112 年 國立臺灣大學生物化學暨分子生物學研究所《生化學》

本題考驗的是 DNA 體外複製的策略，最經典的方法就是聚合酶鏈式反應（Polymerase Chain Reaction, PCR）。

PCR 的基本原理是利用一對與目標 DNA 序列兩側互補的引子（primer），在 DNA 聚合酶（DNA polymerase）的作用下，將目標 DNA 序列進行指數級的複製。

一個 PCR 實驗的設計需要包含以下幾個關鍵要素：

1. 目標 DNA 模板（Template DNA）：含有欲放大的 DNA 片段的混合物。
2. 引子（Primers）：設計一對寡核苷酸（oligonucleotides），分別與目標 DNA 片段的兩條鏈的 3' 端互補配對，用於起始 DNA 聚合酶的合成。引子的設計至關重要，需要確保其特異性，只與目標序列結合。
3. DNA 聚合酶（DNA Polymerase）：通常使用耐高溫的 DNA 聚合酶，例如 Taq polymerase，因為 PCR 過程需要高溫變性。
4. dNTPs（Deoxynucleotide triphosphates）：DNA 合成的基本單元，包括 dATP, dGTP, dCTP, dTTP。
5. 緩衝液（Buffer）：提供 DNA 聚合酶最適宜的反應環境，並包含 Mg$^{2+}$ 等離子，作為聚合酶的輔因子。

核心觀念

本題考查三種蛋白質分離依據：

1. 等電點（pI）與離子交換層析

   • 當 $pH<pI$ 時，蛋白質帶淨正電，會結合陽離子交換樹脂。
   • 當 $pH>pI$ 時，蛋白質帶淨負電，會結合陰離子交換樹脂。
   • 等電點越接近操作 $pH$，淨電荷越小，結合通常越弱。

2. 分子大小與凝膠過濾層析（size-exclusion chromatography, SEC）

   • 大分子先洗脫，小分子後洗脫。
   • Protein Y 為 $98{,}000$ Da，明顯大於 Protein S 的 $25{,}000$ Da，因此可與 S 分離。
   • Protein S 與 Protein X、Z 的大小相近，單靠 SEC 不易完全分離。

3. DNA 親和層析

   • S、X、Y 都是 DNA-binding protein，可與固定化 DNA 結合。
   • Z 不具 DNA 結合能力，可在洗滌步驟中直接流穿，或作為未結合分餾收集。

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解題方法一：利用離子交換層析與分子大小分離

可將樣品調至 $pH=7.7$，此時各蛋白質的電性如下：

蛋白質	pI	在 $pH=7.7$ 時的主要電性
S	7.8	淨正電
X	3.8	淨負電
Y	8.0	淨正電
Z	7.6	淨負電

選用陽離子交換樹脂。陽離子交換樹脂帶負電，會吸附帶正電的蛋白質，因此：

• S 與 Y 結合樹脂；
• X 與 Z 因帶負電而流穿。

接著以鹽濃度梯度或 pH 梯度洗脫，收集含有 S、Y 的分餾，再進行 SEC。由於：

$$M_Y=98{,}000\ \mathrm{Da},\qquad M_S=25{,}000\ \mathrm{Da}$$

Y 會先於 S 洗脫，因而可取得純化的 Protein S。

此流程為：

$$\text{陽離子交換層析} \longrightarrow \text{去除 X、Z} \longrightarrow \text{SEC 分離 Y 與 S}$$

若希望進一步提高純度，可在 SEC 後再以適當 $pH$ 的陽離子交換層析作為拋光步驟。

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解題方法二：利用陰離子交換層析與 SEC

同樣在 $pH=7.7$ 下，使用陰離子交換樹脂。陰離子交換樹脂帶正電，會吸附帶負電的蛋白質：

• X 與 Z 結合樹脂；
• S 與 Y 帶正電，主要流穿。

收集流穿液後，僅剩 S 與 Y，再利用 SEC：

• Y 為大分子，先洗脫；
• S 為小分子，後洗脫。

流程為：

$$\text{陰離子交換層析} \longrightarrow \text{去除 X、Z} \longrightarrow \text{SEC 分離 Y 與 S}$$

本題考驗學生對質體 DNA (plasmid DNA) 分離、純化和驗證的理解。這在分子生物學實驗中是基礎且重要的技術。

核心概念：
質體是細菌細胞質中存在的、獨立於染色體 DNA 的小型環狀 DNA 分子。提取質體 DNA 需要先裂解細胞，然後選擇性地分離質體 DNA，並去除蛋白質、RNA 和基因組 DNA。

策略設計：

一、 質體 DNA 分離 (Isolation)

常用的方法是鹼裂解法 (Alkaline Lysis)。

1. 細菌培養與收集：

   • 選擇含有目標質體的 E. coli 株，並在含有適當抗生素的培養基中培養。
   • 收集對數生長期或穩定期的細菌細胞，通常通過離心獲得細胞沉澱。

2. 細胞裂解 (Cell Lysis)：

   • 重懸細胞：將細胞沉澱重懸於緩衝液 R1 (Resuspension Buffer) 中，通常包含 Tris-HCl (維持 pH) 和 EDTA (螯合 Mg$^{2+}$，抑制核酸酶活性)。
   • 裂解：加入裂解緩衝液 R2 (Lysis Buffer)，通常包含 NaOH (提高 pH 至 12-13，使 DNA 變性) 和 SDS (十二烷基硫酸鈉，一種去污劑，溶解細胞膜和蛋白質，並使蛋白質變性)。劇烈搖晃或混合，使細胞裂解並釋放 DNA、RNA 和蛋白質。此時，DNA 變性為單股。
   • 中和：快速加入中和緩衝液 R3 (Neutralization Buffer)，通常含有高濃度鉀離子（如 KOAc）和酸（如醋酸）。高濃度的鉀離子會與 SDS 形成不溶性的沉澱，同時酸會將 pH 降至中性。在此過程中，質體 DNA (環狀，結構緊密) 能夠重新退火形成雙股 DNA；而細菌基因組 DNA (線狀，長度極大) 和蛋白質則會變性且結構複雜，與細胞碎片一起形成大塊的沉澱物，或與鉀-SDS 複合物一起沉澱。

3. 去除沉澱物：

   • 劇烈搖晃或混合，確保中和完全，然後離心。
   • 大部分蛋白質、基因組 DNA 和細胞碎片會形成固體沉澱，留在離心管底部或中層。
   • 質體 DNA 則溶解在清澈的上清液中。

二、 質體 DNA 純化 (Purification)

從上清液中獲取純化的質體 DNA。

1. 沉澱質體 DNA：

   • 將裂解後得到的清澈上清液轉移到乾淨的離心管中。
   • 加入異丙醇 (isopropanol) 或乙醇 (ethanol)（通常是體積的 0.6-1 倍），並混合。質體 DNA 會沉澱出來。
   • 離心，去除上清液，留下質體 DNA 沉澱。

