109 年 國立成功大學環境醫學研究所乙組《生物化學》

此題為基本名詞解釋題，涵蓋基因學、免疫學、分子生物學、細胞生物學、生化學等領域，需對各名詞有清晰的定義與理解。

(A) Transposon：又稱跳躍基因 (jumping gene)，是指能夠在基因組內移動或複製自身到基因組不同位置的 DNA 序列。這種移動可能導致基因突變、基因重組或調控區域的改變。

(B) Monoclonal Antibodies：單源抗體，是指由單一 B 細胞株產生的抗體。由於它們源自單一基因，因此所有單源抗體都具有相同的抗原結合位點，能特異性地辨識並結合單一抗原表位。單源抗體在診斷和治療上具有廣泛應用。

(C) housekeeping gene：管家基因，是指那些在大多數細胞類型中持續表達，且對於細胞基本生存和功能至關重要的基因。它們負責維持細胞的基本代謝、結構和功能，例如參與細胞呼吸、DNA複製、蛋白質合成等的基因。

(D) Lipid Peroxidation：脂質過氧化，是指在自由基攻擊下，細胞膜上的不飽和脂肪酸發生氧化反應的過程。此過程會產生過氧化脂質，破壞細胞膜的結構和功能，進而導致細胞損傷甚至死亡。它是氧化壓力下的重要病理機制。

此題考驗學生對蔗糖化學結構的認識以及 molar concentration 和 mass concentration 的換算與比較能力。

蔗糖 (sucrose) 的化學構造式：
蔗糖是由一個葡萄糖 (glucose) 分子和一個果糖 (fructose) 分子透過 $\alpha$-1,2 醣苷鍵連接而成，屬於雙醣 (disaccharide)。其化學式為 C$_{12}$H$_{22}$O$_{11}$。

[請參考原卷附圖或標準化學書籍，此處無法繪製化學結構式]
其結構為：葡萄糖的 C1 位與果糖的 C2 位形成 $\alpha$-1,2 醣苷鍵。

比較 50 mM 和 2% 蔗糖溶液中蔗糖量的多寡：

首先，我們需要知道蔗糖的分子量。
蔗糖 (C$_{12}$H$_{22}$O$_{11}$) 的分子量計算：
C: 12.01 g/mol × 12 = 144.12 g/mol

此題考驗學生對蛋白質分子量測定方法的掌握，需要說明三種方法的原理。

可用於決定蛋白質分子量的方法有許多種，以下列舉三種常用的方法及其原理：

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

   • 原理： SDS-PAGE 是一種基於電荷-質量比的電泳技術。首先，蛋白質樣品在變性劑 SDS (十二烷基硫酸鈉) 和還原劑 (如 $\beta$-mercaptoethanol 或 DTT) 的作用下，蛋白質會被去摺疊成線性多肽鏈，並且 SDS 會以約 1.4 g SDS / 1 g 蛋白質的比例結合到多肽鏈上。由於 SDS 帶有強烈的負電荷，它會中和蛋白質原有的電荷，使得蛋白質在 SDS 存在下，其電荷-質量比幾乎是相同的（約為 1.4 g SDS / 1 g 蛋白質）。接著，將這些變性後的蛋白質樣品置於聚丙烯醯胺凝膠 (polyacrylamide gel) 中，在電場作用下，蛋白質會向正極移動。由於凝膠的孔隙度會阻礙蛋白質的移動，蛋白質移動的速度與其分子量成反比（分子量越大的蛋白質移動越慢）。透過與已知分子量的蛋白質標準品 (molecular weight markers) 一同電泳，可以根據目標蛋白質在凝膠上的移動距離，對比標準品，從而估算出目標蛋白質的分子量。

2. 質譜法 (Mass Spectrometry, MS)

   • 原理： 質譜法是一種非常精確測量分子質量的技術。

此題考驗學生對酵素活性調節機制中磷酸化反應的理解，包括可被磷酸化的胺基酸、磷酸化影響酵素活性的原因，以及磷酸化反應的可逆性。

1. 酵素分子上有那些胺基酸可以被磷酸化？
   蛋白質的磷酸化主要發生在胺基酸側鏈上的羥基 (-OH)。在酵素分子中，最常被磷酸化的胺基酸是：

   • 絲胺酸 (Serine, Ser, S)
   • 蘇胺酸 (Threonine, Thr, T)
   • 酪胺酸 (Tyrosine, Tyr, Y)
     在某些特殊情況下，組胺酸 (Histidine) 也可以被磷酸化，但這較不常見，尤其是在真核細胞的信號傳導中。

