114 年 國立成功大學口腔醫學研究所甲組《生物化學》

此題考驗學生對於蛋白質合成過程中必需分子與結構的理解。蛋白質合成，即轉譯（translation），是一個複雜的過程，涉及多種分子與細胞結構的協同作用。

詳解：
蛋白質合成的主要步驟包括：

1. mRNA（信使核糖核酸）：攜帶 DNA 轉錄來的遺傳密碼，作為合成蛋白質的模板。
2. Ribosomes（核糖體）：蛋白質合成的場所，由 rRNA 和蛋白質組成，負責讀取 mRNA 上的密碼並催化胜肽鍵的形成。
3. tRNAs（轉移核糖核酸）：攜帶特定的胺基酸，並透過反密碼子與 mRNA 上的密碼子配對，將胺基酸準確地遞送到核糖體上。

此題旨在測試學生對蛋白質結構中二硫鍵形成及其相關胺基酸的知識。二硫鍵在維持蛋白質三級和四級結構中扮演重要角色。

詳解：
二硫鍵（disulfide bond）是一種共價鍵，形成於兩個半胱胺酸（cysteine）殘基的側鏈硫醇基（-SH）之間。在氧化條件下，兩個半胱胺酸的側鏈硫醇基會脫去氫原子，形成一個二硫鍵（-S-S-）。

• Cysteine：其側鏈含有一個硫醇基（-SH），是形成二硫鍵的關鍵胺基酸。
• Cystine：是兩個半胱胺酸分子透過一個二硫鍵連接而成的二肽。因此，"cystine" 本身是二硫鍵的產物，而不是形成二硫鍵的單體。

此題考查學生對幾種重要多醣（澱粉、肝醣、纖維素、幾丁質）結構與組成單位的基本認識。

詳解：
首先，我們來分析這幾種多醣的組成單元和連接方式：

• 澱粉 (Starch)：由葡萄糖組成，主要有兩種形式：直鏈澱粉（amylose）和支鏈澱粉（amylopectin）。葡萄糖單元之間主要以 $\alpha1\rightarrow4$ 醣苷鍵連接。支鏈澱粉還有 $\alpha1\rightarrow6$ 醣苷鍵形成分支。
• 肝醣 (Glycogen)：結構類似支鏈澱粉，也是由葡萄糖組成，主要以 $\alpha1\rightarrow4$ 醣苷鍵連接，並在每隔約 8-12 個葡萄糖單元處有 $\alpha1\rightarrow6$ 醣苷鍵形成分支。肝醣是動物體內儲存葡萄糖的主要形式。
• 纖維素 (Cellulose)：由葡萄糖組成，但葡萄糖單元之間是以 $\beta1\rightarrow4$ 醣苷鍵連接。這種連接方式使得纖維素分子排列緊密，形成穩定的纖維結構，是植物細胞壁的主要成分。
• 幾丁質 (Chitin)：是一種結構性多醣，其單元是 N-乙醯葡萄糖胺（N-acetylglucosamine，NAG）。NAG 單元之間以 $\beta1\rightarrow4$ 醣苷鍵連接。幾丁質是真菌細胞壁和節肢動物外骨骼的主要成分。

現在我們逐一檢視選項：
(A) All have $\alpha1\rightarrow4$ links.
這個說法是錯誤的。纖維素和幾丁質的連接鍵是 $\beta1\rightarrow4$ 醣苷鍵，而不是 $\alpha1\rightarrow4$ 鍵。

(B) Chitin is made up of different monomers.
這個說法是錯誤的。幾丁質的基本單元是 N-乙醯葡萄糖胺 (NAG)，這是單一種單體。

核心觀念

蛋白質磷酸化是由 protein kinase 將 ATP 的 $\gamma$-磷酸基轉移至蛋白質特定胺基酸殘基的可逆性修飾。真核細胞中最常見的磷酸化位置，是具有羥基（$-OH$）的胺基酸：

• Serine（絲胺酸，Ser，S）
• Threonine（蘇胺酸，Thr，T）
• Tyrosine（酪胺酸，Tyr，Y）

磷酸基通常與這些殘基的羥基形成磷酸酯鍵：

$$\text{Protein-OH}+\text{ATP} \rightarrow \text{Protein-O-PO}_3^{2-}+\text{ADP}$$

