114 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》

此題主要考查果糖在肝臟的代謝途徑及其可能引發的代謝性疾病。

核心觀念：
果糖代謝與葡萄糖代謝途徑的差異，以及果糖代謝異常對肝臟功能和全身代謝的影響。

(A) 果糖在肝臟的代謝過程 (15分)

果糖的代謝主要發生在肝臟，其途徑與葡萄糖不同，並且不受磷酸果糖激酶-1 (PFK-1) 的調控，這使得果糖的代謝速度非常快，容易造成肝臟的代謝負擔。

1. 果糖進入肝細胞： 果糖透過葡萄糖轉運蛋白 (GLUT) 進入肝細胞，其中 GLUT2 對果糖的通透性較高。
2. 磷酸化： 在肝細胞內，果糖首先被果糖激酶 (fructokinase) 磷酸化，生成果糖-1-磷酸 (fructose-1-phosphate)。此步驟消耗 ATP。
   • 果糖 + ATP $\xrightarrow{fructokinase}$ 果糖-1-磷酸 + ADP
3. 裂解： 果糖-1-磷酸接著被醛縮酶 B (aldolase B) 裂解成兩分子：二羥丙酮磷酸 (dihydroxyacetone phosphate, DHAP) 和甘油醛 (glyceraldehyde)。
   • 果糖-1-磷酸 $\xrightarrow{aldolase B}$ 二羥丙酮磷酸 + 甘油醛
4. 進入糖解途徑：
   • 二羥丙酮磷酸 (DHAP) 可以直接進入糖解途徑 (glycolysis)。
   • 甘油醛則先被甘油醛激酶 (glyceraldehyde kinase) 磷酸化，生成甘油醛-3-磷酸 (glyceraldehyde-3-phosphate)，然後也進入糖解途徑。此步驟也消耗 ATP。
     • 甘油醛 + ATP $\xrightarrow{glyceraldehyde kinase}$ 甘油醛-3-磷酸 + ADP
5. 後續代謝： 進入糖解途徑的 DHAP 和甘油醛-3-磷酸，可以進一步被氧化生成丙酮酸 (pyruvate)。丙酮酸之後可以進入克氏循環 (Krebs cycle) 產生能量，或被轉化為乙醯輔酶 A (acetyl-CoA)。

此題主要考查脂質，特別是膽固醇和類固醇激素的生化功能、合成途徑及其在疾病中的角色。

核心觀念：
膽固醇的結構與功能、從乙醯輔酶 A 合成膽固醇的關鍵步驟、類固醇激素的來源與作用機制、以及血脂異常的生化基礎。

(A) 描述膽固醇在人體中的主要功能及其合成過程 (15分)

膽固醇的主要功能：
膽固醇是一種固醇類脂質，是動物細胞膜的重要組成部分，具有多種關鍵功能：

1. 細胞膜結構組件： 膽固醇嵌入細胞膜的磷脂雙層中，調節膜的流動性。在較高溫度下，它限制磷脂的移動，降低膜的流動性；在較低溫度下，它插入磷脂之間，防止膜過於緊密，提高膜的流動性，維持膜的穩定性。
2. 合成膽汁酸： 膽固醇是合成膽汁酸的前驅物，膽汁酸在脂肪的消化和吸收中起重要作用，幫助乳化脂肪。
3. 合成類固醇激素： 膽固醇是合成所有類固醇激素 (如皮質醇、醛固酮、性激素) 的共同前驅物。
4. 合成維生素 D： 膽固醇的衍生物 7-脫氫膽固醇 (7-dehydrocholesterol) 在皮膚中，經紫外線照射後可轉化為維生素 D。

膽固醇的合成過程：
膽固醇的合成是一個複雜的多步驟過程，主要在肝臟細胞的細胞質和內質網中進行，起始於乙醯輔酶 A (acetyl-CoA)。

1. 從乙醯輔酶 A 開始： 乙醯輔酶 A 是膽固醇合成的起始原料。
2. 形成 HMG-CoA： 兩分子乙醯輔酶 A 在細胞質中縮合，形成乙醯乙醯輔酶 A (acetoacetyl-CoA)。接著，乙醯乙醯輔酶 A 與另一分子乙醯輔酶 A 在 HMG-CoA 合酶 (HMG-CoA synthase) 的催化下，形成 3-羥基-3-甲基戊二醯輔酶 A (3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA, HMG-CoA)。此步驟是膽固醇合成的限速步驟。
3. 生成甲羥戊酸 (Mevalonate)： HMG-CoA 在 HMG-CoA 還原酶 (HMG-CoA reductase) 的催化下，被 NADPH 還原，生成甲羥戊酸。HMG-CoA 還原酶是膽固醇合成的關鍵調控酶，其活性受到激素和藥物的調控（例如他汀類藥物）。
4. 合成異戊二烯單位： 甲羥戊酸經過一系列反應，被磷酸化後脫去輔酶 A，生成異戊烯焦磷酸 (isopentenyl pyrophosphate, IPP) 和二甲基烯丙焦磷酸 (dimethylallyl pyrophosphate, DMAPP)。這兩個五碳單位是構建膽固醇的基本單元。
5. 合成角鯊烯 (Squalene)： 六個異戊烯單位 (IPP 和 DMAPP) 逐步連接，形成一個 30 個碳的角鯊烯。
6. 環化形成膽固醇： 角鯊烯經過環化反應，生成一個線性的羊毛甾醇 (lanosterol)，然後再經過一系列的修飾和轉化，最終形成 27 個碳的膽固醇。

