112 年 國立清華大學生命科學院聯招:分子與細胞生物研究所、分子醫學研究所、生物資訊與結構生物研究所、生物科技研究所、系統神經科學研究所丙組《物理化學》
第 1 題10 分
- (10%) Draw the atomic structure of the tripeptide Gln-Arg-Trp as it would
appear in solution at pH 7, and label the Ca atoms.
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此題考驗學生對胺基酸在生理 pH 值下之離子狀態的理解,以及胜肽鍵的形成。
解題思路:
- 確認組成胜肽的三個胺基酸:Glutamine (Gln, Q)、Arginine (Arg, R)、Tryptophan (Trp, W)。
- 了解在 pH 7 時,這些胺基酸的側鏈和 N-末端、C-末端的質子化狀態。
- 繪製胜肽鍵形成時的結構,並標示出 -碳 () 原子。
詳細步驟:
-
胺基酸結構與 pH 7 的質子化狀態:
- Glutamine (Gln, Q): 側鏈是醯胺基 (-CONH2),在 pH 7 時為中性。N-末端為 ,C-末端為 。
- Arginine (Arg, R): 側鏈含有胍基,其 約為 12.5,在 pH 7 時帶正電,為 。N-末端為 ,C-末端為 。
- Tryptophan (Trp, W): 側鏈是吲哚環,在 pH 7 時為中性。N-末端為 ,C-末端為 。
-
胜肽鍵形成:
當胺基酸形成胜肽鍵時,一個胺基酸的羧基 (-COOH) 與另一個胺基酸的胺基 (-NH2) 間脫水形成醯胺鍵 (-CO-NH-)。- Gln 的羧基與 Arg 的胺基形成第一個肽鍵。
- Arg 的羧基與 Trp 的胺基形成第二個肽鍵。
-
繪製胜肽結構:
勝肽鏈的 N-末端為 Gln,C-末端為 Trp。中間為 Arg。
在 pH 7 時,各部分的質子化狀態如下:- N-末端 (Gln):
- C-末端 (Trp):
- Arg 側鏈:
- Gln 側鏈: (中性)
- Trp 側鏈: 吲哚環 (中性)
第 2 題12 分
- (12%) Describe what are the primary, secondary, tertiary and quaternary
structures of a protein?
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此題考驗學生對蛋白質結構層次的理解。蛋白質的結構從低階到高階可分為四個層次:初級、次級、三級和四級結構。
解題思路:
逐一解釋蛋白質結構的四個層次,並說明其定義、形成機制和包含的鍵結。
詳細步驟:
-
初級結構 (Primary Structure):
- 定義: 蛋白質分子中胺基酸的線性序列,即胺基酸與胺基酸之間以胜肽鍵 (-CO-NH-) 連接所形成的特定順序。
- 形成機制: 由基因的 DNA 序列決定 mRNA 的轉錄,再經由 mRNA 的轉譯過程,將胺基酸依序連接而成。
- 鍵結: 主要為胜肽鍵。
- 重要性: 初級結構決定了蛋白質的最終三維結構和功能。任何一個胺基酸的改變 (突變) 都可能影響其結構和活性。
-
次級結構 (Secondary Structure):
- 定義: 蛋白質鏈局部區域的規則性摺疊方式,通常指主鏈原子 (C=O 和 N-H) 之間透過氫鍵形成的穩定結構。
- 主要形式:
- -螺旋 (-helix): 蛋白質主鏈捲繞成螺旋狀,每 3.6 個胺基酸形成一圈,C=O 基團與其後四個胺基酸單位的 N-H 基團之間形成氫鍵。
- -摺疊片 (-sheet): 蛋白質鏈以伸展狀態排列,相鄰的鏈段 (可以是同一條鏈的不同部分或不同鏈) 之間透過 C=O 和 N-H 基團形成氫鍵,形成平坦或波浪狀的片層結構。-摺疊片可以是平行的 (parallel) 或反平行的 (antiparallel)。
- 蛋白質轉角 (Beta-turn): 允許蛋白質鏈進行方向性改變的結構,通常由四個胺基酸組成,形成一個緊密的轉角,其 C=O 基團與相隔一個胺基酸的 N-H 基團之間形成氫鍵。
- 鍵結: 主要為氫鍵。
-
三級結構 (Tertiary Structure):
- 定義: 蛋白質分子中,次級結構 (如 -螺旋和 -摺疊片) 及其間的連接區域,進一步摺疊形成一個緊密、穩定的三維空間結構
第 3 題5 分
- (5%) Tris, Tris(hydroxymethyl)aminomethane, is a commonly used buffering
solution. It's molecular weight is 121.136 g/mol. Please describe how to
make 1 L of 0.5 M Tris buffer at pH 8 in detail.
