109 年 國立成功大學生命科學研究所乙組《生物化學》

蛋白質結構可分為四個層次：初級結構、次級結構、三級結構與四級結構。

• 初級結構 (Primary Structure)：

  • 特徵：蛋白質由胺基酸組成，初級結構是指胺基酸在多肽鏈中的線性排列順序，由肽鍵（peptide bond）連接而成。
  • 穩定鍵結：主要由肽鍵（共價鍵）穩定。

• 次級結構 (Secondary Structure)：

  • 特徵：指多肽鏈局部區域摺疊形成的規則性結構，常見的有 $\alpha$-螺旋（$\alpha$-helix）和 $\beta$-摺疊（$\beta$-sheet）。
  • 穩定鍵結：主要由肽骨架原子（羰基氧和亞胺基氮）之間的氫鍵（hydrogen bond）穩定。

• 三級結構 (Tertiary Structure)：

  • 特徵：指整條多肽鏈在次級結構的基礎上進一步摺疊形成的三維空間結構。
  • 穩定鍵結：由多種非共價鍵和偶爾的共價鍵穩定，包括：

並非所有蛋白質都需要擁有四個層次的結構。

• 初級結構：所有蛋白質都具有，這是蛋白質分子最基本的結構。
• 次級結構：大多數蛋白質都含有 $\alpha$-螺旋或 $\beta$-摺疊，但有些小型蛋白質或肽段可能缺乏明顯的規則性次級結構。
• 三級結構：大多數功能性蛋白質都需要形成特定的三級結構以發揮其生物功能。

蛋白質的分子量可以透過計算其組成胺基酸的平均分子量來估計。

1. 平均胺基酸分子量：每個胺基酸在形成肽鍵時會失去一個水分子（分子量約 18 Da）。因此，平均一個胺基酸殘基（amino acid residue）的分子量約為 110 Da (胺基酸平均分子量約 128 Da - 水分子 18 Da = 110 Da)。
2. 總分子量計算：
   • 蛋白質中有 731 個胺基酸殘基。

蛋白質的功能很大程度上取決於其精確的三維結構，而這個結構是由胺基酸序列決定的。一個胺基酸的取代可能影響蛋白質的功能，原因如下：

1. 改變蛋白質的摺疊：如果被取代的胺基酸位於蛋白質的活性中心附近，或者它對於維持蛋白質的特定摺疊結構至關重要（例如，參與形成氫鍵、離子鍵、疏水性交互作用或二硫鍵），那麼替換它可能會導致蛋白質無法正確摺疊，進而失去功能。
2. 影響活性中心：如果被替換的胺基酸是活性中心的一部分，它可能直接參與催化反應，或者對於底物結合至關重要。替換成其他胺基酸會削弱或消除酵素的催化能力或底物結合能力。

這題是利用凝膠過濾（gel filtration）和 SDS-PAGE（聚丙烯醯胺凝膠電泳）來判斷蛋白質的亞基組成。

• 凝膠過濾 (Gel Filtration)：測量的是蛋白質的「天然」分子量，反映了其在溶液中的總體積和形狀，以及是否為寡聚體。結果是 420 kDa。
• SDS-PAGE：SDS 會使蛋白質變性，破壞其三級和四級結構，並使蛋白質帶負電。因此，SDS-PAGE 測量的是蛋白質亞基的分子量。
  • 第一次 SDS-PAGE (無 DTT)：結果是 200 kDa, 160 kDa, 60 kDa。這表示蛋白質在沒有還原劑的情況下，可以解離成三個獨立的亞基。
  • 第二次 SDS-PAGE (含 DTT)：DTT (Dithiothreitol) 是一種還原劑，可以破壞蛋白質鏈內的二硫鍵。結果是 160 kDa, 100 kDa, 60 kDa。

解題步驟與分析：

1. 比較兩次 SDS-PAGE 的結果：
   • 第一次：200 kDa, 160 kDa, 60 kDa
   • 第二次（含 DTT）：160 kDa, 100 kDa, 60 kDa
   • 比較發現，60 kDa 和 160 kDa 的條帶在兩次實驗中都出現了，這表示這兩個亞基不含二硫鍵連結，或是含有的二硫鍵不影響其獨立存在。
   • 第一次實驗出現 200 kDa 的條帶，第二次實驗則出現 100 kDa 的條帶，且 200 kDa 的總分子量 (200) 在第二次實驗中消失了。

