108 年 國立暨南國際大學應用化學系碩士班《生物化學》

此題考查檸檬酸循環（TCA cycle）的主要產物。檸檬酸循環是細胞有氧呼吸的一部分，主要目的是產生還原力（NADH 和 FADH2）以及少量的 ATP，同時也產生 CO2。

檸檬酸循環的關鍵步驟中，有好幾處會產生 NADH 和 FADH2，例如：

1. Isocitrate → α-ketoglutarate (產生 NADH)
2. α-ketoglutarate → Succinyl-CoA (產生 NADH)

第 2 題 詳解

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核心觀念

本題考的是不飽和脂肪酸的 β-氧化（β-oxidation of unsaturated fatty acids），重點在於：不飽和脂肪酸因結構中含有雙鍵，在進行 β-氧化時需要額外的酵素來處理原本不存在於飽和脂肪酸分解路徑中的中間產物。

飽和脂肪酸的 β-氧化由以下四個循環步驟組成：

步驟	反應	酵素
①	醯基-CoA → trans-Δ²-烯醯基-CoA（去氫）	Acyl-CoA dehydrogenase
②	trans-Δ²-烯醯基-CoA → L-3-羥醯基-CoA（水化）	Enoyl-CoA hydratase
③	L-3-羥醯基-CoA → 3-酮醯基-CoA（去氫）	L-3-Hydroxyacyl-CoA dehydrogenase
④	3-酮醯基-CoA → 醯基-CoA + 乙醯-CoA（硫解）	Thiolase

不飽和脂肪酸的問題在於：天然存在的雙鍵幾乎都是 cis 構型，且位置不一定落在 Δ² 位，因而產生兩種「障礙」：

1. 雙鍵位置不對（如 cis-Δ³ 中間產物）：需要 Enoyl-CoA isomerase（將 cis-Δ³ 轉為 trans-Δ²）。
2. 多元不飽和脂肪酸的額外 cis-Δ² 雙鍵：需要 2,4-Dienoyl-CoA reductase 搭配 isomerase。

其中，Enoyl-CoA hydratase（烯醯基-CoA 水化酶） 在飽和與不飽和脂肪酸的 β-氧化中都不可或缺——正常步驟②就需要它，而且在不飽和脂肪酸的輔助路徑中，isomerase 重排後所產生的 trans-Δ²-烯醯基-CoA 同樣需要 enoyl-CoA hydratase 才能繼續往下走。題目問的是**「不飽和脂肪酸氧化所需要的酵素」**，在所有選項中，唯一屬於脂肪酸 β-氧化路徑的酵素正是 (B) Enoyl-CoA hydratase。

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解題方法

切入點：刪去法 + 路徑歸屬判斷

先快速判斷每個選項所屬的代謝路徑，找出「與脂肪酸氧化有關」的酵素，再進一步確認哪個是不飽和脂肪酸氧化中實際參與反應的酵素。

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選項分析

(A) Enoyl-CoA reductase — ✗ 錯誤

Enoyl-CoA reductase 又稱 2,4-Dienoyl-CoA reductase，它確實存在於不飽和脂肪酸的 β-氧化輔助路徑中（專門處理多元不飽和脂肪酸如亞油酸 linoleic acid 的 cis-Δ²,cis-Δ⁴ 中間物），但題目問的是「所需酵素」，而非「輔助酵素之一」。

更重要的是，Enoyl-CoA reductase 也同時是**脂肪酸合成（fatty acid synthesis）**中 FAS（fatty acid synthase）複合體內的一個功能結構域，負責將 *

核心觀念

題目考查含氮化合物的結構辨識。圖中中央碳原子與氧形成羰基，並與兩個胺基相連：

$\mathrm{H_2N{-}CO{-}NH_2}$

此結構稱為尿素（Urea），又稱 carbamide。

解題方法

辨認官能基：

• 存在一個羰基 $C=O$。
• 羰基碳兩側各連接一個 $\mathrm{-NH_2}$。
• 符合碳酸的二醯胺結構，即 $\mathrm{H_2NCONH_2}$。

因此答案為 Urea。

選項分析

• (A) Urea：正確。 尿素結構為 $\mathrm{H_2N{-}CO{-}NH_2}$，與圖示完全相同。
• **(B) Uridine：錯誤。

此題考查脂肪酸的結構與熔點之間的關係。脂肪酸的熔點受以下因素影響：

1. 碳鏈長度 (Chain length)：碳鏈越長，分子間的凡得瓦爾力 (van der Waals forces) 越強，熔點越高。
2. 不飽和度 (Degree of unsaturation)：雙鍵的存在會使碳鏈彎曲，降低分子間的堆積效率，減弱凡得瓦爾力，從而降低熔點。雙鍵越多，熔點越低。
3. 雙鍵的幾何構型 (Cis/Trans configuration)：順式 (cis) 雙鍵會引起更大的彎曲，比反式 (trans) 雙鍵導致更低的熔點。

