112 年 國立臺灣大學漁業科學研究所《生物化學（B）》

本題主要考查胺基酸的基本分類與生理功能。

(a) 必需胺基酸是指人體無法自行合成，必須從飲食中攝取的胺基酸。成年人有 9 種必需胺基酸，分別是：纈胺酸 (Valine)、白胺酸 (Leucine)、異白胺酸 (Isoleucine)、甲硫胺酸 (Methionine)、苯丙胺酸 (Phenylalanine)、離胺酸 (Lysine)、色胺酸 (Tryptophan)、蘇胺酸 (Threonine)、組胺酸 (Histidine)。題目要求寫出 5 種，任選其中 5 種即可。

(b) 酸性胺基酸是指其側鏈含有羧基 (-COOH) 的胺基酸，在生理 pH 下會解離成 $-\text{COO}^-$。

核心觀念

本題考查由骨架式判讀分子式、立體中心與不飽和度，以及藥物立體組態與生物作用的關係。

• 分子式：計算所有原子，並補上骨架式省略的碳與氫。
• 立體中心：四面體中心若連接四種不同的基團，即可形成不同立體組態；中心原子不限於碳，磷也須檢查。
• 不飽和度：每個環及每個雙鍵各貢獻 $1$，每個三鍵貢獻 $2$。本圖含五價磷與 $\mathrm{P=O}$，以分子式計算時須使用五價磷的修正項。

解題方法

(a) 分子式

依圖將結構分成下列片段；表中的各片段彼此不重複計數：

結構片段	原子組成
含胺基的稠合雜環	$\mathrm{C_6H_5N_4}$
氰基 $\mathrm{-C\equiv N}$	$\mathrm{CN}$
糖環、兩個羥基及連到磷的 $\mathrm{-CH_2-O-}$	$\mathrm{C_5H_7O_4}$
苯氧基 $\mathrm{-O-C_6H_5}$	$\mathrm{C_6H_5O}$
$\mathrm{-NH-CH(CH_3)-C(=O)-O-CH_2-CH(CH_2CH_3)_2}$	$\mathrm{C_9H_{18}NO_2}$
磷及其雙鍵氧 $\mathrm{P=O}$	$\mathrm{PO}$

因此：

$$\begin{aligned} C&=6+1+5+6+9=27\\ H&=5+7+5+18=35\\ N&=4+1+1=6\\ O&=4+1+2+1=8 \end{aligned}$$

分子式為：

$$\boxed{\mathrm{C_{27}H_{35}N_6O_8P}}$$

(b) 立體中心數目

結構共有 6 個立體中心：

1. 糖環上的 4 個碳：$C1'$、$C2'$、$C3'$、$C4'$ 均連接四種不同的基團。其中 $C1'$ 雖然沒有氫，仍是立體中心。
2. 丙胺酸部分的 $\alpha$-碳：連接 $\mathrm{-NH-}$、$\mathrm{-CH_3}$、$\mathrm{-C(=O)OR}$ 與氫，形成一個立體中心。
3. 磷原子：其四面體排列中的四種基團為雙鍵氧、苯氧基、連往糖的氧基，以及連往丙胺酸的含氮基團，因此也是立體中心。

故：

$$\boxed{4+1+1=6}$$

本題考查溶液配製，涉及濃度轉換、密度應用以及體積計算。

目標： 配製 5% (w/v，即質量/體積百分濃度，假設題目是指 w/v，若為 w/w 則需要額外資訊或假設) 的雙氧水溶液 3 公升。
起始物： 30% (w/w) 的雙氧水溶液，密度 1.1122 g/mL。
備註： 題目中提到「5%、3 公升的雙氧水 (密度 1.0131 g/mL)」。通常密度是與濃度相關的，這裡給定的 5% 雙氧水的密度 1.0131 g/mL 可能是指配製完成後的目標溶液密度。我們將以此密度來計算所需 5% 雙氧水的質量。

步驟 1：計算所需 5% 雙氧水的總質量。
由於 5% 的濃度單位不明確，我們假設為質量/體積百分濃度 (w/v)，即每 100 mL 溶液中含有 5 g 的溶質 (H$_2$O$_2$)。
若題目是指質量/質量百分濃度 (w/w)，則需要知道溶液的密度來轉換。題目中給了 5% 溶液的密度為 1.0131 g/mL，我們就以此來計算。
總體積 = 3 L = 3000 mL
總質量 = 體積 × 密度 = 3000 mL × 1.0131 g/mL = 3039.3 g

