113 年 國立成功大學藥理學研究所《生物化學》

此題主要在考驗學生對胺基酸分類的認知，特別是與代謝途徑相關的分類。

(1) 升糖硫胺基酸 (Glucogenic amino acids) 是指那些在代謝過程中，其碳骨架可以轉化為葡萄糖前驅物（如丙酮酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸、草醯乙酸）的胺基酸。這些胺基酸可以透過肝臟的糖質新生作用 (gluconeogenesis) 合成葡萄糖。
常見的升糖胺基酸有：丙胺酸 (Alanine)、絲胺酸 (Serine)、半胱胺酸 (Cysteine)、天門冬醯胺酸 (Asparagine)、天門冬胺酸 (Aspartate)、麩胺酸 (Glutamate)、麩胺醯胺酸 (Glutamine)、精胺酸 (Arginine)、脯胺酸 (Proline)、纈胺酸 (Valine)、甲硫胺酸 (Methionine)、蘇胺酸 (Threonine)、組胺酸 (Histidine)、甘胺酸 (Glycine)、苯丙胺酸 (Phenylalanine)、酪胺酸 (Tyrosine)、離胺酸 (Lysine)。
題目要求寫出兩種，任選兩種即可。例如：丙胺酸 (Alanine)、絲胺酸 (Serine)。

(2) 升酮硫胺基酸 (Ketogenic amino acids) 是指那些在代謝過程中，其碳骨架可以轉化為乙醯乙酸 (acetoacetate) 或乙醯輔酶A (acetyl-CoA) 的胺基酸。

此題主要考驗學生對病毒學基本概念，特別是病毒基因體類型及其蛋白質組成的知識。

(1) 新型冠狀病毒 (SARS-CoV-2) 屬於冠狀病毒科 (Coronaviridae)，這類病毒的基因體是單股正鏈RNA (positive-sense single-stranded RNA, ssRNA(+))。要證明其基因體是RNA而非DNA，可以透過以下實驗方法：
a. 核酸酶處理實驗 (Nuclease Treatment Assay)：
- 使用 RNase (核糖核酸酶) 處理病毒顆粒或其提取物。如果病毒的遺傳物質是RNA，則RNase 會將其降解，導致病毒無法複製。
- 同時，使用 DNase (脫氧核糖核酸酶) 處理。如果病毒的遺傳物質是DNA，則DNase 會將其降解；但如果遺傳物質是RNA，DNase 則無效。
- 實驗結果：若病毒在RNase 處理後失去感染能力，但在DNase 處理後仍保有感染能力，則可證明其基因體為RNA。反之亦然。
b. 核苷酸組成分析 (Nucleotide Composition Analysis)：
- 分析病毒基因體中的鹼基組成。RNA 中含有尿嘧啶 (Uracil, U)，而DNA 中則含有胸腺嘧啶 (Thymine, T)。
- 如果分析結果顯示基因體中富含 A, U, G, C 且缺乏 T，則強烈支持其為RNA。
c. 逆轉錄 PCR (RT-PCR) 或逆轉錄定量 PCR (RT-qPCR)：
- RT-PCR 是專門用於檢測和擴增RNA 的技術。首先需要將RNA 反轉錄成 cDNA (complementary DNA)，然後再進行PCR 擴增。
- 如果能成功透過 RT-PCR 偵測到病毒的基因序列，則證明其原始基因體為RNA。
d. 螢光染料特異性結合：
- 某些螢光染料（如 SYBR Green）能與核酸結合並發光。然而，有些染料對DNA 和RNA 的結合能力或螢光反應有所不同。更精確的方法是使用特異性針對DNA 或RNA 的標記物。
題目要求舉出兩種方式，任選兩種即可。例如：核酸酶處理實驗、RT-PCR。

(2) 冠狀病毒的基因體相當大，編碼了多種結構蛋白和非結構蛋白。其蛋白質組成分為：

• 結構蛋白 (Structural Proteins)：
  • 刺突蛋白 (Spike protein, S)：這是冠狀病毒最明顯的特徵，形成皇冠狀的外觀。S 蛋白負責識別並結合宿主細胞的受體（例如 SARS-CoV-2 使用 ACE2 受體），並介導病毒進入細胞。

