108 年 國立臺灣大學海洋研究所生漁組與漁科研究所（2研究所組聯招）《生物化學（B）》

此題主要考察學生對醣類化學結構與反應的了解。

(a) Xylitol 是 xylose 的還原產物。Xylose (木糖) 是一種五碳醛醣 (aldopentose)，其分子式為 $C_5H_{10}O_5$。Xylitol (木糖醇) 是一種五碳糖醇 (aldopentitol)，其分子式為 $C_5H_{12}O_5$。將 xylose 轉化為 xylitol 的反應是將醛醣的醛基 (aldehyde group) 還原為羥基 (hydroxyl group)，形成一個糖醇。這個反應通常是透過催化氫化 (catalytic hydrogenation)，例如使用鎳 (Ni) 或鉑 (Pt) 等金屬催化劑，在高壓氫氣下進行。

(b) Xylose 具有 D-form 和 L-form 之分，這是因為在五個碳原子中，除了最末端的碳原子 (C5) 外，其他四個碳原子 (C2, C3, C4) 都是手性碳原子 (chiral carbon)，可以形成不同的立體異構物。D-xylose 和 L-xylose 是對映異構物 (enantiomers)，它們的結構是鏡像關係。

此題主要考察學生對多醣結構差異及醣蛋白結構的理解。

(a) Amylose 和 cellulose 都是由 D-glucose 單元連接而成的聚合物，但它們的結構差異主要在於葡萄糖單元之間的醣苷鍵 (glycosidic bond) 的類型。

• Amylose (直鏈澱粉): Amylose 是由 D-glucose 單元透過 $\alpha(1 \rightarrow 4)$ 醣苷鍵連接而成。這種鍵結方式使得葡萄糖鏈呈現螺旋狀 (helical) 的結構，並且通常是單鏈結構，不分支。
• Cellulose (纖維素): Cellulose 也是由 D-glucose 單元連接而成，但其醣苷鍵是 $\beta(1 \rightarrow 4)$ 醣苷鍵。這種 $\beta$ 鍵結方式使得葡萄糖鏈呈現幾乎伸直的狀態，並且多條鏈可以透過氫鍵互相平行排列，形成緊密的纖維結構，具有很高的機械強度。

因此，結構上的主要差異在於醣苷鍵的類型 ($\alpha$ vs $\beta$)，這直接影響了聚合物鏈的空間構象 (螺旋狀 vs 直鏈) 和最終的總體結構 (單鏈螺旋 vs 平行纖維)。

(b) 醣鏈與蛋白質的結合形成醣蛋白 (glycoprotein)，結合方式主要有 N-linked 和 O-linked 兩種。

• N-linked 醣鏈: 醣鏈透過氮原子與蛋白質連接。

此題考察學生對腦細胞代謝需求以及脂蛋白功能的了解。

(a) 腦細胞，特別是神經元，對能量的需求極高且穩定，主要依賴葡萄糖作為能量來源，並需要大量的氧氣來進行有氧呼吸。

• 對葡萄糖和氧氣的需求高: 腦細胞主要透過有氧呼吸將葡萄糖氧化分解，產生大量的 ATP，以維持神經訊號傳導、離子幫浦運作 (如鈉鉀幫浦 $Na^+/K^+$-ATPase)、神經傳導物質合成與釋放等耗能過程。腦細胞儲存的葡萄糖（以肝醣形式）非常有限，因此需要持續從血液中獲取葡萄糖。氧氣是最終電子接受者，確保 ATP 的高效率生成。
• 葡萄糖不足時的適應: 當血糖濃度過低，腦細胞無法獲得足夠的葡萄糖時，會發生以下適應與後果：
  1. 酮體利用 (Ketone Body Utilization): 在長期飢餓或極低碳水化合物飲食狀態下，肝臟會將脂肪酸分解產生酮體 (ketone bodies)，如 $\beta$-hydroxybutyrate 和 acetoacetate。腦細胞可以利用這些酮體作為替代的能量來源，部分取代葡萄糖的供能。這是腦細胞在葡萄糖匱乏時最重要的適應機制。
  2. 能量消耗降低: 腦細胞會試圖降低能量消耗，例如減少非必要的離子跨膜運輸和神經訊號傳導活動，但這種降低是有限的，且會影響腦功能。
  3. 功能受損: 若葡萄糖供應嚴重且持續不足，即使有酮體輔助，腦細胞仍會因能量供應不足而導致功能嚴重受損，表現為意識模糊、行為異常，甚至昏迷。這是因為並非所有腦細胞都能有效利用酮體，且酮體也無法完全替代葡萄糖的功能。

