113 年 國立臺灣大學毒理學研究所《基礎分子生物學》

本題主要在考驗學生對 DNA 基本組成單元的了解。DNA（去氧核糖核酸）的組成單元是去氧核苷酸 (deoxyribonucleotide)，每個去氧核苷酸由三部分組成：一個去氧核糖 (deoxyribose) 骨架、一個含氮鹼基 (nitrogenous base)、以及一個磷酸基團 (phosphate group)。

選項分析：
(A) Ribose：核糖 (Ribose) 是 RNA 的組成單元，DNA 的骨架是去氧核糖 (Deoxyribose)。因此，Ribose 不是 DNA 的一部分。

本題考驗學生對 DNA 不同結構形式的認識。DNA 在不同條件下可以形成多種結構，其中最常見的是 B-DNA，但也存在 A-DNA 和 Z-DNA 等。

選項分析：
(A) A-DNA：A-DNA 是雙螺旋結構，通常在低水分環境下由 B-DNA 轉變而來。它與 B-DNA 的螺旋方向相同（右旋），但結構更緊湊，直徑更大。
(B) B-DNA：B-DNA 是 DNA 最常見的結構形式，通常在生理條件下存在，是 Watson-Crick 模型所描述的結構。

本題考驗學生對 DNA 複製過程中關鍵酶的認識。DNA 複製是一個複雜的過程，需要多種酶的協同作用來準確地複製遺傳物質。

選項分析：
(A) Helicase (解旋酶)：Helicase 的作用是解開 DNA 雙螺旋的氫鍵，使雙鏈 DNA 分開，暴露出單鏈模板，以便 DNA 聚合酶進行合成。這是 DNA 複製的起始步驟之一。
(B) Topoisomerase (拓樸異構酶)：在 DNA 複製過程中，雙螺旋解開會導致 DNA 超螺旋的形成，產生張力。Topoisomerase 通過切割和重新連接 DNA 鏈來緩解這種張力，防止 DNA 斷裂。

本題考驗學生對 DNA 複製機制相關概念的理解。

選項分析：
(A) 3' to 5' polymerase activity is used to synthesize both strands of DNA：DNA polymerase 的主要合成方向是 5' 到 3'。它將新的核苷酸添加到新生鏈的 3' 端。雖然 DNA polymerase 具有 3' 到 5' 的外切酶 (exonuclease) 校對功能，但其聚合酶 (polymerase) 活動是 5' 到 3' 的。因此，此敘述錯誤。
(B) DNA replication is semiconservative：DNA 複製是半保留的，這意味著每個新生成的 DNA 分子都包含一條來自親代 DNA 的舊鏈和一條新合成的鏈。這是 DNA 複製的一個基本原則。此敘述正確。

本題考驗學生對真核生物線性染色體 DNA 複製末端問題 (end replication problem) 的理解，以及相關的結構和酶。在線性 DNA 的複製過程中，由於 DNA 聚合酶需要引子才能合成，滯後鏈 (lagging strand) 的末端在移除引子後會留下一個缺口，導致 5' 端 DNA 的潛在丟失，使染色體逐漸縮短。

選項分析：
(A) DNA gyrase (DNA 旋酶)：DNA gyrase 是原核生物中的一種拓樸異構酶，主要負責維持 DNA 的負超螺旋。在真核生物中，其功能由其他拓樸異構酶執行，且與末端複製問題無直接關聯。
(B) Telomere (端粒)：端粒是真核生物線性染色體末端的特殊結構，由重複的 DNA 序列和蛋白質組成。

本題考驗學生對 DNA 突變原 (mutagens) 的認識。突變原是能夠引起 DNA 序列改變的物理或化學物質。

選項分析：
(A) Heat (熱)：高溫會加速 DNA 鹼基的脫氨反應 (deamination) 和嘌呤的脫嘌呤反應 (depurination)，導致 DNA 鏈斷裂或鹼基錯配，從而引起突變。
(B) Ultra-violet light (紫外線)：紫外線，特別是 UVB，可以引起相鄰嘧啶鹼基（主要是胸腺嘧啶）之間形成嘧啶二聚體 (pyrimidine dimers)，如環丁烷嘧啶二聚體 (CPD)，這會干擾 DNA 複製和轉錄，導致突變。

本題考驗學生對限制酶 (restriction enzymes) 的性質和功能的理解。限制酶是內切核酸酶，主要存在於細菌中，是細菌抵抗外來 DNA（如噬菌體 DNA）的重要防禦機制。

選項分析：
(A) Type I restriction enzyme usually cleave DNA within their recognition sequences：Type I 限制酶的識別序列和切割位點是分離的，它們通常在識別序列幾千個鹼基對之外的隨機位點進行切割。Type II 限制酶則通常在識別序列內部或附近切割。因此，此敘述錯誤。
(B) They are part of a bacterial host defense system to degrade invading viral DNA：這是限制酶的主要功能。細菌通過甲基化自身 DNA 的識別位點來保護自身 DNA 免受限制酶的切割，而外來的病毒 DNA 則沒有被甲基化，因此會被限制酶切割降解。此敘述正確。
(C) Calcium (Ca2+) is typically required for their catalytic activity：許多限制酶（特別是 Type II）的活性需要二價陽離子，但最常見的是鎂離子 (Mg2+)，而不是鈣離子 (Ca2+)。

本題考驗學生對組蛋白 (histone) 修飾及其在表觀遺傳調控 (epigenetic regulation) 中作用的理解。組蛋白修飾是影響染色質結構和基因表達的重要機制。

選項分析：
(A) Acetylation (乙醯化)：組蛋白乙醯化，特別是 H3 和 H4 的賴氨酸殘基上的乙醯化，通常與基因活化相關。乙醯化會中和組蛋白上的正電荷，削弱組蛋白與 DNA 之間的相互作用，使染色質鬆弛，有利於轉錄因子結合和基因轉錄。
(B) Methylation (甲基化)：組蛋白甲基化，特別是賴氨酸和精氨酸殘基上的甲基化，可以導致基因活化或沉默，取決於具體的胺基酸殘基和甲基化的數量。例如，H3K4me3 通常與基因啟動子區域的活化相關，而 H3K9me3 和 H3K27me3 則與基因沉默相關。