此題考驗學生對 ATP 的結構、來源及合成機制的理解。

(1) ATP 的結構式：ATP 是腺苷三磷酸 (Adenosine Triphosphate) 的縮寫。其結構包含三個主要部分：

• 腺嘌呤 (Adenine)：一種含氮鹼基。
• 核糖 (Ribose)：一種五碳糖。
• 三個磷酸基團 (Phosphate groups)：通過磷酸鍵連接。其中，連接在核糖上的第一個磷酸基團稱為 α-磷酸基，第二個為 β-磷酸基，第三個為 γ-磷酸基。
  ATP 的結構式可以表示為：腺嘌呤-核糖-O-P(O)(OH)-O-P(O)(OH)-O-P(O)(OH)₂。
  在分子式表示法中，可以寫成 C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃。
  在繪製結構式時，需要清晰標示出腺嘌呤、核糖以及三個磷酸基團，以及它們之間的連接方式（糖苷鍵和磷酸酯鍵）。特別是兩個高能磷酸鍵（β-γ 磷酸鍵和 α-β 磷酸鍵），它們的斷裂會釋放大量能量。
  通常，結構式會畫出腺嘌呤的環狀結構、核糖的五碳環結構，以及三個磷酸基團，並標示出連接的鍵。

(2) 人體內 ATP 的主要來源：ATP 是細胞的「能量貨幣」，主要通過以下三個代謝途徑產生：

• 醣解作用 (Glycolysis)：在細胞質中進行，將葡萄糖分解為兩分子的丙酮酸。這個過程可以產生少量 ATP，主要通過 基質層級磷酸化 (substrate-level phosphorylation)。
• 檸檬酸循環 (Citric Acid Cycle / Krebs Cycle)：在粒線體基質中進行。雖然檸檬酸循環本身只通過基質層級磷酸化產生一分子的 GTP (一種高能磷酸化合物，可轉化為 ATP)，但它產生大量的還原性輔酶 NADH 和 FADH₂。
• 氧化磷酸化 (Oxidative Phosphorylation)：這是 ATP 產生最主要的途徑，發生於粒線體內膜。NADH 和 FADH₂ 釋放的電子通過電子傳遞鏈 (electron transport chain) 傳遞，最終氧氣接受電子被還原成水。電子傳遞過程中釋放的能量被用來將質子 (H⁺) 從粒線體基質泵入膜間隙，形成質子梯度。

此題考驗學生對細胞膜組成成分 - 膜蛋白的分類及其功能的理解。

膜蛋白 (Membrane proteins) 是結合在細胞膜脂質雙層內部或表面上的蛋白質。它們在維持細胞結構、細胞間通訊、物質運輸和信號傳導等眾多細胞過程中起著至關重要的作用。根據其與細胞膜的結合方式，膜蛋白可分為兩大類：

1. 整合蛋白 (Integral Proteins)：
   • 定義：這類蛋白質大部分或全部嵌入脂質雙層中，與疏水性脂質尾部發生緊密相互作用。它們通常具有疏水性區域，可以插入脂質雙層的疏水核心，以及親水性區域，暴露在細胞膜的內外表面。
   • 種類：
     • 貫穿性蛋白 (Transmembrane Proteins)：這類整合蛋白完全穿過脂質雙層，通常有多個跨膜結構域，每個結構域都是由疏水性胺基酸構成的 α-螺旋或 β-摺疊。它們的一端或兩端暴露在細胞外，另一端暴露在細胞內。
     • 單程穿膜蛋白 (Single-pass Transmembrane Proteins)：只穿過脂質雙層一次。
     • 多程穿膜蛋白 (Multi-pass Transmembrane Proteins)：多次穿過脂質雙層。
   • 功能：
     • 運輸蛋白 (Transport Proteins)：作為離子或分子通過細胞膜的通道或載體，例如離子通道 (ion channels)、載體蛋白 (carrier proteins)。
     • 酶 (Enzymes)：催化細胞膜附近發生的生化反應，例如腺苷酸環化酶 (adenylate cyclase)。
     • 信號轉導蛋白 (Signal Transducing Proteins)：接收細胞外的信號（如激素），並將信號傳遞到細胞內部，啟動細胞內的反應，例如細胞膜上的受體 (receptors)。