2. 洗滌 DNA：

   • 用 70-75% 的乙醇洗滌 DNA 沉澱，以去除殘留的鹽類和雜質。
   • 再次離心，去除乙醇。

3. 乾燥和溶解：

   • 將 DNA 沉澱在空氣中或 37°C 下短暫乾燥，以去除殘餘乙醇。
   • 加入無菌的 TE 緩衝液 (Tris-EDTA) 或無菌水，溶解質體 DNA。EDTA 在此用於抑制潛在的核酸酶。

替代純化方法：矽膠柱純化 (Silica Column Purification)

• 市售的質體 DNA 提取試劑盒（如 Qiagen, Promega）通常使用矽膠膜的離心柱。
• 將鹼裂解後的上清液（或直接從裂解液中）加入到含有矽膠膜的離心柱中，並加入高鹽濃度的結合緩衝液 (Binding Buffer)。
• 在離心作用下，質體 DNA 會特異性地結合到矽膠膜上，而蛋白質、RNA 和鹽類則不結合或結合較弱，被洗去。
• 使用洗滌緩衝液 (Wash Buffer)（通常含高鹽和 70% 乙醇）洗去雜質。
• 最後，加入低鹽緩衝液（如 TE 或水）進行洗脫 (Elution)，將純化的質體 DNA 從矽膠膜上釋放出來。

三、 質體 DNA 驗證 (Validation)

確認提取到的 DNA 是質體 DNA，並且具有預期的特徵。

1. 瓊脂糖凝膠電泳 (Agarose Gel Electrophoresis, AGE)：
   • 目的：檢測 DNA 的大小、濃度和完整性。
   • 操作：將提取的 DNA 樣品與 DNA 載體 (loading dye) 混合，並與已知濃度的 DNA 分子量標準品 (DNA ladder) 一起進行電泳。
   • 判讀：
     • 大小：觀察 DNA 條帶與分子量標準品對比，確認其大小是否符合質體的預期大小。
     • 形式：質體 DNA 在電泳時可能呈現超螺旋 (supercoiled, SC)、開環 (open circular, OC) 和線性 (linear, L) 三種形式。

核心觀念

本題整合兩類由同一前驅物衍生的荷爾蒙：

1. 甲狀腺荷爾蒙：Thyroxine（T4）與 Triiodothyronine（T3）。
2. 兒茶酚胺類荷爾蒙：Dopamine、Norepinephrine、Epinephrine。

這些荷爾蒙皆可由胺基酸 Tyrosine（酪胺酸） 衍生而來。題目第 2 小題則考查甲狀腺荷爾蒙受體的位置與作用方式；第 3 小題考查 Dopamine、Norepinephrine 與 Epinephrine 的分類。

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1）共同前驅分子

T4 與 T3 是由酪胺酸殘基經碘化、偶聯反應形成；Dopamine、Norepinephrine 與 Epinephrine 則由酪胺酸依序經羥化、脫羧及其他修飾反應生成。

因此，五種荷爾蒙的共同前驅分子是：

$$\boxed{\text{Tyrosine（酪胺酸）}}$$

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2）T4 與 T3 受體的正確描述

解題方法

T4、T3 屬於脂溶性、可穿過細胞膜的胺基酸衍生物，其受體不是位於細胞膜上的受體，而是細胞內的核受體，主要位於細胞核中。

甲狀腺荷爾蒙受體（thyroid hormone receptor, TR）屬於核受體超家族。荷爾蒙與受體結合後，受體可形成二聚體或與 RXR（retinoid X receptor）形成異源二聚體，結合 DNA 上的 thyroid hormone response element（TRE），進而調控基因轉錄。

選項分析

（a）After binding to T4, the receptors of T4 dimerize

正確。甲狀腺荷爾蒙受體可形成二聚體，常見形式是與 RXR 形成異源二聚體。配體結合後，受體構形改變並促進轉錄調控複合體的形成。

嚴格而言，部分 TR-RXR 複合體在未結合荷爾蒙時便已存在並結合 DNA；但依本題所考的核受體一般作用模式，此敘述視為正確。

（b）After binding to T4, the receptors of T4 degrade immediately

錯誤。T4 或 T3 與受體結合後，主要造成受體構形改變、輔抑制蛋白移除及轉錄活化，不會使受體立即降解。

（c）After binding to T4, the receptors of T4 bind to DNA

正確。甲狀腺荷爾蒙受體會結合 DNA 上特定的 TRE，調控下游基因的轉錄。其作用屬於基因表現調節，而非僅透過細胞內第二訊息傳遞。

（d）After binding to T4, the receptors of T4 autophosphorylate itself

錯誤。受體自體磷酸化是 receptor tyrosine kinase（受體型酪胺酸激酶）的典型特徵，例如 insulin receptor。甲狀腺荷爾蒙受體是核受體，不具有此種典型自體磷酸化機制。

（e）After binding to T4, the receptors of T4 are localized to the nucleus

正確。T4、T3 的主要受體位於細胞核中，與 DNA 及轉錄調控蛋白作用。這也是甲狀腺荷爾蒙能直接調控基因轉錄的原因。

本題考驗學生對藥物作用機制，特別是激動劑 (agonist) 和拮抗劑 (antagonist) 的理解。

核心觀念：

• 激動劑 (Agonist)：能夠結合受體並引起細胞反應的物質。
• 拮抗劑 (Antagonist)：能夠結合受體，但不能引起細胞反應，反而能阻止激動劑結合和發揮作用的物質。
• 親和力 (Affinity)：藥物與受體結合的能力，通常用解離常數 $K_d$ 來衡量。$K_d$ 越小，親和力越高。
• 內源性配體 (Endogenous ligand)：身體自身產生的配體，如多巴胺。

題目分析與解答：

題目指出，許多治療精神疾病的藥物是多巴胺拮抗劑 (dopamine antagonists)。我們需要選擇正確描述多巴胺拮抗劑的選項。

• (a) are drugs that bind to Dopamine receptors：這是拮抗劑和激動劑的共同特性。任何能與受體結合的藥物，無論是激動劑還是拮抗劑，都必須先與受體結合，即具有親和力。因此，多巴胺拮抗劑必須結合到多巴胺受體上。此選項正確。

• (b) do not activate Dopamine receptors：這是拮抗劑的定義。拮抗劑結合受體但不產生生物學效應，從而阻止內源性配體（如多巴胺）或其他激動劑的結合和激活。此選項正確。

核心觀念

本題考查 GPCR 活化磷脂酶 C（phospholipase C, PLC）後的訊息傳遞路徑。

典型路徑如下：

$$\text{GPCR} \rightarrow G_q \rightarrow \text{PLC}\beta$$

PLC 會水解細胞膜上的磷脂醯肌醇-4,5-二磷酸（$PIP_2$），產生兩種第二訊息分子：

$$PIP_2 \xrightarrow{\text{PLC}} IP_3 + DAG$$

其中：

• $IP_3$（inositol 1,4,5-trisphosphate）可擴散至細胞質，促使內質網釋放 $Ca^{2+}$。
• $DAG$（diacylglycerol）留在細胞膜上，與 $Ca^{2+}$ 共同活化蛋白激酶 C（PKC）。
• $Ca^{2+}$ 本身也是重要的第二訊息分子。

