112 年 國立成功大學生命科學研究所乙組《生物化學》

本題考查組成生命體最主要的元素。生命體約 96% 的質量是由四種最常見的元素所組成，它們是碳 (Carbon, C)、氫 (Hydrogen, H)、氮 (

本題考查水的結構與性質。
a. 水分子中，兩個氫原子與一個氧原子之間是以共價鍵 (covalent bonds) 相連，而非氫鍵 (hydrogen bonds)。氫鍵是發生在不同水分子之間，或水分子與其他極性分子之間。因此，此敘述為 F。
b. 水分子中的氧原子具有較高的電負度，吸引了共用電子的傾向，使得氧原子帶部分負電 ($\delta^-$)，而兩個氫原子則帶部分正電 ($\delta^+$)。氧原子價電子層有兩對未成鍵電子 (lone pairs)，這些電子對也參與了電負度的影響，但更關鍵的是氧與氫之間的極性共價鍵。此敘述描述了部分負電的成因，但「未被氫原子中和」的說法則不太精確，應是氧的高電負度所致。然而，若理解為氧原子上未參與鍵結的電子對使其帶有部分負電，則此敘述可視為 T。

本題主要考查水的勢能 (water potential, $\Psi$) 的概念及其在滲透作用 (osmosis) 中的應用。水的勢能由壓力勢 ($\Psi_p$) 和溶質勢 ($\Psi_s$) 組成，$\Psi = \Psi_p + \Psi_s$。純水的勢能為零。溶質會降低水的勢能，使其為負值。壓力勢通常為正值。水會從水的勢能高的地方流向水的勢能低的地方。

a. 計算 0.1 M 蔗糖溶液的溶質勢 ($\Psi_s$)。題目中給定的公式 $\Psi = -MIRT$ 實際上是計算理想溶液的滲透壓 (osmotic pressure)，而滲透壓的大小等於溶質勢的絕對值。所以，我們計算的是 $\Psi_s$。
M = 0.1 mol/L
i = 1 (蔗糖是非解離的分子，van 't Hoff 因子為 1)
R = 8.31 x 10$^{-3}$ MPa$\cdot$L/(K$\cdot$mol)
T = 285 K

$\Psi_s = -MIRT = -(0.1 \text{ mol/L}) \times (1) \times (8.31 \times 10^{-3} \text{ MPa}\cdot\text{L/(K}\cdot\text{mol)}) \times (285 \text{ K})$
$\Psi_s = -0.1 \times 8.31 \times 10^{-3} \times 285 \text{ MPa}$
$\Psi_s = -0.831 \times 10^{-3} \times 285 \text{ MPa}$
$\Psi_s = -2.36715 \times 10^{-1} \text{ MPa}$
$\Psi_s = -0.236715 \text{ MPa}$
約等於 -0.237 MPa。

【答案】-0.237 MPa

b. 題目中給定根細胞的 $\Psi$ 為 -0.15 MPa。
a. 計算出的 0.1 M 蔗糖溶液的 $\Psi_s$ 約為 -0.237 MPa。

本題考查 DNA 的結構及其在電泳中的行為。
DNA 在電泳中向帶正電的電極（陽極）移動，是因為 DNA 分子本身帶有負電荷。這個負電荷主要來自於 DNA 分子骨架中的磷酸基團。
DNA 的結構是一個雙螺旋。其骨架由去氧核糖（一種五碳糖）和磷酸基團交替連接而成。每一個磷酸基團在生理 pH 下都帶有一個負電荷。因此，整個 DNA 分子，尤其是其磷酸骨架，帶有大量的負電荷。

本題考查 Western blotting 的原理，以及蛋白質在電泳中的行為。
Western blotting 是一種用於檢測特定蛋白質的實驗技術，其核心步驟包括蛋白質樣品的製備、電泳、轉漬 (transfer) 和抗體探測。蛋白質樣品在電泳中向帶正電的電極（陽極）移動，這意味著這些蛋白質樣品帶有負電荷。

