111 年 國立臺灣大學漁業科學研究所《生物化學（B）》

此題主要在考驗對醣類化學結構表示法的理解，特別是 Fisher projection 的應用。

(A) D-glucose 的 Fisher projection

Fisher projection 是一種用來表示立體化學結構的二維表示法，特別常用於醣類。其規則如下：

1. 碳鏈垂直排列，最氧化態的碳（通常是醛醣的醛基或酮醣的酮基）位於最上方。
2. 碳鏈上的取代基（氫原子、羥基等）畫在水平線上，代表它們伸出紙面朝向觀察者。
3. 碳鏈上的手性中心（通常是羥基連接的碳）的垂直線代表伸入紙面朝離觀察者，水平線代表伸出紙面朝向觀察者。

D-glucose 的結構式為：

      CHO
      |
  H - C - OH
      |
 HO - C - H
      |
  H - C - OH
      |
  H - C - OH
      |
      CH2OH

根據 Fisher projection 的規則，將其畫出如下：

      CHO
      |
  H - C - OH
      |
 HO - C - H
      |
  H - C - OH
      |
  H - C - OH
      |
      CH2OH

在這個結構中，C-2, C-3, C-4, C-5 都是手性中心。

此題考驗對有機化合物結構的判斷，特別是不對稱碳原子（手性中心）的辨識以及立體組態的命名。題目中提供蘋果酸的結構圖，雖然 OCR 掃描檔無法顯示圖片，但根據題目敘述，我們可以推斷其結構。蘋果酸是一種二羧酸，結構為 HOOC-CH(OH)-CH2-COOH。

(A) 不對稱中心 (asymmetric center)

不對稱中心（或稱手性中心）是指一個碳原子，它連接了四個不同的基團。
蘋果酸的結構是 HOOC-CH(OH)-CH2-COOH。
我們來檢查每一個碳原子：

• 羧基的碳（HOOC-）是 sp2 混成，不可能是手性中心。
• CH2 的碳（-CH2-）連接了兩個氫原子，所以不是手性中心。
• 另一個羧基的碳（-COOH）也是 sp2 混成，不可能是手性中心。
• 中間的碳原子（-CH(OH)-）連接了四個不同的基團：
  1. 羧基 (-COOH)
  2. 羥基 (-OH)
  3. 亞甲基 (-CH2-COOH)
  4. 氫原子 (-H)

因此，這個中間的碳原子是蘋果酸的唯一不對稱中心。在題目提供的圖中，這個碳原子通常被標示出來。

(B) 立體組態 (configuration)

要判斷這個手性中心的立體組態，我們需要知道蘋果酸的具體立體化學結構。蘋果酸存在兩種對映異構物 (enantiomers)，分別是 L-蘋果酸和 D-蘋果酸。在生物體內，L-蘋果酸是比較常見的形式，尤其是在克氏循環 (Krebs cycle) 中。

判斷 L/D 組態的方法是將其與甘油醛 (glyceraldehyde) 進行比較。甘油醛是最簡單的醛醣，其 D-形式的結構為：

      CHO
      |
  H - C - OH
      |
      CH2OH

D-甘油醛的手性碳（C-2）上的羥基朝向右邊。

若一個分子與 D-甘油醛具有相同的組態，即其最下方手性碳上的羥基朝向右邊，則稱之為 D-形式。反之，若羥基朝向左邊，則稱之為 L-形式。

題目沒有提供蘋果酸的具體結構圖，因此我們需要根據常識或題目圖示來判斷。蘋果酸的結構 HOOC-CH(OH)-CH2-COOH，我們將其視為一個類似於甘油醛的結構，其中 CH(OH) 是手性中心。

在 L-蘋果酸中，根據 CIP (Cahn-Ingold, Prelog) 規則，確定其絕對組態。然而，題目問的是「立體組態」，通常是指 L/D 或 R/S。如果圖中顯示的是生物體中常見的蘋果酸，那很可能是 L-蘋果酸。

此題考驗對鹽度、密度、分子量等基本概念的應用，以及 molarity (莫耳濃度) 的計算和溶液配製。

(A) 計算 234‰ 鹽度的莫耳濃度

首先，我們需要理解 "‰" (permil) 的意思，它代表千分之幾，也就是 1/1000。
所以，234‰ 代表 234 克溶質在 1000 克溶劑中，或者更常見的是，234 克溶質在 1000 克溶液中。在這裡，題目給了海水密度為 1.0 g/cm³，這表示 1000 克海水體積為 1000 cm³ (或 1 L)。