因此，PLC 路徑的主要下游第二訊息分子為：

$$IP_3,\ DAG,\ Ca^{2+}$$

解題方法

判斷本題的關鍵是辨認「GPCR-PLC」所代表的典型訊息傳遞機制。

第一步，確認 PLC 的受質：

$$PIP_2$$

第二步，寫出 PLC 水解 $PIP_2$ 的產物：

$$PIP_2 \rightarrow IP_3 + DAG$$

第三步，判斷 $IP_3$ 的作用：

$$IP_3 \rightarrow \text{內質網釋放 } Ca^{2+}$$

所以 PLC 路徑形成並使用的第二訊息分子為 $IP_3$、$DAG$ 與 $Ca^{2+}$，對應選項 (b)。

選項分析

(a) NO and cGMP, and calcium

錯誤。

NO–cGMP 路徑主要涉及：

$$NO \rightarrow \text{soluble guanylyl cyclase} \rightarrow cGMP$$

此路徑常見於血管舒張與平滑肌調控，並非 GPCR-PLC 的典型產物。雖然 $Ca^{2+}$ 可作為第二訊息分子，但選項中的 NO 與 cGMP 不符合 PLC 路徑。

(b) IP3, DAG, and calcium

本題考驗學生對鈣離子 ($Ca^{2+}$) 作為第二信使在細胞生理學中的作用，特別是在胰島素分泌細胞 (beta cells) 中調節胰島素成熟與釋放的機制。

核心觀念：

• 第二信使 (Second Messenger)：細胞外信號（如激素、神經遞質）傳遞到細胞內後，通過一系列分子事件放大和傳遞，其中一些分子（如 cAMP, cGMP, IP3, DAG, $Ca^{2+}$）被稱為第二信使，它們在細胞內引發特定的生理反應。
• 胰島素分泌細胞 (Beta Cells)：位於胰腺的 Langerhans 胰島中，負責合成、儲存和分泌胰島素。胰島素的分泌受到血糖濃度、激素和神經信號等多種因素的調控。
• 鈣離子 ($Ca^{2+}$) 的作用：細胞內鈣離子濃度的升高是許多細胞過程的關鍵觸發因素，包括細胞分泌、肌肉收縮、神經傳遞等。

機制解釋：

細胞內鈣離子濃度升高在促進胰島素成熟和釋放中的作用可以從以下幾個方面來解釋：

1. 促進胰島素分泌（釋放）：
   • 葡萄糖感應與鈣離子流入：當血糖升高時（例如餐後），beta 細胞會攝取葡萄糖。葡萄糖在細胞內代謝，產生 ATP。ATP/ADP 比率升高會關閉 ATP-敏感性鉀離子通道 (K$_{ATP}$ channels)。
   • 膜去極化：鉀離子通道關閉導致細胞膜內部的正電荷積聚（鉀離子無法流出），引起細胞膜去極化。
   • 電壓門控鈣離子通道 (VGCCs) 開啟：膜去極化會觸發細胞膜上的電壓門控鈣離子通道 (Voltage-gated calcium channels, VGCCs) 打開。
   • 鈣離子內流：細胞外的鈣離子（濃度遠高於細胞內）通過打開的 VGCCs 大量流入細胞質，導致細胞內鈣離子濃度迅速升高。
   • 囊泡融合與釋放：細胞質鈣離子濃度的升高是觸發胰島素儲存在分泌囊泡 (secretory vesicles) 中與細胞膜融合，並將胰島素釋放到細胞外的關鍵信號。鈣離子通過激活細胞質中的鈣結合蛋白（如鈣調蛋白 calmodulin），進而影響囊泡的運輸、定位和與細胞膜的融合過程。

本題考驗學生對轉錄過程中 DNA 超螺旋結構形成機制的理解，特別是 RNA 聚合酶的運動方向與超螺旋形成之間的關係。

核心觀念：

• 轉錄 (Transcription)：DNA 模板鏈上的遺傳信息被 RNA 聚合酶轉錄成 RNA 分子的過程。
• RNA 聚合酶 (RNA Polymerase)：催化轉錄反應的酶。
• DNA 超螺旋 (Supercoiling)：當 DNA 分子在複製或轉錄過程中，其雙螺旋結構的軸線被扭轉時，會產生超螺旋結構。
• 正超螺旋 (Positive Supercoil)：DNA 雙螺旋的扭轉方向與其本身的螺旋方向相同，導致 DNA 變得更緊密、更難解旋。
• 負超螺旋 (Negative Supercoil)：DNA 雙螺旋的扭轉方向與其本身的螺旋方向相反，導致 DNA 變得更鬆散、更容易解旋。
• DNA 拓撲異構酶 (Topoisomerases)：這類酶能夠改變 DNA 的拓撲狀態，通過切斷和重新連接 DNA 鏈來緩解或產生超螺旋。

題目分析與解答：

圖示分析：
圖中顯示 RNA 聚合酶在 DNA 上移動，並在聚合酶前方產生了正超螺旋 (positive supercoils)，在後方產生了負超螺旋 (negative supercoils)。

第一部分：RNA 聚合酶的運動方向

• 機制：RNA 聚合酶在移動過程中，會解開 DNA 雙螺旋，形成轉錄泡 (transcription bubble)。當 RNA 聚合酶順著 DNA 模板鏈移動時，它會將前方的 DNA 扭轉。

• 前方超螺旋：在 RNA 聚合酶移動的前方，DNA 雙螺旋會被“推擠”和扭轉。如果 RNA 聚合酶是沿著模板鏈的某個方向移動，前方的 DNA 會受到相應的扭轉。

• 後方超螺旋：在 RNA 聚合酶移動的後方，DNA 雙螺旋則會因為 RNA 聚合酶的通過而發生解旋。

• 超螺旋的類型：

  • 正超螺旋：通常在 RNA 聚合酶移動的方向上，前方的 DNA 會被過度扭轉（朝同一個方向扭轉），形成正超螺旋。這使得前方的 DNA 更難解旋，也增加了 RNA 聚合酶移動的阻力。
  • 負超螺旋：在 RNA 聚合酶的後方，DNA 解旋後，相對於其原始狀態，會發生反向的扭轉，形成負超螺旋。負超螺旋有助於 DNA 解旋，並可能促進轉錄起始。

• 圖示說明：圖中明確標示出 RNA 聚合酶前方出現了正超螺旋，而後方出現了負超螺旋。

本題考驗學生對抗病毒藥物作用機制的理解，特別是 AZT (Azidothymidine) 如何抑制愛滋病毒 (HIV) 的生長。

核心觀念：

• HIV (Human Immunodeficiency Virus)：一種逆轉錄病毒，感染 T 細胞等免疫細胞，導致愛滋病 (AIDS)。
• 逆轉錄酶 (Reverse Transcriptase, RT)：HIV 病毒攜帶的一種酶，能夠以病毒的 RNA 基因組為模板，合成 DNA 鏈。這是逆轉錄病毒獨有的複製機制。
• AZT (Azidothymidine)：一種核苷類似物 (nucleoside analog)，結構上類似於胸腺嘧啶核苷 (thymidine)。
• 核苷類似物的作用機制：許多抗病毒藥物是核苷類似物。它們的策略是模擬病毒複製所需的天然核苷，然後干擾病毒的核酸合成過程。

