114 年 國立成功大學環境醫學研究所乙組《生物化學》

本題主要考查膽固醇在人體中的生理功能。膽固醇是一種固醇類脂質，雖然過高濃度與心血管疾病相關，但其本身是維持生命活動不可或缺的重要分子。

膽固醇在身體中扮演多種關鍵角色，主要包括：

1. 細胞膜的組成成分：膽固醇嵌入細胞膜的磷脂雙層結構中，調節膜的流動性。在較高溫度下，它限制磷脂分子的移動，降低膜的流動性；在較低溫度下，它能阻止磷脂分子緊密排列，維持膜的流動性，確保細胞功能的正常運作。
2. 合成類固醇荷爾蒙的前驅物：膽固醇是合成所有類固醇荷爾蒙的基礎，包括：
   • 皮質類固醇：如皮質醇 (cortisol) 和醛固酮 (aldosterone)，在調節代謝、免疫反應和體液平衡中起重要作用。

本題旨在探討脂質過氧化作用的機制、自由基的角色以及常見的抗氧化劑。

脂質過氧化作用 (Lipid Peroxidation)：
脂質過氧化作用是指在細胞膜或其他含有不飽和脂肪酸的脂質結構中，自由基攻擊並奪取不飽和脂肪酸的亞甲基（methylene group）上的氫原子，進而引發連鎖反應，導致脂質分子結構改變、功能喪失，並產生多種有害的過氧化產物（如丙二醛 malondialdehyde, MDA；4-羥基壬烯醛 4-hydroxynonenal, HNE）。這個過程會破壞細胞膜的完整性和通透性，影響細胞功能，甚至導致細胞死亡。

自由基 (Free Radicals)：
自由基是含有不成對電子的原子、分子或離子，具有極高的反應活性，容易奪取其他分子的電子，造成氧化損傷。在脂質過氧化作用中，自由基扮演著起始者和傳播者的關鍵角色：

1. 起始：一個起始自由基（如烷氧自由基 alkoxy radical, RO• 或烷氧過氧自由基 peroxy radical, ROO•）從不飽和脂肪酸上奪取一個氫原子，形成一個脂質自由基 (R•)。
2. 傳播：脂質自由基 (R•) 迅速與氧氣反應生成脂質過氧自由基 (ROO•)，這個新的自由基再從另一個脂肪酸分子上奪取氫原子，形成脂質過氧化物 (ROOH) 並產生另一個脂質自由基 (R•)，如此形成一個自我延續的連鎖反應。

本題考查端粒、端粒酵素的功能及其在癌症治療中的應用。

端粒 (Telomere)：
端粒是位於染色體末端的特殊結構，由重複的 DNA 序列（在人類為 TTAGGG 重複序列）和相關蛋白質（如保護端粒複合體 POTS）組成。

• 主要功能：
  1. 保護染色體末端：端粒能防止染色體末端被誤認為 DNA 斷裂而引發 DNA 修補反應，避免染色體之間發生異常的融合。
  2. 解決 DNA 複製的末端複製問題 (end replication problem)：由於 DNA 聚合酶需要引子 (primer) 才能起始合成，且只能沿著 5' 到 3' 方向合成，因此在複製過程中，滯後鏈 (lagging strand) 的最前端無法被完全複製，導致每次細胞分裂後，染色體都會變得稍微短一些。端粒的存在可以承受這種長度的縮短，而保護染色體內的基因序列不被丟失。

端粒酵素 (Telomerase)：
端粒酵素是一種特殊的逆轉錄酶 (reverse transcriptase)，它攜帶一個 RNA 模板，能夠在染色體末端添加 DNA 序列，以補充因細胞分裂而縮短的端粒。

• 主要功能：

本題考查基因突變對蛋白質合成的影響。點突變是指 DNA 序列中單一鹼基的改變（插入、刪除或替換）。這裡討論的是單一鹼基替換突變 (point substitution mutation) 對酵素基因的影響。

