108 年 國立成功大學食品安全衛生暨風險管理研究所《生物化學》

核心觀念

本題考的是蛋白酶的「底物專一性」與活性部位結合口袋的電荷互補原理。

Chymotrypsin（胰凝乳蛋白酶）具有一個疏水性的 $S_1$ specificity pocket，通常偏好結合具有大型疏水性側鏈的胺基酸，例如 phenylalanine、tyrosine 或 tryptophan，因此會切開這些殘基羧基端（C-terminal side）的胜肽鍵。

題目要求改造 chymotrypsin，使其切開 aspartyl（Asp，天門冬胺酸）與 glutamyl（Glu，麩胺酸）殘基的羧基端。Asp 與 Glu 的側鏈在生理 pH 下通常帶有負電荷：

$$\mathrm{-CH_2-COO^-}$$

與

$$\mathrm{-CH_2-CH_2-COO^-}$$

因此，活性部位底部應引入帶正電荷的胺基酸，以形成靜電吸引或鹽橋，提升對 Asp、Glu 側鏈的辨識與結合。

解題方法

判斷改造方向可依序進行：

1. 找出目標底物殘基的性質：Asp 與 Glu 的側鏈帶負電荷。
2. 判斷活性部位需要的互補性質：應置入帶正電荷的側鏈。
3. 比較選項中胺基酸的側鏈電性。
4. 選出能與羧酸根形成穩定靜電作用的胺基酸。

Lysine（Lys，離胺酸）的側鏈末端為 $\varepsilon$-胺基，在生理 pH 下主要呈現正電荷：

$$\mathrm{-NH_3^+}$$

因此可與 Asp 或 Glu 的 $\mathrm{-COO^-}$ 形成鹽橋：

$$\mathrm{-NH_3^+ \cdots ^-OOC-}$$

此種電荷互補能使含有 Asp、Glu 的胜肽鏈更容易定位於 $S_1$ 口袋，進而促進其羧基端胜肽鍵被切割。

選項分析

(a) proline（脯胺酸）

本題考查細胞色素 P450 (cytochrome P450, CYP) 的特性。細胞色素 P450 是一類含血基質的單氧酶 (monooxygenase) 酶系，廣泛存在於生物體內，參與多種代謝反應。

讓我們逐一分析選項：
(a) They are able to accept electrons from NADH.
細胞色素 P450 系統在電子傳遞中需要還原力，通常可以從 NADPH 或 NADH 獲得電子。在肝臟的內質網中，NADPH 是主要的電子來源，通過 NADPH-cytochrome P450 氧化還原酶 (NADPH-cytochrome P450 reductase) 傳遞電子。在某些情況下，NADH 也可以通過其他輔助因子參與電子傳遞。因此，這個敘述是正確的。

(b) They are monooxygenase enzymes.
這是細胞色素 P450 的核心功能。它們通過在底物上引入一個氧原子來催化氧化反應，因此被稱為單氧酶。這個反應通常涉及分子氧 ($O_2$)。

本題考查 ATP 合成酶 (ATP synthase) 的結構與功能，特別是其在氧化磷酸化過程中的作用。ATP 合成酶是一種離子通道蛋白，利用質子梯度來合成 ATP。

讓我們逐一分析選項：
(a) The F1 subcomplex is fixed to the membrane and does rotate.
ATP 合成酶由兩個主要部分組成：F0 嵌入膜中，F1 突出到基質側。F1 部分包含催化 ATP 合成的位點，其 $\gamma$ 亞基在 F0 的質子流動驅動下旋轉，導致 F1 的 $\beta$ 亞基構象改變，從而催化 ATP 的合成。因此，F1 亞基本身不固定，而是其一部分（$\gamma$ 亞基）旋轉，帶動其他亞基構象變化。這個敘述不完全準確，因為 F1 亞基的構象變化是旋轉的結果，而不是 F1 亞基整體固定。更準確地說，F0 嵌入膜中，其 c 亞基環隨質子流動旋轉；$\gamma$ 亞基連接在 c 環上，也隨之旋轉，並插入到 F1 的 $\alpha_3\beta_3$ 複合物中，引起 $\beta$ 亞基構象的週期性變化。

(b) It requires an electron motive force to form ATP in the presence of ADP and Pi.
ATP 合成酶利用的是質子動力勢 (proton motive force, PMF)，而不是電子動力勢 (electron motive force)。質子動力勢是由質子濃度梯度和膜電位差產生的。電子動力勢是電子傳遞鏈產生的。因此，這個敘述是錯誤的。

核心觀念

本題考查單醣的結構分類、磷酸化反應、細胞運輸方式，以及蔗糖的代謝與合成。

• **Galactose（半乳糖）**經由 galactokinase 磷酸化為 galactose-1-phosphate，進入 Leloir pathway。
• **Fructose（果糖）**是酮糖，主要在肝臟由 fructokinase 磷酸化為 fructose-1-phosphate。
• 果糖進入細胞主要經由 GLUT5、GLUT2 等運輸蛋白，通常不需要 insulin。
• **Sucrose（蔗糖）**是植物合成的雙醣，人體主要負責將其分解，並非在肝臟由葡萄糖與果糖合成。

解題方法

逐一比對各選項中的「酵素—產物」、「糖的結構分類」、「運輸調控」及「合成場所」。

判斷磷酸化反應時，必須同時確認：

1. 反應使用的酵素是否正確。
2. 產生的磷酸化位置是否正確。

選項分析

(a) Galactose is phosphorylated to galactose-1-phosphate by galactokinase.

