109 年 國立臺灣大學海洋研究所生物漁業組《生物化學（B）》

核心觀念

1. 醣類的 Haworth 投影式與立體化學：

   • D/L 構型決定：在 D-醛醣（D-aldohexose）的吡喃環（pyranose ring）中，C5 上的羥甲基（$-\text{CH}_2\text{OH}$）在標準 Haworth 投影式中皆指向環平面上方。
   • $\alpha$ 與 $\beta$ 異頭物（Anomer）定義：
     • $\beta$-form：C1（異頭碳／端基碳，anomeric carbon）上的羥基（$-\text{OH}$）與 C5 上的 $-\text{CH}_2\text{OH}$ 處於同側（cis），即 $-\text{OH}$ 朝上。
     • $\alpha$-form：C1 上的 $-\text{OH}$ 與 C5 上的 $-\text{CH}_2\text{OH}$ 處於異側（trans），即 $-\text{OH}$ 朝下。
   • D-葡萄糖（D-glucose）的環上立體構型：費雪投影式（Fischer projection）中「右側基團在 Haworth 朝下、左側基團在 Haworth 朝上」（口訣：左上右下）。D-葡萄糖在 C2、C3、C4 的羥基方向依序為「右、左、右」，因此在 Haworth 投影式中對應為「下、上、下」。

2. 比旋光度（Specific Rotation）與混合物線性加成：

   • 旋光性物質在溶液中的總比旋光度具有加成性，混合物的觀測比旋光度等於各成分之莫耳分率（或質量百分比）與其純物質比旋光度的加權平均：
   $$[\alpha]_{\text{mix}} = f_\alpha [\alpha]_\alpha + f_\beta [\alpha]_\beta$$

   其中 $f_\alpha + f_\beta = 1$（$f$ 為各異頭物所佔之百分比或分率）。

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解題方法與詳細步驟

(A) $\beta$-D-glucopyranose 的 Haworth 投影式繪製

1. 繪製六員吡喃環骨架：氧原子置於右上角，順時針方向依序標示 C1 至 C5。
2. 決定各碳原子上的基團朝向：
   • C1（異頭碳）：$\beta$ 型，$-\text{OH}$ 朝上（Up），$-\text{H}$ 朝下。
   • C2：D-葡萄糖構型，$-\text{OH}$ 朝下（Down），$-\text{H}$ 朝上。
   • C3：D-葡萄糖構型，$-\text{OH}$ 朝上（Up），$-\text{H}$ 朝下。
   • C4：D-葡萄糖構型，$-\text{OH}$ 朝下（Down），$-\text{H}$ 朝上。
   • C5：D 構型，$-\text{CH}_2\text{OH}$ 朝上（Up），$-\text{H}$ 朝下。

               CH2OH
               | (Up)
           H-- 5 ------- O
             / \       / \
      (Up)  /   \     /   \  OH (Up)
          4      \   /     1 
   (Down) |       \ /      | (Down)
         OH        3-------2 H
                  / \     / \
           (Up) HO   H   H   OH (Down)

(繪圖摘要：環上基團方向由 C1 至 C5 依序為：C1-OH 朝上、C2-OH 朝下、C3-OH 朝上、C4-OH 朝下、C5-$\text{CH}_2\text{OH}$ 朝上)

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(B) 混合物組成比例計算

1. 設定變數與已知條件：
   • 純 $\alpha$-D-glucose 之比旋光度 $[\alpha]_\alpha = +112.1^\circ$

此題考查鹽度（salinity）與質量百分濃度、莫耳濃度之間的轉換，以及溶液配製的觀念。

(A) 海水 NaCl 濃度（莫耳濃度 M）計算

題目給定海水鹽度為 35%，表示每 100 克海水含有 35 克 NaCl。
同時給定 NaCl 的分子量為 58.4 g/mol，海水的密度為 1.0 g/cm³。

首先，我們需要將鹽度（質量百分濃度）轉換為莫耳濃度 (M)。莫耳濃度定義為每公升溶液中溶質的莫耳數。

假設我們取 100 克海水：

• NaCl 的質量 = 35 克
• NaCl 的莫耳數 = $\frac{\text{質量}}{\text{分子量}} = \frac{35 \text{ g}}{58.4 \text{ g/mol}} \approx 0.5993 \text{ mol}$

接下來，計算這 100 克海水的體積。

• 海水的體積 = $\frac{\text{質量}}{\text{密度}} = \frac{100 \text{ g}}{1.0 \text{ g/cm³}} = 100 \text{ cm³}$

將體積轉換為公升 (L)：
$100 \text{ cm³} = 100 \times 10^{-6} \text{ m³} = 100 \times 10^{-3} \text{ L} = 0.1 \text{ L}$