此題考驗學生對運動時能量代謝的複雜性，特別是肌肉如何供應能量給其他組織（如腦部）的知識。關鍵在於理解肝臟和肌肉在能量供應中的角色，以及胺基酸代謝的雙重性。

核心概念：

1. 腦神經細胞的能量來源：腦神經細胞主要且幾乎唯一依賴葡萄糖作為能量來源。在長期飢餓或特殊情況下，酮體也可以被腦部利用，但葡萄糖始終是首選。
2. 肌肉的能量儲備：肌肉主要儲存肝醣 (glycogen)，用於自身運動時的能量供應。肌肉的肝醣不能直接釋放葡萄糖到血液中，因為肌肉缺乏葡萄糖-6-磷酸酶 (glucose-6-phosphatase)。
3. 肝臟的角色：肝臟是維持血糖穩定的關鍵器官。運動時，肝臟可以通過 糖質新生 (gluconeogenesis) 和 肝醣分解 (glycogenolysis) 來釋放葡萄糖到血液中，供應給腦部和其他需要葡萄糖的組織。
4. 胺基酸的代謝：胺基酸既可以通過脫胺後生成升糖胺基酸，為糖質新生提供前驅物，也可以通過脫胺後生成乙醯輔酶A，進入檸檬酸循環提供能量。

運動時的能量供應機制（特別是供應腦部）：

1. 肌肉肝醣的利用：

   • 當肌肉劇烈運動時，肌肉細胞內的肝醣會被快速分解為葡萄糖-6-磷酸，然後進入醣解作用產生 ATP，滿足肌肉自身的能量需求。
   • 此過程產生的 ATP 主要供肌肉使用，肌肉的肝醣分解產生的葡萄糖-6-磷酸無法直接釋放到血液中供給腦部，因為肌肉缺乏葡萄糖-6-磷酸酶。

2. 肝臟的貢獻：

   • 隨著運動的持續，血液中的葡萄糖濃度會開始下降。此時，肝臟會啟動其能量供應機制。
   • 肝醣分解 (Glycogenolysis)：肝臟儲存的肝醣會被分解為葡萄糖，並通過葡萄糖-6-磷酸酶轉化為葡萄糖，然後釋放到血液中，維持血糖水平，供應腦部和其他組織。
   • 糖質新生 (Gluconeogenesis)：當肝醣儲備耗盡或運動時間較長時，肝臟會啟動糖質新生。

核心觀念
本題測驗的是代謝環境（有氧 vs. 無氧）對糖解作用途徑與產物的影響，以及這兩種情形如何改變細胞的能量供給、偽生化平衡與功能表現。

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1. 定義與主要差異

項目	有氧糖解 (aerobic glycolysis)	無氧糖解 (anaerobic glycolysis)
氧氣需求	需要氧氣才能將產生的 NADH 重新氧化於線粒體呼吸鏈	無需氧氣，透過乳酸發酵直接再氧化 NADH
最終產物	產生 丙酮酸，進入粒線體進入 檸檬酸循環 (TCA) 以及 氧化磷酸化	產生 乳酸 (或在某些細胞為乙醇) 以再生 NAD⁺
ATP 產量	每分子葡萄糖 ≈ 30–32 ATP（糖解 + TCA + 電子傳遞鏈）	每分子葡萄糖 2 ATP（僅糖解階段）
代謝中間物	糖解中間產物可供 核苷酸、脂質、胺基酸 合成 (分流)	主要產物為乳酸，較少分流供合成
NAD⁺/NADH 平衡	NADH 進入線粒體呼吸鏈被氧化，產生 NAD⁺ 與 ROS	NADH 直接被乳酸脫氫酶還原為乳酸，快速再生 NAD⁺，避免 NAD⁺ 缺乏

反應式

• 糖解總體（兩條支路皆相同）

  $\text{Glucose} + 2\ ADP + 2\ Pi + 2\ NAD^+ \rightarrow 2\ \text{Pyruvate} + 2\ ATP + 2\ NADH + 2\ H^+ + 2\ H_2O$

• 有氧分支

  $\text{Pyruvate} + \text{CoA} + NAD^+ \xrightarrow{\text{PDH}} \text{Acetyl‑CoA} + CO_2 + NADH$

• 無氧分支（乳酸發酵）

  $\text{Pyruvate} + NADH \xrightarrow{\text{LDH}} \text{Lactate} + NAD^+$

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2. 對細胞功能的影響

核心觀念
本題測試考生能否完整描述 脂肪酸 β‑oxidation 從活化到產生 ATP 的整條路徑，並說明每一步的生化意義（為何需要活化、為何需穿過線粒體內膜、各中間產物如何貢獻還原當量與高能磷酸鍵），最後計算出 每條飽和脂肪酸的淨 ATP 產量。

