113 年 國立臺灣大學農業化學系碩士班甲組《生物化學（C）》

本題考查粒線體進行有氧呼吸時，基質 (matrix) 與膜間隙 (intermembrane space) 的 pH 值變化。

有氧呼吸的最終步驟是電子傳遞鏈，位於粒線體內膜上。電子傳遞鏈將電子傳遞給氧氣，同時將質子（$H^+$）從粒線體基質泵送到膜間隙。這個質子梯度是驅動 ATP 合成的動力來源。

本題考查糖解作用 (glycolysis) 後丙酮酸 (pyruvate) 的去向，主要取決於什麼物質的可得性。

糖解作用是將葡萄糖分解為丙酮酸的過程。這個過程本身會產生少量的 ATP 和 NADH。丙酮酸的後續代謝途徑（如檸檬酸循環或無氧呼吸）取決於細胞的條件，尤其是氧氣的存在與否。

在有氧條件下，丙酮酸會進入粒線體，轉化為乙醯輔酶 A (acetyl-CoA)，然後進入檸檬酸循環。
在無氧條件下，丙酮酸會在細胞質中被還原，以再生糖解作用所需的 $NAD^+$。在動物細胞中，丙酮酸被還原為乳酸 (lactate)；在酵母菌等微生物中，丙酮酸則先脫羧生成乙醛，再被還原為乙醇。

關鍵在於，無論是進入有氧代謝還是無氧代謝，都需要 $NAD^+$ 作為電子載體。在糖解作用過程中，葡萄糖氧化生成丙酮酸時，會產生 NADH。如果沒有足夠的 $NAD^+$ 來接受這些電子，糖解作用就會停止。

本題考查在人體內，丙酮酸 (pyruvate) 的主要代謝途徑。

在人體細胞中，丙酮酸的去向取決於氧氣的供應情況。

1. 有氧條件下 (Aerobic conditions)：
   當氧氣充足時，丙酮酸會進入粒線體基質。在這裡，丙酮酸會被一種稱為丙酮酸脫氫酶複合物 (pyruvate dehydrogenase complex) 的酶催化，轉化為乙醯輔酶 A (acetyl-CoA)。乙醯輔酶 A 接著進入檸檬酸循環 (citric acid cycle) 被進一步氧化。

本題考查葡萄糖磷酸化為葡萄糖-6-磷酸 (glucose 6-phosphate) 的反應特性，以及其與 ATP 水解的耦合關係。

葡萄糖磷酸化反應是由葡萄糖激酶 (glucokinase) 或己糖激酶 (hexokinase) 催化，反應式為：
葡萄糖 + ATP $\rightarrow$ 葡萄糖-6-磷酸 + ADP

這個反應的自由能變化 ($\Delta G$) 是負值，表示它是一個放能反應 (exergonic reaction)。然而，這個反應的 $\Delta G$ 值相對較小，不足以自發進行。為了克服這個能量障礙並驅動反應朝產物方向進行，它需要與一個更強的放能反應耦合。

在這個例子中，耦合的反應是 ATP 的水解：
ATP + $H_2O$ $\rightarrow$ ADP + $P_i$

本題考查丙酮酸脫氫酶複合物 (pyruvate dehydrogenase complex) 的組成。

丙酮酸脫氫酶複合物是位於粒線體基質中的一個大型蛋白質複合物，它催化丙酮酸轉化為乙醯輔酶 A (acetyl-CoA)，是連接糖解作用和檸檬酸循環的關鍵步驟。

該複合物主要由三個核心酶組成：

1. E1: Pyruvate dehydrogenase (丙酮酸脫氫酶)：負責丙酮酸的脫羧。
2. E2: Dihydrolipoyl transacetylase (二氫硫辛酸轉乙醯酶)：負責將乙醯基從硫辛酸轉移到輔酶 A。
3. E3: Dihydrolipoyl dehydrogenase (二氫硫辛酸脫氫酶)：負責氧化還原的硫辛酸，並將電子傳遞給 $NAD^+$。

本題考查葉綠素 (chlorophyll) 分子結構的中心金屬離子。

葉綠素是植物、藻類和藍綠菌中進行光合作用的主要色素。其分子結構包含一個稱為卟啉環 (porphyrin ring) 的環狀結構，在這個環的中心有一個金屬離子。

該金屬離子是鎂離子 ($Mg^{2+}$)。鎂離子與卟啉環中的四個氮原子配位，穩定整個分子結構，並在吸收光能和傳遞電子過程中起關鍵作用。

本題考查植物光合作用光反應 (light phase) 的最終電子接受者。

在光合作用的光反應階段，光能被葉綠素吸收，用於分解水分子（水的光解），釋放出氧氣、質子 ($H^+$) 和電子。這些電子經過電子傳遞鏈，最終被傳遞到一個電子接受者，生成還原力。

對於綠色植物來說，光反應的最終電子接受者是 $NADP^+$，它被還原成 $NADPH$。$NADPH$ 是一個還原劑，攜帶著高能電子，將在後續的碳反應（卡爾文循環）中用於還原二氧化碳，合成有機物。

