令和 2 年度 大学院博士前期課程入学試験問題

生物工学Ⅱ

生物化学，微生物学，分子細胞生物学から 2 科目選択しなさい．

解答には，問題ごとに１枚の解答用紙を使用しなさい．

問題用紙ならびに余った解答用紙にも受験番号を記載しなさい．

試験終了時に回収します．

Choose two subjects from Biological Chemistry, Microbiology, and Molecular and Cellular Biology. Use a different answer sheet for a different problem. You should write your Examinee’s number in all of answer sheets. We will collect all sheets. 受験番号

Examinee’s number

生物化学 Biological Chemistry

生物化学 Biological Chemistry 問題 1 (Problem 1). (配点率 Scoring rate 25/100) グルコースの代謝に関する以下の図を見て問いに答えなさい． Answer the questions related to following figure about glucose metabolism.

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This figure is quoted and modified from Figure16-15 of “Fundamentals of Biochemistry” fifth edition, D.Voet, J. Voet, C. Pratt, X

生物化学 Biological Chemistry

(1) 糖新生とはなにか 100 文字程度で説明しなさい． Explain ”gluconeogenesis” around 70 words.

(2) 図中の a ～ g にあてはまる酵素名, 1 ～ 7 にあてはまる化合物

名を答えなさい．ボックス 5 と 7 には複数の化合物名が入る． Fill the a ～ g with appropriate enzyme name, and 1 ～ 7 with appropriate compound name. Multiple compounds can be entered in 5 and 7 .

(3) 14CO2 存在下で糖新生を経てグルコースが生成されたとすると, 14C はグルコースの

何位に入るか．a) ～ e) から選びなさい． When glucose is synthesized by gluconeogenesis in the presence of 14CO2, which position of glucose is 14C ? Choose from a) to e). a) 1 位の炭素 (C at position-1) b) 2 位の炭素 (C at position-2) c) 6 位の炭素 (C at position-6) d) 1 位または 6 位の炭素 (C at position-1 or 6) e) どの炭素にも入らない (Not any carbon)

(4) 図中にある糖新生の生理学的意義を２つ答えなさい．

Answer two possible physiological roles of the gluconeogenesis as found in the figure.

(5) フルクトース 2,6-二リン酸はグルコース代謝における重要な制御因子である. 解糖系

（または糖新生）の制御にどの様に関わっているか, 関連する酵素名を挙げて 150 文

字程度で説明しなさい． Fructose 2,6-bisphosphate is an important regulation factor of glycolysis (or gluconeogenesis). Explain how the fructose 2,6-bisphosphate contributes to control glycolysis (gluconeogenesis) around 100 words. Use name of related enzyme in the explanation.

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問題 2.（Problem 2）．（配点率 Scoring rate 25/100）

タンパク質の解析に関する以下の問いに答えなさい．

Answer the following questions about protein analysis. (1) タンパク質の性質(A - D) に基づいた適切な精製法(① - ④)を１つずつ選びなさい． Choose an appropriate purification method (① to ④) based on each protein characteristic (A to

D). タンパク質の性質 Protein characteristics

A. 溶解度 Solubility B. 結合特異性 Binding specificity C. イオン電荷 Charge of ions D. 極性 Polarity

精製法 Purification methods ① 疎水性クロマトグラフィー Hydrophobic chromatography ② 電気泳動 Electrophoresis ③ 塩析 Salting out ④ アフィニティクロマトグラフィー Affinity chromatography

(2) タンパク質が持つイオン電荷を用いた精製法を，上記以外に２種類答えなさい．

Answer two methods using charge of ions except for purification methods described above. (3) ゲルろ過クロマトグラフィーを用いた場合，アルブミンとリゾチームではどちらが

先に溶出するか答えなさい．また，その理由を 50 文字程度で答えなさい．

When you use a gel filtration chromatography, which molecules will be eluted first, albumin or lysozyme? Additionally, answer the reason within 40 words．

(4) タンパク質の濃度は分光光度計を用いて測定できる．溶液中の溶質が光を吸収す

るときに従う法則の名称とその式を書きなさい．また，式中の記号の意味を全て答えな

さい．

Concentration of proteins can be measured with a spectrophotometer. Describe the name of the law and the formula that follow when substances absorb light. Additionally, answer meanings of all symbols in the formula.

