112 年 國立成功大學細胞生物與解剖研究所《生物化學》

此部分為名詞解釋題，要求考生從生物化學的角度解釋指定的 12 個名詞，並從中選取 10 個作答。由於題目要求從 12 選 10，且沒有指定哪幾題必答，我將列出所有名詞的解釋，考生可根據自身熟悉度自行挑選。

• Acetyl-CoA (acetyl coenzyme A)
  乙醯輔酶 A (Acetyl-CoA) 是一種重要的代謝分子，由乙醯基 ($CH_3CO-$) 和輔酶 A (Coenzyme A, CoA) 結合而成。它在許多代謝途徑中扮演關鍵角色，特別是檸檬酸循環 (Krebs cycle) 的起始物，將來自碳水化合物、脂肪和蛋白質的乙醯基送入循環進行氧化，產生能量。乙醯輔酶 A 的形成主要來自丙酮酸的氧化脫羧（糖解作用的產物）、脂肪酸的 $\beta$-氧化，以及胺基酸的代謝。CoA 分子中的硫氫基 (-SH) 是其活性的關鍵，能與乙醯基形成高能硫酯鍵，便於將乙醯基轉移。

• Gluconeogenesis
  葡萄糖新生作用 (Gluconeogenesis) 是指在肝臟和腎臟中，將非碳水化合物前驅物（如乳酸、丙酮酸、甘油、部分胺基酸）轉化為葡萄糖的代謝途徑。此過程主要發生在飢餓或禁食狀態下，以維持血糖穩定，供給大腦等對葡萄糖有高度依賴性的組織能量。葡萄糖新生作用與糖解作用 (glycolysis) 是高度相似但方向相反的途徑，但有三個關鍵的不可逆反應被繞過：丙酮酸羧化酶 (pyruvate carboxylase) 將丙酮酸轉化為草醯乙酸；果糖-1,6-二磷酸酶 (fructose-1,6-bisphosphatase) 將果糖-1,6-二磷酸水解為果糖-6-磷酸；葡萄糖-6-磷酸酶 (glucose-6-phosphatase) 將葡萄糖-6-磷酸水解為葡萄糖。

• Chaperone protein
  分子伴侶蛋白 (Chaperone protein)，又稱熱休克蛋白 (Heat shock proteins, HSPs)，是一類在細胞內輔助其他蛋白質摺疊、維持其結構穩定性、防止蛋白質聚集，或協助蛋白質進行運輸、降解等功能的蛋白質。它們不參與蛋白質最終的功能結構，而是作為「幫手」。在蛋白質合成後，分子伴侶蛋白能結合到新生多肽鏈上，幫助其正確摺疊成具有活性的三級結構。在細胞受到壓力（如高溫、氧化脅迫）時，分子伴侶蛋白的表現量會增加，以保護細胞免受蛋白質變性損傷。

• Glycosaminoglycan
  醣胺聚醣 (Glycosaminoglycan, GAG)，又稱黏多醣，是一類由重複的雙醣單元組成的長鏈多醣，其中一個單元通常是胺基糖（如 N-乙醯葡萄糖胺或 N-乙醯半乳糖胺），另一個單元是醣醛酸（如葡萄糖醛酸或艾度糖醛酸）。GAGs 通常帶有負電荷，且高度親水，在細胞外基質 (extracellular matrix, ECM) 中扮演重要角色，能與水結合形成凝膠狀結構，提供組織彈性和潤滑性，並參與細胞黏附、訊號傳遞等。常見的 GAGs 包括透明質酸 (hyaluronic acid)、硫酸軟骨素 (chondroitin sulfate)、硫酸角質素 (keratan sulfate)、硫酸肝素 (heparan sulfate) 和硫酸皮膚素 (dermatan sulfate)。

• DNA methylation
  DNA 甲基化 (DNA methylation) 是一種重要的表觀遺傳修飾，主要發生在胞嘧啶 (cytosine, C) 的第 5 個碳原子上，形成 5-甲基胞嘧啶 (5-methylcytosine, 5mC)。在哺乳動物中，DNA 甲基化通常發生在 CpG 二核苷酸（胞嘧啶後面緊接著鳥糞嘌呤）上，這些 CpG 位點常聚集在基因啟動子區域，稱為 CpG islands。DNA 甲基化通常與基因沉默相關，透過影響染色質結構或直接阻礙轉錄因子結合，來抑制基因的表現。它在胚胎發育、基因印記 (genomic imprinting)、X 染色體失活等過程中起關鍵作用。