概念核心：此題考查對物料循環（glyoxylate cycle）的理解，包括其代謝途徑、調控機制、在植物中的作用與重要性。

代謝途徑圖示：

物料循環（Glyoxylate Cycle）是三羧酸循環（TCA Cycle）的一個變體，允許生物體將乙醯輔酶 A（Acetyl-CoA）轉化為碳水化合物。它主要發生在植物的種子萌發過程中，以及某些細菌、真菌和原生生物中。在植物中，這個循環主要發生在「過氧化物酶體」（peroxisomes）和「甘油酸酯體」（glyoxysomes）中。

代謝途徑圖：

酵素與受質形成複合體（Enzyme-Substrate Complex, ES Complex）的過程是酵素催化反應的第一步。目前主要有兩種理論模型來解釋其形成：

1. 鎖鑰模型 (Lock and Key Model)：
   • 提出者：Emil Fischer (1894年)
   • 核心觀點：此模型認為，酵素的活性中心（active site）具有一個固定的、預先形成的立體結構，其形狀與受質分子（substrate）的形狀是完全互補的，如同鑰匙只能插入特定形狀的鎖孔一樣。
   • 優點：能很好地解釋酵素的專一性（specificity）。
   • 限制：無法解釋許多酵素在與受質結合後，其活性中心構象會發生改變（induced fit）的現象，也無法解釋過渡態類似物（transition state analogs）為何能強烈結合於酵素。

酵素抑制作用是調節酵素活性的重要方式。無競爭性抑制（uncompetitive inhibition）和非競爭性抑制（non-competitive inhibition）是兩種不同的抑制機制。

1. 非競爭性抑制 (Non-competitive Inhibition)

• 抑制劑結合位點：抑制劑（Inhibitor, I）可以同時結合到游離酵素（E）和酵素-受質複合體（ES）上。它通常結合在酵素活性中心以外的獨立位點。
• 結合機制：
  • $E + S \rightleftharpoons ES \rightarrow E + P$
  • $E + I \rightleftharpoons EI$
  • $ES + I \rightleftharpoons ESI$
• 對動力學參數的影響：
  • $V_{max}$ (最大反應速率)：降低。因為部分酵素被非活性化的 ESI 複合體佔據，減少了具有催化活性的酵素總量。
  • $K_m$ (受質親和力)：不變。因為結合在 ESI 上的抑制劑不會影響受質與 E 的結合。ES 複合體的濃度比例不變。
• 圖示：在 Lineweaver-Burk 圖上，非競爭性抑制會使曲線在 y 軸上向上移動，斜率改變，但與 x 軸的交點（$-1/K_m$）不變。

2. 無競爭性抑制 (Uncompetitive Inhibition)

• 抑制劑結合位點：抑制劑（I）只能結合到酵素-受質複合體（ES）上，而不能結合到游離酵素（E）上。
• 結合機制：
  • $E + S \rightleftharpoons ES \rightarrow E + P$
  • $ES + I \rightleftharpoons ESI$ （注意：$E + I$ 不反應）
• 對動力學參數的影響：
  • $V_{max}$ (最大反應速率)：降低。

此題考查胺基酸作為生物分子前驅物的知識，特別是神經傳導物質和激素。

1. Serotonin (血清素)：

   • 來源：血清素是一種單胺類神經傳導物質，由胺基酸 色胺酸 (Tryptophan) 合成。
   • 合成途徑簡述：色胺酸 → 5-羥色胺酸 (5-hydroxytryptophan, 5-HTP) → 血清素 (5-hydroxytryptamine, 5-HT)。

2. Histamine (組織胺)：

   • 來源：組織胺是一種胺類化合物，由胺基酸 組織胺酸 (Histidine) 合成。

脂肪通常比碳水化合物是更好的燃料，這主要與它們的化學結構及其能量密度有關。

結構比較：

1. 碳水化合物 (Carbohydrate)：

   • 結構：碳水化合物的基本單元是單醣，其通式為 $(CH_2O)_n$。它們通常含有大量的羥基（-OH）和羰基（C=O）。例如，葡萄糖是 $C_6H_{12}O_6$。
   • 氧化程度：碳水化合物中的碳原子相對較氧化，因為它們與氧原子（來自羥基和羰基）結合較多。
   • 能量密度：每克約 4 kcal。

2. 脂肪 (Fat)：

   • 結構：脂肪通常是三酸甘油酯（triglycerides），由一個甘油分子和三個脂肪酸分子酯化而成。脂肪酸是長鏈的碳氫化合物，末端帶有一個羧基（-COOH）。例如，硬脂酸是 $C_{17}H_{35}COOH$。
   • 氧化程度：脂肪酸中的碳鏈主要由 C-C 和 C-H 鍵組成，這些碳原子的氧化程度相對較低，更接近於還原狀態。
   • 能量密度：每克約 9 kcal。