此題考察學生對蛋白質修飾和蛋白質序列分析方法的了解。

(a) Phosphorylation 是指在蛋白質上添加一個磷酸基團 (-$PO_4^{3-}$)，這個過程通常由激酶 (kinases) 催化，並在特定胺基酸的側鏈上進行。磷酸化是蛋白質功能調控的重要機制之一。
在蛋白質中，磷酸化最常發生在具有側鏈羥基 (-OH) 的胺基酸上，因為羥基可以接受一個磷酸基團。這三種胺基酸是：

1. 絲胺酸 (Serine, Ser, S): 側鏈含有羥甲基 (-$CH_2OH$)。
2. 蘇胺酸 (Threonine, Thr, T): 側鏈含有羥乙基 (-$CH(OH)CH_3$)。
3. 酪胺酸 (Tyrosine, Tyr, Y): 側鏈含有酚羥基 (-$C_6H_4OH$)。

此題考察學生對兩種常用生物化學分離技術的原理及應用的理解。

(a) Affinity Chromatography (親和層析)

• 原理: 親和層析利用生物分子之間特異性的相互作用來進行分離。層析柱的固定相（基質）上共價連接有一種能夠與目標分子（待分離的目標物）特異性結合的配體 (ligand)。當含有目標分子和其他雜質的混合物通過層析柱時，只有目標分子會與固定相上的配體結合，而其他雜質則不結合或弱結合，會先被沖洗下來。隨後，透過改變流動相的條件（例如改變 pH、離子強度，或加入競爭性配體），破壞目標分子與配體之間的特異性結合，使目標分子從固定相上洗脫下來，從而達到純化的目的。
• 應用:
  • 蛋白質純化: 這是最常見的應用。例如，可以利用抗體（作為配體）純化其抗原；利用酶抑制劑（作為配體）純化該酶；利用底物類似物（作為配體）純化相關酶；利用金屬離子螯合基質（如 IMAC, Immobilized Metal Affinity Chromatography）純化帶有特定標籤（如 His-tag）的重組蛋白。
  • 抗體親和純化: 使用固相化的抗原純化抗體。
  • 核酸純化: 利用 DNA 結合蛋白純化特定序列的 DNA，或利用互補鏈的寡核苷酸純化 DNA/RNA。

此題考察學生對病毒基因體鑑定方法以及抗病毒藥物作用機制的理解。

(a) SARS 是一種由冠狀病毒引起的疾病，冠狀病毒的基因體是 RNA。要證明病毒基因體是 DNA 還是 RNA，可以利用以下兩種方法：

1. 核酸酶處理實驗 (Nuclease Treatment Assay):
   • 原理: 這種方法利用對 DNA 和 RNA 具有不同特異性的核酸酶 (nucleases) 來處理病毒顆粒或病毒釋放的核酸。
   • 實驗設計:
     • 將病毒樣本分為幾組。
     • 第一組: 用 DNase (DNA 酶) 處理。如果病毒基因體是 RNA，那麼 DNase 不會降解它，病毒的遺傳物質將保持完整。
     • 第二組: 用 RNase (RNA 酶) 處理。如果病毒基因體是 RNA，那麼 RNase 會將其降解，使其失去活性或無法被檢測。
     • 第三組: DNase 和 RNase 同時處理，用於對照。
     • 第四組: 不加酶處理（陰性對照）。
   • 結果判讀: 如果病毒在 DNase 處理後仍保持活性或基因體完整，但在 RNase 處理後失活或基因體被破壞，則可證明該病毒的基因體是 RNA。反之，若 DNase 處理使其失活，RNase 處理無效，則證明是 DNA 基因體。
2. 核苷類似物掺入實驗 (Nucleoside Analogue Incorporation Assay):
   • 原理: 這種方法利用核苷類似物 (nucleoside analogues) 來干擾病毒核酸的複製。某些核苷類似物可以被 DNA 聚合酶或 RNA 聚合酶識別並掺入到新合成的核酸鏈中，但它們會導致鏈終止 (chain termination)。
   • 實驗設計:
     • 讓病毒在含有特定核苷類似物的培養基中複製。
     • 如果病毒基因體是 DNA: 可以使用對 DNA 聚合酶有抑制作用的核苷類似物（如 ddATP，一種 DNA 鏈終止劑）。如果加入該類似物後病毒複製受到抑制，則表明其基因體是 DNA。
     • 如果病毒基因體是 RNA: 冠狀病毒是 RNA 病毒，它們的 RNA 基因體需要 RNA 聚合酶進行複製。可以設計實驗利用對 RNA 聚合酶有抑制作用的核苷類似物（例如，某些對 RNA 病毒有效的抗病毒藥物，如 Remdesivir 的前體），或者利用可以干擾 RNA 複製過程的化合物。

