112 年 國立中正大學生物醫學科學系生物醫學碩士班《生物化學》

好的，這是一題關於胺基酸結構與手性的基本概念題。

這題主要在考驗你對胺基酸結構中「手性碳」的定義與其重要性的理解。手性是分子具有立體異構現象，也就是說，該分子與其鏡像無法重疊。在生物化學中，胺基酸的α碳原子是決定其手性的關鍵。

解題過程：

胺基酸的基本結構包含一個中心碳原子（α碳），它連接了四個不同的基團：

1. 一個氫原子 (-H)
2. 一個胺基 (-NH₂)
3. 一個羧基 (-COOH)
4. 一個側鏈基團 (-R)

當這四個基團都不同時，這個α碳原子就稱為「手性碳原子」（chiral carbon atom）。由於α碳原子連接了四個不同的基團，它會形成兩個互為鏡像但無法重疊的立體異構體，就像我們的左手和右手一樣。這種性質稱為「手性」（chirality）。

現在我們來分析選項：
(A) has no net charge. (沒有淨電荷)：胺基酸在生理 pH 下通常是兩性離子，帶有正負電荷，並非沒有淨電荷。例如，甘胺酸（glycine）的α碳連接了兩個氫原子，因此不是手性碳，但這與「手性」的產生無關。

好的，這是一題關於蛋白質結構形成基本反應的題目。

這題考的核心觀念是「胜肽鍵的形成」。胜肽鍵是連接兩個胺基酸的化學鍵，它的形成是生物體內合成蛋白質的基礎步驟。理解胜肽鍵的形成機制，對於掌握蛋白質的結構與功能至關重要。

解題過程：

1. 理解胜肽鍵的形成： 胜肽鍵是由一個胺基酸的羧基 (-COOH) 與另一個胺基酸的胺基 (-NH2) 之間反應形成的。在這個反應過程中，會失去一個水分子 (H2O)，其中一個水分子中的氫原子來自胺基，另一個氫原子和氧原子來自羧基。

   胺基酸 1 的結構：R1-CH(NH2)-COOH
   胺基酸 2 的結構：R2-CH(NH2)-COOH

   反應式示意：
   R1-CH(NH2)-COOH + R2-CH(NH2)-COOH → R1-CH(NH2)-CO-NH-CH(R2)-COOH + H2O

   這個反應的特點是生成一個較小的分子（水），同時將兩個較大的分子（胺基酸）連接起來。

好的，這是一題關於蛋白質分子量估算的經典題目，主要考驗你對胺基酸組成與肽鍵形成過程中分子量變化的理解。

核心觀念：

這題的核心觀念在於理解蛋白質的分子量是由其組成胺基酸的平均分子量以及肽鍵形成時脫去的水分子所影響。在估算蛋白質的胺基酸數量時，需要考慮到這些因素，才能得到一個更精確的平均值。

完整解題過程：

題目提到，20 種標準胺基酸的平均分子量是 138，但生化學家在估算已知分子量的蛋白質時，通常使用 110 作為平均胺基酸的分子量。我們要探討為何會出現這個差異。

首先，我們來分析一下胺基酸的分子量。標準胺基酸的分子量是指它們獨立存在的狀態下的分子量。例如，甘胺酸 (Glycine) 的分子量約為 75 Da，而色胺酸 (Tryptophan) 的分子量約為 204 Da。這 20 種胺基酸的平均分子量為 138 Da。

然而，當胺基酸形成蛋白質時，它們之間會透過肽鍵連接。肽鍵的形成是一個脫水反應 (dehydration reaction)，即兩個胺基酸反應時會失去一個水分子 ($H_2O$)。一個水分子的分子量約為 18 Da。

因此，當一個胺基酸鍵結到蛋白質鏈中時，它的「有效」分子量會因為失去一個水分子而減少。如果我們考慮一個由 $n$ 個胺基酸組成的蛋白質，它實際上是由 $n$ 個胺基酸分子脫去 $n-1$ 個水分子所形成的。

題目中提到，生化學家使用 110 Da 作為估算蛋白質胺基酸數量的平均值。這意味著，在計算時，他們實際上是將蛋白質的總分子量除以 110 Da 來估計胺基酸的數量。

讓我們來驗證一下選項 B：
「The number 110 reflects the higher proportion of small amino acids in proteins, as well as the loss of water when the peptide bond forms.」

好的，這題是關於蛋白質結構中各種交互作用的考題。

這題主要考驗學生對蛋白質結構中「弱交互作用」的理解，以及辨識出哪種交互作用不屬於弱交互作用。蛋白質的二級、三級和四級結構的穩定性，很大程度上依賴於各種非共價鍵的交互作用，這些交互作用通常被稱為弱交互作用。

解題過程：

題目要求找出「不是」蛋白質中「弱交互作用」的選項。我們逐一分析各選項：

• (A) hydrogen bonds (氫鍵)： 氫鍵是蛋白質結構中非常常見的弱交互作用，例如在 $\alpha$ 螺旋和 $\beta$ 折疊的形成中扮演重要角色。它是由於電負度較大的原子（如氧、氮）與氫原子之間的靜電吸引力所形成。
• (B) hydrophobic interactions (疏水性交互作用)： 疏水性交互作用是蛋白質摺疊時，非極性側鏈傾向於聚集在蛋白質的內部，遠離水分子，從而降低系統的自由能。這也是一種重要的弱交互作用。

好的，這題是關於影響 $\alpha$ 螺旋結構穩定性的因素。

核心觀念

$\alpha$ 螺旋是蛋白質二級結構的一種，其穩定性主要由螺旋內部及周圍的各種非共價交互作用決定，包括氫鍵、靜電交互作用、疏水性交互作用等。題目考驗的是對這些交互作用如何影響 $\alpha$ 螺旋穩定性的理解。

