112 年 國立成功大學藥理學研究所《生物化學》

此題考查苯酮尿症（Phenylketonuria, PKU）的致病機轉，重點在於酵素缺乏。

苯酮尿症是一種遺傳性代謝疾病，由於體內無法正常代謝苯丙胺酸（phenylalanine）所引起。其根本原因是肝臟中一種關鍵酵素的缺陷，導致苯丙胺酸無法被轉化為酪胺酸（tyrosine）。

具體來說，苯丙胺酸在體內主要有兩條代謝途徑：

1. 經由苯丙胺酸羥化酶（phenylalanine hydroxylase, PAH）催化，將苯丙胺酸轉化為酪胺酸。
2. 經由轉胺酶（aminotransferase）催化，轉化為苯丙酮酸（phenylpyruvic acid），進而代謝為其他產物。

在苯酮尿症患者中，最常見的（約佔 95%）是因為苯丙胺酸羥化酶（PAH）基因突變，導致該酵素活性低下或完全喪失。

此題考查腳氣病（Beriberi）的成因，重點在於維生素缺乏。

腳氣病是一種因缺乏維生素 B1（Thiamin）而引起的疾病。維生素 B1 是人體必需的維生素，在碳水化合物代謝中扮演重要角色，特別是作為輔酶參與丙酮酸脫氫酶複合物（pyruvate dehydrogenase complex）和α-酮戊二酸脫氫酶複合物（α-ketoglutarate dehydrogenase complex）的反應，這兩個複合物在能量代謝（如檸檬酸循環）中至關重要。

此題考查阿斯匹靈（Aspirin）的作用機制，特別是其對體內某些分子生產的抑制作用。

阿斯匹靈（乙醯水楊酸）是一種非類固醇消炎止痛藥（NSAID）。它的主要作用是不可逆地抑制環氧合酶（cyclooxygenase, COX）的活性。COX 酵素是花生四烯酸（arachidonic acid）代謝途徑中的關鍵酵素，該途徑負責合成前列腺素（prostaglandins）、血栓素（thromboxanes）和前列環素（prostacyclins）等類二十碳酸（eicosanoids）。

前列腺素在人體內有多種生理功能，包括參與發炎反應、疼痛、體溫調節、胃黏膜保護、腎臟血流調節、血小板聚集等。

此題考查降膽固醇藥物洛伐他汀（Lovastatin）的作用機制，重點在於其抑制的酵素。

洛伐他汀屬於一類稱為「他汀類」（statins）的藥物，是治療高膽固醇血症（hypercholesterolemia）的常用藥物，尤其是家族性高膽固醇血症（familial hypercholesterolemia）。

膽固醇的合成是一個複雜的多步驟過程，其中一個關鍵的限速步驟是由 HMG-CoA 還原酶（HMG-CoA reductase）催化，將 3-羥基-3-甲基戊二醯輔酶 A（3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A, HMG-CoA）還原為甲羥戊酸（mevalonate）。這個酵素是膽固醇生合成途徑中的一個重要調節點。

此題考查細胞內第二信使（second messenger）的種類及其與細胞膜的關聯性。

第二信使是細胞內用來放大細胞外訊號（第一信使，如荷爾蒙或神經傳導物質）的分子。它們通常由細胞膜受體活化後產生，並在細胞質或細胞核內傳遞訊號，引發特定的細胞反應。

選項分析：
(A) cAMP (環腺苷酸)：cAMP 是由腺苷酸環化酶（adenylate cyclase）催化 ATP 產生，普遍作為第二信使，但它主要存在於細胞質中，並非直接「與」細胞膜相關（雖然其產生可能受膜上受體調控）。
(B) cGMP (環鳥苷酸)：cGMP 也是一種重要的第二信使，由鳥苷酸環化酶（guanylate cyclase）催化 GTP 產生。它在細胞質中發揮作用。

此題考查訊號傳遞過程中蛋白質的定位，特別是區分整合性膜蛋白與非整合性膜蛋白。

整合性膜蛋白（integral membrane proteins）是嵌入或貫穿細胞膜的蛋白質，通常具有疏水性區域與膜脂質相互作用。它們在細胞外訊號接收、離子通道、運輸等方面扮演重要角色。