此題考察學生對 DNA-RNA 互補序列規則以及 DNA 鏈末端結構的理解。

(a) DNA 與 RNA 的互補配對規則如下：

• DNA 中的 A (腺嘌呤) 配對 RNA 中的 U (尿嘧啶)
• DNA 中的 T (胸腺嘧啶) 配對 RNA 中的 A (腺嘌呤)
• DNA 中的 G (鳥糞嘌呤) 配對 RNA 中的 C (胞嘧啶)
• DNA 中的 C (胞嘧啶) 配對 RNA 中的 G (鳥糞嘌呤)

此外，DNA 和 RNA 的序列方向性是反向的 (antiparallel)。如果給定的 DNA 鏈是 5' 端到 3' 端，那麼其互補的 RNA 鏈的序列也將是 5' 端到 3' 端，但其方向性與 DNA 鏈相反，即 3' 端對應 5' 端，5' 端對應 3' 端。

給定的 DNA 序列是：5'-GTCATGAAC-3'

我們將其逐一進行互補配對，並注意方向性：
DNA: 5'- G T C A T G A A C -3'
RNA: 3'- C A G U A C U U G -5'

此題考察學生對蛋白質鑑定與結構解析技術的了解。

(a) 利用質譜儀 (mass spectrometer, MS) 來確認未知蛋白質的身分，通常是透過以下步驟：

1. 蛋白質酶解 (Enzymatic Digestion): 首先，將待鑑定的蛋白質用特定的蛋白酶（如胰蛋白酶 trypsin）進行消化，將長鏈蛋白質切成一系列較短的肽段 (peptides)。胰蛋白酶通常在帶正電的離胺酸 (Lys) 和精胺酸 (Arg) 的 C 端進行切割。
2. 肽段質譜分析 (Peptide Mass Fingerprinting, PMF):
   • 電噴霧離子化 (Electrospray Ionization, ESI) 或基質輔助雷射解吸電離 (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization, MALDI): 將酶解後的肽段混合物進行離子化，產生帶電的肽段離子。
   • 質量分析儀 (Mass Analyzer): 質譜儀會精確測量這些肽段離子的質荷比 (m/z)。
   • 肽段質量指紋圖譜: 得到的離子質量數據會生成一個「肽段質量指紋圖譜」，即一系列肽段的精確分子量列表。
3. 數據庫比對 (Database Searching): 將實驗測得的肽段質量指紋圖譜與預測的蛋白質數據庫進行比對。數據庫中包含了大量已知蛋白質的理論酶解肽段質量。軟體會搜尋數據庫，找出與實驗數據最吻合的蛋白質序列。
4. 鑑定: 如果實驗測得的肽段質量與某個數據庫中的蛋白質理論質量高度吻合，並且能夠解釋大部分或全部的肽段，則可以高度確信該未知蛋白質的身份。

進階方法：串聯質譜 (Tandem Mass Spectrometry, MS/MS)
為了提高鑑定準確性和識別能力，通常會結合串聯質譜。在 MS/MS 中，首先選定一個或多個目標肽段離子 (precursor ions)，然後將這些離子在質譜儀中進行碎裂 (fragmentation)，產生一系列的碎片離子 (product ions)。這些碎片離子的質量信息可以提供肽段的氨基酸序列信息。透過分析碎片離子的質量，可以推斷出肽段的序列，進而更精確地鑑定蛋白質。