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一、脂肪酸 β‑oxidation 完整流程

步驟	位置	主要反應式	產物	為什麼這一步必須發生
1. 脂肪酸活化	細胞質	$\text{FA} + \text{ATP} + \text{CoA} \rightarrow \text{FA‑CoA} + \text{AMP} + \text{PP}_i$	Fatty‑acyl‑CoA（活化的脂肪酸）	脂肪酸本身是疏水分子，無法直接進入線粒體且無法與代謝酶結合。活化成酰基‑CoA 為後續的酰基轉移與 β‑oxidation 提供「高能酯鍵」。此步耗費 2 個等價的 ATP（ATP → AMP + PP_i）。
2. 脂酰基‑CoA 進入線粒體基質	細胞質 → 線粒體（內膜）	Carnitine shuttle：<br>① CPT I (外膜)：$\text{FA‑CoA} + \text{Carnitine} \xrightarrow{\text{CPT I}} \text{FA‑Carnitine} + \text{CoA}$<br>② CACT (跨膜載體)：FA‑Carnitine 進入基質<br>③ CPT II (內膜)：$\text{FA‑Carnitine} + \text{CoA} \xrightarrow{\text{CPT II}} \text{FA‑CoA} + \text{Carnitine}$	再次得到脂肪酰‑CoA 於基質	脂酰‑CoA 無法直接穿過內膜；Carnitine 載體提供「可溶於水」的載體形式，使脂酰基安全跨膜。CPT I 受 Malonyl‑CoA 抑制，保證脂肪酸氧化與脂質合成互斥。
3. β‑oxidation 循環（每兩碳一次）	線粒體基質	每個循環包含四個步驟：<br>① 氧化 (Acyl‑CoA dehydrogenase)：$\text{FA‑CoA}_{(n)} + \text{FAD} \rightarrow \text{trans‑Δ²‑enoyl‑CoA}_{(n-2)} + \text{FADH}_2$<br>② 加水 (Enoyl‑CoA hydratase)：$\text{trans‑Δ²‑enoyl‑CoA} + \text{H}_2O \rightarrow \text{L‑3‑hydroxyacyl‑CoA}$<br>③ 再氧化 (L‑3‑hydroxyacyl‑CoA dehydrogenase)：$\text{L‑3‑hydroxyacyl‑CoA} + \text{NAD}^+ \rightarrow \text{3‑ketoacyl‑CoA} + \text{NADH} + \text{H}^+$<br>④ 硫解 (β‑ketoacyl‑CoA thiolase)：$\text{3‑ketoacyl‑CoA}_{(n)} + \text{CoA} \rightarrow \text{Acetyl‑CoA} + \text{FA‑CoA}_{(n-2)}$	每循環產生：<br>• 1 FADH₂ → 約 $1.5$ ATP（電子傳遞鏈）<br>• 1 NADH → 約 $2.5$ ATP<br>• 1 Acetyl‑CoA（後續進入 TCA 循環）	這四步協同把 β‑碳–α‑碳鍵 逐步切除成兩碳的 Acetyl‑CoA，並同時釋放還原當量（FADH₂、NADH），為氧化磷酸化提供能量。

核心觀念
本題測驗的是「基因表達調控」的概念：當細胞內 X 基因的表達量提升時，會透過哪些分子機制最終導致目標 mRNA 的量增加。必須從 轉錄層面、mRNA 後轉錄調控（穩定性、加工、運輸）以及 負回饋/訊號放大 等三大方向切入。

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(a) 轉錄層面的正向調控

1. X 基因產物作為轉錄因子或共活化因子

   • X 基因編碼的蛋白質（或非編碼 RNA）直接結合目標基因的啟動子 / 增強子，招募 RNA polymerase II。
   • $\text{PolII}_{\text{recruit}} \propto [\text{X protein}]$

2. 染色質開放與表觀調控

   • X 基因的上調可促進 組蛋白乙醯化 (H3K27ac)、DNA 去甲基化，使目標基因染色質結構從異染色質轉為常染色質，提升轉錄活性。
   • $\text{Transcription rate} \propto \text{Ac}(H3) + \text{Demeth}(DNA)$

3. 訊號傳導路徑放大

   • X 基因上調激活 MAPK、PI3K/Akt 等訊號通路，這些通路可磷酸化 Transcription factor (TF)，提升其 DNA 結合與活化能力。
   • $\text{TF}_{\text{active}} = f(\text{p-ERK},\text{p-Akt})$

4. 增強子‑啟動子循環 (enhancer‑promoter looping)