• Beer's law
  比爾-朗伯定律 (Beer-Lambert Law)，簡稱比爾定律 (Beer's Law)，是一個描述吸光物質濃度與其吸光度之間關係的物理定律。該定律指出，當一束單色光通過均勻的吸光介質時，其透射光的強度與入射光的強度之比的對數（即吸光度 A）與介質的厚度 (b) 和吸光物質的摩爾濃度 (c) 成正比。

此題考查線粒體氧化磷酸化過程中活性氧物種 (ROS) 的生成、種類、成因以及抗氧化酶（SOD 和穀胱甘肽過氧化酶）的防禦機制。

1. 什麼是活性氧物種 (ROS)？
活性氧物種 (Reactive Oxygen Species, ROS) 是一類化學性質極為活潑的含氧分子。它們的共同特點是氧原子上存在不成對的電子，使其具有很強的氧化性，容易與細胞內的生物大分子（如脂質、蛋白質、核酸）發生反應，造成氧化損傷。常見的 ROS 包括：

• 超氧陰離子自由基 ($O_2^{\bullet-}$)：這是最常見的 ROS，氧氣分子獲得一個電子後形成。
• 過氧化氫 ($H_2O_2$)：雖然過氧化氫本身不是自由基，但它非常穩定且能穿過細胞膜，在細胞內可進一步轉化為更具破壞性的自由基，如羥基自由基。
• 羥基自由基 ($^{\bullet}OH$)：這是所有 ROS 中氧化性最強、反應性最高的一種自由基，能迅速攻擊細胞內的各種分子。
• 單線態氧 ($^1O_2$)：這是處於高能狀態的氧分子，具有較強的氧化性。

2. 線粒體中 ROS 生成的因素：
線粒體是細胞內產生 ATP 的主要場所，同時也是 ROS 的主要產生源。ROS 在線粒體中的生成主要與電子傳遞鏈 (ETC) 的運作有關：

• 電子洩漏 (Electron Leakage)：在 ETC 中，電子從複合物 I (Complex I) 或複合物 III (Complex III) 洩漏出來，直接與氧分子反應，生成超氧陰離子自由基 ($O_2^{\bullet-}$)。這是 ROS 生成的最主要途徑。
• 還原型輔酶的積累：當 ETC 的下游複合物受阻（例如，線粒體膜上的 ATP 合成酶活性降低，或 ATP 需求量不高時），還原型輔酶（如 NADH 和 FADH2）會在複合物 I 和 II 的上游積累，增加電子洩漏的機會。
• 氧分壓：較高的氧分壓會增加氧分子作為電子接受者的濃度，從而可能增加 ROS 的生成。

此題考查 RNA 干擾 (RNAi) 的機制、原理，以及 microRNA (miRNA) 和小分子干擾 RNA (siRNA) 在 RNAi 途徑中的作用，並要求舉例說明其在生物醫學研究中的應用。

1. 什麼是 RNA 干擾 (RNAi)？
RNA 干擾 (RNA interference, RNAi) 是一種普遍存在於真核生物中的基因沉默機制，它通過降解特定信使 RNA (mRNA) 或抑制其翻譯，來阻斷基因表現。RNAi 是一種後轉錄水平的調控方式，能夠精確且高效地「關閉」特定基因的功能。

