115 年 國立臺灣大學農業化學系碩士班甲組《生物化學（C）》

此題考驗對胺基酸殘基在生理 pH 值下帶電性質的了解。生理 pH 值約為 7.4。胺基酸的側鏈性質決定了其在特定 pH 下的帶電狀態。帶正電的胺基酸通常具有鹼性側鏈，例如離胺酸 (Lysine) 和精胺酸 (Arginine)，它們在生理 pH 下會去質子化。

此題考驗對 Michaelis-Menten 動力學基本概念的理解。Michaelis-Menten 動力學描述了單一受質、單一反應中心的酵素反應速率與受質濃度的關係。
(A) 錯誤。Km 是指反應速率達到最大反應速率 (Vmax) 的一半 (Vmax/2) 時的受質濃度，而不是 Vmax 時的受質濃度。在 Vmax 時，酵素已接近飽和，反應速率不再顯著隨受質濃度增加而增加。
(B) 正確。Km 是酵素對特定受質的親和力指標，它是一個常數，與酵素濃度無關。增加酵素濃度會增加 Vmax，但不會改變 Km。
(C) 錯誤。

此題考驗對胺基酸側鏈在酵素催化中參與酸鹼催化的了解。酸鹼催化是酵素催化機制中常見的一種，依賴於側鏈的質子給予 (酸性) 或接受 (鹼性) 能力。
組胺酸 (Histidine) 的側鏈 pKa 約為 6.0，非常接近生理 pH (約 7.4)。

此題考驗對各主要代謝途徑產生的還原力 (NADH 或 NADPH) 的了解。NADPH 是一種重要的還原劑，主要用於合成代謝反應，如脂肪酸合成、類固醇合成以及作為抗氧化劑穀胱甘肽還原酶 (glutathione reductase) 的輔因子。
(A) 糖解作用 (Glycolysis) 主要產生 ATP 和 NADH，不直接產生 NADPH。
(B) 三羧酸循環 (TCA cycle) 主要產生 ATP (以 GTP 形式)、NADH 和 FADH2，不直接產生 NADPH。

此題考驗對戊糖磷酸途徑 (Pentose Phosphate Pathway, PPP) 產物的去向的了解。PPP 的主要功能有兩個：產生 NADPH 和產生還原型的五碳糖磷酸，其中核糖-5-磷酸 (Ribose-5-phosphate) 是關鍵產物。
核糖-5-磷酸是核酸（DNA 和 RNA）的組成單元核苷酸 (nucleotide) 的重要前驅物。

此題考驗對三羧酸循環 (TCA cycle) 的地點、功能和產物的了解。
(A) 錯誤。TCA 循環發生於粒線體基質 (mitochondrial matrix) 中。
(B) 錯誤。TCA 循環本身不直接消耗分子氧氣 (O2)。氧氣是電子傳遞鏈 (electron transport chain) 的最終電子接受者，而 TCA 循環產生的 NADH 和 FADH2 會將電子傳遞給電子傳遞鏈。
(C) 正確。

此題考驗對不同代謝途徑在有無氧氣存在下的運作能力。
(A) TCA 循環需要氧氣參與電子傳遞鏈來再生 NAD+ 和 FAD，因此在無氧條件下無法進行。
(B) 電子傳遞鏈的最終電子接受者是氧氣，無氧時無法運作。
(C) 氧化磷酸化依賴於電子傳遞鏈產生的質子梯度，因此也需要氧氣。

此題考驗對粒線體電子傳遞鏈 (mitochondrial electron transport chain) 的電子來源的了解。電子傳遞鏈是粒線體進行氧化磷酸化以產生 ATP 的關鍵步驟。
(A) ATP 是能量貨幣，而不是電子供體。
(B) ADP 是 ATP 的前體，不是電子供體。