當一段製造酵素的 DNA 密碼發生單一鹼基的點突變時，可能產生以下幾種結果：

1. 無義突變 (Nonsense mutation)：

   • 結果：突變導致一個原本編碼胺基酸的密碼子 (codon) 變為終止密碼子 (stop codon)。
   • 影響：蛋白質合成會在突變點提前終止，產生一個截短的、通常無功能的蛋白質。

2. 錯義突變 (Missense mutation)：

   • 結果：突變導致一個編碼胺基酸的密碼子改變，但仍然編碼另一個胺基酸。
   • 影響：
     • 保守性突變 (Conservative mutation)：新胺基酸與原胺基酸的化學性質（如極性、電荷、大小）相似，對蛋白質結構和功能的影響可能較小，甚至沒有影響。

本題考查 DNA 損傷修補的機制，特別是針對放射線損傷的修補方式。

DNA 損傷修補的種類：
DNA 損傷修補是細胞維持基因組穩定性的重要過程，主要有以下幾種機制：

1. 鹼基切除修補 (Base Excision Repair, BER)：

   • 修補對象：主要修補由氧化、烷基化、脫氨基等引起的單一鹼基損傷。
   • 機制：
     • DNA 糖苷酶 (DNA glycosylase) 識別並切除受損鹼基，在 DNA 骨架上形成一個 AP 位點 (apurinic/apyrimidinic site)。
     • AP 核酸酶 (AP endonuclease) 切斷磷酸二酯鍵，產生一個缺口。
     • DNA 聚合酶 (DNA polymerase) 填補缺口，合成新的 DNA 片段。
     • DNA 連接酶 (DNA ligase) 關閉缺口，完成修補。

2. 核苷酸切除修補 (Nucleotide Excision Repair, NER)：

   • 修補對象：主要修補較大的 DNA 損傷，如嘧啶二聚體 (pyrimidine dimers，由紫外線引起) 和 DNA 鏈間交聯 (interstrand crosslinks)。
   • 機制：
     • 識別並結合損傷部位的蛋白質複合物。
     • 在損傷的兩側切開 DNA 鏈，切除包含損傷的較長核苷酸片段（約 10-30 個核苷酸）。
     • DNA 聚合酶利用未受損的鏈作為模板，填補缺口。
     • DNA 連接酶連接片段。

3. 錯配修補 (Mismatch Repair, MMR)：

   • 修補對象：修補 DNA 複製過程中產生的鹼基錯配和插入/刪除突變。
   • 機制：
     • 識別錯配的鹼基對。
     • 區分新舊 DNA 鏈（通常依賴於 DNA 的甲基化狀態）。
     • 切除新鏈上錯誤的核苷酸片段。
     • DNA 聚合酶重新合成正確的 DNA 片段。
     • DNA 連接酶連接。

4. 雙鏈斷裂修補 (Double-Strand Break Repair, DSBR)：

   • 修補對象：修補 DNA 雙鏈的斷裂，這是一種非常嚴重的損傷。
   • 主要機制：
     • 非同源末端連接 (Non-Homologous End Joining, NHEJ)：直接將斷裂的兩端連接起來，過程中可能會有鹼基的插入或刪除，易發生突變。

本題旨在定義三種重要的基因類型：致癌基因 (Oncogene)、腫瘤抑制基因 (Tumor suppressor gene) 和管家基因 (Housekeeping gene)。

1. Oncogene (致癌基因)：

• 定義：正常情況下，致癌基因的前身是「原癌基因」(proto-oncogene)。原癌基因是參與細胞生長、分化和凋亡等正常細胞生理過程的基因。當原癌基因發生突變（例如點突變、基因擴增、染色體易位等），使其獲得了過度活躍或持續表達的能力，就會轉變為致癌基因。
• 功能：致癌基因在突變後，會過度刺激細胞生長和分裂，即使在沒有生長信號的情況下也會持續驅動細胞週期前進。它們通常表現為顯性突變 (dominant mutation)，即只需要一個拷貝的基因發生突變即可。
• 例子：RAS 基因家族、MYC、HER2 等。