核心觀念

圖中受質是蘋果酸，結構為 $\mathrm{^-OOC{-}CH(OH){-}CH_2{-}COO^-}$；產物是草醯乙酸，結構為 $\mathrm{^-OOC{-}C(=O){-}CH_2{-}COO^-}$。反應中，蘋果酸上的羥基碳由醇氧化成羰基，屬於氧化還原反應。

蘋果酸去氫酶催化此反應時，輔酶 $\mathrm{NAD^+}$ 接受氫化物而還原成 $\mathrm{NADH}$：

$$\mathrm{Malate + NAD^+ \rightleftharpoons Oxaloacetate + NADH + H^+}$$

解題方法

先比較反應物與產物：蘋果酸的 $\mathrm{-CH(OH)-}$ 變成草醯乙酸的 $\mathrm{-C(=O)-}$，代表蘋果酸失去電子而被氧化。與之配對的輔酶必須接受電子而被還原。

$\mathrm{NAD^+}$ 接受氫化物後形成 $\mathrm{NADH}$，因此方框 a、b 分別是 $\mathrm{NAD^+}$、$\mathrm{NADH}$，對應第 II 組，選項為 (B)。

核心觀念

本題測驗糖解作用（Glycolysis / EMP pathway）的基本特徵、酵素專一性與能量化學計量（Stoichiometry）：

1. 途徑本質與酵素催化：糖解作用是在細胞質中進行的 10 步連續反應，由 10 種各自獨立且專一的酵素催化完成，將 1 分子六碳葡萄糖（Glucose）降解為 2 分子三碳丙酮酸（Pyruvate）。
2. 能量消耗與產出：
   • 耗能階段（Preparatory phase, Steps 1–5）：在第 1 步（Hexokinase）與第 3 步（PFK-1）共水解消耗 $2\text{ 分子 ATP}$。
   • 產能階段（Payoff phase, Steps 6–10）：在第 7 步（PGK）與第 10 步（Pyruvate kinase）經由受質階層磷酸化（Substrate-level phosphorylation）共生成 $4\text{ 分子 ATP}$。
   • 淨能量收益：每分子葡萄糖淨生成 $2\text{ 分子 ATP}$。
3. 氧化還原與電子受體：第 6 步由甘油醛-3-磷酸去氫酶（GAPDH）催化，使用 $\text{NAD}^+$（而非 $\text{NADP}^+$）作為電子受體，生成 $2\text{ 分子 NADH} + 2\,\text{H}^+$。

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解題方法

本題為基礎觀念辨析題。解題關鍵在於回顧糖解作用的總反應方程式與化學計量平衡，並據此檢驗各選項在「酵素種類」、「ATP 消耗/生成量」及「輔酶參與」上的正確性。

糖解作用之整體淨反應式為：

$$\text{Glucose} + 2\,\text{NAD}^+ + 2\,\text{ADP} + 2\,\text{P}_i \longrightarrow 2\,\text{Pyruvate} + 2\,\text{NADH} + 2\,\text{H}^+ + 2\,\text{ATP} + 2\,\text{H}_2\text{O}$$

由化學計量關係可知：

• 每代謝 $1\text{ 分子 Glucose}$：

  $$\text{Net ATP gain} = 4\,\text{ATP (生成)} - 2\,\text{ATP (消耗)} = 2\,\text{ATP}$$

• 電子載體產出為 $2\text{ 分子 NADH}$，全程無 $\text{NADP}^+$ 參與。

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選項分析

• (A) 錯誤：
  1. 糖解作用包含 10 個步驟，每一步驟均由各自專一的特定酵素催化（如 Hexokinase、Phosphohexose isomerase、Phosphofructokinase-1、Aldolase、Triose phosphate isomerase、GAPDH、Phosphoglycerate kinase、Phosphoglycerate mutase、Enolase、Pyruvate kinase 共 10 種），絕非由單一酵素包辦全部反應。

本題考查檸檬酸循環 (citric acid cycle) 中，哪些反應需要 FAD 作為輔酶 (coenzyme)。

檸檬酸循環是細胞呼吸的重要組成部分，發生在粒線體基質中。在此循環中，乙醯輔酶 A (acetyl-CoA) 被氧化，產生 $CO_2$、ATP (或 GTP)、NADH 和 $FADH_2$。

我們來逐一檢視選項中的反應：

(A) Isocitrate to $\alpha$-ketoglutarate: 這個反應是檸檬酸循環中的第一個氧化反應，由異檸檬酸脫氫酶 (isocitrate dehydrogenase) 催化。此反應會產生 $CO_2$ 和 NADH。它需要 $NAD^+$ 作為電子接受者，而不是 FAD。

本題考查糖解作用 (glycolysis) 與癌症的關係。

癌症細胞的代謝特徵之一是它們即使在氧氣充足的情況下，也會傾向於進行高水平的糖解作用，這種現象稱為「瓦氏效應」(Warburg effect)。正常細胞在有氧條件下，主要依賴粒線體進行氧化磷酸化的效率更高的 ATP 生成方式；而癌細胞則會優先利用糖解作用，即使這比氧化磷酸化產生 ATP 的效率低得多。