選項分析：
(A) Acetyl choline receptor (乙醯膽鹼受體)：這是一種離子通道偶聯受體（ligand-gated ion channel），位於神經肌肉接頭的細胞膜上，負責接收乙醯膽鹼訊號並引起離子通道開啟。它是一個跨膜蛋白質，屬於整合性膜蛋白。
(B) Estrogen receptor (雌激素受體)：雌激素是一種類固醇荷爾蒙，其受體主要位於細胞質或細胞核內，而不是整合在細胞膜上。

此題考查能活化酪胺酸激酶受體（Receptor Tyrosine Kinase, RTK）的配體（ligand）。

酪胺酸激酶受體是一類細胞膜上的受體蛋白質，其細胞內結構具有酪胺酸激酶活性。當特定的生長因子或荷爾蒙（配體）與其胞外結構域結合時，受體會二聚化，並啟動其胞內的酪胺酸激酶活性，對下游的蛋白質進行酪胺酸磷酸化，進而啟動一連串的細胞內訊號傳遞途徑，影響細胞的生長、分化、代謝等。

選項分析：
(A) Epinephrine (腎上腺素)：腎上腺素主要作用於 G protein-coupled receptors (GPCRs)，如 α 和 β 腎上腺素受體，而非 RTKs。

此題考查胰島素受體（insulin receptor）的特性，要求找出錯誤的敘述。

胰島素受體是一種位於細胞膜表面的酪胺酸激酶受體，其結構和功能如下：

• 結構：胰島素受體是一個由兩個α次單元和兩個β次單元組成的四級結構蛋白質。α次單元位於細胞外，負責結合胰島素；β次單元貫穿細胞膜，其細胞內區域具有酪胺酸激酶活性。因此，它是一個二聚體（dimeric）跨膜蛋白質（transmembrane protein）。
• 功能：胰島素結合到α次單元後，會引起受體構象改變，活化β次單元的胞內酪胺酸激酶（tyrosine kinase）活性。活化的胰島素受體會對自身（autophosphorylation）及細胞內的 IRS (Insulin Receptor Substrate) 蛋白質進行酪胺酸磷酸化。IRS 蛋白質是胰島素訊號傳遞的關鍵中間分子，它會進一步招募並活化下游的訊號分子，其中就包括磷脂醯肌醇-3-激酶（Phosphatidylinositol-3-kinase, PI3K）。

此題考查 20 種標準胺基酸中，側鏈（side chain）含有羥基（-OH group）的胺基酸數量。

胺基酸的側鏈結構決定了其化學性質和在蛋白質中的功能。含有羥基的胺基酸通常具有親水性，並且可以參與氫鍵形成、磷酸化修飾等。

20 種標準胺基酸中，有三種胺基酸的側鏈含有羥基：

1. 絲胺酸（Serine, Ser, S）：側鏈為 $-CH_2OH$。

此題考查蛋白質分離純化的方法，重點在於哪種方法是依據蛋白質的分子量來分離。

蛋白質的分離純化技術是生物化學研究中的重要環節。不同的方法利用蛋白質的物理化學性質差異來達成分離。

選項分析：
(A) Gel filtration (凝膠過濾法，也稱尺寸排除層析法, Size Exclusion Chromatography)：這種方法利用多孔性凝膠珠作為固定相。較大的蛋白質分子無法進入凝膠的孔隙，因此在層析柱中移動較快，較早被洗脫出來。較小的蛋白質分子可以進入凝膠的孔隙，移動較慢，較晚被洗脫出來。因此，凝膠過濾法是根據蛋白質的**分子量（大小）**來分離蛋白質。
(B) Isoelectric precipitation (等電點沉澱法)：蛋白質在溶液中的溶解度與 pH 值有關。