我們來分析每個選項的結構：

• (A) 18:2^{9,12}：表示有 18 個碳原子，2 個雙鍵，雙鍵位於 9 號和 12 號碳之間（通常指從羧基端算起）。這是亞油酸 (Linoleic acid) 的一種。
• (B) 18:1^{9}：表示有 18 個碳原子，1 個雙鍵，雙鍵位於 9 號碳之間。這是油酸 (Oleic acid) 的一種。
• (C) 16:0：表示有 16 個碳原子，0 個雙鍵。這是棕櫚酸 (Palmitic acid)。
• (D) 18:0：表示有 18 個碳原子，0 個雙鍵。這是硬脂酸 (Stearic acid)。

此題考查單醣的分類。單醣根據其羰基（醛基或酮基）的位置分為兩種主要類型：

1. 醛糖 (Aldose)：羰基位於鏈的末端（即醛基 -CHO）。
2. 酮糖 (Ketose)：羰基位於鏈的內部（即酮基 -C=O）。

我們來分析每個選項的結構：

• (A) Glucose (葡萄糖)：分子式 $C_6H_{12}O_6$。葡萄糖是一個六碳糖，其結構中在 1 號碳上帶有醛基 (-CHO)，因此是醛糖。

核心觀念

核心啟動子（core promoter）是 RNA 聚合酶辨識並開始轉錄所必需的最小 DNA 區域，位置通常以轉錄起始點標記為 $+1$，上游則以負號表示。

在細菌中，核心啟動子主要包含：

• $-10$ 區域：又稱 Pribnow box，常見共識序列為 TATAAT。
• $-35$ 區域：常見共識序列為 TTGACA。

這些序列由細菌 RNA 聚合酶的 $\sigma$ 因子辨識，協助 RNA 聚合酶定位於正確的轉錄起始位置。

解題方法

判斷各選項是否屬於核心啟動子，可先確認其相對於轉錄起始點的位置與功能：

1. 核心啟動子位於轉錄起始點 $+1$ 的上游。
2. 細菌核心啟動子的代表性元件為 $-10$ 區域與 $-35$ 區域。
3. 轉錄終止位點位於基因的下游，負責結束轉錄，不屬於啟動子。

因此，凡是屬於 $-10$ 或 $-35$ 區域的選項，即為核心啟動子的組成部分。

選項分析

(A) The Pribnow box：正確

Pribnow box 就是細菌啟動子的 $-10$ 區域，通常位於轉錄起始點上游約 10 個鹼基。其共識序列常寫作 TATAAT，功能是協助 $\sigma$ 因子辨識啟動子，並促進 DNA 局部解旋，形成轉錄泡。

此題考查酶的競爭性抑制 (competitive inhibition) 對米氏動力學參數 ($K_m$ 和 $V_{max}$) 的影響。

競爭性抑制是指抑制劑 (inhibitor) 的結構與受質 (substrate) 相似，能夠與酶的活性位點競爭結合。

• 當抑制劑結合到酶的活性位點時，酶就無法結合受質，形成 EI 複合物，但不會發生催化反應。
• 當受質濃度足夠高時，可以有效地競爭掉抑制劑，使酶-受質複合物 (ES) 的形成佔優勢，反應可以進行。

對 $K_m$ 的影響：
$K_m$ 是酶對受質的親和力的一個指標。它定義為達到 $V_{max}$ 一半時所需的受質濃度。
在競爭性抑制中，抑制劑與受質競爭活性位點。為了達到與沒有抑制劑時相同的反應速率（例如 $V_{max}/2$），需要更高的受質濃度來克服抑制劑的競爭。因此，觀察到的 $K_m$ 值會增加。

核心觀念

tRNA（transfer RNA）本質上是單股 RNA，但同一條 RNA 鏈內部含有彼此互補的鹼基序列，因此可經由分子內鹼基配對形成局部雙股區域。

RNA 常見的鹼基配對包括：

• A–U
• G–C
• 部分情況下 G–U wobble pairing

tRNA 的二級結構呈現典型的三葉草形（cloverleaf structure），由多個莖環結構（stem-loop structures）組成：

• 莖（stem）：互補鹼基配對，形成雙股區域。
• 環（loop）：未配對的單股區域，包含 anticodon loop、D loop、TΨC loop 等。
• 受體莖（acceptor stem）：3′ 端具有 CCA 序列，可接上胺基酸。

因此，tRNA 所謂的「雙股結構」並不是兩條不同 RNA 鏈互相配對，而是同一條單股 RNA 折疊後，由自我互補序列形成局部雙股莖區。

解題方法

判斷本題的關鍵在於辨認 tRNA 雙股區域的形成機制：

1. tRNA 是單股 RNA。
2. 單股 RNA 內部若含有互補序列，可自行折疊。
3. 互補鹼基進行分子內配對，形成莖。
4. 莖與未配對的環共同構成 tRNA 的三葉草形二級結構。

所以，能正確解釋 tRNA 雙股結構的敘述，必須提到自我互補序列與莖環結構。

選項分析

(A) tRNAs are hydrolyzed in specific places to allow double stranded structure formed.

