹼之前或之後施加阿托平,都可達到拮抗的抑制效果。

受體的結合作用是重要的藥物作用機制之一,尤其常見於內分泌疾病與精神疾病,因為荷爾蒙與神經傳導物質的作用皆屬於受體結合作用的範疇,其中著名的範例是精神分裂症的藥物治療。精神分裂症的病因是多重且複雜的,可能來自遺傳、環境、心理、神經、社會等各種面向,也因此在治療上並沒有一種完全有效的方法。有研究指出,精神分裂症的病因來自於多巴胺的過度活化。多巴胺是腦內分泌的一種神經傳導物質,主要用來傳遞愉快、興奮的情緒訊息,戀愛、吸毒、吸菸都會促進多巴胺的分泌。精神分裂患者由於多巴胺分泌過多,故隨時處在興奮的狀態,並因此產生諸多幻覺及妄想。傳統的精神分裂藥物治療,便是利用親和力大於多巴胺的藥物分子,與腦內的多巴胺受體結合,進而阻斷多巴胺的作用。

受體的概念除了普遍應用於藥理學之外,也被利用於生物化學與生理學。人類的嗅覺、味覺刺激即來自於氣味、味道分子和感官受體的結合,而人工甘味劑的發明,便是利用與糖類分子相仿的配體結構,像是複製了一把鑰匙那樣,與味覺細胞上的受體蛋白質結合,啟動了甜味感官神經的傳導。

在昆蟲學上,也有學者利用受體概念,干擾昆蟲的嗅覺,使其無法成功辨識同伴或宿主的氣味,進而保護農作物不受到蟲害。昆蟲頭部的觸角具有某種氣味結合蛋白(odorant-binding protein, OBP),會與同種昆蟲釋放出的費洛蒙(pheromones)結合,作為同伴路徑的指引或是植株位置的引導。學者乃運用結構與費洛蒙相似,親和力則更甚於費洛蒙的氣體分子,與昆蟲觸角的氣體結合蛋白結合,成功阻斷原本的費洛蒙作用。

或許我們可以這麼說:受體是大分子,而配體是小分子。大分子遇上小分子,便是受體結合的過程,這在藥理學、生理學以及生物化學都有重要性。或許有一天,我們可以利用各式各樣人工合成的配體,活化甚或抑制某些原本無法調控的生理反應,或是擾亂人類感官的種種知覺,而這亦將引領我們到達一個更加魔幻、不可思議的分子奇境。

(本文作者畢業於台大政治系,業餘村上春樹愛好者)

延伸閱讀:維基上的受體(receptor)

責任編輯:MissZoe

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One thought on “【化學奇境】受體‧受體‧受體

  • 2010 年 12 月 23 日 at 22:09:29
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    聖誕節要到了,大家有沒有看到頁首的banner雪花在動呢?

    另外解釋一下村上春樹的梗....本篇標題一方面是真的要強調受體很重要,另一方面也是在向《舞‧舞‧舞》致敬。

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