111 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》

本題主要在測試學生對酶(enzyme)的基本概念、催化反應分類、輔酶與輔因子的理解。

核心觀念：

1. 酶的分類： 國際生化學聯合會(IUBMB)將酶依據催化反應的類型分為六大類，每類有特定的功能。
2. 輔酶與輔因子： 許多酶需要非蛋白質的輔助因子才能發揮活性，這些因子包含輔酶與金屬離子等。

解題思路：

A：酶的六大分類

酶的分類是基於其催化的化學反應類型。國際生化學聯合會(IUBMB)將酶分為六大類，並以EC編號表示：

1. 氧化還原酶 (Oxidoreductases, EC 1)： 催化氧化還原反應，即電子或氫離子的轉移。

   • 功能： 在代謝過程中扮演關鍵角色，例如呼吸作用中的電子傳遞鏈、細胞呼吸中的脫氫反應等。
   • 例子： 脫氫酶 (Dehydrogenase)、氧化酶 (Oxidase)、還原酶 (Reductase)。

2. 轉移酶 (Transferases, EC 2)： 催化官能基（如甲基、氨基、磷酸基、乙醯基等）從一個分子轉移到另一個分子。

   • 功能： 在生物合成、訊號傳遞和能量代謝中很重要，例如磷酸化、甲基化反應。
   • 例子： 轉胺酶 (Transaminase)、激酶 (Kinase)、甲基轉移酶 (Methyltransferase)。

3. 水解酶 (Hydrolases, EC 3)： 催化以水分子介入的化學鍵斷裂（水解反應），例如酯鍵、醣苷鍵、胜肽鍵、酸酐鍵等。

   • 功能： 參與消化、細胞內物質分解、訊號調節等。
   • 例子： 酯酶 (Esterase)、胜肽酶 (Peptidase)、醣苷酶 (Glycosidase)、磷酸酶 (Phosphatase)。

4. 裂合酶 (Lyases, EC 4)： 催化非水解、非氧化還原的方式，從受質上移除官能基，形成雙鍵，或反之，在雙鍵上加入官能基。

   • 功能： 參與代謝途徑的合成與分解，例如檸檬酸循環中的裂合反應。
   • 例子： 脫羧酶 (Decarboxylase)、脫水酶 (Dehydratase)、醛縮酶 (Aldolase)。

5. 異構酶 (Isomerases, EC 5)： 催化分子內結構重排，將一個分子轉化為其結構異構物。

   • 功能： 在代謝途徑中調整分子構型，使其能進一步反應，例如糖解作用中的異構化。
   • 例子： 差向異構酶 (Epimerase)、變位酶 (Mutase)、順反異構酶 (Isomerase)。

6. 連接酶 (Ligases, EC 6)： 催化兩個分子之間的連接反應，通常伴隨著 ATP 等高能化合物的水解，形成新的化學鍵（如碳-碳、碳-硫、碳-氮、碳-氧鍵）。

   • 功能： 在 DNA 複製、修復、蛋白質合成等過程中至關重要。
   • 例子： DNA連接酶 (DNA Ligase)、醯基-CoA合成酶 (Acyl-CoA synthetase)。

B：輔酶與輔因子

本題主要在測試學生對脂質的分類、結構、存在位置及功能的理解。

核心觀念：

1. 脂質的定義與分類： 脂質是一類疏水性或兩親性的生物分子，可分為簡單脂質、複雜脂質、類異戊烯類脂質等。
2. 簡單脂質： 主要指脂肪酸與醇形成的酯。
3. 複雜脂質： 在簡單脂質的基礎上，額外結合了其他分子，如磷酸、醣類等。
4. 存在位置與功能： 脂質在細胞和生物體中扮演多樣化的角色。

解題思路：

脂質的分類與說明：

脂質是生物體內一類重要的疏水性分子，依據其結構和組成，可分為以下幾類：

一、簡單脂質 (Simple Lipids)

簡單脂質是指由脂肪酸與醇形成的酯。最常見的簡單脂質是三酸甘油酯 (Triglycerides)。

• 結構： 由一個甘油分子 (glycerol) 與三個脂肪酸分子 (fatty acids) 透過酯鍵連接而成。脂肪酸可以是飽和的或不飽和的，種類和長度不同會影響三酸甘油酯的性質（如熔點）。
• 存在位置：
  • 動物： 主要儲存在脂肪細胞 (adipocytes) 中，形成脂肪組織 (adipose tissue)。
  • 植物： 儲存在種子、果實等部位的油滴中。
• 功能：
  1. 能量儲存： 是生物體最主要的長期能量儲存形式，其能量密度遠高於碳水化合物和蛋白質。
  2. 保溫： 皮下脂肪組織有助於維持體溫。
  3. 保護器官： 脂肪組織能保護內臟器官免受物理衝擊。