這種現象的可能原因有多種，包括：

1. 快速 ATP 生成：雖然效率低，但糖解作用可以在較短時間內快速產生大量 ATP，滿足癌細胞快速增殖的需求。

本題考查粒線體電子傳遞鏈複合物 III (Ubiquinone-cytochrome c reductase) 的反應化學計量 (stoichiometry)。

複合物 III 的功能是將泛醌 (ubiquinone, $QH_2$) 的電子傳遞給細胞色素 c (cytochrome c)。
$QH_2$ (泛醇) 是一種脂溶性的電子載體，它可以接受兩個電子。
細胞色素 c 是一種水溶性的蛋白質，位於粒線體外膜和內膜之間，它是一種單電子載體。

反應過程如下：
$QH_2$ 是一種雙電子供體。它通過一個複雜的機制（Q 循環）將兩個電子傳遞出去。
其中一個電子傳遞給細胞色素 b，然後再傳遞到細胞色素 $c_1$。
另一個電子則通過不同的途徑，最終也傳遞到細胞色素 $c_1$。
細胞色素 $c_1$ 再將電子傳遞給細胞色素 c。

核心問題在於 $QH_2$ 提供兩個電子，而細胞色素 c 每次只能接受一個電子。
由於 $QH_2$ 是一個雙電子供體，它需要將其兩個電子分別傳遞給兩個細胞色素 c 分子（因為每個細胞色素 c 只能接受一個電子）。
因此，為了完全氧化一分子 $QH_2$，需要兩個分子的細胞色素 c 來接受這兩個電子。

選項分析：
(A) cytochrome c is a one-electron acceptor, whereas $QH_2$ is a two-electron donor.
* 細胞色素 c 確實是單電子載體。
* $QH_2$ (泛醇) 也是一個雙電子供體（它從泛醌 $Q$ 接受兩個電子並被還原成 $QH_2$）。
* 由於 $QH_2$ 提供了兩個電子，而細胞色素 c 每次只能接受一個電子，因此需要兩分子的細胞色素 c 來接收來自一分子 $QH_2$ 的電子。這個選項正確地解釋了化學計量。

本題考查劇烈運動時，骨骼肌中 NADH 的再氧化反應，以維持糖解作用的進行。

糖解作用的第六步，由甘油醛-3-磷酸脫氫酶 (glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase) 催化，將甘油醛-3-磷酸氧化，同時將 $NAD^+$ 還原為 NADH。這個反應的進行需要 $NAD^+$ 作為電子接受者。
$G3P + NAD^+ + P_i \rightarrow 1,3-BPG + NADH + H^+$

在劇烈運動時，細胞的氧氣供應可能不足，導致無法透過粒線體進行有氧呼吸來有效氧化 NADH。如果 NADH 在細胞質中累積過多，而 $NAD^+$ 不足，糖解作用就會停止。因此，細胞需要另一種機制來快速將 NADH 氧化回 $NAD^+$。

在這種情況下，主要的 NADH 再氧化途徑是將丙酮酸 (pyruvate) 還原為乳酸 (lactate)，此反應由乳酸脫氫酶 (lactate dehydrogenase, LDH) 催化：
$Pyruvate + NADH + H^+ \rightleftharpoons Lactate + NAD^+$

這個反應在骨骼肌中是可逆的，但在無氧條件下，為了盡快清除 NADH 並再生 $NAD^+$ 以維持糖解作用，反應傾向於向生成乳酸的方向進行。

本題考查 C4 植物光合作用途徑中的關鍵酶。

C4 光合作用途徑是一種適應高溫、乾旱和強光環境的植物碳固定機制。它通過將 $CO_2$ 先固定在葉肉細胞中，然後將固定的碳傳遞到維管束鞘細胞中進行卡爾文循環。這個過程有助於提高 $CO_2$ 濃度，減少光呼吸的損失。

C4 途徑的關鍵特徵是其初級 $CO_2$ 固定酶。在 C4 植物中，有兩種主要的 C4 途徑類型，取決於初級 $CO_2$ 固定酶：

1. PEP 羧化酶類型 (PEP carboxylase type)：在葉肉細胞中，磷酸烯醇丙酮酸 (phosphoenolpyruvate, PEP) 羧化酶將 $CO_2$ (以 $HCO_3^-$ 形式) 與 PEP 結合，生成草醋酸 (oxaloacetate)。草醋酸隨後被轉化為蘋果酸 (malate) 或天門冬胺酸 (aspartate)，並傳遞到維管束鞘細胞。這是最常見的 C4 途徑類型。
2. RuBisCO 類型 (RuBisCO type)：在某些 C4 植物中，初級 $CO_2$ 固定酶是 RuBisCO，但與 C3 植物不同，它在維管束鞘細胞中高濃度表達，並與 PEP 羧化酶協同作用。

本題考查解偶聯劑 (uncoupling agents) 對電子傳遞鏈 (electron transport chain, ETC) 和氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 的影響。

電子傳遞鏈位於粒線體內膜上，其主要功能是將電子傳遞給氧氣，並利用這個過程將質子 ($H^+$) 從粒線體基質泵送到膜間隙，建立質子梯度。
氧化磷酸化則利用這個質子梯度，透過 ATP 合成酶 (ATP synthase)，讓質子回流到基質，驅動 ATP 的合成。