其中 $\text{Protein-OH}$ 主要代表 Ser、Thr 或 Tyr 的側鏈羥基。

解題方法

判斷各選項所列胺基酸是否為蛋白質中「常見」的磷酸化位置。

Serine、Threonine、Tyrosine 都具有側鏈羥基，能形成穩定且常見的磷酸酯修飾，因此三者同時出現的選項即為正確答案。

需注意 Histidine 與 Aspartate 在某些細菌訊號傳遞系統中確實能接受磷酸基，但並非一般蛋白質磷酸化最常見的三類殘基。Alanine 的側鏈為甲基，沒有可供 kinase 形成典型磷酸化鍵結的羥基、羧基或含氮官能基，因此不是常見的磷酸化殘基。

選項分析

• (A) Serine, Histidine, Tyrosine：錯誤

  Serine 與 Tyrosine 是常見磷酸化殘基；Histidine 的咪唑環氮原子也能被磷酸化，尤其見於細菌 two-component system 的 histidine kinase。然而 Histidine 不屬於一般真核蛋白質磷酸化最常見的三種殘基，因此此選項不正確。

• (B) Serine, Alanine, Tyrosine：錯誤

此題考查學生對蛋白質翻譯後修飾，特別是醣基化（glycosylation）的知識，以及哪些胺基酸殘基是醣基化的常見位點。

詳解：
醣基化是將醣鏈（glycans）共價連接到蛋白質上的過程，這對蛋白質的摺疊、穩定性、定位、細胞間識別以及免疫應答等都非常重要。蛋白質的醣基化主要有兩種方式：N-醣基化（N-linked glycosylation）和 O-醣基化（O-linked glycosylation）。

• N-醣基化：醣鏈連接到蛋白質上醯胺氮原子上。最常見的 N-醣基化位點是天門冬醯胺 (Asparagine, Asn) 殘基，且該 Asn 必須位於序列 Asn-X-Ser/Thr 的模式中（其中 X 可以是任何胺基酸，但脯胺酸 Pro 除外）。
• O-醣基化：醣鏈連接到蛋白質上側鏈的羥基上。

此題考查學生對蛋白質結構中胺基酸的疏水性/親水性及其對溶解度的影響的理解。水溶性主要取決於分子中親水性殘基的比例和分佈，以及疏水性殘基的暴露程度。

詳解：
胺基酸的側鏈決定了其親水性或疏水性。

• 親水性胺基酸：帶電的胺基酸（如帶正電的賴胺酸 Lys、精胺酸 Arg、組胺酸 His；帶負電的天門冬胺酸 Asp、麩胺酸 Glu）以及極性中性胺基酸（如絲胺酸 Ser、蘇胺酸 Thr、天門冬醯胺 Asn、麩胺醯胺 Gln、酪胺酸 Tyr）。
• 疏水性胺基酸：非極性胺基酸（如丙胺酸 Ala、纈胺酸 Val、白胺酸 Leu、異白胺酸 Ile、甲硫胺酸 Met、苯丙胺酸 Phe、酪胺酸 Tyr、色胺酸 Trp、脯胺酸 Pro）。請注意，Tyr 和 Trp 雖然帶有極性基團，但其芳香環使其具有一定的疏水性。

溶解度高的物質通常含有較多的親水性基團，能與水分子形成氫鍵或離子鍵。溶解度低的物質則通常含有較多的疏水性基團。

我們來分析各個四胜肽的組成胺基酸：
(A) Alanine (Ala, 疏水), Glycine (Gly, 極性中性/親水), Lysine (Lys, 親水/帶正電), Phenylalanine (Phe, 疏水)
- 包含一個 Lys（親水）和一個 Phe（疏水）。Ala 是中性疏水。Gly 比較中性。

(B) Phenylalanine (Phe, 疏水), Leucine (Leu, 疏水), Alanine (Ala, 疏水), Isoleucine (Ile, 疏水)

此題考查學生對蛋白質電泳（electrophoresis）原理的理解，特別是 pH 值、蛋白質的等電點（isoelectric point, pI）以及分子量對蛋白質移動速度的影響。在 pH 7.0 的條件下，蛋白質的淨電荷決定了其移動方向和速度。

