111 年 國立成功大學熱帶植物科學研究所《分子生物學》
第 一、 題
EXPLAIN 解釋名詞 (five points for each question.每題5分) (35%)
- ribosome
- frameshift
- Ti plasmid
- restriction enzyme
- enhancer
- post-translational modification
- nucleosome
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本大題考驗考生對分子生物學基本名詞的理解與掌握。
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ribosome: 核糖體是細胞內負責蛋白質合成的胞器。它由核糖體 RNA (rRNA) 和蛋白質組成，分為大小兩個次單元。核糖體在 mRNA 的引導下，將胺基酸聚合成長鏈蛋白質。
【答案】核糖體是細胞內進行蛋白質合成的分子機器，由 rRNA 和蛋白質組成，包含大小兩個次單元，能讀取 mRNA 的密碼並催化胺基酸的聚合。
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frameshift: 框移突變 (frameshift mutation) 是指由於鹼基的插入 (insertion) 或缺失 (deletion) 導致 mRNA 的讀碼框 (reading frame) 發生移動的突變。當插入或缺失的鹼基數不是三的倍數時，就會改變突變點之後所有密碼子的解讀，進而影響到所合成蛋白質的胺基酸序列，通常會導致嚴重的蛋白質功能喪失。
【答案】框移突變是因 mRNA 序列中鹼基的插入或缺失（非三的倍數）所引起的突變，導致自突變點起的所有密碼子解讀序列改變，進而影響蛋白質的胺基酸組成與功能。
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Ti plasmid: Ti 質體 (Tumor-inducing plasmid) 是一種存在於土壤細菌 Agrobacterium tumefaciens 中的質體，它能夠將一段稱為 T-DNA (transfer DNA) 的 DNA 序列轉移到植物細胞的基因組中，引起植物產生腫瘤（crown gall）。Ti 質體是基因工程中常用於植物轉殖的載體。
【答案】Ti 質體是土壤細菌 Agrobacterium tumefaciens 中的一種質體，能將其 T-DNA 區域轉移至植物基因組，誘導植物產生腫瘤，是植物基因轉殖的常用載體。
第 二、 題
SHORT ESSAY 簡答題 (65%)
- Which enzyme is the first enzyme to fix atmospheric CO2 in C3 plants and C4 plants, respectively? (6%)
- Please describe why light is essential for the dark reaction (Calvin cycle) of photosynthesis? (8%)
- Please describe the similarities and differences between oxidative phosphorylation and photophosphorylation? (16%)
- Please describe the differences between standard PCR and reverse transcriptase-PCR (RT-PCR)? (5%)
For what purpose would you use PCR? (5%) For what purpose would you use RT-PCR? (5%) - What kind of experiment can you use to identify transcription factor binding sites in a genome? (5%)
- Please describe post-transcriptional events in eukaryotic cell. (15%)
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本大題旨在評估考生對光合作用、能量代謝、核酸複製與調控等核心分子生物學議題的深入理解與應用能力。
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C3 植物與 C4 植物固定大氣 CO2 的第一個酵素
- C3 植物: 在 C3 植物中，第一個固定大氣 CO2 的酵素是 核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶 (RuBisCO)。它催化 CO2 與核酮糖-1,5-二磷酸 (RuBP) 的結合，生成兩個分子的 3-磷酸甘油酸 (3-PGA)。
- C4 植物: 在 C4 植物中，第一個固定大氣 CO2 的酵素是 磷酸烯醇丙酮酸羧化酶 (PEP carboxylase)。它催化 CO2 與磷酸烯醇丙酮酸 (PEP) 的結合，生成草醯乙酸 (oxaloacetate)。草醯乙酸隨後被轉化為其他有機酸，最終在維管束鞘細胞中釋放 CO2，由 RuBisCO 進行卡爾文循環。