本題考驗學生對轉座子 (transposons) 的理解。轉座子是能夠在基因組內移動的 DNA 序列，也被稱為「跳躍基因」。

選項分析：
(A) Transposons usually contain short inverted terminal repeat sequences：許多類型的轉座子（尤其是 DNA 轉座子）兩端都帶有重複序列，這些重複序列通常是反向重複的 (inverted repeats)，這對於轉座酶識別並介導轉座至關重要。此敘述正確。
(B) Being named as retrotransposons if RNA intermediates are involved in the transposition：逆轉座子 (retrotransposons) 的轉座機制涉及 RNA 中間體。它們通過 RNA 形式進行轉錄，然後由逆轉錄酶 (reverse transcriptase) 將 RNA 逆轉錄成 DNA，再插入到基因組的其他位置。此敘述正確。
(C) Transposons can cause spread of antibiotic resistance within a bacteria population：在細菌中，抗生素抗性基因常常位於質粒 (plasmids) 或轉座子的移動元件上。當這些轉座子移動到其他質粒或染色體上時，就可以將抗性基因傳播給其他細菌，從而加速抗生素抗性的演化和傳播。此敘述正確。

本題考驗學生對轉錄 (transcription) 過程的理解。轉錄是將 DNA 序列信息轉錄成 RNA 的過程。

選項分析：
(A) Transcription factors function to help move ribosomes along the mRNA：轉錄因子 (transcription factors) 的作用是結合到 DNA 的特定序列（如啟動子）上，幫助 RNA 聚合酶識別並結合到啟動子區域，並參與調控轉錄的起始和速率。核醣體 (ribosomes) 則參與翻譯 (translation) 過程，它們沿著 mRNA 移動以合成蛋白質。此選項混淆了轉錄和翻譯的功能。此敘述錯誤。
(B) The release of pyrophosphate from a nucleoside triphosphate drive the reaction：RNA 的合成與 DNA 的合成類似，是一個聚合反應。每當一個核苷酸單體 (nucleoside triphosphate) 被添加到新生 RNA 鏈上時，就會釋放一個焦磷酸 (pyrophosphate, PPi)。

核心觀念

真核細胞的三種核內 RNA polymerase 分工如下：

RNA polymerase	主要轉錄產物	主要位置	$\alpha$-amanitin 敏感性
RNA polymerase I	$18S$、$5.8S$、$28S$ rRNA	核仁	不敏感
RNA polymerase II	mRNA、部分 snRNA、miRNA	核質	高度敏感
RNA polymerase III	tRNA、$5S$ rRNA、部分小 RNA	核質	高濃度下敏感

本題的關鍵在於辨認三種 RNA polymerase 的「主要轉錄產物、細胞內位置，以及對 $\alpha$-amanitin 的敏感性」。

解題方法

逐項檢查敘述是否符合真核細胞核內轉錄的基本分工。題目使用 all，必須特別留意是否把不同 RNA 類型或不同細胞區室混為一談。

選項分析

(A) 錯誤

RNA polymerase I 並不負責產生所有 rRNA。

RNA polymerase I 主要轉錄核糖體大前驅 rRNA，經加工後形成：

$$18S,\ 5.8S,\ 28S\ \text{rRNA}$$

但 $5S$ rRNA 是由 RNA polymerase III 轉錄，因此不能說 RNA polymerase I 產生 all rRNA。

(B) 正確

在真核細胞的核基因轉錄範圍內，RNA polymerase II 負責轉錄蛋白質編碼基因，產生前體 mRNA，經加帽、剪接與加上 poly(A) tail 後形成成熟 mRNA。

因此，依照研究所分子生物學常用的核內轉錄分類，本選項正確。

嚴格而言，粒線體基因所產生的 mRNA 是由粒線體 RNA polymerase 負責；但本題是在考核內三種 RNA polymerase 的典型分工，故此處的 all mRNA 是指核基因產生的 mRNA。

(C) 正確

本題考驗學生對真核生物啟動子 (eukaryotic promoters) 的組成元素的認識。啟動子是位於基因上游的 DNA 區域，是 RNA 聚合酶結合並開始轉錄的位點。

選項分析：
(A) TATA box：TATA 盒是一個常見的真核生物啟動子核心元件，通常位於轉錄起始點前約 25-30 個鹼基對處，是 RNA 聚合酶 II 識別和結合的重要位點。
(B) CAAT box：CAAT 盒是另一個常見的真核生物啟動子元件，通常位於 TATA 盒上游約 70-80 個鹼基對處，它對調控轉錄的效率很重要，並與轉錄因子結合。
(C) CpG islands：CpG islands 是富含 CpG 二核苷酸的 DNA 區域，通常位於基因的啟動子區域。

本題考驗學生對分子生物學中多個概念的掌握，包括 DNA 操作、蛋白質修飾和酶學。

選項分析：
(A) Restriction endonucleases can produce "blunt ends"：這是正確的。限制酶切割 DNA 時，根據切割位點的相對位置，可以產生兩種末端：一種是單鏈懸垂的「黏性末端」(sticky ends)，另一種是雙鏈平齊的「平末端」(blunt ends)。
(B) Enzymes that seal nicks in DNA are called ligases：這是正確的。DNA 連接酶 (DNA ligase) 的主要功能是催化 DNA 鏈中磷酸二酯鍵的形成，從而連接 DNA 片段或修復 DNA 鏈上的缺口 (nick)。
(C) Proteins are the only substrates of kinases：這是錯誤的。

本題考驗學生對 microRNA (miRNA) 調控基因表達機制的理解。miRNA 是一類小的非編碼 RNA 分子，通過與靶標 mRNA 結合來調控基因表達。

選項分析：
(A) Repress the translation of target mRNA：miRNA 可以通過與靶標 mRNA 的 3' 非翻譯區 (3' UTR) 結合，引起 mRNA 的穩定性降低或直接抑制翻譯的起始或延伸，從而減少蛋白質的合成。這是 miRNA 調控基因表達的一種重要機制。此敘述正確。
(B) Trigger the cleavage of target mRNA：當 miRNA 與靶標 mRNA 的序列高度互補時（在真核生物中較少見，在植物中更常見），可以誘導 mRNA 的切割 (cleavage)，導致 mRNA 的降解。此敘述正確。
(C) Trigger the decapping of target mRNA：Decapping 是 mRNA 降解的一個起始步驟，涉及移除 mRNA 5' 帽結構。

