108 年 國立成功大學環境醫學研究所乙組《生物化學》

本題主要考查 DNA 複製的過程，特別是落後股的特性。

DNA 複製是一個半保留複製的過程，其中 DNA 聚合酶只能沿著 5' 到 3' 的方向合成新的 DNA 鏈。在雙股 DNA 解旋後，其中一股 DNA 可以直接作為模板，以連續的方式合成新的 DNA 鏈，這稱為前導股 (leading strand)。然而，另一股 DNA 模板的方向與 DNA 聚合酶的合成方向相反，因此無法以連續的方式合成。這股 DNA 就是落後股 (lagging strand)。

落後股的特性如下：

1. 不連續合成 (Discontinuous synthesis)：由於 DNA 聚合酶只能往 5' 到 3' 方向合成，而落後股的模板方向是 3' 到 5'，因此 DNA 的合成必須以短暫的片段進行，這些片段稱為岡崎片段 (Okazaki fragments)。

本題主要考查遺傳密碼的特性，包括退化性、搖擺性與保守性。

遺傳密碼是將 DNA 或 RNA 中的核苷酸序列轉譯為蛋白質中胺基酸序列的規則。一個密碼子 (codon) 由三個核苷酸組成，共有 $4^3 = 64$ 種可能的組合。

1. 退化性 (Degenerate)：
   • 定義：指一種胺基酸可以由一個以上的密碼子所指定。這是因為 64 種密碼子中有 61 種對應胺基酸，而人體內只有 20 種標準胺基酸。
   • 原因：退化性主要發生在密碼子的第三個位置（即 3' 端的位置）。許多胺基酸的密碼子在頭兩個位置相同，而第三個位置不同，但仍能指定相同的胺基酸。例如，脯胺酸 (Pro) 可以由 CCU, CCC, CCA, CCG 四個密碼子指定。
   • 優點：退化性可以減少基因突變對蛋白質結構的影響。如果突變發生在密碼子的第三個位置，很可能仍然指定相同的胺基酸，從而不會改變蛋白質的序列。

本題主要考查測定蛋白質分子量的方法及其原理。

蛋白質的分子量是其重要的物理化學性質之一，有多種方法可以測定。以下列舉三種常用方法及其原理：

1. SDS-PAGE (Sodium Dodecyl Sulfate-Polyacrylamide Gel Electrophoresis)

   • 原理：SDS-PAGE 是一種電泳技術，利用電場驅動帶電分子通過多孔性凝膠。SDS 是一種陰離子去污劑，它能與蛋白質結合，使蛋白質帶負電，並且破壞蛋白質的二級和三級結構，使其伸展成近似線性的多肽鏈。在 SDS-PAGE 中，所有的蛋白質都會帶有相似的負電荷/質量比。因此，蛋白質在凝膠中的遷移速度主要取決於其分子量大小。分子量越小的蛋白質，在凝膠中的遷移速度越快，移動距離越遠；分子量越大的蛋白質，遷移速度越慢，移動距離越近。通過與已知分子量的蛋白質標準品（marker）進行比較，可以估算出未知蛋白質的分子量。
   • 應用：常用於分離和估算蛋白質的分子量，尤其適用於分析蛋白質複合物的分離。

2. 質譜法 (Mass Spectrometry, MS)

   • 原理：質譜法是一種測定離子質荷比 (m/z) 的技術。蛋白質被離子化後，在電場和磁場的作用下，其飛行時間或偏轉角度與其質荷比有關。通過測量不同離子的豐度，可以獲得樣品的質譜圖。

本題考查蛋白質結構中雙硫鍵的作用、形成胺基酸以及含有雙硫鍵的重要蛋白質。

1. 雙硫鍵對蛋白質結構的貢獻：

   • 雙硫鍵（Disulfide bond, -S-S-）是一種共價鍵，通常形成於蛋白質的多肽鏈之間或同一多肽鏈的兩個半胱胺酸殘基之間。
   • 穩定蛋白質的三級和四級結構：雙硫鍵的形成是蛋白質結構穩定化的重要因素，尤其是在細胞外蛋白質中。它將蛋白質的不同區域連結在一起，限制了蛋白質的構象變化，增加了蛋白質的穩定性，使其更能抵抗熱、pH 變化和化學變性劑的影響。
   • 形成特定的蛋白質構象：雙硫鍵的精確位置決定了蛋白質的特定三維結構，這對於蛋白質發揮其生物學功能（如酶活性、結合能力）至關重要。