假設我們有 1000 克海水。
根據鹽度 234‰，海水中的 NaCl 質量為：
$\text{質量}_{NaCl} = 1000 \, \text{g海水} \times \frac{234}{1000} = 234 \, \text{g NaCl}$

現在我們需要將 NaCl 的質量轉換為莫耳數。
NaCl 的分子量 (Molar mass) 是 58.4 g/mol。
$\text{莫耳數}_{NaCl} = \frac{\text{質量}_{NaCl}}{\text{分子量}_{NaCl}} = \frac{234 \, \text{g}}{58.4 \, \text{g/mol}} \approx 4.007 \, \text{mol}$

接下來，我們需要計算這 1000 克海水的體積。
根據密度，水的密度約為 1.0 g/cm³。題目給了海水密度也為 1.0 g/cm³，這是一個簡化。
$\text{體積}_{海水} = \frac{\text{質量}_{海水}}{\text{密度}_{海水}} = \frac{1000 \, \text{g}}{1.0 \, \text{g/cm}^3} = 1000 \, \text{cm}^3$
將體積轉換為升 (L)：
$1000 \, \text{cm}^3 = 1 \, \text{L}$

最後，計算莫耳濃度 (Molarity, M)，其定義為每升溶液中所含溶質的莫耳數。
$\text{Molarity} = \frac{\text{莫耳數}_{NaCl}}{\text{體積}_{海水} (\text{L})} = \frac{4.007 \, \text{mol}}{1 \, \text{L}} \approx 4.01 \, \text{M}$

所以，234‰ 的海水鹽度大約相當於 4.01 M 的 NaCl 溶液。

(B) 如何調配 0.25 M 的 NaCl 水溶液

要調配 0.25 M 的 NaCl 水溶液，我們需要知道要配製的體積。假設我們要配製 1 升 (1 L) 的溶液。

此題主要考驗對多元不飽和脂肪酸 (PUFA) 的命名規則、結構繪製以及 omega-3 脂肪酸的定義。

(A) DHA (22:6n-3) 的結構

DHA 的名稱是 docosahexaenoic acid。

• "docosa" 表示碳鏈有 22 個碳原子。
• "hexaenoic acid" 表示有 6 個雙鍵。
• "n-3" 表示第一個雙鍵（從 omega 碳開始數）位於從羧基末端數來第 3 個碳原子上。

完整的命名規則 22:6n-3 告訴我們：

• 總碳數：22
• 雙鍵數：6
• 雙鍵位置：從 omega 碳（甲基末端）開始數，第一個雙鍵在 C3。

脂肪酸的編號通常從羧基碳開始（C1）。

• 羧基碳 (C1)
• 雙鍵通常是順式 (cis) 的。
• PUFA 的結構：
  • 碳鏈從羧基端開始編號：1, 2, 3, ...
  • 雙鍵的起始碳編號：例如 22:6(Δ9,12,15,18,21) 表示雙鍵位於 9, 12, 15, 18, 21 位置（從羧基端算）。
  • omega 碳編號：從甲基端開始編號，第一個雙鍵的位置。

對於 22:6n-3，這意味著：

• 碳鏈長度：22 個碳。
• 雙鍵數：6 個。
• 雙鍵位置（從 omega 碳開始數）：第一個雙鍵在 C3。

omega 碳是從甲基端（-CH3）開始數的最後一個碳。
從 omega 碳開始數，第一個雙鍵在 C3。
所以，omega 碳是 C22。
omega-1 是 C21，omega-2 是 C20，omega-3 是 C19。
因此，第一個雙鍵位於 C19 和 C20 之間。

DHA 的結構式表示：

• 22 個碳。
• 6 個雙鍵。
• 雙鍵位置（從羧基端算）：
  • n-3 表示從 omega 端第一個雙鍵在 C3。
  • 也就是說，omega 碳是 C22。
  • omega-1 是 C21。
  • omega-2 是 C20。
  • omega-3 是 C19。
  • 第一個雙鍵在 C19 和 C20 之間。

PUFA 的雙鍵通常是共軛的（即兩個雙鍵之間只有一個單鍵），但 n-3 結構中的雙鍵間隔不是共軛的。
DHA 的雙鍵位置（從羧基端算）通常是：
Δ5, 8, 11, 14, 17, 20
(注意：有些文獻或命名法可能略有差異，但 5, 8, 11, 14, 17, 20 是常見的 DHA 結構)

我們來繪製 22:6n-3 (DHA) 的結構：
COOH - CH=CH - CH2 - CH=CH - CH2 - CH=CH - CH2 - CH=CH - CH2 - CH=CH - CH2 - CH=CH - CH2 - CH3
(請注意：上述表示方式是簡化的，實際結構中雙鍵的位置是 5, 8, 11, 14, 17, 20。我需要將其正確排列)