本題考驗學生對分子生物學中用於檢測和定量核酸的技術的掌握。

選項分析：
(A) Western blot analysis (蛋白質印跡分析)：Western blot 用於檢測和定量蛋白質，而不是 mRNA。
(B) Southern blot analysis (Southern 印跡分析)：Southern blot 用於檢測和定量 DNA，而不是 mRNA。
(C) Northern blot analysis (Northern 印跡分析)：Northern blot 是檢測和定量特定 RNA 分子（包括 mRNA）的經典方法。它通過將 RNA 分子電泳分離後，使用放射性或化學標記的 DNA 或 RNA 探針進行雜交來檢測目標 RNA。

核心觀念

本題考查蛋白質合成與遺傳密碼的基本原理：

• 核糖體依據 mRNA 的鹼基序列合成蛋白質。
• 遺傳密碼以每三個鹼基為一組的密碼子（codon）讀取。
• tRNA 上的反密碼子（anticodon）與 mRNA 上的密碼子互補配對。
• 同一個 tRNA 可因擺動配對（wobble pairing）辨識部分同義密碼子，但差異主要發生在密碼子的第三個鹼基。
• 蛋白質是由胺基酸組成的線性多胜肽鏈，並可進一步摺疊成特定三維結構。

解題方法

逐項核對各敘述是否符合蛋白質轉譯、閱讀框架、tRNA 配對規則及蛋白質結構的定義。判斷重點如下：

1. mRNA 是否提供蛋白質合成所需的序列資訊。
2. 三個鹼基一組時，單股核酸序列可從第 1、2、3 個鹼基開始讀取，因此有三種閱讀框架。
3. 直接辨認 mRNA 密碼子的是 tRNA 的反密碼子，不是 rRNA。
4. 擺動配對主要允許密碼子第三個鹼基出現差異，前兩個鹼基通常必須相同。
5. 蛋白質的基本組成與結構層次是否正確。

選項分析

(A) 正確

核糖體以 mRNA 為模板，依照 mRNA 上密碼子的排列順序，逐一加入相對應的胺基酸，形成多胜肽鏈。因此，核糖體確實利用 mRNA 所攜帶的遺傳資訊製造蛋白質。

(B) 正確

遺傳密碼每三個鹼基組成一個密碼子。對一條單股核酸序列而言，若從不同位置開始分組，可得到三種閱讀框架：

本題考驗學生對蛋白質分離和分析方法的了解。

選項分析：
(A) SDS polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE, 聚丙烯醯胺凝膠電泳)：SDS-PAGE 是一種常用的蛋白質分離技術。SDS (十二烷基硫酸鈉) 是一種陰離子去污劑，它會結合到蛋白質上，使蛋白質帶負電荷，並且破壞其二級和三級結構，使其大致變成線性。在電場中，SDS 處理過的蛋白質主要根據其分子量（質量）進行分離。分子量越小的蛋白質移動越快。因此，SDS-PAGE 是基於質量分離蛋白質的方法。此方法正確。
(B) Isoelectric focusing electrophoresis (等電點電泳)：等電點電泳是根據蛋白質的等電點 (isoelectric point, pI) 來分離蛋白質。蛋白質在 pH 梯度中移動，直到達到其等電點，此時蛋白質的淨電荷為零，停止移動。它主要基於蛋白質的電荷，而不是質量。
(C) Ion exchange chromatography (離子交換色譜)：離子交換色譜是根據蛋白質的淨電荷來分離蛋白質。

核心觀念

細胞膜的流動性是指膜內脂質分子，尤其是磷脂，在膜平面上的側向移動能力。影響膜流動性的主要因素包括：

• 溫度
• 脂肪酸鏈的不飽和程度
• 脂肪酸鏈長度
• 膽固醇含量

膜流動性可概念化表示為：

$$\text{流動性} \propto \text{分子運動程度}$$

脂質分子排列越鬆散、分子間作用力越弱，膜流動性越高；排列越緊密、凡得瓦力越強，膜流動性越低。

解題方法

逐一判斷各因素是否會改變脂質分子的排列緊密程度與運動能力：

1. 溫度改變會直接影響脂質分子的熱運動。
2. 不飽和脂肪酸的雙鍵會造成脂肪酸鏈彎曲，影響脂質堆積。
3. 脂肪酸鏈長度會影響分子間凡得瓦力。
4. 膽固醇會依溫度不同調節膜的流動性。
5. 膜相關蛋白質不是調控脂質雙層流動性的經典主要因素。

因此，本題屬於複選題，正確選項為 A、B、C、D。

選項分析

(A) Temperature：正確

溫度升高時，脂質分子的熱運動增加，膜流動性上升；溫度降低時，脂質分子運動減少，排列較緊密，膜流動性下降。

因此，溫度是影響膜流動性的直接因素。

(B) The amount of unsaturated fatty acyl chain：正確

不飽和脂肪酸鏈含有一個或多個雙鍵，尤其是順式雙鍵會使脂肪酸鏈產生彎曲，無法像飽和脂肪酸一樣緊密排列。

不飽和脂肪酸比例增加時：

• 脂質堆積較鬆散
• 分子間凡得瓦力減弱
• 膜流動性增加

因此，選項 B 正確。

(C) The length of the fatty acid chain：正確

本題考驗學生對細胞週期 (cell cycle) 各個階段特徵和調控的理解。

選項分析：
(A) DNA replication starts from the G1 phase：DNA 複製 (replication) 主要發生在細胞週期的 S 期 (Synthesis phase)，而不是 G1 期 (Gap 1 phase)。G1 期是 DNA 複製前的生長期。此敘述錯誤。
(B) Mitosis occurs in the M phase：M 期 (Mitotic phase) 包括有絲分裂 (mitosis) 和細胞質分裂 (cytokinesis)。有絲分裂是細胞核分裂的過程。此敘述正確。
(C) Degradation of cyclins is important in mitosis：細胞週期蛋白 (cyclins) 和細胞週期蛋白依賴性激酶 (CDKs) 是細胞週期調控的核心。

