113 年 國立成功大學環境醫學研究所乙組在職生《生物化學》

此題主要在考驗學生對 DNA 複製過程中，延遲股 (lagging strand) 的特性與其形成機制的理解。DNA 複製是一個半保留 (semiconservative) 的過程，在複製叉 (replication fork) 處，兩股模板 DNA 的複製方向不同，導致其中一股模板 (3' to 5' 方向) 的子鏈合成是連續的，稱為前導股 (leading strand)；而另一股模板 (5' to 3' 方向) 的子鏈合成則必須以不連續的方式進行，稱為延遲股 (lagging strand)。

延遲股的特性如下：

1. 不連續合成 (Discontinuous synthesis)：由於 DNA 聚合酶 (DNA polymerase) 只能沿著 5' 到 3' 的方向合成新的 DNA 鏈，而延遲股的模板 DNA 是 5' 到 3' 方向，因此其子鏈的合成是斷斷續續的。
2. 岡崎片段 (Okazaki fragments)：延遲股的合成是以短小的 DNA 片段形式進行，這些片段被稱為岡崎片段。

此題考查遺傳密碼 (genetic code) 的三大重要特性：退化性、搖擺性與保守性。遺傳密碼是將 DNA 或 RNA 的核苷酸序列轉譯成蛋白質胺基酸序列的規則。

1. 退化性 (Degenerate)：

   • 定義：指一個胺基酸可以由一個以上的密碼子 (codon) 所決定。
   • 說明：共有 64 種可能的密碼子 (4 種鹼基，每 3 個一組)，但人體只需要 20 種標準胺基酸和 2 種終止訊號。因此，許多胺基酸對應到多個密碼子。例如，亮胺酸 (Leucine) 就有 6 個不同的密碼子。
   • 重要性：退化性可以減少基因突變對蛋白質結構和功能的影響。即使發生了點突變 (point mutation)，如果新的密碼子仍然編碼相同的胺基酸，就不會改變蛋白質的序列，這種突變稱為同義突變 (synonymous mutation)。

2. 搖擺性 (Wobble)：

   • 定義：指在 mRNA 密碼子第三個鹼基 (3' 端) 與 tRNA 反密碼子 (anticodon) 第一個鹼基 (5' 端) 配對時，允許一定程度的鹼基配對不規則性。
   • 說明：根據華生-克里克鹼基配對規則，標準配對是 A-U 和 G-C。

此題考查單一鹼基點突變 (point mutation) 可能產生的不同結果。點突變是指 DNA 序列中單一核苷酸鹼基的改變，包括鹼基的替換 (substitution)、插入 (insertion) 或缺失 (deletion)。此題特別指明是「單一鹼基的點突變」，且發生在「製造酵素的 DNA 密碼」，因此我們主要考慮鹼基替換可能造成的影響。

單一鹼基替換可能產生的結果主要有以下幾種：

1. 同義突變 (Synonymous mutation / Silent mutation)：

   • 說明：雖然 DNA 序列中的一個鹼基發生了改變，但由於遺傳密碼的退化性 (degenerate nature)，新的密碼子仍然編碼與原密碼子相同的胺基酸。
   • 結果：蛋白質的胺基酸序列沒有改變，因此對蛋白質的功能通常沒有影響。

2. 錯義突變 (Missense mutation)：

   • 說明：DNA 序列中的一個鹼基改變，導致產生的密碼子編碼了不同的胺基酸。
   • 結果：蛋白質的胺基酸序列改變。這種突變的影響程度取決於新胺基酸的性質及其在蛋白質中的位置。
     • 保守性錯義突變 (Conservative missense mutation)：如果新的胺基酸與原來的胺基酸性質相似（例如，都帶正電、都帶負電、都是疏水性等），則對蛋白質功能的影響可能較小。

此題考查脂質過氧化作用 (lipid peroxidation) 的定義及其與多種疾病（癌症、動脈硬化、老化）的關聯。

脂質過氧化作用 (Lipid Peroxidation)：

• 定義：脂質過氧化作用是指細胞膜或其他含有不飽和脂肪酸 (polyunsaturated fatty acids, PUFAs) 的脂質結構，在自由基 (free radicals) 或活性氧類 (reactive oxygen species, ROS) 的攻擊下，發生連鎖反應，導致脂質結構被破壞的過程。
• 機制：
  1. 起始 (Initiation)：自由基（如過氧化物自由基 $\text{ROO}^\cdot$ 或羥基自由基 $\text{OH}^\cdot$）攻擊細胞膜上的不飽和脂肪酸（RH），奪取其亞甲基上的氫原子，形成脂質自由基 (R$\cdot$)。
  2. 傳播 (Propagation)：脂質自由基 (R$\cdot$) 迅速與氧氣反應，形成脂質過氧化物自由基 (ROO$\cdot$)。這個脂質過氧化物自由基又會攻擊另一個不飽和脂肪酸，奪取其氫原子，形成脂質過氧化物 (ROOH) 並產生新的脂質自由基 (R$\cdot$)，進而形成一個連鎖反應。
  3. 終止 (Termination)：當兩個自由基相互反應時，連鎖反應會終止。
• 產物：脂質過氧化作用會產生多種產物，包括脂質過氧化物 (lipid hydroperoxides, $\text{ROOH}$) 以及進一步分解的產物，如丙二醛 (malondialdehyde, MDA)、4-羥基壬烯醛 (4-hydroxynonenal, 4-HNE) 等。這些產物通常具有細胞毒性。

