111 年 國立成功大學環境醫學研究所乙組《生物化學》

此題考驗學生對蛋白質分子量測定方法的理解。蛋白質分子量是其重要的物理化學性質之一，不同的實驗技術能提供不同層面的資訊。

解題思路：
蛋白質分子量的測定方法有多種，常見的有：

1. SDS-PAGE (Sodium Dodecyl Sulfate-Polyacrylamide Gel Electrophoresis)
   • 原理：SDS 是一種陰離子去污劑，它能與蛋白質結合，破壞蛋白質的二級、三級及四級結構，使蛋白質變成帶有負電荷的線性多肽鏈。由於 SDS 分子與蛋白質結合的比例大致固定，因此蛋白質的負電荷密度變得相似。在電場中，這些 SDS-蛋白質複合物的遷移速率主要取決於其分子量的大小，分子量越大的蛋白質，在凝膠中的移動越慢。通過與已知分子量的標準蛋白質進行比較，可以估算出未知蛋白質的分子量。
2. 質譜法 (Mass Spectrometry, MS)
   • 原理：質譜法是一種高精度的分子量測定技術。通過將蛋白質樣品離子化，然後測量這些離子在電場或磁場中的飛行時間或偏轉程度，可以精確地確定其質荷比 (m/z)。通過分析質譜圖中的峰值，可以確定蛋白質的精確分子量。現代質譜技術，如 MALDI-TOF MS (基質輔助雷射解吸/電離飛行時間質譜法) 或 ESI-MS (電噴霧游離質譜法)，能夠測量從幾千到數十萬道爾頓 (Da) 的蛋白質分子量，且精度非常高。
3. 尺寸排阻層析 (Size Exclusion Chromatography, SEC)

此題考驗學生對癌生物學和細胞基本功能的理解。致癌基因和 housekeeping gene 是兩個非常重要的概念，分別代表了細胞生長調控的異常和維持細胞基本生存所需的基因。

解題思路：

1. 致癌基因 (Oncogene)
   • 定義：致癌基因是正常基因 (原致癌基因，proto-oncogene) 發生突變後，獲得了異常的生長促進能力，從而可能導致細胞癌變的基因。原致癌基因在正常情況下參與細胞的生長、分化和凋亡等調控，但其活性受到嚴格控制。當原致癌基因發生突變（如點突變、基因擴增、染色體易位等），導致其過度表達、活性增強或結構改變，就會變成致癌基因。致癌基因通常表現出顯性遺傳，即只需要一個拷貝發生突變並獲得異常功能，就足以驅動細胞的異常增殖。
   • 作用機制：致癌基因的產物（蛋白質）通常參與細胞信號傳導通路，如生長因子受體、信號轉導蛋白、轉錄因子等。它們的異常激活會導致細胞生長信號的持續傳遞，繞過正常的生長抑制機制，促進細胞無限增殖。
   • 舉例：
     • Ras 基因家族：例如 KRAS, HRAS, NRAS。這些基因編碼的小 GTP 酶，在細胞生長信號傳導中起關鍵作用。當 Ras 基因發生突變，其 GTP 酶活性受損，導致 GTP 持續結合，信號通路持續激活。
     • Myc 基因：編碼一個轉錄因子，參與細胞週期調控和增殖。基因擴增或染色體易位可能導致 Myc 過度表達。
     • HER2 (ErbB2)：一種生長因子受體酪氨酸激酶。在某些乳腺癌中，HER2 基因會發生擴增，導致受體過度表達，增強對生長信號的敏感性。

此題考驗學生對點突變及其對蛋白質結構和功能影響的理解。點突變是 DNA 中單一核苷酸鹼基的改變，其後果取決於突變發生的位置和類型。

解題思路：
點突變是指 DNA 分子中單一核苷酸對被另一個核苷酸對所取代。當這個突變發生在編碼蛋白質的基因中時，它可能對產生的蛋白質及其功能產生以下幾種影響：

1. 無義突變 (Nonsense Mutation)：

   • 結果：該突變將一個原本編碼某個胺基酸的密碼子，轉變為一個終止密碼子 (stop codon, 如 UAA, UAG, UGA)。
   • 影響：導致蛋白質合成提前終止，產生一個截短的蛋白質。這個截短的蛋白質通常是無功能或功能嚴重受損的，因為它缺少了正常蛋白質所需的結構域。