本題考驗學生對原核生物 (prokaryotes) 和真核生物 (eukaryotes) 在分子生物學過程中的差異的理解。

選項分析：
(A) Post-transcriptional splicing (轉錄後剪接)：真核生物的 mRNA 在翻譯前需要經過剪接 (splicing)，去除內含子 (introns) 並連接外顯子 (exons)。原核生物的基因通常沒有內含子，因此不需要剪接。此敘述錯誤，因為剪接是真核生物的特徵。
(B) Translation in the absence of a ribosome (在沒有核醣體的情況下進行翻譯)：蛋白質合成（翻譯）的基本機制是在核醣體上進行的。無論是原核生物還是真核生物，都需要核醣體來合成蛋白質。此敘述錯誤。
(C) Concurrent transcription and translation (轉錄和翻譯同時進行)：在原核生物中，由於沒有核膜將轉錄（在細胞質中進行）和翻譯（也在細胞質中進行）分隔開，因此轉錄和翻譯可以同時發生。

本題考驗學生對不同類型基因突變及其對蛋白質序列影響的理解。

選項分析：
(A) Recombinant：重組 (recombination) 是指基因片段的交換或重新組合，通常發生在減數分裂過程中，它會產生新的基因組合，但不直接引起點突變或移碼突變。
(B) Base analog (鹼基類似物)：鹼基類似物是結構與正常鹼基相似的化合物，可以在 DNA 複製時被錯誤摻入 DNA 鏈，並可能發生互變異構，導致鹼基錯配，從而引起點突變。
(C) Transversion (顛換)：顛換是一種點突變，指嘌呤被嘧啶取代，或嘧啶被嘌呤取代（例如 A 換成 T，或 C 換成 G）。它只改變一個鹼基對，因此通常只影響一個胺基酸。

本題考驗學生對質粒 (plasmid) 功能性元件的認識。質粒是細菌和酵母菌等細胞中存在的環狀或線性 DNA 分子，能夠在細胞內自主複製，並可以作為基因工程中的載體。

選項分析：
(A) Centromere (著絲點)：著絲點是真核生物染色體上用於連接紡錘絲的結構，在細胞分裂中起重要作用。質粒是獨立於染色體的 DNA，不具有著絲點。此選項錯誤。
(B) Drug-resistance gene (抗藥性基因)：許多質粒攜帶抗藥性基因，這使得攜帶該質粒的細菌對某些抗生素產生抗性。在基因工程中，抗藥性基因也常被用作篩選標記，以鑑定成功轉入質粒的細胞。這是質粒的一個常見功能性元件。此選項正確。
(C) Polylinker sequence (多連接位點序列)：多連接位點（或稱多克隆位點，multiple cloning site, MCS）是質粒載體中一個包含多種限制酶切割位點的短 DNA 序列。

核心觀念

本題考查真核生物與細菌在「轉錄—翻譯空間分隔」上的差異。

• 細菌沒有細胞核，轉錄發生在細胞質；新生的 bacterial mRNA 可在轉錄尚未完成時，直接被核糖體進行翻譯。
• 真核生物的轉錄發生於細胞核，翻譯則發生於細胞質。因此，真核 mRNA 必須先由細胞核輸出至細胞質，才能接觸核糖體並進行翻譯。

真核 mRNA 通常會經過 5′ 加帽、剪接與 3′ polyadenylation 等加工，但本題的關鍵字是 Unlike bacterial mRNA，重點在於真核細胞具有核膜，使轉錄與翻譯在空間上分隔。

解題方法

判斷各選項是否為真核 mRNA 相對於細菌 mRNA 的「必經步驟」。

真核 mRNA 的基本流程為：

$$\text{細胞核內轉錄} \rightarrow \text{RNA 加工} \rightarrow \text{核輸出} \rightarrow \text{細胞質內翻譯}$$

由於核糖體位於細胞質，真核 mRNA 即使已完成轉錄與加工，若仍停留在細胞核內，也不能被細胞質中的核糖體使用。因此，export to the cytoplasm 是本題所要求的必要步驟。

選項分析

(A) folding mRNA into hairpin loops

錯誤。mRNA 局部形成 hairpin loop 可能影響 RNA 的穩定性、定位、翻譯效率或調控，但不是所有真核 mRNA 翻譯前都必須進行的共同步驟。此選項也不是區分真核與細菌 mRNA 的核心特徵。

(B) export to the cytoplasm

正確。真核 mRNA 在細胞核中轉錄與加工，必須透過核孔複合體輸出至細胞質，才能與核糖體結合並進行翻譯。細菌沒有細胞核，因此不存在這種「先跨越核膜」的必要程序。

(C) capping

本題考驗學生對 DNA 複製普遍特徵的理解。DNA 複製是一個高度保守的過程，在所有生物體中都遵循相似的基本原則。

選項分析：
(A) Release of PPi from a nucleoside triphosphate：DNA 聚合酶將核苷酸單體添加到新生鏈上時，會釋放一個焦磷酸 (PPi)。這個 PPi 的水解釋放出能量，驅動了聚合反應的進行。這是 DNA 合成（以及 RNA 合成）的能量來源。此為普遍特徵。
(B) Synthesis from the 5' end to the 3' end：DNA 聚合酶總是按照 5' 到 3' 的方向合成新的 DNA 鏈，將核苷酸添加到新生鏈的 3' 端。這是 DNA 合成的一個基本方向性。此為普遍特徵。

本題考驗學生對基因功能失活 (gene inactivation) 技術的理解。目標是「inactivate a gene without altering its sequence」，這意味著基因序列本身保持不變，但其功能被阻斷。

選項分析：
(A) Gene knockout (基因敲除)：基因敲除是指通過基因工程手段，使目標基因的序列發生永久性的改變（例如刪除或破壞），從而使其無法正常表達或產生功能性蛋白質。這會改變基因序列。此選項不符合「without altering its sequence」。
(B) RNA interference (RNA 干擾)：RNAi 是一種通過引入雙鏈 RNA (dsRNA) 來沉默特定基因表達的機制。dsRNA 會被切割成小干擾 RNA (siRNA) 或 microRNA (miRNA)，然後與靶標 mRNA 結合，導致 mRNA 被降解或抑制翻譯。這種方法可以在不改變基因序列的情況下，降低目標基因的表達水平，從而功能性地失活該基因。此選項符合要求。
(C) Dominant negative mutation (顯性負突變)：顯性負突變是指產生一個突變的蛋白質產物，該產物能夠與野生型的蛋白質產物競爭，並抑制其功能，甚至產生負面影響。這種突變通常發生在編碼多聚體蛋白質的基因上。