二、複雜脂質 (Complex Lipids)

複雜脂質是在簡單脂質的基礎上，額外結合了其他分子，通常是磷酸或醣類。它們具有兩親性（amphipathic）的特性，即同時具有親水頭部和疏水尾部。

複雜脂質又可細分為：

1. 磷脂質 (Phospholipids)：
   • 結構： 由一個甘油分子、兩個脂肪酸分子、一個磷酸基團，以及一個額外的分子（如膽鹼、乙醇胺、絲胺酸、肌醇等）透過酯鍵連接而成。

核心觀念

檸檬酸循環（Citric Acid Cycle, CAC），又稱三羧酸循環（Tricarboxylic Acid Cycle, TCA cycle）或克氏循環（Krebs cycle），是好氧生物體內能量代謝的核心樞紐。

1. 細胞定位：真核生物進行於粒線體基質（Mitochondrial matrix）（唯一例外為琥珀酸去氫酶，鑲嵌於粒線體內膜）。
2. 代謝定位：為醣類（糖解作用產物）、脂質（$\beta$-氧化產物）與蛋白質（胺基酸去胺碳骨架）代謝產生之**乙醯輔酶 A（$\text{Acetyl-CoA}$）**的最終共同氧化路徑。
3. 兩用路徑（Amphibolic pathway）：兼具「異化作用」（完全氧化乙醯基生成 $\text{CO}_2$ 並釋出高能電子）與「同化作用」（中間產物可作為生合成前驅物，如草醯乙酸用於葡萄糖新生、$\alpha$-酮戊二酸用於合成麩胺酸、琥珀醯-CoA 用於合成血基質）。
4. 化學計量與淨反應式：每消耗 1 分子 $\text{Acetyl-CoA}$（2C），進行一輪循環的淨反應式為：

$$\text{Acetyl-CoA} + 3\text{NAD}^+ + \text{FAD} + \text{GDP} + \text{P}_i + 2\text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2\text{CO}_2 + 3\text{NADH} + 3\text{H}^+ + \text{FADH}_2 + \text{GTP} + \text{CoA-SH}$$

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解題方法與完整步驟說明

本題為 20 分之大型申論與繪圖題。答題策略需先提供結構完整的循環圖解（明確標示受質、碳數、催化酵素、進出分子與能量生成物），隨後依序分述 8 個酵素催化步驟之反應機構與生化特性。

一、檸檬酸循環路徑圖解

               Acetyl-CoA (2C)
                     │
                     ▼ ◄── H2O + CoA-SH (釋出)
           ┌───────────────────┐
           │ [1] Citrate       │ ◄── Oxaloacetate (4C)
           │     synthase      │           ▲
           └─────────┬─────────┘           │ [8] Malate
                     ▼                     │     dehydrogenase
                Citrate (6C)               │  (產生 NADH + H+)
                     │                     │
                     ▼ [2] Aconitase       L-Malate (4C)
               Isocitrate (6C)             ▲
                     │                     │ [7] Fumarase
                     ▼ [3] Isocitrate      │  (消耗 H2O)
                     │     dehydrogenase   │
            (釋出 CO2, 產生 NADH)           Fumarate (4C)
                     ▼                     ▲
          α-Ketoglutarate (5C)             │ [6] Succinate
                     │                     │     dehydrogenase
                     ▼ [4] α-KG            │  (產生 FADH2)
                     │     dehydrogenase   │
         (消耗 CoA-SH, 釋出 CO2,           Succinate (4C)
          產生 NADH + H+)                  ▲
                     ▼                     │ [5] Succinyl-CoA
              Succinyl-CoA (4C) ───────────┘     synthetase
                                            (產生 GTP/ATP, 釋出 CoA-SH)

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二、檸檬酸循環之詳細進行步驟

1. 步驟 1：檸檬酸之縮合合成（Condensation）

   • 反應物：$\text{Acetyl-CoA (2C)} + \text{草醯乙酸 (Oxaloacetate, 4C)} + \text{H}_2\text{O}$
   • 產物：$\text{檸檬酸 (Citrate, 6C)} + \text{CoA-SH}$
   • 催化酵素：檸檬酸合成酶（Citrate synthase）
   • 反應特性：高能硫酯鍵水解驅動縮合反應，$\Delta G^{\circ\prime} \ll 0$（高度放能），為循環之主要速率決定與不可逆步驟。