此敘述錯誤。

tRNA 並不是先在特定位置被水解，再形成雙股結構。tRNA 的雙股區域是由同一條 RNA 鏈內的互補鹼基自行配對形成，並不需要先切斷 RNA。

核心觀念

標準胺基酸的基本結構可表示為：

$$\mathrm{NH_2-CH(R)-COOH}$$

其中：

• 中央的 $\alpha$-碳（α-carbon）同時連接胺基、羧基、氫原子與側鏈 $R$。
• 側鏈基團 $R$ 決定不同胺基酸的化學性質，例如極性、電荷與疏水性。
• 因此，胺基酸的側鏈是直接鍵結在 $\alpha$-碳上。

解題方法

判斷側鏈連接位置時，先辨認胺基酸的共同骨架：

$$\mathrm{NH_2-CH(R)-COOH}$$

位於胺基與羧基之間的中央碳，稱為 $\alpha$-碳。側鏈以 $R$ 表示，直接連接在這個 $\alpha$-碳上。

所以題目所問的「胺基酸側鏈基團鍵結在哪一個碳上」，答案是 $\alpha$-碳。

選項分析

(A) The a-carbon

正確。題目中的 a-carbon 應指 $\alpha$-carbon，即 α-碳。標準胺基酸的側鏈 $R$ 直接鍵結於 α-碳。

(B) The B-carbon

第 10 題　詳解

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核心觀念

本題考查蛋白質中胺基酸的立體化學（Stereochemistry），核心知識點有二：

1. 手性碳（Chiral carbon）與對映異構物（Enantiomers）：除甘胺酸（Glycine）外，蛋白質中所有標準胺基酸的 $\alpha$-碳（$C_\alpha$）均連接四個不同取代基（—NH₂、—COOH、—H、—R），因此具有手性，可分為 L- 與 D- 兩種對映異構物。

2. Fischer 投影與 L/D 命名系統：以甘油醛（Glyceraldehyde）為參考標準，將胺基酸以 Fischer 投影式書寫，$\alpha$-胺基（—NH₂）位於左側者定義為 L- 型，位於右側者為 D- 型。

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解題方法

切入點：從演化與生物合成的角度判斷。

自然界中，生物體用於合成蛋白質的核糖體（Ribosome）及胺醯 tRNA 合成酶（Aminoacyl-tRNA synthetase）對胺基酸的立體構型具有高度立體專一性（Stereospecificity），僅能識別並使用 L- 型胺基酸。

這項專一性是地球生命早期演化固定下來的特徵，因此：

所有（20 種標準）蛋白質胺基酸均為 L- 型。

D- 型胺基酸在自然界中雖然存在（如細菌細胞壁中的 D-Ala、D-Glu），但不出現在核糖體合成的蛋白質鏈中。

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選項分析

(A) Are all of the L- form（全部為 L- 型）

✅ 正確。如上所述，蛋白質中的標準胺基酸受到核糖體翻譯機制的立體選擇性限制，清一色為 L- 對映異構物。唯一「例外」的甘胺酸（Glycine）因 R 基為 —H，$C_\alpha$ 沒有四個不同取代基，故不具手性，嚴格來說既不屬 L- 也不屬 D-，但這並不影響本選項的正確性——

此題考查胺基酸的分類，特別是根據其側鏈 (R-group) 的極性來分類。

我們來分析選項中提到的胺基酸的側鏈性質：

• Alanine (丙胺酸)：側鏈是 -CH3，非極性 (nonpolar)。
• Leucine (白胺酸)：側鏈是 -CH2-CH(CH3)2，非極性 (nonpolar)。
• Isoleucine (異白胺酸)：側鏈是 -CH(CH3)-CH2-CH3，非極性 (nonpolar)。
• Tryptophan (色胺酸)：側鏈包含一個吲哚環 (indole ring)，是非極性 (nonpolar) 的芳香族胺基酸。
• Valine (纈胺酸)：側鏈是 -CH(CH3)2，非極性 (nonpolar)。

這些胺基酸的側鏈都是由碳氫鍵構成，不帶電荷，也不容易與水分子形成氫鍵。因此，它們都被歸類為非極性 (nonpolar) 胺基酸。

核心觀念

本題測驗生化常用分離分析技術中**電泳（Electrophoresis）**的基本原理。

在電場中，帶電粒子所受到的電場力與介質阻力達到平衡時，粒子的移動速度（Migration velocity, $v$）與**電泳移動度（Electrophoretic mobility, $\mu$）**成正比：

$$v = \mu E$$

其中 $E$ 為電場強度。電泳移動度 $\mu$ 取決於分子所帶的淨電荷（Net charge, $q$）與分子在介質中受到的摩擦阻力係數（Frictional coefficient, $f$）：

$$\mu = \frac{q}{f}$$

根據斯托克斯定律（Stokes' law），對於近似球狀的分子，介質阻力係數正比於分子的有效半徑或流體力學大小（Hydrodynamic size, $r$）：

$$f = 6 \pi \eta r$$

因此，分子的電泳移動度直接正比於其電荷對大小的比值（Charge-to-size ratio, $q/r$）。在固相基質（如洋菜膠瓊脂 Agarose 或聚丙烯醯胺凝膠 Polyacrylamide）中，凝膠的分子篩效應（Molecular sieving effect）會進一步強化大小對遷移阻力的影響，使不同電荷與大小的生物大分子（如 DNA、RNA、蛋白質）得以被精確分離。

