115 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》

本題主要在考察學生對蛋白質基本組成單元——胺基酸的分類與化學特性的理解。

胺基酸是構成蛋白質的基本單位，共有20種標準胺基酸參與人體蛋白質的合成。這些胺基酸的共同結構是都含有一個中心碳原子（α-碳），這個碳原子連接一個胺基（-NH2）、一個羧基（-COOH）、一個氫原子（-H）以及一個側鏈基團（R基）。R基的種類不同，決定了胺基酸的種類和化學特性。

胺基酸的分類方式有多種，最常見的是依據其側鏈（R基）的極性與電荷來分類：

1. 非極性（疏水性）胺基酸 (Nonpolar/Hydrophobic Amino Acids)：

   • 結構特徵：R基主要由碳氫鍵組成，不帶電荷，在水中溶解度較低。
   • 代表胺基酸：
     • 脂肪族：甘胺酸 (Glycine, Gly, G)、丙胺酸 (Alanine, Ala, A)、纈胺酸 (Valine, Val, V)、白胺酸 (Leucine, Leu, L)、異白胺酸 (Isoleucine, Ile, I)、甲硫胺酸 (Methionine, Met, M)。
     • 芳香族：苯丙胺酸 (Phenylalanine, Phe, F)、酪胺酸 (Tyrosine, Tyr, Y)（酚羥基使其有輕微極性，但整體仍偏疏水）、色胺酸 (Tryptophan, Trp, W)。
     • 其他：脯胺酸 (Proline, Pro, P)（其側鏈與胺基形成環狀結構，是獨特的亞胺基酸）。
   • 化學特性：在水溶液中，這些胺基酸傾向於聚集在蛋白質的內部，以減少與水的接觸，形成蛋白質的疏水核心。

2. 極性（親水性）胺基酸 (Polar/Hydrophilic Amino Acids)：

   • 結構特徵：R基含有極性官能基（如羥基 -OH、硫醇基 -SH、醯胺基 -CONH2），能與水分子形成氫鍵，因此在水中溶解度較高。
   • 代表胺基酸：
     • 不帶電荷的極性胺基酸：
       • 絲胺酸 (Serine, Ser, S)：R基為 -CH2OH
       • 蘇胺酸 (Threonine, Thr, T)：R基為 -CH(OH)CH3
       • 半胱胺酸 (Cysteine, Cys, C)：R基為 -CH2SH （硫醇基可形成二硫鍵）
       • 天門冬醯胺 (Asparagine, Asn, N)：R基為 -CH2CONH2
       • 麩醯胺胺 (Glutamine, Gln, Q)：R基為 -(CH2)2CONH2
       • 酪胺酸 (Tyrosine, Tyr, Y)：R基為 -CH2-C6H4-OH （酚羥基使其帶有極性）
     • 帶電荷的極性胺基酸：

本題主要在考察學生對血漿中脂蛋白的組成、種類及其生理功能的理解。

脂蛋白是脂質（三酸甘油酯、膽固醇、磷脂）與蛋白質（載脂蛋白, apolipoproteins）結合形成的複合分子，主要功能是在血液中運輸不溶於水的脂質。血漿中的脂蛋白種類繁多，但主要的四種依密度（或說大小）由低至高排列為：乳糜微粒 (Chylomicrons)、極低密度脂蛋白 (VLDL)、低密度脂蛋白 (LDL)、高密度脂蛋白 (HDL)。

以下分別說明這四種主要的脂蛋白：

1. 乳糜微粒 (Chylomicrons)

   • 組成特性：
     • 最大，密度最低。
     • 主要成分：三酸甘油酯 (TG) 佔比最高（約85-90%）。
     • 載脂蛋白：主要為 apoB-48，以及在循環中獲得的 apoC 和 apoE。
   • 生理功能：
     • 來源：在小腸黏膜細胞合成，將膳食來源的脂質（尤其是三酸甘油酯）運輸到全身組織（如肌肉、脂肪組織）。
     • 運輸途徑：首先進入淋巴系統，再進入血液循環。