蛋白質的電荷取決於其氨基酸組成以及所處的 pH 環境。蛋白質由氨基酸組成，氨基酸的側鏈 (R group) 有些是帶電的（酸性或鹼性），有些是中性的。在生理 pH（約 7.4）下，帶電的氨基酸側鏈會根據其 pKa 值帶有正電或負電。
Western blotting 中，蛋白質樣品在進行電泳前通常會與樣品緩衝液 (sample buffer) 混合，該緩衝液通常含有：

1. 表面活性劑，如十二烷基硫酸鈉 (SDS, Sodium Dodecyl Sulfate)。SDS 是一種陰離子表面活性劑，它會結合到蛋白質的疏水區域，使蛋白質變性並帶上大量的負電荷。

本題考查發酵過程中的生化反應，特別是乳酸和乙醇的產生，以及醋酸的產生與抑制。

1. 乳酸 (Lactate) 和乙醇 (Ethanol) 的生產：
   醬油的發酵是一個複雜的過程，涉及多種微生物。在缺氧或厭氧條件下，酵母菌 (yeast) 和其他微生物會進行發酵作用。
   • 乙醇 (Ethanol)：酵母菌是生產乙醇的主要微生物。在無氧條件下，酵母菌會將葡萄糖（來自大豆和麥芽的碳水化合物分解）通過糖解作用 (glycolysis) 轉化為丙酮酸 (pyruvate)。隨後，丙酮酸被脫羧生成乙醛 (acetaldehyde)，乙醛再被還原為乙醇，同時 NADH 被氧化為 NAD$^+$。這個過程稱為酒精發酵 (alcoholic fermentation)。
     • 糖解作用：葡萄糖 $\rightarrow$ 2 丙酮酸 + 2 NADH + 2 ATP
     • 乙醇發酵：2 丙酮酸 $\rightarrow$ 2 乙醛 + 2 $\text{CO}_2$
     • 2 乙醛 + 2 NADH $\rightarrow$ 2 乙醇 + 2 NAD$^+$
   • 乳酸 (Lactate)：在醬油發酵過程中，除了酵母菌，還有乳酸菌 (lactic acid bacteria) 的參與。乳酸菌會將葡萄糖通過糖解作用生成的丙酮酸，再進一步轉化為乳酸。這個過程稱為乳酸發酵 (lactic acid fermentation)。

本題考查血糖調節的機制，特別是夜間（禁食狀態下）肝臟如何產生葡萄糖以維持血糖穩定。

血糖調節的激素基礎：
人體主要通過兩種激素來調節血糖濃度：胰島素 (insulin) 和升糖素 (glucagon)。

• 胰島素：由胰臟的 $\beta$ 細胞分泌，主要作用是降低血糖。它促進細胞（如肝臟、肌肉、脂肪細胞）吸收葡萄糖，促進肝臟和肌肉將葡萄糖轉化為肝醣 (glycogen) 儲存，並抑制肝臟產生葡萄糖。
• 升糖素：由胰臟的 $\alpha$ 細胞分泌，主要作用是升高血糖。它促進肝臟分解肝醣為葡萄糖釋放到血液中（肝醣分解，glycogenolysis），並促進肝臟從非碳水化合物前體（如胺基酸、乳酸、甘油）合成葡萄糖（糖質新生，gluconeogenesis）。

夜間血糖調節的機制：
在用餐後，血糖濃度升高，胰島素分泌增加，胰高血糖素分泌減少。胰島素促進葡萄糖的吸收和儲存，同時抑制肝臟的葡萄糖生成。
然而，在夜晚，從晚餐到早餐之間，身體處於禁食狀態。隨著時間推移，血液中的葡萄糖被細胞消耗，血糖濃度逐漸下降。
當血糖濃度下降到一定程度時，會觸發以下激素變化：

1. 胰島素分泌減少：由於血糖濃度下降，胰臟 $\beta$ 細胞分泌的胰島素量減少。
2. 升糖素分泌增加：血糖下降會刺激胰臟 $\alpha$ 細胞分泌更多的升糖素。