   • X 產物可促進 Mediator 複合體 結合增強子與啟動子，增加 RNA Pol II 的起始效率。

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(b) 後轉錄層面的 mRNA 穩定化

1. 5' 端帽結構 (capping) 加強

   • X 基因產物（例如 capping酶）提升 mRNA 5' 端帽的添加率，防止 5' → 3' 端的 XRN1 降解。

2. 3' 端多腺苷酸化 (polyadenylation) 延長

   • 促進 CstF、CPSF 複合體的活性，使 poly(A) 尾較長，提升 mRNA 穩定性。

核心概念
本題測驗的是「哪些胺基酸的側鏈或胺基端具備可接受特定化學基團的功能基」，亦即常見的翻譯後修飾 (post‑translational modifications, PTMs)。判斷依據主要是側鏈上是否有可供酶認識的羥基、胺基或胺基端氮原子。

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(a) 可接受 磷酸化 (phosphorylation) 的胺基酸

磷酸化是由蛋白激酶把一個磷酸基 ($\mathrm{PO_4^{3-}}$) 加到側鏈的羥基或其他可脫氫的原子上。常見的受體胺基酸如下：

胺基酸	簡寫	受磷酸化的官能基	為何可磷酸化
絲氨酸	Ser (S)	–OH (側鏈羥基)	羥基的氧可形成酯鍵，易被蛋白激酶加上磷酸
蘇氨酸	Thr (T)	–OH (側鏈羥基)	同上，羥基類似於Ser但有額外甲基
酪氨酸	Tyr (Y)	–OH (芳環羥基)	芳環的酚羥基可被酪氨酸激酶磷酸化

說明：在真核細胞的常規訊號傳遞中，以上三種胺基酸佔 90% 以上的磷酸化位點。細菌的二組分系統還會利用 組氨酸 (His)、天冬氨酸 (Asp)、谷氨酸 (Glu) 形成磷酸酯，但這在題目所述的考試範圍（生物化學）通常僅列出 Ser、Thr、Tyr。

【答案】Ser、Thr、Tyr

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(b) 可接受 糖基化 (glycosylation) 的胺基酸

糖基化是將醣類（多為六碳糖）以糖苷鍵連接至蛋白質。依結合方式分為 N‑鏈 與 O‑鏈：

糖基化類型	受糖基化的胺基酸	作用位點	為何可糖基化

核心觀念
本題測驗的是細胞內（細胞質）與細胞外（分泌）蛋白的基本特性與定位機制，以及常用的分子生物與生化技術來鑑別兩者的能力。

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(a) Cytosolic proteins vs. Secreted proteins

項目	Cytosolic proteins（細胞質蛋白）	Secreted proteins（分泌蛋白）
定位	位於細胞質（細胞膜與細胞核之間）	透過分泌通路釋放至細胞外或進入細胞外基質
合成起點	無信號肽（signal peptide）<br>直接在細胞質核糖體合成	具有 N‑端信號肽（約 15–30 aa）<br>在粗面內質網（RER）結合信號識別顆粒（SRP）後導入 ER
翻譯後處理	無特別的內質網/高爾基體修飾（除非是雙定位蛋白）	進入 ER 後經過 N‑端信號肽切除、糖基化、二硫鍵形成、折疊等<br>之後經高爾基體、囊泡運輸至細胞膜或分泌
結構特徵	多為親水性、無跨膜區域<br>可能含有特定的介面（如酶活性位點）	常含有信號肽、可能有糖基化位點、可能具跨膜區域（若為膜分泌蛋白）
功能例子	細胞骨架蛋白（actin）、代謝酶（GAPDH）<br>信號傳導分子（kinase）	細胞因子（IL‑6）、酵素（胰島素）、抗體、酶（胰蛋白酶）
細胞定位決定因素	內部翻譯、缺乏信號序列與 ER 目標訊號	N‑端信號肽 + SRP 系統 → ER → 高爾基體 → 分泌路徑

為什麼會有這些差異

• 信號肽是分泌蛋白的「地址標籤」，由核糖體翻譯初期即被 SRP 偵測，暫停翻譯並將核糖體-肽鏈複合物導向 ER。缺乏此標籤的蛋白則持續在細胞質中完成翻譯與摺疊。
• 翻譯後修飾（如糖基化）只能在 ER/高爾基體發生，故僅分泌蛋白會呈現此類修飾，進一步提供分泌蛋白的功能與穩定性。

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(b) 偵測 Cytosolic 與 Secreted proteins 的技術

技術	可辨識的特徵	主要應用
細胞分級與離心	透過細胞裂解與分離得到細胞質與培養上清（secretome）	初步分離兩類蛋白，作後續分析的前處理