正確。

半乳糖進入細胞後，由 **galactokinase（半乳糖激酶）**催化磷酸化：

$$\text{Galactose}+\text{ATP} \rightarrow \text{Galactose-1-phosphate}+\text{ADP}$$

接著在 Leloir pathway 中，galactose-1-phosphate 可進一步轉換為 glucose-1-phosphate，最後與糖解作用及肝醣代謝相連。

(b) Fructokinase phosphorylates fructose to fructose-6-phosphate.

錯誤。

Fructokinase（果糖激酶）主要催化果糖形成 fructose-1-phosphate：

$$\text{Fructose}+\text{ATP} \rightarrow \text{Fructose-1-phosphate}+\text{ADP}$$

在肝臟中，fructose-1-phosphate 再由 aldolase B 分解為 dihydroxyacetone phosphate（DHAP）與 glyceraldehyde。

果糖形成 fructose-6-phosphate 的反應，並不是肝臟果糖主要代謝途徑中的 fructokinase 反應；因此本選項將產物位置寫錯。

(c) Fructose is an aldose sugar like glucose.

錯誤。

本題考查糖解作用 (glycolysis) 的總產物。糖解作用是將一分子葡萄糖分解為兩分子丙酮酸 (pyruvate) 的過程，並產生 ATP 和 NADH。題目問的是從果糖 1,6-二磷酸 (fructose 1,6-bisphosphate) 開始，到生成兩分子丙酮酸的過程。

果糖 1,6-二磷酸是糖解作用的第六個中間產物，它在醛縮酶 (aldolase) 的作用下被裂解成兩分子三碳化合物：二羥丙酮磷酸 (dihydroxyacetone phosphate, DHAP) 和甘油醛-3-磷酸 (glyceraldehyde-3-phosphate)。

接下來的反應是：

1. 二羥丙酮磷酸 (DHAP) 被異構酶 (triose phosphate isomerase) 轉化為甘油醛-3-磷酸 (G3P)。
2. 每一分子甘油醛-3-磷酸 (G3P) 經過一系列反應，被氧化並磷酸化，生成 1,3-二磷酸甘油酸 (1,3-bisphosphoglycerate)。在這個反應中，一分子 $NAD^+$ 被還原成一分子 $NADH$。

本題考查肌肉在短時間高強度運動時的主要能量來源。

在運動過程中，肌肉需要大量的 ATP 來維持收縮。能量來源的選擇取決於運動的強度和持續時間。

(a) Muscle reservation of triacylglycerol (肌肉儲存的三酸甘油酯): 肌肉細胞確實儲存有三酸甘油酯，這些脂肪酸在長時間、低強度的運動中是重要的能量來源，因為脂肪的氧化能產生大量的 ATP。但對於短時間高強度運動，脂肪的氧化速度相對較慢，無法及時提供足夠的 ATP。

(b) Plasma glucose (血漿葡萄糖): 血漿葡萄糖是全身細胞的能量來源，肌肉細胞可以攝取葡萄糖並通過糖解作用產生 ATP。在運動初期，血漿葡萄糖是重要的能量來源之一，但對於高強度運動，僅靠血漿葡萄糖的供應可能不足以滿足快速的 ATP 需求。

本題考查醣類代謝，特別是肝醣的代謝。

讓我們逐一分析選項：
(a) Glycogen can be broken down to glucose-6-phosphate in muscles then release free glucose by the action of glucose-6-phosphatase.
肌肉中的肝醣可以被分解為葡萄糖-6-磷酸，然後進入糖解作用產生 ATP。但是，肌肉細胞缺乏葡萄糖-6-磷酸酶 (glucose-6-phosphatase)，因此肌肉無法將葡萄糖-6-磷酸轉化為游離葡萄糖釋放到血液中。只有肝臟和腎臟有此酶，能將葡萄糖-6-磷酸轉化為游離葡萄糖，釋放到血液中以維持血糖水平。因此，這個敘述是錯誤的。

(b) Glycogen is mainly stored in brain and liver.
肝醣主要儲存在肝臟和肌肉中。肝臟儲存的肝醣用於維持血糖平衡，而肌肉儲存的肝醣則主要供肌肉自身使用。大腦對葡萄糖的需求極高，但它本身不儲存肝醣，主要依賴血漿葡萄糖。因此，這個敘述是錯誤的。

(c) Insulin inhibits the biosynthesis of glycogen.
胰島素 (insulin) 是一種促進合成的激素。它促進葡萄糖進入細胞，並促進肝醣的合成。胰島素通過激活糖原合成酶激酶磷酸酶 (glycogen synthase kinase phosphatase)，使其去磷酸化並激活糖原合成酶 (glycogen synthase)，從而促進肝醣的合成。因此，胰島素促進肝醣的合成，而非抑制。這個敘述是錯誤的。

(d) A key step in the biosynthesis of glycogen is the formation of UDP-glucose.