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(5) 精製したタンパク質を質量分析計で解析するとき，エレクトロスプレーイオン化法

（ESI）が用いられることが多い．ESI の原理を 50 文字程度で答えなさい．

When purified proteins are analyzed by mass spectrometers, electrospray ionization (ESI) can be used. Answer the principle of ESI around 40 words. (6) あるタンパク質を ESI でイオン化し検出した場合，マススペクトルにはイオン価数

の違いによって[M + nH]n+の連続したピークが得られる．以下のマススペクトルは，あ

るタンパク質を ESI でイオン化し検出したマススペクトルであり，ピークに付した数字

は検出された m/z（質量電荷比）である．この情報から，タンパク質の質量数を整数で

答えよ．また最も高い強度を持つ m/z 1418.8 の価数 z を整数で答えなさい．

When proteins are detected by using ESI, continuous peaks derived from multiple charge [M + nH]n+ are observed. The following figure shows the mass spectrum of a protein using ESI. Numbers on each peak mean m/z (mass to charge ratio). Based on these information, answer mass number of this protein. In addition, answer number of charge (z) of m/z 1418.8. Both answers are given as an integer.

(マススペクトル出典：Winkler R. Rapid Commun Mass Spectrom, 24, 285-294 (2010))

(7) タンパク質の一次構造を決定するにあたりタンデム質量分析法を用いることがある．

タンデム質量分析法の原理を 150 字程度で答えなさい．

A tandem mass spectrometry is usually used to determine a primary structure of protein. Answer the principle of tandem mass spectrometry around 100 words.

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問題 3（Problem 3）．（配点率 Scoring rate 25/100） 糖質に関する以下の問い(1)～(5)に答えなさい． Answer the following questions (1) to (5) about carbohydrates. (1) ケトヘキソースにはいくつの立体異性体があり得るか答えなさい．

Answer how many stereoisomers can exist in ketohexose.

(2) アルドヘキソースの異性体の中からエピマーの関係にあるものを 2 つ選び，それら

の名称を答えるとともに構造を Fischer 投影式でそれぞれ示しなさい． Choose two of the aldohexose isomers in the epimeric relationship, answer their names and show the structure in Fischer projection, respectively.

(3) ラクトースを構成する二つの糖を用いて，ラクトース以外に作ることのできる還元

性を有するヘテロ二糖はいくつあるか答えなさい．ただし，アノマー炭素は α も βもとり得るものとする． Using the two monosaccharides that make up lactose, answer how many reducing hetero disaccharides can be made other than lactose. However, anomeric carbon is assumed to be either α or β.

(4) セルロースをジメチル硫酸で処理すると遊離の OH 基はすべてメチル化された．次

に，グリコシド結合をすべて加水分解した．このとき得られるメチル化された糖の

構造をすべて Haworth 式で示しなさい． All free hydroxy groups of cellulose were methylated by treatment with dimethyl sulfate. Then, all the glycosidic bonds were hydrolyzed. Show all the structures of the methylated sugars obtained by this hydrolysis in Haworth projection.

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(5) 下の模式図で示すアミロペクチンを β-アミラーゼで完全に加水分解した．このとき

得られる最小単位の糖質の名称を答えるとともに，その構造を Haworth 式で示しな

さい． また，生じる限界デキストリンの構造を模式図で示しなさい．ただし，○は α (1→4)結合の，●は α(1→6)結合の単糖を示す． Amylopectin shown below was completely hydrolyzed with β-amylase. Answer the name of the smallest unit of carbohydrate obtained by this hydrolysis and show the structure in Haworth projection. In addition, draw the limit dextrin generated in the schematic diagram. Here, “○” and “●” shows α(1→4) linked and α(1→6) linked monosaccharide, respectively.

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問題 4 (Problem 4). （配点率 Scoring rate 25/100）

(1) 下図は，オルガネラにおける ATP 合成を模式的に示したものである．(i)から(iv)の問いに答えなさい． Following figure demonstrates ATP synthesis in organelles. Answer the following problems from (i) to (iv).

(i) オルガネラ 1, オルガネラ 2 の名称を答えなさい． Answer the names of Organelle 1 and Organelle 2.

(ii) オルガネラ 1 における構造 (a)から(c)，および，オルガネラ 2 における構造 (d)から(f)の名称を答えなさい． Answer the structures of Organelle 1 from (a) to (c) and Organelle 2 from (d) to (f).

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This figure is quoted and modified from Campbell Biology (mastering biology) Educator version HP

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(iii) オルガネラ 1, オルガネラ 2 における ATP 合成の相違点について，図中の用語

（オルガネラ 1, オルガネラ 2, および, (a)から(f)を含む）をいくつか用いて 150字程度で説明しなさい． Explain difference of ATP synthesis in each cellular organelle using some words (including Organelle1, 2 and (a)-(f)) in the figure (around 100 words).