AZT 的作用機制：

AZT 是一種 胸苷類似物 (thymidine analog)。它能被 HIV 感染的細胞（特別是 CD4+ T 細胞）中的激酶磷酸化，轉化為具有活性的三磷酸形式 (AZT-triphosphate)。

然後，這個活性的 AZT-triphosphate 會競爭性地參與到 HIV 逆轉錄酶催化的 DNA 合成過程中。

1. 作為 DNA 合成的底物：AZT-triphosphate 能夠被 HIV 的逆轉錄酶識別，並被整合到正在合成的病毒 DNA 鏈中。

核心觀念

本題考查單股 DNA 噬菌體的複製模式，以及 CsCl 平衡密度梯度離心中 DNA 密度與同位素標記的判讀。

• 單股 DNA 的密度為 $1.714\ \text{g/cm}^3$。
• 雙股 DNA 的密度為 $1.700\ \text{g/cm}^3$。
• 原始噬菌體 DNA 帶有 $^{14}\mathrm{C}$。
• 感染細菌後，培養基中的新合成 DNA 帶有 $^3\mathrm{H}$。

因此，可藉由不同時間點的 DNA 密度位置及放射性標記，判斷複製中間體與子代 DNA 的來源。

解題方法與圖形判讀

感染初期，原始噬菌體帶入的是單股、$^{14}\mathrm{C}$ 標記 DNA，因此在 $1.714\ \text{g/cm}^3$ 處出現峰值。

感染後，噬菌體的單股 DNA 先作為模板，合成互補的新股 DNA，形成雙股 DNA 複製中間體：

$$\text{親代單股 DNA} \longrightarrow \text{雙股複製型 DNA}$$

此雙股 DNA 的密度約為 $1.700\ \text{g/cm}^3$，且其中一股為原有的 $^{14}\mathrm{C}$ 股，另一股為培養基中新合成的 $^3\mathrm{H}$ 股。

之後，雙股複製型 DNA 作為模板進行複製，並以類似滾環複製（rolling-circle replication）的方式，連續合成並置換出新的單股 DNA。這些新合成的單股 DNA 含有 $^3\mathrm{H}$，密度回到約 $1.714\ \text{g/cm}^3$，可被包裝成子代噬菌體。

因此，圖中後期同時可看到：

1. $1.700\ \text{g/cm}^3$ 的雙股 DNA 複製中間體；
2. $1.714\ \text{g/cm}^3$ 的新合成、$^3\mathrm{H}$ 標記單股 DNA。

第 1 問答案

本題考驗學生對 DNA 複製、染色質結構、DNA 結合蛋白、酶學和 DNA 損傷的知識。

核心觀念：

• 端粒 (Telomere)：染色體末端的特殊結構，由重複的 DNA 序列和蛋白質組成，保護染色體免受融合和降解。
• 端粒複製問題 (End Replication Problem)：由於 DNA 聚合酶需要引子才能合成 DNA，且其合成方向是 5'→3'，這導致線性染色體在每次複製後，其末端會有一段 DNA 無法被完全複製，從而導致端粒縮短。
• 端粒酶 (Telomerase)：一種特殊的逆轉錄酶，能夠延長端粒，解決端粒縮短問題。
• 染色質 (Chromatin)：DNA 與組蛋白 (histone) 結合形成的複合物。
• 核小體 (Nucleosome)：DNA 纏繞組蛋白八聚體形成的結構，是染色質的基本單位。
• 核酸酶超敏感位點 (Nuclease-hypersensitive sites)：DNA 區域，對核酸酶的切割更敏感，通常位於基因的啟動子區域，與基因轉錄活性有關。
• DNA 結合蛋白 (DNA-binding protein)：能夠特異性識別並結合 DNA 序列的蛋白質。
• 對稱性 (Symmetry)：在分子結構中，指鏡像或旋轉對稱。DNA 序列的對稱性（如回文序列 palindromic sequence）對其與蛋白質的結合很重要。
• DNA 聚合酶 (DNA Polymerase)：負責 DNA 複製的酶。
• 外切酶活性 (Exonuclease activity)：酶切除核酸鏈末端的活性。3'→5' 外切酶活性用於校對 (proofreading)，糾正錯誤配對的核苷酸。
• 嘧啶二聚體 (Pyrimidine dimer)：由紫外線引起的 DNA 損傷，兩個嘧啶鹼基（通常是胸腺嘧啶 T 或胞嘧啶 C）在同一條鏈上，通過共價鍵連接。

題目分析與解答：

1. A telomere allows a chromosome to be replicated precisely so that no nucleotides are lost from the end of the chromosome, thereby solving the end-replication problem.

   • 判斷：False。
   • 解釋：端粒本身並不能“精確地”保證沒有核苷酸丟失。相反，由於 DNA 聚合酶的性質（需要引子，只能 5'→3' 合成），線性染色體的末端確實會面臨複製延伸的問題，導致每次複製後端粒會縮短。端粒酶 (telomerase) 的存在是為了延續端粒，而不是端粒本身能「精確複製」而不丟失。端粒的作用是提供一個「緩衝區」，即使末端 DNA 被縮短，也不會影響到重要的基因序列。因此，端粒本身並不能「解決」端粒複製問題，而是端粒酶解決了這個問題。

2. Nuclease-hypersensitive sites in chromatin are located in the linker DNA between nucleosomes.

   • 判斷：False。
   • 解釋：核酸酶超敏感位點 (Nuclease-hypersensitive sites, NHSs) 是染色質中對核酸酶攻擊非常敏感的區域，通常位於基因的啟動子 (promoter) 或增強子 (enhancer) 區域。這些區域的 DNA 結構相對鬆散，便於轉錄因子結合，開啟基因轉錄。核小體是由 DNA 纏繞組蛋白八聚體形成的，DNA 在核小體內被緊密包裹。連接兩個核小體之間的 DNA 稱為連接 DNA (linker DNA)，雖然它相對核心 DNA 較為暴露，但它並非核酸酶超敏感位點的主要位置。NHSs 位於 DNA 序列上，其鬆散結構是相對於被核小體緊密包裹的 DNA 而言。

本題考驗學生對酶活性異常與疾病關聯的理解，需要列舉至少三種可能導致關鍵酶活性異常的根本原因。

核心觀念：

• 酶 (Enzymes)：生物催化劑，能夠顯著提高生物化學反應的速率。
• 催化活性 (Catalytic Activity)：酶催化反應的能力。
• 酶活性異常：酶的催化活性低於正常水平、完全喪失，或異常升高，都可能導致細胞功能紊亂，進而引發疾病。
• 疾病與酶的關聯：許多遺傳性疾病（如代謝性疾病）是由於關鍵酶的基因發生突變，導致酶結構或功能異常所致。