解題過程

$\alpha$ 螺旋的形成與穩定主要依賴於主鏈原子（胺基和羧基）之間形成的氫鍵，以及側鏈之間的交互作用。我們逐一分析各選項：

(A) an electric dipole spanning several peptide bonds throughout the $\alpha$ helix.
$\alpha$ 螺旋具有一個固有的電偶極矩（electric dipole）。這是因為在 $\alpha$ 螺旋中，肽鍵的羰基氧（C=O）帶部分負電，而胺基的氮（N-H）帶部分正電。由於肽鍵的排列方向性（N-端帶正電，C-端帶負電），整個螺旋會形成一個從 N-端到 C-端的宏觀電偶極。如果存在一個額外的、跨越多個肽鍵的電偶極，它可能會與螺旋原有的電偶極相互作用，進一步增強或減弱其穩定性。然而，題目描述的是「destabilized most by」，一個與螺旋偶極方向一致的額外偶極可能會穩定螺旋，而方向相反的則會破壞穩定。但更重要的是，螺旋本身就存在一個偶極，額外的偶極的影響需要看其性質。

(B) interactions between neighboring Asp and Arg residues.
Asp（天冬胺酸）是帶負電的酸性胺基酸，而 Arg（精胺酸）是帶正電的鹼性胺基酸。如果這兩個殘基相鄰且位於 $\alpha$ 螺旋內部，它們之間會形成強烈的靜電吸引（離子鍵）。這種吸引力可以穩定 $\alpha$ 螺旋的結構。因此，這種交互作用不會破壞穩定性。

(C) interactions between two adjacent hydrophobic Val residues.
Val（纈胺酸）是疏水性胺基酸。在蛋白質的內部，疏水性殘基會傾向於聚集在一起，以最小化與水的接觸，這是一個有利於蛋白質摺疊的驅動力。如果兩個疏水性的 Val 殘基相鄰且位於 $\alpha$ 螺旋內部，它們之間的疏水性交互作用會增強，有助於穩定 $\alpha$ 螺旋。因此，這種交互作用不會破壞穩定性。

(D) the presence of an Arg residue near the carboxyl terminus of the $\alpha$ helix.
$\alpha$ 螺旋的 N-端傾向於帶部分正電，而 C-端傾向於帶部分負電，這是由於肽鍵偶極的排列。Arg 是一個帶正電的鹼性胺基酸。

好的，這是一題關於 B 型 DNA 結構特徵的基礎題，主要考驗你對 DNA 雙股螺旋結構的幾個關鍵參數的記憶與理解。

詳解

這題主要在考驗你對 B 型 DNA（B-form DNA）在生物體內（in vivo）的典型結構特徵的了解，包括其螺旋方向、直徑以及每鹼基對的高度。

解題過程：

B 型 DNA 是 DNA 在生理條件下最常見的結構形式。其結構特徵如下：

1. 螺旋方向 (handedness)：B 型 DNA 形成的是一個右旋（right-handed）的雙股螺旋。這意味著當你沿著螺旋軸觀察時，兩股螺旋是順時針方向盤繞的。
2. 直徑 (diameter)：B 型 DNA 雙螺旋的平均直徑約為 20 埃 (Å)。

核心觀念

Chargaff 法則適用於典型的雙股 DNA：腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）互補配對，鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）互補配對。因此，整段雙股 DNA 中：

$$A=T,\qquad G=C$$

由此可得嘌呤總量等於嘧啶總量：

$$A+G=T+C$$

解題方法

先依互補配對關係建立 $A=T$ 與 $G=C$，再比較選項中的鹼基比例。將兩側分別視為嘌呤與嘧啶的總量，即可判斷符合 Chargaff 法則的敘述。

選項分析

• (A) $A=G$：錯誤。 Chargaff 法則要求 $A=T$、$G=C$，沒有要求腺嘌呤與鳥嘌呤相等。
• (B) $A=C$：錯誤。 A 與 T 配對，G 與 C 配對；

好的，這題是關於核酸鹼基的性質，屬於生物化學中核酸結構與功能的基礎知識。我們需要逐一評估選項，找出最符合核酸鹼基特性的描述。

解題過程：

• 選項 (A) 吸收紫外線： 核酸鹼基（腺嘌呤 A、鳥糞嘌呤 G、胞嘧啶 C、胸腺嘧啶 T、尿嘧啶 U）確實能吸收紫外線，這是它們的特徵之一。然而，它們吸收紫外線的最大波長（$\lambda_{max}$）通常在 260 nm 左右，而不是 280 nm。280 nm 是蛋白質中芳香族胺基酸（如酪胺酸和色胺酸）吸收紫外線的最大波長。因此，選項 (A) 是錯誤的。

• 選項 (B) 大小相似： 核酸鹼基分為兩大類：嘌呤（Purines，A 和 G）和嘧啶（Pyrimidines，C、T 和 U）。嘌呤比嘧啶多一個環，因此嘌呤分子比嘧啶分子大。雖然它們的分子量和大小有差異，但相較於整個核酸分子，它們的大小差異並非極端到不能被視為「大約相同」。不過，與其他選項相比，這不是最精確的描述。

• 選項 (C) 親水性： 核酸鹼基含有極性的氮原子和氧原子，這些原子可以與水分子形成氫鍵，因此它們具有一定的親水性。然而，與水分子相比，它們的疏水性部分（芳香環）也相當顯著。

好的，這是一題關於細胞膜上蛋白質提取的題目，核心觀念在於理解整合性膜蛋白 (integral membrane protein) 的結構特性以及不同化學試劑與膜蛋白的交互作用。

詳解

核心觀念：

整合性膜蛋白是嵌在細胞膜脂質雙層中的蛋白質，其疏水性區域與脂質雙層緊密結合。因此，要將其從膜上分離出來，需要破壞這種疏水性交互作用。

解題過程：

我們逐一分析各選項：

(A) 緩衝液的鹼性或酸性 pH 值 (a buffer of alkaline or acid pH)：
改變 pH 值會影響蛋白質的離子化狀態，可能改變蛋白質的電荷分佈，進而影響其與膜的結合。然而，對於嵌在脂質雙層中的整合性膜蛋白，其疏水性區域與脂質的交互作用是主要的結合力。單純改變 pH 值通常不足以克服強烈的疏水性作用，除非 pH 的改變導致蛋白質結構發生劇烈變化，但這並非提取整合性膜蛋白的首選方法。

