113 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》

本題主要考查蛋白質代謝的下游產物——氨的處理，以及肝臟中尿素循環的過程。

核心觀念： 蛋白質分解產生氨基酸，氨基酸去胺基作用會產生氨，過量的氨對生物體有毒性，肝臟透過尿素循環將氨轉化為尿素排出體外。

(1) 氨中毒的症狀 (10%)

氨（Ammonia, $NH_3$）是一種有毒的代謝廢物，主要來自於氨基酸的去胺基作用。正常情況下，肝臟會將氨轉化為尿素，血液中的氨濃度維持在很低的水平。當肝功能異常或尿素循環受損時，血液中的氨濃度會升高，導致氨中毒（Hyperammonemia）。

氨中毒對中樞神經系統（CNS）的影響尤為嚴重，其症狀包括：

• 神經毒性： 氨可以穿過血腦屏障，影響神經元的正常功能。它會干擾神經傳導物質的代謝（如穀氨酸和 GABA），並導致神經元腫脹（由星形膠質細胞吸收氨引起）。
• 精神行為改變： 初期可能出現注意力不集中、易怒、嗜睡、記憶力減退等症狀。
• 運動功能障礙： 隨著中毒加劇，可能出現震顫（Tremor）、共濟失調（Ataxia）、肌張力異常（Dystonia）、扑翼樣震顫（Asterixis，又稱肝性腦病變中的特徵性震顫）。
• 嚴重情況： 最終可能導致意識模糊、昏迷，甚至死亡。

(2) 尿素生合成的四個階段 (15%)

尿素生合成（Urea Synthesis），也稱為尿素循環（Urea Cycle），主要發生在肝臟細胞的細胞質和粒線體中。尿素循環是將氨轉化為尿素的過程，共有五個主要的生化反應步驟，但通常可以歸納為四個主要階段或反應：

• 第一階段：氨基甲醯磷酸的合成 (Formation of Carbamoyl Phosphate)

  • 反應地點：肝臟細胞的粒線體基質 (Mitochondrial matrix)。
  • 反應物：氨 ($NH_3$)、碳酸氫根離子 ($HCO_3^-$)、ATP。
  • 產物：氨基甲醯磷酸 (Carbamoyl phosphate)。
  • 酶：氨基甲醯磷酸合成酶 I ($CPS I$)。
  • 說明：這是尿素循環的起始步驟，也是一個高度耗能的反應，需要消耗兩分子 ATP。$CPS I$ 是尿素循環的關鍵限速酶，其活性受到 $N$-乙醯古氨酸 (N-acetylglutamate) 的變構活化。

• 第二階段：瓜胺酸的合成 (Formation of Citrulline)

  • 反應地點：肝臟細胞的粒線體基質 (Mitochondrial matrix)。
  • 反應物：氨基甲醯磷酸 (Carbamoyl phosphate)、鳥胺酸 (Ornithine)。
  • 產物：瓜胺酸 (Citrulline)。

本題考查 DNA 的穩定性與修復機制，這是維持遺傳訊息準確傳遞的關鍵。

核心觀念： DNA 在複製和環境因素影響下容易發生損傷，細胞演化出多種精密的 DNA 修補系統來維持基因組的完整性。

(1) DNA 受損的類型 (15%)

DNA 損傷的來源可分為內源性（endogenous）和外源性（exogenous）。常見的 DNA 損傷類型包括：

• 鹼基的化學修飾 (Chemical Modification of Bases):

  • 脫氨基 (Deamination): 胞嘧啶 ($C$) 脫氨基生成尿嘧啶 ($U$)，腺嘌呤 ($A$) 脫氨基生成次黃嘌呤 (Hypoxanthine, $Hx$)，鳥糞嘌呤 ($G$) 脫氨基生成黃嘌呤 (Xanthine)。胞嘧啶脫氨生成尿嘧啶是常見的損傷，因為尿嘧啶不屬於 DNA 鹼基，若未修補，複製時會配對錯誤。
  • 烷基化 (Alkylation): 烷基化劑（如來自代謝產物的甲基或乙基）可以將烷基加到鹼基上，最常見的是 $N7$-甲基鳥嘌呤 ($7-MeG$) 和 $O^6$-甲基鳥嘌呤 ($O^6-MeG$)。$O^6-MeG$ 是一個嚴重的損傷，因為它會與胸腺嘧啶 ($T$) 配對，導致 G:C 轉變為 A:T 突變。
  • 氧化損傷 (Oxidative Damage): 活性氧類 (ROS) 會攻擊 DNA，生成如 8-羥基鳥嘌呤 (8-oxoguanine, $8-oxoG$) 等氧化產物。$8-oxoG$ 會與腺嘌呤 ($A$) 配對，導致 G:C 轉變為 T:A 突變。