(iv) オルガネラ 1 の電子伝達系における正味の反応は次式で示される． The net equation of the electron transport chain in Organelle 1 can be written as follows, 2NADH + 2H+ +O2 → 2H2O +2NAD+ オルガネラ 2 の電子伝達系における正味の反応について，同様の式を記しなさ

い． Write an analogous equation of the electron transport chain in Organelle 2.

(2) 細胞内の酸素分圧が高くなると，光合成の暗反応はどのような影響を受けるか．暗

反応における酵素名を使って 50 字程度で説明しなさい． How are the dark reactions of photosynthesis affected by an increase in the partial oxygen pressure in the cell? Use the name(s) of enzyme(s) involved in the dark reactions (around 30 words).

(3) 気候変動の特徴の一つに，日中の平均温度の上昇より夜間の平均気温の上昇が大き

いことが挙げられる．光合成や呼吸を含む代謝プロセスの反応速度は温度に依存す

るが，気候変動は植物の成長にどのような影響を与えるか？考えうることを 100 字

程度で述べなさい． One aspect of climate change is that average nighttime temperature has increased more than average daytime temperature has increased. How does climate change affect plant growth, although the rate of reaction in metabolic processes, including photosynthesis and cellular respiration, depends on temperature? Describe around 60 words.

微生物学 問題１．(Problem 1) （配点率 scoring rate 40/100） フェニルアラニンの分解に関連する反応経路を図に示している．下記の設問に答えよ． The degradation pathway of phenylalanine is shown in a figure. Answer the following questions. (1) 物質 A, B, C, D, E, F の名前を示せ． Show names of Compounds A, B, C, D, E and F. (2) 物質 C, F の構造を示せ． Show structures of Compounds C and F. (3) フェニルケトン尿症は，乳児期に発達の遅れやけいれんなどの中枢神経症状で発症

する．患者の尿中には，フェニルアラニンの代謝物であるフェニルケトンが大量に排泄

される．ダイエット食やソフトドリンクの主な甘味成分アスパルテームを含む製品には

当該患者への警告文が載っている．その理由を示せ． Phenylketonuria develops in the infancy with central nervous symptoms such as delayed development and cramps. In the urine of the patient, a large amount of phenylketone, which is a metabolite of phenylalanine, is excreted. Aspartame is an often used sweetening ingredient in diet soft drinks and many other dietetic food products. Consequently, a warning label for phenylketonurics appears on all those products. Describe the reason.

問題2．(Problem 2) （配点率 scoring rate 30/100） 翻訳に関する質問に答えよ． Answer the following questions regarding translation.

(1) 下記の文章の(a) ～ (c)にあてはまる最も適切な語句を答えよ．

tRNA は L 字形のその 3 次構造の一方の端に（a）を持つ．（b）と呼ばれる酵素は，

tRNA の 3 次構造のもう一方の端に（a）に対応する（c）を結合する． Fill in the blanks (a)~(c) of the following sentences. tRNA carries (a) at the one end of the L letter form of its tertiary structure. At the other end of the tertiary structure, enzymes known as (b) connect the tRNA to the (c) that corresponds to the (a). (2) 原核生物の mRNA 上のリボソーム結合部位にあるおおよそ 6 ヌクレオチドからな

る配列を何と呼ぶか．また，真核生物と比べた場合，原核生物の開始 tRNA の主な特徴

を 1 文で述べよ． What do we call the short sequence of approximately six nucleotides in the ribosome binding site on prokaryotic mRNAs? In addition, explain major characteristic of the initiator tRNA of prokaryote with one sentence when compared with that of eukaryote. (3) リボソームにおける 3 ヶ所の tRNA 結合領域の名称を述べよ．ただし，名称は省略

形でないものとする． Describe names of three distinct tRNA binding areas in ribosome. You must not use the abbreviation in your answer. (4) タンパク質をコードするいくつかの遺伝子の情報を含み，それぞれは自身のリボソ

ーム結合部位で独立して翻訳される mRNA を何と呼ぶか．そのような mRNA は原核

生物，真核生物のどちらで主に見られるか． What do we call mRNAs containing the information of several protein-encoding genes, each of which can be translated independently starting at its own ribosome binding site? Are these mRNAs observed mainly in prokaryote or eukaryote?

問題3．(Problem 3) （配点率 scoring rate 30/100）

（１）DNAが遺伝物質であることを証明した歴史的な実験に関する下記の文章の(a）〜

（f)にあてはまる適切な語句を答えよ．ただし，(e)および（f) は元素名で答えよ．

Fill in the parentheses (a-f) with appropriate words to complete the following sentences regarding the classical experiments which revealed that DNA is genetic material. Note that (e) and (f) are element names.