(B) 去除二價陽離子的螯合劑 (a chelating agent that removes divalent cations)：
某些膜蛋白的結構或功能可能依賴於二價陽離子（如 $Mg^{2+}$ 或 $Ca^{2+}$）的結合。螯合劑（如 EDTA）可以移除這些離子，從而可能影響蛋白質的構象或與膜的結合。然而，這主要適用於那些通過離子鍵或配位鍵與膜結合的蛋白質，對於嵌在脂質雙層中的整合性膜蛋白，其疏水性交互作用是更主要的結合方式，因此此方法效果有限。

核心觀念

脂質雙層內部的流動性，主要取決於脂肪酸鏈彼此能否緊密排列。脂肪酸鏈排列越緊密，脂質分子越不容易側向移動，膜的流動性越低；鏈間作用越弱、排列越鬆散，流動性越高。

影響脂質雙層流動性的常見因素包括溫度、脂肪酸鏈長度、雙鍵數目與種類，以及脂質的極性頭部結構。判斷時可先看脂肪酸鏈是否更容易緊密堆積。

解題方法

逐一判斷各因素對脂肪酸鏈排列的影響：

• 升高溫度通常會增加脂質分子的熱運動，使膜流動性上升。
• 脂肪酸鏈越長，鏈間凡得瓦力越強，排列通常越緊密，流動性下降。
• 脂肪酸中的順式雙鍵會在碳鏈形成彎折，使脂肪酸鏈不易緊密排列，流動性上升。

因此，能增加脂肪酸鏈彎折、降低緊密堆積的因素，符合題目所問。

選項分析

(A) 降低溫度：錯誤。
降溫會減少脂質分子的熱運動，使脂肪酸鏈排列較緊密，膜流動性下降。

這題考的是細胞訊號傳遞中，第二信使環磷酸腺苷 (cyclic AMP, cAMP) 的作用範疇。了解哪些生理過程和訊號分子會透過 cAMP 進行調節，是解題的關鍵。

解題過程：

本題要求找出不涉及環磷酸腺苷 (cAMP) 的選項。cAMP 是一種重要的第二信使，它在細胞內許多訊號傳遞途徑中扮演關鍵角色，通常透過活化蛋白質激酶 A (PKA) 來發揮作用。

• (A) Regulation of glycogen synthesis and breakdown (肝醣合成與分解的調節)： cAMP 在肝臟和肌肉中調節肝醣的代謝。當腎上腺素或升糖素作用於細胞表面受體時，會啟動一個腺苷酸環化酶 (adenylyl cyclase)，產生 cAMP。cAMP 活化 PKA，進而透過磷酸化作用，促進肝醣分解 (glycogenolysis) 並抑制肝醣合成 (glycogenesis)。因此，此選項涉及 cAMP。

• (B) Regulation of glycolysis (醣解作用的調節)： 儘管 cAMP 在調節肝醣代謝中扮演重要角色，但其對醣解作用的直接調節並不如其他途徑顯著。然而，cAMP 透過 PKA 磷酸化參與醣解作用的某些酵素，例如醣解作用的起始酵素己糖激酶 (hexokinase) 和果糖-6-磷酸激酶-1 (fructose-6-phosphate kinase-1) 的調節，間接影響醣解作用的速率。但相較於選項 A, D, E，其涉及程度較低，需要進一步確認。

• (C) Signaling by acetylcholine (乙醯膽鹼的訊號傳遞)： 乙醯膽鹼 (acetylcholine) 是一種神經傳導物質，它主要透過兩種受體發揮作用：菸鹼型乙醯膽鹼受體 (nicotinic acetylcholine rece

好的，這是一題關於化學平衡常數 ($K_{eq}'$) 與反應方向的經典生物化學題目。

這題主要考驗你對化學平衡常數 ($K_{eq}'$) 的意義，以及它如何預測一個可逆反應在標準條件下的自發性與平衡時的產物比例。

解題過程：

題目給定反應 A $\rightarrow$ B，其平衡常數 $K_{eq}' = 10^4$。同時，反應起始時，混合物中含有 1 mmol 的 A，而 B 的濃度為 0。我們需要判斷哪一個敘述是正確的。

1. 理解 $K_{eq}'$ 的意義：
   平衡常數 $K_{eq}'$ 是指在特定溫度和 pH 值（通常是生理 pH 7.0）下，反應達到平衡時，產物濃度與反應物濃度的比值。對於反應 A $\rightarrow$ B，其平衡常數的數學表示式為：
   $K_{eq}' = \frac{[B]_{eq}}{[A]_{eq}}$
   其中 $[B]_{eq}$ 和 $[A]_{eq}$ 分別是反應達到平衡時，產物 B 和反應物 A 的濃度。

2. 分析給定的 $K_{eq}'$ 值：
   題目中給定的 $K_{eq}' = 10^4$。這個值非常大，表示在平衡狀態下，產物 B 的濃度遠大於反應物 A 的濃度。具體來說，如果 $[A]_{eq} = 1$，那麼 $[B]_{eq} = 10^4$。這意味著反應會朝著生成 B 的方向進行，直到達到平衡。

3. 評估選項：

   • (A) At equilibrium, there will be far more B than A.
     由於 $K_{eq}' = 10^4$ 是一個很大的正值，這表示在平衡時，產物 B 的濃度遠大於反應物 A 的濃度。因此，這個敘述是正確的。

   • (B) The rate of the reaction is very slow.
     平衡常數 ($K_{eq}'$) 只告訴我們反應進行的方向和程度，但不提供關於反應速率的資訊。反應速率是由反應活化能決定的，與 $K_{eq}'$ 無關。一個反應可能具有很大的 $K_{eq}'$ 值（表示反應會進行到底），但速率卻非常慢（例如，鑽石變成石墨）。