導致酶活性異常的可能原因：

1. 基因突變 (Gene Mutations)：

   • 機制：這是最常見的原因。編碼特定酶的基因發生突變（點突變、插入、刪除、重複等），導致合成的蛋白質（酶）結構發生改變。
   • 影響：
     • 活性位點改變：突變可能發生在酶的活性位點，影響底物結合或催化過程，從而降低或喪失催化活性。
     • 結構穩定性改變：突變可能影響酶的三級結構穩定性，導致酶更容易變性失活，或在細胞內被過早降解。
     • 蛋白質摺疊異常：突變可能導致蛋白質無法正確摺疊成具有活性的三維結構。
     • 調控區突變：突變也可能發生在基因的調控區域（如啟動子），影響酶的表達水平，導致酶的合成量過少，從而表現為活性不足。
   • 例子：苯丙酮尿症 (PKU) 是由於苯丙胺酸羥化酶 (phenylalanine hydroxylase) 基因突變，導致該酶活性喪失。

2. 輔因子或輔酶的缺乏/缺陷 (Deficiency or Defect in Cofactors or Coenzymes)：

   • 機制：許多酶需要非蛋白質成分（輔因子或輔酶）來維持其催化活性。這些輔因子/輔酶可能是有機小分子（如維生素衍生物）或金屬離子。
   • 影響：
     • 輔因子/輔酶合成障礙：如果合成輔因子或輔酶的酶本身有缺陷，或者其前體物質攝入不足（如維生素缺乏），則會導致輔因子/輔酶的絕對缺乏。
     • 輔因子/輔酶運輸或利用障礙：細胞可能無法有效地將輔因子/輔酶運輸到酶的作用位點，或者無法正確地將其結合到酶上。
   • 例子：某些維生素缺乏症（如腳氣病，缺乏硫胺素焦磷酸 TPP，影響丙酮酸脫羧酶等）或某些遺傳性疾病（如葉酸代謝缺陷）會影響輔酶的供應，進而影響依賴這些輔酶的酶的活性。

3. 翻譯後修飾 (Post-Translational Modifications, PTMs) 的異常：

   • 機制：許多酶在合成後需要進行特定的翻譯後修飾才能完全活化或被正確調控。這些修飾包括磷酸化、糖基化、乙醯化、水解（如切除信號肽或前體片段）等。
   • 影響：

本題要求解釋四個生物化學和分子生物學的術語。

1) serine protease (2%)

• 定義：絲胺酸蛋白酶 (serine protease) 是一類含有絲胺酸 (serine) 殘基在其活性位點的蛋白酶。這個絲胺酸殘基在催化反應中起關鍵作用。
• 機制：絲胺酸蛋白酶通過一個稱為「催化三聯體」(catalytic triad) 的胺基酸殘基組合來催化肽鍵的水解。這個三聯體通常由絲胺酸 (Ser)、組胺酸 (His) 和天冬胺酸 (Asp) 組成。絲胺酸的羥基 (-OH) 攻擊肽鍵的羰基碳，在組胺酸的幫助下形成一個中間體，然後被水解。
• 例子：胰蛋白酶 (trypsin)、糜蛋白酶 (chymotrypsin)、胃蛋白酶 (pepsin)（雖然胃蛋白酶是酸性蛋白酶，但其催化機制也涉及絲胺酸，但更常指中性或鹼性條件下的絲胺酸蛋白酶）、血漿中的凝血因子（如凝血酶 thrombin）等。
• 功能：在消化、血液凝固、免疫反應、細胞凋亡等許多生理過程中發揮重要作用。

2) allosteric regulation (3%)

• 定義：別構調節 (allosteric regulation) 是一種蛋白質（通常是酶）的活性受到其別構位點 (allosteric site) 上分子結合的調控。別構位點與蛋白質的活性位點 (active site) 不同。
• 機制：當一個調節分子（別構效應物 allosteric effector）結合到別構位點時，它會引起蛋白質構象的改變，從而影響活性位點對底物的結合親和力或催化效率。
• 類型：
  • 別構激活劑 (Allosteric activator)：結合別構位點後，增加酶的活性（例如，增加底物親和力或催化速率）。
  • 別構抑制劑 (Allosteric inhibitor)：結合別構位點後，降低酶的活性（例如，降低底物親和力或催化速率）。
• 特點：別構調節通常涉及蛋白質的構象變化，並且調節分子與活性位點的結合無關。這種調節方式對於細胞代謝途徑的精確控制非常重要，例如，途徑的終產物常常是起始酶的別構抑制劑，形成反饋抑制。
• 例子：磷酸果糖激酶-1 (PFK-1) 是糖酵解途徑中的一個關鍵酶，它受到 ATP（抑制劑）和 AMP/Fructose-2,6-bisphosphate（激活劑）的別構調節。

3) prosthetic group (2%)

• 定義：輔基 (prosthetic group) 是指緊密結合在蛋白質上的非蛋白質化學基團，它們是蛋白質功能所必需的，並且通常通過共價鍵或非常牢固的非共價鍵連接。
• 與輔因子/輔酶的區別：輔基是輔因子 (cofactor) 的一種。輔因子泛指酶活性所需的非蛋白質成分，可以是有機小分子（輔酶）或無機離子。

本題考驗學生對酶動力學實驗設計和數據分析的理解，特別是如何通過實驗測定酶的最大反應速率 ($V_{max}$) 和米氏常數 ($K_m$)。

核心觀念：

• 米氏酶動力學 (Michaelis-Menten Kinetics)：描述酶催化反應速率與底物濃度之間關係的模型。
• $V_{max}$ (Maximum Velocity)：當底物濃度足夠高，使得所有酶分子都被底物飽和時，反應所能達到的最大速率。
• $K_m$ (Michaelis Constant)：底物濃度為 $V_{max}$ 的一半時的底物濃度。它反映了酶對底物的親和力（$K_m$ 越低，親和力越高）。
• 實驗設計：需要控制酶濃度、溫度、pH 等條件恆定，並改變底物濃度，測量反應速率。

實驗步驟與數據分析：

1. 實驗準備：

   • 酶溶液：準備已知濃度和活性的酶溶液。
   • 底物溶液：準備一系列不同濃度的底物溶液。
   • 緩衝液：使用能維持酶最佳活性條件的緩衝液（pH, 離子強度）。
   • 反應體系：確保所有組件（酶、底物、緩衝液）的體積和濃度在實驗條件下是恆定的。
   • 測量方法：選擇一種能夠實時或準確測量反應產物生成速率或底物消耗速率的方法。這可以是光譜法（測量產物或底物在特定波長的光吸收變化）、色譜法、電化學法等。

2. 進行實驗：

   • 在恆定的溫度下，將酶溶液加入到不同濃度的底物溶液（以及緩衝液）中，啟動反應。
   • 在反應過程中，連續或間隔測量反應速率。
   • 對於每個底物濃度，至少進行三次重複實驗，以確保結果的可靠性。