現在可以計算莫耳濃度：
莫耳濃度 (M) = $\frac{\text{溶質莫耳數}}{\text{溶液體積 (L)}} = \frac{0.5993 \text{ mol}}{0.1 \text{ L}} \approx 5.993 \text{ M}$

因此，海水中的 NaCl 濃度約為 5.99 M。

此題主要探討海水魚與淡水魚在脂肪酸組成上的差異，以及海水魚特有的脂肪酸結構。

(A) 海水魚與淡水魚脂肪酸組成的差異

海水魚和淡水魚在生存環境（溫度、鹽度、食物來源）上的差異，導致牠們的細胞膜組成和脂肪酸譜系有所不同，尤其是在膜的流動性方面。

主要差異點如下：

1. 不飽和脂肪酸 (Unsaturated Fatty Acids, UFAs) 的含量：

   • 海水魚： 通常生活在較冷的環境中，為了維持細胞膜在低溫下的流動性，牠們體內會合成或攝取較高比例的不飽和脂肪酸，特別是長鏈多元不飽和脂肪酸 (LC-PUFAs)，如 Omega-3 (ω-3) 和 Omega-6 (ω-6) 系列。這些不飽和鍵的存在使得脂肪酸鏈不易緊密堆積，從而提高了膜的流動性。
   • 淡水魚： 生活的水溫相對較高，對膜流動性的要求不如海水魚嚴苛。因此，牠們體內的不飽和脂肪酸比例通常較海水魚低，飽和脂肪酸 (SFAs) 的比例相對較高。

2. 特定脂肪酸的種類：

   • 海水魚： 體內富含 EPA (eicosapentaenoic acid, 20:5 ω-3) 和 DHA (docosahexaenoic acid, 22:6 ω-3) 等長鏈 ω-3 脂肪酸。這些脂肪酸對維持神經系統、心血管健康和抗發炎作用非常重要。
   • 淡水魚： 雖然也含有不飽和脂肪酸，但 EPA 和 DHA 的含量通常遠低於海水魚。牠們可能含有較多的亞麻油酸 (linoleic acid, 18:2 ω-6) 和 α-次亞麻油酸 (α-linolenic acid, 18:3 ω-3) 等短鏈前驅物，但轉換為長鏈 PUFAs 的效率可能較低。

3. 飽和脂肪酸 (Saturated Fatty Acids, SFAs) 的比例：

   • 淡水魚： 相對而言，飽和脂肪酸的比例可能較高，這有助於在較高溫度下維持膜的結構穩定性。
   • 海水魚： 飽和脂肪酸的比例相對較低，以避免在低溫下細胞膜過於僵硬。

總結來說，海水魚為了適應低溫環境，其脂肪酸組成中不飽和脂肪酸（特別是長鏈 ω-3 脂肪酸）的比例顯著高於淡水魚。

此題為簡答題，要求根據特定元素或結構特徵，回答相對應的生物分子。

(A) 含碘的荷爾蒙 (an iodine-containing hormone)

人體內主要的含碘荷爾蒙是甲狀腺荷爾蒙。

• 甲狀腺素 (Thyroxine)，也稱為 T4，含有四個碘原子。
• 三碘甲狀腺胺酸 (Triiodothyronine)，也稱為 T3，含有三個碘原子。
  這兩種荷爾蒙由甲狀腺分泌，調節新陳代謝。

【答案】甲狀腺荷爾蒙 (Thyroid hormones)，例如：甲狀腺素 (Thyroxine, T4) 或 三碘甲狀腺胺酸 (Triiodothyronine, T3)。

(B) 含硫的維生素 (a sulfur-containing vitamin)

有幾種維生素含有硫原子。最常見的例子是：

• 硫胺素 (Thiamine)，即維生素 B1。它含有一個噻唑環（thiazole ring）和一個嘧啶環（pyrimidine ring），噻唑環中含有硫原子。
• 生物素 (Biotin)，即維生素 B7。它含有一個硫代戊二酸（thio valeric acid）結構，硫原子是其重要組成部分。
• 輔酶 A (Coenzyme A, CoA)，雖然不是嚴格意義上的維生素，但它是維生素 B5 (泛酸) 的衍生物，含有硫原子，在代謝中扮演關鍵角色。

在此處，通常指的較為明確的維生素是硫胺素或生物素。

【答案】硫胺素 (Thiamine, Vitamin B1) 或 生物素 (Biotin, Vitamin B7)。

(C) 含鈷的維生素 (a cobalt-containing vitamin)

含鈷的維生素是 維生素 B12，又稱為 氰鈷胺素 (Cyanocobalamin)。維生素 B12 的核心結構是一個鈷胺素 (corrin) 環，中心原子是鈷 (Co)。它在 DNA 合成和神經系統功能中至關重要。