2. 步驟 2：異構化形成異檸檬酸（Isomerization）

   • 反應物：$\text{檸檬酸 (Citrate, 6C)}$
   • 產物：$\text{異檸檬酸 (Isocitrate, 6C)}$（中間體為 $\text{cis-Aconitate}$）
   • 催化酵素：烏頭酸酶（Aconitase）
   • 反應特性：經「脫水再水合」步驟，將不易氧化的三級醇（Citrate）轉化為易於後續氧化的二級醇（Isocitrate）。酵素活性中心含有 $\text{Fe-S}$ 簇（鐵硫中心）。

3. 步驟 3：第一次氧化脫羧反應（First Oxidative Decarboxylation）

   • 反應物：$\text{異檸檬酸 (Isocitrate, 6C)} + \text{NAD}^+$
   • 產物：$\alpha\text{-酮戊二酸 (}\alpha\text{-Ketoglutarate, 5C)} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+$
   • 催化酵素：異檸檬酸去氫酶（Isocitrate dehydrogenase, ICDH）
   • 反應特性：釋出循環第 1 分子 $\text{CO}_2$，生成第 1 分子 $\text{NADH}$。此反應為不可逆之主要限速調控點（受 ADP 異位活化，受 ATP、NADH 異位抑制）。

4. 步驟 4：第二次氧化脫羧反應（Second Oxidative Decarboxylation）

   • 反應物：$\alpha\text{-Ketoglutarate (5C)} + \text{NAD}^+ + \text{CoA-SH}$
   • 產物：$\text{琥珀醯-CoA (Succinyl-CoA, 4C)} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+$
   • 催化酵素：$\alpha$-酮戊二酸去氫酶複合體（$\alpha$-Ketoglutarate dehydrogenase complex）
   • 反應特性：釋出循環第 2 分子 $\text{CO}_2$（碳骨架自此轉為 4C），生成第 2 分子 $\text{NADH}$。為不可逆反應。該複合體構造與調控與丙酮酸去氫酶複合體（PDH）高度相似，需要 5 種輔因子（$\text{TPP}$、$\text{Lipoate}$、$\text{FAD}$、$\text{NAD}^+$、$\text{CoA}$）。

5. 步驟 5：受質階層磷酸化（Substrate-level Phosphorylation）

   • 反應物：$\text{Succinyl-CoA (4C)} + \text{GDP (或 ADP)} + \text{P}_i$
   • 產物：$\text{琥珀酸 (Succinate, 4C)} + \text{GTP (或 ATP)} + \text{CoA-SH}$

本題主要測試學生對 RNA 的基本種類、結構特徵及其在真核和原核生物中的功能。

核心觀念：

1. RNA 的基本類型： 生命體中存在多種類型的 RNA，其中三種最主要的類型是 mRNA、tRNA 和 rRNA。
2. 功能分工： 這三種 RNA 在蛋白質合成過程中扮演不同的、互補的角色。
3. 真核與原核的差異： 雖然基本功能相似，但在結構和處理上可能存在差異（例如 mRNA 的剪接）。

解題思路：

RNA (Ribonucleic acid) 是一種核酸，在遺傳資訊的表達和蛋白質的合成中扮演著至關重要的角色。與 DNA 不同，RNA 通常是單鏈結構，並含有核糖 (ribose) 而非去氧核糖 (deoxyribose)，以及尿嘧啶 (uracil) 取代胸腺嘧啶 (thymine)。

在真核生物和原核生物中，存在著三種最主要的 RNA 分子類型，它們共同協作完成蛋白質的合成：

1. 信使 RNA (Messenger RNA, mRNA)

• 結構： mRNA 是 DNA 序列的「信使」，攜帶基因的遺傳密碼。在真核生物中，mRNA 在轉錄後會經過加工（如加帽、加尾、剪接）才能釋放，其序列包含密碼子 (codons)，每個密碼子由三個核苷酸組成，決定了特定胺基酸的種類。
• 功能：
  • 攜帶遺傳密碼： 轉錄自 DNA 的基因序列，將遺傳訊息從細胞核（真核生物）或細胞質（原核生物）傳遞到核糖體。
  • 指導蛋白質合成： 在核糖體上，mRNA 的密碼子序列被「讀取」，指導 tRNA 攜帶對應的胺基酸，按照順序組合成多肽鏈（蛋白質）。
• 存在位置： 真核生物中，先在細胞核內轉錄，然後運輸到細胞質中的核糖體；原核生物中，轉錄和翻譯同時進行，mRNA 在細胞質中與核糖體結合。

