108 年 國立臺灣大學藥理學系研究所《生化學》

核心觀念

Cre recombinase 會辨認兩個 LoxP 位點，並依兩個位點的相對方向產生不同結果：

• 相反方向排列：中間 DNA 片段會發生反轉（inversion）。
• 相同方向排列：中間 DNA 片段會被切除，形成環狀 DNA（excision/deletion）。

LoxP 位點在重組後仍會被重新形成。

解題方法

先判斷兩個 LoxP 位點的箭頭方向，再依方向套用規則：

1. 兩位點方向相反 → 將兩位點之間的序列反轉。
2. 兩位點方向相同 → 刪除兩位點之間的序列，並形成兩個重組產物。

第一個 DNA：相反方向

圖中第一個 DNA 可表示為：

$$a\; \blacktriangleright\; b\;c\; \triangleleft\;d$$

兩個 LoxP 位點方向相反，因此位於兩者之間的 $b,c$ 片段會反轉：

$$a\; \blacktriangleright\; c\;b\; \triangleleft\;d$$

核心觀念

RNA 聚合酶沿著 DNA 模板股以 $3' \rightarrow 5'$ 方向移動，同時使新生 RNA 以 $5' \rightarrow 3'$ 方向延伸。

在 DNA 兩端受到固定、RNA 聚合酶無法自由旋轉時：

• RNA 聚合酶前方產生 正超螺旋（positive supercoils）
• RNA 聚合酶後方產生 負超螺旋（negative supercoils）

解題方法

圖中顯示：

核心觀念

DNA 超螺旋的形成與扭轉應力有關。DNA 拓撲學常用下式表示：

$$Lk = Tw + Wr$$

其中 $Lk$ 為連結數、$Tw$ 為雙股 DNA 的扭轉數、$Wr$ 為超螺旋繞曲數。當 DNA 的末端或 RNA polymerase 受到固定，轉錄時 DNA 不能自由釋放扭力，便會在 RNA polymerase 前方形成正超螺旋、後方形成負超螺旋。

解題方法

題目改變的條件是：RNA polymerase 可以繞著 DNA 軸自由旋轉。

當 RNA polymerase 沿模板前進時，原本會累積在 DNA 上的扭轉應力，可以藉由 polymerase 自身旋轉來釋放。因此：

核心觀念

本題考查 dot plot（點圖分析） 判讀核苷酸序列的同源區段。

• 橫軸：人類 $\beta$-globin gene，長約 $2052$ 個核苷酸。
• 縱軸：人類 $\beta$-globin cDNA，長約 $549$ 個核苷酸。
• 每次比較 $11$ 個核苷酸；若至少 $9$ 個相同，便在相應座標標出一點。
• 序列連續同源時，會形成正斜率對角線。

cDNA 是由成熟 mRNA 反轉錄而來，因此只包含被剪接後保留的 exons，不包含 introns。

解題方法

沿著縱軸由 $5'$ 端往 $3'$ 端觀察：

1. cDNA 的第一段序列在 gene 的 $5'$ 端找到一段同源對角線，代表第一個 exon。
2. 接著在 gene 的橫軸方向出現一大段空白，但縱軸沒有相對應的空白，表示 gene 中有一段存在、cDNA 中沒有的序列，即第一個 intron。
3. 後續又出現同源對角線，代表第二個 exon。
4. 再經過另一段橫軸方向的空白區，表示第二個 intron。
5. 最後的同源對角線位於 gene 的 $3'$ 端，代表第三個 exon。

因此，$\beta$-globin gene 的結構為：

$$5' \;-\; \text{exon 1} \;-\; \text{intron 1} \;-\; \text{exon 2} \;-\; \text{intron 2} \;-\; \text{exon 3} \;-\; 3'$$

核心觀念

本題考查環狀雙股 DNA 的複製起始點（origin of replication）與複製中間體的判讀。

• 一個複製起始點若採雙向複製，會形成一個 DNA 複製泡（replication bubble）。
• 一個複製泡具有兩個複製叉（replication forks），但仍只代表一個複製起始點。
• 使用只切一處的限制酶後，每個環狀 DNA 分子會被切成一條線性 DNA，因此可直接觀察複製泡或其延伸形成的「H」形結構。

解題方法

觀察圖中的各個 DNA 分子，可以看到每個複製中的分子皆只有一個複製泡，或是一個複製泡延伸後形成的「H」形複製中間體。

核心觀念

DNA 複製方向可分為：

• 單向複製：由複製起點產生一個複製叉，複製只向一側前進。
• 雙向複製：由複製起點產生兩個複製叉，分別向相反方向前進，形成逐漸擴大的複製泡。

解題方法

圖中原始 DNA 經單一切點限制酶切開後，可觀察到複製泡（replication bubble）及其後續的 H 型結構。複製泡兩側各有一個分叉端，表示複製叉由同一複製起點向左右兩側同時延伸。

因此，複製起點產生兩個相反方向移動的複製叉：

此題考驗對細胞膜結構與功能的理解，特別是膜蛋白的種類及其與膜的相互作用方式。

膜蛋白的種類 (Kinds of Membrane Proteins)：

膜蛋白可以根據其與細胞膜的結合方式以及功能進行分類。常見的分類方式如下：

1. 整合蛋白 (Integral Proteins)：

   • 這些蛋白質嵌入或穿過脂雙層。
   • 它們通常具有疏水區域（與脂質疏水核心相互作用）和親水區域（暴露在細胞質或細胞外）。
   • 又可細分為：
     • 單趟跨膜蛋白 (Single-pass transmembrane proteins)： 僅穿過脂雙層一次。
     • 多趟跨膜蛋白 (Multi-pass transmembrane proteins)： 穿過脂雙層多次，常形成離子通道或載體。
     • 脂質錨定蛋白 (Lipid-anchored proteins)： 共價連接到脂質分子上，這些脂質分子嵌入膜中。