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解題方法

1. 鎖定關鍵字：題目核心要求為尋找「根據電荷與大小的比值（ratio of charge to size）來分離分子（separation molecules）」的方法。
2. 物理化學原理連結：
   • 具有「分離（Separation）」功能，且機制依賴電場中電荷與摩擦阻抗（大小）比值者，即為電泳分析法（Electrophoresis）。
   • 其餘選項皆為物理化學或材料工程中的電學技術，不屬於依據電荷大小比進行分子分離的生化技術。

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選項分析

• (A) Electroporation（電穿孔法 / 電穿孔術）：錯誤。

此題考查在電泳凝膠中可視化 DNA 條帶的方法。

DNA 本身是無色的，因此在電泳完成後需要染色或標記才能看到 DNA 條帶。有幾種常用方法可以實現這一點：

(A) Dyes which bind to DNA (與 DNA 結合的染料)：

• 溴化乙錠 (Ethidium bromide, EtBr)：這是最常用的 DNA 嵌入劑。它能插入 DNA 的雙螺旋結構之間，並在紫外光 (UV) 下發出橙紅色的螢光。
• SyBR Green I：另一種常用的 DNA 螢光染料，比 EtBr 更靈敏，也可以在 UV 光下檢測。
• 其他染料，如 Methylene Blue，也可以用於染色 DNA。
  這些染料與 DNA 結合後，在特定波長的光照射下會發出可見光，從而使 DNA 條帶可見。

核心觀念

本題比較傳統 PCR 與定量即時 PCR（quantitative PCR, qPCR）的功能差異。

兩者皆利用：

• 引子（primers）界定擴增區段
• DNA polymerase 合成新股 DNA
• 反覆進行變性、退火、延伸，使目標 DNA 擴增

主要差異在於：

• 傳統 PCR 多在反應結束後，以終點產物量判斷結果。
• qPCR 在每一個循環即時偵測螢光訊號，利用循環閾值 $C_t$（cycle threshold）推估反應開始時的模板量。

在理想擴增效率下，模板數量可表示為：

$$N_n=N_0(1+E)^n$$

其中：

• $N_0$：起始模板量
• $N_n$：第 $n$ 個循環後的模板量
• $E$：每循環的擴增效率，理想值為 $1$
• $n$：PCR 循環數

起始模板量越多，螢光訊號達到設定閾值所需的循環數越少，因此 $C_t$ 越小。qPCR 即根據這項關係估算原始模板量。

解題方法

判斷各選項是否為 qPCR 相較於傳統 PCR 的「獨有差異」。

若某項是兩種 PCR 都需要的基本條件，就不是 qPCR 的特殊功能；若某項描述 qPCR 可由擴增過程中的訊號推算起始模板量，則屬於 qPCR 的主要特色。

選項分析

(A) qPCR allows the reaction to proceed until the primers are exhausted.

此項錯誤。

PCR 反應通常會受到引子、dNTP、酵素活性下降及產物再退火等因素影響，最後進入平台期。傳統 PCR 也能進行至反應物逐漸耗盡，這不是 qPCR 相較於傳統 PCR 的特殊功能。

核心觀念

本題考查粒線體內膜建立的質子濃度梯度，以及 pH 與氫離子濃度的關係。

電子傳遞鏈位於粒線體內膜，電子傳遞所釋放的能量會將 $H^+$ 從粒線體基質（matrix）泵送至膜間腔（intermembrane space）。因此：

• 膜間腔的 $H^+$ 濃度較高、較酸性。
• 基質的 $H^+$ 濃度較低、較鹼性。

pH 定義為：

$$\mathrm{pH}=-\log[H^+]$$

氫離子濃度越低，pH 越高，因此：

$$\mathrm{pH}_{\text{matrix}}>\mathrm{pH}_{\text{intermembrane space}}$$

解題方法

判斷粒線體內膜兩側的 pH，先確認電子傳遞鏈泵送質子的方向：

$$\text{matrix} \xrightarrow{\text{質子泵}} \text{intermembrane space}$$

膜間腔累積大量 $H^+$，而基質中的 $H^+$ 相對較少。依據 pH 與 $[H^+]$ 的反向關係，可得基質 pH 高於膜間腔 pH。

這個質子梯度也驅動 $H^+$ 經由 ATP synthase 回流至基質，促進 ATP 合成。

選項分析

• (A) The pH of matrix is higher than the pH in intermembrane space.

核心觀念

本題考查電子傳遞鏈（electron transport chain, ETC）的最終電子受體。

在有氧呼吸中，NADH 與 FADH₂ 將高能電子交給電子傳遞鏈。電子依序經過多個電子傳遞複合體，能量用於建立質子濃度梯度，驅動 ATP 合成。電子傳遞鏈末端的電子必須被最終受體接收，否則電子流動會中斷。