此題考驗對光合作用中 ATP 和 NADPH 生成階段的了解。光合作用分為光反應 (light reactions) 和碳反應 (Calvin cycle)。
(A) Calvin cycle (也稱為碳固定或暗反應) 是利用光反應產生的 ATP 和 NADPH 將 CO2 轉化為醣類的過程，它消耗 ATP 和 NADPH，而不是產生它們。
(B) Carbon fixation 是 Calvin cycle 的一部分，同樣消耗 ATP 和 NADPH。

此題考驗對光合作用中氧氣來源的了解。光合作用釋放的氧氣來自於水的光解 (photolysis of water)。
在光反應過程中，水分子在類囊體膜上的光系統 II (Photosystem II) 附近被分解，釋放出電子、質子和氧氣。這個過程稱為水的氧化。

此題考驗對共價鍵與非共價鍵的區別。非共價鍵是較弱的分子間作用力，在生物分子結構和功能中扮演重要角色。
(A) Disulfide bond (二硫鍵) 是兩個半胱胺酸殘基的硫醇基團之間形成的共價鍵。
(B) Peptide bond (肽鍵) 是胺基酸之間形成蛋白質結構的共價鍵。

此題考驗對不同類型酵素抑制劑對 Michaelis-Menten 動力學參數 (Km 和 Vmax) 影響的理解。
(C) Competitive inhibitor (競爭性抑制劑) 的結構類似於受質，能夠與酵素的活性中心結合，與受質競爭結合位點。當抑制劑存在時，需要更高濃度的受質才能達到 Vmax/2，因此 Km 增加。然而，如果受質濃度足夠高，可以完全競爭掉抑制劑，使得酵素最終仍能達到原來的 Vmax。因此，競爭性抑制劑增加 Km，但不改變 Vmax。

此題考驗對大氣 CO2 濃度變化對生物過程影響的理解。CO2 是植物光合作用中碳的來源，用於合成有機物。
(C) Photosynthetic carbon fixation (光合作用碳固定) 是植物利用 CO2 將其轉化為有機分子的過程。大氣 CO2 濃度的增加直接影響光合作用的底物供應，進而影響碳固定的速率。

此題考驗對細胞凋亡 (apoptosis) 中，特別是內源性途徑 (intrinsic pathway) 的關鍵粒線體事件的了解。
(B) Release of cytochrome c from mitochondria into the cytosol (細胞色素 c 從粒線體釋放到細胞質) 是內源性凋亡途徑的核心事件。

此題考驗對 Warburg effect (瓦氏效應) 的理解，這是許多癌細胞表現出的代謝特徵。
(C) Increased glycolysis even in the presence of oxygen (即使在有氧氣存在下，糖解作用也增加) 是 Warburg effect 的核心特徵。正常細胞在有氧條件下主要依賴粒線體進行氧化磷酸化產生 ATP，而在無氧或缺氧時才大量進行糖解作用。

此題考驗對核基因編碼的粒線體蛋白如何進入粒線體並發揮功能的理解。
(C) Targeting signals that direct proteins to mitochondria (導向粒線體的標靶信號) 是關鍵。

此題考驗對低能量條件下細胞如何調節蛋白質合成的理解。
(C) Translation is energetically expensive (轉譯過程能量消耗巨大) 是主要原因。蛋白質合成是一個高度耗能的過程，需要消耗大量的 ATP 來提供胺基酸活化 (aminoacyl-tRNA 的形成)、核醣體肽鍵的形成、蛋白質的運輸和摺疊等。

此題考驗對核苷酸代謝與基因表現之間關聯的理解。
(C) Availability of nucleotides can influence transcription and cell proliferation (核苷酸的供應會影響轉錄和細胞增殖) 是正確的。核苷酸是 DNA 和 RNA 的組成單元，它們的合成和供應直接影響 DNA 的複製和 RNA 的轉錄。此外，核苷酸的供應也是細胞增殖的重要調控因素，因為細胞分裂需要大量的 DNA 和 RNA。

此題考驗對生物學中不同合成過程名稱的掌握。
(C) Reverse transcription (反轉錄) 是指以 RNA 為模板合成 DNA 的過程。這在病毒（如 HIV）中常見，它們的遺傳物質是 RNA，需要通過反轉錄酶將 RNA 逆轉錄成 DNA，才能整合到宿主細胞的基因組中。