核心觀念

本題測驗的核心為**人體必需胺基酸（Essential Amino Acids）及其生合成前驅物（Metabolic Precursors）**的代謝途徑。

1. 必需胺基酸（9種）：人體無法自行合成或合成速率無法滿足生理需求，必須由飲食攝取的胺基酸，包括：
   • 離胺酸（Lysine, Lys）
   • 甲硫胺酸（Methionine, Met）
   • 蘇胺酸（Threonine, Thr）
   • 纈胺酸（Valine, Val）
   • 亮胺酸（Leucine, Leu）
   • 異亮胺酸（Isoleucine, Ile）
   • 苯丙胺酸（Phenylalanine, Phe）
   • 色胺酸（Tryptophan, Trp）
   • 組胺酸（Histidine, His）
2. 生化合成家族與代謝前驅物（以微生物與植物的合成途徑為標準，因必需胺基酸源自這些生物的代謝）：
   • 草醯乙酸／天門冬胺酸族（Oxaloacetate / Aspartate family）：Aspartate 可衍生出 Lysine、Methionine、Threonine（以及由 Threonine 衍生的 Isoleucine）。
   • $\alpha$-酮戊二酸族（$\alpha$-Ketoglutarate / Glutamate family）：Glutamate 可衍生出非必需胺基酸（Proline、Arginine、Glutamine）。
   • 丙酮酸族（Pyruvate family）：衍生出 Valine、Leucine、Alanine。
   • 3-磷酸甘油酸族（3-Phosphoglycerate family）：3-Phosphoglycerate 衍生出 Serine，進一步可合成 Cysteine 與 Glycine（皆為非必需）；但在植物與細菌中，Serine 亦作為 Tryptophan 生合成之受體（Indole $+$ Serine $\rightarrow$ Tryptophan）。
   • 核糖-5-磷酸（Ribose 5-phosphate）與磷酸烯醇丙酮酸＋赤藻糖-4-磷酸（PEP $+$ Erythrose 4-phosphate）：分別衍生出 Histidine 及芳香族胺基酸（Phe, Trp）。

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解題方法

1. 審題關鍵字：找出「NOT serve as a precursor of a dietarily essential amino acid」（何者不是飲食必需胺基酸的前驅代謝物）。
2. 代謝途徑逆推：
   • 檢視選項中的代謝分子，確認其下游是否能生成上述 9 種必需胺基酸的任何一種。
   • 辨識代謝產物方向性：部分分子並非胺基酸生合成途徑上的「前驅物（Precursor）」，而是胺基酸的「分解代謝產物（Catabolite）」或「訊號衍生代謝物」。特別注意組胺酸（Histidine）與組織胺（Histamine）的單向脫羧反應關係。

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選項分析

核心觀念

本題考查尿素循環（urea cycle）障礙的臨床表現、飲食治療，以及尿素分子中兩個氮原子的來源。

尿素循環主要在肝臟進行，將具毒性的氨轉換成尿素，再由腎臟排出。尿素的兩個氮分別來自：

1. 游離氨（$NH_4^+$）：經由 carbamoyl phosphate synthetase I（CPS I）形成 carbamoyl phosphate。
2. Aspartate：在 argininosuccinate synthetase 反應中提供尿素的第二個氮。

主要反應可簡化表示為：

$$\text{Citrulline}+\text{Aspartate}+\text{ATP} \rightarrow \text{Argininosuccinate}$$

因此，尿素循環受阻時，氨無法有效轉換為尿素，會造成高血氨症（hyperammonemia），進而影響腦部功能。

解題方法

判斷各選項是否正確時，可從三個方向切入：

• 尿素循環障礙是否造成高血氨症及其神經症狀；
• 飲食治療是否符合降低氮負荷的原則；
• 尿素兩個氮原子的代謝來源是否正確。

其中最關鍵的判斷點是酸鹼平衡。單純尿素循環障礙造成高血氨症時，氨刺激中樞神經系統，常引起過度換氣，使二氧化碳降低，典型酸鹼變化是呼吸性鹼中毒，而不是代謝性酸中毒。因此，選項（a）為不正確的敘述。

選項分析

（a）Clinical signs can include acidosis.

不正確。

尿素循環障礙最典型的代謝異常是高血氨症。高濃度氨會造成腦部毒性，並刺激呼吸中樞，引起過度換氣。過度換氣使血中二氧化碳分壓下降，導致：

$$P_{CO_2}\downarrow \quad\Rightarrow\quad \text{呼吸性鹼中毒}$$

因此，單純尿素循環障礙的典型酸鹼表現是呼吸性鹼中毒，而非酸中毒。

臨床重症患者因休克、組織缺氧、抽搐或腎功能異常，後期可能合併乳酸性酸中毒等其他原因造成的酸中毒；但這不是尿素循環障礙本身的典型表現。在本題標準生物化學脈絡下，選項（a）錯誤。

（b）Ammonium intoxication is most severe when the metabolic block in the urea cycle occurs.

正確。

尿素循環的功能是將氨轉變為毒性較低的尿素。若循環中的酵素發生缺陷，氨的清除能力下降，血中氨濃度升高，造成 ammonium intoxication，即高血氨性中毒。

靠近尿素循環前端的缺陷，例如 NAGS、CPS I 或 OTC 缺陷，通常會造成較嚴重的高血氨症，因為氨尚未進入有效的尿素生成流程便大量累積。高血氨症可導致：

核心觀念

血紅素蛋白（hemoprotein）是指含有血基質（heme）作為輔基的蛋白質。Heme 通常由卟啉環（protoporphyrin IX）與中心的二價鐵離子 $\mathrm{Fe^{2+}}$ 組成，能參與氧氣結合、電子傳遞或氧化還原反應。