解偶聯劑是一類能夠破壞質子梯度、使質子繞過 ATP 合成酶直接回流到基質的物質。它們「解耦」了電子傳遞與 ATP 合成這兩個過程。

選項分析：
(A) They block the flow of electrons, so protons aren't pumped, and ATP synthesis ceases.
* 解偶聯劑不直接阻斷電子流。電子傳遞鏈仍然可以正常運作，將電子傳遞給氧氣。
* 因此，質子仍然會被泵送到膜間隙，質子梯度仍然會建立。
* ATP 合成會因質子繞過 ATP 合成酶而減少，但不是因為電子流或質子泵浦停止。
* 此選項錯誤。

(B) They remove electrons from the chain, so less protons are pumped, and ATP synthesis decreases.
* 解偶聯劑不從電子傳遞鏈「移除」電子。
* 此選項錯誤。

本題考查類固醇 (sterols) 的特性。類固醇是一類重要的脂質，其基本結構是四個融合的碳環。

選項分析：
(A) Cholesterol is the principal sterol in fungi.
* 膽固醇 (cholesterol) 是動物細胞膜的主要類固醇。
* 真菌 (fungi) 的細胞膜中的主要類固醇是麥角固醇 (ergosterol)。
* 此選項錯誤。

(B) Sterols are found in the membranes of all living cells.
* 類固醇在許多生物的細胞膜中是重要的成分，例如動物細胞中的膽固醇，真菌中的麥角固醇。
* 然而，細菌（除了類菌原體 Mycoplasma 外）和植物細胞膜中通常不含類固醇。植物細胞膜中的主要脂質是植物固醇 (phytosterols)，如豆固醇 (stigmasterol) 和 $\beta$-谷固醇 ($\beta$-sitosterol)，它們與動物類固醇結構相似但有區別。細菌細胞膜則主要是磷脂。
* 因此，並非「所有」活細胞的細胞膜都含有類固醇。
* 此選項錯誤。

本題考查細胞訊號傳遞中涉及的甘油磷脂 (glycerophospholipid)。

甘油磷脂是細胞膜的主要成分，其結構包含一個甘油骨架、兩個脂肪酸鏈、一個磷酸基團，以及一個連接到磷酸基團的額外基團。

其中，磷脂醯肌醇 (phosphatidylinositol, PI) 及其磷酸化衍生物在細胞訊號傳遞中扮演著至關重要的角色。PI 可以在細胞膜的內側被磷酸化，生成一系列的磷脂醯肌醇磷酸 (phosphatidylinositol phosphates, PIPs)，例如 PIP2 (磷脂醯肌醇 4,5-二磷酸)。PIPs 可以被切割產生第二信使，如 IP3 (三磷酸肌醇) 和 DAG (二酰甘油)，它們分別啟動細胞內的鈣離子釋放和蛋白激酶 C (PKC) 的活化，從而傳遞細胞訊號。

本題考查粒線體內膜的組成比例，並要求根據分子量計算脂質與蛋白質的分子數比例。

已知資訊：

• 內膜中脂質佔 75% (重量比)。
• 內膜中蛋白質佔 25% (重量比)。
• 平均蛋白質的分子量 (Mr) = 50,000。
• 平均脂質的分子量 (Mr) = 750。

目標：計算每分子蛋白質對應的脂質分子數。

計算步驟：

1. 計算單位重量的蛋白質分子數：
   假設我們考慮 100 克內膜。
   其中蛋白質重量為 25 克。
   蛋白質的分子數 = 蛋白質重量 / 平均蛋白質分子量
   蛋白質分子數 = 25 g / 50,000 g/mol = 0.0005 mol
   蛋白質分子數 (個數) = 0.0005 mol $\times$ $6.022 \times 10^{23}$ 個/mol = $3.011 \times 10^{21}$ 個。

2. 計算單位重量的脂質分子數：
   在 100 克內膜中，脂質重量為 75 克。
   脂質的分子數 = 脂質重量 / 平均脂質分子量
   脂質分子數 = 75 g / 750 g/mol = 0.1 mol
   脂質分子數 (個數) = 0.1 mol $\times$ $6.022 \times 10^{23}$ 個/mol = $6.022 \times 10^{22}$ 個。

3. 計算每分子蛋白質對應的脂質分子數：
   脂質分子數 / 蛋白質分子數
   = ($6.022 \times 10^{22}$ 個) / ($3.011 \times 10^{21}$ 個)

本題考查脂肪酸生物合成 (fatty acid biosynthesis) 中，兩個碳單位的來源。

脂肪酸的從頭合成 (de novo synthesis) 是一個逐步延長碳鏈的過程，主要發生在細胞質中。這個過程的核心是乙醯輔酶 A (acetyl-CoA) 和丙二醯輔酶 A (malonyl-CoA)。

脂肪酸合成的起始步驟是將細胞質中的乙醯輔酶 A 羧化 (carboxylation) 為丙二醯輔酶 A。這個反應由乙醯輔酶 A 羧化酶 (acetyl-CoA carboxylase, ACC) 催化，需要生物素 (biotin) 和 ATP。
$Acetyl-CoA + CO_2 + ATP \rightarrow Malonyl-CoA + ADP + P_i$