在粒線體中，氧氣是最終電子受體，接受電子與質子後形成水：

$$\mathrm{O_2 + 4e^- + 4H^+ \rightarrow 2H_2O}$$

因此，電子傳遞鏈最終會將氧氣還原成水。

解題方法

判斷「ultimate electron acceptor」時，應尋找位於電子傳遞鏈最末端、負責接收電子的分子。

有氧呼吸的電子流向可概括為：

$$\mathrm{NADH/FADH_2 \rightarrow 電子傳遞鏈 \rightarrow O_2 \rightarrow H_2O}$$

NADH 與 FADH₂ 是電子供體；氧氣則位於電子流的終點，負責接收電子。因此正確答案是 Oxygen。

選項分析

(A) FAD

核心觀念

本題考查「脂肪酸合成（Fatty Acid Synthesis）」與「脂肪酸分解（Fatty Acid Breakdown / β-氧化）」兩條代謝路徑中，哪一類酵素同時出現在兩者之中。解題關鍵在於熟悉這兩條路徑各自的關鍵酵素名稱與所屬酵素類別（EC class），並能辨認相同酵素類別在不同代謝路徑中的角色。

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解題方法

採「逐一核對各選項酵素類別」策略：依序在脂肪酸合成與分解路徑中，各找出代表性酵素，確認該類別是否確實存在於兩條路徑。

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選項分析

(A) Transferase（轉移酶）

脂肪酸合成中的 Transferase：

在哺乳類的多功能型脂肪酸合酶（Fatty Acid Synthase, FAS）複合體內，包含：

• Malonyl/Acetyl transacylase（MAT）：將 malonyl 或 acetyl 基團由 CoA 轉移至 ACP（醯基載體蛋白）上，屬 transferase。

脂肪酸分解（β-氧化）中的 Transferase：

• Carnitine palmitoyltransferase I & II（CPT-I / CPT-II）：將長鏈脂肪醯基（long-chain acyl）由 CoA 轉移至 carnitine，再轉回 CoA，負責把脂肪酸運送過粒線體內膜，屬 transferase。
• Thiolase（β-ketothiolase），又名 Acetyl-CoA acetyltransferase（EC 2.3.1.9）：在 β-氧化最後一步，將 β-ketoacyl-CoA 硫解為 acetyl-CoA 與縮短的 acyl-CoA，屬 transferase。

✅ Transferase 確實同時存在於兩條路徑，選項 (A) 正確。

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(B) Synthase（合酶）

脂肪酸合成中的 Synthase：

• Fatty Acid Synthase（FAS, EC 2.3.1.85）：催化從 acetyl-CoA 與 malonyl-ACP 出發，重複進行縮合（condensation）、還原（reduction）、脫水（dehydration）、再還原的循環，合成 palmitate，是最核心的 synthase。

脂肪酸分解路徑中的 Synthase：

β-氧化本身不直接使用 synthase，但脂肪酸大量氧化後產生的 acetyl-CoA 在肝臟中累積，進入酮體生成（Ketogenesis），此路徑中：

• HMG-CoA synthase（EC 2.3.3.10）：催化 acetyl-CoA + acetoacetyl-CoA → HMG-CoA，是酮體合成的關鍵酵素，屬 synthase。

酮體生成是脂肪酸分解代謝（β-氧化）的直接下游，廣義上可納入「脂肪酸分解代謝」的範疇。

✅ Synthase 確實同時存在於兩條路徑，選項 (B) 正確。

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(C) Carboxylase（羧化酶）

此選項是三個選項中最「教科書標準」的答案，以兩個含 biotin 的 carboxylase 為代表：

脂肪酸合成中的 Carboxylase：

核心觀念

脂肪酸合成過程中，脂醯基中間產物不是直接游離於溶液中，而是暫時連接在 Acyl Carrier Protein（ACP，脂醯載體蛋白） 上，由 ACP 負責攜帶並移動各種脂醯基中間產物。

ACP 上具有由 4′-磷酸泛醯胺（4′-phosphopantetheine） 提供的硫氫基（$-SH$），脂醯基透過硫酯鍵與此硫氫基連接：

$$\text{脂醯基}+\text{ACP-SH} \rightarrow \text{脂醯基-S-ACP}$$

因此，ACP 的完整名稱是 Acyl Carrier Protein。

解題方法

題目指出 ACP 用於脂肪酸合成，判斷重點在於辨認脂肪酸合成酵素系統中的載體蛋白名稱。

脂肪酸合成時，ACP 依序攜帶乙醯基、丙二醯基及逐步延長的脂醯基，使這些中間產物能在不同催化位點之間轉移。因此，選項中唯一符合「脂醯基載體蛋白」定義的是 Acyl Carrier Protein。

選項分析

• (A) Acetyl-CoA phosphate

  錯誤。乙醯輔酶 A 的英文是 Acetyl-CoA，不是 Acetyl-CoA phosphate。

核心觀念

本題考查一分子葡萄糖進行完全有氧呼吸時的 ATP 產量，包括：

1. 糖解作用（glycolysis）
2. 丙酮酸氧化脫羧形成乙醯輔酶 A
3. 檸檬酸循環（citric acid cycle）
4. 電子傳遞鏈與氧化磷酸化
5. 細胞質 NADH 電子穿梭系統對 ATP 產量的影響