2. 錯義突變 (Missense Mutation)：

   • 結果：該突變將一個編碼某個胺基酸的密碼子，轉變為另一個編碼不同胺基酸的密碼子。
   • 影響：產生的蛋白質會包含一個胺基酸的改變。這種改變的影響程度差異很大，取決於新替換的胺基酸的性質（如大小、電荷、疏水性）及其在蛋白質結構和功能中的重要性。
     • 保守性錯義突變 (Conservative Missense Mutation)：替換的胺基酸性質與原來的胺基酸相似，對蛋白質功能影響較小。
     • 非保守性錯義突變 (Non-conservative Missense Mutation)：替換的胺基酸性質與原來的胺基酸差異很大，可能嚴重影響蛋白質的摺疊、穩定性、活性中心功能，導致蛋白質無功能或功能減弱。

此題考驗學生對磷酸根基團在生物體內作用的理解，特別是其作為能量載體和信號調節劑的角色。

解題思路：
磷酸根基團（通常指磷酸基，-PO₃²⁻ 或 -PO₄³⁻）在生物體內扮演著極其重要的角色，其轉移作用是許多關鍵生化反應的核心。

磷酸根基團的角色與生理意義：

1. 能量載體 (Energy Carrier)：

   • 機制：ATP (三磷酸腺苷) 是細胞中最主要的能量貨幣。ATP 的兩個末端磷酸鍵（β-γ 磷酸鍵和 α-β 磷酸鍵）是高能磷酸鍵。當 ATP 水解（斷裂這些高能磷酸鍵）時，會釋放出大量的自由能。
   • 生理意義：這種釋放的能量可以直接用於驅動各種需要能量的細胞過程，例如：
     • 肌肉收縮 (肌球蛋白與肌動蛋白的交互作用)。
     • 主動運輸 (如鈉鉀幫浦)。
     • 生物合成 (如核苷酸、胺基酸、脂質的合成)。
     • 信號傳導 (如激酶磷酸化作用)。
   • 磷酸基團的轉移：ATP 將其末端的磷酸基團轉移給其他分子（如 ADP 接受磷酸基團生成 ATP，或將磷酸基團轉移給受質以活化受質），這個過程稱為磷酸化 (phosphorylation)。

2. 信號傳導與調節 (Signal Transduction and Regulation)：

   • 機制：蛋白質磷酸化是細胞內最普遍和最重要的蛋白質翻譯後修飾之一。蛋白質激酶 (protein kinase) 催化 ATP 將磷酸基團轉移到目標蛋白質的特定胺基酸殘基（如絲氨酸 Ser, 蘇氨酸 Thr, 酪氨酸 Tyr）上。磷酸基團帶有負電荷，其引入會顯著改變蛋白質的電荷分佈、構象和親和力。
   • 生理意義：
     • 激活或抑制蛋白質活性：磷酸化可以激活或抑制酶的活性、改變蛋白質與其他分子的結合能力、影響蛋白質在細胞內的定位、或標記蛋白質進行降解。

此題考驗學生對遺傳密碼基本性質的理解，特別是其簡併性、搖擺配對規則以及在演化上的保守性。

解題思路：
遺傳密碼是 DNA 序列中三個核苷酸鹼基（一個密碼子）對應一個胺基酸的規則。它具有以下幾個重要性質：

1. 退化性 (Degenerate) / 簡併性 (Degeneracy)：

   • 定義：指一個胺基酸可以由一個以上的密碼子編碼。例如，亮胺酸 (Leucine) 可以由六個不同的密碼子編碼 (UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG)。
   • 原因：這是由於遺傳密碼的冗餘性。共有 64 種可能的密碼子 (4³ = 64)，但只有 20 種標準胺基酸和 3 種終止密碼子。因此，平均每個胺基酸由 64/20 ≈ 3.2 個密碼子編碼。
   • 生理意義：
     • 增加遺傳物質的穩定性：即使發生點突變，只要突變後的密碼子仍然編碼相同的胺基酸（沉默突變），蛋白質序列就不會改變，從而減少了有害突變的發生機率。
     • 提高轉譯效率：在某些情況下，簡併性可以確保在細胞內具有足夠數量的 tRNA 來識別所有必需的密碼子，從而提高蛋白質合成的效率。