2. 極低密度脂蛋白 (Very Low-Density Lipoproteins, VLDL)

   • 組成特性：
     • 體積比乳糜微粒小，密度較高。
     • 主要成分：三酸甘油酯 (TG) 佔比較高（約50-60%），但比乳糜微粒少。膽固醇酯 (CE) 佔比增加。
     • 載脂蛋白：主要為 apoB-100，以及在循環中獲得的 apoC 和 apoE。
   • 生理功能：
     • 來源：在肝臟合成，負責將肝臟合成的三酸甘油酯運輸到全身組織。
     • 轉化：在血液循環中，VLDL 逐漸失去三酸甘油酯，轉化為中密度脂蛋白 (IDL) 和最終的低密度脂蛋白 (LDL)。

3. 低密度脂蛋白 (Low-Density Lipoproteins, LDL)

   • 組成特性：
     • 體積較小，密度相對較高。

本題主要考察學生對核酸（DNA 和 RNA）組成、結構及其在遺傳物質中的角色的理解。

(1) DNA 與 RNA 所含之鹼基種類比較

DNA (去氧核醣核酸) 和 RNA (核醣核酸) 都是核酸，其基本組成單元是核苷酸。每個核苷酸由三部分組成：一個含氮鹼基、一個五碳醣，以及一個或多個磷酸基團。DNA 和 RNA 的主要差異之一在於它們所含的五碳醣和部分含氮鹼基。

• DNA (Deoxyribonucleic Acid)：

  • 含氮鹼基：含有四種鹼基：
    • 嘌呤 (Purines)：腺嘌呤 (Adenine, A) 和鳥糞嘌呤 (Guanine, G)。這兩種鹼基具有雙環結構。
    • 嘧啶 (Pyrimidines)：胞嘧啶 (Cytosine, C) 和胸腺嘧啶 (Thymine, T)。這兩種鹼基具有單環結構。
  • 五碳醣：去氧核醣 (Deoxyribose)。去氧核醣在 C2' 位置缺少一個氧原子，相較於核醣。

• RNA (Ribonucleic Acid)：

  • 含氮鹼基：也含有四種鹼基，但其中一種與 DNA 不同：
    • 嘌呤 (Purines)：腺嘌呤 (Adenine, A) 和鳥糞嘌呤 (Guanine, G)。
    • 嘧啶 (Pyrimidines)：胞嘧啶 (Cytosine, C) 和尿嘧啶 (Uracil, U)。尿嘧啶 (U) 取代了 DNA 中的胸腺嘧啶 (T)。Uracil 結構比 Thymine 少一個甲基。
  • 五碳醣：核醣 (Ribose)。核醣在 C2' 位置有一個羥基 (-OH)。

主要差異總結：

1. 五碳醣：DNA 含有去氧核醣，RNA 含有核醣。
2. 鹼基：DNA 含有 A, G, C, T；RNA 含有 A, G, C, U。T (Thymine) 只存在於 DNA，U (Uracil) 只存在於 RNA（儘管在某些 tRNA 中有修飾過的 T）。

【答案】DNA 含有腺嘌呤 (A)、鳥糞嘌呤 (G)、胞嘧啶 (C)、胸腺嘧啶 (T) 四種鹼基，並以去氧核醣為五碳醣。RNA 含有腺嘌呤 (A)、鳥糞嘌呤 (G)、胞嘧啶 (C)、尿嘧啶 (U) 四種鹼基，並以核醣為五碳醣。主要差異在於 DNA 的胸腺嘧啶 (T) 被 RNA 的尿嘧啶 (U) 取代，且 DNA 的五碳醣為去氧核醣，RNA 的五碳醣為核醣。