2. 轉運 RNA (Transfer RNA, tRNA)

• 結構： tRNA 是一種較小的 RNA 分子（約 75-95 個核苷酸），具有獨特的「三葉草」狀二級結構，進一步摺疊成 L 形三維結構。其結構包含幾個關鍵區域：
  • 反密碼子環 (Anticodon loop)： 包含一個反密碼子 (anticodon)，能與 mRNA 上的對應密碼子互補配對。
  • 胺基酸接受臂 (Amino acid acceptor arm)： 位於 3' 端，能夠特異性地連接一種胺基酸。
• 功能：
  • 攜帶胺基酸： 每個 tRNA 分子能識別並攜帶一種特定的胺基酸。
  • 識別密碼子： tRNA 的反密碼子與 mRNA 的密碼子配對，確保正確的胺基酸被添加到生長中的多肽鏈上。
  • 參與蛋白質合成： 在核糖體上，tRNA 將其攜帶的胺基酸按照 mRNA 的密碼順序逐一遞送，連接成蛋白質。
• 存在位置： 在細胞質中，與胺基酸和胺基醯tRNA合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase) 共同作用，然後運輸到核糖體進行翻譯。

本題主要測試學生對必需脂肪酸的認識，包括其種類、人體為何需要它們，以及缺乏時可能產生的健康問題。

核心觀念：

1. 必需脂肪酸的定義： 指人體無法自行合成，必須從飲食中獲取的脂肪酸。
2. 主要必需脂肪酸： 亞麻油酸 (Linoleic acid) 和 $\alpha$-次 જ 亞麻油酸 ($\alpha$-Linolenic acid) 是最重要的兩種。
3. 功能： 必需脂肪酸是細胞膜結構的重要組成部分，也是合成花生四烯酸 (Arachidonic acid) 和其他長鏈多元不飽和脂肪酸的前驅物，這些物質參與多種生理功能，包括發炎反應、血液凝固、血管舒張等。
4. 缺乏症狀： 缺乏必需脂肪酸會影響細胞膜的穩定性，並導致與花生四烯酸及其衍生物相關的生理功能異常。

解題思路：

必需脂肪酸 (Essential Fatty Acids, EFAs) 是指人體無法自行合成，必須從飲食中獲取的脂肪酸。這是因為人體缺乏能夠在脂肪酸鏈上引入雙鍵（特別是 $\omega$-3 和 $\omega$-6 位置）的酶。必需脂肪酸對於維持人體正常的生理功能至關重要，它們是細胞膜結構的重要組成部分，也是合成許多生物活性物質（如前列腺素、血栓素、白三烯等）的前驅物。

人體需要的必需脂肪酸：

人體主要需要兩種必需脂肪酸，它們屬於 $\omega$-6 和 $\omega$-3 系列的多元不飽和脂肪酸：

1. 亞麻油酸 (Linoleic acid, LA)：

   • 化學結構：一種 18 個碳原子、帶有兩個雙鍵（位置在 $\omega$-6）的多元不飽和脂肪酸。
   • 來源：常見於植物油，如葵花油、玉米油、大豆油、紅花油等。
   • 重要性： 它是合成其他 $\omega$-6 系列長鏈多元不飽和脂肪酸（如花生四烯酸 Arachidonic acid, AA）的直接前驅物。

2. $\alpha$-次 જ 亞麻油酸 ($\alpha$-Linolenic acid, ALA)：

   • 化學結構：一種 18 個碳原子、帶有三個雙鍵（位置在 $\omega$-3）的多元不飽和脂肪酸。
   • 來源：常見於亞麻籽油、奇亞籽油、核桃、某些深海魚油（儘管魚油中主要是 EPA 和 DHA）。
   • 重要性： 它是合成其他 $\omega$-3 系列長鏈多元不飽和脂肪酸（如二十碳五烯酸 Eicosapentaenoic acid, EPA 和二十二碳六烯酸 Docosahexaenoic acid, DHA）的前驅物。

必需脂肪酸的缺乏可能引起的症狀或疾病：