2. 搖擺性 (Wobble)：

   • 定義：這是指在 mRNA 密碼子與 tRNA 反密碼子配對時，第三個鹼基（密碼子的第三位，即 3' 端）與反密碼子的第三個鹼基（反密碼子的第一位，即 5' 端）之間，可以發生不嚴格的鹼基配對。這種不嚴格的配對稱為「搖擺配對」。
   • 規則：
     • 標準鹼基配對：A-U, G-C。
     • 搖擺配對：
       • 如果密碼子的第三位是 U，它可以與反密碼子的第一位 A 或 G 配對。
       • 如果密碼子的第三位是 C，它只能與反密碼子的第一位 G 配對。
       • 如果密碼子的第三位是 A，它可以與反密碼子的第一位 U 配對。
       • 如果密碼子的第三位是 G，它可以與反密碼子的第一位 U 或 C 配對。

此題考驗學生對 DNA 甲基化這一表觀遺傳學機制的理解及其生物學意義。

解題思路：

1. DNA 甲基化 (DNA Methylation)：

   • 定義：DNA 甲基化是一種重要的表觀遺傳學修飾，指的是在 DNA 分子中，將一個甲基基團 (-CH₃) 共價連接到一個核苷酸鹼基上的過程。在哺乳動物中，絕大多數情況下，甲基化發生在胞嘧啶 (Cytosine, C) 的第五個碳原子上，形成 5-甲基胞嘧啶 (5-methylcytosine, 5mC)。這個過程通常發生在 CpG 二核苷酸序列（即一個胞嘧啶後面緊跟一個鳥嘌呤）中。
   • 酶：催化此反應的酶是 DNA 甲基轉移酶 (DNA methyltransferases, DNMTs)。
   • 機制：DNA 甲基化本身並不改變 DNA 的鹼基序列，但它可以影響 DNA 的結構和與蛋白質的相互作用，從而調控基因的表達。

2. 在生物學上的重要性：
   DNA 甲基化在許多重要的生物學過程中發揮著關鍵作用，主要體現在以下幾個方面：

   • 基因表達調控 (Gene Expression Regulation)：
     • 沉默基因：通常情況下，DNA 甲基化，特別是 CpG 島（位於基因啟動子區域富含 CpG 的區域）的甲基化，與基因的沉默或表達下調密切相關。甲基化可以在兩種機制上抑制基因表達：
       1. 直接阻礙：甲基基團的空間位阻可能直接阻止轉錄因子結合到 DNA 上。
       2. 間接調控：甲基化的 DNA 可以招募含有甲基 CpG 結合域 (MBD) 的蛋白質，這些蛋白質進一步招募組蛋白去乙醯化酶 (HDACs) 和其他抑制性蛋白質，導致染色質結構變得更加緊密（異染色質化），從而抑制基因的轉錄。
     • 維持基因表達模式：在細胞分化過程中，DNA 甲基化模式被建立並穩定地傳遞給子代細胞，有助於維持細胞特異性的基因表達模式。

此題考驗學生對免疫學中抗體結構、分類及其與抗原相互作用機制的理解。

解題思路：
抗體（Immunoglobulin, Ig）是 B 細胞分泌的一種蛋白質，是適應性免疫系統的重要組成部分，能夠特異性地識別並結合外來物質（抗原），從而啟動清除機制。

1. 抗體的分子結構特徵：

   • 基本結構：典型的抗體分子呈「Y」形，由四條肽鏈組成：兩條相同的重鏈 (heavy chains, H) 和兩條相同的輕鏈 (light chains, L)。
   • 鏈的連接：重鏈和輕鏈之間通過二硫鍵 (disulfide bonds) 連接。兩條重鏈之間也通過二硫鍵連接。
   • 結構域 (Domains)：
     • 可變區 (Variable region, V)：位於 Y 形的兩條「臂」的末端，由重鏈和輕鏈的 N 端部分組成。每個抗體分子有兩個相同的抗原結合位點，這些位點位於可變區。可變區的胺基酸序列高度變異，決定了抗體的特異性。
     • 恆定區 (Constant region, C)：位於 Y 形的「柄」部和「臂」部，由重鏈和輕鏈的 C 端部分組成。重鏈的恆定區分為 CH1, CH2, CH3 (或 CH4，取決於抗體類別) 幾個結構域；輕鏈的恆定區分為 CL 結構域。恆定區的結構相對穩定，決定了抗體的同種型 (isotype) 和執行其生物學功能（如結合補體、與細胞表面受體結合等）。
   • 铰鏈區 (Hinge region)：位於 CH1 和 CH2 結構域之間，是重鏈的 C 端區域，允許「臂」部相對自由地運動，增加了抗體與抗原結合的靈活性。
   • 抗原結合位點 (Antigen-binding site)：由重鏈可變區 (VH) 和輕鏈可變區 (VL) 的互補決定區 (Complementarity-determining regions, CDRs) 共同構成，其三維結構能精確地識別並結合特定的抗原表位 (epitope)。