正確的 DHA 結構 (22:6n-3) 繪製（從羧基端開始）：

1. 羧基：COOH
2. C2: CH2
3. C3: CH2
4. C4: CH2
5. C5: CH (第一個雙鍵開始，C5=C6)
6. C6: CH
7. C7: CH2
8. C8: CH (第二個雙鍵開始，C8=C9)
9. C9: CH
10. C10: CH2
11. C11: CH (第三個雙鍵開始，C11=C12)
12. C12: CH
13. C13: CH2
14. C14: CH (第四個雙鍵開始，C14=C15)
15. C15: CH
16. C16: CH2
17. C17: CH (第五個雙鍵開始，C17=C18)
18. C18: CH
19. C19: CH2
20. C20: CH (第六個雙鍵開始，C20=C21)
21. C21: CH

此題考驗對胺基酸結構與分類的記憶。

(A) 含硫的胺基酸

胺基酸是構成蛋白質的基本單位，它們的結構通常包含一個中心碳原子（α-碳），連接一個胺基 (-NH2)、一個羧基 (-COOH)、一個氫原子 (-H) 以及一個側鏈 (R group)。含硫胺基酸的側鏈中含有硫原子。

兩種常見的含硫胺基酸是：

1. 甲硫胺酸 (Methionine, Met, M)：其側鏈為 -CH2-CH2-S-CH3。這是少數的含硫胺基酸，且硫原子位於鏈狀結構中。
2. 半胱胺酸 (Cysteine, Cys, C)：其側鏈為 -CH2-SH。側鏈中含有一個巰基 (-SH)。半胱胺酸的巰基可以形成二硫鍵 (-S-S-)，這是蛋白質結構中重要的交聯方式。

(B) 鹼性胺基酸

鹼性胺基酸是指其側鏈在生理 pH 值下帶正電荷的胺基酸。它們的側鏈通常含有額外的胺基或胍基。

此題考驗對蛋白質結構層次（一級、二級、三級結構）的定義以及維持三級結構的化學作用力。

(A) 蛋白質的一級結構和二級結構

• 一級結構 (Primary Structure)：
  蛋白質的一級結構是指其胺基酸序列。它是由肽鍵 (peptide bond) 將胺基酸連接起來形成的多肽鏈。一級結構決定了蛋白質的獨特性，並且是決定蛋白質高級結構（二級、三級、四級結構）的基礎。序列中的每一個胺基酸的種類和順序都是一級結構的組成部分。

• 二級結構 (Secondary Structure)：
  蛋白質的二級結構是指多肽鏈局部區域的規則性摺疊，主要由氫鍵 (hydrogen bond) 穩定。最常見的兩種二級結構是：

  • α-螺旋 (α-helix)：多肽鏈捲曲成螺旋狀，其中每個胺基酸的羰基氧原子（C=O）與其後四個胺基酸的胺基氫原子（N-H）之間形成氫鍵。
  • β-摺疊 (β-sheet)：多肽鏈摺疊成片狀結構，多條肽鏈（或同一肽鏈的不同片段）平行或反平行地排列，通過相鄰肽鏈間的氫鍵連接。

(B) 維持蛋白質三級結構的鍵結或作用

蛋白質的三級結構是指整條多肽鏈的三維空間摺疊方式，即蛋白質的總體形狀。這種摺疊是由側鏈 (R group) 之間的各種化學作用力維持的。

三種維持蛋白質三級結構的鍵結或作用包括：

此題考驗對分子篩層析 (gel filtration chromatography) 原理的理解，以及如何根據蛋白質的分子量 (Mr) 預測其沖提順序。

分子篩層析原理：
分子篩層析（又稱排除層析）是根據分子大小來分離物質的層析技術。層析管柱中填充有具有特定孔徑的固體顆粒（擔體），這些顆粒內部有微細的孔洞。

• 大分子：由於分子太大，無法進入擔體顆粒的孔洞，只能在顆粒之間的空隙中流動，因此它們會較早地被沖提出來。
• 小分子：能夠進入擔體顆粒的孔洞中，它們在管柱內部的停留時間較長，因此會較晚被沖提出來。
• 中等大小的分子：它們能夠部分進入孔洞，其沖提時間介於大分子和小分子之間。

總結： 分子篩層析是按照 分子量從大到小 的順序進行沖提的。

此題考驗對 DNA 和 RNA 這兩種核酸在結構、化學特性、細胞內分佈及物理性質上的差異的掌握。

(A) 骨架 (Backbone)

