115 年 國立成功大學環境醫學研究所乙組在職生《生物化學》

此題為名詞解釋題，共包含六個生物化學相關術語，每項佔 5%，總計 30%。需對每個名詞給出精確且簡潔的定義。

1. Reverse transcriptase: 是一種酵素，能以 RNA 作為模板，反向合成 DNA。此過程稱為反轉錄 (reverse transcription)，在某些病毒（如反轉錄病毒）的複製過程中扮演關鍵角色，也廣泛應用於分子生物學實驗。
2. Apoptosis: 又稱為細胞凋亡 (programmed cell death)，是一種主動的、受基因調控的細胞死亡過程。細胞會啟動一系列的生化反應，導致細胞體積縮小、染色質濃縮、DNA 片段化，最終被吞噬細胞清除，過程不會引發發炎反應，是維持組織穩態的重要機制。
3. Tumor suppressor genes: 腫瘤抑制基因是細胞中負責抑制細胞生長、促進細胞凋亡或修復 DNA 損傷的基因。當這些基因發生突變或失活時，細胞的生長調控機制就會失常，可能導致腫瘤的形成。例如 p53 和 Rb 基因。
4. $\beta$-oxidation: $\beta$-氧化是脂肪酸分解代謝的主要途徑，發生於粒線體基質和過氧化體中。

此題考驗對酵素基本功能的理解以及毒物對酵素活性的影響機制，共佔 10%。

酵素在生物體內的重要性：
酵素是生物體內重要的蛋白質催化劑，其重要性體現在以下幾個方面：

1. 加速生化反應：幾乎所有的生化反應都需要酵素催化才能在生理溫度和壓力下快速進行。沒有酵素，許多重要的代謝反應將無法在細胞存活所需的時間內完成。
2. 專一性：酵素通常對其受質 (substrate) 具有高度專一性，能準確地催化特定的反應，避免不必要的副反應發生，維持細胞內環境的穩定。
3. 調控代謝途徑：酵素的活性可以被精確調控，使得細胞能夠根據能量需求和環境變化，靈活地啟動、關閉或調整各種代謝途徑。
4. 參與生命活動：酵素參與了幾乎所有的生命活動，包括消化、吸收、能量產生、DNA 複製與修復、肌肉收縮、神經傳導、免疫反應等。

毒物如何影響酵素活性：
毒物 (toxins) 能夠透過多種方式干擾酵素的正常功能，進而對生物體造成傷害。常見的影響機制包括：

1. 抑制作用 (Inhibition)：
   • 競爭性抑制 (Competitive Inhibition)：毒物分子結構類似受質，能與受質競爭結合酵素的活性位 (active site)。

此題要求列舉並說明三種測定蛋白質分子量的方法及其原理，共佔 10%。

測定蛋白質分子量的方法有多種，以下列舉三種常見的方法：

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

   • 原理：SDS-PAGE 是一種常用的蛋白質分離技術，主要利用蛋白質的電泳遷移率來推測其分子量。SDS 是一種陰離子去污劑，能與蛋白質結合，破壞其原有的三級結構，並使蛋白質帶有均一的負電荷，其電荷密度與蛋白質的胺基酸組成無關，僅與蛋白質的長度有關。在聚丙烯醯胺凝膠 (polyacrylamide gel) 中，蛋白質在電場作用下向正極移動，其遷移速率主要取決於其分子大小（即肽鏈長度），較小的蛋白質移動較快，較大的蛋白質移動較慢。透過與已知分子量的蛋白質標準品 (molecular weight markers) 同時進行電泳，並繪製標準曲線，即可根據待測蛋白質的遷移距離推算出其分子量。
   • 適用性：此方法主要用於測定蛋白質亞基 (subunit) 的分子量，尤其是變性後的單鏈蛋白質。

2. 質譜法 (Mass Spectrometry, MS)

   • 原理：質譜法是一種直接測量分子質量的技術。將蛋白質樣品離子化後，利用電場和磁場分離這些離子，根據其質荷比 (mass-to-charge ratio, m/z) 進行偵測。透過精準測量離子的 m/z 值，可以推算出蛋白質的精確分子量。

此題考驗對基因突變及其對蛋白質產生的影響的理解，共佔 10%。

基因突變是指 DNA 序列發生永久性改變。單一鹼基的點突變 (point mutation) 指的是 DNA 序列中一個鹼基對被另一個鹼基對替換。這種突變可能對由此轉錄產生的 mRNA 以及進一步轉譯產生的蛋白質產生不同的影響。

可能產生的結果有以下幾種：

1. 無義突變 (Nonsense mutation)：

   • 結果：如果點突變導致一個原本編碼胺基酸的密碼子 (codon) 變成了終止密碼子 (stop codon)，則蛋白質的轉譯會在該點提前終止。這通常會產生一個截短的、功能喪失的蛋白質。
   • 例子：例如，原本的密碼子 UCA (Serine) 突變成 UAA (Stop)。

2. 錯義突變 (Missense mutation)：

   • 結果：如果點突變導致一個密碼子改變，但仍然編碼另一個胺基酸，則會產生一個蛋白質，其中一個胺基酸被替換成另一個。這種突變可能對蛋白質的結構和功能產生不同程度的影響，從輕微到嚴重，取決於被替換的胺基酸的性質及其在蛋白質結構中的位置。
   • 例子：例如，原本的密碼子 GCA (Alanine) 突變成 GUA (Valine)。