2. RNAi 的原理：
RNAi 的核心原理是利用雙鏈 RNA (dsRNA) 來識別並引導細胞內機制降解或抑制同源序列的 mRNA。其基本過程可以概括為：

• dsRNA 的產生：細胞內可以產生 dsRNA，例如通過病毒感染、轉座子活化，或由內源性基因轉錄產生（如 miRNA 前驅體）。在實驗室中，可以通過合成外源性 dsRNA 來誘導 RNAi。
• Dicer 的切割：外源性或內源性的長 dsRNA 會被一種名為 Dicer 的核酸酶切割成約 20-25 個核苷酸長的小分子 RNA 片段，這些片段稱為小分子干擾 RNA (siRNA) 或 microRNA (miRNA)。
• RISC 複合物的形成：切割後的 siRNA 或 miRNA 會與一系列蛋白質組成一個稱為 RNA 誘導的沉默複合物 (RNA-induced silencing complex, RISC) 的蛋白質機器。在這個複合物中，其中一條 RNA 鏈（通常是與靶標 mRNA 序列互補的「引導鏈」）被保留，另一條鏈（「乘客鏈」）被降解。
• 靶標 mRNA 的識別與沉默：RISC 複合物中的引導鏈會識別細胞內與之序列互補的 mRNA。一旦識別到靶標 mRNA，RISC 複合物就會通過兩種主要方式來沉默該基因的表現：
  • mRNA 降解：如果引導鏈與靶標 mRNA 之間存在完美的序列互補性，RISC 中的一種核酸酶（通常是 Argonaute 蛋白家族成員，如 Ago2）會切割 mRNA，使其被迅速降解。這種情況主要由 siRNA 介導。
  • 翻譯抑制：如果引導鏈與靶標 mRNA 之間存在不完全的互補性（通常在 3' 非轉譯區，3' UTR），RISC 會結合到 mRNA 上，阻礙核糖體結合或移動，從而抑制 mRNA 的翻譯，導致蛋白質合成減少。這種情況主要由 miRNA 介導。

3. miRNA 和 siRNA 在 RNAi 途徑中的作用：

此題考查受體酪胺酸激酶 (RTKs) 在細胞訊號傳導中的作用機制，包括其結構特徵、活化過程及下游的磷酸化級聯反應，並要求以胰島素受體或其他生長因子受體為例說明。

1. 受體酪胺酸激酶 (RTKs) 的結構特徵：
RTKs 是一類位於細胞膜上的受體蛋白，它們在細胞接收外部訊號並將其傳遞到細胞內部，啟動細胞反應方面起著關鍵作用。RTKs 通常具有以下結構特徵：

• 細胞外配體結合域 (Extracellular Ligand-Binding Domain)：位於細胞膜外側，負責識別並結合特定的細胞外訊號分子，稱為配體 (ligand)，例如生長因子 (如 EGF, PDGF, FGF) 或激素 (如胰島素)。
• 跨膜結構域 (Transmembrane Domain)：一條或幾條疏水性的 $\alpha$-螺旋，將受體錨定在細胞膜上。
• 細胞內激酶域 (Intracellular Kinase Domain)：位於細胞膜內側，具有催化活性，能夠利用 ATP 作為磷酸基團的供體，將磷酸基團轉移到蛋白質的酪胺酸殘基上，即酪胺酸激酶活性。這個激酶域通常與 ATP 結合位點和底物（其他蛋白質）結合位點相連。
• 調節區域 (Regulatory Regions)：在激酶域的氨基端或羧基端，可能存在一些調節區域，包含酪胺酸殘基，這些殘基在受體活化後會被自身磷酸化，進而招募下游的訊號分子。

2. RTKs 在細胞訊號傳導中的機制：

RTKs 的訊號傳導過程通常遵循以下步驟：

• 配體結合與二聚化 (Ligand Binding and Dimerization)：
  在未結合配體時，大多數 RTKs 以單體形式存在於細胞膜上，其細胞內激酶域活性較低。當配體結合到細胞外配體結合域後，會誘導受體發生構象變化，並促使相鄰的受體單體靠近，形成二聚體 (dimer) 或多聚體 (oligomer)。二聚化是 RTKs 活化的關鍵步驟。

• 受體自身磷酸化 (Receptor Autophosphorylation)：
  一旦受體形成二聚體，相鄰的激酶域就可以相互磷酸化對方細胞內結構域的酪胺酸殘基。這個過程稱為受體自身磷酸化 (autophosphorylation)。自身磷酸化不僅激活了激酶的催化活性，更重要的是，它在受體細胞內結構域上產生了多個磷酸化的酪胺酸殘基，這些磷酸化的酪胺酸殘基成為下游訊號分子的結合位點。

• 下游訊號分子的招募與活化：
  受體自身磷酸化產生的磷酸酪胺酸殘基，能夠被帶有特定結構域（如 SH2 域或 PTB 域）的細胞內訊號分子識別並結合。這些下游訊號分子包括：