• 鹼基的丟失 (Loss of Bases):

  • 脫嘌呤 (Depurination): 由於糖苷鍵的斷裂，嘌呤鹼基（腺嘌呤 A 和鳥嘌呤 G）從 DNA 骨架上脫落，形成一個無鹼基的位點 (AP site, apurinic site)。
  • 脫嘧啶 (Depyrimidination): 類似地，嘧啶鹼基（胞嘧啶 C 和胸腺嘧啶 T）也可能丟失，形成無鹼基的位點 (apyrimidinic site)。這兩種情況統稱為 AP 位點。

• DNA 鏈的斷裂 (DNA Strand Breaks):

  • 單鏈斷裂 (Single-strand Breaks, SSBs): DNA 的磷酸二酯骨架發生斷裂，但另一條鏈保持完整。這可能由烷基化、氧化損傷、或某些酶（如拓撲異構酶）的錯誤作用引起。
  • 雙鏈斷裂 (Double-strand Breaks, DSBs): DNA 雙螺旋的兩條鏈同時斷裂。這是最嚴重的 DNA 損傷，可能由輻射（如 X 射線）、某些化學物質或複製叉停滯引起。DSBs 容易導致染色體畸變和細胞死亡。

• 鹼基的錯配 (Base Mismatches):

  • 在 DNA 複製過程中，錯誤的鹼基被摻入，導致原來正確配對的鹼基對 (A:T 或 G:C) 變成錯誤的配對 (如 A:G, C:A)。

• 交聯損傷 (Cross-linking Damage):

  • 鏈內交聯 (Intrastrand Cross-links): 嘧啶二聚體（如環丁烷嘧啶二聚體 CPDs 和嘧啶-嘧啶 (6-4) 光產物 6-4PPs）是紫外線輻射最常見的損傷，兩個相鄰的嘧啶鹼基（通常是胸腺嘧啶）之間形成共價鍵。
  • 鏈間交聯 (Interstrand Cross-links): 兩個 DNA 分子鏈之間或同一條鏈的兩個不同區域之間形成共價鍵，嚴重阻礙 DNA 複製和轉錄。

(2) DNA 修補的機制 (15%)

細胞演化出多種 DNA 修補系統來應對不同類型的損傷：

• 直接修復 (Direct Reversal):
  • 這是一種最直接、最節能的修補方式，不需要切除或合成，直接將損傷的鹼基恢復原狀。
  • 光復活酶 (Photolyase): 在某些生物體中（如細菌、酵母菌、植物，但哺乳動物缺乏），光復活酶利用可見光能直接裂解嘧啶二聚體。
  • 烷基去嘌呤/嘧啶酶 (Alkyl purine/pyrimidine lyase): 這種酶可以移除某些烷基化產物，如 $O^6$-甲基鳥嘌呤，直接將甲基從鳥嘌呤上移除。

本題考查結締組織的細胞外基質 (ECM) 的組成、功能及其中重要成分膠原蛋白的特性。

核心觀念： ECM 是細胞外的結構支架，由蛋白質和多醣組成，提供結構支持、細胞黏附、信號傳導等功能。膠原蛋白是 ECM 的主要結構蛋白。

(1) ECM 的三種主要生物分子及其功能 (10%)

細胞外基質 (ECM) 是由細胞分泌到細胞外的複雜網絡，主要由三類生物分子組成：

• 結構蛋白 (Structural Proteins):

  • 膠原蛋白 (Collagen):
    • 功能： ECM 中最豐富的蛋白質，提供 ECM 強大的抗張強度 (tensile strength)。它是結締組織（如肌腱、韌帶、皮膚、骨骼）的關鍵結構組分，賦予組織堅韌和抵抗拉伸的能力。
  • 彈性蛋白 (Elastin):
    • 功能： 賦予 ECM 彈性 (elasticity) 和回彈性 (resilience)。允許組織在拉伸後恢復原狀，這在血管壁、肺部、皮膚等需要伸縮的組織中尤為重要。彈性蛋白分子通過共價交聯形成彈性纖維。

• 蛋白聚醣 (Proteoglycans):

  • 組成： 由一個核心蛋白質 (core protein) 與共價連接的多個糖胺聚醣 (glycosaminoglycans, GAGs) 組成。GAGs 是長鏈的、高度磺酸化或帶負電的重複二醣單元。
  • 功能： 由於 GAGs 的高親水性，蛋白聚醣能結合大量水分子，形成水膠狀基質，填充 ECM 的空間。這使得 ECM 能夠承受壓縮力 (compressive strength)，並作為細胞遷移和信號分子擴散的介質。例如，軟骨中的聚蛋白聚醣 (Aggrecan) 負責抵抗壓縮。