此題考查蛋白質結構的層級，要求找出不屬於次級結構（secondary structure）的選項。

蛋白質結構通常分為四個層級：

1. 一級結構（Primary structure）：胺基酸的線性序列。
2. 次級結構（Secondary structure）：由於肽鏈骨架原子間的氫鍵形成的規則性結構，主要包括 α-螺旋（alpha-helix）和 β-摺疊片（beta-pleated sheet）。
3. 三級結構（Tertiary structure）：蛋白質的整體三維空間結構，由側鏈之間的相互作用（如氫鍵、離子鍵、疏水作用、二硫鍵）穩定。
4. 四級結構（Quaternary structure）：由多個蛋白質亞單元組成的複合物結構。

選項分析：
(A) Alpha-helix (α-螺旋)：這是蛋白質最常見的次級結構之一，由肽鏈骨架原子形成的螺旋結構，由氫鍵穩定。
(B) Beta-pleated sheet (β-摺疊片)：這是蛋白質另一種常見的次級結構，由多條肽鏈（或同一肽鏈的不同片段）平行或反平行排列，通過氫鍵連接形成摺疊的片狀結構。

此題考查酶動力學中的參數，要求找出哪個參數代表酶與受質的結合親和力。

酶動力學（Enzyme kinetics）研究酶的催化速率與底物濃度、酶濃度、pH、溫度等因素之間的關係。常用的參數包括 Vmax 和 Km。

• Vmax（最大反應速率）：當底物濃度遠高於酶濃度時，所有酶的活性位點都被底物佔滿，反應速率達到最大值。它反映了酶的催化能力，與酶的總量成正比。
• Kcat（轉化數）：也稱為 the turnover number，是指每個酶分子在單位時間內能夠轉化多少個底物分子，即 $K_{cat} = V_{max} / [E]_T$，其中 $[E]_T$ 是總酶濃度。它衡量了酶的催化效率。
• Km（Michaelis constant, 米氏常數）：Km 是米氏方程中的一個參數，它定義為當反應速率達到 Vmax 的一半時所需的底物濃度。

此題考查非競爭性抑制劑（noncompetitive inhibitor）的特性，要求找出正確的敘述。

抑制劑是與酶結合並降低其活性的分子。根據其與底物和酶的結合方式，抑制劑可分為競爭性抑制劑、非競爭性抑制劑和反競爭性抑制劑。

• 競爭性抑制劑（Competitive inhibitor）：結構與底物相似，與底物競爭結合酶的活性位點。它只與游離的酶結合。
  • 對 Km 的影響：增加 Km（需要更高底物濃度才能達到一半 Vmax）。
  • 對 Vmax 的影響：不改變 Vmax（足夠高的底物濃度可以克服抑制）。
• 非競爭性抑制劑（Noncompetitive inhibitor）：與底物不競爭結合酶的活性位點。它可以與游離的酶結合，也可以與酶-底物複合物（ES complex）結合，形成 ESI 或 EIS 複合物。非競爭性抑制劑通常會改變酶的構象，降低其催化效率。
  • 對 Km 的影響：不改變 Km（底物結合的親和力不受影響）。
  • 對 Vmax 的影響：降低 Vmax（即使底物濃度很高，也無法完全克服抑制）。

此題考查核糖體 RNA（rRNA）的命名規則，特別是 28S rRNA 中的「28S」代表的意義。

核糖體是細胞內負責蛋白質合成的細胞器，由核糖體 RNA（rRNA）和蛋白質組成。真核生物的核糖體（80S）由大小兩個亞基組成：較大的 60S 亞基和較小的 40S 亞基。較大的 60S 亞基含有 28S rRNA、5.8S rRNA 和 5S rRNA。

rRNA 的命名通常使用 Svedberg 單位（S），這是一個基於離心速度和分子大小/形狀的單位，代表沉降係數（sedimentation coefficient）。Svedberg 單位不是質量單位，而是表示分子在離心機中沉降的速度。較大的分子或形狀較緊密的分子，其 Svedberg 單位值也較高。