升糖素如何觸發肝臟產生葡萄糖：
升糖素增加的分泌是維持夜間血糖穩定的關鍵。升糖素主要作用於肝臟，通過與肝細胞膜上的升糖素受體結合，啟動細胞內的訊號傳導途徑（主要是通過 cAMP 途徑）。這個訊號傳導會激活一系列酶，從而促進：

本題考查蛋白質合成（轉譯）中的錯誤校對機制，並對比 DNA 複製中的校對機制，探討在轉譯中設置類似校對機制為何不切實際。

DNA 複製中的校對機制：
DNA 聚合酶 (DNA polymerase) 在合成 DNA 時，具有 3' $\rightarrow$ 5' 外切酶 (exonuclease) 的校對功能。當 DNA 聚合酶錯誤地將一個不匹配的核苷酸添加到生長中的 DNA 鏈末端時，該錯誤的核苷酸會導致螺旋結構不穩定。DNA 聚合酶的校對位點可以識別這種不匹配，並將錯誤的核苷酸從 3' 端切除。這個過程非常準確，大大降低了 DNA 複製的錯誤率。

蛋白質合成（轉譯）中的錯誤校對問題：
蛋白質合成（轉譯）是通過核醣體 (ribosome) 將 mRNA 的密碼子信息轉化為氨基酸序列的過程。這個過程的準確性主要依賴於：

1. 密碼子的正確識別：tRNA 分子上的反密碼子 (anticodon) 與 mRNA 上的密碼子 (codon) 之間的鹼基配對。
2. 氨基醯化 tRNA 的準確性：胺醯-tRNA 合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase) 確保將正確的氨基酸連接到對應的 tRNA 分子上。

為何在轉譯中設置類似 DNA 聚合酶的校對機制是不切實際的？

如果核醣體擁有類似 DNA 聚合酶的校對機制，即在一個錯誤的氨基酸被添加到生長中的多肽鏈後，能夠水解（切斷）先前形成的肽鍵，然後移除錯誤的氨基酸，再重新進行配對，這將會面臨幾個重大難題，使其不切實際：

1. 肽鍵的化學性質：肽鍵是由氨基酸的羧基與另一個氨基酸的氨基之間通過脫水反應形成的。一旦肽鍵形成，它相對穩定。要像切除核苷酸一樣，在核醣體上進行精確的肽鍵水解，需要一個專門的「肽鍵外切酶」功能，這在結構和功能上都與核酸外切酶有很大差異。
2. 能量消耗和速度：蛋白質合成是一個能量密集且需要快速進行的過程（每秒可添加數十個氨基酸）。如果每次錯誤發生後都需要進行一次肽鍵的水解和重新合成，將極大地降低蛋白質合成的速度，並消耗大量的能量 (ATP/GTP)。DNA 複製的速度相對較慢，因此有時間進行校對。

本題考查大腸桿菌 (E. coli) 中 lac 操縱子 (lac operon) 的基因表達調控。lac 操縱子包含三個結構基因：lacZ (編碼 $\beta$-半乳糖苷酶，$\beta$-galactosidase)、lacY (編碼半乳糖苷透酶，galactoside permease) 和 lacA (編碼硫代半乳糖苷轉乙醯酶，thiogalactoside transacetylase)，以及啟動子 (promoter)、操縱子 (operator) 和調節基因 lacI (編碼 lac 阻遏蛋白，Lac repressor)。

lac 操縱子的表達受到兩種主要調控機制控制：

1. 葡萄糖濃度：通過 catabolite activator protein (CAP) 和環腺苷酸 (cAMP) 複合物來調節。當葡萄糖濃度低時，cAMP 濃度高，cAMP-CAP 複合物與 lac 啟動子附近的 CAP 結合位點結合，增強 RNA 聚合酶與啟動子的結合，從而提高轉錄效率。當葡萄糖濃度高時，cAMP 濃度低，cAMP-CAP 複合物無法結合，lac 操縱子的基礎轉錄水平較低。
2. 乳糖濃度：通過 lac 阻遏蛋白 (Lac repressor) 來調節。當沒有乳糖存在時，Lac 阻遏蛋白與操縱子結合，阻止 RNA 聚合酶轉錄。當乳糖存在時，乳糖（或其異構體 allolactose）會與 Lac 阻遏蛋白結合，使其構象改變，從操縱子上脫落，從而允許 RNA 聚合酶進行轉錄。

