108 年 國立成功大學醫學檢驗生物技術研究所《分子生物學及細胞生物學》

本題考驗 Henderson-Hasselbalch 方程式的應用，用來計算特定 pH 下弱酸（或其共軛鹼）的比例。

核心觀念：
Henderson-Hasselbalch 方程式：$pH = pK_a + \log_{10}\frac{[A^-]}{[HA]}$
其中 $pH$ 是溶液的酸鹼度，$pK_a$ 是該物質的酸解離常數，$[A^-]$ 是弱鹼（去質子化形式）的濃度，$[HA]$ 是弱酸（質子化形式）的濃度。

解題步驟：

1. 辨識物質與參數：題目中提到 nucleoside adenosine 存在質子化形式，其 $pK_a = 3.8$。我們關心的是在 $pH = 4.8$ 時，質子化形式（可視為弱酸 $HA$）的比例。
2. 應用 Henderson-Hasselbalch 方程式：
   將已知數值代入方程式：
   $4.8 = 3.8 + \log_{10}\frac{[A^-]}{[HA]}$
3. 計算濃度比值：
   移項得：
   $4.8 - 3.8 = \log_{10}\frac{[A^-]}{[HA]}$

本題考驗對胺基酸結構及其在蛋白質二級結構中影響的理解。

核心觀念：
蛋白質的 $\alpha$-螺旋結構是透過肽鍵（peptide bond）形成氫鍵來穩定，其中胺基酸的側鏈（R group）朝外。然而，脯胺酸（Proline）的結構特殊，它的側鏈與胺基的 $\alpha$-碳原子相連，形成一個環狀結構，且其胺基實際上是一個亞胺基（imino group）。這種結構限制了脯胺酸的自由旋轉，並且在肽鏈中，脯胺酸的亞胺基氮原子無法提供氫鍵給 $\alpha$-螺旋的穩定，反而可能因為其結構僵硬而破壞 $\alpha$-螺旋的形成。

解題步驟：

1. 分析脯胺酸的結構：脯胺酸是唯一一個側鏈與胺基氮原子形成環狀結構的胺基酸。其胺基實際上是亞胺基 (-NH-)，而非一般的胺基 (-NH2)。
2. 理解 $\alpha$-螺旋結構的形成：$\alpha$-螺旋結構依賴於肽鍵之間的氫鍵形成，以及胺基酸側鏈的排列。
3. 評估脯胺酸對 $\alpha$-螺旋的影響：

本題考驗對酶動力學中 Km（Michaelis constant）定義的理解。

核心觀念：
Michaelis-Menten 動力學描述了酶催化反應的速度與受質濃度的關係。其中，$K_m$（Michaelis constant）是一個重要的參數。

定義：
$K_m$ 在實驗操作上（operationally）定義為：當受質濃度（[S]）等於 $K_m$ 時，酶促反應的初速率（$v_0$）達到最大反應速率（$V_{max}$）的一半。
即：當 $[S] = K_m$ 時，$v_0 = \frac{1}{2}V_{max}$。

此外，$K_m$ 在特定條件下，也代表了酶與受質形成複合物（ES complex）的解離常數（dissociation constant, $K_d$）。然而，題目要求的是「定義為操作上」（defined operationally），因此選項 A 是最直接且操作上最準確的定義。

解題步驟：

1. 回憶 Michaelis-Menten 方程式：$v_0 = \frac{V_{max}[S]}{K_m + [S]}$
2. 理解 $K_m$ 的操作性定義：
   當反應速率 $v_0$ 等於 $V_{max}$ 的一半時，即 $v_0 = \frac{1}{2}V_{max}$。

本題考驗對遺傳密碼（genetic code）基本原理的理解，特別是密碼子長度與可編碼胺基酸數量的關係。

核心觀念：
遺傳密碼是 DNA 或 RNA 中核苷酸序列與蛋白質中胺基酸序列之間的對應關係。密碼子（codon）是組成遺傳密碼的基本單位，在標準遺傳密碼中，每個密碼子由三個核苷酸組成。

解題步驟：

1. 理解密碼子與核苷酸的關係：
   DNA 和 RNA 中有四種核苷酸：腺嘌呤 (A)、鳥糞嘌呤 (G)、胞嘧啶 (C) 和尿嘧啶 (U) (在 RNA 中) 或胸腺嘧啶 (T) (在 DNA 中)。
2. 計算標準遺傳密碼的密碼子數量：
   在標準遺傳密碼中，密碼子由 3 個核苷酸組成。
   每種核苷酸有 4 種可能性。
   因此，可能的密碼子總數為 $4 \times 4 \times 4 = 4^3 = 64$ 種。