隨後，脂肪酸合成酶複合物 (fatty acid synthase, FAS) 會利用丙二醯輔酶 A 作為兩個碳單位的供體，將其添加到生長的脂肪酸鏈上。在每次循環中，丙二醯輔酶 A 會脫羧（釋放一個 $CO_2$），將兩個碳單位的乙醯基轉移到脂肪酸鏈上，並同時將脂肪酸鏈還原。

核心觀念

本題考查植物與微生物中重要的「谷氨酸同化作用」，核心酵素為：

1. Glutamine synthetase（GS，谷氨醯胺合成酶）
2. Glutamate synthase（GOGAT，谷氨酸合成酶）

GS 先將游離氨固定到谷氨酸上，形成谷氨醯胺；GOGAT 再利用谷氨醯胺的醯胺氮與 $\alpha$-酮戊二酸反應，生成谷氨酸。

解題方法

先寫出兩個酵素的總反應式。

1. Glutamine synthetase

GS 催化：

$$\text{Glutamate}+\text{NH}_3+\text{ATP} \rightarrow \text{Glutamine}+\text{ADP}+\text{P}_i$$

因此，GS 的主要轉換為：

$$\boxed{\text{glutamate}\rightarrow\text{glutamine}}$$

此反應需要 ATP，作用是將無機氨固定成有機氮。

2. Glutamate synthase

GOGAT 催化：

$$\text{Glutamine}+\alpha\text{-ketoglutarate} +\text{NAD(P)H}+\text{H}^+ \rightarrow 2\text{Glutamate}+\text{NAD(P)}^+$$

其中，谷氨醯胺提供醯胺氮，$\alpha$-酮戊二酸提供碳骨架，最後形成谷氨酸。

因此，GOGAT 的主要轉換可概括為：

$$\boxed{\text{glutamine}\rightarrow\text{glutamate}}$$

故完整填空為：

$$\boxed{\text{glutamate}\rightarrow\text{glutamine},\quad \text{glutamine}\rightarrow\text{glutamate}}$$

選項分析

(A) formate；glutamine；ammonia；glutamate

錯誤。GS 的主要受質是 glutamate，而不是 formate。雖然 GOGAT 產生 glutamate，但其直接氮源是 glutamine，不是 ammonia。

(B) glutamate；glutamine；ammonia；glutamate

核心觀念

光呼吸是 Rubisco 的加氧酶反應及其後續回收途徑。Rubisco 除了能催化二氧化碳固定，也會讓氧氣與核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）反應。這條途徑會消耗能量並釋放二氧化碳，因此不直接產生糖；但它能回收加氧反應產生的 2-磷酸乙醇酸，並協助植物處理光合作用中的代謝壓力。

解題方法：依序追蹤反應物與胞器

先從 Rubisco 的加氧反應切入，再沿著產物在葉綠體、過氧化體及粒線體間的轉換，說明碳如何被回收，以及為何這條途徑雖然耗能仍然重要。

1. 葉綠體：Rubisco 加氧
   氧氣與 RuBP 反應，生成一分子 3-磷酸甘油酸（3-PGA）及一分子 2-磷酸乙醇酸（2-PG）。

   $\mathrm{RuBP + O_2 \longrightarrow 3\text{-}PGA + 2\text{-}PG}$

2. 葉綠體至過氧化體：處理 2-PG
   2-PG 不適合直接進入卡爾文循環，會先在葉綠體中去磷酸化成乙醇酸，接著運送到過氧化體，氧化成乙醛酸，再經轉胺作用形成甘胺酸。

3. 粒線體：甘胺酸轉為絲胺酸
   兩分子甘胺酸經甘胺酸脫羧酶複合體與絲胺酸羥甲基轉移酶反應，形成一分子絲胺酸，並釋放二氧化碳及氨，同時產生還原力。

4. 過氧化體與葉綠體：回收碳骨架
   絲胺酸在過氧化體中轉為羥基丙酮酸，再還原成甘油酸；甘油酸回到葉綠體後，消耗 ATP 磷酸化成 3-PGA，重新進入卡爾文循環。

核心觀念

糖質新生作用（gluconeogenesis）是由非醣類前驅物合成葡萄糖的代謝途徑。主要前驅物包括：

• 乳酸：由紅血球及活動中的骨骼肌產生。
• 生糖胺基酸：例如丙胺酸，可由肌肉送至肝臟。
• 甘油：由脂肪組織分解三酸甘油酯而來。
• 丙酸：主要來自奇數碳脂肪酸的代謝，對人體葡萄糖生成的貢獻較小。

此途徑主要在肝臟進行；長時間禁食時，腎臟皮質的貢獻也會增加。糖質新生不是糖解作用的簡單逆轉，因為糖解作用中有不可逆反應，必須以不同酵素繞過。

解題方法

題目問兩件事：糖質新生的定義，以及它在人身上的生理用途。作答時先說明它如何合成葡萄糖，再連結其產生的葡萄糖如何維持身體所需。

糖質新生的重要用途如下：

1. 維持血糖
   餐間、禁食或肝醣儲備減少時，肝臟與腎臟可藉糖質新生補充血糖，避免血糖過度下降。

2. 供應依賴葡萄糖的組織
   紅血球沒有粒線體，必須依賴葡萄糖產生能量；腦在一般情況下也大量使用葡萄糖。糖質新生能在攝食葡萄糖減少時，持續供應這些組織。

核心觀念

磷酸戊糖途徑（pentose phosphate pathway, PPP）是細胞質中的葡萄糖代謝途徑，從葡萄糖-6-磷酸分流。它的主要功能不是直接製造 ATP，而是提供兩類重要產物：

