113 年 國立成功大學生命科學研究所乙組《生物化學》

本題主要在考驗學生對「異構物」（isomers）的基本概念，特別是立體異構物中的「對映異構物」（enantiomers）與「順反異構物」（cis-trans isomers）。

核心觀念：
異構物是指分子式相同但結構或空間排列不同的化合物。
對映異構物是指互為鏡像但無法重疊的立體異構物，通常具有不同的生理活性。
順反異構物是指由於雙鍵或環狀結構的限制，原子或基團在空間中的位置不同而產生的異構物。

解題過程：

Q1. What are isomers? Briefly explain.
異構物（Isomers）是指具有相同分子式，但結構式或空間排列不同的化合物。簡單來說，它們是由相同的原子組成，但這些原子的排列方式不同，導致它們具有不同的物理和化學性質。

【答案】異構物是指分子式相同但結構或空間排列不同的化合物。

Q2. Giving the simple chemical structure, explain cis-trans isomers.
順反異構物（cis-trans isomers）通常發生在具有雙鍵（C=C）或環狀結構的分子中，由於鍵的旋轉受限，導致連接在雙鍵碳原子或環上的基團在空間中的相對位置不同。

• 順式（cis）異構物： 兩個相同的或較大的基團位於雙鍵的同一側，或環的同一側。
• 反式（trans）異構物： 兩個相同的或較大的基團位於雙鍵的對側，或環的對側。

舉例來說，考慮 2-丁烯（but-2-ene）：

• 順式-2-丁烯 (cis-2-butene): 兩個甲基（-CH₃）位於雙鍵的同一側。

        CH₃     CH₃
         \     /
          C = C
         /     \
        H       H
  

• 反式-2-丁烯 (trans-2-butene): 兩個甲基（-CH₃）位於雙鍵的對側。

本題主要測試學生對細胞膜結構、物質跨膜運輸機制以及細胞器結構的知識。

核心觀念：

1. 跨膜運輸： 細胞膜的脂質雙層對不同性質的分子有選擇性。小分子、非極性分子最容易通過。帶電離子和較大的極性分子通過較慢或需要載體蛋白。
2. 膜流動性： 膜的流動性受脂肪酸鏈的飽和度、膽固醇含量等影響。不飽和脂肪酸因其彎曲結構，會降低膜的堆積緊密度，增加流動性。
3. 雙層膜細胞器： 細胞內有特定結構的細胞器由雙層膜包圍，這與其功能相關。

解題過程：

Q1. Which of the following would likely diffuse through the lipid bilayer of a plasma membrane most rapidly?: sucrose, an amino acid, O2, or Na+ (4 points)
評估四種物質通過脂質雙層的難易程度：

• O₂ (氧氣)： 是一種小分子、非極性分子，可以輕易地溶解並擴散通過脂質雙層。
• Na⁺ (鈉離子)： 是一種帶正電的離子，極性很強，難以通過疏水的脂質雙層，通常需要離子通道或載體蛋白協助。
• an amino acid (胺基酸)： 雖然胺基酸結構上包含極性基團（胺基和羧基），但其側鏈（R基）的性質差異很大。一般而言，胺基酸是極性分子，且帶有電荷（在生理 pH 下），通過脂質雙層的速度較慢，需要載體蛋白。
• sucrose (蔗糖)： 是一種較大的極性分子（雙醣），比單醣更難通過脂質雙層，需要專門的轉運蛋白。

因此，O₂ 是最容易通過脂質雙層的。

【答案】O₂

本題主要考驗學生對分子生物學核心概念的理解，包括 DNA 結構發現、中心法則（Central Dogma）、基因轉錄與轉譯，以及特殊的基因表達形式（如逆轉錄、核酶）。