判斷某蛋白質是否為 hemoprotein，重點在於其結構中是否具有「穩定結合的 heme 輔基」，而不是單純能否暫時與 heme 或其他小分子結合。

解題方法

逐一辨認各選項的蛋白質功能與結構：

• Myoglobin 是肌肉中的氧氣儲存蛋白，分子內含有一個 heme，藉由 heme 中的鐵離子可可逆性結合氧氣，因此屬於 hemoprotein。
• Albumin 是血清白蛋白，主要功能是運輸脂肪酸、膽紅素、藥物及部分金屬離子，蛋白質本身不含 heme 輔基，因此不是 hemoprotein。

所以，不屬於 hemoprotein 的選項是 Albumin。

選項分析

(a) Myoglobin

核心觀念

本題測驗核酸（DNA 與 RNA）的一級結構（primary structure）及其骨架（backbone）的共價化學鍵結型式：

1. 核苷酸（Nucleotide）基本架構：由含氮鹼基（Nitrogenous base）、五碳糖（Pentose sugar，核糖或去氧核糖）與磷酸基（Phosphate group）組成。
2. 多核苷酸鏈的骨架鍵結：核酸鏈相鄰核苷酸之間的連接，是透過一個核苷酸之五碳糖的 $3'$ 端羥基（$-OH$），與下一個相鄰核苷酸之 $5'$ 端碳上的磷酸基，經由縮合脫水反應形成的磷酸二酯鍵（Phosphodiester bond / linkage）。
3. 方向性（Directionality）：由於此鍵結模式，核酸鏈具有明確的方向性，通稱為 $5' \to 3'$ 方向，鍵結本質即為 $3',5'-$磷酸二酯鍵（$3'-5'-$phosphodiester linkage）。

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解題方法

題目詢問「連接 RNA 與 DNA 之核苷酸（nucleotides）的鍵結名稱」。
解題切入點在於區分核酸中不同層次的鍵結型態：

• 核苷酸單體內部的鍵結：鹼基與五碳糖 $1'$ 碳之間以 $\beta\text{-}N\text{-glycosidic bond}$（$N$-醣苷鍵）連接；磷酸基與五碳糖的羥基之間為磷酸單酯鍵（phosphomonoester）。
• 核酸雙股間的交互作用：兩互補股的鹼基對之間主要透過氫鍵（hydrogen bonds）與鹼基堆疊作用力（base-stacking interactions）穩定。
• 核酸單鏈骨架中相鄰核苷酸的共價相連：靠的是前後核苷酸的 $3'$ 碳與 $5'$ 碳透過磷酸根相連形成的磷酸二酯鍵（$3'-5'-$phosphodiester linkage）。

因此，題目所指「connecting the nucleotides」為共價骨架連接鍵，直接對應至 $3'-5'-$phosphodiester linkages。

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選項分析

• (a) N-glycosidic bonds（錯誤）：
  $N$-醣苷鍵是存在於「含氮鹼基」與「五碳糖的 $1'$ 碳（$\text{C-}1'$）」之間的共價鍵，用於構成核苷（Nucleo

本題考查 DNA 的組成成分。DNA (脫氧核糖核酸) 的基本組成單位是核苷酸。每個 DNA 核苷酸由三個部分組成：

1. 磷酸基團 (phosphate group)
2. 五碳糖 (pentose sugar)，在 DNA 中是脫氧核糖 (deoxyribose)
3. 含氮鹼基 (nitrogenous base)，DNA 中有四種：腺嘌呤 (Adenine, A)、鳥嘌呤 (Guanine, G)、胞嘧啶 (Cytosine, C) 和胸腺嘧啶 (Thymine, T)。

RNA (核糖核酸) 的組成與 DNA 類似，但有兩個主要區別：

1. 五碳糖是核糖 (ribose) 而非脫氧核糖。
2. 含氮鹼基之一是尿嘧啶 (Uracil, U) 而非胸腺嘧啶 (Thymine, T)。

現在我們來分析選項：
(a) A phosphor group, guanine, and ribose: 磷酸基團和鳥嘌呤是 DNA 的成分，但核糖 (ribose) 是 RNA 的糖，不是 DNA 的。

核心觀念

DNA 雙股螺旋的骨架由「去氧核糖—磷酸」交替連接而成。磷酸基透過磷酸二酯鍵連接相鄰核苷酸，在生理 pH 下大多呈去質子化狀態，帶有負電荷。

因此，DNA 分子的淨負電荷主要來自骨架上的磷酸基。

解題方法

判斷 DNA 帶電來源時，將 DNA 的組成分成三部分：

1. 去氧核糖：提供骨架結構，本身通常不帶淨電荷。
2. 磷酸基：在生理 pH 下去質子化，帶負電荷。
3. 含氮鹼基：腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶，通常不造成 DNA 的主要淨負電荷。

DNA 中每個核苷酸藉由磷酸二酯鍵連接。磷酸基的酸性羥基在水溶液中釋放質子：

$$\mathrm{R-O-PO_2(OH)-O-R' \rightleftharpoons R-O-PO_2^- -O-R' + H^+}$$

生理 pH 約為 $7.4$，高於磷酸基相關酸性解離的有效範圍，因此磷酸基主要以帶負電荷的形式存在。大量磷酸基累積後，使 DNA 雙股螺旋具有整體淨負電荷。

選項分析

(a) Deoxyribose

錯誤。Deoxyribose（去氧核糖）是 DNA 的五碳糖，主要功能是構成核苷酸骨架。其羥基與醚鍵在生理 pH 下通常不會產生使 DNA 帶大量負電荷的離子化狀態，因此不是 DNA 淨負電荷的主要來源。