2. 形成雙硫鍵的胺基酸殘基：

   • 雙硫鍵主要由半胱胺酸 (Cysteine) 殘基形成。半胱胺酸的側鏈含有一个巯基 (-SH)。
   • 在氧化條件下，兩個半胱胺酸殘基的巯基可以脫去氫原子，形成一個雙硫鍵 (-S-S-)。

本題考查脂質過氧化作用的定義及其與多種疾病的關聯性。

1. 脂質過氧化作用 (Lipid Peroxidation)：

   • 定義：脂質過氧化作用是指在自由基（特別是氧自由基，如超氧陰離子 $O_2^{\cdot-}$ 和羥基自由基 $OH^{\cdot-}$）的攻擊下，細胞膜或脂蛋白中的不飽和脂肪酸發生氧化降解的過程。
   • 機制：這個過程是一個連鎖反應，通常包含三個階段：
     • 起始 (Initiation)：自由基奪取不飽和脂肪酸的烯丙基氫原子，形成脂質自由基 (LOO•)。
     • 傳播 (Propagation)：脂質自由基與氧氣反應生成脂質過氧自由基 (LOO•)，然後再奪取另一個不飽和脂肪酸的氫原子，形成脂質過氧化物 (LOOH) 並產生新的脂質自由基，使反應得以延續。
     • 終止 (Termination)：兩個自由基相互反應而終止連鎖反應。
   • 產物：脂質過氧化作用會產生多種有害產物，包括脂質過氧化物 (如丙二醛 MDA, 4-hydroxynonenal HNE) 和各種醛類，這些產物會破壞細胞膜的結構和功能，並對細胞造成氧化損傷。

2. 與疾病的相關性：

   • 癌症 (Cancer)：
     • 脂質過氧化產物（如 MDA, HNE）具有細胞毒性，可以損傷 DNA，導致基因突變，這是癌症發生的重要因素

本題考查單一鹼基點突變對蛋白質（酵素）的影響。

單一鹼基點突變是指 DNA 分子中單一核苷酸的改變，包括替換 (substitution)、插入 (insertion) 或刪除 (deletion)。這裡主要討論替換突變，因為題目提到「單一鹼基的點突變」。

當一段製造酵素的 DNA 發生單一鹼基替換突變時，可能產生以下幾種結果：

1. 無義突變 (Nonsense mutation)：

   • 結果：突變導致原本編碼胺基酸的密碼子轉變為終止密碼子 (stop codon, 如 UAA, UAG, UGA)。
   • 影響：蛋白質的合成會在該點提前終止，產生一個截短的、通常無功能的蛋白質。

2. 錯義突變 (Missense mutation)：

   • 結果：突變導致原本編碼一種胺基酸的密碼子轉變為編碼另一種胺基酸的密碼子。
   • 影響：
     • 保守性錯義突變 (Conservative missense mutation)：新胺基酸的性質（如極性、電荷、大小）與原胺基酸相似，對蛋白質結構和功能的影響可能較小，甚至沒有影響。

本題考查等焦電泳 (Isoelectric Focusing, IEF) 的原理及其應用。

1. 原理 (Principle)：
   • 定義：等焦電泳 (IEF) 是一種基於蛋白質或胺基酸的等電點 (isoelectric point, pI) 進行分離的電泳技術。等電點是指一種物質的淨電荷為零時的 pH 值。
   • 運作機制：
     • 在 IEF 中，通常在一個 pH 梯度中進行電泳。這個 pH 梯度可以通過使用兩性電解質 (ampholytes) 在電場中自行組裝形成。
     • 當蛋白質或胺基酸樣品被加入到這個 pH 梯度中時，它們會開始向電極移動。
     • 如果 pH 值高於蛋白質的 pI（即溶液呈鹼性，蛋白質帶負電），蛋白質會向陽極 (正極) 移動。
     • 如果 pH 值低於蛋白質的 pI（即溶液呈酸性，蛋白質帶正電），蛋白質會向陰極 (負極)移動。
     • 當蛋白質移動到 pH 值等於其 pI 的位置時，其淨電荷變為零，此時它在電場中不再受力，移動停止，並在這個 pH 值上聚集。

本題考查溶酶體 (Lysosome) 的生理功能。

溶酶體是真核細胞內一種重要的囊泡狀細胞器，其內部含有多種酸性水解酶（約 40-50 種），這些酶在酸性 pH 環境（約 pH 4.5-5.0）下活性最高。溶酶體的主要生理功能包括：