題目設定是在「含有乳糖但沒有葡萄糖」的培養基中生長。在此情況下，乳糖存在，因此 Lac 阻遏蛋白會脫落，允許基礎水平的轉錄發生。同時，由於沒有葡萄糖，cAMP 濃度高，cAMP-CAP 複合物會結合到 CAP 結合位點，增強 RNA 聚合酶的結合，使 lac 操縱子的表達水平較高。

現在我們分析每個選項的影響：

(a) Addition of a high concentration of glucose

• 背景：原本是「沒有葡萄糖」。現在加入高濃度葡萄糖。
• 影響：高濃度葡萄糖會導致細胞內 cAMP 濃度降低。因此，cAMP-CAP 複合物的形成和結合能力會顯著減弱。CAP 結合位點與 RNA 聚合酶結合的協同作用將消失。
• 結果：雖然乳糖仍然存在，Lac 阻遏蛋白仍然脫落，但 RNA 聚合酶與啟動子的結合效率會降低，導致 lac 操縱子的總體表達水平降低。

(b) A mutation that prevents dissociation of the Lac repressor from the operator

• 背景：Lac 阻遏蛋白與操縱子結合，阻止轉錄。
• 影響：這個突變阻止了 Lac 阻遏蛋白從操縱子上脫落。即使有乳糖存在，乳糖也無法使其脫落（或者說，這個突變可能使阻遏蛋白與乳糖的結合能力喪失，或者即使結合了也無法脫落）。

本題考查 RNA 聚合酶的活性調控，特別是輔助因子 (cofactor) 或其他蛋白質在啟動子識別和轉錄起始中的作用。

觀察到的現象是：

1. 粗提物 (crude extract) 中存在新的 RNA 聚合酶活性。
2. 該 RNA 聚合酶能識別一個「單一、高度特異性」的啟動子。
3. 隨著酶的純化，其活性逐漸下降。
4. 純化的酶在沒有粗提物的情況下完全失活。

這些現象強烈暗示，該 RNA 聚合酶的活性，特別是其啟動子識別和轉錄起始的能力，需要一個或多個額外的因子（輔助因子、蛋白質或其他分子）來維持。這些因子存在於粗提物中，但在純化過程中被去除或失活了。

可能的解釋：

1. 需要一個輔助因子 (Cofactor) 或協同因子 (Coactivator)：

   • 最直接的解釋是，該 RNA 聚合酶本身是一個「不完整」的酶，或者它需要與一個非蛋白質的輔因子（例如，某種 RNA、DNA 或小分子）結合才能具有活性。
   • 或者，它需要與一個或多個蛋白質因子結合才能發揮作用。這些蛋白質因子可能負責：
     • 識別特定的啟動子：該 RNA 聚合酶可能本身不具備識別這個「單一、高度特異性」啟動子的能力，而是需要一個「啟動子結合蛋白」來將其引導到正確的位置。這個啟動子結合蛋白就是我們尋找的因子。
     • 促進 RNA 聚合酶與啟動子的結合：即使 RNA 聚合酶能識別啟動子，它可能需要一個協同因子來增強其與啟動子的結合，或者幫助 RNA 聚合酶進行構象變化，從而進入轉錄起始狀態。
     • 啟動轉錄起始：因子可能參與了「開鏈」 (open complex formation) 或「起始磷酸鍵」 (initiation of phosphodiester bond formation) 的過程。

2. 蛋白質的不穩定性 (Instability of the purified enzyme)：

   • 純化過程中，可能導致這個 RNA 聚合酶本身變得不穩定，容易失活。粗提物中的其他蛋白質可能起到了保護作用，例如通過形成複合物來穩定它。