現代生物化學通常採用：

• 1 個 NADH 約產生 $2.5$ 個 ATP
• 1 個 FADH$_2$ 約產生 $1.5$ 個 ATP

糖解作用產生的 NADH 位於細胞質，電子必須透過穿梭系統送入粒線體，因此不同穿梭系統會造成總 ATP 產量不同。

解題方法與 ATP 計算

1. 糖解作用

每分子葡萄糖經糖解作用產生：

• $2$ 個 ATP（淨產量）
• $2$ 個 NADH
• $2$ 個丙酮酸

糖解作用本身的 ATP 產量為：

$$2\ \text{ATP}$$

2. 丙酮酸氧化脫羧

$2$ 個丙酮酸各自轉變為乙醯輔酶 A，每個丙酮酸產生 $1$ 個 NADH，因此共產生：

$$2\ \text{NADH}$$

換算 ATP：

$$2 \times 2.5 = 5\ \text{ATP}$$

3. 檸檬酸循環

每個乙醯輔酶 A進入一次檸檬酸循環，產生：

• $3$ 個 NADH
• $1$ 個 FADH$_2$
• $1$ 個 GTP，能量上相當於 $1$ 個 ATP

一分子葡萄糖產生 $2$ 個乙醯輔酶 A，因此檸檬酸循環共產生：

$$6\ \text{NADH} + 2\ \text{FADH}_2 + 2\ \text{GTP}$$

換算 ATP：

$$6 \times 2.5 = 15$$ $$2 \times 1.5 = 3$$ $$2\ \text{GTP} = 2\ \text{ATP}$$

因此檸檬酸循環及其氧化磷酸化貢獻：

$$15 + 3 + 2 = 20\ \text{ATP}$$

4. 細胞質 NADH 的穿梭系統

糖解作用產生的 $2$ 個 NADH 位於細胞質，無法直接穿過粒線體內膜。其電子需經由穿梭系統進入粒線體。

蘋果酸—天門冬胺酸穿梭系統

電子以粒線體 NADH 的形式進入電子傳遞鏈：

$$2 \times 2.5 = 5\ \text{ATP}$$

第 20 題 詳解

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核心觀念

本題考查原核生物 RNA 聚合酶（RNA polymerase）的次單元組成，以及在轉錄循環（transcription cycle）各階段中 σ（sigma）次單元的釋放時機。

原核生物（以 E. coli 為模型）的 RNA 聚合酶由兩個部分組成：

成分	組成	功能
全酶（holoenzyme）	α₂ββ'ωσ	具備辨識啟動子與起始轉錄的完整能力
核心酶（core enzyme）	α₂ββ'ω	可催化 RNA 合成，但無法辨識啟動子
σ 次單元	σ（單一多肽）	賦予全酶辨識特定啟動子序列（−10、−35 區）的能力

轉錄可分為三個主要階段：起始（initiation）→ 延伸（elongation）→ 終止（termination）。σ 次單元僅在起始階段扮演關鍵角色。

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解題方法

掌握 σ 次單元在轉錄循環中的「生命週期」：

① 起始前（Before initiation）
σ 次單元與核心酶結合形成全酶，全酶掃描 DNA 並辨識啟動子（promoter）的 −35 區（TTGACA）與 −10 區（TATAAT，又稱 Pribnow box），形成封閉複合體（closed complex），隨後解開雙股 DNA 轉變為開放複合體（open complex）。

② 起始後（After initiation begins）
全酶在啟動子處合成最初的幾個核苷酸（約 8–10 nt）。早期會發生「無效起始（abortive initiation）」現象，短鏈反覆被釋出。當新生 RNA 鏈超過約 8–10 個核苷酸，轉錄複合體構型改變，σ 次單元從核心酶上解離（released），核心酶單獨進入延伸模式，沿模板繼續合成 RNA。

③ 延伸至終止（Elongation → Termination）
σ 次單元已離開，核心酶獨立完成全程合成，直到終止訊號（Rho 依賴或 Rho 非依賴）使核心酶與 RNA、DNA 分離。

此題要求解釋兩個重要的代謝途徑：糖解 (glycolysis) 和糖質新生 (gluconeogenesis)。

(a) 糖解 (Glycolysis)

糖解是一個分解代謝途徑，發生在細胞質中，將一分子葡萄糖 (glucose) 分解為兩分子丙酮酸 (pyruvate)。這個過程可以產生 ATP 和還原力 NADH。糖解是許多生物體獲取能量的主要途徑，並且是後續有氧呼吸或無氧發酵的起始階段。

糖解分為兩個主要階段，共十個步驟，由十種不同的酶催化：

1. 能量投資階段 (Energy Investment Phase)：需要消耗 ATP 來活化葡萄糖。

   • 步驟 1: 葡萄糖被磷酸化為葡萄糖-6-磷酸 (glucose-6-phosphate)，消耗 1 ATP。催化酶：己醣酶 (Hexokinase) 或葡萄糖激酶 (Glucokinase)。
   • 步驟 2: 葡萄糖-6-磷酸異構化為果糖-6-磷酸 (fructose-6-phosphate)。催化酶：磷酸葡萄糖異構酶 (Phosphoglucose isomerase)。
   • 步驟 3: 果糖-6-磷酸被磷酸化為果糖-1,6-二磷酸 (fructose-1,6-bisphosphate)，消耗 1 ATP。這是糖解的一個關鍵調控步驟。催化酶：6-磷酸果糖激酶-1 (Phosphofructokinase-1, PFK-1)。
   • 步驟 4: 果糖-1,6-二磷酸裂解為兩個三碳分子：二羥基丙酮磷酸 (dihydroxyacetone phosphate, DHAP) 和甘油醛-3-磷酸 (glyceraldehyde-3-phosphate, G3P)。催化酶：醛縮酶 (Aldolase)。
   • 步驟 5: DHAP 異構化為 G3P。催化酶：三碳糖磷酸異構酶 (Triose phosphate isomerase)。
   • 總結此階段：消耗 2 ATP，產生 2 分子 G3P。