2. 周邊蛋白 (Peripheral Proteins)：

   • 這些蛋白質不嵌入脂雙層，而是通過非共價鍵（如離子鍵、氫鍵、疏水相互作用）與膜的極性表面或整合蛋白相互作用。
   • 它們通常位於細胞質側或細胞外側。

3. 脂質介導的蛋白質 (Lipid-Mediated Proteins)：

   • 嚴格來說，這是一種蛋白質與脂質的結合方式，但有時也被視為一類。蛋白質通過共價鍵連接到一個或多個脂質分子上，而這些脂質分子嵌入膜中。例如，GPI 錨定的蛋白質。

蛋白質與膜相互作用的 multiple ways (Multiple Ways Proteins Interact with Membranes)：

蛋白質與膜的相互作用是多樣化的，這取決於蛋白質的結構和膜的組成。

1. 疏水相互作用 (Hydrophobic Interactions)：

   • 整合蛋白的疏水區域與脂雙層的疏水尾部相互作用，將蛋白質錨定在膜中。這是整合蛋白與膜結合的主要方式。

2. 靜電相互作用/離子鍵 (Electrostatic Interactions/Ionic Bonds)：

此題考驗對尿素循環（urea cycle）與三羧酸循環（TCA cycle，又稱檸檬酸循環）之間聯繫的理解，以及 TCA 循環對尿素循環的重要性。

尿素循環 (Urea Cycle)：
尿素循環是哺乳動物體內將過剩的氨（NH$_3$，主要來自氨基酸代謝）轉化為尿素（urea）並排出體外的代謝途徑。尿素最終通過腎臟排出。尿素循環主要發生在肝臟。

尿素循環的總反應式可以簡化為：
$2 NH_3 + CO_2 + Aspartate \rightarrow Urea + Fumarate + AMP + PPi$

尿素循環的關鍵步驟：

1. 氨基甲醯磷酸合成 (Carbamoyl phosphate synthesis)： 氨基甲醯磷酸合成酶 I (CPS I) 催化氨、$CO_2$（以碳酸氫根 $HCO_3^-$ 形式）和 ATP 轉化為氨基甲醯磷酸。此步驟需要 N-乙醯麩胺酸 (NAGS) 作為變構活化劑。
   $NH_3 + HCO_3^- + 2 ATP \rightarrow Carbamoyl~phosphate + 2 ADP + Pi$
2. 鳥糞尿素循環 (Citrulline synthesis)： 氨基甲醯磷酸與鳥胺酸（ornithine）縮合，形成瓜氨酸（citrulline），催化酶為鳥胺酸轉氨甲醯化酶 (OTC)。
   $Carbamoyl~phosphate + Ornithine \rightarrow Citrulline + Pi$
3. 精胺酸基丁二酸合成 (Argininosuccinate synthesis)： 瓜氨酸與天門冬胺酸（aspartate）在 ATP 參與下縮合，形成精胺酸基丁二酸（argininosuccinate），催化酶為精胺酸基丁二酸合成酶 (ASS)。
   $Citrulline + Aspartate + ATP \rightarrow Argininosuccinate + AMP + PPi$
4. 精胺酸和富馬酸產生 (Arginine and Fumarate formation)： 精胺酸基丁二酸被精胺酸基丁二酸裂解酶 (ASL) 分解為精胺酸（arginine）和富馬酸（fumarate）。
   $Argininosuccinate \rightarrow Arginine + Fumarate$
5. 尿素產生 (Urea formation)： 精胺酸被精胺酸酶 (Arginase) 水解，產生尿素和鳥胺酸。鳥胺酸重新進入循環。
   $Arginine + H_2O \rightarrow Urea + Ornithine$

TCA 循環 (Tricarboxylic Acid Cycle)：
TCA 循環是細胞呼吸的核心部分，發生於粒線體基質。它將乙醯輔酶 A (acetyl-CoA) 氧化，產生 $CO_2$、ATP (或 GTP)、NADH 和 $FADH_2$。

TCA 循環的關鍵中間產物與尿素循環的聯繫：

1. 天門冬胺酸 (Aspartate) 的來源：
   • 尿素循環需要天門冬胺酸作為氮源（提供第二個氨基）。

此題考驗對多醣體結構（特別是葡萄糖組成的同質多醣）與其分子內鍵結方式如何影響其空間結構（螺旋或平面結構）的理解。

同質多醣 (Homopolysaccharides)：
由單一種類的單醣單元重複連接而成的多醣。以葡萄糖為例，常見的同質多醣包括澱粉（starch）、肝醣（glycogen）和纖維素（cellulose）。

分子內鍵結方式的影響：
多醣鏈的空間結構主要由單醣單元之間的糖苷鍵（glycosidic bond）的類型決定。糖苷鍵的類型取決於參與鍵結的單醣單元的碳原子位置以及其構型（α 或 β）。