1944 年，アベリーらは「形質転換因子」の化学組成を決定する根拠となった実験結果を

発表した．彼らは熱で死滅させたレンサ球菌から形質転換因子を精製した後，それを

様々な酵素にさらした．その結果， ( a )，( b )あるいは( c )を分解す

る酵素で形質転換因子を処理しても形質転換因子の効果に影響はなかったが，

( d )を分解する酵素は完全に形質転換因子の活性をなくした．

1952 年，ハーシーとチェイスは有名な「ワーリング・ブレンダーの実験」を行っ

た．彼らは，DNAを放射性の（ e ）で標識した T2ファージと，タンパク質を放射

性の（ f ）で標識した T2ファージをそれぞれ用意した．標識したそれぞれの T2

ファージを大腸菌に感染させしばらくした後，ワーリング・ブレンダーで撹拌し試料を

遠心分離機にかけることでファージの殻と感染細胞を分離した．その結果，ほとんどの

（ e ）の放射活性は感染細胞のペレットに存在し，（ f ）の放射活性のほと

んどは上清に残った．さらに，（ e ）の放射活性は新しく増殖した次世代の T2フ

ァージに受け継がれた．これらの歴史的な実験により DNAが遺伝物質であることが示さ

れた.

In 1944, Avery and coworkers published the cumulative findings of experiments designed to determine the chemical composition of "transforming principle". In these experiments, they purified the transforming principle from the crude extract of heat-killed Streptococcus pneumoniae bacteria and exposed it to various enzymes. Enzymes that degrade ( a ), ( b ) or ( c ) had no effect on the transforming principle, but an enzyme that degrades ( d ) completely destroyed its activity. In their famous "Waring blender experiment" of 1952, Hershey and Chase tagged the T2 phage DNA with radioactive（ e ）and proteins with radioactive（ f ）, and allowed the tagged phages for infection to E. coli. After a short incubation, they agitated the cultures in a Waring blender and spun the samples in a centrifuge to separate the empty phage coats from the infected cells. Most of the radioactive（ e ）went to the pellet of infected cells, while most of the radioactive（ f ）remained in the supernatant. Moreover, radioactive（ e ）

passed on to T2 phage progeny. These classical experimental data confirmed DNA as the genetic material.

（２）次の文章を読み，以下の問いに答えよ．

Read the following sentence and answer the questions below. 計 3,580個のヌクレオチドからなる二本鎖 DNAがある．そのうち，820個がアデニンを

含むヌクレオチドである．

A double stranded DNA fragment has a total of 3,580 nucleotides, out of which 820 are adenine containing nucleotides.

(A) この二本鎖 DNAに含まれるピリミジンの数を答えよ．

How many pyrimidine bases this double stranded DNA fragment possesses? (B) この二本鎖 DNAの相補鎖間の水素結合の数を答えよ．

What is the total number of hydrogen bonding in this double stranded DNA fragment? （３）制限酵素に関する以下の問いに答えよ．

Answer the following questions regarding the restriction enzymes. (A) 制限酵素の本来の生物学的役割を 3行程度で説明せよ．

Describe the biological role of restriction enzymes in nature in 3 lines. (B) 6 塩基を認識する制限酵素でランダムな配列を持つ長鎖 DNAを消化した時に生じる

断片の平均の長さを計算し塩基数（bp）で答えよ．なお，計算式も示すこと．

Calculate the average length (in base pairs) of DNA fragments produced from a random sequence by digestion with a restriction enzyme which recognizes the six-base-sequence. Also show the formula.

分子細胞生物学 Molecular and Cellular Biology

分子細胞生物学 Molecular and Cellular Biology

問題 1 （配点率 33/100）

RNA に関する以下の問いに答えなさい．

Answer the following questions about RNA.

(1) miRNA が担っている生物学的な意義について 50 字程度で答えなさい．

Describe the biological significance of miRNA. (ca 30 words).

(2) siRNA が担っている生物学的な意義について 50 字程度で答えなさい．

Describe the biological significance of siRNA. (ca 30 words).

(3) miRNA や siRNA が作用する分子メカニズムについて，その共通性と異なる点を明記し

て説明しなさい．

Describe the molecular mechanism of miRNA and siRNA by clarifying their common mechanism and characteristic mechanism.

(4) レトロトランスポゾンの転移とレトロウイルスの増殖において，その共通性と異なる点

を明記して説明しなさい．

Describe the molecular mechanism of retrotransposon and retrovirus by clarifying their common mechanism and characteristic mechanism.

分子細胞生物学 Molecular and Cellular Biology

問題 2 （配点率 33/100）

生体膜及び膜タンパク質に関する以下の問いに答えなさい．

Answer the following questions about membrane and membrane proteins.