3. 同義突變 (Silent mutation)：

   • 結果：由於遺傳密碼的簡併性 (degeneracy)，一種胺基酸可能有多個密碼子。如果點突變導致一個密碼子改變，但新的密碼子仍然編碼相同的胺基酸，則蛋白質的胺基酸序列不會改變。

此題考驗對膽固醇生理功能的了解，共佔 10%。

膽固醇 (cholesterol) 是一種固醇類脂質，雖然過高濃度與心血管疾病相關，但它在人體內扮演著多種至關重要的角色，是維持生命所必需的。其主要功能包括：

1. 細胞膜的重要組成成分：膽固醇嵌入細胞膜的脂質雙層中，影響細胞膜的流動性 (fluidity) 和穩定性。在較低溫度下，膽固醇可以增加細胞膜的流動性；在較高溫度下，則可以降低細胞膜的流動性，使其更加穩定。這對於維持細胞膜的結構完整性和功能至關重要。
2. 合成類固醇激素的前驅物：膽固醇是合成所有類固醇激素的基礎分子，這些激素包括：
   • 性激素：如雌激素 (estrogen)、雄激素 (androgen) 和孕激素 (progesterone)，調控生殖發育和生理功能。

此題考驗對 ATP 在細胞能量代謝中的核心作用以及能量匱乏對細胞的影響的理解，共佔 10%。

ATP 在細胞能量代謝中的角色：
ATP (Adenosine Triphosphate, 三磷酸腺苷) 是細胞中最主要的「能量貨幣」。它在細胞能量代謝中的核心角色體現在：

1. 能量的儲存與傳遞：ATP 分子中的兩個末端磷酸鍵（酸酐鍵）含有高能量。當 ATP 水解生成 ADP (Adenosine Diphosphate, 二磷酸腺苷) 和無機磷酸 (Pi) 時，會釋放出大量的自由能。這個能量可以被細胞內各種需要能量的過程利用，例如：
   • 合成代謝：如蛋白質合成、核酸合成、多醣合成等需要消耗能量。
   • 主動運輸：將物質逆濃度梯度運輸過細胞膜。
   • 機械運動：如肌肉收縮、鞭毛擺動、細胞骨架的運動。
   • 訊號傳遞：如磷酸化作用。
2. 能量的耦合：ATP 的水解所釋放的能量，可以與吸能反應 (endergonic reactions) 耦合，使得原本無法進行的吸能反應得以順利發生。這是一種能量的「驅動」機制。

此題考驗對蛋白質磷酸化調節機制及其相關胺基酸的理解，共佔 10%。

酵素分子上可被磷酸化的胺基酸：
蛋白質的磷酸化是指在特定的胺基酸殘基上添加一個磷酸基團 (phosphate group, -PO$_4^{3-}$)。在真核生物中，可以被磷酸化的胺基酸殘基主要有三種，它們都帶有側鏈的羥基 (-OH)，這個羥基是磷酸基團結合的位點：

1. 絲胺酸 (Serine, Ser, S)
2. 蘇胺酸 (Threonine, Thr, T)
3. 酪胺酸 (Tyrosine, Tyr, Y)

酵素分子經過磷酸化後活性改變的原因：
磷酸基團帶有強烈的負電荷。當它被添加到胺基酸殘基上時，會對蛋白質的局部電荷分佈和整體構象產生顯著影響。這種結構上的改變可以通過以下幾種方式影響酵素活性：

1. 改變活性位點的構象：磷酸基團的加入可能直接或間接地改變活性位點 (active site) 的立體結構，進而影響受質 (substrate) 的結合能力或催化效率。

此題考驗對三大主要營養素（碳水化合物、脂質、蛋白質）在人體中主要功能差異的理解，共佔 10%。

人體所需的三大主要營養素——碳水化合物、脂質和蛋白質，雖然都能提供能量，但在體內扮演的角色和功能側重點有顯著差異。

1. 碳水化合物 (Carbohydrates)：

   • 主要功能：
     • 能量的主要來源：是身體最優先、最直接的能量來源，特別是大腦和紅血球等依賴葡萄糖作為主要能量來源的組織。
     • 能量儲存：以肝醣 (glycogen) 的形式儲存在肝臟和肌肉中，作為備用能量。
     • 結構成分：某些碳水化合物（如糖胺聚醣GAGs）是結締組織、細胞膜等結構的重要組成部分。
   • 能量釋放效率：相對較快，易於分解。

2. 脂質 (Lipids)：

   • 主要功能：
     • 能量的濃縮儲存：是身體儲存能量最有效的方式，每克脂質提供的能量約為碳水化合物或蛋白質的兩倍。
     • 構成細胞膜：磷脂質和膽固醇是細胞膜的主要結構成分。
     • 絕緣與保護：皮下脂肪層提供保溫，內臟周圍的脂肪提供緩衝和保護。
     • 脂溶性維生素的載體與吸收：幫助吸收維生素 A, D, E, K。
     • 合成激素：膽固醇是合成類固醇激素的前驅物。
   • 能量釋放效率：較慢，需要複雜的代謝途徑。