步驟 2：計算 5% 雙氧水溶液中所需 H$_2$O$_2$ 的質量。
若 5% 是 w/w，則：
所需 H$_2$O$_2$ 質量 = 總質量 × 5% = 3039.3 g × 0.05 = 151.965 g H$_2$O$_2$

步驟 3：計算所需 30% 雙氧水溶液的質量。
我們需要 151.965 g 的 H$_2$O$_2$。
起始的 30% 雙氧水溶液，表示其質量百分濃度為 30%。
設需要取用的 30% 雙氧水溶液質量為 $m_{30\%}$。
則其中 H$_2$O$_2$ 的質量為 $m_{30\%} \times 0.30$。
我們需要這個質量等於 151.965 g。
$m_{30\%} \times 0.30 = 151.965 \text{ g}$
$m_{30\%} = \frac{151.965 \text{ g}}{0.30} = 506.55 \text{ g}$

步驟 4：計算所需 30% 雙氧水溶液的體積。
已知 30% 雙氧水溶液的密度為 1.1122 g/mL。
所需體積 $V_{30\%} = \frac{m_{30\%}}{\text{密度}} = \frac{506.55 \text{ g}}{1.1122 \text{ g/mL}} \approx 455.44 \text{ mL}$

步驟 5：配製過程。

1. 取一個乾淨的燒杯或量筒，精確量取 455.44 mL 的 30% 雙氧水溶液。
2. 準備一個 3 公升的容量瓶。
3. 將量取的 455.44 mL 的 30% 雙氧水溶液小心地倒入 3 公升的容量瓶中。
4. 用蒸餾水或去離子水沖洗量取 30% 雙氧水的容器數次，將沖洗液一併倒入容量瓶中，確保 H$_2$O$_2$ 轉移完全。
5. 向容量瓶中加入蒸餾水或去離子水，直到液面接近容量瓶的刻度線。

本題考查薄層層析 (TLC) 的原理，特別是正相 TLC 中固定相和移動相的相互作用對分離度的影響。

(a) 移動速度快慢排序：
在正相薄層層析 (Normal Phase TLC) 中，固定相是極性的 (如矽膠 Si-60)，移動相 (溶離劑) 的極性則會影響樣品的移動速度。極性較強的化合物與極性固定相的相互作用較強，因此移動較慢；極性較弱的化合物與固定相的相互作用較弱，容易被移動相帶動，移動較快。

我們來分析這三種化合物的極性：

• 葡萄糖 (Glucose)： 是一種單醣，含有多個羥基 (-OH)，因此是極性很強的化合物。
• 正己烷 (n-Hexane)： 是一種烷烴，分子中只有 C-C 和 C-H 鍵，鍵的極性很弱，且分子對稱，總體積為非極性分子。
• 乙醇 (Ethanol)： 是一種醇，含有羥基 (-OH) 和一個較小的烴基。羥基使其具有一定的極性，但相較於葡萄糖，其極性較弱。

因此，極性由強至弱的順序為：葡萄糖 > 乙醇 > 正己烷。

在正相 TLC 中，極性越強的化合物與固定相 (矽膠) 的吸附作用越強，移動越慢。
所以，移動速度由快至慢的順序為：正己烷 > 乙醇 > 葡萄糖。

(b) 造成快慢差異的原因：
造成移動速度差異的主要原因是化合物與固定相 (矽膠，Si-60) 和移動相之間的極性差異以及由此產生的吸附與分配作用。

• 固定相 (矽膠, Si-60)： 矽膠表面含有大量的矽醇基 (-Si-OH)，具有強的極性。
• 移動相： 在正相 TLC 中，移動相通常是極性較低的有機溶劑或混合溶劑 (例如，己烷、乙酸乙酯、二氯甲烷等)。

本題考查 DNA 和 RNA 的結構與功能的差異，需要從五個面向進行比較。

DNA (Deoxyribonucleic acid) 與 RNA (Ribonucleic acid) 的比較：

(a) 骨架結構 (Backbone structure):

• DNA: 脫氧核糖核酸。其骨架由脫氧核糖 (deoxyribose) 和磷酸基團 (phosphate group) 交替連接形成。DNA 通常是雙股螺旋結構，兩股鹼基通過氫鍵配對連接。
• RNA: 核糖核酸。其骨架由核糖 (ribose) 和磷酸基團連接形成。RNA 通常是單股結構，但可以通過內部鹼基配對形成複雜的三維結構 (如髮夾結構)。