3. 數據收集與處理：

   • 對於每一個底物濃度 $[S]$，測量反應速率 $v$。
   • 需要繪製 $v$ 與 $[S]$ 的圖（稱為米氏圖或初速率圖）。
   • 在米氏圖中，隨著 $[S]$ 的增加，反應速率 $v$ 會逐漸升高，最終趨於一個平台，這個平台對應的速率就是 $V_{max}$。

4. 測定 $V_{max}$：

   • 直接觀察法：在米氏圖上，觀察當底物濃度增加到一定程度後，反應速率不再顯著增加，達到一個飽和水平。這個飽和速率即為 $V_{max}$。
   • 數學估算：可以通過非線性迴歸分析，直接擬合實驗數據到米氏方程 $v = \frac{V_{max}[S]}{K_m + [S]}$，從而得到 $V_{max}$ 和 $K_m$ 的值。

5. 測定 $K_m$：

   • 從米氏圖估算：
     1. 確定 $V_{max}$ 的值。
     2. 計算 $V_{max}/2$。
     3. 在米氏圖上找到對應於 $V_{max}/2$ 的反應速率，然後從圖上讀出此速率對應的底物濃度。這個底物濃度就是 $K_m$。
   • 使用線性轉換圖：為了更精確地確定 $V_{max}$ 和 $K_m$，通常會將米氏方程進行線性轉換，其中最常用的是林-伯格-哈夫圖 (Lineweaver-Burk plot)。

本題要求全面闡述細胞膜雙層結構（membrane bilayer）的相關知識，涵蓋其組成、結構、性質、研究方法和功能。

1. 膜雙層是什麼？(What is a membrane bilayer?)
膜雙層是細胞膜和許多細胞器膜的基本結構框架。它是由兩層磷脂分子（phospholipids）組成的結構，其中疏水尾部朝向內部，親水頭部朝向外部（細胞質和細胞外環境）。

2. 膜雙層有什麼用？(What is it for?)
膜雙層的主要作用是作為細胞的屏障，將細胞內部與外部環境隔開，維持細胞內部的穩定環境，並控制物質進出的選擇性。

3. 膜雙層由什麼組成？(What is it made of?)
膜雙層主要由磷脂分子構成。此外，還有膽固醇、糖脂、糖蛋白、蛋白質等成分。

4. 膜雙層的化學組成是什麼？(What are its chemical constituents?)

• 磷脂 (Phospholipids)：
  • 結構：由甘油骨架、兩個脂肪酸鏈（疏水尾部）、一個磷酸基團和一個醇分子（如膽鹼 choline, 乙醇胺 ethanolamine, 絲胺酸 serine, 肌醇 inositol）連接到磷酸基團上（親水頭部）組成。
  • 兩親性 (Amphipathic)：磷脂分子同時具有親水頭部和疏水尾部。
  • 種類：磷脂醯膽鹼 (phosphatidylcholine, PC)、磷脂醯乙醇胺 (phosphatidylethanolamine, PE)、磷脂醯絲胺酸 (phosphatidylserine, PS)、磷脂醯肌醇 (phosphatidylinositol, PI) 等。
• 膽固醇 (Cholesterol)：
  • 結構：一種固醇類脂質，具有一個小的親水頭部和一個龐大的疏水環狀結構。
  • 作用：嵌入磷脂雙層中，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，它阻止磷脂緊密堆積，增加膜的流動性。
• 糖脂 (Glycolipids)：
  • 結構：由脂質（通常是鞘糖脂 ceramide）和連接在其上的寡糖鏈組成。
  • 位置：位於細胞膜的外表面。
• 蛋白質 (Proteins)：
  • 整合蛋白 (Integral proteins)：嵌入或橫跨整個膜雙層。
  • 周邊蛋白 (Peripheral proteins)：附著在膜的表面，通常通過與整合蛋白或磷脂頭部相互作用。
  • 脂質錨定蛋白 (Lipid-anchored proteins)：通過共價鍵連接到脂質分子上。

5. 膜雙層有什麼性質？(What properties does it have?)

• 流動性 (Fluidity)：膜雙層不是剛性的結構，磷脂分子和蛋白質可以在膜平面上移動。流動性受溫度、脂肪酸鏈的飽和度（不飽和脂肪酸增加流動性）和膽固醇含量影響。
• 選擇性通透性 (Selective Permeability)：膜雙層對小分子、非極性物質（如 O$_2$, CO$_2$）通透性較高，對離子和小分子極性物質（如水）通透性較低，對大分子（如葡萄糖、蛋白質）幾乎不通透。
• 自發形成雙層結構：在水性環境中，磷脂分子會自發地組織成雙層結構，這是由於其兩親性，疏水尾部趨於避開水，親水頭部則與水接觸，形成能量上最穩定的結構。
• 對稱性 (Asymmetry)：膜雙層在化學組成上是不對稱的，外層和內層的磷脂種類、糖脂和糖蛋白的分布是不同的。

6. 研究膜雙層性質的方法有哪些？(What are the methods to study its properties?)

• 電子顯微鏡 (Electron Microscopy)：特別是透射電子顯微鏡 (TEM)，可以觀察細胞膜的超薄切片，顯示其雙層結構。冷凍斷裂 (freeze-fracture) 技術可以將膜解離成兩層，並觀察膜內蛋白質的分布。
• 細胞分離與化學分析：將細胞膜分離出來，然後通過化學方法分析其脂質、蛋白質和碳水化合物的組成。
• 光譜學方法：
  • 紫外-可見光譜：用於定量蛋白質和核酸。
  • 核磁共振 (NMR)：可以提供有關脂質分子運動和膜結構的動態信息。
  • 螢光光譜：利用螢光標記的脂質或蛋白質，可以研究膜的流動性、相分離等。
• 細胞學實驗：
  • 細胞融合實驗：將不同細胞融合，觀察膜蛋白的混合過程，研究膜的流動性。
  • FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching)：通過螢光標記膜組分，用激光漂白局部區域，然後觀察螢光的恢復情況，測量膜組分的移動速率，從而評估膜的流動性。
  • 細胞培養與基因工程：通過基因敲除或表達特定基因，研究特定膜成分對膜性質和功能的影響。
• 脂質體 (Liposome) 構建：將純化的磷脂在體外重組成脂質體，模擬細胞膜雙層，用於研究膜的物理化學性質和運輸功能。

本題考驗學生對尿素循環 (Urea Cycle) 的理解，包括其代謝途徑、相關疾病、治療方法、與其他代謝途徑的聯繫以及關鍵中間產物的角色。

核心觀念：

• 尿素循環：肝臟中將氨 (NH$_3$) 轉化為尿素 (urea) 的代謝途徑，是排出體內過量氮的主要方式。
• 氨的來源：主要來自胺基酸的脫氨基作用。
• 尿素的去向：由血液運送到腎臟，通過尿液排出。
• 相關疾病：尿素循環缺陷（尿素循環障礙 Urea Cycle Disorders, UCDs）會導致氨在體內積聚，引起高氨血症 (hyperammonemia)。
• 與其他代謝途徑的聯繫：尿素循環與檸檬酸循環 (citric acid cycle) 密切相關，它們之間通過天冬胺酸 (aspartate) 和延胡索酸 (fumarate) 進行物質交換。