核心觀念

本題考查 E. coli 的 lac operon 誘導調控。

在正常情況下：

• 無乳糖時，lac repressor 與 operator 結合，阻止 RNA polymerase 進行轉錄。
• 有乳糖時，乳糖代謝產物 allolactose 作為 inducer，與 lac repressor 結合，使 repressor 構形改變、脫離 operator，因而允許結構基因轉錄。
• lacZ 基因轉錄後可合成具有功能的 $\beta$-galactosidase。

題目設定為 lac repressor 無法與 inducer 結合。此時即使細胞中存在乳糖，repressor 仍維持能夠結合 operator 的構形，持續抑制 lac operon 的轉錄。

這種突變型 repressor 常稱為 superrepressor，可表示為 $lacI^s$。

解題方法

判斷此題的關鍵，是先確認 inducer 對 repressor 的作用：

$$\text{inducer}+\text{lac repressor} \longrightarrow \text{repressor 構形改變} \longrightarrow \text{無法繼續結合 operator}$$

若 lac repressor 無法結合 inducer，上述構形改變不會發生，因此：

$$\text{repressor 持續結合 operator} \longrightarrow \text{lacZ 轉錄受抑制} \longrightarrow \beta\text{-galactosidase 幾乎不合成}$$

因此，即使有乳糖存在，也無法有效誘導 $\beta$-galactosidase 的生成。

選項分析

(A) constitutive synthesis of β-galactosidase

錯誤。Constitutive synthesis 指基因不論是否有誘導物，都持續表現。這通常發生於：

本題考驗對碳水化合物（葡萄糖）和脂肪酸在有氧代謝過程中，進入三羧酸循環（TCA cycle）的共同代謝中間產物的理解。

核心觀念：

1. 葡萄糖的有氧代謝：葡萄糖首先經過醣解作用（glycolysis）分解為丙酮酸（pyruvate）。丙酮酸進入粒線體後，經過丙酮酸去氫酶複合物（pyruvate dehydrogenase complex）的催化，轉化為乙醯輔酶 A（acetyl CoA），然後進入三羧酸循環。
2. 脂肪酸的有氧代謝：脂肪酸經過 $\beta$-氧化（$\beta$-oxidation）過程，在粒線體中被分解成一系列的乙醯輔酶 A（acetyl CoA）分子。這些 acetyl CoA 也進入三羧酸循環。
3. 三羧酸循環（TCA cycle）：是細胞有氧呼吸的核心代謝途徑，將 acetyl CoA 氧化產生 ATP、NADH 和 FADH2。

解題步驟：

1. 追溯葡萄糖的代謝路徑：葡萄糖 $\rightarrow$ 丙酮酸 $\rightarrow$ 乙醯輔酶 A $\rightarrow$ 三羧酸循環。

本題考驗對反轉錄酶（reverse transcriptase）特性及其在 cDNA 文庫構建中的應用的理解。

核心觀念：
cDNA (complementary DNA) 文庫是利用 mRNA 作為模板，通過反轉錄酶合成的 DNA 文庫。這對於研究基因在特定細胞或組織中的表達情況非常有用，因為 mRNA 的豐度與基因表達水平相關。

反轉錄酶的特性：

• RNA-dependent DNA polymerase：這是反轉錄酶最核心的酶活性。它能以 RNA 為模板合成 DNA。
• DNA-dependent DNA polymerase：它也能以 DNA 為模板合成 DNA。
• RNAse H 活性：它還具有降解 RNA 模板的核酸酶活性，有助於完成雙鏈 DNA 的合成。

解題步驟：

1. 理解 cDNA 文庫的構建原理：cDNA 文庫是從 mRNA 反轉錄而來。因此，需要一種酶能夠以 RNA 為模板合成 DNA。
2. 分析反轉錄酶的特性：反轉錄酶（reverse transcriptase）正是這樣一種酶，它的關鍵功能是 RNA-dependent DNA polymerase，即以 RNA 為模板合成 DNA。
3. 評估選項：

本題考驗對紫外線（UV）對 DNA 造成損傷的機制、後果以及細胞修復能力的理解。題目要求找出不正確的敘述。

核心觀念：

1. UV 損傷機制：紫外線（特別是 UV-B 和 UV-C）能量可以被 DNA 的嘧啶鹼基（胞嘧啶 C 和胸腺嘧啶 T）吸收。吸收能量後，相鄰的嘧啶鹼基（特別是胸腺嘧啶 T）之間會形成共價鍵，最常見的是形成胸腺嘧啶二聚體（thymine dimer），也稱為嘧啶二聚體（pyrimidine dimer）。
2. UV 損傷的後果：這些嘧啶二聚體會扭曲 DNA 的雙螺旋結構，阻礙 DNA 聚合酶的正常複製和 RNA 聚合酶的正常轉錄。
3. UV 的最有效波長：DNA 對 260 nm 波長的紫外線吸收最強，因此這個波長範圍的紫外線對 DNA 造成的損傷最大。
4. 細胞的修復機制：大多數細胞擁有多種 DNA 修復系統來修復 UV 損傷，例如光復酶（photolyase）直接裂解嘧啶二聚體（光修復），或核苷酸切除修復（nucleotide excision repair, NER）系統切除受損區域並重新合成。
5. 磷酸二酯鍵：磷酸二酯鍵是 DNA 骨架的組成部分，連接相鄰的核苷酸。UV 損傷主要是在嘧啶鹼基之間形成共價鍵，而不是直接斷裂磷酸二酯鍵。