2. 能量產生階段 (Energy Payoff Phase)：從 G3P 生成 ATP 和 NADH。

   • 步驟 6: 每個 G3P 被氧化並磷酸化，形成 1,3-二磷酸甘油酸 (1,3-bisphosphoglycerate)。此步驟產生 NADH。催化酶：甘油醛-3-磷酸脫氫酶 (Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase)。
   • 步驟 7: 1,3-二磷酸甘油酸將一個磷酸基轉移到 ADP，生成 ATP。這是底物層級磷酸化 (substrate-level phosphorylation)。催化酶：磷酸甘油酸激酶 (Phosphoglycerate kinase)。
   • 步驟 8: 3-磷酸甘油酸的磷酸基從 3 號碳轉移到 2 號碳，形成 2-磷酸甘油酸 (2-phosphoglycerate)。催化酶：磷酸甘油酸變位酶 (Phosphoglycerate mutase)。
   • 步驟 9: 2-磷酸甘油酸脫水，形成磷酸烯醇丙酮酸 (phosphoenolpyruvate, PEP)。催化酶：烯醇酶 (Enolase)。
   • 步驟 10: PEP 將磷酸基轉移到 ADP，生成 ATP。這是另一個底物層級磷酸化步驟。

此題考查 6-磷酸果糖激酶-2 (PFK-2) 和果糖-1,6-二磷酸酶-2 (FBPase-2) 在糖解和糖質新生途徑中的調控作用。這兩個酶實際上是同一個雙功能蛋白質的兩種酶活性，它們通過一個雙硫鍵相互轉化，並被細胞內的信號分子（如胰島素、升糖素）所調控。

背景：

• 糖解 (Glycolysis)：將果糖-6-磷酸 (Fructose-6-phosphate, F6P) 轉化為果糖-1,6-二磷酸 (Fructose-1,6-bisphosphate, F1,6BP)。這是糖解的一個關鍵限速步驟，由 6-磷酸果糖激酶-1 (PFK-1) 催化。
• 糖質新生 (Gluconeogenesis)：將果糖-1,6-二磷酸 (F1,6BP) 轉化為果糖-6-磷酸 (F6P)。這是糖質新生的一個關鍵步驟，由果糖-1,6-二磷酸酶-1 (FBPase-1) 催化。

PFK-2/FBPase-2 複合物是 PFK-1 和 FBPase-1 活動的關鍵調控點。它位於細胞質中，其作用是產生或消耗果糖-2,6-二磷酸 (Fructose-2,6-bisphosphate, F2,6BP)。F2,6BP 是一種強效的變構調節劑 (allosteric regulator)。

PFK-2/FBPase-2 雙功能蛋白質的結構與功能：
這個蛋白質具有兩個獨立的催化位點：

1. PFK-2 活性：催化 F6P 的磷酸化，生成 F2,6BP。這個反應需要 ATP。
   $Fructose-6-phosphate + ATP \xrightarrow{PFK-2} Fructose-2,6-bisphosphate + ADP$
2. FBPase-2 活性：催化 F2,6BP 的水解，生成 F6P 和無機磷酸 (Pi)。
   $Fructose-2,6-bisphosphate + H_2O \xrightarrow{FBPase-2} Fructose-6-phosphate + Pi$

調控機制：
這兩種活性受到磷酸化狀態的調控。

• 去磷酸化 (Dephosphorylation)：當蛋白質處於去磷酸化狀態時，PFK-2 活性占優勢，生成 F2,6BP。
• 磷酸化 (Phosphorylation)：當蛋白質被磷酸化時，FBPase-2 活性占優勢，降解 F2,6BP。

此題要求解釋 $\beta$-氧化途徑，並以棕櫚酸 (palmitic acid) 為例計算產生的乙醯輔酶 A (acetyl-CoA) 的數量。

$\beta$-氧化 (Beta-oxidation) 是一種分解代謝途徑，發生在粒線體基質（或過氧化物酶體）中，用於分解脂肪酸以產生乙醯輔酶 A，進而進入檸檬酸循環產生 ATP。這個過程之所以稱為 $\beta$-氧化，是因為在脂肪酸鏈的 $\beta$-碳原子（從羧基端算起第三個碳原子）處發生了氧化。