核心觀念：

• DNA 雙螺旋結構： 1953 年 Watson 和 Crick 提出的 DNA 結構模型，是分子生物學的基石。
• 中心法則 (Central Dogma)： 描述了遺傳訊息在 DNA、RNA 和蛋白質之間流動的方向。
• 基因轉錄 (Transcription)： DNA 序列被轉錄成 RNA。
• 基因轉譯 (Translation)： RNA 序列被轉譯成蛋白質。
• 逆轉錄 (Reverse Transcription)： RNA 作為模板合成 DNA。
• 核酶 (Ribozyme)： 具有催化功能的 RNA 分子。

解題過程：

Q1. Fill in the banks (A~D). (3 points each)
根據題幹的年代和內容，我們可以推斷出 A、B、C、D 分別代表的人物和分子：

• 1953 年 發表 DNA 結構論文的科學家是 James Watson 和 Francis Crick。因此，( A ) 和 ( B ) 應該是 Watson 和 Crick。題幹中提到「(A) 也提出了中心法則」，這通常指的是 Francis Crick。所以，我們暫定 A = Crick，B = Watson。
• ( C ) 是 DNA 結構的基礎，DNA 結構描述的是 DNA 的雙螺旋結構。
• 中心法則 描述了遺傳訊息的流動，從 DNA 經過 轉錄 (Transcription) 到 RNA，再經過 轉譯 (Translation) 到 蛋白質 (Protein)。
• 題幹中提到「(C) is transcribed to (D)」，也就是 DNA 轉錄成 RNA。所以，( D ) 應該是 RNA。
• 「(D) is translated into a protein」也符合 RNA 轉譯成蛋白質的過程。
• 「special transfer from ( D ) to ( C )」指的是從 RNA 到 DNA 的過程，這就是 逆轉錄 (Reverse Transcription)。

因此，填空結果如下：

• (A): Crick
• (B): Watson
• (C): DNA
• (D): RNA

【答案】A: Crick, B: Watson, C: DNA, D: RNA

本題考驗學生對有機物結構與能量釋放之間關係的理解，特別是碳氫鍵氧化釋放能量的原理。

核心觀念：

• 燃燒反應： 有機物完全燃燒是與氧氣反應生成二氧化碳和水，此過程會釋放大量能量。
• 能量釋放的來源： 能量主要來自碳氫鍵 (C-H) 和碳碳鍵 (C-C) 的氧化。碳氫鍵的氧化釋放能量最多。
• 化學計量學： 計算每克物質釋放的能量，需要考慮其分子量和燃燒產生的能量。

解題過程：

要判斷哪種燃料釋放更多能量，我們需要比較它們完全燃燒時，每克物質釋放的能量。這通常與分子中可被氧化的碳氫鍵數量有關。

1. 分析分子結構：

• 葡萄糖 (Glucose, C₆H₁₂O₆): 是一種醣類，具有較多的氧原子。
• 己酸 (Hexanoic acid, C₆H₁₄O₂): 是一種脂肪酸，碳鏈較長，含有的氧原子相對較少。

2. 考慮完全燃燒的化學反應式：

• 葡萄糖 (C₆H₁₂O₆):
  $C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O$
  分子量 (MW) = 6 * 12.011 + 12 * 1.008 + 6 * 15.999 ≈ 180.156 g/mol

• 己酸 (Hexanoic acid, C₆H₁₄O₂):
  $C_6H_{14}O_2 + 8.5O_2 \rightarrow 6CO_2 + 7H_2O$
  或者寫成平衡後係數為整數：
  $2C_6H_{14}O_2 + 17O_2 \rightarrow 12CO_2 + 14H_2O$
  分子量 (MW) = 6 * 12.011 + 14 * 1.008 + 2 * 15.999 ≈ 114.17 g/mol