1. 細胞內消化 (Intracellular Digestion)：
   • 吞噬作用 (Phagocytosis)：吞噬外來的物質，如細菌、病毒、死亡的細胞碎片等。這些物質被吞噬體 (phagosome) 包裹進入細胞後，會與溶酶體融合，然後溶酶體內的酶將這些異物分解。
   • 胞飲作用 (Pinocytosis)：吞噬細胞外的液體和溶解其中的小分子物質，形成吞噬小泡 (pinocytic vesicle)，隨後與溶酶體融合進行消化。
   • 受體介導的內吞作用 (Receptor-mediated endocytosis)：特定的細胞外分子（如膽固醇、某些蛋白質）通過與細胞膜上的受體結合，被包裹進入細胞形成內吞小泡，然後與溶酶體融合進行消化。

本題考查膽固醇在人體中的重要功能。

雖然高膽固醇血症是心血管疾病的危險因子，但膽固醇本身是維持生命必需的關鍵分子，在人體中扮演著多種重要角色：

1. 細胞膜的結構組分 (Component of Cell Membrane)：

   • 膽固醇是細胞膜的重要結構成分，尤其是在動物細胞中。它嵌入磷脂雙分子層中，其剛性的環狀結構可以調節細胞膜的流動性。
   • 在較低溫度下，膽固醇可以增加膜的流動性；在較高溫度下，它則可以降低膜的流動性，使細胞膜在更寬的溫度範圍內保持穩定。
   • 膽固醇還有助於形成細胞膜上的脂筏 (lipid rafts)，這些區域富含特定的蛋白質，參與細胞信號傳導、內吞作用等重要過程。

2. 合成類固醇激素的前體 (Precursor for Steroid Hormones)：

   • 膽固醇是合成所有類固醇激素的共同前體。這些激素包括：
     • 皮質類固醇 (Corticosteroids)：如皮質醇 (cortisol) 和醛固酮 (aldosterone)，在調節代謝、免疫反應和鹽平衡等方面起作用。

本題考查肝臟在脂質代謝中的作用，以及 Acetyl-CoA 在此過程中的關鍵功能。

肝臟在脂質代謝上的重要角色：

肝臟是全身脂質代謝的中心樞紐，它參與幾乎所有種類的脂質的合成、分解和轉運。其主要角色包括：

1. 脂肪酸的合成 (Fatty Acid Synthesis)：

   • 當攝入的碳水化合物或蛋白質過多，超過身體能量需求時，肝臟會將多餘的能量以脂肪的形式儲存。
   • 肝臟是體內脂肪酸合成的主要場所，它將葡萄糖代謝產生的 Acetyl-CoA 轉化為長鏈脂肪酸。

2. 三酸甘油酯的合成與分泌 (Triglyceride Synthesis and Secretion)：

   • 肝臟將合成的脂肪酸與甘油結合，形成三酸甘油酯 (triglycerides)。
   • 肝臟還能從血液中攝取脂肪酸和甘油，合成三酸甘油酯。
   • 肝臟將合成或攝取的三酸甘油酯與膽固醇、磷脂和載脂蛋白 (apoproteins) 結合，組裝成極低密度脂蛋白 (VLDL, Very Low-Density Lipoprotein)，然後分泌到血液中，將脂肪運輸到身體其他組織（如脂肪組織、肌肉）作為能量儲備或利用。

3. 膽固醇的合成 (Cholesterol Synthesis)：

   • 肝臟是體內膽固醇合成的主要場所。膽固醇不僅用於自身細胞膜，還用於合成膽汁酸、類固醇激素等。

4. 酮體生成 (Ketone Body Formation)：

   • 在長期飢餓、糖尿病或低碳水化合物飲食等情況下，當碳水化合物供應不足時，肝臟會將脂肪酸分解產生的 Acetyl-CoA 轉化為酮體 (ketone bodies)，如乙醯乙酸 (acetoacetate)、β-羥基丁酸 (β-hydroxybutyrate) 和丙酮 (acetone)。
   • 酮體可以作為替代的能量來源，被大腦、心臟等組織利用，以維持生命活動。

5. 脂蛋白的代謝 (Lipoprotein Metabolism)：

   • 肝臟參與血液中各種脂蛋白（如 VLDL, LDL, HDL）的合成、轉化和清除，從而調節血液中脂質的運輸和平衡。

6. 脂肪酸的氧化分解 (Fatty Acid Oxidation)：

   • 肝臟也能將攝取的脂肪酸進行 β-氧化，產生 Acetyl-CoA，為肝臟提供能量或用於合成酮體。

Acetyl-CoA 在肝臟脂質代謝中的重要功能：

Acetyl-CoA 是細胞代謝的關鍵中間產物，在肝臟脂質代謝中扮演著極為重要的角色，它是多條代謝途徑的交匯點：