112 年 國立成功大學食品安全衛生暨風險管理研究所《生物化學》

本題主要考查學生對細胞內蛋白質合成機制、蛋白質的基本結構層次及其多樣功能的理解。

(1) 細胞內蛋白質合成的途徑
細胞內蛋白質合成主要發生在核糖體上，是一個複雜且精確的過程，主要包括轉錄（Transcription）和轉譯（Translation）兩個階段。

• 轉錄（Transcription）：在細胞核中，DNA 的遺傳訊息被轉錄成信使 RNA（mRNA）。這個過程由 RNA 聚合酶催化，DNA 雙股解開，其中一股作為模板，按照鹼基互補配對原則（A-U, T-A, G-C, C-G）合成一條與 DNA 序列互補的 mRNA 分子。
• 轉譯（Translation）：mRNA 離開細胞核，進入細胞質，與核糖體結合。轉譯過程依賴於轉運 RNA（tRNA），tRNA 攜帶特定的胺基酸，其反密碼子（anticodon）能與 mRNA 上的密碼子（codon）配對。轉譯過程可分為三個階段：
  • 起始（Initiation）：核糖體的小次單元與 mRNA 的起始密碼子（通常是 AUG）結合，起始 tRNA 攜帶甲硫胺酸（methionine）進入 P 位點，大次單元結合，形成完整的起始複合物。
  • 延長（Elongation）：核糖體沿著 mRNA 移動，一個接一個地讀取密碼子。每個新的氨基酸由攜帶該氨基酸的 tRNA 運送至核糖體 A 位點，與 P 位點的肽鏈形成肽鍵，然後核糖體移動，使新的肽鏈移至 P 位點，A 位點則準備接受下一個 tRNA。
  • 終止（Termination）：當核糖體遇到 mRNA 上的終止密碼子（UAA, UAG, UGA）時，釋放因子（release factor）結合，肽鏈從 tRNA 上釋放，核糖體解體。

【答案】細胞內蛋白質合成涉及轉錄和轉譯兩個主要過程。轉錄是 DNA 訊息轉為 mRNA 的過程，發生在細胞核。轉譯是 mRNA 訊息在核糖體上指導下合成蛋白質的過程，包括起始、延長和終止三個階段，需要核糖體、mRNA、tRNA 和胺基酸的參與。

本題主要考查學生對細胞呼吸過程中，電子傳遞鏈（呼吸鏈）的機制以及細胞內 ATP 生成方式的掌握。

(1) 粒線體的呼吸鏈如何進行
粒線體的呼吸鏈（Electron Transport Chain, ETC）是細胞呼吸的最後一個階段，發生於粒線體內膜上。其主要功能是利用 NADH 和 FADH$_2$ 攜帶的高能電子，通過一系列蛋白質複合物的氧化還原反應，將能量轉化為質子（H$^+$）梯度，最終驅動 ATP 合成。
呼吸鏈主要包含以下幾個蛋白質複合物：

• 複合物 I (NADH 脫氫酶, NADH dehydrogenase)：催化 NADH 將電子傳遞給黃素單核甘酸（FMN）或黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD），同時將質子從粒線體基質泵入粒線體膜間隙。
  $NADH + H^+ + Q \rightarrow NAD^+ + QH_2$
• 複合物 II (琥珀酸脫氫酶, succinate dehydrogenase)：催化琥珀酸氧化為延胡索酸，電子傳遞給 FAD，然後再傳遞給泛醌（Ubiquinone, Q）。此複合物不參與質子泵送。
  $Succinate + Q \rightarrow Fumarate + QH_2$
• 泛醌（Ubiquinone, Q）：一個脂溶性的小分子，可以在膜內自由移動，將來自複合物 I 和 II 的電子傳遞給複合物 III。
• 複合物 III (細胞色素 b-c$_1$ 複合物, cytochrome b-c$_1$ complex)：接收來自泛醌的電子，並將其傳遞給細胞色素 c。此過程也將質子泵入膜間隙。
  $QH_2 + 2 Cyt c_{ox} \rightarrow Q + 2 Cyt c_{red} + 2 H^+$
• 細胞色素 c（Cytochrome c）：一個可溶性蛋白質，位於膜間隙，負責將電子從複合物 III 傳遞給複合物 IV。
• 複合物 IV (細胞色素 c 氧化酶, cytochrome c oxidase)：接收來自細胞色素 c 的電子，將其傳遞給氧氣（O$_2$），氧氣被還原成水（H$_2$O）。此過程同時將質子泵入膜間隙。
  $4 Cyt c_{red} + O_2 + 4 H^+ \rightarrow 4 Cyt c_{ox} + 2 H_2O$