2. Tumor suppressor gene (腫瘤抑制基因)：

• 定義：腫瘤抑制基因是負責抑制細胞生長、促進細胞凋亡、修復 DNA 損傷或維持基因組穩定性的基因。它們就像細胞的「剎車」。
• 功能：當腫瘤抑制基因失活或丟失功能時，細胞就失去了對生長的抑制和對 DNA 損傷的修復能力，容易積累突變並失控增殖，最終可能發展成癌症。

本題考查實驗室中分離與純化蛋白質的常用方法及其原理。

蛋白質的分離與純化是蛋白質體學研究中的關鍵步驟，目的是從複雜的生物樣品（如細胞裂解液、組織提取物）中獲得特定目標蛋白質，並去除其他雜質。以下列舉兩種常用方法：

1. 離子交換層析 (Ion-Exchange Chromatography, IEC)：

• 原理：此方法利用蛋白質表面所帶電荷的差異來進行分離。層析柱填料帶有固定的離子基團，可以是帶負電的陰離子交換劑（如 DEAE-cellulose），或帶正電的陽離子交換劑（如 CM-cellulose）。
  • 陰離子交換：當蛋白質樣品通過帶負電的填料時，帶正電的蛋白質會與填料結合，而帶負電或中性的蛋白質則流過。
  • 陽離子交換：當蛋白質樣品通過帶正電的填料時，帶負電的蛋白質會與填料結合，而帶正電或中性的蛋白質則流過。
• 分離過程：
  1. 樣品溶解在低鹽濃度的緩衝液中，加入層析柱。
  2. 帶有相反電荷的目標蛋白質會與填料結合。
  3. 用不同鹽濃度或 pH 值的緩衝液沖提 (elute)。隨著鹽濃度升高，外源離子會競爭性地取代結合在填料上的蛋白質，使蛋白質逐漸解離。
  4. 不同蛋白質由於其表面電荷的差異，在不同的鹽濃度下被沖提下來，從而達到分離的目的。通常，帶電量越強的蛋白質，需要更高的鹽濃度才能將其從填料上沖提下來。

本題考查基因表達的三個核心過程：轉錄 (transcription)、轉譯 (translation) 和轉譯後修飾 (post-translational processing) 的發生地點、參與分子及其生物學意義。

1. Transcription (轉錄)：

• 進行地點：
  • 真核細胞 (Eukaryotic cells)：發生在細胞核 (nucleus)。
  • 原核細胞 (Prokaryotic cells)：發生在細胞質 (cytoplasm)。
• 參與分子：
  • DNA 模板：作為基因訊息的載體。
  • RNA 聚合酶 (RNA polymerase)：催化 RNA 合成的關鍵酵素。
  • 核苷酸三磷酸 (NTPs)：如 ATP, UTP, CTP, GTP，作為 RNA 合成的原料。
  • 轉錄因子 (Transcription factors)：蛋白質，幫助 RNA 聚合酶識別啟動子 (promoter) 並結合到 DNA 上，調節轉錄的起始。
  • 其他輔助因子 (Cofactors)。
• 生物學上的重要性：
  • 將 DNA 中的遺傳訊息（基因序列）轉錄成信使 RNA (mRNA)。
  • 是基因表達的第一步，決定了哪些基因在何時、何地、以何種程度被表達。
  • 在真核生物中，轉錄後的 mRNA 還需要經過 RNA 剪接 (splicing)、加帽 (capping) 和加尾 (polyadenylation) 等後轉錄修飾 (post-transcriptional modification)。