(B) 解釋類固醇激素的合成路徑及其對代謝的影響 (10分)

類固醇激素的合成路徑：
所有類固醇激素都由膽固醇合成。膽固醇在腎上腺皮質和性腺 (睾丸、卵巢) 中轉化為不同的類固醇激素，這個過程涉及一系列氧化、還原、羥基化和側鏈修剪的酶促反應。

主要的類固醇激素及其來源：

1. 礦物皮質激素 (Mineralocorticoids)，如醛固酮 (Aldosterone)： 主要由腎上腺皮質的球狀帶 (zona glomerulosa) 合成，調節體內鈉、鉀離子平衡和血壓。
2. 糖皮質激素 (Glucocorticoids)，如皮質醇 (Cortisol)： 主要由腎上腺皮質的束狀帶 (zona fasciculata) 合成，在碳水化合物、蛋白質和脂肪代謝中起關鍵作用，並具有抗炎作用。
3. 性激素 (Sex hormones)：
   • 雄激素 (Androgens)，如睪固酮 (Testosterone)： 主要由睾丸合成，但腎上腺皮質和卵巢也能少量合成。
   • 雌激素 (Estrogens)，如雌二醇 (Estradiol)： 主要由卵巢合成，但睾丸和腎上腺皮質也能少量合成。
   • 孕激素 (Progestins)，如孕酮 (Progesterone)： 主要由卵巢 (黃體) 合成，也由腎上腺皮質和胎盤合成。

此題主要考查細胞膜的結構、功能、流動性及其在信號傳遞中的作用。

核心觀念：
細胞膜的流體鑲嵌模型、膜的組成成分（脂質、蛋白質、醣類）及其功能、膜流動性的影響因素與調節機制、以及細胞膜作為信號接收和傳導的介面。

(A) 描述細胞膜的基本結構組成,包括相關附屬結構的角色及功能 (15分)

細胞膜的結構主要遵循流體鑲嵌模型 (Fluid Mosaic Model)，由磷脂雙層構成基本骨架，其中嵌入或附著有蛋白質，並含有醣類。

基本結構組成：

1. 磷脂 (Phospholipids)：

   • 結構： 磷脂是細胞膜最主要的成分，具有兩親性 (amphipathic)，即頭部親水 (由磷酸基團和一個額外的極性基團組成) 和尾部疏水 (由兩個脂肪酸鏈組成)。
   • 排列： 在水性環境中，磷脂分子自發地排列成磷脂雙層，親水頭部朝向細胞內外水相，疏水尾部朝向內部，形成一個疏水的屏障。
   • 功能： 構成細胞膜的基本骨架，提供細胞與外界的物理屏障，控制物質進出。

2. 蛋白質 (Proteins)：

   • 類型： 膜蛋白可分為整合蛋白 (integral proteins) 和周邊蛋白 (peripheral proteins)。
     • 整合蛋白： 嵌入或跨越磷脂雙層，通常具有疏水區域與膜脂相互作用。跨膜蛋白 (transmembrane proteins) 是其中一種，貫穿整個雙層。
     • 周邊蛋白： 非共價連接到膜的表面，通常附著在整合蛋白或磷脂頭部上。
   • 功能：
     • 運輸蛋白： 形成離子通道或載體，協助特定物質跨膜運輸（如離子泵、葡萄糖轉運蛋白）。
     • 酶： 催化細胞膜上的化學反應。
     • 信號轉導： 作為受體，接收細胞外的信號並將其傳遞到細胞內部。
     • 細胞識別： 作為標記，參與細胞間的識別和黏附。
     • 連接： 連接細胞內外的細胞骨架或細胞間的連接結構。

3. 膽固醇 (Cholesterol)：

   • 結構： 一種固醇類脂質，嵌入磷脂雙層中。
   • 功能： 調節膜的流動性，在不同溫度下維持膜的穩定性（詳見 B 部分）。

4. 醣類 (Carbohydrates)：

   • 結構： 通常以醣鏈 (glycans) 的形式存在，與膜脂形成醣脂 (glycolipids)，或與膜蛋白形成醣蛋白 (glycoproteins)。這些醣鏈通常位於細胞膜的外表面。
   • 功能：
     • 細胞識別： 構成細胞表面的「醣萼」(glycocalyx)，參與細胞識別、免疫反應和細胞黏附。
     • 保護： 保護細胞膜免受物理或化學損傷。
     • 信號傳遞： 作為受體的配體結合位點。