本題主要考查學生對肝臟合成葡萄糖（糖質新生）的調控機制以及其在血糖恆定中的作用的理解。

(1) 調控 glucogenesis 糖質新生途徑
糖質新生（Gluconeogenesis）是指非碳水化合物前體（如乳酸、丙酮酸、甘油、某些胺基酸）轉化為葡萄糖的過程。這個過程主要發生在肝臟和腎臟的細胞質和粒線體中，是身體在飢餓或禁食狀態下維持血糖水平的重要途徑。糖質新生途徑與糖解作用（glycolysis）是相對的，但有三個關鍵步驟是由不同的酶催化的，以克服糖解作用中的不可逆反應。

調控糖質新生途徑的關鍵因素包括：

• 底物供應：乳酸、丙酮酸、甘油、胺基酸（特別是糖原性胺基酸）的濃度是糖質新生起始的基礎。
• 激素調控：
  • 胰高血糖素（Glucagon）和腎上腺素（Epinephrine）：這些激素在低血糖時分泌，通過 cAMP 信號通路激活蛋白激酶 A (PKA)。PKA 磷酸化並激活糖質新生途徑中的關鍵酶，如丙酮酸激酶（Pyruvate kinase）和果糖-1,6-二磷酸酶（Fructose-1,6-bisphosphatase），同時抑制糖解作用的關鍵酶。
  • 皮質醇（Cortisol）：長期飢餓或壓力狀態下，皮質醇也會促進糖質新生，增加糖原性胺基酸的釋放，並上調糖質新生酶的表達。
  • 胰島素（Insulin）：在血糖升高時分泌，主要抑制糖質新生，促進糖解作用。
• 酶的活性調控：
  • 丙酮酸羧化酶（Pyruvate carboxylase, PC）：將丙酮酸轉化為草醯乙酸。此酶位於粒線體，受到乙醯輔酶 A（acetyl-CoA）的變構激活，而乙醯輔酶 A 的積累通常意味著能量充足或脂肪酸氧化旺盛，有利於糖質新生。
  • 磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶（Phosphoenolpyruvate carboxykinase, PEPCK）：將草醯乙酸轉化為磷酸烯醇丙酮酸。其活性受激素調控，如胰高血糖素和皮質醇可以誘導其基因表達。
  • 果糖-1,6-二磷酸酶（Fructose-1,6-bisphosphatase, FBPase-1）：將果糖-1,6-二磷酸水解為果糖-6-磷酸。此酶受到檸檬酸（citrate）的變構激活，而檸檬酸是克氏循環的產物，表明能量供應充足。它受到果糖-2,6-二磷酸（fructose-2,6-bisphosphate）的強烈抑制。
  • 葡萄糖-6-磷酸酶（Glucose-6-phosphatase, G6Pase）：將葡萄糖-6-磷酸水解為葡萄糖，是糖質新生最後一步，僅存在於肝臟和腎臟。其活性也受到激素調控。

本題考查學生對 DNA 複製（Replication）過程的理解，包括其機制、參與的酶以及重要的過程特徵。

DNA 複製是細胞分裂前遺傳物質準確傳遞的基礎，是一個半保留（semiconservative）的過程。主要步驟和參與的關鍵分子如下：

1. 起始（Initiation）：

   • 識別複製起點（Origin of replication, ori）：DNA 複製並非從 DNA 分子的任意位置開始，而是從特定的 DNA 序列，稱為複製起點開始。原核生物通常有一個複製起點，而真核生物則有多個複製起點。
   • 解旋（Unwinding）：解旋酶（Helicase）通過水解 ATP 來斷開 DNA 雙螺旋中的氫鍵，使雙股 DNA 分開，形成複製叉（replication fork）。
   • 穩定單鏈（Stabilization）：單鏈結合蛋白（Single-strand binding proteins, SSBs）結合到解開的單鏈 DNA 上，防止它們重新配對或被核酸酶降解，從而穩定複製叉結構。
   • 超螺旋消除（Supercoiling relief）：DNA 複製過程中，前方 DNA 的過度捲曲（超螺旋）會產生張力，拓撲異構酶（Topoisomerase，如 DNA gyrase）負責切斷 DNA 股，解除超螺旋，然後再重新連接。

2. 延伸（Elongation）：

   • RNA 引物的合成（Primer synthesis）：DNA 聚合酶（DNA polymerase）無法從頭開始合成 DNA，必須在一個已有的 3'-OH 端上添加核苷酸。因此，引物酶（Primase）負責合成一段短的 RNA 引物，為 DNA 聚合酶提供起始點。
   • DNA 聚合酶催化合成（DNA synthesis by DNA polymerase）：DNA 聚合酶（如 E. coli 中的 DNA Pol III，真核生物中的 Pol $\delta$ 和 Pol $\epsilon$）沿著模板鏈的 3' $\rightarrow$ 5' 方向讀取，以 5' $\rightarrow$ 3' 方向合成新的 DNA 鏈，將脫氧核苷酸三磷酸（dNTPs）添加到 RNA 引物的 3'-OH 末端，同時釋放焦磷酸（PP$_i$）。