1. NADPH：提供還原力，用於還原性生合成及細胞氧化還原防禦。
2. 核糖-5-磷酸：作為核苷酸與核酸合成的原料。

此途徑分成兩個階段：

• 氧化階段：不可逆地氧化葡萄糖-6-磷酸，產生 NADPH、二氧化碳與核酮糖-5-磷酸。
• 非氧化階段：可逆地重排糖類碳骨架，形成核糖-5-磷酸，或轉為糖解作用中間產物果糖-6-磷酸與甘油醛-3-磷酸。

解題方法

回答此題時，可依序從 PPP 的兩種主要產物出發，再連結到它們的生理用途：

1. NADPH：提供還原力

NADPH 支持多種還原性合成反應，包括脂肪酸、膽固醇及類固醇的合成；也用於細胞色素 P450 相關反應，以及部分物質的代謝與解毒。

NADPH 亦參與氧化還原平衡。以紅血球為例，穀胱甘肽還原酶利用 NADPH 將氧化型穀胱甘肽轉回還原型穀胱甘肽，協助清除過氧化物，避免細胞膜與血紅素受氧化損傷。吞噬細胞則可利用 NADPH 氧化酶產生具殺菌作用的活性氧。

核心觀念

本題考查粒線體的內共生起源學說：遠古真核細胞祖先吞噬細菌後，細菌未被消化，逐漸與宿主形成共生關係，最後演化為粒線體。作答時要提出彼此獨立、且能與細菌特徵相連的證據。

解題方法

依證據類型分成三條：遺傳物質與親緣關係、蛋白質合成系統、細胞分裂與膜結構。逐一說明粒線體的特徵如何符合細菌特性，即可完整回答題目。

三項證據

1. 粒線體具有自己的基因組，且序列呈現細菌親緣關係
   粒線體含有獨立於細胞核的粒線體 DNA；許多物種的粒線體 DNA 為環狀，與細菌常見的環狀染色體相似。比較粒線體基因序列與不同生物的序列，可見粒線體與細菌，尤其是 α-變形菌類群，具有親緣關係。這支持粒線體源自細菌祖先。

2. 粒線體的蛋白質合成系統保留細菌式特徵
   粒線體具有自己的核糖體與轉譯系統，部分核糖體 RNA、轉譯因子及蛋白質合成機制呈現細菌相似性。

核心觀念

本題考查胺基酸側鏈的可解離基團與其酸解離常數 $pK_a$。$pK_a$ 是基團解離平衡的指標；對羧酸側鏈而言，解離反應為：

$$\mathrm{R{-}COOH \rightleftharpoons R{-}COO^- + H^+}$$

側鏈羧基的 $pK_a$ 約為 $4$ 的兩種胺基酸是天門冬胺酸（aspartic acid, Asp, D）與麩胺酸（glutamic acid, Glu, E）。

解題方法與結構示意

辨認胺基酸側鏈中的羧基即可：天門冬胺酸的側鏈有一個亞甲基，麩胺酸則多一個亞甲基。兩者的側鏈羧基都會在接近 $pH 4$ 時解離。

天門冬胺酸（Asp, D）

$$\mathrm{H_3N^+{-}CH(COO^-){-}CH_2{-}COOH \rightleftharpoons H_3N^+{-}CH(COO^-){-}CH_2{-}COO^- + H^+}$$

麩胺酸（Glu, E）

核心觀念

組蛋白富含鹼性胺基酸，其中最重要的是離胺酸（lysine, Lys, K）與精胺酸（arginine, Arg, R）。在生理 pH 下，兩者的側鏈帶正電；DNA 的磷酸骨架帶負電，因此組蛋白可藉由靜電吸引與 DNA 結合，協助 DNA 緊密包裝成染色質。

解題方法與結構示意

判斷重點是找出側鏈在生理 pH 下容易帶正電的胺基酸。離胺酸側鏈末端有質子化的胺基；精胺酸側鏈末端有帶正電的胍基。以下以主要離子型態表示：

離胺酸（Lys, K）

       H
       |
H₃N⁺—C—COO⁻
       |
  (CH₂)₄—NH₃⁺

精胺酸（Arg, R）

核心觀念

除常見的 20 種胺基酸外，生物體還有第 21 種胺基酸硒半胱胺酸（selenocysteine，Sec，單字母代號 U）與第 22 種吡咯離胺酸（pyrrolysine，Pyl）。本題只需舉出其中一種，並說明含有該胺基酸的蛋白質之生物功能。