$\beta$-氧化以一個循環進行，每個循環包括四個主要的酶促反應：

1. 氧化 (Oxidation)：$\alpha,\beta$-不飽和醯輔酶 A (enoyl-CoA) 的形成。這個反應由 Acyl-CoA dehydrogenase 催化，並將電子傳遞給 FAD，產生 FADH2。
2. 水合 (Hydration)：$\alpha,\beta$-飽和醯輔酶 A (3-hydroxyacyl-CoA) 的形成。這個反應由 Enoyl-CoA hydratase 催化，加入一分子水。
3. 氧化 (Oxidation)：$\beta$-酮基醯輔酶 A (3-ketoacyl-CoA) 的形成。這個反應由 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase 催化，並將電子傳遞給 NAD+，產生 NADH。
4. 裂解 (Cleavage)：$\beta$-酮基醯輔酶 A 被輔酶 A (CoA) 裂解，產生一分子乙醯輔酶 A (acetyl-CoA) 和一個比原來短兩個碳原子的醯輔酶 A。這個反應由 3-ketoacyl-CoA thiolase 催化。

這個循環重複進行，每次循環都會將脂肪酸鏈截短兩個碳原子，直到整個脂肪酸被分解成乙醯輔酶 A。

(a) 以棕櫚酸 (Palmitic Acid) 為例解釋 $\beta$-氧化

棕櫚酸是一種飽和脂肪酸，其碳鏈長度為 16 個碳原子 (16:0)。
$\beta$-氧化的過程會不斷將脂肪酸鏈的末端（靠近羧基端）切下兩個碳原子作為乙醯輔酶 A。

循環次數：
對於一個長度為 $n$ 個碳原子的飽和脂肪酸，需要進行 $(n/2) - 1$ 個循環才能將其完全分解為乙醯輔酶 A。
對於棕櫚酸 (n=16)，需要進行 $(16/2) - 1 = 8 - 1 = 7$ 個循環。

每個循環的產物：
每個循環產生：

• 1 分子乙醯輔酶 A (acetyl-CoA)
• 1 分子 FADH2
• 1 分子 NADH

棕櫚酸 $\beta$-氧化的過程 (示意)：

1. 初次活化：棕櫚酸先被活化為棕櫚醯輔酶 A (palmitoyl-CoA)，這個過程消耗 1 ATP (實際是 AMP + PPi)。
2. 循環 1：
   • 棕櫚醯輔酶 A $\rightarrow$ 順式- $\Delta^2$-肉豆蔻烯醯輔酶 A (myristoleyl-CoA) + 1 乙醯輔酶 A。
   • 產物：1 NADH, 1 FADH2。
3. 循環 2：
   • 肉豆蔻醯輔酶 A $\rightarrow$ 順式- $\Delta^2$-癸醯輔酶 A (decanoyl-CoA) + 1 乙醯輔酶 A。

此題要求解釋丙酮酸脫氫酶複合物 (Pyruvate Dehydrogenase Complex, PDC) 的作用機制，以及它如何產生乙醯輔酶 A (acetyl-CoA)。

丙酮酸脫氫酶複合物是一個巨大的酶複合物，存在於粒線體基質中。它催化不可逆的反應，將丙酮酸 (pyruvate) 轉化為乙醯輔酶 A (acetyl-CoA)，同時釋放 CO2 並產生 NADH。這個反應是連接糖解途徑和檸檬酸循環的關鍵橋樑。

PDC 由三個核心酶組成，它們協同作用，並利用五種輔酶：

• 酶組分：
  1. 丙酮酸脫氫酶 (E1)：催化丙酮酸的脫羧。
  2. 二氫硫辛醯胺轉乙醯酶 (E2)：催化乙醯基的轉移。
  3. 二氫硫辛醯胺脫氫酶 (E3)：催化硫辛醯胺的氧化和 NADH 的生成。
• 輔酶：
  1. 硫辛酸 (Lipoic acid)：位於 E2 的輔基，通過長鏈共價連接到 E2 的賴胺酸殘基上。
  2. 輔酶 A (CoA)：作為乙醯基的受體。
  3. 煙鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD+)：作為最終的電子受體。
  4. 硫胺素焦磷酸 (Thiamine pyrophosphate, TPP)：作為 E1 的輔基。
  5. 黃素腺嘌呤二核苷酸 (FAD)：作為 E3 的輔基。

反應機制 (以 E1, E2, E3 為主線)：

1. 丙酮酸的脫羧 (E1 - TPP 輔助)：

   • 丙酮酸首先與 E1 上的 TPP 結合。
   • TPP 上的碳原子（來自 TPP 的噻唑環）與丙酮酸的羰基碳形成共價鍵，導致丙酮酸脫去羧基 (-COOH)，釋放出 CO2。
   • 丙酮酸被轉化為一個羥乙基 (hydroxyethyl) 基團，並共價連接在 TPP 上。
     $\text{Pyruvate} + \text{TPP-E1} \rightarrow \text{Hydroxyethyl-TPP-E1} + CO_2$

2. 乙醯基的轉移 (E1 $\rightarrow$ E2 - 硫辛酸輔助)：

   • 羥乙基-TPP 上的乙醯基被轉移到 E2 上的硫辛酸輔基上。
   • 硫辛酸的兩個硫原子（形成二硫鍵 -S-S-）被還原，其中一個硫原子與乙醯基形成硫酯鍵 (thioester bond)，另一個硫原子與硫辛酸的另一個碳原子結合。