此題考驗對真染色質 (euchromatin) 和異染色質 (heterochromatin) 的結構和特徵的區別。真染色質是較為開放、轉錄活躍的染色質區域，而異染色質是較為緻密、轉錄不活躍的區域。
(E) Open chromatin structure with histone acetylation (開放的染色質結構伴隨組蛋白乙醯化) 是真染色質的典型特徵。組蛋白乙醯化通常會鬆弛染色質結構，使其更容易被轉錄因子接近，從而促進基因的轉錄。

此題考驗對聚合酶鏈式反應 (PCR) 所需基本組分的了解。PCR 是一種體外擴增特定 DNA 片段的技術。
(B) ATP (三磷酸腺苷) 是細胞內主要的能量貨幣，用於許多生化反應，但在 PCR 過程中，DNA 聚合酶所需的能量主要來自 dNTPs 的磷酸鍵斷裂，並且 PCR 是一個體外反應，不直接依賴細胞內的 ATP 供應。雖然 ATP 結構上類似於 dATP，但 PCR 所需的核苷酸是 dATP、dCTP、dGTP 和 dTTP (dNTPs)，而不是 ATP 本身。
其他選項均為 PCR 所必需：

此題考驗對端粒酶 (telomerase) 功能的理解。端粒酶是一種特殊的 DNA 聚合酶，它能夠在染色體末端添加重複性的 DNA 序列，稱為端粒 (telomeres)。
(E) Extends telomeres using an RNA template (利用 RNA 模板延伸端粒) 是端粒酶的核心功能。

此題考驗對真核生物中不同 RNA 聚合酶 (RNA polymerase) 功能的了解。真核生物有三種主要的細胞核 RNA 聚合酶：
(D) RNA polymerase III (RNA 聚合酶 III) 負責合成 tRNA 分子、5S rRNA 以及一些小核 RNA (snRNAs)。
(A) AMV reverse transcriptase 是反轉錄病毒的酶，用於反轉錄。

此題考驗對聚合酶鏈式反應 (PCR) 在自然界中是否存在類似情況的理解。PCR 是一種體外技術，用於擴增 DNA。然而，在某些自然情況下，也存在類似 PCR 的 DNA 複製機制。
(B) When a thermophilic bacterium replicates its DNA (當一種嗜熱細菌複製其 DNA 時)。一些嗜熱細菌（如 Thermus aquaticus）的 DNA 聚合酶（如 Taq 聚合酶）能在高溫下穩定工作，並且在複製過程中，它們會像 PCR 一樣，以 DNA 為模板，在引物（雖然自然界的引物形成機制與 PCR 引物設計不同）的引導下，合成新的 DNA 鏈。

此題考驗對 CRISPR-Cas9 基因編輯系統的了解。CRISPR-Cas9 系統是一種強大的基因編輯工具，它利用一個 guide RNA (gRNA) 來引導 Cas9 核酸酶到目標 DNA 位點進行切割。
(B) Guide RNA provides sequence specificity for DNA cleavage (導 RNA 提供 DNA 切割的序列特異性) 是正確的。gRNA 的序列與目標 DNA 序列互補，通過鹼基配對來識別並結合到目標 DNA 上，從而精確地引導 Cas9 酶在該位點進行切割。
(A) Cas9 識別 DNA 是通過 gRNA 的序列特異性，而不是直接結合組蛋白。

此題考驗對蛋白質、核酸生物化學分析技術的了解，找出其中錯誤的敘述。
(C) In a Northern blot, you transfer RNA from an electrophoresis gel to a membrane, then visualize a specific RNA on the membrane by hybridization with an antibody. (在 Northern blot 中，將 RNA 從電泳膠轉移到膜上，然後用抗體與膜上的特定 RNA 可視化。) 這是錯誤的。