原因解釋：

光呼吸 (Photorespiration) 是植物（特別是 C3 植物）在光照條件下，氧氣消耗和二氧化碳釋放的過程，與光合作用的碳固定競爭 RuBP。它與環境因素密切相關。

以下是影響光呼吸速率的三個環境因素及其機制：

1. 溫度 (Temperature)：

   • 影響：高溫會增加光呼吸速率。
   • 機制：
     • Rubisco 的活性：RuBisCO 酶同時具有羧化酶（carboxylase）和加氧酶（oxygenase）活性。在高溫下，RuBisCO 的加氧酶活性相對於羧化酶活性的比例會增加。
     • 二氧化碳和氧氣的溶解度：高溫會降低水中二氧化碳的溶解度，但對氧氣溶解度的影響較小。這意味著在葉片內部，氣孔關閉以減少水分散失時，氣體交換受限，導致細胞內的 $\text{CO}_2$ 濃度下降，而 $\text{O}_2$ 濃度相對升高，進一步促進 RuBisCO 的加氧反應。
     • 酶動力學：許多參與光呼吸的酶在較高溫度下活性增加。

2. 氧氣濃度 (Oxygen Concentration)：

   • 影響：高氧氣濃度會增加光呼吸速率。
   • 機制：光呼吸的起始反應是 RuBisCO 催化 RuBP 與 $\text{O}_2$ 反應（加氧反應），生成磷酸甘醇酸 (phosphoglycolate) 和 3-磷酸甘油酸 (3-PGA)。當細胞內 $\text{O}_2$ 濃度升高時，RuBisCO 催化加氧反應的機會增加，直接提高了光呼吸的起始速率。

CAM (Crassulacean Acid Metabolism) 是一種特殊的碳固定途徑，主要存在於旱生植物中，以適應缺水環境。CAM 植物在夜間打開氣孔吸收 $\text{CO}_2$，並將其固定為有機酸儲存，白天氣孔關閉以減少水分散失，然後再將儲存的有機酸釋放 $\text{CO}_2$ 進行卡爾文循環。

CAM 植物的例子：

CAM 代謝最初是在景天科 (Crassulaceae) 植物中發現的，因此得名。許多不同科的植物都演化出了 CAM 代謝。

• 景天科 (Crassulaceae)：例如，長壽花 (Kalanchoe spp.)、玉樹 (Crassula ovata)。

好的，各位同學，我們來解析這題關於植物光合作用代謝途徑的題目。這題主要在考驗大家對 C3 和 C4 植物在二氧化碳固定機制以及作物產量上的差異。

(b) 比較 C3 和 C4 植物在二氧化碳固定和作物產量上的差異？

這題的核心觀念在於理解 C3 和 C4 植物為了適應不同環境，演化出了不同的二氧化碳固定途徑，進而影響了它們的生理表現，特別是光合作用效率和作物產量。

解題過程：

首先，我們要知道 C3 和 C4 植物最根本的差異在於它們進行卡爾文循環（Calvin cycle）的細胞位置以及最初的二氧化碳固定方式。

1. 二氧化碳固定 (CO2 Fixation)

• C3 植物：

  • 機制： C3 植物的二氧化碳固定發生在葉肉細胞 (mesophyll cells) 中。二氧化碳直接被 RuBisCO (Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase) 催化，與 RuBP (Ribulose-1,5-bisphosphate) 結合，形成一個不穩定的六碳化合物，隨即分解為兩分子的 3-磷酸甘油酸 (3-phosphoglycerate)。這是卡爾文循環的第一步，也是最直接的碳固定方式，因此稱為 C3 路徑，因為產生的第一個穩定產物是三碳化合物。
  • 問題： RuBisCO 具有氧合酶 (oxygenase) 的活性，在光照強烈、高溫、乾旱的環境下，氣孔關閉，導致細胞內 CO2 濃度下降，O2 濃度相對升高時，RuBisCO 會催化 RuBP 與 O2 結合，進行光呼吸 (photorespiration)。光呼吸會消耗能量 (ATP 和 NADPH) 且釋放已固定的 CO2，降低光合作用的淨效率。

• C4 植物：

  • 機制： C4 植物演化出了一種「空間隔離」的機制來克服光呼吸的限制。