本題考驗對「沉默突變」（silent mutation）定義的理解。

核心觀念：
突變是指 DNA 序列發生的改變。根據突變對基因產物（蛋白質）的影響，可以分為：

• 沉默突變（Silent mutation）：DNA 序列發生改變，但由於遺傳密碼的簡併性（degeneracy），改變後的密碼子編碼的是相同的胺基酸。因此，蛋白質的胺基酸序列不變。
• 錯義突變（Missense mutation）：DNA 序列改變，導致編碼的胺基酸發生改變。
• 無義突變（Nonsense mutation）：DNA 序列改變，導致產生了終止密碼子，提前終止蛋白質的合成。
• 移碼突變（Frameshift mutation）：插入或刪除不是三個核苷酸倍數的核苷酸，導致讀碼框（reading frame）移動，從突變點之後的密碼子都發生改變，通常會嚴重影響蛋白質功能。

解題步驟：

1. 理解「沉默突變」的定義：沉默突變是指 DNA 序列的改變（核苷酸替換）導致 mRNA 密碼子改變，但新的密碼子編碼的胺基酸與原來相同。
2. 分析選項：

本題考驗對真核生物 mRNA 後轉錄修飾（post-transcriptional modification）中 polyadenylation（加 Poly-A 尾）過程的理解。

核心觀念：
真核生物的 mRNA 在轉錄後需要經過一系列修飾才能成為成熟的 mRNA，以便進行轉譯。其中，在 mRNA 的 3' 端添加一串腺嘌呤核苷酸（poly-A 尾）是重要的修飾之一。

1. 轉錄：mRNA 的前體（pre-mRNA）由 RNA 聚合酶 II（RNA polymerase II）在細胞核內轉錄。
2. 加 Poly-A 尾（Polyadenylation）：
   • 在 pre-mRNA 的 3' 端，有一個特定的序列，稱為 Polyadenylation signal (通常是 AAUAAA)。
   • 當 RNA 聚合酶 II 轉錄到這個信號序列附近時，會觸發一個蛋白質複合物的結合，該複合物包含一種內切酶（endonuclease）。
   • 這個內切酶會將 pre-mRNA 在 Polyadenylation signal 之後約 10-30 個核苷酸處切斷（cleavage）。
   • 隨後，另一個酶（Poly-A polymerase）會以 ATP 為原料，在切斷的 3' 端連續添加約 50-250 個腺嘌呤核苷酸，形成 poly-A 尾。
   • 這個過程是在細胞核內發生的。

解題步驟：

1. 分析選項：
   • (A) 「transcribed by RNA polymerase II」：mRNA 本身是由 RNA 聚合酶 II 轉錄的。Poly-A 尾的添加是 post-transcriptional modification，不是直接由 RNA 聚合酶 II 轉錄的。

本題考驗對酵母菌 GAL4 蛋白質功能結構域的理解，特別是其 DNA 結合域。

核心觀念：
GAL4 是一個酵母菌的轉錄因子，它能夠結合到 $GAL$ 基因啟動子（promoter）上，並激活這些基因的轉錄，以代謝半乳糖。GAL4 蛋白質具有多個功能結構域（functional domains）：

1. DNA 結合域（DNA-binding domain, DBD）：負責識別並結合到目標 DNA 序列上。GAL4 的 DNA 結合域屬於鋅指（zinc-finger）家族。
2. 轉錄激活域（transcriptional activation domain, TAD）：負責招募其他轉錄因子或細胞因子，從而促進 RNA 聚合酶的起始轉錄。GAL4 具有兩個不同的 TAD。
3. 二聚化域（dimerization domain）：GAL4 需要形成二聚體才能有效結合 DNA 和激活轉錄。