此題考查脫氫酶（Dehydrogenase）的催化功能。

脫氫酶是一類催化氧化還原反應的酶，其名稱「dehydrogenase」意為「去除氫」。在生化反應中，脫氫酶通常催化底物失去氫原子（或氫離子）的過程，並將這些氫傳遞給一個輔酶（cofactor），最常見的是 NAD+（菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸）或 NADP+（其磷酸化形式）。

選項分析：
(A) Move hydrogens within the molecules：這描述的是分子內重排，脫氫酶的反應通常涉及分子間的傳遞，而非僅僅在分子內部移動。
(B) Add hydrogens within the molecules：這是還原反應，而脫氫酶通常催化氧化反應（失去氫）。

此題考查酮體（ketone bodies）的合成場所。

酮體（如乙醯乙酸、β-羥丁酸和丙酮）是肝臟在碳水化合物供應不足時（如飢餓、長時間運動或未控制的糖尿病）由脂肪酸分解產生的中間代謝產物。它們可以被肝臟以外的大多數組織（包括大腦）作為能量來源。

酮體的合成過程發生在肝細胞的**粒線體基質（mitochondrial matrix）**中。這個過程包括數個步驟，起始於脂肪酸在粒線體內的β-氧化，產生乙醯輔酶 A（acetyl-CoA）。然後，兩個乙醯輔酶 A 分子在粒線體基質中縮合，經過一系列反應生成乙醯乙酸，再進一步轉化為β-羥丁酸和丙酮。

此題考查紅血球（red blood cells）中葡萄糖代謝的最終產物。

紅血球是人體中一種特殊的細胞，它沒有粒線體，也沒有細胞核。這意味著紅血球只能進行無氧糖解作用（anaerobic glycolysis）來獲取能量。

在糖解作用中，一個葡萄糖分子（6碳）被分解為兩個丙酮酸分子（3碳）。這個過程產生少量 ATP 和 NADH。
在有氧條件下，丙酮酸會進入粒線體，經過丙酮酸脫氫酶複合物轉化為乙醯輔酶 A，然後進入檸檬酸循環。
然而，由於紅血球缺乏粒線體，丙酮酸無法進一步代謝。

此題考查細胞中 ATP 合成過程，要求找出哪個物質不直接參與 ATP 的生成。

ATP（三磷酸腺苷）是細胞主要的能量貨幣。ATP 的合成主要有兩種途徑：

1. 基質層級磷酸化（Substrate-level phosphorylation）：在糖解作用和檸檬酸循環中，通過一個高能磷酸鍵的直接轉移，將磷酸基團從一個有機分子轉移到 ADP 上，生成 ATP。
2. 氧化磷酸化（Oxidative phosphorylation）：在粒線體內膜上，通過電子傳遞鏈和 ATP 合成酶，利用氧化還原反應產生的質子梯度來合成 ATP。

選項中的物質都與 ATP 的合成有關，但需要判斷哪個不是直接的磷酸化底物或高能磷酸鹽儲存形式。

選項分析：
(A) 1,3-Bisphosphoglycerate (1,3-二磷酸甘油酸)：這是糖解作用中的一個中間產物。它有一個高能磷酸鍵，可以通過基質層級磷酸化，將磷酸基團轉移給 ADP，生成 ATP。

此題考查電子傳遞鏈（electron transport chain, ETC）相關酶的定位。

電子傳遞鏈是細胞呼吸過程中產生 ATP 的關鍵階段，發生在粒線體內。其主要組分（包括複合體 I-IV 和 ATP 合成酶）都嵌入在粒線體的**內膜（inner mitochondrial membrane）**上。

電子傳遞鏈的作用是將來自 NADH 和 FADH2 的高能電子逐級傳遞，釋放能量。這些能量被用來將質子（H+）從粒線體基質泵送到膜間隙，從而建立一個質子梯度。最後，電子被傳遞給氧氣（O2），與質子結合生成水。

此題考查有氧呼吸電子傳遞鏈的終點。

有氧電子傳遞鏈（aerobic electron transport chain）是細胞呼吸的最後階段，發生在粒線體內膜。其主要功能是將 NADH 和 FADH2 攜帶的高能電子傳遞給最終的電子受體，並利用釋放的能量合成 ATP。