1. α-糖苷鍵 (α-glycosidic bonds)：

   • 當葡萄糖單元通過 α-糖苷鍵連接時，通常會形成較為彎曲或螺旋狀的結構。
   • 例如：
     • 澱粉 (Starch)： 主要由 α-(1→4) 鍵連接的葡萄糖組成，兩端可能連接到 α-(1→6) 鍵。α-(1→4) 鍵的構型使得葡萄糖鏈傾向於形成螺旋結構。直鏈澱粉 (amylose) 形成單一螺旋，支鏈澱粉 (amylopectin) 則有 α-(1→6) 鍵分支，形成更複雜的螺旋結構，且分支點會造成螺旋的扭曲。
     • 肝醣 (Glycogen)： 結構類似支鏈澱粉，但分支更密集，也是由 α-(1→4) 和 α-(1→6) 鍵組成，形成高度分支的螺旋結構。

2. β-糖苷鍵 (β-glycosidic bonds)：

   • 當葡萄糖單元通過 β-糖苷鍵連接時，葡萄糖單元沿著鏈的延伸方向會呈現出相對平坦或直線延伸的構象。
   • 例如：
     • 纖維素 (Cellulose)： 由 β-(1→4) 鍵連接的葡萄糖組成。β-(1→4) 鍵的構型使得葡萄糖單元以一種「反向」的方式連接，導致整個多醣鏈呈現出相對直鏈、平坦的結構。多條纖維素鏈可以平行排列，通過氫鍵相互結合，形成堅固的纖維結構。

總結：

核心觀念

本題考查血紅蛋白的 Bohr effect（波耳效應）：血液中二氧化碳濃度增加時，血紅蛋白對氧氣的親和力下降，使氧合血紅蛋白解離曲線向右移動，促進組織獲得氧氣。

判斷重點如下：

• $\mathrm{CO_2}$ 增加
• 血液中 $\mathrm{H^+}$ 增加、pH 下降
• 血紅蛋白對 $\mathrm{O_2}$ 的親和力下降
• 在相同的 $P_{\mathrm{O_2}}$ 下，血紅蛋白結合的氧量減少
• 氧合血紅蛋白較容易釋放氧氣至組織

解題方法

先判斷 $\mathrm{CO_2}$ 增加對血液酸鹼度與血紅蛋白構形的影響，再連結至氧氣解離曲線。

$\mathrm{CO_2}$ 進入紅血球後，在碳酸酐酶催化下與水反應：

$$\mathrm{CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-}$$

因此，$\mathrm{CO_2}$ 濃度增加會使 $\mathrm{H^+}$ 濃度上升，造成 pH 降低。增加的 $\mathrm{H^+}$ 可與血紅蛋白上的胺基酸殘基結合，特別是組胺酸等具有可質子化側鏈的殘基，使血紅蛋白較穩定於去氧型的 T state（tense state）。

血紅蛋白由去氧型的 T state 轉變為氧合型的 R state 時，氧氣親和力會增加；而 $\mathrm{H^+}$ 使 T state 穩定，便會抑制 T state → R state 的轉換。因此：

$$\text{血紅蛋白對 } \mathrm{O_2} \text{ 的親和力下降}$$

在氧氣解離曲線上表現為右移：

$$P_{50}\uparrow$$

其中 $P_{50}$ 是血紅蛋白達到百分之五十氧飽和度時所需的氧分壓。$P_{50}$ 增加代表需要更高的氧分壓才能達到相同飽和度，也就是氧氣親和力下降。

直接的二氧化碳作用

除經由酸化作用間接影響血紅蛋白外，$\mathrm{CO_2}$ 也能直接與血紅蛋白的游離胺基反應，形成 carbamate（氨基甲酸酯），生成 carbaminohemoglobin：

$$\mathrm{Hb{-}NH_2 + CO_2 \rightleftharpoons Hb{-}NH{-}COO^- + H^+}$$

此反應會：

核心觀念

蛋白質變性（protein denaturation）是指蛋白質的天然立體構形遭到破壞，使其二級、三級或四級結構改變，因而喪失原有的生物活性；一般而言，蛋白質的一级結構，也就是胜肽鍵所連接的胺基酸序列，並未被破壞。

蛋白質的立體結構主要由下列作用力維持：

• 氫鍵
• 疏水作用
• 靜電作用與鹽橋
• 范德華力
• 二硫鍵
• 與金屬離子或輔基的配位作用

只要破壞這些作用力中的一種或數種，即可能造成蛋白質變性。變性不一定會使蛋白質完全分解，但常會使疏水性區域暴露，進一步造成蛋白質聚集或沉澱。

解題方法

題目要求列出三種以上蛋白質變性的方法，因此可從「物理因素」與「化學因素」兩個方向作答。每一種方法均應附上其造成變性的主要原因，答案才完整。

1. 加熱

升高溫度會增加蛋白質分子的熱運動，破壞穩定二級、三級與四級結構的氫鍵、疏水作用及弱的非共價作用力。

例如蛋白加熱後凝固，便是蛋白質展開並彼此聚集的結果。蛋白質通常不會因一般加熱而立即破壞胜肽鍵，因此主要屬於構形變性。

2. 極端酸鹼值

強酸或強鹼會改變胺基酸側鏈的電離狀態，使原有的鹽橋與靜電作用遭到破壞，也會改變蛋白質分子表面的電荷分布。

當溶液 pH 遠離蛋白質的適宜範圍時，蛋白質容易展開；在接近等電點時，分子間的排斥力降低，也特別容易聚集沉澱。

3. 有機溶劑

乙醇、甲醇、丙酮等有機溶劑會改變水的介電環境與蛋白質周圍的水合層，破壞氫鍵及疏水作用，使蛋白質構形不穩定。

有機溶劑也可能使蛋白質的疏水區域暴露，促進分子間聚集。

4. 去污劑

例如 SDS（sodium dodecyl sulfate）可與蛋白質的疏水區域結合，破壞疏水作用，使蛋白質展開。SDS 同時帶有負電荷，會使蛋白質整體帶有大量負電荷，進一步破壞原本的靜電作用。