好的，這題是關於乳酸發酵過程中 ATP 和 NADH 的淨生成量，是生物化學中醣解作用 (Glycolysis) 和無氧呼吸 (Anaerobic respiration) 的基礎知識。

詳解：

此題考的核心觀念是乳酸發酵 (Lactic acid fermentation) 的總反應式以及其伴隨的能量變化，特別是 ATP 和 NADH 的淨生成量。乳酸發酵是醣解作用的延伸，目的是在無氧環境下，透過將丙酮酸 (pyruvate) 還原成乳酸，來再生 NAD$^+$，使醣解作用得以持續進行。

完整解題過程：

1. 醣解作用 (Glycolysis)：
   首先，我們需要回顧一分子葡萄糖 (glucose) 經過醣解作用轉化為兩分子丙酮酸 (pyruvate) 的過程。這個過程發生在細胞質中，總共產生：

   • 淨生成 2 分子 ATP (總共產生 4 分子 ATP，消耗 2 分子 ATP)。
   • 淨生成 2 分子 NADH。

   醣解作用的總反應式可以簡化為：
   $\text{Glucose} + 2 \text{NAD}^+ + 2 \text{ADP} + 2 \text{Pi} \rightarrow 2 \text{Pyruvate} + 2 \text{NADH} + 2 \text{H}^+ + 2 \text{ATP} + 2 \text{H}_2\text{O}$

2. 乳酸發酵 (Lactic acid fermentation)：
   在無氧條件下，細胞會進行乳酸發酵。其關鍵步驟是將醣解作用產生的兩分子丙酮酸還原成兩分子乳酸。這個反應需要利用醣解作用產生的 NADH 來還原丙酮酸，同時將 NADH 氧化成 NAD$^+$。這個 NAD$^+$ 再生是維持醣解作用持續進行的必要條件。

好的，這是一份針對國立中正大學生物醫學科學系 112 年度生物化學研究所入學考試第 24 題的詳解。

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第 24 題詳解

核心觀念：
此題主要考驗學生對細胞呼吸過程中，糖解作用（Glycolysis）關鍵酵素——甘油醛-3-磷酸脫氫酶（Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase, GAPDH）的了解，特別是其催化反應所需的輔因子（cofactor）。輔因子是酵素活性所必需的非蛋白質分子，可以是金屬離子或有機分子（輔酶，coenzyme）。

解題過程：

甘油醛-3-磷酸脫氫酶（GAPDH）是糖解作用中的一個關鍵酵素，它催化將甘油醛-3-磷酸（glyceraldehyde 3-phosphate）氧化並磷酸化，生成 1,3-二磷酸甘油酸（1,3-bisphosphoglycerate）。這個反應是一個氧化還原反應，其中甘油醛-3-磷酸被氧化，而電子載體被還原。

此反應的化學計量式如下：
$\text{Glyceraldehyde 3-phosphate} + \text{NAD}^+ + \text{Pi} \rightleftharpoons 1,3\text{-Bisphosphoglycerate} + \text{NADH} + \text{H}^+$

好的，這是一題關於五碳糖磷酸途徑（Pentose Phosphate Pathway, PPP）產物的計算題。這題主要考驗你對 PPP 的兩個階段：氧化階段（Oxidative Phase）和非氧化階段（Non-oxidative Phase）的理解，特別是其反應的淨產物以及碳原子數的轉換。

解題過程

五碳糖磷酸途徑（PPP）主要有兩個階段：氧化階段和非氧化階段。

1. 氧化階段 (Oxidative Phase)

此階段將葡萄糖-6-磷酸（glucose-6-phosphate）轉化為核酮糖-5-磷酸（ribulose-5-phosphate），並在此過程中產生 NADPH 和 CO2。
每 1 分子的葡萄糖-6-磷酸經過氧化階段，會產生：

• 1 分子的 NADPH
• 1 分子的 CO2
• 1 分子的核酮糖-5-磷酸

反應式簡化如下：
$\text{Glucose-6-phosphate} + 2 \text{ NADP}^+ + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ribulose-5-phosphate} + 2 \text{ NADPH} + 2 \text{ H}^+ + \text{CO}_2$

2. 非氧化階段 (Non-oxidative Phase)

此階段將核酮糖-5-磷酸（pentose phosphate）重新排列組合，生成中間產物（如甘油醛-3-磷酸、果糖-6-磷酸），這些中間產物可以進入糖解作用（glycolysis），或者可以再生成更多的五碳糖磷酸。
然而，題目問的是「3 mol 的葡萄糖」經過 PPP 後的「總產物」，這意味著我們需要考慮葡萄糖的碳原子如何被利用。

關鍵點：碳原子數的轉換

• 1 分子的葡萄糖是 6 個碳原子。
• 1 分子的五碳糖是 5 個碳原子。
• 1 分子的 CO2 是 1 個碳原子。

當 1 分子的葡萄糖（6C）經過 PPP 的氧化階段，會產生 1 分子的 CO2（1C）和 1 分子的核酮糖-5-磷酸（5C）。這表示 6 個碳原子被分解成一個 5 碳的糖和一個 1 碳的 CO2。

計算 3 mol 葡萄糖的產物：

題目給定氧化了 3 mol 的葡萄糖。

• CO2 的產生：
  每 1 mol 葡萄糖經過 PPP 的氧化階段會產生 1 mol CO2。
  因此，3 mol 葡萄糖會產生 $3 \times 1 = 3$ mol CO2。

• NADPH 的產生：
  每 1 mol 葡萄糖經過 PPP 的氧化階段會產生 2 mol NADPH。
  因此，3 mol 葡萄糖會產生 $3 \times 2 = 6$ mol NADPH。