電子傳遞鏈中的電子從高能狀態（來自 NADH 和 FADH2）逐漸傳遞到低能狀態，最終傳遞給一個最終電子受體。在有氧呼吸中，這個最終電子受體是氧氣（O2）。氧氣接收電子後，與來自細胞質或粒線體基質的質子（H+）結合，形成水（H2O）。

此題考查檸檬酸循環（Citric Acid Cycle, TCA Cycle）中，一個乙醯輔酶 A（acetyl-CoA）分子進入循環後釋放的二氧化碳分子數量。

檸檬酸循環是一個在粒線體基質中進行的代謝途徑，其主要目的是將乙醯輔酶 A 徹底氧化，產生還原當量（NADH 和 FADH2）和少量的 ATP，為後續的氧化磷酸化提供能量。

當一個乙醯輔酶 A 分子（由一個乙醯基，2個碳原子，和一個輔酶 A 組成）進入檸檬酸循環時，其乙醯基的兩個碳原子會與循環中的草醯乙酸（oxaloacetate）結合，形成檸檬酸（citrate）。在循環的過程中，這兩個碳原子會被逐步氧化，並以二氧化碳的形式釋放出來。

此題考查解偶聯蛋白（uncoupling protein, UCP）在粒線體中的作用，要求找出不是由解偶聯蛋白引起的效果。

解偶聯蛋白（也稱為解偶聯劑）是一類存在於粒線體內膜上的蛋白質，它們能夠將質子（H+）從粒線體膜間隙直接導回粒線體基質，繞過 ATP 合成酶。

正常情況下，電子傳遞鏈產生的質子梯度用於驅動 ATP 合成酶合成 ATP。然而，解偶聯蛋白的介入會「解偶聯」電子傳遞和 ATP 合成這兩個過程。

解偶聯蛋白的作用會導致：

1. 質子梯度喪失或減弱：因為質子繞過 ATP 合成酶回流到基質，導致膜間隙的質子濃度降低，或基質的質子濃度升高，使得質子梯度減弱。
2. ATP 生成減少：由於質子無法有效驅動 ATP 合成酶，ATP 的產量會顯著下降。
3. 能量轉化為熱能：電子傳遞鏈釋放的能量，原本用於建立質子梯度以合成 ATP，現在因為質子直接回流，這些能量會以熱能的形式散失。這在某些情況下（如棕色脂肪組織）是有益的，可以產熱。

此題考查視覺過程中，光刺激視紫質（rhodopsin）後發生的化學反應。

視紫質是一種位於視網膜感光細胞（視桿細胞）中的光感受器蛋白質。它由視蛋白（opsin）和一個輔助色素 11-順式視黃醛（11-cis-retinal）組成。視黃醛是維生素 A 的醛類衍生物。

當光子照射到視紫質時，會被 11-順式視黃醛吸收。光能導致 11-順式視黃醛的 11-12 位碳碳雙鍵發生順反異構化（cis-trans isomerization），從 11-順式構型轉變為全-反式構型（all-trans-retinal）。這個構型的改變會引發視紫質蛋白質結構的變化，進而啟動下游的訊號傳導級聯，最終在大腦中產生視覺。

之後，全-反式視黃醛會從視蛋白上脫離，進入視網膜色素上皮細胞進行再生。在那裡，全-反式視黃醛會被還原成全-反式視黃醇（all-trans-retinol），然後再異構化回 11-順式視黃醇，最後被氧化成 11-順式視黃醛，重新結合到視蛋白上，形成視紫質。

此題考查治療痛風（gout）的藥物，並要求找出其化學結構與次黃嘌呤（hypoxanthine）相似。

痛風是一種代謝性關節炎，由於體內尿酸（uric acid）過高，尿酸鹽結晶沉積在關節和其他組織中引起發炎反應。治療痛風的目標是降低體內尿酸的水平。尿酸是由嘌呤（purine）代謝的最終產物。