(b) Phosphate groups

本題考查遺傳信息的傳遞過程。

(a) Transcription (轉錄): 轉錄是通過 DNA 作為模板，合成 RNA 分子的過程。這是遺傳信息從 DNA 傳遞到 RNA 的第一步。

(b) Translation (轉譯): 轉譯是通過 mRNA 的序列作為模板，合成蛋白質的過程。這是遺傳信息從 RNA 傳遞到蛋白質的過程。

本題考查染色體結構。

(a) Telomere (端粒): 端粒是真核生物染色體末端的特殊結構，由高度重複的 DNA 序列和相關蛋白質組成。端粒的功能是保護染色體的 DNA 免受降解，防止染色體末端相互融合，並解決 DNA 複製過程中產生的末端複製問題。

核心觀念

本題考查脂質（Lipids）的結構分類，特別是**磷脂質（Phospholipids）與醣脂質（Glycolipids）**以及其他生化分子的區別。

1. 磷脂質（Phospholipids）：分子結構中含有「磷酸基團（Phosphate group）」。主要分為兩大骨架：
   • 甘油磷脂質（Glycerophospholipids）：以甘油（Glycerol）為骨架，連接兩分子脂肪酸與一個帶有極性頭部的磷酸基團。例如：卵磷脂（Phosphatidylcholine, PC）、心磷脂（Cardiolipin）、溶血卵磷脂（Lysolecithin）等。
   • 鞘磷脂質（Sphingophospholipids）：以鞘氨醇（Sphingosine）為骨架，接上一分子脂肪酸形成神經醯胺（Ceramide），再接上帶有磷酸基團的極性頭部（如磷酸膽鹼）。最典型的代表為鞘磷脂（Sphingomyelin）。
2. 醣脂質（Glycolipids）：以神經醯胺（Ceramide）或甘油為骨架，但極性頭部為「單醣或寡醣」，不含磷酸基團。例如：半乳糖腦苷脂（Galactosylceramide / Galactocerebroside）。
3. 生化名詞干擾項：注意字尾拼寫類似但功能結構完全不同的分子（如蛋白質/酵素原與脂質名稱的辨識）。

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解題方法

判定分子是否屬於「磷脂質（Phospholipid）」，切入點在於檢視其化學組成中是否具有磷酸酯鍵（Phosphate ester）：

1. 逐一檢視各選項之分子結構與分類歸屬。
2. 找出完全不含磷酸根的分子，或本質上根本不是磷脂質的項目。
   • 注意：選項 (b) 與 (c) 在不同層面上均不屬於磷脂質，但 (c) 半乳糖腦苷脂（Galactosylceramide）是生化學中與磷脂質並列探討「膜脂質（Membrane lipids）」時最標準、最具代表性的醣脂質（Glycolipid），絕非磷脂質；而選項 (b) 纖維蛋白溶酶原（Plasminogen）是血液凝血系統中的蛋白質（此處常為命題者將縮醛磷脂 Plasmalogen 刻意誤拼或誘答之干擾項）。在標準生化脂質分類考題中，Galactosylceramide 是最核心測試學生是否混淆「鞘磷脂（Sphingophospholipid）」與「鞘醣脂（Glycosphingolipid）」的經典考點。

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選項分析

• (a) Sphingomyelin（鞘磷脂）：屬於磷脂質。

  • 結構：由神經醯胺（Ceramide = 鞘氨醇 + 脂肪酸）與「磷酸膽鹼（Phosphocholine）」或「磷酸乙醇胺」經由酯鍵結合而成。
  • 分子中含有磷酸基團，屬於典型的「鞘磷脂質（Sphingophospholipid）」，普遍存在於神經纖維的髓鞘中。

• (b) Plasminogen（纖維蛋白溶酶原）：非磷脂質（屬於蛋白質干擾項）。

核心觀念

本題考查長鏈脂肪酸進行 β-氧化（$\beta$-oxidation） 的細胞內位置。

脂肪酸經活化形成脂醯-CoA（fatty acyl-CoA）後，透過肉鹼穿梭系統進入粒線體內部，接著在粒線體基質中反覆進行 β-氧化。每一輪反應會切下二碳單位，產生：

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

β-氧化的四個反應步驟為：

$$\text{氧化} \rightarrow \text{水合} \rightarrow \text{氧化} \rightarrow \text{硫解}$$

其中脂肪酸碳鏈逐步縮短，最終形成乙醯-CoA，供檸檬酸循環利用。

解題方法

判斷脂肪酸分解位置時，可依照「脂肪酸如何進入粒線體」與「β-氧化酵素位於何處」兩個重點切入：

1. 長鏈脂肪酸先在細胞質側活化為脂醯-CoA。
2. 脂醯-CoA無法直接穿過粒線體內膜，需藉由肉鹼穿梭系統運送。
3. 脂醯基進入粒線體後，在粒線體基質中進行 β-氧化。
4. 產生的乙醯-CoA也在粒線體基質中進入檸檬酸循環。

因此，本題所問的主要分解場所是 粒線體基質。

選項分析

(a) The cytosol：細胞質

錯誤。脂肪酸活化及部分前置反應發生在細胞質側，但長鏈脂肪酸經 β-氧化產生乙醯-CoA的主要反應並不在細胞質進行。

細胞質主要負責脂肪酸合成，而不是一般長鏈脂肪酸的 β-氧化。

核心觀念

本題測驗核心為血漿脂蛋白（Lipoproteins）的分類、合成來源、脂質組成及生理功能。

脂蛋白依密度由小到大（體積由大到小）可分為五大類：乳糜微粒（Chylomicrons）、極低密度脂蛋白（VLDL）、中密度脂蛋白（IDL）、低密度脂蛋白（LDL）以及高密度脂蛋白（HDL）。人體脂質運送分為兩大途徑：