(b) 鹼基種類 (Base types):

• 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: 也含有四種含氮鹼基，但胸腺嘧啶 (T) 被尿嘧啶 (Uracil, U) 取代。即：腺嘌呤 (A)、鳥糞嘌呤 (G)、胞嘧啶 (C) 和尿嘧啶 (U)。A 與 U 配對，G 與 C 配對。

(c) 五碳糖種類 (Pentose sugar type):

• DNA: 使用脫氧核糖 (deoxyribose)。脫氧核糖在 2' 位置缺少一個氧原子 (只有一個氫原子)。
• RNA: 使用核糖 (ribose)。核糖在 2' 位置有一個羥基 (-OH)。這個額外的羥基使得 RNA 比 DNA 更不穩定，容易在鹼性條件下水解。

(d) 存在真核細胞中的位置 (Location in eukaryotic cells):

• DNA: 主要存在於細胞核 (nuclear DNA) 中，也少量存在於粒線體 (mitochondrial DNA) 和葉綠體 (chloroplast DNA, 植物細胞)。
• RNA: 存在於細胞核 (如 mRNA, tRNA, rRNA 的前驅物合成)，細胞質 (如成熟的 mRNA, tRNA, rRNA，以及參與蛋白質合成的核糖體) 以及細胞器 (如粒線體和葉綠體)。

(e) 核苷酸數目 (Number of nucleotides):
這個問題的表述有些模糊。「核苷酸數目」通常是指一個分子中核苷酸的數量。

• DNA: 一個 DNA 分子 (如一條染色體) 包含非常龐大數量的核苷酸，具體數目取決於生物體的基因組大小。例如，人類基因組約有 $3 \times 10^9$ 對鹼基對，相當於 $6 \times 10^9$ 個核苷酸。
• RNA: RNA 分子通常較小，其長度也因種類而異。

核心觀念

本題考查兩項基本結構表示法：

1. 單醣的環化與異頭物

   • D-glucose 可形成六元環，稱為 glucopyranose。
   • β 異頭物的異頭碳（C1）上 $\mathrm{OH}$ 與 C5 上的 $\mathrm{CH_2OH}$ 位於同側。
   • 對 D-糖而言，Haworth 投影中 $\mathrm{CH_2OH}$ 通常朝上；因此 β-D-glucopyranose 的異頭 $\mathrm{OH}$ 也朝上。

2. 脂肪酸的 $20:4(n-6)$ 表示法

   • $20$：脂肪酸共有 20 個碳。
   • $4$：含有 4 個碳碳雙鍵。
   • $(n-6)$：由甲基端（$\omega$ 端）開始數，第 6 個碳附近形成第一個雙鍵。
   • 生物化學中此名稱通常指天然的全順式花生四烯酸（arachidonic acid），其雙鍵位置為 $\Delta 5,8,11,14$。

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(a) β-D-glucopyranose

解題方法

D-glucose 的 Fischer 投影中，C2、C3、C4 的羥基方向依序為：

• C2：右
• C3：左
• C4：右

轉換成 Haworth 投影時，D-糖的規則為：

• Fischer 投影中位於右側的基團，在 Haworth 投影中朝下。
• Fischer 投影中位於左側的基團，在 Haworth 投影中朝上。
• C5 的 $\mathrm{CH_2OH}$ 朝上。
• β 異頭物的 C1-$\mathrm{OH}$ 與 $\mathrm{CH_2OH}$ 同側，因此 C1-$\mathrm{OH}$ 朝上。

因此各碳的取代基方向如下：

位置	取代基方向
C1	$\mathrm{OH}$ 向上
C2	$\mathrm{OH}$ 向下
C3	$\mathrm{OH}$ 向上
C4	$\mathrm{OH}$ 向下
C5	$\mathrm{CH_2OH}$ 向上

Haworth 結構

                         O
                    /         \
          CH2OH ↑—C5           C1—OH ↑
                  |              |
             OH ↓—C4           C2—OH ↓
                    \         /
                       C3
                       |
                      OH ↑

更完整地表示，環內氧原子連接 C1 與 C5，C1 為異頭碳；C1 的 $\mathrm{OH}$ 與 C5 的 $\mathrm{CH_2OH}$ 均朝上，故為 β 異頭物。