2. Translation (轉譯)：

• 進行地點：
  • 真核細胞：發生在細胞質中的核糖體 (ribosomes)。
  • 原核細胞：發生在細胞質中的核糖體。
• 參與分子：
  • mRNA：攜帶轉錄來的密碼子序列，作為蛋白質合成的模板。
  • 核糖體 (Ribosomes)：由核糖體 RNA (rRNA) 和蛋白質組成，是蛋白質合成的場所，提供 mRNA 和 tRNA 結合的位點，並催化肽鍵的形成。
  • 轉移 RNA (tRNA)：攜帶特定的胺基酸，並通過其反密碼子 (anticodon) 識別 mRNA 上的密碼子。
  • 胺基酸 (Amino acids)：蛋白質的基本組成單位。

本題考查細胞連接的兩種重要類型：縫隙連接 (Gap junction) 和緊密連接 (Tight junction) 的功能。

1. Gap junction (縫隙連接)：

• 結構：由跨膜蛋白 connexins 組成的通道，連接相鄰細胞的細胞質。在哺乳動物中，六個 connexins 形成一個 connexon (或稱半通道 hemichannel)，兩個相鄰細胞的 connexons 對接，形成一個完整的縫隙連接通道。
• 功能：
  • 細胞間信號傳遞 (Intercellular communication)：允許小分子物質（如離子、葡萄糖、胺基酸、第二信使如 cAMP, IP3）在相鄰細胞之間直接快速地交換。
  • 協調細胞活動：這種直接的細胞間聯繫對於協調大量細胞的同步活動至關重要，例如：
    • 心肌細胞：確保心肌同步收縮。
    • 平滑肌細胞：協調肌肉收縮。
    • 神經元：在某些情況下，可實現電偶聯 (electrical coupling)，快速傳遞電信號。
    • 胚胎發育：協調細胞的分化和形態發生。

2. Tight junction (緊密連接)：

• 結構：由跨膜蛋白 claudins 和 occludins 形成的蛋白質網狀結構，緊密地包圍細胞的頂端區域（靠近細胞頂端邊緣），將相鄰細胞的細胞膜緊密地「縫合」在一起。

本題考查細胞死亡的三種重要機制：細胞凋亡 (Apoptosis)、細胞壞死 (Necrosis) 和細胞自噬 (Autophagy)。

1. Apoptosis (細胞凋亡)：

• 定義：細胞凋亡是一種主動的、程序化的細胞死亡過程，通常是細胞為了維持機體穩定性而自發啟動或被誘導的。它被稱為「程式性細胞死亡」或「細胞自殺」。
• 特徵：
  • 細胞收縮：細胞體積變小。
  • 染色質濃縮 (Chromatin condensation) 和核碎裂 (nuclear fragmentation)。
  • 形成凋亡小體 (Apoptotic bodies)：細胞膜完整，但細胞內物質被包裹在膜內的小囊泡中，然後被吞噬細胞清除。
  • 無炎症反應：由於細胞內容物未釋放到細胞外，通常不會引發炎症。
  • 能量依賴：需要細胞消耗能量 (ATP)。
  • 主要通路：內源性通路（通過粒線體釋放細胞色素 c）和外源性通路（通過死亡受體）。
• 生物學重要性：
  • 胚胎發育中的形態發生（如手指和腳趾的形成）。
  • 維持組織穩態（清除衰老、受損或多餘的細胞）。
  • 免疫系統的調控（清除自身反應性細胞）。
  • 抵抗病毒感染。

2. Necrosis (細胞壞死)：

• 定義：細胞壞死是一種被動的、非程序化的細胞死亡形式，通常是由於外部的物理或化學傷害（如外傷、缺氧、毒素）引起的。
• 特徵：
  • 細胞腫脹：細胞體積增大，細胞膜破裂。
  • 細胞器腫脹：線粒體等細胞器腫脹。
  • 細胞內容物釋放：細胞膜破裂導致細胞內物質（酶、蛋白質、DNA 等）釋放到細胞外。
  • 引發炎症反應：釋放的細胞內容物會刺激周圍組織，引起強烈的炎症反應。
  • 無能量依賴：通常不消耗 ATP。
• 生物學重要性：
  • 通常與病理過程相關，如組織損傷、感染、缺血等。