2. 抗體的種類 (Isotypes)：
   根據重鏈恆定區的結構不同，抗體可分為五種主要的類別（同種型）：IgG, IgA, IgM, IgD, IgE。

   • IgG：
     • 結構：單體。
     • 特點：最豐富的抗體，能通過胎盤，在初級和繼發免疫應答中都起作用，能啟動補體、結合吞噬細胞。
   • IgA：
     • 結構：單體（血清）或二聚體（分泌型，黏膜）。
     • 特點：主要存在於黏膜分泌物（唾液、淚液、乳汁、腸液）中，是黏膜免疫的主要抗體，能中和病原體。
   • IgM：
     • 結構：五聚體（由五個抗體單元通過 J 鏈連接）。

此題為名詞解釋題，共 10 個名詞，每個名詞的解釋約佔 3 分。需要對每個名詞給出準確、簡潔的定義和相關概念。

解題思路：
逐一解釋每個名詞：

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

   • 定義：一種用於分離蛋白質的電泳技術。
   • 原理：蛋白質在高濃度 SDS 存在下變性並均勻負載負電荷，然後在聚丙烯醯胺凝膠 (polyacrylamide gel) 中，根據其分子量大小進行電泳分離。
   • 應用：測定蛋白質分子量、分析蛋白質純度、分離蛋白質混合物。

2. Telomerase (端粒酶)：

   • 定義：一種特殊的核糖核蛋白酶 (ribonucleoprotein enzyme)。
   • 功能：它是一種 RNA 依賴性 DNA 聚合酶（反轉錄酶），能夠在染色體末端（端粒）添加重複的 DNA 序列。
   • 重要性：維持染色體的完整性，防止因 DNA 複製末端問題 (end replication problem) 導致的染色體縮短。在細胞分裂和癌症發生中起重要作用。

3. Angiogenesis (血管生成)：

   • 定義：指從現有血管系統中產生新血管的生理過程。
   • 機制：涉及血管內皮細胞的增殖、遷移和管腔形成。通常由血管內皮生長因子 (VEGF) 等信號分子誘導。
   • 重要性：在胚胎發育、傷口癒合、月經週期中是正常的生理過程；但在腫瘤生長、炎症、眼部疾病中則被視為病理過程。

4. Non-essential amino acid (非必需胺基酸)：

   • 定義：指人體能夠自行合成，不一定需要從飲食中獲取的胺基酸。
   • 區別：與必需胺基酸 (essential amino acids) 相對，必需胺基酸人體無法自行合成，必須從食物中攝取。
   • 例子：丙胺酸 (Alanine)、天門冬胺酸 (Aspartic acid)、麩胺酸 (Glutamic acid)、甘胺酸 (Glycine)、脯胺酸 (Proline) 等。

5. Hybridoma (雜交瘤)：

   • 定義：將產生特定抗體的 B 細胞與癌細胞（如骨髓瘤細胞）融合而成的雜交細胞。
   • 特點：雜交瘤細胞既能像 B 細胞一樣持續產生特定抗體，又能像癌細胞一樣無限增殖。
   • 應用：用於生產單株抗體 (monoclonal antibodies)，廣泛應用於診斷和治療。

6. Glycoprotein (醣蛋白)：

   • 定義：蛋白質與碳水化合物（通常是寡糖鏈）共價連接形成的複合物。
   • 連接方式：寡糖鏈通過 N-醣苷鍵（連接到天冬醯胺 Asn 的側鏈）或 O-醣苷鍵（連接到絲胺酸 Ser 或蘇胺酸 Thr 的側鏈）連接到蛋白質上。
   • 功能：參與細胞識別、信號傳導、免疫應答、蛋白質穩定性、運輸等。許多分泌蛋白和細胞膜蛋白都是醣蛋白。

7. Lagging strand (後隨鏈/遲滯鏈)：

   • 定義：在 DNA 複製過程中，與 DNA 解旋酶移動方向相反（即 3'→5' 方向），以不連續的方式（通過岡崎片段 Okazaki fragments）合成的 DNA 鏈。