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此題考驗學生對於緩衝溶液配製的理解,特別是 Tris 緩衝液的配製。
解題思路:
- 了解 Tris 的化學名稱和分子量。
- 理解緩衝溶液的配製原理,特別是弱酸/弱鹼及其共軛體的比例決定 pH 值。
- Tris 是一種弱鹼,其共軛酸的 約為 8.06 (在 25°C)。pH 8.0 的緩衝液,Tris 的總濃度為 0.5 M。
- 利用 Henderson-Hasselbalch 方程式計算所需 Tris (鹼) 和其共軛酸 (Tris-H+) 的比例。
- 計算所需 Tris 的質量。
- 描述配製過程,包括溶解、pH 調整和定容。
詳細步驟:
-
Tris 的性質:
- 化學名稱:Tris(hydroxymethyl)aminomethane
- 分子量 (MW):121.136 g/mol
- Tris 是一種弱鹼,其質子化形式 Tris-H+ 才是酸。
- Tris 的 (在 25°C) 約為 8.06。
-
緩衝液 pH 和濃度:
- 目標 pH:8.0
- 目標總濃度:0.5 M (Tris 總濃度,即 [Tris] + [Tris-H+])
- 目標體積:1 L
-
利用 Henderson-Hasselbalch 方程式:
對於一個弱鹼 (B) 和其共軛酸 (BH+) 的緩衝系統,pH 與濃度的關係為:
在這裡,B 是 Tris,BH+ 是 Tris-H+。
這表示在 pH 8.0 時,Tris (鹼) 的濃度約為其共軛酸 (Tris-H+) 的 0.871 倍。 -
計算 Tris 和 Tris-H+ 的濃度:
我們知道總濃度為 0.5 M:
將 代入:
(驗算:,符合比例) -
計算所需 Tris 的質量:
配製 1 L 的緩衝液,我們需要 0.233 M 的 Tris 鹼。
Tris 的分子量是 121.136 g/mol。
所需 Tris 的質量 = 濃度 (mol/L) × 體積 (L) × 分子量 (g/mol)
質量 = 0.233 mol/L × 1 L × 121.136 g/mol
質量 g -
配製過程:
有兩種常見的配製方法:- 方法一:使用 Tris 鹼和酸來調整 pH
- 稱取 Tris 鹼 (Tris base) 28.225 克,溶解在約 800 mL 的去離子水中。
- 使用 pH 計監測,緩慢加入濃鹽酸 (HCl) 或醋酸 (acetic acid) 等酸,直到 pH 值達到 8.0。注意: pH 值會隨溫度變化,建議在實驗溫度下進行測量和調整。
- 將溶液轉移到 1 L 的量瓶中,用去離子水定容至 1 L。
- 充分搖勻。
- 方法一:使用 Tris 鹼和酸來調整 pH
第 4 題9 分
- (9%) List and describe briefly three different non-covalent interactions
thought to be involved in stabilizing protein folding.