SDS 因此可使蛋白質失去天然構形，但通常不會切斷胜肽鍵。

5. 尿素或鹽酸胍

高濃度尿素（urea）及鹽酸胍（guanidinium hydrochloride）是常見的變性劑。它們可干擾蛋白質內部及蛋白質與水之間的氫鍵，並削弱疏水作用，使蛋白質由天然構形轉為展開構形。

這類變性劑常用於蛋白質純化、蛋白質折疊研究及包涵體蛋白的溶解。

6. 還原劑

二硫鍵是由兩個半胱胺酸殘基氧化形成的共價鍵：

$$2\text{Cys-SH} \rightleftharpoons \text{Cys-S-S-Cys} + 2\text{H}^{+} + 2e^{-}$$

β-巰基乙醇（β-mercaptoethanol）及 DTT（dithiothreitol）可還原二硫鍵，使其轉變為兩個巰基：

核心觀念

本題考查「能進行放氧型光合作用的生物」所具備的代謝途徑。代表生物包括植物、藻類與藍綠菌。判斷時不能只列出光合作用專有反應，還要考慮這些生物同時也需要進行一般的醣類分解與細胞呼吸。

放氧型光合作用可概括為：

1. 光反應：利用光能產生 ATP 與 NADPH，並將水氧化成氧氣。
2. Calvin cycle：利用 ATP 與 NADPH 固定二氧化碳，合成醣類。
3. 細胞呼吸：分解有機物，經由糖解作用、檸檬酸循環與氧化磷酸化產生 ATP。

因此，題目中的六個代謝過程均可在具放氧型光合作用能力的生物中發生。

解題方法

先將選項分成兩類：

• 光合作用相關途徑：Calvin cycle、cyclic photophosphorylation、non-cyclic photophosphorylation。
• 細胞呼吸相關途徑：glycolysis、citric acid cycle、oxidative phosphorylation。

只要該生物能進行放氧型光合作用，就必須具備光反應與碳固定途徑；同時，光合生物也會分解醣類進行細胞呼吸。因此六項皆應圈選。

選項分析

(A) Glycolysis

正確。

Glycolysis（糖解作用）將葡萄糖分解成丙酮酸，發生於細胞質基質，並產生少量 ATP 與 NADH：

$$\text{Glucose} \rightarrow 2\text{ Pyruvate}$$

光合生物合成的醣類可作為細胞呼吸的原料，因此植物、藻類與藍綠菌均可進行糖解作用。

(B) Citric acid cycle

正確。

Citric acid cycle（檸檬酸循環，又稱 Krebs cycle）將丙酮酸衍生的乙醯輔酶 A 完全氧化，產生二氧化碳、NADH、FADH₂ 與少量 GTP 或 ATP。

在真核光合生物中，主要發生於粒線體基質；在原核的藍綠菌中，則於細胞質及細胞膜相關區域進行。光合生物仍需利用此途徑分解有機物，因此此選項正確。

(C) Oxidative phosphorylation

正確。

Oxidative phosphorylation（氧化磷酸化）利用電子傳遞鏈建立質子梯度，再由 ATP synthase 合成 ATP：

$$\text{NADH/FADH}_2 \rightarrow \text{電子傳遞鏈} \rightarrow \text{質子梯度} \rightarrow \text{ATP}$$

植物與藻類可在粒線體進行氧化磷酸化；藍綠菌則可在細胞膜進行。這是細胞呼吸產生 ATP 的重要機制，並非只有動物才具備。

(D) Calvin cycle

核心觀念

核受體（nuclear receptor）通常接受可穿過細胞膜的脂溶性激素，包括：

• 類固醇激素
• 維生素 D 衍生物
• 維生素 A／視黃酸（retinoic acid）衍生物

這些激素進入細胞後，與細胞質或細胞核內的受體結合，調控基因轉錄。

解題方法

依結構判斷各激素的來源：

• C、F：具有典型四環類固醇骨架，屬於膽固醇衍生的類固醇激素。
• G：為維生素 D 衍生物，可與維生素 D 核受體結合。
• E：具有長鏈共軛雙鍵與羧酸基，為視黃酸類維生素 A 衍生物，可與核受體結合。
• A、B：屬於花生四烯酸衍生的類花生酸（eicosanoid），主要透過細胞膜上的受體作用。
• D：為含吲哚環與胺基的胺類激素結構，屬於親水性訊號分子。
• H：為胜肽／蛋白質類激素，無法直接穿過脂雙層。

因此可與核受體結合的是 $C、E、F、G$。

選項分析

核心觀念

Eicosanoid（類二十碳烷酸）是由二十碳多元不飽和脂肪酸，主要是花生四烯酸，經酵素代謝形成的局部荷爾蒙，包括：

• 前列腺素（prostaglandins）
• 血栓烷（thromboxanes）
• 白三烯（leukotrienes）

其結構通常具有約 $20$ 個碳原子、羧酸基，以及由多元不飽和脂肪酸衍生出的長鏈或環狀骨架。

解題方法

觀察各結構的基本骨架：

• B 具有羧酸基、長碳鏈及由花生四烯酸衍生的環狀結構，符合前列腺素類 eicosanoid 的典型特徵。
• C、F、G 具有類固醇骨架，屬於膽固醇衍生物。
• E 是視黃酸類結構，屬於維生素 A 衍生物。
• D、H 分別屬於胺基酸衍生物與胜肽類結構。

