109 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》

本題考查氧化還原反應的基本概念。在生物系統中，氧化反應是指物質失去電子的過程，而這些失去的電子必定會被另一個物質接收，這個接收電子的過程稱為還原。因此，氧化反應總是伴隨著還原反應。

本題主要考查 ATP (Adenosine Triphosphate) 的特性。

選項 (A) 錯誤。ATP 在體內與 Mg$^{2+}$ 形成複合物，而非 Fe$^{2+}$。Mg$^{2+}$ 的存在有助於穩定 ATP 的磷酸基團，並促進 ATP 參與酶促反應。
選項 (B) 錯誤。ATP 是細胞主要的「能量貨幣」，用於直接提供能量進行各種生命活動，但它並非長期的「能量儲存」形式。長期的能量儲存形式包括糖原（肝臟、肌肉）和脂肪。ATP 儲量非常有限，需要不斷合成和分解。

本題考查三大營養素（碳水化合物、脂肪、蛋白質）代謝的共同終點，以及進入檸檬酸循環 (citric acid cycle) 的前體。

三大營養素在消化分解後，最終都會轉化為能進入細胞代謝的分子。

• 碳水化合物主要分解為葡萄糖，葡萄糖經過醣解作用 (glycolysis) 產生丙酮酸 (pyruvate)。
• 脂肪（三酸甘油酯）水解為脂肪酸和甘油。甘油可進入醣解途徑，脂肪酸則透過 β-氧化 (β-oxidation) 產生乙醯輔酶 A (acetyl-CoA)。
• 蛋白質分解為胺基酸。胺基酸經過脫胺基作用後，其碳骨架可以轉化為丙酮酸、乙醯輔酶 A 或檸檬酸循環的代謝中間物。

本題考查葡萄糖（或肝醣）代謝生成丙酮酸和乳酸的細胞質途徑。

• 醣解作用 (Glycolysis)：這是葡萄糖在細胞質中分解為丙酮酸的代謝途徑。在無氧條件下，丙酮酸可進一步轉化為乳酸，完成乳酸發酵。這是所有哺乳動物細胞都能進行的過程。
• TCA cycle (檸檬酸循環)：發生於粒線體基質，是好氧呼吸的關鍵步驟，將乙醯輔酶 A 徹底氧化為 CO$_{2}$。

本題考查肝醣代謝的相關知識。

選項 (A) 正確。在進食後，血糖濃度升高，肝臟會吸收葡萄糖，並在肝醣合成酶的作用下，將葡萄糖轉化為肝醣儲存起來。此時肝臟合成肝醣的速率增加，以降低血糖。
選項 (B) 錯誤。血漿中沒有肝醣。肝醣是儲存在細胞內的聚合物，主要存在於肝臟和肌肉細胞中。
選項 (C) 錯誤。肝醣主要儲存在肝臟和肌肉中。大腦主要消耗葡萄糖，但本身儲存的肝醣量很少，且不能釋放葡萄糖到血液中。
選項 (D) 錯誤。

本題考查脂肪酸氧化產生 ATP 的過程。

脂肪酸的氧化分解過程，稱為 β-氧化 (β-oxidation)，發生於粒線體基質。在這個過程中，脂肪酸會被逐步縮短，每次縮短兩個碳原子，產生一個乙醯輔酶 A 分子、NADH 和 FADH$_{2}$。

• 乙醯輔酶 A 會進入檸檬酸循環 (TCA cycle) 產生更多的 NADH 和 FADH$_{2}$。
• NADH 和 FADH$_{2}$ 則進入電子傳遞鏈，最終透過氧化磷酸化產生大量的 ATP。

本題考查脂質代謝和生理功能的相關敘述，要求選出錯誤的選項。

選項 (A) 正確。三酸甘油酯 (Triacylglycerol) 是脂肪的主要成分，也是脂肪組織 (adipose tissue) 中儲存的主要形式，用於長期能量儲備。
選項 (B) 正確。肝臟是代謝膽固醇的主要器官。過量的膽固醇可以通過肝臟轉化為膽汁酸（bile salts）或直接分泌到膽汁中，隨後經由腸道排出體外。
選項 (C) 錯誤。

本題考查胺基酸在生物合成中的作用，特別是與神經傳導物質和激素的關係。

• 去甲腎上腺素 (norepinephrine) 和腎上腺素 (epinephrine)：這兩種兒茶酚胺類神經傳導物質和激素，其生物合成的直接前驅物是酪胺酸 (tyrosine)。酪胺酸經過一系列酶促反應（包括酪胺酸羥化酶、多巴脫羧酶、多巴胺 β-羥化酶、苯乙醇胺 N-甲基轉移酶）轉化而來。
• 甲狀腺激素 (thyroid hormones)：包括甲狀腺素 (T4) 和三碘甲狀腺原氨酸 (T3)。它們的合成前驅物也是酪胺酸。