題目分析與解答：

1. Describe the figure below.

• 圖示內容：圖示為尿素循環的代謝途徑，發生於肝細胞的細胞質和粒線體基質中。
• 起始物質：循環開始於氨 (NH$_3$) 和碳酸氫根 (HCO$_3^-$)，通過氨基甲醯磷酸合成酶 I (Carbamoyl phosphate synthetase I, CPS I) 的催化，在粒線體內生成氨基甲醯磷酸 (carbamoyl phosphate)。同時，胺基酸代謝產生的 $\alpha$-酮酸（如 $\alpha$-ketoglutarate）經過轉氨基作用，將胺基轉移到草醯乙酸 (oxaloacetate) 形成天冬胺酸 (aspartate)，這也是尿素循環的另一個氮源。
• 尿素循環步驟：
  1. 氨基甲醯磷酸合成 (粒線體)：NH$_3$ + HCO$_3^-$ + 2 ATP → Carbamoyl phosphate + 2 ADP + Pi (催化劑: CPS I)。
  2. 鳥氨酸轉氨甲醯化 (粒線體)：Carbamoyl phosphate + Ornithine → Citrulline + Pi (催化劑: Ornithine transcarbamoylase, OTC)。
  3. 細胞質步驟：Citrulline 離開粒線體進入細胞質。
  4. 天冬胺酸參與：Citrulline + Aspartate + ATP → Argininosuccinate + AMP + PPi (催化劑: Argininosuccinate synthetase)。此反應將天冬胺酸的氨基引入循環。
  5. 水解：Argininosuccinate → Arginine + Fumarate (催化劑: Argininosuccinase)。
  6. 尿素生成：Arginine + H$_2$O → Urea + Ornithine (催化劑: Arginase)。尿素被釋放，鳥氨酸 (Ornithine) 重新進入循環。
• 與檸檬酸循環的聯繫：
  • 延胡索酸 (Fumarate)：尿素循環的步驟 5 產生的延胡索酸，可以進入檸檬酸循環 (TCA cycle)，被轉化為蘋果酸 (malate)，再轉化為草醯乙酸 (oxaloacetate)。
  • 天冬胺酸 (Aspartate)：草醯乙酸 (oxaloacetate) 可以通過轉氨基作用，接受來自其他胺基酸（如麩胺酸 glutamate）的胺基，生成天冬胺酸 (aspartate)，再進入尿素循環。這個過程稱為 鳥氨酸循環 (Ornithine-Aspartate Cycle) 或 鳥氨酸-天冬胺酸循環，它將檸檬酸循環和尿素循環聯繫起來。

2. What are the diseases associated with it?

• 尿素循環障礙 (Urea Cycle Disorders, UCDs)：這是由尿素循環中任一關鍵酶的基因突變引起的遺傳性疾病。
• 主要疾病：
  • 氨基甲醯磷酸合成酶 I 缺乏症 (CPS I deficiency)
  • 鳥氨酸轉氨甲醯化酶缺乏症 (OTC deficiency)：這是最常見的 X 染色體連鎖遺傳性 UCD。
  • 瓜氨酸血症 (Citrullinemia)：瓜氨酸合成酶缺乏症。
  • 精氨基琥珀酸尿症 (Argininosuccinic aciduria)：精氨基琥珀酸裂解酶缺乏症。
  • 精胺酸血症 (Argininemia)：精胺酸酶缺乏症。
• 症狀：由於尿素循環受損，氨無法被有效轉化為尿素排出，導致血液中氨濃度升高（高氨血症）。高氨血症對大腦有毒性，引起神經系統症狀，如嘔吐、嗜睡、煩躁、學習困難、智力低下、癲癇，嚴重時可導致昏迷甚至死亡。症狀的嚴重程度取決於酶缺陷的嚴重程度和氨在體內的積聚水平。

3. How does one deal with the diseases?

• 治療原則：降低體內氨的產生，促進氨的排出，避免誘發因素。
• 治療方法：
  • 飲食控制：嚴格限制蛋白質攝入（尤其是含有大量胺基酸的食物），以減少氨的生成。
  • 藥物治療：
    • 排氨藥物：如苯甲酸鈉 (sodium benzoate) 和苯乙酸鈉 (sodium phenylacetate) 或苯乙酸甘油酯 (glycerol phenylbutyrate)。它們可以與甘氨酸 (glycine) 或穀氨酰胺 (glutamine) 結合，形成易於排出的產物（如馬尿酸 hippurate 和苯乙醯谷氨酰胺 phenylacetylglutamine），從而將氨從體內清除。
    • 促進尿素循環的藥物：如 N-carbamylglutamate (NCG)，它可以激活 CPS I，提高尿素循環的效率（適用於 CPS I 缺乏症）。
  • 清除氨的方法：在急性高氨血症危象時，可能需要緊急處理，如血液透析 (hemodialysis) 或血液灌流 (hemoperfusion) 來快速清除血液中的氨。

本題考驗學生對真核和原核 mRNA 結構差異及其對轉譯 (translation) 影響的理解。

核心觀念：

• mRNA (messenger RNA)：攜帶 DNA 遺傳信息，作為模板指導蛋白質合成的 RNA 分子。
• 轉譯 (Translation)：核糖體 (ribosome) 根據 mRNA 的密碼子序列合成蛋白質的過程。
• 真核生物 (Eukaryotes)：細胞核內有膜包裹的細胞器（如細胞核、粒線體），基因結構複雜，mRNA 需要經過轉錄後加工 (post-transcriptional modification)。
• 原核生物 (Prokaryotes)：細胞沒有膜包裹的細胞器，基因結構相對簡單，轉錄和轉譯可以偶聯進行。

比較與影響：

1) 5' modification

• 真核 mRNA：

  • 特徵：真核 mRNA 在其 5' 末端有一個特殊的結構，稱為 5' 帽 (5' cap)，通常是 7-甲基鳥苷 (7-methylguanosine, m$^7$G)，通過一個 5'-5' 三磷酸鍵連接到 mRNA 的第一個核苷酸上。
  • 功能：
    • 保護：保護 mRNA 免受 5'→3' 核酸酶的降解，增加 mRNA 的穩定性。
    • 轉運：幫助 mRNA 從細胞核運輸到細胞質。
    • 轉譯起始：是核糖體識別和結合 mRNA 的重要信號，促進核糖體小亞基（40S）識別 5' 帽，並沿 mRNA 移動尋找起始密碼子 (AUG)。

• 原核 mRNA：

  • 特徵：原核 mRNA 在 5' 末端沒有 5' 帽結構。
  • 影響：由於沒有 5' 帽，原核 mRNA 的穩定性相對較低，且其 5' 末端直接暴露。轉譯起始的識別機制不同。

• 對轉譯的影響：真核 mRNA 的 5' 帽是轉譯起始的關鍵信號，它幫助核糖體結合並定位到起始密碼子上。原核 mRNA 則依賴於其他機制（見下文 Shine-Dalgarno 序列）來進行轉譯起始。