因此，符合 eicosanoid 定義的是 B。

選項分析

核心觀念

膽固醇衍生的荷爾蒙主要包括：

• 類固醇荷爾蒙：由膽固醇骨架改造而來，例如雌激素、腎上腺皮質荷爾蒙。
• 維生素 D 活性代謝物：由膽固醇衍生物 $7$-dehydrocholesterol 經紫外線照射與羥化形成，例如 $1,25$-dihydroxyvitamin D₃。

圖中：

• C：具有典型四環類固醇骨架，屬於性荷爾蒙。
• F：具有典型四環類固醇骨架，屬於腎上腺皮質類固醇。
• G：為 $1,25$-dihydroxyvitamin D₃，屬於維生素 D 衍生物，而維生素 D 源自膽固醇衍生物。

因此，膽固醇衍生的荷爾蒙為：

$$C、F、G$$

選項分析

核心觀念

維生素衍生型激素主要包括：

• 維生素 A 衍生物：如 retinoic acid，具有維生素 A 的 β-紫羅酮環與共軛多烯鏈。
• 維生素 D 衍生物：如 calcitriol（1,25-dihydroxyvitamin D₃），由膽固醇骨架經光化學反應形成的 secosteroid。

解題方法

逐一辨認圖中分子的結構來源：

• E 具有 β-紫羅酮環、長鏈共軛雙鍵與末端羧酸，符合 retinoic acid（視黃酸），屬於維生素 A 衍生物。
• G 具有維生素 D 特有的開環類固醇骨架，且圖中標示 $1,25-\mathrm{OH}$，符合 1,25-dihydroxyvitamin D₃（calcitriol），屬於維生素 D 衍生物。

因此，維生素衍生型激素為 E、G。

核心觀念

本題考查「配體（ligand）」的定義及其在細胞訊息傳遞中的角色。

配體是能與特定受體（receptor）以高度專一性結合的分子。配體與受體結合後，會改變受體的構形或活性，進而啟動細胞內的訊息傳遞反應，例如：

• 活化 G protein
• 改變腺苷酸環化酶（adenylyl cyclase）活性
• 改變細胞內 cyclic AMP（cAMP）濃度
• 啟動蛋白質激酶級聯反應
• 調控基因表現或細胞代謝

配體本身不一定是蛋白質，也不一定位於細胞膜上；荷爾蒙、神經傳導物質、細胞激素及某些藥物都可以是配體。

解題方法

判斷配體的關鍵是抓住兩個條件：

1. 配體是「能與受體結合的分子」。
2. 此結合會引發細胞內的生理或訊息傳遞變化。

符合「分子附著於受體，並觸發細胞內變化」的敘述，即為配體的正確定義。

選項分析

(A) A small membrane-bound protein generating important signals within the cell

錯誤。此選項將配體限定為「小型、膜結合蛋白質」，但配體的種類非常廣泛，不限於蛋白質，也不限於膜結合形式。例如腎上腺素、胰島素及神經傳導物質都可作為配體。膜結合蛋白質也可能是受體或訊息傳遞相關蛋白，而不一定是配體。

(B) An enzyme that hydrolyzes GTP to GDP

錯誤。能催化 GTP 水解為 GDP 的蛋白質通常是 GTPase，例如 G protein 的 $\alpha$ 次單元。GTPase 負責調控訊息傳遞的開關狀態：

核心觀念

本題考查「第二傳訊者（second messenger）」在 G 蛋白偶聯受體（GPCR）訊息傳遞中的角色。

腎上腺素（adrenaline）與 β-腎上腺素受體結合後，主要啟動 $G_s$ 蛋白路徑：

$$\text{Adrenaline} \rightarrow \text{GPCR} \rightarrow G_s\text{ 蛋白} \rightarrow \text{Adenylate cyclase} \rightarrow \text{cAMP} \rightarrow \text{PKA}$$

第二傳訊者是指：由細胞外第一傳訊者（如腎上腺素）引發，在細胞內生成或釋放，並負責將訊號放大、傳遞至下游的細胞內小分子。

在此路徑中，腎上腺素是第一傳訊者，而 cyclic AMP（cAMP）是第二傳訊者。

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解題方法

依照「訊息傳遞的位置與功能」判斷：

1. 腎上腺素位於細胞外，負責與 GPCR 結合，是第一傳訊者。
2. GPCR 活化異源三聚體 G 蛋白。
3. G 蛋白的 $\alpha$ 次單元將 GDP 置換成 GTP，形成活化狀態。
4. $G_s\alpha$-GTP 活化 adenylate cyclase。
5. Adenylate cyclase 催化 ATP 轉變成 cAMP：

$$\text{ATP} \rightarrow \text{cAMP}+\text{PP}_i$$

6. cAMP 在細胞內擴散，活化 protein kinase A（PKA），進一步造成蛋白質磷酸化與細胞反應。

因此，真正符合「由受體刺激後在細胞內生成，並傳遞訊號的小分子」定義者為 cAMP。

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選項分析

(A) GTP

核心觀念

本題考查細胞膜受體的種類，以及不同膜蛋白在細胞訊息傳遞中的功能。

**Ligand-gated ion channel（配體門控離子通道）**是同時具有「受體」與「離子通道」功能的膜蛋白。當特定配體（如神經傳導物質）與其細胞外結合位點結合後，通道迅速開啟或關閉，使特定離子通過細胞膜，造成膜電位或細胞內離子濃度改變。

其基本作用流程為：

$$\text{配體結合} \rightarrow \text{通道構形改變} \rightarrow \text{離子快速流動} \rightarrow \text{膜電位改變或細胞反應}$$