3. 比較每克物質的能量釋放：
一般來說，脂肪酸比醣類含有更高的能量密度（每克）。

本題考驗學生對中鏈脂肪酸 (MCFAs) 代謝及其在體內能量供應中的作用的理解，特別是與長鏈脂肪酸 (LCFAs) 的區別。

核心觀念：

• 脂肪酸氧化 (Fatty Acid Oxidation)： 脂肪酸在細胞質（β-氧化）中被分解，產生乙醯輔酶 A，進入檸檬酸循環產生能量。
• 中鏈脂肪酸 (Medium-Chain Fatty Acids, MCFAs, 6-12 碳原子)： 與長鏈脂肪酸 (LCFAs, >12 碳原子) 相比，MCFAs 的代謝途徑有所不同，具有更快的吸收和氧化速率，且可以直接進入粒線體並產生酮體。
• 酮體 (Ketone Bodies)： 在肝臟中由脂肪酸氧化產生，可以作為腦部和肌肉的替代能量來源，尤其是在碳水化合物攝取不足時。

解題過程：

題幹描述了兩種中鏈脂肪酸（MCFAs）：

• 庚酸 (Heptanoic acid, 7:0): 7 個碳原子，飽和。
• 辛酸 (Octanoic acid, 8:0): 8 個碳原子，飽和。

實驗結果：

• 攝取庚酸的 grupo 較健康，體重增加。
• 攝取辛酸的 grupo 較虛弱，體重減輕，肌肉流失。

生化基礎分析：

MCFAs 的代謝途徑與 LCFAs 不同，它們不需要肉鹼穿梭系統 (carnitine shuttle) 就能進入粒線體基質進行 β-氧化。這使得 MCFAs 的氧化速度比 LCFAs 更快。

然而，MCFAs 的鏈長也影響其代謝和生理效應。

1. 庚酸 (C7:0) 的代謝：

   • 庚酸 (C7:0) 是一個奇數碳鏈的脂肪酸。
   • 奇數碳鏈脂肪酸在 β-氧化過程中，最後會產生一個含有 3 個碳原子的丙醯輔酶 A (propionyl-CoA)。
   • 丙醯輔酶 A 可以通過一個獨立的途徑（包括丙醯輔酶 A 羧化酶、甲基丙二醯輔酶 A 變位酶、甲基丙二醯輔酶 A 變位酶等酶）轉化為琥珀醯輔酶 A (succinyl-CoA)。
   • 琥珀醯輔酶 A 是一個檸檬酸循環的代謝中間產物，可以進入檸檬酸循環，最終被氧化產生 ATP，或者用於合成葡萄糖（糖質新生）。
   • 因此，庚酸可以有效地被氧化產生能量，並且其代謝產物可以進入檸檬酸循環，維持正常的能量代謝和體重。

2. 辛酸 (C8:0) 的代謝：

   • 辛酸 (C8:0) 是一個偶數碳鏈的脂肪酸。
   • 偶數碳鏈脂肪酸的 β-氧化產物是乙醯輔酶 A (acetyl-CoA)。
   • 乙醯輔酶 A 可以進入檸檬酸循環。

本題考驗學生對必需脂肪酸 (Essential Fatty Acids, EFAs) 的概念、功能以及來源的理解。

核心觀念：

• 必需脂肪酸 (Essential Fatty Acids, EFAs)： 指人體或動物體無法自行合成，必須從飲食中獲取的脂肪酸。
• 功能： EFAs 是細胞膜結構的重要組成部分，也是前列腺素 (prostaglandins) 等生物活性物質的前體。
• 主要 EFAs： 亞麻油酸 (Linoleic acid, 18:2, ω-6) 和 α-亞麻油酸 (α-Linolenic acid, 18:3, ω-3) 是兩種主要的 EFAs。
• 植物來源： 許多植物油富含 EFAs。

解題過程：

What makes linoleate an essential fatty acid?
亞麻油酸 (Linoleate) 是一種必需脂肪酸，因為：

1. 人體無法合成： 在動物體內，脂肪酸合成的酶系統只能在碳鏈的 ω-9 位點之前引入雙鍵（從羧基端數起）。亞麻油酸（C18:2, ω-6）在碳鏈的第 12 位（從 ω 端數起）有一個雙鍵，而 ω-3 位點也有雙鍵。由於動物缺乏能在 ω-6 位點（或更遠）引入雙鍵的酶，因此無法從頭合成亞麻油酸。