此題考驗對轉錄因子結合位點的了解。轉錄因子是調節基因轉錄的蛋白質，它們通過識別並結合 DNA 上的特定序列來發揮作用。
(A) A Shine-Dalgarno sequence (Shine-Dalgarno 序列) 是原核生物 mRNA 上的一個序列，位於起始密碼子 (AUG) 上游，負責核醣體結合以啟動轉譯。它不是在人類細胞中，也不是用於轉錄調控的 DNA 序列。

此題考驗對 DNA 複製過程的理解，找出錯誤的敘述。
(C) Okazaki fragments are synthesized on the leading strand. (岡崎片段是在前導鏈上合成的。) 這是錯誤的。岡崎片段 (Okazaki fragments) 是在 DNA 複製的延遲鏈 (lagging strand) 上合成的，因為延遲鏈是以不連續的方式合成的，與複製叉的移動方向相反。前導鏈 (leading strand) 是連續合成的。
其他選項均為正確的敘述：
(A) DNA synthesis occurs in the 5'→ 3' direction. (DNA 合成發生於 5'→3' 方向。) 這是 DNA 聚合酶的基本特性。

此題考驗對蛋白質結構層次及其形成機制的理解。

(a) 蛋白質結構的四個層次：

• Primary structure (一級結構)：指的是蛋白質中胺基酸的線性排列順序，由肽鍵連接而成。這個序列是由基因決定的，並且決定了蛋白質的最終三維結構和功能。
• Secondary structure (二級結構)：指的是蛋白質鏈局部區域內，由於氫鍵的作用而形成的規則性空間結構，最常見的是 α-螺旋 (alpha-helix) 和 β-摺疊 (beta-sheet)。
• Tertiary structure (三級結構)：指的是蛋白質鏈整體的三維空間構象，是由二級結構單元以及它們之間的相互作用（如氫鍵、離子鍵、疏水相互作用、二硫鍵等）形成的。它描述了單一多肽鏈的摺疊方式。
• Quaternary structure (四級結構)：指的是由兩個或多個多肽鏈（亞基）組成的蛋白質複合物的空間結構。這些亞基通過非共價相互作用（偶爾也有二硫鍵）結合在一起。

(b) 胺基酸側鏈性質對蛋白質摺疊的影響：
胺基酸側鏈的化學性質（極性、電荷、大小、疏水性等）是驅動蛋白質摺疊的關鍵因素。

1. 疏水相互作用 (Hydrophobic interactions)：疏水性側鏈（如丙胺酸、纈胺酸、白胺酸、異白胺酸、苯丙胺酸、酪胺酸、色胺酸）傾向於聚集在蛋白質的內部，遠離水分子，形成疏水核心。這是蛋白質摺疊過程中主要的驅動力之一。

此題考驗對中央代謝途徑之間聯繫以及缺氧條件下代謝變化的理解。

(a) 糖解作用 (Glycolysis)、三羧酸循環 (TCA cycle) 和氧化磷酸化 (Oxidative phosphorylation) 之間的代謝聯繫：
這三個途徑是細胞獲取能量的主要途徑，它們緊密相連，形成一個協調的能量生產系統。

1. 糖解作用 (Glycolysis)：發生於細胞質，將一分子葡萄糖分解為兩分子丙酮酸，同時產生少量 ATP (淨產 2 ATP) 和 NADH。丙酮酸是 TCA 循環的起始物。
2. 丙酮酸的轉化：在有氧條件下，丙酮酸進入粒線體基質，被轉化為乙醯輔酶 A (Acetyl-CoA)。這個過程會釋放 CO2 並產生一分子 NADH。
3. 三羧酸循環 (TCA cycle)：發生於粒線體基質。乙醯輔酶 A 進入 TCA 循環，與草醯乙酸結合，經過一系列反應，最終被完全氧化成 CO2。在此過程中，每轉一圈產生 ATP (以 GTP 形式)，大量的 NADH 和 FADH2。NADH 和 FADH2 是還原當量，攜帶高能電子。
4. 氧化磷酸化 (Oxidative phosphorylation)：發生於粒線體內膜。NADH 和 FADH2 將它們攜帶的高能電子傳遞給電子傳遞鏈 (electron transport chain)。電子在電子傳遞鏈中逐級傳遞，最終被氧氣接受，形成水。電子傳遞過程中釋放的能量被用來將質子 (H+) 從粒線體基質泵送到膜間隙，形成質子梯度。質子通過 ATP 合成酶 (ATP synthase) 流回基質時，驅動 ATP 的合成。