1. 外源性路徑（Exogenous pathway）：運送飲食中攝取的脂質（Dietary lipids），由小腸黏膜細胞（Intestinal mucosal cells）負責合成乳糜微粒，主要負責將三酸甘油酯（Triacylglycerol, TAG）經由淋巴系統送入血液循環至周邊組織利用。
2. 內源性路徑（Endogenous pathway）：運送肝臟新合成的脂質（Endogenous lipids），由肝臟（Liver）合成VLDL，將內生性三酸甘油酯運送至周邊組織，代謝後轉變成 IDL 與 LDL。

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解題方法

解題時應抓住題目給出的三大關鍵特徵進行交叉比對：

1. 合成部位：synthesized in intestinal mucosa（於小腸黏膜合成）$\rightarrow$ 專屬於乳糜微粒（Chylomicrons）（主要載脂蛋白為 Apo B-48）；其他主要脂蛋白（如 VLDL、LDL、HDL）主要由肝臟合成或由其代謝產物衍生。
2. 脂質組成：containing a high concentration of triacylglycerol（含有高濃度的三酸甘油酯）$\rightarrow$ 乳糜微粒的 TAG 含量高達 $85\% \sim 90\%$，是所有脂蛋白中 TAG 比例最高、密度最低、體積最大的顆粒。
3. 生理功能：transport of dietary lipids in the circulation（負責在血液循環中運送飲食攝入的脂質）$\rightarrow$ 此即外源性脂質運送路徑的定義特徵。

綜合上述三項特徵，唯一符合的脂蛋白即為 Chylomicrons。

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選項分析

• (a) Low-density lipoprotein (LDL，低密度脂蛋白)：錯誤
  LDL 並非由小腸合成，而是由血液循環中的 VLDL 經水解代謝後形成的 IDL 進一步轉變而來。其主要攜帶的脂質為**膽固醇酯（Cholesteryl esters）**而非高濃度的三酸甘油酯，主要功能是將膽固醇運送至周邊組織（壞膽固醇）。

• (b) Very low-density lipoprotein (VLDL，極低密度脂蛋白)：錯誤

本題考查膽固醇 (cholesterol) 的生物合成途徑。膽固醇的合成是一個複雜的多步驟過程，主要發生在肝細胞的細胞質溶膠和內質網中。

讓我們逐一分析選項：
(a) The initial substrate is mevalonate.
膽固醇合成的起始反應是乙醯輔酶 A (acetyl-CoA) 縮合生成乙醯乙醯輔酶 A (acetoacetyl-CoA)，然後再與另一分子乙醯輔酶 A 縮合生成 HMG-CoA (3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA)。HMG-CoA 隨後被 HMG-CoA 還原酶 (HMG-CoA reductase) 還原為甲瓦龍酸 (mevalonate)。甲瓦龍酸是膽固醇合成途徑中第一個具有 6 個碳原子的中間產物，也是一個重要的調節點。然而，甲瓦龍酸並不是「起始」的底物，乙醯輔酶 A 才是真正的起始原料。此選項是錯誤的。

(b) Squalene is the first cyclic intermediate in the pathway.
在甲瓦龍酸 (mevalonate) 經過一系列轉化後，生成異戊二烯單元 (isoprene units)，然後這些單元連接形成角鯊烯 (squalene)。角鯊烯是一個 30 個碳原子的線性分子。角鯊烯隨後經過環化反應，形成一個環狀結構，最終轉化為膽固醇。因此，角鯊烯是線性的，而不是第一個環狀中間產物。第一個環狀中間產物是羊毛甾醇 (lanosterol)。此選項是錯誤的。

(c) All the carbon atoms in the cholesterol synthesized the originate from acetyl-CoA.

本題考查細胞色素 P450 (cytochrome P450, CYP) 的功能。細胞色素 P450 是一類含血基質的單氧酶，參與廣泛的氧化反應。

讓我們逐一分析選項：
(a) Activation of vitamin D (維生素 D 的活化): 細胞色素 P450 在維生素 D 的代謝中起重要作用。例如，在肝臟中，CYP2R1 催化 25-羥化，將維生素 D 轉化為 25-羥基維生素 D。在腎臟中，CYP27B1 催化 1$\alpha$-羥化，將 25-羥基維生素 D 轉化為活性形式 1,25-二羥基維生素 D。因此，這是 CYP 的一項活性。

(b) Hydroxylation of xenobiotics (外源性物質的羥基化): 羥基化是 CYP 催化的一種常見反應，用於代謝外源性物質（如藥物、毒素），使其更易於溶解和排出體外。這是 CYP 的重要功能。

(c) Oxidation of xenobiotics (外源性物質的氧化): 羥基化 (hydroxylation) 本身就是一種氧化反應。CYP 催化的一系列反應，包括羥基化、去烷基化、去硫等，都屬於氧化代謝。因此，氧化外源性物質是 CYP 的核心功能。

蛋白質的結構是理解其功能的前提。蛋白質具有四級結構，分別是：

1. 一級結構 (Primary Structure)