本題考查胺基酸降解（代謝）的第一個關鍵步驟。

大多數蛋白質胺基酸的降解始於轉胺基反應 (transamination)，這個反應是將胺基酸的 α-胺基轉移到一個 α-酮酸上，同時 α-酮酸轉化為 α-胺基酸，而原來的胺基酸則轉化為 α-酮酸。這個過程的輔酶是吡哆醛磷酸 (pyridoxal phosphate, PLP)，它是維生素 B6 的活性形式。PLP 在轉胺基反應中起著至關重要的作用，作為一個臨時的胺基載體。

本題考查 DNA 分子的結構與電荷。

DNA 分子由核苷酸組成，每個核苷酸包含一個去氧核糖 (deoxyribose)、一個磷酸基團 (phosphate group) 和一個含氮鹼基（腺嘌呤 A、鳥糞嘌呤 G、胞嘧啶 C、胸腺嘧啶 T）。
DNA 的雙股結構是由核苷酸通過磷酸二酯鍵連接形成長鏈，然後兩條鏈通過鹼基對之間的氫鍵配對連接而成。

• 磷酸基團：在生理 pH 值下，磷酸基團會解離，帶有兩個負電荷（-2）。DNA 的骨架是由去氧核糖和磷酸基團交替連接而成。

本題考查不同聚合酶的功能，特別是合成 RNA 的酶。

• DNA-dependent RNA polymerase (DNA 依賴型 RNA 聚合酶)：這是最常見的 RNA 合成酶，也稱為 RNA 聚合酶 (RNA polymerase)。它以單股 DNA 作為模板，按照鹼基互補配對原則，合成 RNA 分子。這個過程稱為轉錄 (transcription)。
• Reverse transcriptase (反轉錄酶)：存在於逆轉錄病毒中，它以 RNA 作為模板，合成 DNA。這個過程稱為反轉錄 (reverse transcription)。

本題考查真核生物染色體結構的知識。

染色體的末端有一種特殊的重複 DNA 序列，稱為端粒 (telomere)。端粒在細胞分裂過程中保護染色體免受損傷，並防止染色體末端相互融合。在大多數真核生物中，端粒序列是由高度重複的短序列組成，例如人類端粒的重複序列是 TTAGGG。

本題考查細胞信號傳導機制。細胞與外界環境溝通，接收和識別細胞外信號分子，是通過細胞表面的特異性受體來實現的。

• 受體 (Receptors)：這些是位於細胞膜上或細胞內的蛋白質分子，能夠特異性地識別並結合特定的細胞外信號分子（也稱為配體或第一信使）。一旦信號分子與受體結合，就會引發細胞內的一系列響應，如信號傳導級聯反應，最終導致細胞生理功能的改變。
• 整合素 (Integrins)：是細胞膜上的跨膜蛋白質，參與細胞與細胞外基質的結合，也參與信號傳導，但它們通常識別的是細胞外基質成分，而不是特定的細胞外信號分子。

本題考查維生素E (Vitamin E) 的抗氧化機制。維生素E是一種脂溶性抗氧化劑，主要存在於細胞膜中，保護細胞膜免受自由基的攻擊。

• 自由基 (Free radicals)：是含有不成對電子的不穩定分子，具有很高的反應活性，能攻擊生物大分子（如細胞膜上的脂質、蛋白質、DNA），造成氧化損傷。
• 維生素E的抗氧化作用：維生素E通過提供一個氫原子（或電子）給自由基，將其轉化為相對穩定的非自由基分子，從而終止自由基鏈式反應。在這個過程中，維生素E自身被氧化，形成一個相對穩定的自由基（維生素E自由基, Vit E•）。

本題考查脂肪酸合成過程中所需的還原性輔酶。

脂肪酸合成 (fatty acid synthesis) 是一個需要還原力的合成過程，發生於細胞質。在這個過程中，乙醯輔酶 A (acetyl-CoA) 被逐步延長，最終形成飽和脂肪酸。這個過程中的還原步驟是由 NADPH 提供的。
NADPH 是煙鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) 的還原型，它是細胞內主要的還原性輔酶，廣泛參與各種合成反應（如脂肪酸合成、核苷酸合成）和解毒反應。