2. 為何酵素分子經過磷酸化後活性會改變？
   酵素分子經過磷酸化後活性會改變，主要有以下幾個原因：

   • 改變蛋白質的電荷分佈： 磷酸基團 (-PO$_{3}^{2-}$) 帶有兩個負電荷。當它結合到胺基酸的側鏈上時，會顯著改變蛋白質局部甚至整體的電荷分佈。這種電荷的改變可能影響蛋白質與底物、輔因子或其他蛋白質的結合能力，進而影響其催化活性。

此題考驗學生對溶酶體生理功能的理解。

溶酶體 (Lysosome) 是真核細胞內一種膜結合的囊泡狀胞器，內部富含多種酸性水解酶（約 40-50 種），其最適 pH 值約為 4.5-5.0。溶酶體最重要的生理功能是執行細胞內的「消化」作用，主要包括：

1. 細胞外物質的消化 (Heterophagy)： 溶酶體能吞噬並分解來自細胞外的物質，這些物質通常透過胞吞作用 (endocytosis) 或吞噬作用 (phagocytosis) 進入細胞，形成吞噬體 (phagosome) 或胞飲體 (pinosome)。吞噬體或胞飲體會與溶酶體融合，其內的物質隨後被溶酶體內的酵素分解成小分子，如胺基酸、葡萄糖、核苷酸等，供細胞再利用或排出。例如，吞噬細胞利用溶酶體分解吞噬的細菌或病毒。

此題考驗學生對轉運核醣核酸 (tRNA) 不同層次結構特徵的理解。

tRNA 是一種小分子 RNA，長度約 70-90 個核苷酸，在蛋白質合成過程中扮演著將胺基酸轉運至核醣體並識別 mRNA 密碼子的關鍵角色。其結構可分為初級、二級和三級結構：

1. 初級結構 (Primary Structure)：

   • 特徵： 指 tRNA 分子中核苷酸的線性順序，即由 5' 端到 3' 端的一系列核苷酸序列。這個序列包含了特定的鹼基配對（例如 A-U, G-C）以及一些特殊的修飾鹼基（如假尿嘧啶 pseudouridine, 甲基鳥苷 methylguanosine 等）。初級結構決定了 tRNA 分子的二級和三級結構，進而決定其功能。

2. 二級結構 (Secondary Structure)：

   • 特徵： tRNA 的二級結構通常被描述為「三葉草」或「苜蓿葉」形狀 (cloverleaf shape)。這是由於 tRNA 分子內部的鹼基序列之間發生了廣泛的分子內鹼基配對，形成多個雙股螺旋區域（莖，stem）和未配對的單股區域（環，loop）。典型的二級結構包含四個主要的莖和四個主要的環：
     • 接受莖 (Acceptor stem)： 位於 3' 端，由 5' 端和 3' 端序列配對形成，是胺基酸結合的位置（CCA 序列）。

此題考驗學生對 DNA 損傷類型與修補機制的關聯性，特別是放射線損傷的修補。

放射線（如紫外線 UV 或游離輻射 X-ray, $\gamma$-ray）造成的 DNA 損傷種類多樣，但最主要的損傷類型與其主要的修補方式如下：

放射線（特別是游離輻射）造成的 DNA 損傷主要由「核苷酸切除修補 (Nucleotide Excision Repair, NER)」和「鹼基切除修補 (Base Excision Repair, BER)」進行修補，同時對於雙股斷裂 (Double-Strand Break, DSB) 則主要由「同源重組修補 (Homologous Recombination, HR)」和「非同源末端連接 (Non-Homologous End Joining, NHEJ)」進行修補。

在此，我們將聚焦於一般教科書上常強調的，由游離輻射（如 X-ray）引起的 DNA 損傷及其修補。游離輻射最嚴重的損傷之一是 DNA 雙股斷裂 (DSB)。

DNA 雙股斷裂 (Double-Strand Break, DSB) 的修補方式：

DSB 是最嚴重的 DNA 損傷，可能導致染色體結構重排、基因缺失甚至細胞死亡。其修補主要依賴兩種途徑：

1. 同源重組修補 (Homologous Recombination, HR)：
   • 原理： HR 是一種精確的修補方式，它利用同源染色體或姐妹染色體上的同源序列作為模板來恢復斷裂處的 DNA 序列。
   • 過程：
     • 識別與重構 (End resection)： 損傷位點的斷裂末端會被切除，形成單股 DNA 突出端 (single-stranded overhangs)。
     • 菌絲形成 (Strand invasion)： 其中一個單股突出端會尋找並侵入同源模板鏈，形成 D-loop 結構。
     • DNA 合成： 以模板鏈為基礎，利用 DNA 聚合酶合成斷裂處丟失的 DNA 序列。
     • 異構化與解離 (Holliday junction resolution)： 形成 Holliday junction，經過旋轉和切斷，最終將兩條 DNA 分子連接起來，恢復完整的雙股 DNA。
   • 優點： HR 修補是高保真度的，可以準確地恢復原始 DNA 序列，避免突變。