解題步驟：

1. 分析題目情境：GAL4 蛋白質需要「結合到 DNA」來激活 $GAL1$ promoter 的轉錄。

本題考驗對 CpG islands 甲基化與基因表達調控的理解。

核心觀念：

1. CpG islands： CpG islands 是 DNA 序列中富含胞嘧啶（C）和鳥糞嘌呤（G）的區域，通常位於基因的啟動子（promoter）和 5' 非轉譯區（5' UTR）。
2. CpG 甲基化：胞嘧啶（C）在 CpG dinucleotides 中可以被甲基化，形成 5-甲基胞嘧啶。這個過程由 DNA 甲基轉移酶（DNA methyltransferases, DNMTs）催化。
3. 基因表達調控：CpG islands 的甲基化與基因表達的沉默（silencing）密切相關。當 CpG islands 被甲基化時，通常會導致基因表達的關閉或顯著降低。
   • 甲基化可以改變染色質結構：5-甲基胞嘧啶可以招募甲基化 CpG 結合蛋白（MECP），這些蛋白進一步招募抑制性染色質重塑複合物，導致染色質緻密化，DNA 難以被轉錄因子接近，從而抑制轉錄。
4. 其他修飾：

本題考驗對致癌基因（oncogenes）的理解，特別是它們通常編碼的蛋白質類型。

核心觀念：
致癌基因（oncogenes）是從原癌基因（proto-oncogenes）突變而來，它們在細胞內過度活躍，導致細胞不受控制地增殖。原癌基因通常編碼參與細胞生長、分化和存活的蛋白質，這些蛋白質在細胞信號傳導通路中扮演關鍵角色。

常見的原癌基因產物類型：

1. 生長因子及其受體：如 EGF 受體。
2. 信號轉導蛋白：
   • 酪胺酸激酶（Tyrosine kinases）：如 Src、Abl。它們磷酸化下游的酪胺酸殘基，傳遞生長信號。
   • GTP 結合蛋白（GTP-binding proteins）：如 Ras 家族。它們作為分子開關，在信號傳導中傳遞訊息。
   • 絲胺酸/蘇胺酸激酶（Serine/threonine kinases）：如 Raf。
3. 細胞週期調控蛋白：如細胞週期蛋白（cyclins）和細胞週期蛋白依賴性激酶（CDKs）。
4. DNA 結合蛋白：如轉錄因子（如 Myc、Jun、Fos）。它們調節下游基因的表達。
5. 凋亡調控蛋白。

本題考驗對活躍轉座子（active transposable elements）特徵的理解。

核心觀念：
轉座子（Transposable elements, TEs），也稱為「跳躍基因」（jumping genes），是能夠在基因組內從一個位點移動到另一個位點的 DNA 序列。活躍的轉座子是指那些能夠進行轉座的轉座子。

活躍轉座子的主要特徵：

1. 末端重複序列（Terminal inverted repeats, TIRs）：大多數活躍轉座子（特別是 Class II，DNA only TEs）在兩端各有一個重複的序列，但方向相反（inverted repeats）。這些末端序列是轉座酶（transposase）識別和結合的位點，對於轉座過程至關重要。Class I TEs（Retrotransposons）則有不同的結構特徵，如長末端重複序列（Long Terminal Repeats, LTRs），但它們也涉及末端區域的識別。題目中的「repeated sequences at the ends」可以廣泛地涵蓋這些特徵。
2. 染色體位置和數量的變異：轉座子可以在基因組內複製並移動到新的位置。

本題考驗對單株抗體（monoclonal antibodies, mAbs）與多株抗體（polyclonal antibodies, pAbs）的比較，以及單株抗體的優勢。

核心觀念：

1. 多株抗體（Polyclonal antibodies, pAbs）：由免疫系統中多種不同的 B 細胞克隆產生，針對同一抗原的不同表位（epitope）產生不同種類的抗體。它們是抗體混合物。
2. 單株抗體（Monoclonal antibodies, mAbs）：由單一 B 細胞克隆產生，所有抗體分子都是相同的，它們特異性地識別抗原上的單一特定表位。

比較兩者的優勢：

• 特異性：單株抗體高度特異性，識別抗原上的單一表位。多株抗體識別多個表位，特異性相對較低。
• 均一性：單株抗體是均一的分子，批次間差異小。多株抗體是混合物，批次間差異大。
• 親和力（Affinity）：單株抗體的親和力可以很高，但多株抗體也可能包含高親和力的抗體。單純說「親和力更高」不一定是絕對優勢。
• 交叉連結（Cross-linking）：多株抗體由於識別多個表位，更容易引起抗原的交叉連結，這在某些應用（如免疫沉澱）中有用。單株抗體識別單一表位，交叉連結能力較弱。
• 標記（Coupling with probes）：任何抗體都可以與探針偶聯，單株抗體和多株抗體在這方面沒有絕對的優勢。
• 生產：單株抗體需要雜交瘤技術（hybridoma technology）或噬菌體展示技術等方法生產，技術要求較高。多株抗體相對容易從免疫動物血清中獲得。