Niacin (菸鹼酸) 是維生素 B3，它是 NAD$^+$ 和 NADP$^+$ 的前體。因此，Niacin 是合成 NADPH 的重要來源。

本題要求描述轉錄、轉譯和蛋白質成熟三個核心的分子生物學過程。

1. 轉錄 (Transcription)
轉錄是將 DNA 上的遺傳信息轉錄為 RNA 分子的過程，主要發生在細胞核（真核生物）或細胞質（原核生物）。

• 起始 (Initiation)：RNA 聚合酶 (RNA polymerase) 識別 DNA 上的啟動子 (promoter) 區域，並與之結合。DNA 雙螺旋解旋，形成轉錄泡。
• 延伸 (Elongation)：RNA 聚合酶沿著 DNA 模板鏈（通常是 3' → 5' 方向）移動，利用 DNA 序列作為模板，按照鹼基互補配對原則（A-U, G-C），以 NTP (核苷三磷酸) 為原料，合成一條單股 RNA 分子（沿 5' → 3' 方向合成）。
• 終止 (Termination)：當 RNA 聚合酶遇到 DNA 上的終止子 (terminator) 序列時，轉錄終止。RNA 聚合酶從 DNA 上脫落，新合成的 RNA 分子釋放出來。

真核生物轉錄的特殊性：

• 存在三種主要的 RNA 聚合酶（Pol I, Pol II, Pol III），分別負責轉錄不同類型的 RNA。Pol II 負責 mRNA 的轉錄。
• 轉錄產物是前體 RNA (pre-RNA)，需要進行轉錄後修飾，包括：
  • 加帽 (Capping)：在 RNA 的 5' 端加上一個特殊的結構（7-甲基鳥苷酸，m$^{7}$GpppN），以保護 RNA 免受核酸酶降解，並有助於核糖體識別。
  • 加尾 (Polyadenylation)：在 RNA 的 3' 端加上一串約 50-250 個腺嘌呤核苷酸（poly-A 尾），以增加 RNA 的穩定性，並參與 mRNA 的運輸和轉譯。
  • 剪接 (Splicing)：去除內含子 (introns)（非編碼區），將外顯子 (exons)（編碼區）連接起來，形成成熟的 mRNA。

2. 轉譯 (Translation)
轉譯是將 mRNA 分子上的遺傳密碼轉譯為蛋白質分子中的胺基酸序列的過程，主要發生在細胞質的核糖體 (ribosome) 上。

• 起始 (Initiation)：mRNA 分子與核糖體的亞基（小亞基）結合。起始 tRNA（攜帶第一個胺基酸，通常是甲硫胺酸 Met）識別 mRNA 上的起始密碼子 (start codon, 通常是 AUG)。隨後，核糖體大亞基結合，形成完整的起始複合物。
• 延伸 (Elongation)：
  • 核苷酸結合 (Codon Recognition)：第二個 tRNA（攜帶第二個胺基酸）進入核糖體 A 位點 (A site)，其反密碼子與 mRNA 上的第二個密碼子配對。
  • 肽鍵形成 (Peptide Bond Formation)：位於 P 位點 (P site) 的肽鏈（此時只是一個胺基酸）通過肽鍵形成反應，將其胺基酸轉移到 A 位點的 tRNA 上的胺基酸上，形成更長的肽鏈。這個反應由核糖體催化（核酶活性）。

本題考查藥物作用機制，特別是別嘌醇 (allopurinol) 在治療高尿酸血症 (hyperuricemia) 和痛風性關節炎 (gout arthritis) 中的應用。

核心概念：尿酸的生成與別嘌醇的作用

尿酸 (uric acid) 是人體內嘌呤代謝的最終產物。嘌呤（如腺嘌呤和鳥糞嘌呤）在細胞內分解，經過一系列酶促反應，最終生成尿酸。尿酸的生成由一種關鍵酶催化：黃嘌呤氧化酶 (Xanthine oxidase)。

高尿酸血症和痛風
當人體內尿酸生成過多或排泄不足時，血尿酸濃度會升高，稱為高尿酸血症。如果過量的尿酸在關節和其他組織中形成結晶（尿酸鈉結晶），就會引發劇烈的炎症反應，導致痛風性關節炎。

別嘌醇 (Allopurinol) 的作用機制
別嘌醇是一種結構類似於黃嘌呤 (hypoxanthine) 和黃質嘌呤 (xanthine) 的藥物，它通過抑制黃嘌呤氧化酶的活性來降低尿酸的生成。

1. 競爭性抑制：別嘌醇本身是黃嘌呤氧化酶的底物類似物。它能與黃嘌呤氧化酶結合，並被該酶催化轉化為氧別嘌醇 (oxypurinol)。

細胞膜 (cell membrane)，也稱為質膜 (plasma membrane)，是包圍所有細胞（包括原核和真核細胞）的屏障。它是一個動態的結構，具有多種關鍵功能：