此題考驗對生物膜在細胞代謝中的作用以及粒線體膜重要性的理解。

(a) 膜運輸蛋白或離子通道如何影響細胞代謝：
細胞膜和細胞內膜（如粒線體膜、內質網膜）上的運輸蛋白和離子通道是控制物質進出細胞器以及在細胞器之間進行運輸的關鍵。它們通過以下方式影響細胞代謝：

1. 底物供應：許多代謝途徑的底物（如葡萄糖、胺基酸、脂肪酸、離子）需要通過特定的運輸蛋白或通道進入細胞或細胞器才能參與代謝。例如，葡萄糖載體 (GLUT) 負責將葡萄糖轉運入細胞，影響糖解作用的速率。
2. 產物移除：代謝產物（如乳酸、CO2、氨）也需要通過運輸蛋白排出細胞或細胞器，以防止其積累對細胞產生毒性或抑制代謝。
3. 離子梯度維持：例如，粒線體膜上的離子通道和運輸蛋白維持質子梯度，這是 ATP 合成所必需的。細胞膜上的離子泵和通道也維持鈉、鉀、鈣等離子的梯度，這些離子濃度差不僅影響膜電位，還作為信號分子調節許多代謝酶的活性。
4. 能量轉換：在某些情況下，運輸過程本身就消耗或產生能量。例如，鈉-葡萄糖共轉運體利用鈉離子梯度驅動葡萄糖進入細胞。質子梯度不僅用於 ATP 合成，也可用於其他能量轉換過程。
5. 信號傳導：一些通道或轉運蛋白的開放或關閉可以響應細胞內外的信號，從而調節下游的代謝反應。例如，鈣離子通道的開放會觸發一系列細胞內信號傳導和代謝調節。

(b) 膜完整性 (membrane integrity) 和組成 (composition) 對粒線體功能的重要性：
粒線體是細胞能量代謝的核心，其功能高度依賴於其雙層膜結構的完整性和精確的組成。

1. 膜完整性：
   • 區隔化 (Compartmentalization)：粒線體的內外膜將粒線體基質與細胞質隔離開來，創造了獨特的微環境，使 TCA 循環、脂肪酸氧化、尿素循環（在肝臟）等代謝途徑能在其中高效進行，並防止其與細胞質中的其他代謝途徑發生干擾。

此題考驗對胺基酸作為合成前體和代謝中間物的多重角色的理解。

(a) 胺基酸在細胞中的兩種代謝去向：

1. 蛋白質合成 (Protein synthesis)：這是胺基酸最主要的功能。胺基酸通過肽鍵連接，按照 mRNA 的序列合成特定的蛋白質，這些蛋白質執行細胞的各種功能，包括酶催化、結構支撐、信號傳導、運輸等。
2. 作為代謝中間物，參與能量產生或生物合成 (Serving as metabolic intermediates for energy production or biosynthesis)：
   • 能量產生：胺基酸的胺基 (amino group) 會被移除（脫胺作用, deamination），生成的碳骨架可以進入中央代謝途徑（如糖解作用、TCA 循環）被氧化產生 ATP。脫胺過程產生的氨通常會被轉化為尿素（在肝臟）或通過其他途徑處理。
   • 生物合成：胺基酸的碳骨架或其代謝中間產物可以作為合成其他重要生物分子（如核苷酸、卟啉、神經遞質、激素等）的原料。例如，甘胺酸和麩胺酸是嘌呤核苷酸合成的前驅物。