硒半胱胺酸可視為半胱胺酸的類似物，其中硒取代了硫。硒的化學性質使它能參與氧化還原反應，因此硒半胱胺酸常出現在具有催化功能的酵素中。含有硒半胱胺酸的蛋白質稱為硒蛋白。硒蛋白透過特定的轉譯機制合成：UGA 通常是終止密碼子，但在硒蛋白的 mRNA 中，若有硒半胱胺酸插入序列（SECIS）及相關轉譯因子，核糖體便能將 UGA 解讀為硒半胱胺酸的密碼子，而非終止訊號。NCBI Bookshelf：硒與硒蛋白、硒半胱胺酸生合成與插入機制

解題方法

作答時，先指出一種非典型胺基酸，再舉出含有它的蛋白質或酵素，接著說明該蛋白質的功能。以硒半胱胺酸為例，可選擇穀胱甘肽過氧化酶，說明它如何清除過氧化物，並連結到抗氧化保護。

核心觀念

脂質萃取的關鍵，是利用脂質在不同溶劑中的溶解度差異，把脂質從組織的水相與細胞結構中分離出來。大多數脂質含有大量非極性的烴鏈，整體疏水，在水中的溶解度很低；脂質分子彼此容易聚集，也常嵌在細胞膜或與膜蛋白相互作用，因此單靠水難以有效萃取。

解題方法

可從「脂質的化學性質」與「萃取溶劑的作用」兩方面作答：

1. 脂質疏水，需用有機溶劑溶解：有機溶劑可提供較適合非極性烴鏈的環境，使脂質從水相中溶出。此原理可概括為「相似相溶」。
2. 混合溶劑可涵蓋不同種類的脂質：中性脂質高度疏水；磷脂等膜脂則具有親水頭部與疏水尾部。像氯仿—甲醇這類混合溶劑，能同時協助溶解脂質的非極性與較極性部分。

核心觀念

三酸甘油酯（triacylglycerol, TAG）由一個甘油分子與三個脂肪酸以酯鍵連接而成，是疏水性的中性脂質。其脂肪酸高度還原，氧化時能釋出大量能量；又因不溶於水，可緊密儲存在細胞內，不會像可溶性物質般顯著影響細胞滲透壓。

解題方法

依生物體對 TAG 的用途分類即可：哺乳類著重脂肪組織的儲能與保護功能；高等植物則著重種子中的養分儲備，供萌發初期使用。

作答要點

哺乳類的三種功能

1. 儲存能量：TAG 儲存在脂肪細胞中，禁食或能量需求增加時可經脂解作用釋出脂肪酸，供組織氧化產能。

核心觀念

蛋白質的二級、三級與四級結構，主要由多種非共價作用共同穩定。單一作用的能量通常較弱，但蛋白質摺疊後會形成大量協同作用，使整體構形穩定。作答時可依作用的物理來源，列出氫鍵、靜電作用、凡得瓦力與疏水效應，並說明各自的形成條件與結構功能。

解題方法

逐一辨認四種作用的來源，再連結它們在蛋白質中的位置與功能：

1. 氫鍵來自具方向性的極性基團間作用。
2. 靜電作用來自帶電基團間的吸引或排斥。
3. 凡得瓦力來自原子間短暫的偶極作用。
4. 疏水效應來自非極性表面聚集時，水分子排列狀態的改變。

四種非共價作用

一、氫鍵（hydrogen bond）

氫鍵由鍵結於氧或氮等高電負度原子的氫，與另一個具孤電子對的電負度原子之間形成。例如，主鏈羰基氧可與主鏈醯胺氫形成氫鍵。

氫鍵具有方向性，供體、氫與受體的排列會影響作用強度。主鏈間氫鍵可穩定 α 螺旋與 β 摺板；側鏈間及主鏈與側鏈間的氫鍵則有助於固定三級結構。氫鍵若暴露於水中，會與水分子競爭，因此其穩定效果須放在整體環境中判斷。

二、靜電作用／離子作用（electrostatic interaction）

帶相反電荷的基團彼此吸引，帶相同電荷的基團則彼此排斥。蛋白質中，帶正電的鹼性側鏈與帶負電的酸性側鏈可形成鹽橋（salt bridge），協助穩定蛋白質的三級或四級結構。

核心觀念

本題考查膜蛋白與脂雙層的結合方式。依蛋白質是否直接嵌入脂雙層，可分為內在膜蛋白（integral membrane proteins）與周邊膜蛋白（peripheral membrane proteins）。判斷重點是蛋白質和膜的結構關係，以及需要何種條件才能將蛋白質從膜上分離。

解題方法

依序比較兩類蛋白質的膜內位置、結合力、分離方式與典型功能：

比較項目	內在膜蛋白	周邊膜蛋白
與膜的關係	直接嵌入脂雙層；常穿越整個脂雙層，也可只插入其中一層	附著於膜表面，通常不深入疏水核心
主要作用力	蛋白質疏水區與脂肪酸尾部的疏水作用	與膜表面親水頭部或其他膜蛋白間的靜電作用、氫鍵等非共價作用

核心觀念

大腸桿菌核糖核苷酸還原酶（ribonucleotide reductase, RNR）將核糖核苷二磷酸（rNDP）還原為去氧核糖核苷二磷酸（dNDP），供 DNA 合成使用。RNR 必須同時控制兩件事：總反應活性，以及四種底物各自被還原的比例。因此，其大亞基 NrdA 上有兩種功能不同的變構位點：活性位點（activity site）與底物特異性位點（specificity site）。研究資料