【答案】維生素 B12 (Vitamin B12) 或 氰鈷胺素 (Cyanocobalamin)。

此題要求寫出五種生物分子（四種氨基酸和一種醣類）的三字母縮寫。

(A) Glucose (葡萄糖)
葡萄糖是一種單醣，在生物化學中通常不使用三字母縮寫，而是直接寫其名稱 "Glucose" 或用符號 "G"。若要強行給出一個「縮寫」，則可能基於其系統命名或特定上下文，但這不是標準做法。然而，在某些計算或模型中，可能會使用 G。但一般情況下，無標準三字母縮寫。

(B) Glutamine (谷氨酰胺)
谷氨酰胺是一種氨基酸，其三字母縮寫為 Gln。

(C) Tryptophan (色氨酸)
色氨酸是一種氨基酸，其三字母縮寫為 Trp。

此題考查蛋白質水解酶（肽酶）的專一性，特別是胰蛋白酶（trypsin）和胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）的切割位點。

(A) 胰蛋白酶 (trypsin) 的切割

胰蛋白酶是一種絲氨酸蛋白酶，它特異性地切割胜肽鏈中帶正電的鹼性氨基酸殘基的羧基端，即離胺酸 (Lys, K) 和精胺酸 (Arg, R) 的羧基端。

給定的胜肽鏈是：
Ala-Ser-Thr-Lys-Gly-Arg-Ser-Gly-Ala

我們尋找胜肽鏈中 Lys (K) 和 Arg (R) 的位置：

1. Lys 位於第 4 位。
2. Arg 位於第 6 位。

胰蛋白酶會在 Lys 的羧基端和 Arg 的羧基端進行切割。

切割點標示如下：
Ala-Ser-Thr-Lys | Gly-Arg | Ser-Gly-Ala

因此，產生的胜肽片段為：

1. Ala-Ser-Thr-Lys
2. Gly-Arg
3. Ser-Gly-Ala

此題考查離子交換層析（Ion Exchange Chromatography, IEC）的原理及其在蛋白質分離中的應用，以及蛋白質的等電點（pI）與 pH 的關係。

層析原理簡述：
DEAE-Sepharose 是一種陰離子交換劑，它帶有正電荷（DEAE = diethylaminoethyl 是一種陽離子基團，與固定相 Sepharose 結合）。在特定的 pH 值下，帶負電的蛋白質會與 DEAE 柱結合。通過改變洗脫液的離子強度（例如使用梯度 NaCl 溶液），可以改變蛋白質與固定相之間的靜電作用力，從而實現蛋白質的分離。通常，與固定相結合越強的蛋白質，需要越高的鹽濃度才能被洗脫下來。

給定條件：

• 蛋白質：Ovalbumin (pI = 4.6), Urease (pI = 5.0), Myoglobin (pI = 7.0)。
• 層析柱：DEAE-Sepharose (陰離子交換劑)。
• 起始緩衝液 pH：6.5。
• 洗脫方式：梯度 NaCl 溶液。

(A) 預測洗脫順序 (由早到晚)

在 pH 6.5 的緩衝液中，我們需要判斷這三種蛋白質的淨電荷，以確定它們與陰離子交換劑 DEAE-Sepharose 的結合能力。
蛋白質的淨電荷由其表面氨基酸的酸鹼性質以及溶液的 pH 值決定。

• 當 pH > pI 時，蛋白質帶淨負電。
• 當 pH < pI 時，蛋白質帶淨正電。
• 當 pH = pI 時，蛋白質呈電中性（淨電荷為零）。

計算蛋白質在 pH 6.5 時的電荷狀態：

1. Ovalbumin (pI = 4.6): pH 6.5 > pI 4.6。因此，Ovalbumin 帶淨負電荷，會與陰離子交換劑 DEAE-Sepharose 結合。
2. Urease (pI = 5.0): pH 6.5 > pI 5.0。因此，Urease 帶淨負電荷，會與陰離子交換劑 DEAE-Sepharose 結合。
3. Myoglobin (pI = 7.0): pH 6.5 < pI 7.0。因此，Myoglobin 帶淨正電荷，不會與陰離子交換劑 DEAE-Sepharose 結合。

結合強度判斷：

• Myoglobin 帶正電，不與陰離子交換柱結合，因此會最先被洗脫下來（最早洗脫）。
• Ovalbumin (pI=4.6) 和 Urease (pI=5.0) 都帶負電，會與層析柱結合。

此題要求描述兩種生物化學分離與檢測技術的原理和應用。

(A) 膠體過濾層析 (Gel Filtration Chromatography)