本題考驗學生對 DNA 聚合酶和 RNA 聚合酶在複製和轉錄過程中，錯誤校正機制差異的理解，以及這種差異的生物學意義。

核心觀念：

• DNA 複製 (DNA Replication)： 遺傳物質的精確複製是細胞分裂和遺傳穩定的基礎。DNA 聚合酶具有 3'→5' 外切酶活性，用於校正錯誤。
• RNA 轉錄 (RNA Transcription)： 將 DNA 序列轉錄為 RNA。RNA 分子通常是單鏈，壽命相對較短，且 RNA 的錯誤對個體遺傳信息的影響不如 DNA 錯誤那麼嚴重。
• 錯誤校正機制： DNA 聚合酶的校正機制（Proofreading）極大地降低了複製錯誤率。
• 生物學意義： 不同的錯誤率對細胞和個體的生存、進化有不同的影響。

解題過程：

Possible biological explanation for the difference:

DNA 聚合酶具有卓越的錯誤校正能力（3'→5' 外切酶活性），能夠在將錯誤的核苷酸加入 DNA 鏈後，立即將其移除並替換為正確的核苷酸。這大大降低了 DNA 複製的錯誤率（約 $10^{-7}$ 到 $10^{-8}$）。相比之下，RNA 聚合酶的校正能力非常有限。

這種差異的生物學解釋可以從以下幾個方面考慮：

1. 遺傳信息的穩定性要求：
   • DNA： DNA 是細胞的遺傳物質，承載著生物體的遺傳信息，並且在細胞分裂過程中被傳遞給子代細胞。DNA 的錯誤會導致基因突變，這些突變可能對細胞功能產生嚴重的、永久性的影響，甚至可能導致細胞死亡、癌症或遺傳疾病。因此，DNA 複製需要極高的準確性來維持遺傳信息的穩定性。DNA 聚合酶的校正功能是確保這種穩定性的關鍵。
   • RNA： RNA 分子（如 mRNA, tRNA, rRNA）在細胞內通常是暫時的，壽命較短，並且在每次細胞分裂後，新的 RNA 會被合成。

本題考驗學生對 E. coli 中 SOS 響應機制、LexA 蛋白的作用以及 LexA 自催化切割功能的理解。

核心觀念：

• SOS 響應 (SOS Response)： 是一種應激反應，當 E. coli 的 DNA 受損（例如，暴露於紫外線或某些化學物質）時啟動，以修復 DNA 並維持細胞生存。
• LexA 蛋白： 是一個阻遏蛋白 (repressor)，在 SOS 響應未啟動時，它結合到 SOS 響應基因（如 recA, uvrA, uvrB 等）的啟動子區域，抑制這些基因的表達。
• RecA 蛋白： 在 DNA 受損時，RecA 蛋白會與單鏈 DNA 結合，形成 RecA-ssDNA 絲狀結構。這種結構能夠激活 LexA 蛋白的自催化切割活性。
• LexA 自催化切割 (Autocatalytic Cleavage)： 激活的 RecA 蛋白誘導 LexA 蛋白發生構象變化，使其能夠切割自身的特定肽鍵，從而使 LexA 蛋白失活。LexA 蛋白的失活導致其不再結合到 SOS 基因的啟動子，從而解除對這些基因的抑制，啟動 SOS 響應。
• LexA 蛋白的切割位點： LexA 蛋白有一個自催化切割位點，在 RecA-ssDNA 複合體的存在下（表示 DNA 受損），LexA 會在此位點切割。

解題過程：

題幹描述了一種突變：lexA 基因突變，導致 LexA 蛋白 無法進行自催化切割。

正常情況下的 SOS 響應：

1. DNA 受損。
2. RecA 蛋白與單鏈 DNA 結合，形成 RecA-ssDNA 絲狀結構。
3. RecA-ssDNA 激活 LexA 蛋白的自催化切割活性。
4. LexA 蛋白被切割，失活。