  • 接頭蛋白 (Adaptor proteins)：例如 Grb2，它能結合磷酸酪胺酸，並通過其上的 SH3 域招募其他蛋白質，如 SOS ( a guanine nucleotide-releasing protein)。
  • 效應蛋白 (Effector proteins)：例如磷脂酶 C-γ (PLC-γ)，它在被磷酸化後能催化細胞膜上的磷脂生成第二信使 IP3 和 DAG。

此題考查血紅素蛋白（血紅蛋白和肌紅蛋白）的結構、氧結合特性、Bohr 效應以及鐮刀型貧血的生化基礎。

1. 血紅蛋白 (Hemoglobin, Hb) 和肌紅蛋白 (Myoglobin, Mb) 的主要結構差異：

| 特徵 | 肌紅蛋白 (Myoglobin, Mb) | 血紅蛋白 (Hemoglobin, Hb) <br>

• 結構：Mb 是一個單體蛋白質，由一個多肽鏈和一個血紅素輔基 (heme group) 組成。

  • 多肽鏈：由約 153 個胺基酸組成，具有高度摺疊的三級結構，主要由 $\alpha$-螺旋構成。
  • 血紅素：嵌入在疏水性口袋中，由一個卟啉環 (porphyrin ring) 和其中心的亞鐵離子 ($Fe^{2+}$) 組成。亞鐵離子是結合氧的活性中心。

• 結構：Hb 是一個四聚體蛋白質，由四個亞基組成。最常見的成人血紅蛋白 (HbA) 由兩個 $\alpha$ 亞基和兩個 $\beta$ 亞基組成（$\alpha_2\beta_2$）。每個亞基都包含一條多肽鏈和一個血紅素輔基。

  • 四個亞基：各亞基之間通過非共價鍵（離子鍵、氫鍵、疏水相互作用）相互結合，形成一個緊密的四級結構。亞基之間的相互作用在 Hb 的氧結合和協同作用中至關重要。
  • 血紅素：每個亞基中都含有一個血紅素輔基，因此一個 Hb 分子可以結合四個氧分子。

2. 氧結合曲線的特徵：

• 肌紅蛋白 (Mb) 的氧結合曲線：

  • 曲線形狀：Mb 的氧結合曲線呈現 單曲線 (sigmoidal) 或 飽和曲線 (hyperbolic) 的形狀。這是因為 Mb 只有一個結合位點，氧結合過程不涉及協同作用。
  • 氧親和力：Mb 對氧氣的親和力非常高。在肺部的氧分壓 (約 100 mmHg) 下，Mb 幾乎完全飽和；而在肌肉細胞的氧分壓 (約 20-40 mmHg) 下，Mb 仍然能維持較高的飽和度，但當氧分壓降至很低時，氧氣才會釋放。
  • 功能： Mb 的高氧親和力使其適合作為氧的儲存庫，在肌肉細胞中儲存氧氣，並在需要時緩慢釋放。

• 血紅蛋白 (Hb) 的氧結合曲線：

  • 曲線形狀：Hb 的氧結合曲線呈現 S 形曲線 (sigmoidal curve)。這是由於 Hb 的協同作用 (cooperativity)。當一個氧分子結合到一個亞基的血紅素上時，會引起其他亞基構象的變化，使其對氧的親和力增加，從而更容易結合下一個氧分子。
  • 氧親和力：Hb 對氧的親和力介於肺部和組織之間。在肺部的高氧分壓下，Hb 能夠有效地結合氧氣，達到接近飽和的狀態。而在組織的低氧分壓下，Hb 能夠有效地釋放氧氣，供應細胞代謝所需。
  • 協同作用：Hb 的協同作用是其功能適應的關鍵。它使得 Hb 在肺部能高效地載氧，並在組織中能靈活地釋氧。

3. Bohr 效應與這兩種血紅素蛋白的功能關聯：

Bohr 效應是指血液的 pH 值和二氧化碳分壓影響血紅蛋白與氧結合親和力的現象。

• Bohr 效應的原理：
  • 當 $CO_2$ 在組織中釋放，進入血液後，會與水反應生成碳酸 ($H_2CO_3$)，進而解離成氫離子 ($H^+$) 和碳酸氫根離子 ($HCO_3^-$)。