詳解：
蛋白質電泳是在電場中，帶電的分子向相反電荷的電極移動的過程。

• 陽極（Anode）：帶正電的電極。
• 陰極（Cathode）：帶負電的電極。
• pH 值：溶液的酸鹼度。蛋白質的淨電荷取決於溶液的 pH 值與其等電點（pI）的相對關係。
  • 當 pH > pI 時，蛋白質帶淨負電荷，會向陽極移動。
  • 當 pH < pI 時，蛋白質帶淨正電荷，會向陰極移動。
  • 當 pH = pI 時，蛋白質淨電荷為零，稱為等電點，此時蛋白質的移動速度最慢或不動。
• 移動速度：在給定的 pH 值下，蛋白質的移動速度受其淨電荷和分子量的影響。
  • 淨電荷：淨負電荷越大的蛋白質，在陽極方向移動的速度越快。
  • 分子量：在電荷相同的情況下，分子量越小的蛋白質，在電泳介質（如膠體）中移動越快。

題目設定的電泳條件是 pH = 7.0。我們需要分析各個蛋白質在 pH 7.0 下的淨電荷和移動速度。

蛋白質的移動方向是朝向帶相反電荷的電極。由於陽極帶正電，帶負電荷的蛋白質會移向陽極。移動速度越快，表示帶負電荷越多，或分子量越小（在電荷相當的情況下）。

我們逐一分析各蛋白質在 pH 7.0 下的狀態：
(A) protein A: pI = 7.0, MW = 25kDa。
在 pH 7.0 時，pH = pI，蛋白質淨電荷為零，移動速度最慢（或不動）。

(B) protein B: pI = 4.5, MW = 200kDa。

此題考查學生對真核細胞轉錄（transcription）過程的基本組成和相關因子的認識。轉錄是將 DNA 的遺傳信息複製到 RNA 分子的過程。

詳解：
真核細胞的轉錄過程涉及以下關鍵要素：

• DNA template（DNA 模板）：作為 RNA 合成的模版，DNA 中的一個鏈（模板鏈）被 RNA 聚合酶讀取。
• RNA polymerase（RNA 聚合酶）：催化 RNA 合成的關鍵酶。真核細胞有多種類型的 RNA 聚合酶（如 RNA Pol I, II, III），分別負責轉錄不同類型的 RNA。
• Promoter（啟動子）：位於基因起始位點上游的 DNA 序列，是 RNA 聚合酶結合並開始轉錄的位點。

此題考查學生對 RAS-MAPK 訊號傳遞路徑的理解，特別是 RAS 蛋白的激活機制。RAS 蛋白是一種 GTPase，其活性受到 GTP 和 GDP 的結合狀態調控。

詳解：
RAS 蛋白是 GTPase 家族的一員，在細胞的生長、分化和存活等過程中起著重要的調節作用。RAS 蛋白的活性循環依賴於它與 GTP（鳥苷三磷酸）和 GDP（鳥苷二磷酸）的結合。

• 激活狀態：當 RAS 蛋白結合 GTP 時，處於激活狀態，可以啟動下游的訊號傳遞。
• 失活狀態：當 RAS 蛋白結合 GDP 時，處於失活狀態。

RAS 的激活通常需要 GTP-GDP 交換因子（GEFs）的幫助，GEFs 促進 RAS 結合的 GDP 釋放，並使其重新結合 GTP。

此題考查學生對細胞膜脂質雙層（lipid bilayer）結構和溫度的關係的理解。脂質雙層的流動性（fluidity）是細胞膜功能的重要特性。

詳解：
脂質雙層的流動性受溫度影響。在較低溫度下，脂質分子運動受限，雙層變得更加有序，呈現「凝膠」（gel）或「晶體」（crystalline）狀態。在較高溫度下，脂質分子運動增強，雙層變得更加流動，呈現「液晶」（liquid crystalline）狀態。

從流動的液晶狀態轉變為固態的凝膠狀態的溫度，稱為 相變溫度（transition temperature） 或 熔融溫度（melting temperature）。在這個溫度點，脂質雙層發生相變。

我們來分析選項：
(A) transition temperature（轉變溫度/相變溫度）：這是指脂質雙層從流動狀態轉變為凝膠狀態的溫度。
(B) optimum temperature（最適溫度）：通常指酶活性最高或生理過程最有效的溫度，與脂質雙層的相變無關。