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此題考驗學生對穩定蛋白質摺疊的非共價鍵的理解。
解題思路:
列出三種主要的非共價相互作用,並簡要描述它們在蛋白質摺疊中的作用。
詳細步驟:
蛋白質摺疊形成其特定的三維結構,是多種相互作用共同作用的結果。其中,非共價相互作用扮演著關鍵角色,它們雖然單獨作用力較弱,但大量存在時能提供足夠的穩定性。以下是三種主要的非共價相互作用:
-
疏水作用 (Hydrophobic Interactions):
- 描述: 這是蛋白質摺疊中最主要的驅動力之一。非極性 (疏水性) 的胺基酸側鏈,如丙胺酸 (Ala)、纈胺酸 (Val)、白胺酸 (Leu)、異白胺酸 (Ile)、苯丙胺酸 (Phe)、酪胺酸 (Tyr)、色胺酸 (Trp) 等,傾向於聚集在一起,形成蛋白質內部的疏水核心。這樣做可以最大限度地減少它們與水分子之間的接觸面積,從而增加水的熵,這是熱力學上有利的。
- 作用: 將疏水性側鏈排除在水環境之外,促使蛋白質鏈緊密摺疊,形成穩定的內部核心。
-
離子鍵/鹽橋 (Ionic Bonds / Salt Bridges):
- 描述: 當蛋白質中帶相反電荷的胺基酸側鏈靠近時,會形成靜電吸引力,稱為離子鍵或鹽橋。例如,帶正電的離胺酸 (Lys) 或精胺酸 (Arg) 的側鏈與帶負電的麩胺酸 (Glu) 或天門冬胺酸 (Asp) 的側鏈之間的相互作用。
- 作用: 這些離子鍵在蛋白質的特定結構區域(如表面或內部)提供穩定的連結,尤其是在特定 pH 值下,可以增強蛋白質結構的穩定性。
-
氫鍵 (Hydrogen Bonds):
- 描述: 氫鍵形成於一個電負性較強的原子 (如氧或氮,作為氫鍵受體) 和一個連接到另一個電負性原子 (如氧或氮,作為氫鍵供體) 的氫原
第 5 題15 分
- (15%) Following the question 4, when the second law of thermodynamics of
the protein "system" suggests the biological molecule should be unfolded,
why proteins are still folded in solution. List at least two arguments as to why
proteins are folded in nature.
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此題考驗學生對熱力學第二定律與蛋白質摺疊現象之間關係的理解,特別是為何蛋白質在水中能維持摺疊狀態。
解題思路:
- 理解熱力學第二定律的內容:孤立系統的熵總是趨於增加,或在恆溫恆壓下,系統的吉布斯自由能 (G) 趨於減小。
- 分析蛋白質在水溶液中的「系統」和「環境」。
- 解釋為何蛋白質的摺疊,即使蛋白質本身的熵減少,整體系統 (蛋白質 + 環境) 的熵仍可能增加,或吉布斯自由能減小。
- 提出至少兩種解釋蛋白質能在水中維持摺疊狀態的論點。
詳細步驟:
熱力學第二定律指出,一個自發過程總是朝著系統總熵增加的方向進行。對於在恆溫恆壓下進行的過程,自發性由吉布斯自由能 (G) 的變化來判斷:。
蛋白質在水溶液中的摺疊過程,可以看作是蛋白質分子從無序的展開狀態 (高熵) 轉變為有序的摺疊狀態 (低熵)。單純考慮蛋白質分子本身,其熵值是降低的 ()。如果只看蛋白質分子,這似乎違反了第二定律。
然而,蛋白質的摺疊並非發生在孤立系統中,而是發生在與環境 (水溶液) 相互作用的開放系統。因此,我們必須考慮整個系統 (蛋白質 + 環境) 的總熵變化 ()。
原因分析: 蛋白質摺疊之所以是自發的,是因為儘管蛋白質本身的熵減少了,但它對周圍水的熵卻產生了更大的正面影響,使得總熵增加,或者說總吉布斯自由能減小。
以下是兩種主要論點:
- 疏水效應 (Hydrophobic Effect) - 增加水的熵:
- 解釋: 當蛋白質處於展開狀態時,其疏水性側鏈暴露在水中,會迫使水分子圍繞這些疏水區域形成高度有序的籠狀結構 (clathrate-like structures),這降低了水的熵。
- 當蛋白質摺疊,將這些疏水性側鏈聚集到蛋白質的內部,形成一個疏水核心時,這些水分子就被釋放回環境中,不再需要圍繞疏水區域排列。這種水的釋放大大增加了水的熵 ()。
- 結論: 即使蛋白質本身的熵降低 (),來自周圍水分子熵的大幅增加 (),使得總熵變化 為正值。
第 6 題10 分
- (10%) What is the relationship between the absorbance spectrum of a
compound and its electronic structure?