核心觀念

本題考查原核生物的翻譯起始、Shine–Dalgarno sequence、多核糖體，以及核糖體的催化本質。

原核生物翻譯的主要特徵如下：

• 翻譯起始時，起始胺基酸為甲醯甲硫胺酸（$N$-formylmethionine, fMet）。
• mRNA 上的 Shine–Dalgarno sequence 會與 30S 小次單位中的 16S rRNA 配對，使起始密碼子定位於核糖體。
• 原核生物沒有完整的核膜隔離，因此 mRNA 尚在轉錄時，核糖體即可開始翻譯。
• 同一條 mRNA 可同時被多個核糖體翻譯，形成 polysome。
• 核糖體的胜肽鍵形成活性主要來自 rRNA，因此核糖體屬於核酶（ribozyme）。

解題方法

逐一判斷各選項是否符合原核生物翻譯的基本定義：

1. 判斷翻譯起始胺基酸。
2. 判斷 Shine–Dalgarno sequence 的位置與功能。
3. 比較原核生物轉錄與翻譯的空間關係。
4. 區分 polysome 與正在形成的單一多肽鏈。
5. 判斷核糖體的催化成分。

選項分析

(A) Protein synthesis in prokaryotes always starts with a methionine residue.

正確。

原核生物翻譯起始時，起始 tRNA 攜帶的是甲醯甲硫胺酸 fMet，而不是一般延伸階段所使用的未修飾 methionine。

fMet 的結構可視為甲硫胺酸胺基端被甲醯化：

$$\text{fMet} = N\text{-formylmethionine}$$

因此，原核生物蛋白質合成的第一個胺基酸殘基屬於 methionine residue，只是通常以甲醯化形式存在。起始後，甲醯基以及部分蛋白質的起始 methionine 可能被移除，所以成熟蛋白質不一定保留 methionine 作為第一個胺基酸。

即使起始密碼子是 GUG 或 UUG，原核生物仍會使用攜帶 fMet 的起始 tRNA，因此不影響本選項的判斷。

(B) A Shine-Dalgarno Sequence is a sequence of nucleotides in an mRNA that interacts with the small subunit of a ribosome to begin translation.

正確。

Shine–Dalgarno sequence 是位於原核生物 mRNA 上、靠近起始密碼子的核苷酸序列。其典型共識序列富含嘌呤，例如：

$$5'-AGGAGG-3'$$

它會與 30S 核糖體小次單位中的 16S rRNA 互補配對，使 mRNA 正確定位，讓起始密碼子通常位於核糖體的 P site，接著開始翻譯。

嚴格來說，Shine–Dalgarno sequence 直接互動的對象是 16S rRNA，而 16S rRNA 屬於核糖體小次單位，因此本選項敘述正確。

(C) In bacteria, translation of the mRNA begins during the synthesis of the mRNA.

核心觀念

細胞內第二訊息傳遞者（second messenger）是指由細胞外第一訊息傳遞者（first messenger），如荷爾蒙、神經傳導物質或生長因子，刺激細胞膜受體後，在細胞內快速產生或釋放，用以放大訊號並活化下游蛋白質的分子。

常見第二訊息傳遞者包括：

• $Ca^{2+}$
• 二酸甘油酯（diacylglycerol, DAG）
• 一氧化氮（nitric oxide, NO）
• 環鳥嘌呤單磷酸（cyclic GMP, cGMP）
• 環腺嘌呤單磷酸（cyclic AMP, cAMP）

其中，DAG、cAMP 與 cGMP 屬於細胞內生成的訊號分子；$Ca^{2+}$ 通常由細胞外流入，或由內質網釋放至細胞質中；NO 則可在細胞內合成並擴散至鄰近細胞。

解題方法

判斷各選項是否為第二訊息傳遞者，重點是確認該物質是否能在第一訊息刺激後，於細胞內傳遞與放大訊號。

典型路徑如下：

$$\text{受體活化} \rightarrow \text{訊號分子生成或釋放} \rightarrow \text{蛋白激酶或離子通道活化} \rightarrow \text{細胞反應}$$

例如，磷脂酶 C（PLC）活化後會將 $PIP_2$ 分解成：

$$PIP_2 \rightarrow IP_3 + DAG$$

其中 $IP_3$ 促使內質網釋放 $Ca^{2+}$，DAG 則活化蛋白激酶 C（PKC）。$Ca^{2+}$ 與 DAG 因此都能作為第二訊息傳遞者。

選項分析

(A) $Ca^{2+}$：正確

細胞受到刺激時，$Ca^{2+}$ 可經由細胞膜上的離子通道進入細胞，或由內質網等細胞內儲存區釋放至細胞質。細胞質中 $Ca^{2+}$ 濃度的短暫升高，能調控鈣調蛋白（calmodulin）、蛋白激酶、肌肉收縮、分泌作用與基因表現，因此是典型的第二訊息傳遞者。

(B) DAG：正確

核心觀念

本題考查真核生物染色質（chromatin）與核小體（nucleosome）的結構，以及 DNA 與組蛋白（histone）的修飾與演化保守性。

• 染色質由 DNA 與蛋白質組成，主要蛋白質為組蛋白。
• 核小體的核心是由 8 個組蛋白組成的組蛋白八聚體。
• 約 146 bp 的 DNA 纏繞在組蛋白核心外，形成核小體。
• 真核生物的核心組蛋白序列高度保守。
• DNA 除了甲基化之外，還存在其他天然修飾。

解題方法

逐項比對核小體的標準結構與 DNA 修飾的基本定義：

1. 核對核小體核心所含組蛋白數量。
2. 核對染色質的組成。
3. 核對 DNA 纏繞長度。
4. 判斷 DNA 甲基化是否為唯一天然 DNA 修飾。
5. 判斷組蛋白在真核生物間的保守程度。