(2) 遺傳物質的組成、核苷酸形成、DNA 組成及染色體結構

(a) 分子層級的遺傳物質組成與核苷酸形成

遺傳物質的分子基礎是核酸，主要是 DNA (在大多數生物中) 和 RNA (在某些病毒中)。

• 核苷酸 (Nucleotide)：是核酸的基本單元。一個核苷酸由三部分組成：

  1. 含氮鹼基 (Nitrogenous Base)：可以是嘌呤 (A, G) 或嘧啶 (C, T/U)。
  2. 五碳醣 (Pentose Sugar)：DNA 為去氧核醣，RNA 為核醣。
  3. 磷酸基團 (Phosphate Group)：通常是一個，但有時也可能是兩個或三個（如 ATP 中的 ADP, AMP）。

  鹼基與五碳醣的結合：含氮鹼基通過其 N9 原子（嘌呤）或 N1 原子（嘧啶）與五碳醣的 C1' 原子之間形成糖苷鍵（N-glycosidic bond），生成 核苷 (Nucleoside)。例如，腺嘌呤與去氧核醣形成去氧腺苷 (deoxyadenosine)；鳥嘌呤與核醣形成鳥苷 (guanosine)。

本題主要考察學生對內分泌系統調控機制的理解，包括激素的種類、作用方式以及對生理恆定的影響。

人體內分泌系統透過分泌激素，將化學訊號傳遞到全身，調控各種生理機能，維持體內恆定 (homeostasis)。

一、 激素分類

激素可以根據其化學結構或作用方式進行分類：

1. 按化學結構分類：

   • 胜肽/蛋白質激素 (Peptide/Protein Hormones)：由胺基酸組成，鏈長不一。例如：胰島素 (Insulin)、升糖素 (Glucagon)、生長激素 (Growth Hormone)、促甲狀腺激素 (TSH)、促腎上腺皮質激素 (ACTH)、催乳素 (Prolactin)、促性腺激素 (LH, FSH)、抗利尿激素 (ADH)、催產素 (Oxytocin) 等。它們通常水溶性較好。
   • 類固醇激素 (Steroid Hormones)：由膽固醇衍生而來，具有四個環狀結構。例如：皮質醇 (Cortisol)、醛固酮 (Aldosterone)、性激素（睪固酮 Testosterone, 雌二醇 Estradiol, 孕酮 Progesterone）等。它們脂溶性較高。
   • 胺基酸衍生物激素 (Amino Acid Derivatives)：由單一胺基酸修飾而來。例如：
     • 甲狀腺素 (Thyroxine, T4) 和三碘甲狀腺胺酸 (Triiodothyronine, T3)，由酪胺酸衍生，含碘。
     • 兒茶酚胺 (Catecholamines)，如腎上腺素 (Epinephrine) 和去甲腎上腺素 (Norepinephrine)，由酪胺酸衍生。
     • 褪黑激素 (Melatonin)，由色胺酸衍生。

2. 按作用方式分類：

   • 水溶性激素：胜肽/蛋白質激素和兒茶酚胺，它們不能穿過細胞膜，作用於細胞膜上的受體。
   • 脂溶性激素：類固醇激素和甲狀腺素，它們可以穿過細胞膜，作用於細胞內的受體（細胞質或細胞核）。

二、 受體結合與訊息傳遞方式

激素的作用是通過與其特異性受體結合來實現的。

1. 水溶性激素的訊息傳遞 (G-protein Coupled Receptor pathway, GPCR)：
   • 受體位置：位於細胞膜上。
   • 結合過程：激素（第一信使）與細胞膜上的特異性受體結合，激活細胞膜上的 G 蛋白。
   • 訊息放大：激活的 G 蛋白進一步激活或抑制細胞內的效應分子，如腺苷酸環化酶 (Adenylyl Cyclase) 或鳥苷酸環化酶 (Guanylyl Cyclase)。
   • 第二信使 (Second Messengers)：腺苷酸環化酶產生環腺苷酸 (cAMP)，鳥苷酸環化酶產生環鳥苷酸 (cGMP)。鈣離子 (Ca²⁺) 和花生四烯酸衍生物 (如 IP₃, DAG) 也是重要的第二信使。