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此題考驗學生對吸收光譜與分子電子結構之間關係的理解。
解題思路:
- 解釋吸收光譜的來源:電子在不同能級之間的躍遷。
- 說明吸收光譜的特徵:吸收波長 () 和吸收強度 (摩爾吸光係數 )。
- 闡述電子結構如何影響這些特徵:
- 電子、非鍵結電子 (n) 的存在,特別是共軛系統。
- HOMO-LUMO 躍遷。
- 分子結構的剛性、平面性。
- 取代基的影響。
詳細步驟:
核心概念: 物質吸收光譜的現象,本質上是物質中的電子從較低的能階躍遷到較高的能階,而吸收了特定能量的光子。吸收光譜反映了物質對不同波長光的吸收程度,其圖形(吸收強度對波長的關係)稱為吸收光譜。
吸收光譜的來源與電子躍遷:
- 分子的電子結構決定了其電子所處的能階。這些能階包括成鍵軌域 (bonding orbitals)、反鍵軌域 (antibonding orbitals) 和非鍵結軌域 (non-bonding orbitals)。
- 當光照射到物質上時,如果光子的能量 () 等於兩個能級之間的能量差 (),那麼該光子就會被吸收,導致電子從較低的能級 (通常是最高佔據分子軌域 HOMO) 躍遷到較高的能級 (通常是最低未佔據分子軌域 LUMO)。
- 吸收光譜圖就是將吸收強度 (通常是吸光度 A) 對應於波長 () 或波数,來顯示哪些波長的光被吸收,以及吸收的程度。
吸收光譜的特徵與電子結構的關係:
- 吸收波長 ():
- 決定因素: 吸收波長主要由電子躍遷所需的能量差 () 決定。 越小,對應的波長 () 就越長 (因 )。
- 電子結構影響:
- 共軛體系 (Conjugated systems): 含有交替單雙鍵的體系 (如苯環、多烯) 會形成廣泛的 軌域,使得 電子可以離域,HOMO 和 LUMO 之間的能隙 () 變小。共軛程度越高, 越小, 就越長,吸收峰向長波方向移動 (紅移)。例如,從苯 (吸收約 255 nm) 到聯苯 (250 nm),再到蒽 (375 nm)。
- 非鍵結電子 (n) 和 電子: 含有雜原子 (如 O, N, S) 的分子,其非鍵結電子 (n) 常常存在於能量較 HOMO 低但比成鍵軌域高的軌域中。n 電子到 軌域的躍遷 (n) 通常需要較小的能量,因此吸收波長較長,但強度較弱。
- 躍遷: 在含有 鍵的分子中, 電子到 軌域的躍遷通常需要較大的能量,吸收波長較短,但強度較強。
第 7 題15 分
- (15%) A redox reaction is expressed by the two half-reactions (the
corresponding electrochemical potential is provided):
Cu2+ + Zn Cu + Zn2+
Cu2+ + 2e- → Cu
E = + 0.34V
Zn → Zn2+ + 2e-
E = + 0.76 V
For the full reaction, please calculate the combined standard
electrochemical potential (E) and the free energy (AG) derived from the
electrochemical potential. If we have Cu2+ concentration 10 times higher
than Zn2+ concentration, please explain how to calculate the corresponding
free energy (AG) of the full reaction.