與疾病的相關性：

此題考查溶酶體 (lysosome) 的重要生理功能。溶酶體是真核細胞內一種膜結合的胞器，富含多種酸性水解酶，是細胞內的「消化系統」。

溶酶體的主要生理功能包括：

1. 異噬作用 (Heterophagy)：

   • 機制：溶酶體與由細胞膜內吞作用 (endocytosis) 或吞噬作用 (phagocytosis) 形成的吞噬體 (phagosome) 或胞飲體 (pinosome) 融合。
   • 功能：消化來自細胞外部的物質，例如細菌、病毒、食物顆粒、外來蛋白質等。這在免疫細胞（如巨噬細胞）中尤其重要，用於清除病原體。

2. 自噬作用 (Autophagy)：

   • 機制：溶酶體與細胞自身受損、老化或不需要的細胞器（如線粒體、內質網）或大分子物質被膜包裹形成的自噬體 (autophagosome) 融合。
   • 功能：降解細胞內的老舊或受損的組分，回收其中的胺基酸、核苷酸等基本單元，維持細胞的穩態 (homeostasis) 和更新。自噬作用在細胞壓力（如飢餓）下尤為重要，提供能量和原料。

此題考查轉錄 (transcription)、轉譯 (translation) 和轉譯後修飾 (post-translational processing) 這三個核心的基因表現過程，包括它們發生的位置、參與的重要分子及其重要性。

1. Transcription (轉錄)

• 進行位置：
  • 真核細胞 (Eukaryotic cells)：主要發生在細胞核 (nucleus) 內。
  • 原核細胞 (Prokaryotic cells)：發生在細胞質 (cytoplasm) 中，因為沒有細胞核。
• 重要分子：
  • DNA 模板 (DNA template)：提供遺傳訊息的藍圖。
  • RNA 聚合酶 (RNA polymerase)：催化核苷酸聚合形成 RNA 分子的關鍵酶。真核生物有多種類型的 RNA 聚合酶，負責合成不同類型的 RNA (如 RNA Pol I 合成 rRNA, RNA Pol II 合成 mRNA, RNA Pol III 合成 tRNA)。
  • 轉錄因子 (Transcription factors)：蛋白質，能結合到 DNA 的特定區域（如啟動子 promoter 或增強子 enhancer），幫助或抑制 RNA 聚合酶與 DNA 結合，調控轉錄的起始。
  • 核苷酸三磷酸 (Nucleoside triphosphates, NTPs)：如 ATP, UTP, CTP, GTP，作為合成 RNA 的原料。
• 重要性：
  • 將 DNA 中的遺傳訊息轉錄成互補的 RNA 分子，特別是信使 RNA (mRNA)，是基因表現的第一步，也是基因表達調控的關鍵點。

2. Translation (轉譯)

• 進行位置：
  • 真核細胞：主要發生在細胞質的核醣體 (ribosomes) 上，包括游離核醣體和附著在內質網上的核醣體。
  • 原核細胞：發生在細胞質的核醣體上。
• 重要分子：
  • mRNA (信使 RNA)：攜帶 DNA 轉錄來的密碼子序列，作為蛋白質合成的模板。
  • 核醣體 (Ribosomes)：由核糖體 RNA (rRNA) 和蛋白質組成，是蛋白質合成的場所，負責讀取 mRNA 的密碼子並催化胺基酸的肽鍵形成。
  • tRNA (轉運 RNA)：每個 tRNA 分子帶有一個特定的胺基酸，並具有能識別 mRNA 密碼子的反密碼子 (anticodon)。它將正確的胺基酸運送到核醣體上。
  • 胺基醯 tRNA 合成酶 (Aminoacyl-tRNA synthetases)：催化將特定胺基酸連接到其對應 tRNA 分子上的反應，確保胺基酸與密碼子之間的準確對應。

此題考查 DNA 甲基化 (DNA methylation) 的定義及其生物學重要性。DNA 甲基化是一種重要的表觀遺傳學修飾。

DNA 甲基化 (DNA Methylation)：

• 定義：DNA 甲基化是指在 DNA 分子中，將一個甲基基團 ($-\text{CH}_3$) 共價連接到一個鹼基上。在哺乳動物中，最常見的甲基化形式是將甲基基團連接到胞嘧啶 (cytosine, C) 的第五個碳原子上，形成 5-甲基胞嘧啶 (5-methylcytosine, 5mC)。這種修飾主要發生在 CpG dinucleotides，即胞嘧啶後面緊接著鳥糞嘌呤 (guanine, G) 的序列。
• 機制：DNA 甲基化反應由一類稱為 DNA 甲基轉移酶 (DNA methyltransferases, DNMTs) 的酶催化。在哺乳動物中，主要有 DNMT1 (負責維持甲基化模式在 DNA 複製時傳遞) 和 DNMT3A/3B (負責建立新的甲基化模式)。

在生物學上的重要性：

1. 基因表達調控 (Gene Expression Regulation)：
   • 機制：DNA 甲基化，尤其是在基因啟動子區域的 CpG 島 (CpG islands) 發生甲基化，通常會導致基因沉默 (gene silencing)。甲基化可以通過兩種方式抑制基因轉錄：
     • 直接阻礙：甲基基團本身可能直接干擾轉錄因子結合到 DNA 上。
     • 間接方式：甲基化的 DNA 可以招募含有甲基胞嘧啶結合域 (Methyl-CpG-binding domain, MBD) 的蛋白質，這些蛋白質進一步招募組蛋白去乙醯化酶 (histone deacetylases, HDACs) 和其他組蛋白修飾酶，導致染色質結構變得緻密，抑制轉錄機器的接近。
   • 重要性：這是 DNA 甲基化最主要的功能。