解題方法

分別判斷兩個位點調控的對象，即可說明為何需要兩者：

變構位點	主要功能	調控方式
活性位點	控制 RNR 的整體活性，影響細胞 dNTP 總量	ATP 結合時活化酵素；dATP 結合時抑制酵素
底物特異性位點	改變酵素偏好的 rNDP 底物，調整各種 dNTP 的比例	ATP 或 dATP 促進 CDP、UDP 還原；dTTP 促進 GDP 還原；dGTP 促進 ADP 還原

核心觀念

蛇毒中的磷脂酶主要是磷脂酶 A₂（phospholipase A₂，PLA₂）。它水解細胞膜磷脂甘油骨架上 $sn\text{-}2$ 位的酯鍵，產生游離脂肪酸與溶血磷脂：

$$\text{磷脂} + \mathrm{H_2O} \xrightarrow{\mathrm{PLA_2}} \text{游離脂肪酸} + \text{溶血磷脂}$$

這兩種產物會破壞膜的結構與穩定性；部分游離脂肪酸也會參與發炎反應。

解題方法

先從酵素名稱判斷作用標的：磷脂酶作用於磷脂，PLA₂ 則切斷磷脂 $sn\text{-}2$ 位的脂肪酸。將這個反應連結到蛇毒的毒性作用，即可推得其主要功能是破壞細胞膜，造成細胞損傷與組織破壞。

第二-(15) 題詳解：SDS-PAGE 與 Native-PAGE 分析抗體

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核心觀念

本題考察兩種聚丙烯醯胺凝膠電泳（PAGE）的原理差異，以及如何根據蛋白質的分子量與天然構象，預測電泳結果。

抗體基本結構： 典型的 IgG 抗體由 2 條重鏈（heavy chain, H）與 2 條輕鏈（light chain, L）以雙硫鍵（disulfide bonds）連結組成。本題指定：

$$M_H = 50\,\text{kDa}, \quad M_L = 25\,\text{kDa}$$ $$M_{\text{intact}} = 2 \times 50 + 2 \times 25 = 150\,\text{kDa}$$

SDS-PAGE 原理：

• SDS（sodium dodecyl sulfate）為陰離子界面活性劑，與蛋白質以約 1.4 g SDS / g protein 的比例結合，使所有蛋白質帶上均勻的負電荷。
• 在還原條件下（加入 β-mercaptoethanol 或 DTT），雙硫鍵被切斷，多次單元蛋白質解離為個別的多肽鏈。
• 蛋白質的遷移距離僅取決於分子量（分子量越小，遷移越遠），與原始電荷及構象無關。
• 故 SDS-PAGE 可用來鑑定次單元組成與純度。

Native-PAGE 原理：

• 不加 SDS，也不加還原劑，蛋白質維持天然立體構象（native conformation）。
• 遷移速率取決於蛋白質的淨電荷、大小與形狀三者綜合效應。
• 天然抗體 $\text{H}_2\text{L}_2$ 以完整的四聚體形式遷移。
• 故 Native-PAGE 可用來評估蛋白質的天然構象完整性與均質性。

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解題方法

分別推演兩種 PAGE 的條帶模式，並以示意圖呈現。

一、SDS-PAGE（還原條件）預期結果

1. β-mercaptoethanol / DTT 切斷所有雙硫鍵；SDS 使多肽鏈完全變性展開。
2. 抗體解離為獨立的重鏈（$50\,\text{kDa}$）與輕鏈（$25\,\text{kDa}$）。
3. 電泳後出現兩條蛋白質條帶：
   • 上方條帶（靠近加樣孔）：重鏈，$50\,\text{kDa}$，遷移距離較短。
   • 下方條帶（遠離加樣孔）：輕鏈，$25\,\text{kDa}$，遷移距離較長。
4. 條帶相對染色強度： 每分子抗體含 2 條 H 與 2 條 L，莫耳數相同。以 Coomassie Blue 染色時，染色強度大致與蛋白質質量成正比。重鏈質量貢獻為 $2 \times 50 = 100\,\text{kDa}$，輕鏈為 $2 \times 25 = 50\,\text{kDa}$，故重鏈條帶的染色強度約為輕鏈的 2 倍。
5. 純度 99%：除上述兩條主帶外，幾乎看不到其他雜帶（若有，僅極微弱的雜質條帶）。

二、Native-PAGE 預期結果

1. 無 SDS、無還原劑，抗體維持天然的 $\text{H}_2\text{L}_2$ 四聚體構象，分子量約 $150\,\text{kDa}$。
2. 完整抗體為大分子蛋白，在凝膠中受到較強的分子篩阻力，遷移距離短，條帶位置靠近加樣孔（膠體上端）。
3. 若抗體構象均一，僅出現一條主要條帶，代表單一的天然構型。
4. 純度 99%：幾乎不見雜帶。
5. 若存在少量聚集體（aggregates）或構象異構體，可能出現額外的微弱條帶，但 99% 純度下主帶應佔絕對優勢。

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預期電泳示意圖