此類通道的特色是反應速度非常快，通常可在毫秒等級產生作用，因此常見於神經元與肌肉細胞等必須迅速接收、傳遞外界訊號的細胞。

解題方法

判斷關鍵在於掌握「配體門控」與「快速反應」的關係。

配體門控離子通道的功能不是先啟動複雜的基因表現或長鏈訊號傳遞，而是直接改變離子通透性。例如：

• Acetylcholine 結合 nicotinic acetylcholine receptor，使陽離子通道開啟。
• Glutamate 結合 AMPA receptor，使陽離子快速流入神經元。
• GABA 結合 GABA$_A$ receptor，使氯離子通道開啟，通常造成抑制性反應。

因此，題目所描述的細胞應具有「需要快速回應外界刺激」的特徵，最符合選項為 (C)。

選項分析

(A) Cells that are terminally differentiated

終末分化細胞是已完成分化、通常不再進行細胞分裂的細胞，例如成熟神經元或肌肉細胞。雖然部分終末分化細胞確實具有配體門控離子通道，但「終末分化」不是此類通道存在的主要判定條件。

此題考驗對 G 蛋白偶聯受體 (GPCR) 的基本結構特徵的了解。

G 蛋白偶聯受體 (GPCRs)：
GPCRs 是一大類細胞膜受體，它們具有一個共同的結構特徵：它們的蛋白質鏈穿過細胞膜七次。這種結構使其能夠感知細胞外的信號分子（配體），並將信號傳遞到細胞內，通過激活細胞內的 G 蛋白來啟動一系列細胞反應。

此題考驗對細胞內信號傳導通路中，將 ATP 轉化為環磷酸腺苷 (cAMP) 的酶的認識。cAMP 是一種重要的第二信使。

第二信使 cAMP 的生成：
cAMP 是由細胞內的一種關鍵酶催化的。這種酶將 ATP 分子中的兩個磷酸基團（β 和 γ 磷酸）之間的高能磷酸鍵斷開，並將 AMP 的 3' 碳原子與斷開的磷酸基團之間形成一個新的磷酸二酯鍵，從而形成一個環狀結構

此題考驗對磷脂酶 C (Phospholipase C, PLC) 作用的理解，以及它如何將 PIP2 裂解成兩種重要的細胞內信號分子。

PIP2 的作用：
磷脂酰肌醇 4,5-二磷酸 (PIP2) 是一種嵌入細胞膜的磷脂，它不僅是細胞膜的結構成分，也是一個重要的信號分子前體。許多細胞外信號（通過 GPCRs 或受體酪胺酸激酶）會激活磷脂酶 C。

磷脂酶 C (PLC) 的作用：
磷脂酶 C 是一種酶，它能夠特異性地水解 PIP2。PLC 的作用是斷開 PIP2 分子中甘油骨架的磷酸二酯鍵。

PIP2 的結構：
PIP2 是一個磷脂，其結構包括：

• 一個甘油骨架 (glycerol backbone)。
• 連接到甘油骨架的兩個脂肪酸鏈。
• 連接到甘油骨架的磷酸基團，這個磷酸基團上又連接了兩個磷酸基團（形成 4,5-二磷酸）。
• 連接到甘油骨架的磷酸基團的另一端，還連接有一個肌醇分子 (inositol)。

核心觀念

本題考查膽固醇（cholesterol）的化學分類、分子結構、細胞膜功能，以及其作為重要生理分子前驅物的角色。

膽固醇屬於固醇（sterol），也是動物細胞膜中的主要脂質之一。其分子具有：

• 四個稠合的碳環，構成固醇核心。
• 第 3 碳位置的羥基（$-OH$）。
• 第 5、6 碳之間的一個雙鍵。
• 第 17 碳位置連接由碳氫鏈構成的側鏈。
• 分子式為 $\mathrm{C_{27}H_{46}O}$。

膽固醇的羥基具有親水性，而四環結構與側鏈具有疏水性，因此是兩親性分子（amphipathic molecule）。此特性使它能嵌入細胞膜的磷脂雙層中。

解題方法

題目要求說明「膽固醇是什麼」以及「對身體的重要性」，可採用以下架構作答：

1. 先定義膽固醇的化學分類與結構。
2. 說明膽固醇在細胞膜中的功能。
3. 說明膽固醇作為生合成前驅物的功能。
4. 補充膽固醇平衡失常造成的疾病意義。

這樣能同時涵蓋分子層次、細胞層次與整體生理層次。

膽固醇的結構與性質

膽固醇是由異戊二烯單位衍生而來的脂質，屬於固醇類，而非三酸甘油酯或磷脂。它具有剛性的四環結構，因此與一般具有高度柔性的脂肪酸不同。

膽固醇分子中的羥基可與水及磷脂的極性頭部接觸；疏水性四環與側鏈則埋入脂質雙層內部。因此，膽固醇通常以羥基朝向膜表面、疏水部分位於膜內部的方式排列。

血液中的膽固醇不易直接溶於水，必須透過脂蛋白運送，包括：

• 低密度脂蛋白（LDL）：主要將膽固醇由肝臟運送至周邊組織。
• 高密度脂蛋白（HDL）：將周邊組織的膽固醇逆向運回肝臟。
• 極低密度脂蛋白（VLDL）：主要運送肝臟合成的三酸甘油酯，也攜帶膽固醇。

細胞內多餘的膽固醇可由膽固醇酰基轉移酶（ACAT）催化，與脂肪酸形成膽固醇酯：

$$\text{Cholesterol}+\text{Fatty acyl-CoA} \rightarrow \text{Cholesteryl ester}+\text{CoA}$$