• 原理 (Theory):
  膠體過濾層析，又稱為尺寸排阻層析 (Size Exclusion Chromatography, SEC)，是一種基於分子大小（水力學半徑）來分離蛋白質或其他生物分子的方法。
  層析柱填充有具有特定孔徑的惰性多孔顆粒（凝膠珠）。這些顆粒的孔徑範圍可以控制。

  1. 大分子 (Larger molecules): 分子量大於凝膠珠孔徑極限的分子，無法進入凝膠珠內部，只能在凝膠珠之間的空隙（interstitial volume）中流動。因此，它們會最快通過層析柱，較早洗脫。
  2. 小分子 (Smaller molecules): 分子量小於凝膠珠孔徑極限的分子，可以進入凝膠珠的孔隙中。它們在柱中的流動路徑變長，因為一部分分子被「困」在孔隙中，一部分在孔隙外流動。因此，它們的洗脫時間較長。
  3. 中間分子 (Intermediate molecules): 分子量介於兩者之間的分子，可以部分進入凝膠珠孔隙，其洗脫時間介於大分子和小分子之間，取決於其大小和凝膠珠的孔徑分佈。
     通過使用不同孔徑範圍的凝膠珠，可以有效分離分子量差異較大的分子。

• 應用 (Application):

  1. 蛋白質純化： 分離分子量差異大的蛋白質混合物，獲得單一分子量範圍的蛋白質組分。
  2. 分子量測定： 通過與已知分子量標準品的洗脫時間比較，估計未知蛋白質的分子量。
  3. 脫鹽 (Desalting)： 將蛋白質溶液與小分子鹽類分開。蛋白質（大分子）先洗脫，鹽類（小分子）後洗脫。
  4. 研究蛋白質複合物： 分離單體蛋白質和由多個蛋白質亞基組成的複合物。

(B) 蛋白質印跡法 (Western Blotting)

• 原理 (Theory):
  Western blotting 是一種用於檢測特定蛋白質的分子生物學技術，它結合了電泳分離和免疫學檢測。
  1. 樣品製備與蛋白質分離： 首先，將蛋白質樣品（來自細胞裂解物、組織提取物等）進行電泳分離。

此題考查 DNA 和 RNA 的鹼基配對原則以及鏈的方向性。

鹼基配對原則：

• DNA 中：腺嘌呤 (A) 配對胸腺嘧啶 (T)，鳥糞嘌呤 (G) 配對胞嘧啶 (C)。
• RNA 中：腺嘌呤 (A) 配對尿嘧啶 (U)，鳥糞嘌呤 (G) 配對胞嘧啶 (C)。
• DNA 和 RNA 鏈的方向性是反平行的。5' 端通常有磷酸基團，3' 端有羥基。

給定的 DNA 序列：
5'-GTCATGAC-3'

(A) 互補 DNA 鏈 (從 3' 到 5')

給定的 DNA 鏈是 5'-GTCATGAC-3'。
它的互補鏈需要根據鹼基配對原則 (A-T, G-C) 來構建。
同時，互補鏈的方向性與原鏈相反。原鏈是 5'->3'，所以互補鏈是 3'->5'。

原鏈： 5'- G T C A T G A C -3'
互補鏈： 3'- C A G T A C T G -5'

此題要求解釋為何識別生物體內次級代謝產物的編碼 DNA 較為困難。

次級代謝產物 (Secondary metabolites) 是指生物體內非必需的、通常具有特定結構和功能的有機化合物，例如抗生素、毒素、色素、藥物前體等。與主要代謝產物（如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等，它們是生命活動的基礎）不同，次級代謝產物的合成途徑通常更為複雜，其編碼基因的識別也更具挑戰性。原因如下：

1. 基因簇 (Gene Clusters)：
   次級代謝產物的合成通常涉及一個由多個基因組成的「基因簇」。這些基因協同作用，通過一系列酶促反應逐步合成最終產物。基因簇內的基因可能在染色體上緊密排列，但有時也可能分散在基因組的不同位置。識別整個基因簇，而不是單一基因，是困難的。

2. 酶的特異性與多樣性：
   次級代謝產物的合成酶，特別是那些參與複雜結構構建的酶（如聚酮合酶 PKS, 非核糖體胜肽合酶 NRPS），往往具有高度的模塊化結構和複雜的催化機制。它們可以通過組合不同的模塊來產生高度多樣化的產物。這使得僅憑序列信息預測其功能變得困難。

3. 基因組的稀疏性與「黑暗物質」：
   許多生物（特別是微生物）的基因組中，有相當一部分 DNA 片段（被稱為「基因組的黑暗物質」或「未註釋區域」）的編碼功能尚未被完全闡明。這些區域可能包含次級代謝產物合成基因，但由於其序列獨特性或與已知基因的相似性不高，難以通過標準的生物信息學工具（如 BLAST）進行識別。