此題考查學生對真核生物轉錄因子結構與功能的理解，特別是 GAL4 蛋白的功能域。GAL4 蛋白是酵母菌中一個經典的轉錄因子，用於調控與半乳糖代謝相關的基因。

詳解：
GAL4 蛋白是一種轉錄因子，它包含兩個主要的功能域：

1. DNA-binding domain (DNA 結合域)：負責識別並結合到目標基因的啟動子區域（如 GAL1 啟動子）中的特定 DNA 序列（GAL4 結合位點）。GAL4 的 DNA 結合域通常包含一個 鋅指（zinc-finger）結構。鋅指結構通過與鋅離子配位，形成穩定的結構，從而能夠嵌入 DNA 的大溝（major groove）並識別特定的 DNA 序列。
2. Activation domain (激活域)：負責招募輔助因子（coactivators）或 RNA 聚合酶 II 複合物，從而增強或啟動轉錄。GAL4 的激活域是酸性的，並且可以與酵母菌的 Mediator 複合物或其他轉錄輔助因子相互作用。

此題考查學生對表皮生長因子（EGF）訊號傳遞路徑的理解，特別是 EGF 與其受體結合後，最早發生的事件。EGF 受體（EGFR）是一種酪胺酸激酶受體。

詳解：
EGF 結合到其受體 EGFR 上是啟動一系列細胞內訊號傳遞事件的第一步。EGFR 是一個跨膜蛋白質，其細胞外區域結合 EGF，細胞內區域具有酪胺酸激酶活性。

當 EGF 結合到 EGFR 時，會觸發以下過程：

1. 受體二聚化（Dimerization）：EGF 結合導致相鄰的 EGFR 分子相互靠近，形成異二聚體或同二聚體。
2. 酪胺酸激酶的激活（Activation of tyrosine kinase）：二聚化使得受體細胞內結構域的酪胺酸激酶區域靠近，並相互磷酸化（trans-phosphorylation）。這一步是關鍵的激活事件，受體從失活狀態轉變為有活性的酪胺酸激酶。
3. 受體自身磷酸化（Autophosphorylation）：激活的酪胺酸激酶會磷酸化受體細胞內區域的數個酪胺酸殘基，形成磷酸化酪胺酸位點。
4. 下游訊號分子的招募和激活：這些磷酸化位點成為其他細胞內訊號分子的結合位點，這些分子（如 SOS，一個 GEF；

此題為簡答題，共兩部分。第一部分要求定義「表觀遺傳調控 (epigenetic regulation)」，第二部分要求討論環境因素如何影響人類的表觀遺傳調控。

詳解：

第一部分：表觀遺傳調控的定義

表觀遺傳調控是指在不改變 DNA 序列本身的情況下，通過遺傳物質的化學修飾或組蛋白的結構改變，來影響基因表達的穩定遺傳現象。這些表觀遺傳標記（epigenetic marks）可以在細胞分裂過程中被傳遞，影響細胞的分化和發育，並對環境刺激做出反應。

主要的表觀遺傳調控機制包括：

1. DNA 甲基化 (DNA methylation)：最常見的修飾是胞嘧啶（cytosine）在 CpG 位點（一個胞嘧啶後面跟著一個鳥嘌呤）上的甲基化。DNA 甲基化通常與基因沉默（gene silencing）相關，因為它可以阻止轉錄因子結合 DNA，或招募含甲基結合域（MBD）的蛋白質，進而導致染色質緻密化。
2. 組蛋白修飾 (Histone modification)：組蛋白（如 H2A, H2B, H3, H4）是 DNA 纏繞形成的核小體（nucleosome）的基本組成單元。組蛋白的 N-端尾巴可以接受多種共價修飾，包括乙醯化（acetylation）、甲基化（methylation）、磷酸化（phosphorylation）、泛素化（ubiquitination）等。
   • 組蛋白乙醯化：通常與基因激活相關，因為乙醯化會降低組蛋白與 DNA 之間的靜電吸引力，使染色質鬆弛，有利於轉錄因子的結合。
   • 組蛋白甲基化：可以與基因激活或沉默相關，取決於甲基化發生的具體胺基酸殘基和甲基化程度。
3. 非編碼 RNA (Non-coding RNA)：某些長鏈非編碼 RNA（lncRNAs）和微小 RNA（miRNAs）也可以參與表觀遺傳調控，通過與 DNA、RNA 或蛋白質相互作用來影響基因表達。

第二部分：環境因素對人類表觀遺傳調控的影響

環境因素對表觀遺傳調控的影響是現代生物學研究的熱點，這表明基因表達並非完全由遺傳決定，而是受到環境的動態調控。這種調控在生命早期尤為重要，並可能對個體的長期健康產生影響。