次黃嘌呤（hypoxanthine）是一種嘌呤衍生物，它在體內可以通過黃嘌呤氧化酶（xanthine oxidase）轉化為黃嘌呤（xanthine），進而氧化為尿酸。

治療痛風的藥物中有一些是通過抑制黃嘌呤氧化酶來降低尿酸生成。

此題考查脂蛋白（lipoprotein）的種類及其對血液膽固醇水平的影響。

脂蛋白是負責在血液中運輸脂質（如膽固醇、三酸甘油酯）的複合物，由脂質核心和蛋白質外殼（載脂蛋白）組成。不同的脂蛋白種類在運輸、代謝和對心血管健康的影響方面有所不同。

• VLDL (Very Low-Density Lipoprotein, 極低密度脂蛋白)：主要由肝臟合成，負責將三酸甘油酯運輸到外周組織。VLDL 在血液中會逐漸轉化為 IDL (intermediate-density lipoprotein) 和 LDL。
• LDL (Low-Density Lipoprotein, 低密度脂蛋白)：被稱為「壞膽固醇」。LDL 是 VLDL 的代謝產物，主要負責將膽固醇從肝臟運輸到外周組織。LDL 顆粒富含膽固醇，其血液濃度升高與動脈粥狀硬化的發展密切相關，因為過多的 LDL 會沉積在動脈壁上。

此題考查胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）的合成，重點在於合成途徑中的關鍵酶。

dTMP (deoxythymidine monophosphate) 是 DNA 的四種脫氧核苷酸單體之一。它的合成對於 DNA 的複製至關重要。dTMP 的合成主要涉及以下兩個關鍵步驟：

1. 脫氧尿苷酸 (dUMP) 的甲基化：將一個甲基基團添加到 dUMP 的 5 位碳上，形成 dTMP。這個反應由**胸苷酸合成酶（thymidylate synthase, TS）**催化。
2. 輔助因子再生：胸苷酸合成酶在催化 dUMP 甲基化時，需要一個甲基供體，通常是 N5,N10-亞甲基四氫葉酸（N5,N10-methylenetetrahydrofolate）。這個甲基供體在反應中會被轉化為二氫葉酸（dihydrofolate, DHF）。

此題考查腎上腺素（epinephrine）合成的前體胺基酸。

腎上腺素是一種由腎上腺髓質分泌的兒茶酚胺類荷爾蒙和神經傳導物質。它的生物合成途徑是一個多步驟的過程，起始於一種特定的胺基酸。

腎上腺素的合成途徑如下：

1. 酪胺酸（Tyrosine）：這是合成兒茶酚胺類（包括腎上腺素、去甲腎上腺素和多巴胺）的起始胺基酸。
2. 酪胺酸在酪胺酸羥化酶（tyrosine hydroxylase, TH）的作用下，被羥基化為 L-DOPA（左旋多巴）。
3. L-DOPA 在脫羧酶（aromatic L-amino acid decarboxylase）的作用下，脫去一個羧基，生成多巴胺（dopamine）。

此題考查脂肪酸生物合成（fatty acid biosynthesis）所需的 NADPH 主要來源。

脂肪酸的從頭合成（de novo synthesis）是一個在細胞質中進行的還原過程，需要大量的還原能力，主要以 NADPH 的形式提供。NADPH 在脂肪酸合成過程中，作為還原劑，參與將酮基還原為羥基的步驟。

NADPH 的主要來源有兩個：

1. 五碳醣磷酸途徑（Pentose Phosphate Pathway, PPP）：這是細胞內 NADPH 的主要生成途徑。PPP 的氧化階段（第一階段）通過葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（glucose-6-phosphate dehydrogenase, G6PD）和 6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶（6-phosphogluconate dehydrogenase）催化，生成 NADPH。

此題考查五碳醣磷酸途徑（Pentose Phosphate Pathway, PPP）的代謝中間產物，以及哪些中間產物與 DNA/RNA 的核糖（ribose）形成有關。