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(b) $20:4(n-6)$ 脂肪酸

解題方法

先由表示法得到基本資料：

$20:4(n-6)$

本題考查膽固醇的生理功能和細胞吸收機制。

(a) 膽固醇在人體的重要性：
膽固醇是一種重要的類固醇脂質，雖然常被與動脈粥狀硬化等心血管疾病聯繫起來，但它在人體內扮演著多種不可或缺的角色：

1. 細胞膜的結構組分： 膽固醇嵌入細胞膜的磷脂雙層中，其疏水性核心與磷脂的脂肪酸鏈相互作用，而親水性的羥基則朝向細胞膜的外側或內側。膽固醇能夠調節細胞膜的流動性 (fluidity)。在較低溫度下，它阻止磷脂分子緊密堆積，增加膜的流動性；在較高溫度下，它限制磷脂分子的運動，降低膜的流動性，從而維持膜的穩定性。
2. 合成激素的前驅物： 膽固醇是合成所有類固醇激素的基礎。這些激素包括：
   • 性激素： 如雌激素 (estrogen)、雄激素 (androgen) 和孕激素 (progesterone)，它們調節生殖發育和生理功能。
   • 腎上腺皮質激素： 如皮質醇 (cortisol) 和醛固酮 (aldosterone)，它們參與調節代謝、免疫反應和水鹽平衡。
3. 合成膽汁酸的前驅物： 膽固醇在肝臟中轉化為膽汁酸 (bile acids)，膽汁酸是膽汁的重要組成部分，有助於脂肪的消化和吸收。
4. 維生素 D 的合成前驅物： 膽固醇在皮膚中經紫外線照射後，可以轉化為維生素 D 的前驅物，進而合成維生素 D。維生素 D 對於鈣和磷的吸收以及骨骼健康至關重要。

(b) 膽固醇進入細胞的方式：
膽固醇進入細胞是一個相對複雜的過程，主要涉及以下幾種機制：

1. 通過脂蛋白運輸和受體介導的內吞作用 (Receptor-mediated endocytosis)：
   • 這是血液中膽固醇進入細胞的主要方式。膽固醇在血液中通常以脂蛋白 (lipoprotein) 的形式運輸，最常見的是低密度脂蛋白 (LDL)。
   • LDL 顆粒表面攜帶膽固醇和膽固醇酯。

核心觀念

本題考查「含氮化合物代謝異常與疾病的對應關係」，需掌握：

• 神經傳導物質胺基酸的代謝：Glutamate 與癲癇發作。
• Purine 分解代謝：Uric acid 過量造成痛風。
• Tyrosine 分解代謝：Homogentisic acid 累積造成 Alkaptonuria；Tyrosine 也是 Dopamine 的前驅物。
• Heme 分解代謝：膽紅素累積造成黃疸。
• Phenylalanine 代謝異常主要造成 Phenylketonuria（PKU），不屬於本題所列疾病。

解題方法

逐一找出各疾病的直接代謝關聯物，再與選項配對：

1. 神經元過度興奮相關疾病，優先聯想到興奮性神經傳導物質 Glutamate。
2. 關節尿酸鹽結晶造成的疾病，對應 Uric acid。
3. Tyrosine 分解途徑中 Homogentisic acid 代謝受阻，對應 Tyrosine。
4. Dopamine 缺乏是 Parkinson’s disease 的重要病理特徵，而 Dopamine 由 Tyrosine 合成，對應 Tyrosine。
5. Heme 分解產生 Bilirubin，膽紅素累積會造成 Jaundice，對應 Heme。

選項分析

（1）Epiliptic seizure：Glutamate（b）

題目中的「Epiliptic seizure」應指 Epileptic seizure，即癲癇發作。

Glutamate 是中樞神經系統主要的興奮性神經傳導物質。其濃度過高、清除能力不足，或 Glutamate／GABA 平衡失調，都可能使神經元過度去極化，增加同步放電與癲癇發作的機會。

因此：

$$(1)\rightarrow (b)\ \text{Glutamate}$$

（2）Gout：Uric acid（c）

人體 Purine 核苷酸分解後，最終產物為 Uric acid：

$$\text{Purine nucleotides} \rightarrow \text{Hypoxanthine/Xanthine} \rightarrow \text{Uric acid}$$