• DNA 骨架：DNA 的骨架由脫氧核糖（deoxyribose）和磷酸基團（phosphate group）交替連接而成，通過磷酸二酯鍵 (phosphodiester bond) 連接。每個脫氧核糖單元都有一個磷酸基團連接在 5' 碳和 3' 碳之間。
• RNA 骨架：RNA 的骨架由核糖（ribose）和磷酸基團交替連接而成，同樣通過磷酸二酯鍵連接。與 DNA 不同的是，RNA 中的核糖比脫氧核糖多一個 2' 位的羥基 (-OH)。

(B) 鹼基 (Bases)

• DNA 鹼基：DNA 含有四種含氮鹼基：腺嘌呤 (Adenine, A)、鳥糞嘌呤 (Guanine, G)、胞嘧啶 (Cytosine, C) 和胸腺嘧啶 (Thymine, T)。A 與 T 配對，G 與 C 配對。
• RNA 鹼基：RNA 也含有四種含氮鹼基，但其中一種與 DNA 不同：腺嘌呤 (A)、鳥糞嘌呤 (G)、胞嘧啶 (C) 和尿嘧啶 (Uracil, U)。A 與 U 配對，G 與 C 配對。RNA 中沒有胸腺嘧啶 (T)，取而代之的是尿嘧啶 (U)。

(C) 糖基 (Sugar moiety)

• DNA 糖基：DNA 中的糖是 脫氧核糖 (deoxyribose)。它是一個五碳糖，與核糖相比，其 2' 碳原子上缺少一個氧原子（即 2'-H 取代了 2'-OH）。
• RNA 糖基：RNA 中的糖是 核糖 (ribose)。它是一個五碳糖，其 2' 碳原子上帶有一個羥基 (-OH)。這個 2'-OH 基團使得 RNA 在鹼性條件下比 DNA 更不穩定，容易發生水解。

(D) 在真核細胞中的分布 (Distribution in eukaryotic cells)

此題考驗對 DNA 雙鏈結構中鹼基配對規則的理解，以及 DNA 與 RNA 之間鹼基替換的知識。

鹼基配對規則：
在 DNA 中，腺嘌呤 (A) 與胸腺嘧啶 (T) 配對 (A-T)，鳥糞嘌呤 (G) 與胞嘧啶 (C) 配對 (G-C)。
在 DNA-RNA 雜交時，A 配對 U，T 配對 A，G 配對 C，C 配對 G。

DNA 鏈的方向性：
DNA 和 RNA 鏈都有方向性，由 5' 端和 3' 端表示。磷酸二酯鍵連接 5' 碳到 3' 碳。互補鏈的方向性是相反的。

(A) 互補 DNA 序列 (由 3' 至 5')

給定的 DNA 序列是 5'-ATCATGAT-3'。
其互補鏈的鹼基配對如下：
A 配對 T
T 配對 A
C 配對 G
G 配對 C

給定的序列是 5' → 3' 方向。其互補鏈的方向性是相反的，即 3' → 5'。
我們來找出互補序列：
原始序列： 5'- A T C A T G A T -3'
互補序列： 3'- T A G T A C T A -5'

題目要求寫出互補 DNA 序列，並指定方向為 由 3' 至 5'。
所以，答案是 3'-TAGTAC TA-5'。

(B) 互補 RNA 序列 (由 5' 至 3′)

此題考驗對原核生物和真核生物在基因轉錄和轉譯調控機制上的差異。題目要求填寫 O (有) 或 X (無)。

基因轉錄與轉譯的關係：

• 原核生物：細胞內沒有細胞核，DNA 位於細胞質中。轉錄（DNA 變為 mRNA）和轉譯（mRNA 變為蛋白質）可以在同一個細胞室中同時發生。mRNA 在合成過程中，核糖體就可以開始進行轉譯。
• 真核生物：細胞內有細胞核，DNA 位於細胞核內。轉錄在細胞核中進行，產生 pre-mRNA。pre-mRNA 需要經過加工（剪接、加帽、加尾）後才能變成成熟的 mRNA，然後才被運送到細胞質中進行轉譯。因此，轉錄和轉譯在空間和時間上是分離的，不能同時進行。

Operon 模式：

• 原核生物：原核生物的基因通常以 Operon 的形式組織，即一組功能相關的基因被組織在一起，由一個共同的啟動子 (promoter) 和操縱子 (operator) 控制。這使得它們可以協調表達。例如，大腸桿菌的 lac operon。
• 真核生物：真核生物的基因組織通常是單個基因獨立表達，沒有 Operon 的結構。雖然它們有調控元件（如增強子 enhancer），但沒有 Operon 這種緊密結合的基因組織模式。