• 五碳糖的產生：
  PPP 的核心產物之一是五碳糖（如核酮糖-5-磷酸）。雖然 PPP 的非氧化階段可以將五碳糖轉化為其他糖類，但如果我們考慮的是「淨」的五碳糖產量，並且假設所有的葡萄糖都經過了氧化階段，那麼理論上，每 1 mol 葡萄糖（6C）最終可以轉化為 1 mol 的五碳糖（5C）加上 1 mol 的 CO2（1C）。

好的，這題考的是細胞代謝調控的兩種機制：異位性調控 (allosteric control) 和誘導/阻遏調控 (enzyme induction/repression)，並要求比較哪種機制更適合應對快速變化的環境。

這題的核心觀念在於比較兩種酶活性調控機制的反應速度和適用情境。異位性調控是透過小分子結合到酶的異位性位點，改變酶的構象進而影響其活性，反應速度快，能即時應對環境變化。而誘導/阻遏調控則是透過調控基因表現量來改變酶的合成量，反應速度較慢，適合長期或較大的環境變化。

解題過程：

題目要求比較「異位性調控 (allosteric control of enzyme activity)」和「誘導/阻遏調控 (enzyme induction/repression)」哪種機制最適合「快速變化 (rapid changes)」的條件，並解釋原因。

1. 理解兩種調控機制：

   • 異位性調控 (Allosteric Control)： 這種調控方式是透過一個分子（通常是代謝物）結合到酶的異位性位點 (allosteric site)，這個結合會改變酶的活性。結合物可以是活化劑 (activator) 或抑制劑 (inhibitor)。這種調控是即時的，因為它直接影響現有酶的活性，不需要合成新的酶或分解現有的酶。反應速度非常快。
   • 誘導/阻遏調控 (Enzyme Induction/Repression)： 這種調控方式是透過調控製造特定酶的基因的表現量。
     • 誘導 (Induction)： 當環境中出現某種物質時，會誘導相關基因的表現，進而增加該酶的合成量，提高代謝速率。
     • 阻遏 (Repression)： 當環境中某種物質過多時，會阻遏相關基因的表現，減少該酶的合成量，降低代謝速率。
       這種調控機制需要透過轉錄和轉譯的過程來改變酶的總量，因此反應速度相對較慢，通常需要數分鐘到數小時。

2. 分析「快速變化」的需求：
   當環境條件快速變化時，細胞需要能夠迅速地調整其代謝速率，以適應新的環境。例如，當某種營養素突然出現或消失時，細胞需要立即改變其對該營養素的代謝途徑。

3. 比較兩種機制的反應速度：

   • 異位性調控直接作用於現有的酶分子，改變其活性，因此反應速度非常快，可以在秒級或毫秒級完成。
   • 誘導/阻遏調控需要改變基因表現，合成或分解蛋白質，這個過程需要時間，反應速度較慢，通常在分鐘到小時級。

這題考的是細胞訊號傳遞中，GTPase 家族蛋白質（如 G protein 和 Ras）的活化機制，特別是 GTP-GDP 交換因子 (GEF) 的作用。GEF 的核心功能是促進 GTPase 結合的 GDP 替換為 GTP，從而將 GTPase 活化。

解題過程

題目要求列出三個能夠被活化，並且能作為 GTP-GDP 交換因子 (GEF) 來活化 G protein 或 Ras 的蛋白質。這類蛋白質通常是細胞訊號傳遞中的關鍵調節者，它們本身可能受到上游訊號的調控而活化，進而啟動下游的 GTPase。

以下列出三個常見的例子：

(a) SOS (Son of Sevenless)

• 說明： SOS 是一個典型的 Ras GEF，在細胞生長、分化和存活等過程中扮演重要角色。它通常被上游的酪胺酸激酶受體（如 EGFR）活化，然後與 Ras 結合，促進 Ras 上的 GDP 被 GTP 取代，從而將 Ras 活化。SOS 本身可以被磷酸化等方式調控其活性。

(b) GEF1 (Guanine nucleotide exchange factor 1) / ARNO (ADP-ribosylation factor nucleotide-releasing factor)

• 說明： ARNO 是一個 ADP-核糖基化因子 (ARF) 的 GEF。ARF 蛋白質家族與囊泡運輸、細胞骨架重組等過程有關。

好的，這題考的是檸檬酸循環（Citric Acid Cycle，又稱 Krebs Cycle 或 TCA Cycle）中產生二氧化碳的步驟。這是一個非常基礎且重要的觀念，掌握檸檬酸循環的各個反應及其產物，是理解細胞呼吸作用的關鍵。

檸檬酸循環是細胞進行有氧呼吸的中心代謝途徑，它將乙醯輔酶 A (Acetyl-CoA) 的碳原子氧化成二氧化碳，同時產生還原力載子 NADH 和 FADH₂，以及少量 ATP（或 GTP）。在整個循環中，有兩個步驟會釋放出二氧化碳。

以下是產生二氧化碳的完整步驟：

1. 異檸檬酸脫氫酶 (Isocitrate Dehydrogenase) 催化的反應：

   • 反應物： 異檸檬酸 (Isocitrate)
   • 產物： α-酮戊二酸 (α-Ketoglutarate)
   • 機制： 這個反應是檸檬酸循環中第一個脫羧反應（decarboxylation），也是第一個產生 NADH 的反應。異檸檬酸首先被氧化，形成一個不穩定的中間產物，接著釋放出一分子 CO₂，最後形成 α-酮戊二酸。這個反應受到 NAD⁺ 和 ADP（或 ATP）的調節。
   • 化學式表示：
     $\text{Isocitrate} + \text{NAD}^+ \rightarrow \alpha\text{-Ketoglutarate} + \text{NADH} + \text{H}^+ + \text{CO}_2$
   • 為什麼會產生 CO₂： 異檸檬酸的結構中，與羧基相鄰的碳原子（α-碳）上連接了一個羥基。在這個反應中，異檸檬酸先被氧化，形成一個酮基，接著發生脫羧反應，將與酮基相鄰的羧基以 CO₂ 的形式釋放出來。