膽固醇酯較為疏水，適合儲存在細胞內，也適合包裝於脂蛋白的核心。

膽固醇在細胞膜中的重要性

1. 調節膜流動性

膽固醇可依溫度調節細胞膜流動性，具有「膜流動性緩衝器」的作用。

在高溫時，磷脂脂肪酸鏈運動增加，膜容易過度流動。膽固醇的剛性環狀結構可限制脂肪酸鏈的運動，使膜不致過度鬆散。

在低溫時，磷脂脂肪酸鏈容易緊密排列並形成凝膠狀結構。膽固醇可插入磷脂之間，阻止磷脂過度規則排列，避免細胞膜凝固。

因此，膽固醇能使細胞膜在不同溫度下維持適當的流動性。

2. 降低細胞膜通透性

膽固醇填補磷脂脂肪酸鏈之間的空間，可降低小分子，特別是水溶性物質與離子，穿過脂質雙層的速度。

因此，膽固醇有助於維持細胞膜的選擇性通透性與屏障功能。

3. 參與膜微域與訊息傳遞

膽固醇可與鞘磷脂及特定膜蛋白形成較有秩序的膜微域，稱為脂筏（lipid raft）。脂筏可集中受體、訊號蛋白與細胞黏附分子，協助：

• 細胞訊息傳遞。
• 受體活化。
• 膜蛋白定位。
• 胞吞與胞吐作用。
• 細胞間辨識。

4. 維持神經細胞與髓鞘功能

神經系統含有大量膽固醇，尤其集中於髓鞘。髓鞘可增加神經纖維的電氣絕緣效果，促進動作電位快速傳導。

膽固醇作為重要生合成前驅物

1. 類固醇激素的前驅物

此題考驗對脂肪組織 (adipose tissue) 在人體內主要功能的理解。脂肪組織不僅是能量儲存的場所，還具有多種重要的內分泌和代謝功能。

脂肪組織的主要功能：

1. 能量儲存 (Energy Storage)：

   • 這是脂肪組織最為人熟知的功能。脂肪組織以三酸甘油酯 (triglycerides) 的形式儲存能量。當攝取的能量超過消耗時，多餘的能量會轉化為脂肪並儲存在脂肪細胞 (adipocytes) 中。
   • 在能量匱乏時（如飢餓或劇烈運動），脂肪細胞會分解三酸甘油酯，釋放脂肪酸 (fatty acids) 和甘油 (glycerol) 到血液中，為其他組織提供能量。

2. 絕緣與保溫 (Insulation and Thermoregulation)：

   • 脂肪組織形成一層絕緣層，包覆在身體表面，有助於減少熱量散失，維持體溫恆定，尤其是在寒冷環境中。
   • 棕色脂肪組織 (brown adipose tissue, BAT) 含有豐富的線粒體和解偶聯蛋白 1 (UCP1)，能夠通過非顫抖性產熱 (non-shivering thermogenesis) 來產生熱量，對嬰幼兒和某些成人對抗寒冷非常重要。

3. 器官保護與緩衝 (Protection and Cushioning of Organs)：

   • 脂肪組織包圍並固定在許多重要的器官周圍（如腎臟、眼睛），起到物理緩衝和保護作用，防止它們受到震動和創傷。

4. 內分泌功能 (Endocrine Function)：

   • 脂肪組織不僅是儲存場所，也是一個活躍的內分泌器官。脂肪細胞分泌多種生物活性分子，稱為脂肪因子 (adipokines) 或脂肪細胞因子 (adipocytokines)。
   • 重要的脂肪因子包括：
     • 瘦素 (Leptin)： 調節食慾、能量消耗和體重。

核心觀念

本題考查蛋白質翻譯後修飾（post-translational modification, PTM）的種類，以及各種修飾所發生的胺基酸殘基。

蛋白質完成核糖體翻譯後，特定胺基酸側鏈或蛋白質的末端可接受化學基團添加、移除或結構改變。這些修飾會影響蛋白質的：

• 活性與催化功能
• 亞細胞定位
• 穩定性與半衰期
• 蛋白質—蛋白質交互作用
• 訊號傳遞與基因表現調控

作答時需同時寫出「修飾種類」與「發生修飾的胺基酸殘基」。

解題方法

題目要求四種不同的蛋白質翻譯後修飾，因此可從常見的磷酸化、乙醯化、泛素化、醣基化等類別中，各選一種，並列出主要接受修飾的胺基酸。

判斷方式是依照修飾基團與胺基酸側鏈的化學性質配對：

• 含有羥基的胺基酸，常接受磷酸化。
• 含有胺基的胺基酸，常接受乙醯化或泛素化。
• 含有適當氮原子的胺基酸，常接受特定型式的醣基化。
• 含有硫醇基的半胱胺酸，可形成二硫鍵等氧化修飾。

四種翻譯後修飾

1. 磷酸化（phosphorylation）

磷酸化是將磷酸基團加到蛋白質上，常由蛋白質激酶催化，並可由蛋白質磷酸酶移除。

最常見的修飾殘基為：

• 絲胺酸（Ser, S）
• 蘇胺酸（Thr, T）
• 酪胺酸（Tyr, Y）

這些胺基酸具有羥基側鏈，可形成磷酸酯鍵。磷酸化會改變蛋白質的電荷與構形，常用於調控酵素活性及細胞訊號傳遞。

2. 乙醯化（acetylation）

乙醯化是將乙醯基團加到蛋白質上，最常見於離胺酸（Lys, K）的 ε-胺基：

• 離胺酸（Lys, K）

在組蛋白中，離胺酸乙醯化會中和其正電荷，降低組蛋白與帶負電 DNA 之間的作用，使染色質較為鬆散，通常有利於基因轉錄。

蛋白質的 N 端胺基也可接受乙醯化，但考試中以離胺酸作為主要答案最穩妥。

3. 泛素化（ubiquitination）

泛素化是將泛素（ubiquitin）共價接到目標蛋白質上，最典型的連接位置為：

• 離胺酸（Lys, K）

泛素的 C 端羧基會與目標蛋白質離胺酸側鏈的 ε-胺基形成異胜肽鍵。多聚泛素鏈常作為蛋白質送入 26S proteasome 降解的標記；單泛素化也可參與膜蛋白內吞、DNA 損傷反應與訊號調控。