(1) 真核細胞の二重膜に含まれるリン脂質の種類が表と裏で異なることがよくある．新たな

リン脂質は主として細胞のどの細胞小器官で合成されるか．また，どのようなメカニズ

ムでこの非対称性が生じているか．100 字程度で説明しなさい．

The types of phospholipids of eukaryotic membrane is often different in the inner and outer. In which organelles of the cell are new phospholipids synthesized primarily? What is the mechanism of this asymmetry? Explain around 60 words.

(2) 膜タンパク質の流動性を測定・研究する一つの方法に蛍光褪色回復法(FRAP)がある．

FRAP について 100 字程度で説明しなさい．図を用いても良い．

One method for measuring membrane protein dynamics is fluorescence recovery after photobleaching (FRAP). Explain the FRAP around 60 words. Figures may be used.

(3) （A）〜（C）に適切な用語を記入しなさい．

イオンチャネルには 100 以上の種類があり，単純な生物でさえ多種類のチャネルを持ってい

る．（A）チャネルでは，チャネルが開く確率が膜内外の電気化学的勾配によって調節され

ている．（B）チャネルでは，何らかの分子が結合することで開閉が調節されている．（C）チャネルでは，チャネルに加わる音の振動などに由来する刺激で開閉が調節されている．

Enter appropriate terms in (A)―(C).

There are more than 100 different types of ion channels even in simple organisms. In the (A) channel, the probability of channel opening is controlled by the electrochemical gradient across the membrane. In the (B) channel, opening and closing are controlled by the binding to a specific molecule. In the (C) channel, the opening and closing are controlled by the stimulation such as the vibration of the sound.

分子細胞生物学 Molecular and Cellular Biology

問題 3 （配点率 34/100）

生命科学の研究で利用される解析技術やそれらによって得られた結果に関する以下の問いに

答えなさい．

Answer the following questions about the analytical techniques used in life science research and the results obtained from them.

(1) 光学顕微鏡と電子顕微鏡を利用して生物試料を観察する際のそれぞれの長所と短所をあ

げて比較しなさい．

Compare the pros and cons in optical and electron microscopies when observing biological samples.

(2) ポリメラーゼ連鎖反応による DNA 増幅の原理について説明しなさい．

Explain the principle of DNA amplification by the polymerase chain reaction.

(3) 右図は，4 組の双子から少量の血液を採取し，ゲノム

DNA を抽出して制限酵素処理を行い，ゲル電気泳動を

した後に，ハイブリッド形成プローブを使ってゲノムの

様々な領域に散在する短い直列反復（STR）を調べた結

果である．なお，1 から 8 の各レーンに，それぞれの人

からのサンプルがアプライされている．

A. 双子の組み合わせを全て答えなさい． B. 一卵性双生児はどれか． C. 今一組の両親がいる．どの双子の両親かを判定する

方法を説明しなさい．

A small amount of blood was collected from 4 pairs of twins. Genomic DNA was extracted, treated with restriction enzymes, subjected to a gel electrophoresis, and hybridized with probes to examine short tandem repeats (STR) scattered across various regions of the genome. Samples from each person were applied to each lane from 1 to 8 as shown in the right figure.

(Continued on the next page)

Adopted from “Essential Cell

Biology” 4th edition

分子細胞生物学 Molecular and Cellular Biology

A. Answer all the combinations of twins. B. Which twins are identical? C. There is a parent of one of the twins now. Explain how to judge which twins are the children of

the parents. (4) F0F1ATP 合成酵素は，ミトコンドリア内膜の内外に形成される H+勾配によって生じる駆

動力を用いて ADP とリン酸から ATP の合成を行う酵素である．F0F1ATP 合成酵素 1 分子

を基板上に固定し，その F1部位に力を加えて回転させると，H+勾配がなくても ATP が

生成した．以下の問いに答えなさい．

A. タンパク質 1 分子を力学的に操作するにはどのような方法が考えられるか． B. この結果をもとに H+勾配が果たす役割について考察しなさい． C. この結果の科学的な重要性について自らの考えを論述しなさい．

F0F1ATP synthase is an enzyme that synthesizes ATP from ADP and phosphate using a motive force generated by a H + gradient across the inner mitochondrial membrane. When a single molecule of F0F1 ATP synthase was immobilized on a substrate and rotated by applying force to its F1 domain, ATP was generated even in the absence of the H + gradient. Answer the following questions. A. What methods are available for the mechanical manipulation of a single protein molecule? B. Based on these results, discuss the role of the H + gradient. C. Describe your views on the scientific significance of this result.