109 年 國立成功大學口腔醫學研究所甲組《生物化學》

核心觀念

本題考查胺基酸側鏈的極性、電荷與溶解度關係：

• 疏水性胺基酸的側鏈主要由非極性碳氫基團組成，較容易分配至有機疏水溶劑。
• 帶電或高度極性的胺基酸能與水形成離子—偶極作用及氫鍵，因此較容易溶於生理食鹽水。
• 在接近中性的生理環境中：
  • Lysine（Lys，賴胺酸）與 Arginine（Arg，精胺酸）側鏈帶正電。
  • Glutamate（Glu，麩胺酸）與 Aspartate（Asp，天門冬胺酸）側鏈帶負電。
  • Alanine（Ala）、Phenylalanine（Phe）、Leucine（Leu）、Proline（Pro）主要屬於非極性或疏水性胺基酸。
  • Glycine（Gly）側鏈僅為氫，沒有顯著疏水或帶電特性。

三胜肽的溶解度，主要由三個胺基酸側鏈的整體疏水性與電荷數目決定。

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a) 最容易溶於有機疏水溶劑的三胜肽

解題方法

判斷各選項中非極性胺基酸的比例。疏水性越高、帶電基團越少，越容易溶於有機疏水溶劑。

各胺基酸的性質如下：

• Ala：小型非極性側鏈
• Phe：具有疏水性苯環
• Leu：高度疏水性脂肪族側鏈
• Pro：非極性環狀側鏈，具有一定疏水性
• Lys、Arg：帶正電，親水
• Glu、Asp：帶負電，親水
• Gly：側鏈最小，疏水性低

選項分析

• A：Alanine-glycine-phenylalanine

  含有 Ala 與 Phe 兩個疏水性殘基，但 Gly 幾乎不具疏水側鏈，整體疏水性低於 B。

• B：Phenylalanine-leucine-proline

  Phe、Leu、Pro 皆屬於非極性或偏疏水性胺基酸，且沒有任何帶電側鏈。其中 Phe 的苯環與 Leu 的脂肪族側鏈都具有顯著疏水性，因此整體最不利於水相、最有利於有機疏水環境。

• C：Leucine-alanine-lysine

  雖含有 Leu 與 Ala，但 Lys 在生理 pH 下帶正電，會強烈增加親水性，因此不會是最適合有機疏水溶劑者。

• D：Lysine-proline-arginine

  Lys 與 Arg 均帶正電，具有很強的親水性與水合能力，明顯不利於溶於疏水性有機溶劑。

• E：Glutamate-aspartate-glycine

  Glu 與 Asp 在生理環境下帶負電，整體高度親水，最不適合疏水性有機溶劑。

因此，B 的疏水性最高。

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此題考驗考生對細胞中兩種重要聚合酶的認識，包括其名稱、功能及細胞定位。

核心觀念：
DNA 聚合酶和 RNA 聚合酶是催化核酸合成的關鍵酵素。它們在分子生物學中扮演著中心角色，分別負責 DNA 複製和轉錄。

解題步驟：

DNA 聚合酶 (DNA polymerase)

• 定義： DNA 聚合酶是一類催化 DNA 鏈合成的酵素。它們以現有的 DNA 單股為模板，按照鹼基互補配對原則，將游離的去氧核苷酸三磷酸（dNTPs）一個接一個地連接到新合成的 DNA 鏈上，形成磷酸二酯鍵。
• 功能：
  1. DNA 複製 (DNA replication)： 在細胞分裂前，DNA 聚合酶是遺傳物質複製的主要執行者，確保每個子細胞都能獲得一套完整的 DNA。
  2. DNA 修復 (DNA repair)： 某些類型的 DNA 聚合酶也參與修復受損的 DNA，例如切除錯誤的核苷酸並填補空隙。
• 細胞定位：
  • 主要位於細胞核 (nucleus)，因為細胞核是大多數 DNA 的所在地。
  • 在真核生物中，粒線體 (mitochondria) 和葉綠體 (chloroplasts, 植物細胞) 也有自己的 DNA 和 DNA 聚合酶，用於複製其內部的遺傳物質。
  • 在原核生物中，由於沒有細胞核，DNA 聚合酶位於細胞質 (cytoplasm) 中，靠近染色體。