五碳醣磷酸途徑是葡萄糖代謝的另一條途徑，它主要有兩個功能：

1. 產生 NADPH，用於還原性合成（如脂肪酸和核苷酸合成）和抗氧化。
2. 產生五碳醣（pentoses），特別是核糖-5-磷酸（ribose-5-phosphate, R5P），它是核酸（DNA 和 RNA）和輔酶（如 ATP, NAD+, FAD）的組成部分。

PPP 的第一階段是氧化階段，將葡萄糖-6-磷酸（glucose-6-phosphate）轉化為一系列中間產物，並產生 NADPH。

• 葡萄糖-6-磷酸 (G6P) → 6-磷酸葡萄糖酸 (6-PG) (產生 NADPH)
• 6-磷酸葡萄糖酸 → 核酮糖-5-磷酸 (Ru5P) (產生 NADPH)

核心觀念

本題考查嘌呤（purine）與嘧啶（pyrimidine）環的原子來源，尤其是胺基酸對環中氮原子的貢獻。

在從頭合成路徑中：

• 嘌呤環的 N1 來自天門冬胺酸（aspartate）。
• 嘧啶環的 N3 來自天門冬胺酸。
• 因此，天門冬胺酸是同時提供嘌呤與嘧啶環中氮原子的胺基酸。

解題方法

先分別回憶兩類含氮鹼基的原子來源。

嘌呤環由多個來源逐步組成，其中：

$$\text{Aspartate} \longrightarrow \text{Purine N1}$$

嘧啶環先形成 carbamoyl phosphate，再與天門冬胺酸縮合形成環，其中：

$$\text{Aspartate} \longrightarrow \text{Pyrimidine N3}$$

所以兩種環都能找到由天門冬胺酸提供的氮原子，正確選項為 Aspartate。

選項分析

此題考查兩種不同技術平台的 COVID-19 疫苗（AZD1222 和 mRNA 疫苗）的作用原理比較。

AstraZeneca/Oxford COVID-19 Vaccine (AZD1222)

• 技術平台： 病毒載體疫苗（Viral vector vaccine）。
• 原理：
  1. 載體： 使用一種經過基因改造、無法在人體內複製的無害腺病毒（adenovirus）作為載體。具體來說，是黑猩猩腺病毒（Chimpanzee adenovirus, ChAdOx1）或人類腺病毒（如 Ad26）。
  2. 基因載入： 將新冠病毒（SARS-CoV-2）的棘狀蛋白（Spike protein, S protein）的基因序列，插入到腺病毒載體中。
  3. 免疫反應誘導： 注射疫苗後，腺病毒載體進入人體細胞，將棘狀蛋白的基因傳遞給細胞。細胞利用這個基因指令，產生新冠病毒的棘狀蛋白。
  4. 產生免疫： 這些棘狀蛋白會出現在細胞表面，或被釋放到細胞外。人體免疫系統將這些棘狀蛋白識別為外來抗原，從而產生針對棘狀蛋白的細胞免疫（T細胞反應）和體液免疫（B細胞產生抗體）。
  5. 保護作用： 當人體真正接觸到新冠病毒時，已產生的抗體和 T 細胞可以識別並中和病毒，或清除被感染的細胞，從而提供保護。
• 優點： 載體穩定性較好，儲存條件相對寬鬆。
• 缺點： 可能會因為人體對腺病毒載體本身已有的免疫反應，而影響疫苗效果。

Moderna/BNT mRNA Vaccine

• 技術平台： mRNA 疫苗（Messenger RNA vaccine）。
• 原理：
  1. mRNA 設計： 合成一段經過修飾的信使 RNA (mRNA) 分子，其中編碼了新冠病毒的棘狀蛋白。為了提高穩定性和效率，mRNA 通常會使用偽尿苷（pseudouridine）取代尿苷（uridine），並經過優化序列設計。
  2. 脂質奈米顆粒 (LNP) 包覆： mRNA 分子非常脆弱，容易被降解。因此，mRNA 被包裹在脂質奈米顆粒 (LNP) 中，以保護 mRNA 並幫助其進入細胞。
  3. 細胞攝取與蛋白質表現： 注射疫苗後，LNP 進入人體細胞（主要是肌細胞和免疫細胞）。細胞內的核醣體會讀取 LNP 中的 mRNA 指令，並合成新冠病毒的棘狀蛋白。