(b) 胺基酸代謝如何與能量產生或生物合成聯繫：

1. 與能量產生聯繫：
   • 碳骨架的氧化：當細胞需要能量，且葡萄糖和脂肪酸供應不足時，胺基酸的碳骨架可以通過脫氨作用後，轉化為 TCA 循環的中間產物（如 α-酮戊二酸、琥珀醯輔酶 A、延胡索酸、草醯乙酸）或糖解

此題考驗對動物複製技術，特別是 Dolly 羊複製方法的了解。Dolly 羊是第一個通過體細胞核移植 (somatic cell nuclear transfer, SCNT) 技術成功複製的哺乳動物。

技術描述：
Dolly 羊的複製技術主要包括以下步驟：

1. 體細胞的獲取與培養：從一隻成年母綿羊（供體）的乳腺腺體中獲取體細胞（如乳腺細胞）。這些細胞在體外進行培養，使其增殖。
2. 卵母細胞的製備：從另一隻母綿羊（卵母細胞供體）中獲取未受精的卵母細胞 (oocyte)。
3. 去核處理：利用顯微注射技術，將卵母細胞的細胞核（含有供體母羊的遺傳物質）移除。這樣得到的卵母細胞就成為一個「去核卵母細胞」(enucleated oocyte)，相當於一個沒有遺傳物質的「空載體」。
4. 細胞核移植：將從體細胞培養株中獲取的一個細胞核，通過顯微注射或電脈衝融合技術，導入到上述去核的卵母細胞中。這樣，卵母細胞就擁有了來自體細胞供體的新核。
5. 刺激發育：將核移植後的卵母細胞（現在稱為重構卵母細胞）置於培養基中，並通過電脈衝或化學方法刺激，模擬受精過程，促使其開始分裂和發育，形成早期胚胎（如囊胚, blastocyst）。

此題考驗對核小體 (nucleosome) 結構及其支持證據的理解。核小體是真核生物染色質的基本結構單位。

核小體的一般結構：
核小體由一個核心顆粒 (core particle) 和連接在核心顆粒之間的 DNA (linker DNA) 組成。

1. 核心顆粒 (Core Particle)：
   • 由一個組蛋白八聚體 (histone octamer) 構成。
   • 組蛋白八聚體包含四種組蛋白的兩個拷貝：H2A, H2B, H3, H4。
   • DNA 纏繞在組蛋白八聚體周圍，形成大約 1.65 圈的超螺旋結構。纏繞的 DNA 長度約為 147 個鹼基對 (bp)。
   • DNA 與組蛋白八聚體之間的結合主要通過疏水相互作用、鹽橋（靜電相互作用）以及氫鍵。
2. 連接 DNA (Linker DNA)：
   • 位於相鄰核小體核心顆粒之間。
   • 長度可變，通常為 20-100 bp。
   • 連接 DNA 通常與組蛋白 H1 結合，H1 結合後可以穩定核小體結構，並促進核小體向更高階結構（如 30 nm 纖維）的聚集。

支持核小體模型的實驗證據：

1. 酶解消化實驗 (Enzymatic Digestion Experiments)：
   • 核酸酶消化：使用核酸酶（如 DNase I）處理染色質。結果發現，DNA 被切割成大約 200 bp 的倍數（如 200 bp, 400 bp, 600 bp 等）。這表明 DNA 在染色質中是以某種重複單元的形式存在的，每個單元大約包含 200 bp DNA。
   • 進一步分析：當 DNase I 消化到一定程度時，會產生一個大約 147 bp 的 DNA 片段，這個片段緊密地與組蛋白核心結合。這表明存在一個核心結構，其中 DNA 被精確地包裹。
2. 組蛋白提取與分析：
   • 從染色質中分離組蛋白。

此題考驗對 microRNA (miRNA) 和 small interfering RNA (siRNA) 這兩類非編碼 RNA 分子的比較。它們在基因調控中扮演重要角色，但來源、作用機制和相關複合物略有不同。