2. α-酮戊二酸複合體 (α-Ketoglutarate Dehydrogenase Complex) 催化的反應：

   • 反應物： α-酮戊二酸 (α-Ketoglutarate)
   • 產物： 琥珀醯輔酶 A (Succinyl-CoA)
   • 機制： 這個反應與丙酮酸脫氫酶複合體 (Pyruvate Dehydrogenase Complex) 的反應非常相似，也是一個多酶複合體催化的反應。它是一個氧化脫羧反應，將 α-酮戊二酸轉化為琥珀醯輔酶 A，同時釋放出一分子 CO₂，並將 NAD⁺ 還原成 NADH。這個反應需要輔酶如硫胺素焦磷酸 (TPP)、硫辛酸、CoA、FAD 和 NAD⁺。
   • 化學式表示：

好的，這是一題關於微生物生理學與細胞膜結構之間關係的經典題目。核心觀念在於探討環境溫度如何影響細胞膜的組成，進而維持細胞的正常功能。

題目解析：

細菌 $E. coli$ 可以在 20°C 或 40°C 的溫度下生長。在哪個生長溫度下，你預期其細胞膜磷脂質中不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸的比例會比較高？為什麼？

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詳解：

細胞膜的流動性（fluidity）是維持其正常生理功能（如物質運輸、訊號傳遞等）的關鍵。細胞膜的流動性受到其中脂肪酸鏈結構的影響，特別是雙鍵的存在與數量。

1. 溫度與膜流動性的關係：
   • 低溫環境： 在較低的溫度下，細胞膜內的分子運動會減緩，導致細胞膜變得僵硬（less fluid）。為了維持適當的流動性，細胞需要增加膜中不飽和脂肪酸的比例。不飽和脂肪酸由於含有雙鍵，其脂肪酸鏈不像飽和脂肪酸那樣可以緊密堆疊，因此會增加膜的流動性。
   • 高溫環境： 在較高的溫度下，細胞膜內的分子運動會增強，導致細胞膜變得過於流動（too fluid），甚至可能導致膜結構崩解。為了維持膜的穩定性，細胞需要降低膜的流動性，這可以透過增加膜中飽和脂肪酸的比例來達成。飽和脂肪酸鏈結構較為規則，容易緊密堆積，使得膜結構更為穩定。

好的，這是一題關於「氧化磷酸化作用中 ATP 合成」的核心概念題，主要考驗你對 Peter Mitchell 提出的「化學滲透模型」的理解。這個模型是解釋粒線體內膜如何利用質子梯度來合成 ATP 的關鍵理論。

以下是針對這題的詳解：

題目： What is the chemiosmotic model proposed by Peter Michell for ATP synthesis in oxidative phosphorylation?

詳解：

Peter Mitchell 提出的化學滲透模型（Chemiosmotic Model）是解釋粒線體氧化磷酸化作用（oxidative phosphorylation）中 ATP 合成機制的核心理論。該模型指出，ATP 的合成並非直接由電子傳遞鏈的氧化還原反應所驅動，而是透過在粒線體內膜上建立的質子（H⁺）濃度梯度來間接達成。

完整解題過程：

1. 電子傳遞鏈與質子幫浦作用：

   • 氧化磷酸化作用發生在粒線體內膜上，其中包含電子傳遞鏈（electron transport chain, ETC）和 ATP 合成酶（ATP synthase）。
   • 電子傳遞鏈的蛋白質複合物（Complexes I, III, IV）在將電子從還原劑（如 NADH 和 FADH₂）傳遞給最終電子接受者氧氣（O₂）的過程中，會將質子（H⁺）從粒線體基質（mitochondrial matrix）泵送到粒線體膜間隙（intermembrane space）。
   • 為什麼？ 這是因為電子傳遞鏈中的某些複合物（Complexes I, III, IV）本身就具有質子幫浦的功能。當電子通過這些複合物時，會釋放能量，而這些能量被用來將質子逆濃度梯度推入膜間隙。

2. 建立質子梯度（Proton Gradient）：

   • 質子被持續地泵送到膜間隙，導致膜間隙中的質子濃度升高，而粒線體基質中的質子濃度降低。
   • 同時，質子泵送也造成了膜間隙的 pH 值降低（更酸），而基質的 pH 值升高（更鹼）。

好的，這是一題關於維生素 B1 缺乏症（腳氣病，beriberi）的題目。這題主要考驗你對維生素 B1 的生化功能以及其缺乏時會導致的代謝異常的理解。

核心觀念：
腳氣病（Beriberi）是維生素 B1（硫胺素，thiamine）缺乏所引起的疾病。維生素 B1 在能量代謝中扮演著關鍵輔酶的角色，特別是在碳水化合物代謝的幾個重要步驟中。當維生素 B1 缺乏時，這些代謝途徑會受阻，導致特定的中間代謝物堆積。

完整解題過程：

問題： What compounds would accumulate in an individual with beriberi? (2%) why? (2%)

解題步驟：

1. 辨識維生素 B1 的生化角色：
   維生素 B1 的活性形式是硫胺素焦磷酸（Thiamine pyrophosphate, TPP）。TPP 是幾個重要酶的輔酶，這些酶主要參與碳水化合物的代謝，特別是脫羧反應。

2. 列出 TPP 參與的關鍵代謝途徑和酶：

   • 丙酮酸脫氫酶複合物 (Pyruvate dehydrogenase complex)： 將丙酮酸轉化為乙醯輔酶 A (Acetyl-CoA)，進入檸檬酸循環。
   • α-酮戊二酸脫氫酶複合物 (α-ketoglutarate dehydrogenase complex)： 檸檬酸循環中的一個步驟，將 α-酮戊二酸轉化為琥珀醯輔酶 A (Succinyl-CoA)。
   • 支鏈胺基酸脫羧酶 (Branched-chain α-keto acid dehydrogenase)： 參與支鏈胺基酸（如白胺酸、異白胺酸、纈胺酸）的代謝。
   • 戊糖磷酸途徑 (Pentose phosphate pathway)： 轉酮酶 (Transketolase) 需要 TPP 作為輔酶，參與非氧化性階段的反應。