• 黏附蛋白 (Adhesive Proteins):

  • 纖連蛋白 (Fibronectin):
    • 功能： 是一種二聚體醣蛋白，連接細胞表面的整合素 (integrins) 受體與 ECM 的其他成分（如膠原蛋白、蛋白聚醣）。它在細胞黏附、遷移、分化和傷口癒合中起關鍵作用。
  • 層黏蛋白 (Laminin):
    • 功能： 主要存在於基底膜 (basement membrane) 中，也通過整合素連接細胞與 ECM。它對細胞的分化、存活和組織形成至關重要。

(2) 說明膠原蛋白的結構及修飾作用 (5%)

• 結構 (Structure):
  • 基本結構單位： 膠原蛋白是以三股螺旋 (triple helix) 的形式存在的纖維蛋白。
  • 三股螺旋： 由三條多胜肽鏈（稱為 α-鏈）組成，每條 α-鏈都捲曲成左手螺旋結構。這三條左手螺旋的 α-鏈再緊密地纏繞在一起，形成一條右手的超螺旋結構，稱為原膠原蛋白 (procollagen)。

本題考查粒線體氧化磷酸化作用，這是細胞產生 ATP 的主要途徑，涉及電子傳遞鏈和 ATP 合成酶。

核心觀念： 電子傳遞鏈將電子從還原性輔酶傳遞給氧氣，在此過程中釋放質子梯度，質子流經 ATP 合成酶驅動 ATP 的生成。

呼吸鏈的成員 (Components of the Electron Transport Chain, ETC)

呼吸鏈位於粒線體內膜上，包含一系列的蛋白質複合物和可移動的電子載體。這些成員按電子傳遞的順序排列：

1. 複合體 I (Complex I, NADH 脫氫酶, NADH dehydrogenase):

   • 功能： 接受來自 NADH 的電子，並將其傳遞給泛醌 (Ubiquinone, Q)。
   • 反應： $NADH + H^+ + Q \rightarrow NAD^+ + QH_2$
   • 質子泵： 該複合體將 4 個質子 ($H^+$) 從粒線體基質泵入粒線體膜間隙。
   • 輔因子： 含有黃素單核苷酸 (FMN) 和多個鐵硫中心 (iron-sulfur clusters)。

2. 複合體 II (Complex II, 琥珀酸脫氫酶, Succinate dehydrogenase):

   • 功能： 接受來自琥珀酸 (Succinate) 的電子（通過琥珀酸脫氫酶反應，也是三羧酸循環的一部分），並將其傳遞給泛醌 (Q)。
   • 反應： $Succinate + Q \rightarrow Fumarate + QH_2$
   • 質子泵： 複合體 II 不 泵送質子。
   • 輔因子： 含有黃素腺嘌呤二核苷酸 (FAD) 和鐵硫中心。

3. 泛醌 (Ubiquinone, Q, Coenzyme Q):

   • 功能： 一種脂溶性的小分子，能溶解在內膜中，作為電子載體，從複合體 I 和 II 接收電子，並將其傳遞給複合體 III。
   • 氧化還原態： 可以以氧化態 (Q)、半還原型 (ubisemiquinone, $Q^•$) 和還原型 ($QH_2$, Ubiquinol) 存在。

4. 複合體 III (Complex III, 细胞色素 b-c1 複合物, Cytochrome b-c1 complex):

   • 功能： 接受來自泛醌 ($QH_2$) 的電子，並將其傳遞給細胞色素 c (Cytochrome c)。
   • 反應： $QH_2 + 2 Cytochrome c (oxidized) \rightarrow Q + 2 Cytochrome c (reduced) + 2 H^+$ (從基質到膜間隙)
   • 質子泵： 該複合體將 4 個質子 ($H^+$) 從粒線體基質泵入粒線體膜間隙（通過 Q 循環）。
   • 輔因子： 含有細胞色素 b (cytochrome b)、細胞色素 c1 (cytochrome c1) 和鐵硫中心 (Rieske iron-sulfur protein)。

5. 細胞色素 c (Cytochrome c, Cyt c):

   • 功能： 一種可溶性的小蛋白質，位於粒線體膜間隙，作為電子載體，從複合體 III 接收電子，並將其傳遞給複合體 IV。
   • 輔因子： 含有血紅素 (heme) 基團。

6. 複合體 IV (Complex IV, 细胞色素 c 氧化酶, Cytochrome c oxidase):

   • 功能： 接受來自細胞色素 c 的電子，並將其傳遞給氧氣 ($O_2$)，將氧氣還原成水 ($H_2O$)。
   • 反應： $4 Cytochrome c (reduced) + O_2 + 4 H^+ \rightarrow 4 Cytochrome c (oxidized) + 2 H_2O$