若尿酸生成過多或腎臟排泄不足，血中尿酸濃度升高，形成 Monosodium urate 結晶並沉積於關節，引發發炎與劇烈疼痛，即為痛風。

因此：

$$(2)\rightarrow (c)\ \text{Uric acid}$$

（3）Alkaptonuria：Tyrosine（e）

Alkaptonuria 是 Tyrosine 分解代謝異常所造成，主要缺陷為 Homogentisate 1,2-dioxygenase 缺乏，使 Homogentisic acid 無法正常分解而累積。

其代謝關係可表示為：

$$\text{Tyrosine} \rightarrow \text{Homogentisic acid} \xrightarrow{\text{Homogentisate dioxygenase}} \text{後續代謝物}$$

Homogentisic acid 會被氧化並形成深色聚合物，使尿液暴露於空氣後變黑，長期則可能造成軟骨與結締組織色素沉積。

因此：

$$(3)\rightarrow (e)\ \text{Tyrosine}$$

本題考查分子生物學中的兩個基本概念：DNA 變性與基因重組。

(a) DNA 的 denaturation (變性)：
DNA 變性是指 DNA 的雙股螺旋結構被破壞，變成單股或無規則結構的過程。這個過程通常是由於破壞了兩股 DNA 鏈之間的氫鍵所致。

原因：

• 加熱： 當 DNA 被加熱到一定溫度 (稱為解鏈溫度, Tm) 時，分子熱運動會增強，足以克服維持雙螺旋結構的氫鍵作用力，導致兩股 DNA 分開。
• pH 改變： 極端的 pH 值 (過酸或過鹼) 會破壞 DNA 骨架或鹼基的離子化狀態，影響氫鍵的形成，導致變性。
• 化學試劑： 某些化學試劑，如尿素 (urea) 和甲醯胺 (formamide)，可以通過破壞氫鍵或影響水分子結構來導致 DNA 變性。

結果：

• DNA 的雙螺旋結構消失，變成單股結構。
• 變性後的 DNA (稱為變性 DNA 或單鏈 DNA) 具有較高的吸光度 (在 260 nm 波長處)，這是因為單鏈結構使鹼基暴露，減少了鹼基之間的堆積效應。
• 變性後的 DNA 通常是不可逆的，但某些條件下可以發生復性 (renaturation)，即單股 DNA 在冷卻後重新形成雙螺旋結構，前提是序列能夠準確配對。

重要性：
DNA 變性是許多分子生物學技術的基礎，例如 PCR (聚合酶鏈式反應)、DNA 雜交 (hybridization) 和 Southern blot 等。

(b) 基因重組 (Gene recombination)：
基因重組是指在減數分裂過程中，同源染色體之間發生遺傳物質的交換，從而產生新的基因組合的過程。這個過程主要發生在減數第一次分裂的前期 (prophase I)，稱為聯會 (synapsis) 和交叉互換 (crossing over)。

本題考查分子生物學中的轉錄與轉譯過程，以及相關的分子機制。

(a) t-RNA 的合成, 主要是由 RNA polymerase II 完成。

• 說明： 在真核生物中，RNA polymerase I 主要負責合成核醣體 RNA (rRNA) 的前驅物。RNA polymerase II 主要負責合成信使 RNA (mRNA) 和一些小核 RNA (snRNA)。RNA polymerase III 則負責合成轉運 RNA (tRNA)、5S rRNA 和其他一些小 RNA。
• 判斷： t-RNA 的合成主要由 RNA polymerase III 完成，而非 RNA polymerase II。
• 答案： X (錯)

(b) 蛋白質轉譯的工作是根據 triplet codons 為原則, 但有少數以 quadruplet codons 進行轉譯工作。

• 說明： 遺傳密碼是由三個連續的核苷酸組成的密碼子 (codon) 來決定一個胺基酸。這是遺傳密碼的基本規則，稱為三聯體密碼 (triplet codon)。沒有證據表明存在以四個核苷酸組成的密碼子 (quadruplet codon) 來進行蛋白質轉譯。
• 判斷： 蛋白質轉譯完全基於三聯體密碼。
• 答案： X (錯)

(c) 在原核生物, 有些單一 mRNA 分子, 可產生多種蛋白鏈 (polypeptide), 此現象不發生於真核生物細胞內。

• 說明： 在原核生物中，mRNA 通常是多順反子 (polycistronic) 的，即一個 mRNA 分子可以編碼多個蛋白質。