選項分析

(A) 錯誤。

一個核小體的組蛋白核心是由 8 個組蛋白組成，而非 6 個：

$$2 \times \mathrm{H2A}+2 \times \mathrm{H2B}+2 \times \mathrm{H3}+2 \times \mathrm{H4} =8$$

其中 H2A、H2B、H3、H4 各有兩個分子，形成組蛋白八聚體（histone octamer）。組蛋白 H1 位於核小體外側，協助連接 DNA，並不屬於核心八聚體。

(B) 正確。

染色質主要由 DNA 與蛋白質組成。蛋白質包括：

• 核心組蛋白：H2A、H2B、H3、H4
• 連接組蛋白：H1
• 多種非組蛋白染色質蛋白

因此，「Chromatin is composed of DNA and protein」是正確敘述。

(C) 錯誤。

一個核小體約包含 $146$ bp 的 DNA，纏繞組蛋白八聚體約 $1.65$ 圈，而不是約 $100$ bp。

本題考驗學生對蛋白質激酶 (protein kinases) 催化磷酸化反應的底物胺基酸的認識。蛋白質激酶通過將 ATP 的磷酸基團轉移到目標蛋白質的特定胺基酸殘基上，來調節蛋白質的功能。

選項分析：
(A) Serine (絲氨酸)：絲氨酸是蛋白質中常見的可以被磷酸化的胺基酸殘基之一。許多蛋白質激酶（如 PKA, MAPK）專門磷酸化絲氨酸。
(B) Lysine (賴氨酸)：賴氨酸是一個鹼性胺基酸，其側鏈帶有氨基。賴氨酸的修飾主要是乙醯化 (acetylation) 和甲基化 (methylation)，而不是磷酸化。

核心觀念

本題考查 DNA 超螺旋（supercoiling）的方向、功能，以及 relaxed DNA、B-DNA 與拓撲學參數的區別。

DNA 的總連結數可表示為：

$$Lk = Tw + Wr$$

• $Lk$（linking number）：雙股 DNA 彼此繞行的總次數，主要適用於共價閉合的環狀 DNA。
• $Tw$（twist）：兩條 DNA 鏈彼此纏繞的次數。
• $Wr$（writhe）：DNA 雙股軸在空間中形成超螺旋的次數。

對於固定長度的 B-DNA，放鬆狀態的螺旋圈數為 $Lk_0$。相較於此：

• 過度纏繞（overwound）：$Lk > Lk_0$，屬於正超螺旋。
• 不足纏繞（underwound）：$Lk < Lk_0$，屬於負超螺旋。

多數生物的 DNA 維持輕微的負超螺旋狀態，因為負超螺旋可降低雙股分離所需的能量，也有助於 DNA 壓縮與收納。

解題方法

判斷本題可掌握三個原則：

1. 細胞內 DNA 通常不是完全 relaxed，而是維持一定程度的超螺旋。
2. 有利於轉錄與複製時局部解開雙股的是負超螺旋，不是正超螺旋。
3. B-form 是 DNA 的幾何構形，不等同於 relaxed、overwound 或 underwound 等拓撲狀態。

依此逐項判斷即可。

選項分析

(A) The relaxed form of DNA is more stable and is therefore the preferred form in the cell.

錯誤。

Relaxed DNA 在沒有拓撲張力時，確實可視為較低能量的狀態；然而細胞內 DNA 並非單純追求完全放鬆，而是由 DNA gyrase、topoisomerase 等酵素主動維持一定程度的超螺旋。

尤其負超螺旋可促進 DNA 局部解鏈，有利於轉錄與複製。因此，細胞內通常偏好具有功能意義的超螺旋狀態，而非完全 relaxed 的 DNA。

(B) Most organisms maintain their DNA in a slightly overwound state in order to enhance strand separation during transcription and replication.

錯誤。

過度纏繞會增加 DNA 雙股之間的扭轉張力，使兩股更難分離。能夠降低解鏈能量、促進局部雙股分離的是不足纏繞，也就是負超螺旋。

核心觀念

本題考查 DNA 超螺旋（supercoiling）的方向、功能，以及 relaxed DNA、B-DNA 與拓撲學參數的區別。

DNA 的總連結數可表示為：

$$Lk = Tw + Wr$$

• $Lk$（linking number）：雙股 DNA 彼此繞行的總次數，主要適用於共價閉合的環狀 DNA。
• $Tw$（twist）：兩條 DNA 鏈彼此纏繞的次數。
• $Wr$（writhe）：DNA 雙股軸在空間中形成超螺旋的次數。

對於固定長度的 B-DNA，放鬆狀態的螺旋圈數為 $Lk_0$。相較於此：

• 過度纏繞（overwound）：$Lk > Lk_0$，屬於正超螺旋。
• 不足纏繞（underwound）：$Lk < Lk_0$，屬於負超螺旋。

多數生物的 DNA 維持輕微的負超螺旋狀態，因為負超螺旋可降低雙股分離所需的能量，也有助於 DNA 壓縮與收納。

解題方法

判斷本題可掌握三個原則：

1. 細胞內 DNA 通常不是完全 relaxed，而是維持一定程度的超螺旋。
2. 有利於轉錄與複製時局部解開雙股的是負超螺旋，不是正超螺旋。
3. B-form 是 DNA 的幾何構形，不等同於 relaxed、overwound 或 underwound 等拓撲狀態。

依此逐項判斷即可。

選項分析

(A) The relaxed form of DNA is more stable and is therefore the preferred form in the cell.

錯誤。

Relaxed DNA 在沒有拓撲張力時，確實可視為較低能量的狀態；然而細胞內 DNA 並非單純追求完全放鬆，而是由 DNA gyrase、topoisomerase 等酵素主動維持一定程度的超螺旋。

尤其負超螺旋可促進 DNA 局部解鏈，有利於轉錄與複製。因此，細胞內通常偏好具有功能意義的超螺旋狀態，而非完全 relaxed 的 DNA。

(B) Most organisms maintain their DNA in a slightly overwound state in order to enhance strand separation during transcription and replication.