3. 分析缺乏 TPP 時的代謝影響：

   • 丙酮酸代謝受阻： 當丙酮酸脫氫酶複合物功能受損時，丙酮酸無法有效轉化為乙醯輔酶 A。這會導致丙酮酸在細胞質中堆積。

好的，這是一題關於動物無法將脂肪酸轉化為葡萄糖的經典生物化學問題。

這題考的核心觀念在於碳循環的不可逆性，特別是三羧酸循環 (TCA cycle) 和糖質新生 (gluconeogenesis) 的關鍵步驟，以及脂肪酸代謝的終點。動物體內雖然能將脂肪酸分解產生能量，但無法將其碳骨架重新組合成葡萄糖。

以下為詳細解題過程：

解題步驟：

1. 脂肪酸的分解途徑：β-氧化 (β-oxidation)

   • 脂肪酸在細胞質中被活化成脂肪醯輔酶A (fatty acyl-CoA)。
   • 脂肪醯輔酶A進入粒線體基質，經過一系列的氧化、水合、再氧化和裂解反應，稱為 β-氧化。
   • β-氧化的主要產物是乙醯輔酶A (acetyl-CoA)。
   • 每經過一輪 β-氧化，會產生一分子乙醯輔酶A，同時縮短脂肪酸鏈兩碳原子。

2. 乙醯輔酶A進入三羧酸循環 (TCA cycle)

   • 乙醯輔酶A進入三羧酸循環，與草醋酸 (oxaloacetate) 結合形成檸檬酸 (citrate)。
   • 在三羧酸循環中，乙醯輔酶A的兩個碳原子最終會被氧化成二氧化碳 (CO2)，並產生還原力載體 (NADH 和 FADH2) 和少量 ATP (或 GTP)。
   • 關鍵點： 在三羧酸循環中，乙醯輔酶A的碳原子最終被完全氧化，無法重新組合成草醋酸或其他三羧酸循環的中間產物，進而進入糖質新生途徑。

3. 糖質新生途徑 (Gluconeogenesis)

   • 糖質新生是將非醣類前驅物 (如乳酸、丙酮酸、甘油、某些胺基酸) 轉化為葡萄糖的途徑。
   • 這個途徑主要發生在肝臟和腎臟。
   • 糖質新生途徑中的關鍵步驟，例如：
     • 丙酮酸羧化酶 (pyruvate carboxylase)：將丙酮酸 (pyruvate) 轉化為草醋酸 (oxaloacetate)。此反應需要生物素 (biotin) 和 ATP。
     • PEP羧基激酶 (PEP carboxykinase, PEPCK)：將草醋酸轉化為磷酸烯醇丙酮酸 (phosphoenolpyruvate, PEP)。

這是一題關於酵素缺乏症與相關疾病的配對題。題目提供了八種酵素及其對應的英文縮寫，並列出六種疾病，要求考生將酵素缺乏症與其引發的疾病進行正確配對。解題的關鍵在於了解這些酵素在代謝途徑中的功能，以及它們缺乏時會導致哪些物質堆積或代謝異常，進而引發特定的疾病。

解題過程：

我們將逐一分析題目提供的酵素，並連結其缺乏症可能導致的疾病。

(a) hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase (HPRT)
HPRT 是一種參與嘌呤核苷酸回收途徑的酵素。若 HPRT 缺乏，則次黃嘌呤 (hypoxanthine) 和鳥嘌呤 (guanine) 無法被有效回收利用，會堆積在體內，並可能轉化為尿酸 (uric acid)，導致高尿酸血症。這種情況與 Lesch-Nyhan syndrome 有關。Lesch-Nyhan syndrome 的特徵是神經系統異常（如肌肉張力過高、強迫性自殘行為）和痛風。

(b) adenosine deaminase (ADA)
ADA 是一種參與嘌呤核苷酸分解途徑的酵素，特別是腺苷 (adenosine) 和脫氧腺苷 (deoxyadenosine) 的代謝。ADA 缺乏會導致脫氧腺苷和脫氧 ATP 在淋巴球中大量堆積，抑制淋巴球的發育和功能，進而引發嚴重的聯合免疫缺陷症 (Severe Combined Immunodeficiency, SCID)。

(c) glucuronyl bilirubin transferase (UGT1A1)
此酵素，也稱為尿苷二磷酸葡萄糖醛酸基轉移酶 (UDP-glucuronosyltransferase)，負責將膽紅素 (bilirubin) 與葡萄糖醛酸結合，形成水溶性的葡萄糖醛酸膽紅素，以便排出體外。若此酵素缺乏或活性不足，未結合的膽紅素 (unconjugated bilirubin) 會在血液中堆積，導致黃疸 (jaundice)。這在新生兒時期尤其常見，稱為新生兒黃疸 (Crigler-Najjar syndrome)。

(d) tyrosine 3-monooxygenase (Tyrosine hydroxylase)
此酵素是兒茶酚胺 (catecholamines) 生合成途徑的限速酵素，將酪胺酸 (tyrosine) 轉化為 L-DOPA。此酵素的缺乏會導致兒茶酚胺合成不足，引發神經系統問題，但並非題目中列出的疾病。

(e) phenylalanine hydroxylase (PAH)
PAH 是一種將苯丙胺酸 (phenylalanine) 轉化為酪胺酸 (tyrosine) 的酵素。若 PAH 缺乏，苯丙胺酸將無法被有效代謝，會在體內堆積，並可能轉化為苯丙酮酸 (phenylpyruvate) 等有毒物質，影響腦部發育，導致 phenylketonuria (PKU)。PKU 患者需要嚴格限制飲食中的苯丙胺酸攝取。

(f) methionine synthase
此酵素負責將同半胱胺酸 (homocysteine) 甲基化為甲硫胺酸 (methionine)，需要維生素 B12 作為輔酶。若此酵素缺乏或維生素 B12 缺乏，同半胱胺酸會堆積在體內，導致高同半胱胺酸血症。