   • 定義: 蛋白質分子中的胺基酸序列，即胺基酸通過胜肽鍵 (peptide bond) 連接而成的線性排列。
   • 說明: 這是蛋白質最基本的結構層次，由基因決定。胺基酸的種類、數目和排列順序決定了蛋白質的獨特性。
   • 連接鍵: 胜肽鍵（共價鍵）。
   • 示意圖: 一條由不同顏色圓點（代表不同胺基酸）組成的直線。
     🖼️【此處應有示意圖：一條直線，上面標示出不同的胺基酸殘基，以及其間的胜肽鍵。】

2. 二級結構 (Secondary Structure)

   • 定義: 蛋白質鏈局部區域的規則性空間摺疊，主要由胜肽鏈骨架之間的氫鍵形成。
   • 說明: 最常見的二級結構是 $\alpha$-螺旋 (alpha-helix) 和 $\beta$-摺疊板 (beta-pleated sheet)。
     • $\alpha$-螺旋: 胺基酸側鏈向外伸展，主鏈形成右手螺旋結構。每隔 3.6 個胺基酸殘基旋轉一圈，胺基酸殘基的羰基氧 (-C=O) 與其後四個胺基酸殘基的胺基氮 (-NH) 之間形成氫鍵。
     • $\beta$-摺疊板: 胜肽鏈可以平行或反平行地排列，形成摺疊狀的結構。相鄰鏈之間的羰基氧和胺基氮之間形成氫鍵。
   • 連接鍵: 氫鍵（非共價鍵），主要存在於胜肽骨架之間。
   • 示意圖:
     • $\alpha$-螺旋：捲曲的螺旋狀。
     • $\beta$-摺疊板： arrows 表示鏈的方向，形成摺疊狀的片層。
       🖼️【此處應有示意圖：展示 $\alpha$-螺旋和 $\beta$-摺疊板的立體結構，並標示出形成氫鍵的原子。】

糖解作用 (Glycolysis) 的途徑、調控與無氧條件下的運作

糖解作用是將葡萄糖分解為兩分子丙酮酸 (pyruvate) 的過程，發生在細胞質溶膠中，是細胞獲取 ATP 的重要途徑，即使在無氧條件下也能進行。整個過程包含十個步驟，可以分為兩個階段：

第一階段：能量消耗階段 (Energy Investment Phase)
此階段需要消耗 2 分子 ATP，將一分子葡萄糖（6碳）轉化為兩分子三碳化合物。

1. 葡萄糖磷酸化 (Phosphorylation of Glucose):

   • 反應: 葡萄糖 + ATP $\rightarrow$ 葡萄糖-6-磷酸 (G6P) + ADP
   • 酶: 己糖激酶 (Hexokinase) 或 葡萄糖激酶 (Glucokinase, 僅在肝臟和胰腺 $\beta$ 細胞中)
   • 作用: 磷酸化使葡萄糖帶電，無法通過細胞膜，並活化葡萄糖。

2. G6P 異構化 (Isomerization of G6P):

   • 反應: 葡萄糖-6-磷酸 $\rightleftharpoons$ 果糖-6-磷酸 (F6P)
   • 酶: 磷酸葡萄糖異構酶 (Phosphoglucose isomerase)
   • 作用: 將醛糖 G6P 轉化為酮糖 F6P，為下一步磷酸化做準備。

3. F6P 磷酸化 (Phosphorylation of F6P):

   • 反應: 果糖-6-磷酸 + ATP $\rightarrow$ 果糖-1,6-二磷酸 (F1,6BP) + ADP
   • 酶: 磷酸果糖激酶-1 (Phosphofructokinase-1, PFK-1)
   • 作用: 這是糖解作用的關鍵調控步驟，也是不可逆反應。

4. F1,6BP 裂解 (Cleavage of F1,6BP):

   • 反應: 果糖-1,6-二磷酸 $\rightleftharpoons$ 二羥丙酮磷酸 (DHAP) + 甘油醛-3-磷酸 (G3P)
   • 酶: 醛縮酶 (Aldolase)
   • 作用: 將 6 碳的 F1,6BP 裂解為兩個 3 碳的分子。

5. DHAP 異構化 (Isomerization of DHAP):

   • 反應: 二羥丙酮磷酸 $\rightleftharpoons$ 甘油醛-3-磷酸
   • 酶: 三碳糖磷酸異構酶 (Triose phosphate isomerase)
   • 作用: 將 DHAP 轉化為 G3P，因為只有 G3P 能進入下一階段的反應。此步後，一分子葡萄糖產生兩分子 G3P。

第二階段：能量產生階段 (Energy Payoff Phase)
此階段將兩分子三碳化合物轉化為兩分子丙酮酸，並產生 4 分子 ATP 和 2 分子 NADH。

6. G3P 氧化與磷酸化 (Oxidation and Phosphorylation of G3P):

   • 反應: 甘油醛-3-磷酸 + $NAD^+$ + $P_i$ $\rightarrow$ 1,3-二磷酸甘油酸 (1,3-BPG) + NADH + $H^+$
   • 酶: 甘油醛-3-磷酸脫氫酶 (Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase)
   • 作用: 這是第一個產生 ATP 的反應，並產生 NADH。此反應發生兩次（每分子 G3P 一次）。

7. 1,3-BPG 的磷酸轉移 (Phosphoryl Transfer from 1,3-BPG):

   • 反應: 1,3-二磷酸甘油酸 + ADP $\rightarrow$ 3-磷酸甘油酸 (3-PG) + ATP
   • 酶: 磷酸甘油酸激酶 (Phosphoglycerate kinase)
   • 作用: 通過底物層級磷酸化 (substrate-level phosphorylation) 產生 ATP。此反應發生兩次。