RNA 聚合酶 (RNA polymerase)

此題為比較題，要求考生對六組生物化學或分子生物學中的重要名詞進行比較，涵蓋了代謝、蛋白質結構、核酸以及醣蛋白結構等不同領域。

核心觀念：
理解每個名詞的定義、結構、功能、生化途徑以及它們之間的區別。

解題步驟：
針對每一組名詞，分別進行比較說明。

A: Fat vs. Oil

• Fat (脂肪): 通常指在室溫下呈固態或半固態的脂質，主要由飽和脂肪酸組成。動物體內儲存的脂肪多為飽和脂肪酸，如三酸甘油酯。
• Oil (油): 通常指在室溫下呈液態的脂質，主要由不飽和脂肪酸組成。植物油多為不飽和脂肪酸。
• 比較： 兩者都是三酸甘油酯，主要區別在於構成的脂肪酸的飽和度，進而影響其在室溫下的物理狀態。脂肪通常來自動物，油通常來自植物。

B: Native proteins vs. Denatured proteins

• Native proteins (天然蛋白質): 指在生理條件下具有其獨特三維結構（包括一級、二級、三級和四級結構）並保有其生物活性的蛋白質。
• Denatured proteins (變性蛋白質): 指蛋白質的三維結構（特別是二級、三級和四級結構）被破壞，但一級結構（胺基酸序列）保持不變的蛋白質。變性通常導致蛋白質失去生物活性。變性的原因包括高溫、極端的 pH 值、強鹽濃度、有機溶劑、重金屬離子等。
• 比較： 關鍵區別在於三維結構的完整性及其導致的生物活性。天然蛋白質結構完整且有活性；變性蛋白質結構被破壞，失去活性。

C: siRNA vs. miRNA

• siRNA (small interfering RNA, 小分子幹擾 RNA): 通常是雙鏈 RNA，長度約 20-25 個核苷酸。siRNA 主要來源於外源性的雙鏈 RNA（如病毒 RNA 或實驗室引入的 dsRNA），在細胞內被 Dicer 酶切割成小片段。其主要功能是通過 RNA 干擾 (RNAi) 途徑，在轉錄後水平（post-transcriptional level）特異性地降解與其序列互補的 mRNA，從而抑制基因表現。
• miRNA (microRNA, 微小 RNA): 也是長度約 20-25 個核苷酸的 RNA 分子。miRNA 主要來源於細胞內自身編碼的基因，以髮夾狀前驅體 (precursor miRNA) 的形式存在，經過 Drosha 和 Dicer 酶的處理後形成。miRNA 主要通過與靶 mRNA 的不完全互補配對，抑制 mRNA 的轉譯 (translation) 或促進其降解，從而調控基因表現。
• 比較：
  • 來源： siRNA 主要為外源性，miRNA 主要為內源性。
  • 成熟過程： siRNA 由 Dicer 處理 dsRNA 產生；miRNA 由 Drosha 和 Dicer 逐步處理產生。
  • 配對方式： siRNA 與靶 mRNA 完全互補；miRNA 與靶 mRNA 通常不完全互補。
  • 調控機制： siRNA 主要導致靶 mRNA 降解；miRNA 主要抑制轉譯或導致 mRNA 降解。
  • 功能： siRNA 主要用於抵禦外來遺傳物質（如病毒）和實驗室基因功能研究；miRNA 則廣泛參與細胞內源性基因表現的調控，影響發育、分化、代謝等多種生理過程。