錯誤。

過度纏繞會增加 DNA 雙股之間的扭轉張力，使兩股更難分離。能夠降低解鏈能量、促進局部雙股分離的是不足纏繞，也就是負超螺旋。

本題考驗學生對蛋白質中能吸收 280 奈米 (nm) 紫外線的胺基酸的認識。280 nm 是蛋白質定量分析中常用的波長，因為某些胺基酸的芳香環結構在此波長下有較強的吸收。

選項分析：
(A) Tyrosine (酪氨酸)：酪氨酸是一種芳香族胺基酸，其側鏈含有酚羥基，在 280 nm 處有顯著的紫外線吸收。
(B) Tryptophan (色氨酸)：色氨酸也是一種芳香族胺基酸，其側鏈含有吲哚環，在 280 nm 處有非常強的紫外線吸收，其吸收強度比酪氨酸更高。

本題考驗學生對細胞質膜 (plasma membrane) 主要脂質成分的認識。細胞質膜是由磷脂雙分子層構成，其中嵌入了蛋白質。

選項分析：
(A) Phosphatidylcholine (磷脂酰膽鹼)：磷脂酰膽鹼是一種主要的磷脂，是細胞膜磷脂雙分子層的主要組成部分。它屬於卵磷脂。
(B) Triacylglycerol (三酰甘油)：三酰甘油（也稱甘油三酯）是儲存脂肪的主要形式，存在於脂肪細胞中，而不是細胞膜的結構成分。

本題考驗學生對生物體內具有催化功能的分子類型的認識。催化功能是指能夠加速化學反應速率的分子。

選項分析：
(A) DNA：DNA 的主要功能是儲存遺傳信息，它本身不具有催化功能。
(B) RNA：某些 RNA 分子（稱為核酶，ribozymes）具有催化功能，例如核醣體中的 rRNA 催化肽鍵的形成，以及某些 RNA 在 RNA 剪接和 RNA 複製中的催化作用。

本題考驗學生對原核生物 (prokaryotes) 和真核生物 (eukaryotes) 共有的結構或特徵的認識。

選項分析：
(A) Cell membrane (細胞膜)：細胞膜是所有細胞（包括原核生物和真核生物）的普遍結構，負責分隔細胞內外環境，並調控物質進出。
(B) Mitochondria (線粒體)：線粒體是真核細胞特有的細胞器，負責細胞呼吸和能量產生。原核生物沒有線粒體。
(C) Golgi (高爾基體)：高爾基體是真核細胞特有的細胞器，參與蛋白質和脂質的修飾、分類和運輸。原核生物沒有高爾基體。

核心觀念

本題考查 E. coli 的 **lac operon（乳糖操縱組）**如何同時受到：

1. 負調控：LacI 抑制蛋白是否能結合 operator。
2. 正調控：CAP／CRP 是否能結合 promoter 上游的 CAP site。

乳糖利用相關基因的高效率轉錄，需要抑制蛋白失去 DNA 結合能力，同時活化蛋白取得 DNA 結合能力。

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解題方法

分別判斷題幹所述的兩個蛋白質：

1. 被「失活」的蛋白質：LacI 抑制蛋白

乳糖進入細胞後，少部分會轉換成異構物 allolactose。Allolactose 與 LacI 結合後，使 LacI 構形改變，降低其對 operator 的親和力。

因此：

$$\text{LacI}+\text{allolactose} \longrightarrow \text{LacI 無法有效結合 operator}$$

RNA polymerase 不再受到 LacI 阻擋，轉錄得以開始。

2. 被「活化」的蛋白質：CAP／CRP

當葡萄糖濃度低時，細胞內 cAMP 濃度升高。cAMP 與 CAP 結合後，使 CAP 具備較高的 DNA 結合能力，能結合 lac promoter 上游的 CAP site，並協助 RNA polymerase 結合 promoter。

$$\text{CAP}+\text{cAMP} \longrightarrow \text{CAP-cAMP，可結合 DNA 並促進轉錄}$$

所以，lac operon 的強力轉錄需要兩個條件同時成立：

$$\text{allolactose 存在} \quad+\quad \text{cAMP 濃度高}$$

也就是「有乳糖、缺葡萄糖」時，乳糖利用基因的表現最強。

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選項分析

(A) c-AMP

正確，但只描述其中一個調控步驟。

cAMP 與 CAP／CRP 結合，使 CAP 活化並結合 DNA，進而促進 lac operon 的轉錄。因此 cAMP 是被活化蛋白質的訊號分子。

(B) ATP

錯誤。

ATP 並不是 lac operon 中負責調節 LacI 或 CAP DNA 結合能力的主要小分子訊號。

本題考驗學生對 RNA 分子的組成單元的認識。RNA 分子是由核糖核苷酸 (ribonucleotides) 組成的聚合物。

選項分析：
(A) Adenylate (腺苷酸)：腺苷酸是 RNA 中四種核苷酸之一，由腺嘌呤、核糖和一個磷酸基團組成。
(B) Cytidylate (胞苷酸)：胞苷酸是 RNA 中四種核苷酸之一，由胞嘧啶、核糖和一個磷酸基團組成。

本題考驗學生對生物體內具有還原功能的分子（即還原劑）的認識。還原劑是指能夠提供電子，使其自身被氧化，同時使其他物質被還原的分子。

選項分析：
(A) Glutathione (谷胱甘肽)：谷胱甘肽是一種重要的抗氧化劑，它具有還原性，可以通過其巰基 (-SH) 提供電子，清除自由基，保護細胞免受氧化損傷。
(B) NAD+ (煙酰胺腺嘌呤二核苷酸陽離子)：NAD+ 在細胞代謝中作為氧化劑，接受電子被還原成 NADH。它本身是氧化態，不具有還原功能。NADH 則具有還原功能。
(C) NADP+ (煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸陽離子)：NADP+ 在細胞代謝中也作為氧化劑，接受電子被還原成 NADPH。它本身是氧化態，不具有還原功能。NADPH 則具有還原功能。
(D) FADH2 (黃素腺嘌呤二核苷酸)：FADH2 是黃素腺嘌呤二核苷酸的還原態。它在細胞呼吸的電子傳遞鏈中作為還原劑，傳遞電子。FAD 是其氧化態。