相關附屬結構的角色及功能：
雖然題目問的是「附屬結構」，但細胞膜本身及其緊密連接的結構（如細胞骨架）也應考慮。

• 細胞骨架 (Cytoskeleton)：
  • 組成： 微絲、中間絲、微管。
  • 功能：
    • 支撐與形狀： 為細胞提供結構支持，維持細胞形狀。
    • 膜穩定性： 許多膜蛋白與細胞骨架中的蛋白質（如血影蛋白 spectrin）結合，限制其在膜內的移動，穩定膜結構。
    • 細胞運動： 參與細胞的移動、分裂和內吞/外排作用。
• 細胞連接 (Cell Junctions)：
  • 緊密連接 (Tight junctions)： 阻止物質穿過細胞間隙，維持細胞極性。
  • 黏著連接 (Adherens junctions) 和橋粒 (Desmosomes)： 提供細胞間機械連接，維持組織的完整性。
  • 間隙連接 (Gap junctions)： 允許小分子和離子在相鄰細胞之間直接通過，實現細胞間的快速通訊。
  • 功能： 維持組織結構、細胞間通訊和協同工作。

(B) 解釋細胞膜的流動性(fluidity)受到哪些因素的影響,並舉例說明在低溫或高溫環境下,細胞如何調節膜的流動性 (5分)

影響細胞膜流動性的因素：

此題主要考查 DNA 和 RNA 的結構、組成、穩定性、功能以及不同 RNA 類型的作用。

核心觀念：
核酸的基本結構單位（核苷酸）、DNA 和 RNA 的組成差異（鹼基、糖、單鏈/雙鏈）、結構差異對穩定性和功能的影響、以及 mRNA、tRNA、rRNA 在蛋白質合成中的具體角色。

(A) 請比較 DNA 與 RNA 在結構上的差異,包含組成的不同,影響它們穩定性與功能的因素 (10分)

DNA (去氧核醣核酸) 和 RNA (核醣核酸) 是兩種主要的核酸，它們在結構和功能上有顯著差異。

組成上的不同：

特徵	DNA (Deoxyribonucleic Acid)	RNA (Ribonucleic Acid)
糖 (Sugar)	去氧核糖 (Deoxyribose)：C2' 位置少一個氧原子。	核糖 (Ribose)：C2' 位置有一個羥基 (-OH)。
鹼基 (Bases)	含氮鹼基： 腺嘌呤 (A)、鳥糞嘌呤 (G)、胞嘧啶 (C)、胸腺嘧啶 (T)。	含氮鹼基： 腺嘌呤 (A)、鳥嘌呤 (G)、胞嘧啶 (C)、尿嘧啶 (U)。
結構	通常為 雙股螺旋 (Double Helix) 結構。	通常為 單股 (Single-stranded) 結構，但可形成局部雙鏈區域。
位置	主要位於細胞核，少量存在於粒線體。	主要位於細胞質，少量存在於細胞核（如轉錄）。
功能	遺傳信息的 長期儲存 載體。	參與蛋白質合成，執行多種 臨時性 功能（如信使、轉運、結構）。

影響穩定性與功能的因素：

1. 糖的差異 (核糖 vs. 去氧核糖)：

   • DNA 的去氧核糖 在 C2' 位置缺少一個氧原子，這使得 DNA 的結構更穩定，不易水解。
   • RNA 的核糖 在 C2' 位置有一個羥基 (-OH)，這個羥基具有較強的反應性，容易在鹼性條件下或酶的作用下發生水解，導致 RNA 的穩定性較低。這也符合 RNA 作為臨時信使分子的功能需求，一旦完成任務即可被降解。

2. 鹼基的差異 (胸腺嘧啶 vs. 尿嘧啶)：

   • DNA 使用胸腺嘧啶 (T)，而 RNA 使用尿嘧啶 (U)。
   • 功能意義： 胞嘧啶 (C) 在脫氨基作用下會變成尿嘧啶 (U)。如果 DNA 中存在 U，則難以區分它是正常鹼基還是突變的 C。而 DNA 中的 T 則明確表明是 DNA 的一部分。因此，使用 T 作為 DNA 的鹼基有助於 DNA 的自我修復機制識別和修復脫氨基後的 C，從而維持基因組的穩定性。

3. 結構的差異 (雙股 vs. 單股)：

   • DNA 的雙股螺旋結構 具有很高的穩定性。兩股之間的鹼基配對 (A-T, G-C) 形成氫鍵，提供結構的剛性。雙螺旋結構也保護了內部的遺傳信息免受化學損傷。