D: Glycolysis vs. Glycogenolysis

• Glycolysis (醣解作用): 是一個普遍存在的代謝途徑，發生在細胞質中。它將一個葡萄糖分子（6 碳）分解為兩個丙酮酸分子（3 碳），同時產生少量 ATP（淨產 2 個 ATP）和 NADH。這是細胞獲取能量的主要途徑之一，無論是否有氧氣存在。
• Glycogenolysis (肝醣分解): 是指將肝醣（Glycogen，一種儲存形式的葡萄糖聚合物）分解成葡萄糖的代謝途徑。主要發生在肝臟和肌肉細胞中。這個過程由肝醣磷酸化酶 (glycogen phosphorylase) 催化，將葡萄糖單位從肝醣鏈的非還原端切下，釋放出葡萄糖-1-磷酸，然後轉化為葡萄糖-6-磷酸，進入醣解途徑或釋放為游離葡萄糖（僅在肝臟中）。
• 比較：
  • 起始物： Glycolysis 的起始物是葡萄糖；Glycogenolysis 的起始物是肝醣。
  • 產物： Glycolysis 的主要產物是丙酮酸；Glycogenolysis 的主要產物是葡萄糖-1-磷酸（進而轉化為葡萄糖-6-磷酸）。

此題要求解釋四個在分子生物學和生物化學中常見的名詞，涵蓋了基因突變、DNA 結構、蛋白質分析和分子生物學技術。

核心觀念：
理解每個名詞的定義、原理、應用以及相關的生物學概念。

解題步驟：
逐一解釋每個名詞。

A: Frame shift mutation (移碼突變)

• 定義： 移碼突變是指在 DNA 或 RNA 分子中，插入 (insertion) 或刪除 (deletion) 的鹼基數目不是三個或三個的倍數時，所引起的突變。
• 原理： 遺傳密碼是以三個鹼基為一個密碼子 (codon) 來讀取的。當插入或刪除的鹼基數不是三個的倍數時，會導致從突變點開始，所有後續密碼子的讀碼框架 (reading frame) 都發生偏移。
• 結果： 移碼突變通常會導致後續胺基酸序列的巨大改變，甚至可能提前產生終止密碼子，從而合成出功能異常甚至無功能的蛋白質。這與點突變（如錯義突變或無義突變）不同，點突變只影響一個或少數幾個胺基酸。
• 例子： 假設一段 DNA 序列為 ATGCGTACGT，對應的胺基酸序列（假設起始密碼子在此）可能為 ...-T-Y-...。若在 C 之後插入一個 G，序列變為 ATGC**G**GTACGT，新的讀碼框架可能讀為 ATG CGG TAC GT...，對應的胺基酸序列將完全改變。

B: Palindrome (迴文)

• 定義： 在分子生物學中，Palindrome 通常指一種 DNA 或 RNA 的序列，其序列從某一點開始閱讀，正向和反向互補序列是相同的。更精確地說，是指一個序列的 5' 端到 3' 端序列，與其對應的互補鏈的 3' 端到 5' 端序列是相同的。
• 結構特徵： 這種序列在單鏈 DNA 中形成時，可以通過鏈內的鹼基配對形成特殊的二級結構，如髮夾 (hairpin loop) 或莖環 (stem-loop) 結構。
• 例子： DNA 序列 5'-GAATTC-3'。其互補鏈是 3'-CTTAAG-5'。將互補鏈反轉為 5' 到 3' 方向，即 5'-CTTAAG-3'。顯然，5'-GAATTC-3' 與 5'-CTTAAG-3' 不同。
  這裡的 Palindrome 定義是：序列 5'-ABCDE-3' 的互補鏈是 3'-EDCBA-5'。如果將互補鏈反轉為 5'-ABCDE-3'，那麼原序列與反轉後的互補鏈相同，即 5'-ABCDE-3'。
  更常見的例子是，序列 5'-GAATTC-3' 的反向互補序列是 5'-GAATTC-3'。
  （即：5'-GAATTC-3' 的互補鏈是 3'-CTTAAG-5'，將其反轉成 5' 端朝前，就是 5'-GAATTC-3'。所以 GAATTC 是一個迴文序列。）
• 生物學意義： 許多限制性內切酶 (restriction enzymes) 的識別序列就是迴文序列，這使得限制酶能夠在 DNA 的兩條鏈上對稱地切割。此外，DNA 複製起始點、基因調控元件（如啟動子、增強子）以及 RNA 的莖環結構也常含有迴文序列。

C: Western blotting (西式轉漬法)

• 定義： Western blotting（也稱為免疫印跡法 Immunoblotting）是一種分子生物學技術，用於檢測特定蛋白質的存在及其相對含量。