2) Shine-Dalgarno sequence

• 真核 mRNA：

  • 特徵：真核 mRNA 在 5' 末端沒有 Shine-Dalgarno 序列。
  • 轉譯起始：真核生物的轉譯起始主要依賴於 5' 帽結構和起始因子 eIFs（eukaryotic initiation factors），核糖體小亞基結合到 5' 帽上，然後掃描 mRNA 直到遇到起始密碼子 AUG。

• 原核 mRNA：

  • 特徵：在起始密碼子 AUG 前約 6-10 個核苷酸的位置，原核 mRNA 通常有一個富含嘌呤的序列，稱為 Shine-Dalgarno 序列（AGGA 或類似序列）。
  • 功能：Shine-Dalgarno 序列是核糖體大亞基（30S）的 16S rRNA 的反向互補序列 (anti-Shine-Dalgarno sequence)。它通過鹼基配對，將核糖體準確地定位在起始密碼子 AUG 上，確保轉譯的準確起始。

• 對轉譯的影響：Shine-Dalgarno 序列是原核生物轉譯起始識別和定位的關鍵，確保核糖體能準確地結合到起始密碼子上。真核生物則依賴 5' 帽和掃描機制。

3) polycistronic/monocistronic

• 真核 mRNA：

  • 特徵：真核 mRNA 通常是單順反子 (monocistronic) 的。這意味著一個 mRNA 分子只編碼一個蛋白質。
  • 結構：包含一個開放閱讀框 (Open Reading Frame, ORF)，兩側有 5' 和 3' 非翻譯區 (UTRs)。
  • 轉譯：由於是單順反子，核糖體結合到 5' 帽後，掃描到第一個 AUG 密碼子，然後開始合成一個蛋白質。

• 原核 mRNA：

  • 特徵：原核 mRNA 通常是多順反子 (polycistronic) 的。這意味著一個 mRNA 分子可以包含多個獨立的開放閱讀框 (ORFs)，每個 ORF 都編碼一個蛋白質，並且每個 ORF 前面通常都有自己的 Shine-Dalgarno 序列和起始密碼子。
  • 結構：一個長 mRNA 分子可以包含多個編碼單元，由非編碼區隔開。
  • 轉譯：核糖體可以結合到 mRNA 的不同 Shine-Dalgarno 序列上，獨立地起始合成不同的蛋白質。這使得原核生物能夠高效地協調相關基因的表達（例如，操縱子 operon 的基因產物）。

• 對轉譯的影響：多順反子 mRNA 允許原核生物一次性轉譯多個相關蛋白質，提高了基因表達的效率和協調性。單順反子 mRNA 則更為精確和獨立地調控單個蛋白質的合成。

4) 3' modification

• 真核 mRNA：

  • 特徵：真核 mRNA 在其 3' 末端通常有一個聚腺苷酸尾 (polyadenylated tail, poly-A tail)，由數十到數百個腺苷酸 (A) 組成。這個尾巴是由一種稱為聚腺苷酸化酶 (polyadenylate polymerase) 的酶在轉錄後添加的，不依賴於 DNA 模板。
  • 功能：
    • 穩定性：保護 mRNA 免受 3'→5' 核酸酶的降解。Poly-A 尾的長度會隨著時間縮短，當尾巴變得太短時，mRNA 會被降解。
    • 轉運：幫助 mRNA 從細胞核運輸到細胞質。
    • 轉譯效率：Poly-A 尾和其結合的蛋白質 (Poly-A binding proteins, PABPs) 可以與 5' 帽和起始因子相互作用，形成一個環狀的 mRNA 結構，這被認為能提高轉譯的效率。

• 原核 mRNA：

  • 特徵：原核 mRNA 通常沒有 poly-A 尾。
  • 穩定性：原核 mRNA 的穩定性相對較低，壽命較短，這使得原核生物能夠根據環境變化快速調整基因表達。它們的降解通常由內切核酸酶 (endonucleases) 開始。
  • 影響：由於缺乏 poly-A 尾的保護，原核 mRNA 的半衰期較短。

本題考驗學生對蛋白質翻譯後修飾 (Post-Translational Modifications, PTMs) 的理解，包括其功能以及涉及的胺基酸殘基。

核心觀念：

• 翻譯後修飾 (PTMs)：蛋白質在核糖體上合成後，通過化學修飾來改變其性質、功能、定位或穩定性。PTMs 是蛋白質功能調控的重要機制。
• 多樣性：PTMs 非常多樣，影響蛋白質的摺疊、穩定性、活性、信號傳導、定位、降解等。

解釋各項 PTMs：

1) Ubiquitination (泛素化)

• 功能：
  • 蛋白質降解：最常見的功能是將目標蛋白質標記，使其被蛋白酶體 (proteasome) 識別並降解。這對於清除受損蛋白質、調控蛋白質周轉和參與細胞信號通路（如 NF-κB 激活）至關重要。
  • 非降解信號：泛素化也可以作為非降解信號，參與 DNA 修復、蛋白質定位、信號傳導、內吞作用等。泛素鏈的類型（單泛素化、多聚泛素化、鏈的連接方式）決定了其功能。
• 胺基酸殘基：泛素分子通過其 C-末端的甘胺酸 (Glycine) 殘基，共價連接到目標蛋白質的離胺酸 (Lysine, Lys) 殘基的 $\epsilon$-胺基 (-NH$_2$) 上。一個目標蛋白可以被連接一個或多個泛素分子，形成單泛素化或多聚泛素化。

2) Isoprenylation (異戊烯基化)

• 功能：
  • 膜定位：將目標蛋白質錨定到細胞膜上。異戊烯基鏈（如法尼基 farnesyl 或香葉基香葉基 geranylgeranyl）是疏水性的，有助於蛋白質插入到細胞膜的脂質雙層中。
  • 蛋白質-蛋白質相互作用：參與蛋白質與膜的結合，以及蛋白質與其他膜結合蛋白質的相互作用。
  • 信號傳導：許多參與信號傳導的蛋白質，如 Ras GTP 酶，需要異戊烯基化才能發揮其功能。
• 胺基酸殘基：異戊烯基化通常發生在蛋白質 C-末端的半胱氨酸 (Cysteine, Cys) 殘基上。最常見的 C-末端序列是 CAAX 模體 (C=Cys, A=任何脂肪族胺基酸, X=任何胺基酸)，其中半胱氨酸的硫醇 (-SH) 基團與異戊烯基鏈形成硫醚鍵。

3) Methylation (甲基化)

• 功能：
  • 蛋白質功能調控：甲基化可以影響蛋白質的結構、穩定性、與其他分子的結合能力或亞細胞定位。
  • 組蛋白修飾：在組蛋白的特定殘基（如 Lys, Arg）上的甲基化是表觀遺傳調控的重要方式，可以激活或抑制基因轉錄。
  • 蛋白質-蛋白質相互作用：影響蛋白質間的結合。
• 胺基酸殘基：甲基化最常見於離胺酸 (Lysine, Lys) 和精胺酸 (Arginine, Arg) 的側鏈。