8. 3-PG 異構化 (Isomerization of 3-PG):

   • 反應: 3-磷酸甘油酸 $\rightleftharpoons$ 2-磷酸甘油酸 (2-PG)
   • 酶: 磷酸甘油酸變位酶 (Phosphoglycerate mutase)
   • 作用: 移動磷酸基團，為下一步脫水反應做準備。

9. 2-PG 脫水 (Dehydration of 2-PG):

   • 反應: 2-磷酸甘油酸 $\rightleftharpoons$ 磷酸烯醇丙酮酸 (PEP) + $H_2O$
   • 酶: 烯醇酶 (Enolase)
   • 作用: 脫水形成高能磷酸鍵。

10. PEP 的磷酸轉移 (Phosphoryl Transfer from PEP):

    • 反應: 磷酸烯醇丙酮酸 + ADP $\rightarrow$ 丙酮酸 + ATP
    • 酶: 丙酮酸激酶 (Pyruvate kinase)
    • 作用: 第二個底物層級磷酸化產生 ATP，此反應發生兩次。

三酸甘油酯 (Triacylglycerols) 的結構與功能

結構 (Structure):

三酸甘油酯 (Triacylglycerols, TAGs)，也稱為三甘油酯或中性脂，是人體內最常見的儲存形式的脂質。它們的結構由兩部分組成：

1. 甘油骨架 (Glycerol backbone): 一個三碳醇分子，每個碳原子都帶有一個羥基 (-OH)。
2. 脂肪酸鏈 (Fatty acid chains): 三個脂肪酸分子。脂肪酸是長鏈的羧酸 (R-COOH)。

三酸甘油酯的形成是通過甘油的每個羥基與三個脂肪酸的羧基之間發生酯化反應 (esterification) 形成的。在這個過程中，每個酯鍵的形成都會釋放一分子水。

• 酯鍵 (Ester bond): 形成於甘油的羥基 (-OH) 和脂肪酸的羧基 (-COOH) 之間。
• 結構簡式:

      O
     //
  R1-C-O-CH2
         |
  R2-C-O-CH
         |
      O
     //
  R3-C-O-CH2
  

  其中 R1, R2, R3 代表脂肪酸的烴基鏈。這些烴基鏈可以是飽和的（只有單鍵）或不飽和的（含有一個或多個雙鍵），其長度也可以不同。脂肪酸的種類決定了三酸甘油酯的物理性質（如熔點）和生化性質。

功能 (Function):

三酸甘油酯具有多種重要的生理功能：

細胞週期 (Cell Cycle) 的步驟、階段與調控分子

細胞週期是細胞從一次分裂到下一次分裂的完整過程，是細胞增殖和生長的基本方式。它主要分為兩個大階段：間期 (Interphase) 和分裂期 (M phase)。

細胞週期的主要階段 (Phases of the Cell Cycle):

1. 間期 (Interphase):

   • 這是細胞週期中最長的階段，細胞在此期間進行生長、DNA 複製和為分裂做準備。間期又細分為三個子階段：
     • G1 期 (Gap 1 Phase):
       • 細胞從上一次分裂結束到 DNA 開始複製之間的時間。
       • 細胞在這個階段快速生長，合成蛋白質、RNA 和其他細胞器。
       • 這是細胞決定是否進入下一個分裂週期的關鍵檢查點 (G1 checkpoint)。如果細胞不進入分裂，可能會進入 G0 期（靜止期）。
     • S 期 (Synthesis Phase):
       • DNA 複製（DNA synthesis）發生在這個階段。每個染色體被精確地複製成兩個姐妹染色單體 (sister chromatids)。
       • 組蛋白 (histone) 等與 DNA 相關的蛋白質也在此階段大量合成。
     • G2 期 (Gap 2 Phase):
       • DNA 複製完成到細胞開始進入 M 期之間的時間。
       • 細胞繼續生長，並合成分裂所需的蛋白質（如微管蛋白）。
       • 細胞在此階段會經過 G2 檢查點，確保 DNA 複製正確無誤，準備進入 M 期。

2. M 期 (Mitotic Phase):

   • 這是細胞分裂的階段，細胞核和細胞質同時分裂。M 期又細分為兩個主要過程：
     • 細胞核分裂 (Mitosis): 染色體被精確地分離到兩個子核中。細胞核分裂又分為五個連續的階段：
       • 前期 (Prophase): 染色質開始凝縮成可見的染色體；核仁消失；紡錘體開始形成。
       • 前中期 (Prometaphase): 核膜解體；紡錘體微管附著到染色體的著絲粒 (kinetochore) 上。
       • 中期 (Metaphase): 染色體排列在細胞中央的赤道板 (metaphase plate) 上。此階段有中期檢查點 (M checkpoint)，確保所有染色體都正確連接到紡錘體。
       • 後期 (Anaphase): 姐妹染色單體分離，並作為獨立的子染色體被紡錘體拉向細胞的兩極。
       • 末期 (Telophase): 子染色體到達細胞兩極，開始解凝縮；新的核膜形成；核仁重新出現。
     • 細胞質分裂 (Cytokinesis): 在細胞核分裂的末期或稍後開始，細胞質分裂成兩個子細胞。在動物細胞中，通過形成收縮環 (contractile ring) 進行。

細胞週期調控分子 (Regulatory Molecules of the Cell Cycle):