主要的環境因素及其影響方式包括：

1. 飲食 (Diet)：
   • 葉酸、膽鹼、甜菜鹼等一碳單位供體：這些營養素是 DNA 甲基化和組蛋白甲基化過程中的重要輔因子（如 S-腺苷甲硫胺酸 SAM 的前體）。

此題考查學生對蛋白質結構，特別是三級結構與四級結構之間關係的理解，以及胺基酸組成對蛋白質結構穩定性和聚集行為的影響。

詳解：

題目描述：

• 兩個多肽鏈 A 和 B 具有相似的三級結構。
• A 通常以單體 (monomer) 形式存在。
• B 通常以四聚體 (tetramer) 形式存在。
• 問題：預期 A 和 B 在胺基酸組成上會有什麼差異？

核心概念：
蛋白質的四級結構是指由多個多肽鏈（亞基，subunit）組成的蛋白質複合物。這些亞基之間通過非共價鍵（如氫鍵、離子鍵、疏水相互作用、范德華力）和有時的二硫鍵連接。多肽鏈的胺基酸組成，特別是側鏈的性質（親水性、疏水性、帶電性），決定了它們在溶液中的溶解度、聚集傾向以及與其他亞基相互作用的能力。

分析推論：

1. 相似的三級結構：這意味著 A 和 B 的單條多肽鏈在摺疊後，其空間構象是相似的。這表示它們的胺基酸序列在決定單條鏈摺疊方面，可能具有高度的相似性，或者至少在決定三級結構的關鍵區域（如疏水核心、活性位點等）是保守的。

2. 單體 vs. 四聚體：

   • A 作為單體存在：表示單條 A 鏈本身足夠穩定，並且在生理條件下，它與其他 A 鏈的結合傾向很低，或者其暴露的表面區域不適合形成穩定的多聚體。
   • B 作為四聚體存在：表示四條 B 鏈能夠有效地相互結合，形成一個穩定的四聚體結構。這種結合通常是通過亞基之間高度優化的相互作用來實現的。

3. 胺基酸組成的差異推測：
   要形成穩定的四聚體，B 鏈的表面必須具有能夠與其他 B 鏈亞基有效相互作用的區域。這些相互作用通常涉及：

   • 疏水相互作用 (Hydrophobic interactions)：這是蛋白質亞基聚集形成多聚體的最主要驅動力之一。如果 B 鏈的表面比 A 鏈有更多的疏水性胺基酸殘基暴露出來，那麼當 B 鏈靠近時，這些疏水殘基會傾向於聚集在一起，以最小化與水環境的接觸，從而驅動四聚體的形成。

此題為簡答題，要求描述 mRNA COVID-19 疫苗的工作原理。

詳解：

mRNA 疫苗的工作原理

mRNA 疫苗是一種創新的疫苗技術，它利用信使核糖核酸（mRNA）來指導人體細胞產生特定的蛋白質，從而觸發免疫反應。針對 COVID-19 的 mRNA 疫苗（例如輝瑞-BioNTech 和 Moderna 的疫苗）主要利用 SARS-CoV-2 病毒表面的棘狀蛋白（spike protein）作為目標抗原。

以下是 mRNA COVID-19 疫苗的工作流程：

1. 疫苗製備：

   • 科學家首先確定 SARS-CoV-2 病毒的棘狀蛋白的胺基酸序列。
   • 然後，他們設計一段 mRNA 分子，這段 mRNA 攜帶的遺傳密碼（由 U, A, C, G 四種核苷酸組成）指示細胞如何製造這種棘狀蛋白。
   • 這段 mRNA 會經過優化，例如對核苷酸進行修飾（如使用偽尿苷 pseudouridine 取代尿苷 uridine），以提高其穩定性、降低免疫原性（避免被自身免疫系統過早識別和破壞），並提高在細胞內的翻譯效率。
   • 為了保護 mRNA 免受降解並幫助其進入細胞，mRNA 會被包裹在納米脂質顆粒（lipid nanoparticles, LNPs）中。LNPs 模擬細胞膜的結構，有利於 mRNA 進入細胞。

2. 注射與細胞攝取：

   • 疫苗被注射到人體肌肉細胞中（通常是上臂）。
   • LNPs 內的 mRNA 被肌肉細胞吸收。

3. 蛋白質合成：

   • 一旦進入細胞質，細胞自身的核糖體就會識別 mRNA 上的起始信號，並開始按照 mRNA 的指令「讀取」遺傳密碼。