核心觀念

本題考查蛋白質翻譯過程中，各種蛋白質因子的分工。可依翻譯流程分類：

1. 胺基酸活化與 tRNA 充填：Aminoacyl-tRNA synthetase
2. 胺基酸-tRNA 運送至核糖體：EF-Tu、EF-Ts
3. 真核生物 mRNA 的翻譯起始與穩定：Poly(A) binding protein
4. 延長階段的核糖體移位：EF-G

其中 EF-Tu、EF-Ts、EF-G 主要是細菌翻譯因子；PAB 則是典型真核生物 mRNA 調控蛋白。

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解題方法

判斷每個分子的功能時，掌握三個問題：

• 它是否直接處理胺基酸或 tRNA？
• 它是否協助 tRNA 進入核糖體？
• 它是否負責核糖體沿著 mRNA 移動？

翻譯延長階段可概括為：

$$\text{胺基酸活化} \rightarrow \text{aminoacyl-tRNA 運送} \rightarrow \text{肽鍵形成} \rightarrow \text{核糖體移位}$$

各分子分別對應上述不同步驟。

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（I）Aminoacyl-tRNA synthetase

功能

Aminoacyl-tRNA synthetase 負責將正確的胺基酸接到其對應的 tRNA 上，形成 aminoacyl-tRNA，也稱為「充填過的 tRNA」。

反應分為兩步：

$$\text{胺基酸}+\text{ATP} \rightarrow \text{aminoacyl-AMP}+\text{PP}_{i}$$

接著將胺基酸轉移至 tRNA：

$$\text{aminoacyl-AMP}+\text{tRNA} \rightarrow \text{aminoacyl-tRNA}+\text{AMP}$$

總反應可寫成：

$$\text{胺基酸}+\text{tRNA}+\text{ATP} \rightarrow \text{aminoacyl-tRNA}+\text{AMP}+\text{PP}_{i}$$

由於 ATP 最後轉化為 AMP，等同消耗兩個高能磷酸鍵。

翻譯正確性的關鍵

Aminoacyl-tRNA synthetase 具有辨認胺基酸與 tRNA 的功能。核糖體主要檢查 codon 與 anticodon 是否配對，並不直接確認 tRNA 上所攜帶的胺基酸是否正確。因此，胺基酸與 tRNA 的正確配對主要由 aminoacyl-tRNA synthetase 決定。

部分 synthetase 具有 editing 或 proofreading 活性，可移除錯誤接上的胺基酸，降低翻譯錯誤率。

常見陷阱

• 它不是負責將 tRNA 運送至核糖體的主要因子。
• 它不是負責辨認 mRNA codon 的蛋白質。
• 它不直接催化核糖體內的肽鍵形成；肽鍵形成主要由核糖體的大次單元催化。

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（II）Elongation factors EF-Tu 與 EF-Ts

EF-Tu 的功能

EF-Tu 是細菌翻譯延長因子，屬於 GTPase。它與 GTP 及 aminoacyl-tRNA 結合，形成三元複合體：

$$\text{EF-Tu-GTP}+\text{aminoacyl-tRNA} \rightarrow \text{EF-Tu-GTP-aminoacyl-tRNA}$$

此複合體將 aminoacyl-tRNA 運送至核糖體的 A site。

當 tRNA 的 anticodon 與 mRNA 上的 codon 正確配對後，核糖體促使 EF-Tu 水解 GTP：

$$\text{GTP}\rightarrow \text{GDP}+\text{P}_{i}$$

EF-Tu 隨後以 EF-Tu-GDP 形式離開核糖體，使 aminoacyl-tRNA 留在 A site，進入肽鏈延長反應。

因此，EF-Tu 的主要作用包括：

• 運送 aminoacyl-tRNA 至 A site。
• 以 GTP 結合與水解調控 tRNA 的進入。
• 協助核糖體進行 codon–anticodon 正確性檢查。

EF-Ts 的功能

EF-Ts 是 EF-Tu 的鳥嘌呤核苷酸交換因子。EF-Tu 水解 GTP 後形成 EF-Tu-GDP，必須先釋放 GDP，才能重新結合 GTP。

反應可表示為：

$$\text{EF-Tu-GDP}+\text{EF-Ts} \rightarrow \text{EF-Tu}+\text{EF-Ts-GDP}$$

接著：

$$\text{EF-Tu}+\text{GTP} \rightarrow \text{EF-Tu-GTP}$$

EF-Ts 完成核苷酸交換後離開，EF-Tu-GTP 即可再次結合新的 aminoacyl-tRNA。

常見陷阱

• EF-Tu 不是將 tRNA 充填胺基酸的酵素；此功能屬於 aminoacyl-tRNA synthetase。
• EF-Ts 本身不是 GTPase，而是促進 EF-Tu 上 GDP 被 GTP 取代。
• EF-Tu 的功能類似真核生物的 eEF1A；