本題考驗學生對 RNA 中假尿嘧啶 (pseudouridine) 的認識。假尿嘧啶是尿嘧啶的一種修飾形式，通過 C-C 鍵與核糖連接，而不是常見的 C-N 鍵。它存在於某些類型的 RNA 中，並影響 RNA 的結構和功能。

選項分析：
(A) mRNA (信使 RNA)：mRNA 通常不含高比例的假尿嘧啶。
(B) HnRNA (異質核 RNA)：HnRNA 是真核生物細胞核中新轉錄出來的 RNA 前體，相當於未成熟的 mRNA。它經過剪接和修飾後才能形成成熟的 mRNA。HnRNA 中假尿嘧啶的含量不高。

本題考驗學生對蛋白質摺疊 (protein folding) 過程以及參與該過程的分子機制的理解。

選項分析：
(A) ATP (腺苷三磷酸)：ATP 是細胞的能量貨幣。在某些情況下，ATP 的水解可以為蛋白質摺疊提供能量，特別是對於需要能量的摺疊過程，例如分子伴侶 (chaperone) 的作用。但 ATP 本身不直接參與摺疊，而是提供能量。
(B) GTP (鳥苷三磷酸)：GTP 類似於 ATP，也可以參與能量偶聯過程，例如在某些蛋白質複合物的組裝和功能中。它也可能間接參與蛋白質摺疊。
(C) Disulfide isomerase (二硫鍵異構酶)：二硫鍵異構酶 (Protein disulfide isomerase, PDI) 是一種酶，它能夠催化蛋白質鏈中二硫鍵的形成、斷裂和重排，從而幫助蛋白質形成正確的二硫鍵結構。

核心觀念

細菌 RNA polymerase 可分為：

• 核心酵素（core enzyme）：$\alpha_2\beta\beta'\omega$
  • 負責 RNA 鏈的延伸與磷酸二酯鍵形成。
  • 缺乏對特定啟動子的辨識能力。
• 全酵素（holoenzyme）：核心酵素加上 $\sigma$ 因子

$$\text{RNA polymerase holoenzyme} = \text{core enzyme}+\sigma$$

$\sigma$ 因子的主要功能是辨識啟動子（promoter），協助 RNA polymerase 正確定位轉錄起始點，因此主要參與轉錄起始；進入延伸階段後，$\sigma$ 的必要性降低。

---

解題方法

逐一依據 $\sigma$ 因子的三項特性判斷：

1. $\sigma$ 是否屬於核心酵素；
2. $\sigma$ 是否參與轉錄起始；
3. $\sigma$ 是否參與 RNA 的實際聚合反應；
4. $\alpha$-amanitin 是否抑制細菌 RNA polymerase。

其中要特別區分：

• 啟動子辨識與轉錄起始：需要 $\sigma$。
• RNA 鏈延伸與磷酸二酯鍵形成：核心酵素本身即可進行。

---

選項分析

(A) it is released from the core enzyme after first bond has been formed.

錯誤。

$\sigma$ 因子並不是在形成第一個磷酸二酯鍵後立即釋放。轉錄起始初期，RNA polymerase 仍會進行數個核苷酸的短 RNA 合成；當 RNA 鏈延伸至約數個至十個核苷酸、RNA polymerase 完成啟動子逃逸（promoter escape）後，$\sigma$ 與核心酵素的結合才會顯著減弱，並進入延伸階段。

因此，「形成第一個鍵後立即釋放」過於簡化，不能視為正確敘述。

---

(B) it is inhibited by $\alpha$-amanitin

錯誤。

$\alpha$-amanitin 主要抑制真核生物 RNA polymerase，尤其是 RNA polymerase II；在較高濃度下也可影響 RNA polymerase III。細菌 RNA polymerase 通常對 $\alpha$-amanitin 不敏感。

此外，$\alpha$-amanitin 的作用標的是 RNA polymerase 的催化核心，而不是 $\sigma$ 因子本身，因此此敘述不正確。

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核心觀念

細菌 RNA polymerase 可分為：

• 核心酵素（core enzyme）：$\alpha_2\beta\beta'\omega$
  • 負責 RNA 鏈的延伸與磷酸二酯鍵形成。
  • 缺乏對特定啟動子的辨識能力。
• 全酵素（holoenzyme）：核心酵素加上 $\sigma$ 因子

$$\text{RNA polymerase holoenzyme} = \text{core enzyme}+\sigma$$

$\sigma$ 因子的主要功能是辨識啟動子（promoter），協助 RNA polymerase 正確定位轉錄起始點，因此主要參與轉錄起始；進入延伸階段後，$\sigma$ 的必要性降低。

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解題方法

逐一依據 $\sigma$ 因子的三項特性判斷：

1. $\sigma$ 是否屬於核心酵素；
2. $\sigma$ 是否參與轉錄起始；
3. $\sigma$ 是否參與 RNA 的實際聚合反應；
4. $\alpha$-amanitin 是否抑制細菌 RNA polymerase。

其中要特別區分：

• 啟動子辨識與轉錄起始：需要 $\sigma$。
• RNA 鏈延伸與磷酸二酯鍵形成：核心酵素本身即可進行。

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選項分析

(A) it is released from the core enzyme after first bond has been formed.

錯誤。

$\sigma$ 因子並不是在形成第一個磷酸二酯鍵後立即釋放。轉錄起始初期，RNA polymerase 仍會進行數個核苷酸的短 RNA 合成；當 RNA 鏈延伸至約數個至十個核苷酸、RNA polymerase 完成啟動子逃逸（promoter escape）後，$\sigma$ 與核心酵素的結合才會顯著減弱，並進入延伸階段。

因此，「形成第一個鍵後立即釋放」過於簡化，不能視為正確敘述。

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(B) it is inhibited by $\alpha$-amanitin

錯誤。

$\alpha$-amanitin 主要抑制真核生物 RNA polymerase，尤其是 RNA polymerase II；在較高濃度下也可影響 RNA polymerase III。細菌 RNA polymerase 通常對 $\alpha$-amanitin 不敏感。

此外，$\alpha$-amanitin 的作用標的是 RNA polymerase 的催化核心，而不是 $\sigma$ 因子本身，因此此敘述不正確。

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