1. 區隔與保護 (Compartmentalization and Protection)：細胞膜將細胞內部與外部環境區隔開來，維持細胞內部的特定化學環境，並保護細胞免受物理損傷和外界有害物質的侵害。
2. 物質運輸 (Transport)：細胞膜對物質進出細胞具有選擇性通透性 (selective permeability)。它控制著離子、營養物、廢物等物質的進出，通過被動運輸（擴散、促進性擴散）和主動運輸（需要能量）等機制，維持細胞內外物質的平衡。
3. 信號傳導 (Signal Transduction)：細胞膜上的受體蛋白能夠識別和結合細胞外的信號分子（如激素、神經傳導物質），並將信號傳遞到細胞內部，引發細胞的響應。

細胞膜主要由脂質、蛋白質和碳水化合物三類分子組成，它們各自扮演著獨特的功能角色：

1. 脂質 (Lipids)
細胞膜的主要結構成分是磷脂 (phospholipids)，它們構成了一個連續的脂雙層 (lipid bilayer)。

• 結構骨架 (Structural Framework)：磷脂分子具有親水頭部（含磷酸基團）和疏水尾部（脂肪酸鏈）。在水性環境中，它們自發排列成脂雙層，親水頭部朝向細胞內外水相，疏水尾部則相互朝內，形成一個疏水的核心。這個脂雙層結構是細胞膜的基礎，有效地將細胞內部與外部隔開。
• 膜的流動性 (Membrane Fluidity)：脂雙層中的脂質分子（包括磷脂和膽固醇）並非靜止不動，而是可以相對自由地移動（橫向擴散、旋轉、側向運動）。這種流動性對於膜功能的實現至關重要，如蛋白質的移動、膜的融合和分裂。膽固醇 (cholesterol) 在其中起到調節作用，在較高溫度下降低流動性，在較低溫度下則增加流動性，維持膜的穩定性。
• 屏障作用 (Barrier Function)：疏水的脂雙層核心阻止了水溶性分子（如離子、極性分子）的自由通過，從而形成了細胞的選擇性屏障。

2. 蛋白質 (Proteins)
細胞膜上的蛋白質種類繁多，功能多樣，通常被嵌入或附著在脂雙層中。

• 運輸蛋白 (Transport Proteins)：負責將離子和極性分子跨膜運輸。包括通道蛋白 (channel proteins)（形成親水通道）和載體蛋白 (carrier proteins)（與溶質結合並改變構象）。
• 酶 (Enzymes)：細胞膜上的許多酶催化與膜相關的化學反應，例如 ATP 酶（離子泵）、腺苷酸環化酶等。
• 信號轉導受體 (Signal Transduction Receptors)：位於細胞膜表面的蛋白質，能識別並結合特定的細胞外信號分子，引發細胞內信號級聯反應。

本題考查組織中膽固醇平衡的機制，以及高密度脂蛋白 (HDL) 和低密度脂蛋白 (LDL) 在其中扮演的角色。

膽固醇平衡的機制

膽固醇平衡是指細胞或組織中膽固醇的合成、攝取、儲存、酯化、釋放和轉運之間的動態平衡。這個平衡由多種因素調控，包括：

1. 膽固醇合成：細胞可以自身合成膽固醇，主要在肝臟進行，由 HMG-CoA 還原酶 (HMG-CoA reductase) 催化，這是限速步驟。細胞內膽固醇水平升高會抑制此酶的活性，從而減少合成。
2. 膽固醇攝取：細胞通過細胞膜上的膽固醇轉運蛋白（如 LDL 受體）攝取血液中的膽固醇（主要以 LDL 的形式）。細胞內膽固醇水平升高也會抑制 LDL 受體的表達，減少攝取。
3. 膽固醇酯化 (Esterification)：細胞內過量的膽固醇可以被膽固醇醯基轉移酶 (Acyl-CoA: cholesterol acyltransferase, ACAT) 酯化，形成膽固醇酯 (cholesteryl esters)，然後儲存在細胞內。
4. 膽固醇釋放 (Release)：細胞內的膽固醇酯可以被水解，釋放出游離膽固醇，用於細胞膜的構成或轉運到細胞外。
5. 膽固醇轉運 (Transport)：這是維持全身膽固醇平衡的關鍵。膽固醇在體內主要通過脂蛋白 (lipoproteins) 在血液中運輸。

HDL 和 LDL 在膽固醇平衡中的作用

脂蛋白是膽固醇、甘油三酯、磷脂和蛋白質組成的複合物，根據密度和組成不同，主要有幾種類型，其中 LDL 和 HDL 對膽固醇平衡至關重要。

1. 低密度脂蛋白 (LDL) - 膽固醇的「搬運工」
   • 來源：LDL 主要由肝臟合成，攜帶膽固醇從肝臟輸送到外周組織。
   • 作用：LDL 攜帶的膽固醇是細胞合成類固醇激素、維生素 D 和細胞膜所必需的。