(b) 解析蛋白質的三度空間結構 (three-dimensional structure) 是理解其功能、機制和與其他分子相互作用的關鍵。主要的方法有：

1. X 射線晶體學 (X-ray Crystallography):
   • 原理: 將目標蛋白質結晶化，然後用 X 射線照射晶體。

此題考察學生對細胞凋亡和自噬這兩種重要的細胞調控過程的理解。

(a) 細胞凋亡 (Apoptosis)

• 定義: 細胞凋亡，又稱為程式性細胞死亡 (programmed cell death)，是一種主動的、受基因調控的細胞死亡過程。在這個過程中，細胞會經歷一系列形態學上的改變，包括細胞體積縮小、染色質濃縮、細胞膜起泡 (blebbing)，最終形成凋亡小體 (apoptotic bodies)，這些小體會被吞噬細胞 (phagocytes) 清除，而不會引起炎症反應。
• 生理功能:
  1. 發育過程中的細胞清除: 在胚胎發育過程中，凋亡對於塑造組織和器官至關重要。例如，手指和腳趾之間的蹼狀結構就是通過凋亡清除細胞而形成的；神經系統發育中，過剩的神經元也會被清除。
  2. 維持組織穩態: 在成人體內，凋亡用於清除衰老、受損或無用的細胞，維持組織的正常結構和功能。例如，腸道上皮細胞、皮膚表皮細胞的更新都涉及凋亡。
  3. 清除病原體感染的細胞: 當細胞被病毒感染或受到其他病原體侵害時，通過凋亡可以阻止病原體在體內擴散。
  4. 清除癌變細胞: 凋亡是防止細胞惡性轉化的重要防線。如果細胞發生 DNA 損傷或癌變，凋亡機制可以將這些異常細胞清除。
  5. 免疫系統的調節: 淋巴細胞在發育和維持過程中，以及在免疫反應結束後，都需要通過凋亡來清除不需要或有害的免疫細胞。

此題考察學生對免疫檢查點抑制劑 (Immune Checkpoint Inhibitors, ICIs) 作用機制的理解，以及 antiPD-1 和 antiPD-L1 藥物的比較。

免疫檢查點抑制劑 (Immune Checkpoint Inhibitors, ICIs) 的機轉

免疫系統，特別是 T 細胞，具有識別和殺死癌細胞的能力。然而，癌細胞非常狡猾，它們會利用身體自身的免疫調控機制來逃避免疫系統的攻擊。免疫檢查點 (immune checkpoints) 是細胞表面的受體，它們在免疫反應的啟動和終止過程中起著關鍵的「剎車」作用，以防止免疫系統過度活化而攻擊自身正常細胞。

PD-1 (Programmed cell death protein 1) 和 PD-L1 (Programmed death-ligand 1) 是兩種重要的免疫檢查點分子。

• PD-1: 主要表達在活化的 T 細胞、B 細胞和髓樣細胞表面。
• PD-L1: 可以表達在多種細胞表面，包括腫瘤細胞、免疫細胞等。

當 PD-1 與 PD-L1 結合時，會向 T 細胞發出一個抑制信號，導致 T 細胞的活化受阻，功能被抑制，甚至進入凋亡。癌細胞常常會過度表達 PD-L1，以此來「騙過」 T 細胞，抑制 T 細胞對癌細胞的殺傷作用，從而逃避免疫監視，得以生長和擴散。

免疫檢查點抑制劑 (ICIs) 的機轉 就是阻斷 PD-1 和 PD-L1 之間的相互作用。

• antiPD-1 藥物: 這些藥物是單株抗體，它們會結合到 T 細胞表面的 PD-1 受體上，阻止 PD-L1 與 PD-1 結合。
• antiPD-L1 藥物: 這些藥物是單株抗體，它們會結合到腫瘤細胞或其他細胞表面的 PD-L1 配體上，阻止 PD-L1 與 PD-1 結合。

無論是哪一種抑制劑，其最終目的是解除 PD-1/PD-L1 介導的免疫抑制信號，重新激活 T 細胞，使其能夠識別並殺死癌細胞。這就像是鬆開了免疫系統的「剎車」。

antiPD-1 和 antiPD-L1 藥物的可能優缺點比較

| 特性 | antiPD-1 藥物 (如 Nivolumab, Pembrolizumab) | antiPD-L1 藥物 (如 Atezolizumab, Durvalumab, Bavencio) |