【答案】C3 植物的第一個 CO2 固定酵素是 RuBisCO；C4 植物的第一個 CO2 固定酵素是 PEP carboxylase。
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光對光合作用暗反應 (卡爾文循環) 的重要性
雖然卡爾文循環本身不直接利用光能，但它是光反應 (light reaction) 的產物——ATP 和 NADPH——的直接受益者。光反應利用光能將水分解產生氧氣，並將能量轉移到 ATP 和 NADPH 中。ATP 提供能量，而 NADPH 提供還原力（高能電子），這兩者都是卡爾文循環中還原 CO2 合成醣類的必需物質。沒有光提供的能量和還原力，ATP 和 NADPH 就無法生成，卡爾文循環也就無法進行。
【答案】光是光反應的能量來源，光反應產生 ATP 和 NADPH，這兩者是卡爾文循環還原 CO2 合成醣類所必需的能量和還原力，因此光對暗反應至關重要。
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氧化磷酸化與光磷酸化的相似點與差異點
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相似點:
- 質子梯度驅動 ATP 合成: 兩者都利用電子傳遞鏈 (electron transport chain, ETC) 將電子傳遞，過程中將質子 (H+) 泵送到膜的一側，建立跨膜質子梯度。
- ATP 合成酶 (ATP synthase): 質子梯度釋放的能量被 ATP 合成酶利用，催化 ADP 和無機磷酸 (Pi) 合成 ATP。
- 電子傳遞鏈: 兩者都涉及一個電子傳遞鏈，但電子來源和最終電子接受者不同。
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差異點:
- 發生場所:
- 氧化磷酸化：發生於粒線體內膜 (inner mitochondrial membrane)。
- 光磷酸化：發生於葉綠體類囊體膜 (thylakoid membrane)。
- 電子來源:
- 氧化磷酸化：電子來自 NADH 和 FADH2，它們是從葡萄糖、脂肪酸等有機物氧化分解中獲得的。
- 光磷酸化：電子來自水分子 (H2O)，在光能激發下進入電子傳遞鏈。
- 最終電子接受者:
- 氧化磷酸化：氧氣 (O2)，被還原成水 (H2O)。
- 光磷酸化：NADP+，被還原成 NADPH。
- 能量來源:
- 氧化磷酸化：化學能（來自有機物的氧化）。
- 光磷酸化：光能。
- 產物:
- 氧化磷酸化：主要產物是 ATP，副產物是水。
- 光磷酸化：ATP 和 NADPH。
- 發生場所:
【答案】相似點：皆利用電子傳遞鏈建立質子梯度，再由 ATP 合成酶利用此梯度合成 ATP。差異點：發生場所（粒線體內膜 vs. 葉綠體類囊體膜）、電子來源（NADH/FADH2 vs. 水）、最終電子接受者（O2 vs. NADP+）、能量來源（化學能 vs. 光能）、最終產物（ATP vs. ATP/NADPH）。
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標準 PCR 與 RT-PCR 的差異，以及 PCR 和 RT-PCR 的用途
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標準 PCR (Polymerase Chain Reaction):
- 原理: 利用 DNA 聚合酶 (DNA polymerase) 以模板 DNA 和引子 (primer) 為基礎，進行指數級的 DNA 擴增。
- 模板: DNA。
- 步驟: 包含變性 (denaturation)、退火 (annealing)、延伸 (extension) 三個主要步驟，循環進行。
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反轉錄 PCR (Reverse Transcriptase-PCR, RT-PCR):
- 原理: 首先利用反轉錄酶 (reverse transcriptase) 將 RNA（通常是 mRNA）反轉錄成互補 DNA (complementary DNA, cDNA)，然後以 cDNA 為模板進行標準 PCR 擴增。
- 模板: RNA（先轉為 cDNA）。
- 步驟: 包含反轉錄步驟和標準 PCR 步驟。
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用途:
- PCR 的用途:
- DNA 檢測與鑑定：例如法醫鑑定、親緣關係鑑定。
- 基因偵測與診斷：檢測病原體 DNA、基因突變。
- 基因序列分析：基因定序、基因體定序。
- 基因體學研究：基因表現量分析（如 qPCR）、基因敲除/插入。
- 分子演化研究。
- RT-PCR 的用途:
- PCR 的用途:
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