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核心觀念
本題考查電池反應的標準電位、電位與自由能的關係,以及非標準狀態下的反應自由能。
鋅被氧化、銅離子被還原:
整體反應為:
電化學電位與吉布斯自由能的關係為:
其中:
- :轉移電子莫耳數
- :法拉第常數,
- :電池電位
在非標準狀態下:
其中 為反應商。
解題方法
1. 計算整體標準電位
陰極為還原反應:
陽極為氧化反應,題目已直接給出氧化電位:
因此整體標準電位為兩個半反應電位相加:
不可將氧化半反應的電位再改成負值,因為題目給出的鋅半反應本身已經是氧化方向:
2. 計算標準自由能變化
整體反應轉移 莫耳電子,因此:
代入:
負號表示此標準狀態下的氧化還原反應具有自發性。
非標準濃度下的自由能
整體反應為:
純固體銅與鋅的活性度視為 ,因此反應商為:
題目給定:
所以:
第 8 題12 分
- (12%) Please write down Michaelis-Menten equation and explain the
physical meaning for the involved parameters, Vmax, [S], Км. To have a data
analysis by linear regression, we will convert Michaelis-Menten equation to
a Lineweaver-Buck plot. Please explain how to use Lineweaver-Buck plot to
obtain Km and Vmax.
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此題考驗學生對酶動力學中 Michaelis-Menten 方程式及其參數的理解,以及 Lineweaver-Buck 圖的應用。
解題思路:
- 寫出 Michaelis-Menten 方程式。
- 解釋方程式中的每個參數:, , , 的物理意義。
- 推導 Lineweaver-Buck 方程式。
- 解釋如何利用 Lineweaver-Buck 圖 (雙倒數圖) 確定 和 。
詳細步驟:
1. Michaelis-Menten 方程式:
Michaelis-Menten 模型的基礎是酶 (E) 與底物 (S) 結合形成酶-底物複合物 (ES),然後 ES 複合物進一步轉化為產物 (P) 並釋放酶,該過程是可逆的。
假設在穩態近似 (steady-state approximation) 下,即 的濃度變化率為零。
Michaelis-Menten 方程式描述了初始反應速率 () 與底物濃度 () 之間的關係:
2. 參數的物理意義:
- (初始反應速率, initial reaction velocity): 指在反應開始時,底物濃度還未顯著下降,產物濃度還很低時,酶催化反應的速率。通常以產物生成量/時間 (如 ) 或底物消耗量/時間來表示。
- (底物濃度, substrate concentration): 指反應體系中底物的濃度。
- (最大反應速率, maximum reaction velocity): 當底物濃度足夠高,使得所有的酶分子都與底物結合,形成酶-底物複合物 (即 ) 時,反應所能達到的最大速率。此時,反應速率不再受底物濃度影響,僅受酶的催化能力和酶的總量限制。,其中 是催化速率常數 (turnover number, ), 是酶的總濃度。
- (Michaelis 常數, Michaelis constant): 是底物濃度 的一個特定值,當反應速率 等於 的一半時,該底物濃度即為 。
因此, 在數值上等於達到最大反應速率一半時所需的底物濃度。
物理意義: 反映了酶對底物的親和力。 值越小,表示酶在較低的底物濃度下就能達到較高的反應速率,即酶對該底物的親和力越強。相對地, 值越大,表示酶對底物的親和力越弱。
嚴格來說,。當 (即 ES 複合物分解為 E+S 的速率遠大於分解為 E+P 的速率,這在某些情況下是成立的,但不是普遍情況),則 ,此時 就是酶與底物結合的解離常數 ()。在一般情況下, 是酶-底物複合物的形成和分解速率的綜合體現。
3. Lineweaver-Buck 方程式 (雙倒數圖):
將 Michaelis-Menten 方程式進行倒數處理,可以得到一個線性方程,便於通過圖形外插得到 和 。
取倒數:
第 9 題12 分
- (12%) A kinetic analysis of a reaction obtained from the Michaelis-Menten
mechanism is shown in the following figure. The enzyme concentration used
in the analysis is 1 nM. Please estimate the values of Vmax, Km and kcat.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
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核心觀念
米氏動力學方程式為
其中, 是底物濃度足夠高時的最大反應速率; 是反應速率達到 時的底物濃度。催化常數 表示每個酵素分子每秒能催化的反應次數:
題目提供米氏曲線與 Lineweaver–Burk 雙倒數圖,可由圖估計 、,再利用酵素濃度計算 。
解題方法
Lineweaver–Burk 方程式為
對照直線方程式 ,縱截距為 ,斜率為 ,橫截距為 。
由雙倒數圖讀取,縱截距約為 ,因此
圖上直線斜率約為 ,故