核心觀念

本題考查 DNA template strand（模板股）轉錄成 RNA 的互補配對與方向性。

轉錄時：

• RNA polymerase 沿著模板股的 $3' \rightarrow 5'$ 方向讀取。
• RNA 以 $5' \rightarrow 3'$ 方向合成。
• 配對規則為：

$$\text{DNA A} \leftrightarrow \text{RNA U}$$ $$\text{DNA T} \leftrightarrow \text{RNA A}$$ $$\text{DNA G} \leftrightarrow \text{RNA C}$$ $$\text{DNA C} \leftrightarrow \text{RNA G}$$

題目所給模板股方向為 $5' \rightarrow 3'$，因此不能直接逐字替換；必須先將模板股反向，再依互補規則寫出 RNA。

解題方法

題目給出的 DNA 模板股為：

$$5'-\text{ATG-ATG-CCT-AGG-ATC-CCT-AAG}-3'$$

由於模板股必須以 $3' \rightarrow 5'$ 方向被讀取，先將序列反向：

$$3'-\text{GAA-TCC-CTA-GGA-TCC-GTA-GTA}-5'$$

接著依 DNA–RNA 互補配對轉錄：

此題要求解釋三個重要的分子生物學技術名詞。

a) RT-PCR (Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction, 反轉錄聚合酶鏈式反應)

• 定義： RT-PCR 是一種分子生物學技術，用於偵測和定量 RNA 分子。它結合了反轉錄（Reverse Transcription, RT）和聚合酶鏈式反應（Polymerase Chain Reaction, PCR）兩個步驟。
• 原理：
  1. 反轉錄 (RT)： 首先，利用反轉錄酶（reverse transcriptase）將樣本中的 RNA 分子（通常是 mRNA）作為模板，合成一條互補的 DNA（complementary DNA, cDNA）鏈。這個 cDNA 可以穩定存在，並便於後續的 PCR 操作。
  2. 聚合酶鏈式反應 (PCR)： 然後，以合成的 cDNA 作為模板，使用 PCR 技術進行指數級的擴增。PCR 需要引物（primers）、DNA 聚合酶（DNA polymerase）、dNTPs 和合適的反應條件（變性、退火、延伸）。
• 用途：
  • 偵測特定基因的表達水平（通過擴增其對應的 mRNA）。
  • 分析 RNA 的結構和序列。
  • 診斷由 RNA 病毒引起的疾病（如流感、HIV、COVID-19）。
  • 基因功能研究。
• 關鍵點： 能夠從 RNA 樣本起始，最終得到 DNA 產物，用於後續分析。

b) siRNA (Small interfering RNA, 小干擾 RNA)

• 定義： siRNA 是一類長度約 21-25 個核苷酸的雙鏈 RNA 分子，在細胞內參與 RNA 干擾（RNA interference, RNAi）途徑，主要用於基因沉默。
• 來源： siRNA 可以是外源性的（如實驗室合成或病毒感染引入），也可以是細胞內源性產生的（如由長雙鏈 RNA 經 Dicer 酶切割而來）。
• 原理 (RNAi 途徑)：
  1. 導入細胞： 外源性 siRNA 或內源性產生的 siRNA 被引入細胞質。
  2. RISC 複合物形成： siRNA 與細胞內的 Dicer 酶作用，或直接與 RNA 誘導的沉默複合物（RNA-induced silencing complex, RISC）結合。
  3. 靶標識別與切割： RISC 複合物中的一個單鏈 siRNA 分子（通常是 guide strand）會識別並結合到細胞內與其序列互補的 mRNA 分子上。
  4. mRNA 降解： 結合後，RISC 複合物中的 Argonaute 蛋白會切割靶標 mRNA，導致其降解。
• 用途：
  • 基因功能研究：通過特異性地沉默特定基因，研究其功能。