(g) cystathionine $\beta$-synthase (CBS)
CBS 是一種參與甲硫胺酸代謝途徑的酵素，將同半胱胺酸 (homocysteine) 和絲胺酸 (serine) 轉化為半胱硫醚 (cystathionine)。

好的，我是您在台灣生命科學與農學研究所入學考試的生物化學補教名師。針對國立中正大學生物醫學科學系生物醫學碩士班民國 112 年的考題，我將為您詳細解析這道關於膳食中必需脂肪與蛋白質的題目。

這道題目主要在探討人體為何需要從飲食中攝取脂肪和蛋白質這兩大類重要的營養素。這涉及到它們在生物體內扮演的關鍵結構與功能角色。

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B.問答題(50%) 9. We require fats and proteins in our diets. Why? (6%)

解題過程：

這題要求我們解釋為何人體需要從飲食中攝取脂肪（fats）和蛋白質（proteins）。我們需要分別闡述這兩類巨量營養素在人體中的重要性。

Part 1：為何需要攝取蛋白質 (Proteins)

蛋白質是構成生命體的基本物質，其功能極其廣泛且重要。我們需要從飲食中攝取蛋白質，主要原因如下：

• 結構組成 (Structural Components)： 蛋白質是構成細胞和組織的基本單位。例如，膠原蛋白是皮膚、骨骼和結締組織的主要結構蛋白；角蛋白是頭髮和指甲的主要成分。沒有足夠的蛋白質，身體就無法有效地建造和修復組織。
• 酵素催化 (Enzymatic Catalysis)： 絕大多數的酵素都是蛋白質。酵素在體內負責催化幾乎所有的生化反應，包括能量代謝、DNA複製、蛋白質合成等。沒有酵素，這些反應將無法有效率地進行，生命活動將無法維持。
• 運輸功能 (Transport)： 許多蛋白質負責將物質在體內運輸。例如，血紅蛋白 (hemoglobin) 負責將氧氣從肺部運輸到全身組織；白蛋白 (albumin) 負責運輸脂肪酸、膽紅素和某些藥物；細胞膜上的運輸蛋白負責將離子和分子跨膜運輸。
• 免疫防禦 (Immune Defense)： 抗體 (antibodies) 是免疫球蛋白，主要由蛋白質構成，它們是免疫系統對抗病原體（如細菌和病毒）的重要武器。
• 訊號傳遞 (Signaling)： 許多激素（如胰島素）和細胞表面的受體都是蛋白質，它們在細胞間的訊號傳遞中扮演關鍵角色，調節生理機能。
• 肌肉收縮 (Muscle Contraction)： 肌動蛋白 (actin) 和肌凝蛋白 (myosin) 是肌肉收縮所必需的蛋白質。
• 必需胺基酸的來源 (Source of Essential Amino Acids)： 蛋白質是由胺基酸組成的。人體可以自行合成一部分胺基酸（非必需胺基酸），但有約 9 種胺基酸是人體無法自行合成，必須從飲食中攝取，這些稱為必需胺基酸 (essential amino acids)。例如，離胺酸 (lysine)、甲硫胺酸 (methionine)、纈胺酸 (valine) 等。

好的，這是一題計算 ATP 產量的題目，核心觀念在於理解不同醣類進入肝臟後，透過哪些代謝途徑最終轉化為乳酸，以及在此過程中，哪些步驟會產生或消耗 ATP，哪些步驟會產生 NADH（可在無氧環境下轉化為 ATP）。

解題過程

這題考驗的是對醣類（glucose, fructose, mannose, galactose）在肝臟中進行無氧酵解（anaerobic glycolysis）生成乳酸（lactate）過程中，總 ATP 淨產量的計算。無氧條件下，NADH 無法進入粒線體進行氧化磷酸化，而是會在細胞質中將其還原力轉移給丙酮酸，生成乳酸，同時再生 NAD+ 以供後續的醣解繼續進行。因此，計算 ATP 淨產量時，我們主要關注的是醣解過程中直接產生的 ATP，以及來自於 NADH 的 ATP 轉換（在無氧條件下，這部分不計入，因為 NADH 轉化為乳酸時，並未產生 ATP，而是再生 NAD+）。

一般無氧酵解（以葡萄糖為例）的 ATP 淨產量計算：

1. 消耗 ATP 階段：

   • 葡萄糖 → 葡萄糖-6-磷酸：消耗 1 ATP
   • 果糖-6-磷酸 → 果糖-1,6-二磷酸：消耗 1 ATP
   • 總計：消耗 2 ATP

2. 產生 ATP 階段：

   • 1,3-二磷酸甘油酸 → 3-磷酸甘油酸：產生 2 NADH （此 NADH 在無氧情況下不產生 ATP，而是用於還原丙酮酸為乳酸）
   • 1,3-二磷酸甘油酸 → 3-磷酸甘油酸：產生 2 ATP
   • 磷酸烯醇丙酮酸 → 丙酮酸：產生 2 ATP
   • 總計：產生 4 ATP (直接 ATP) + 2 NADH

3. 淨 ATP 產生：

   • 總 ATP 產生 - 總 ATP 消耗 = 4 ATP - 2 ATP = 2 ATP
   • 另外還產生 2 NADH，在無氧條件下，這 2 NADH 會用於將丙酮酸還原為乳酸，並無 ATP 淨生成。

因此，單純從葡萄糖無氧酵解到乳酸，淨 ATP 產量為 2 分子。接下來，我們分析其他醣類如何進入這個代謝途徑。

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(a) 葡萄糖 (glucose)

葡萄糖直接進入醣解途徑。

1. 活化階段： 葡萄糖 → 葡萄糖-6-磷酸 (消耗 1 ATP)，葡萄糖-6-磷酸 → 果糖-6-磷酸 → 果糖-1,6-二磷酸 (消耗 1 ATP)。總共消耗 2 ATP。
2. 產能階段： 2 個 1,3-二磷酸甘油酸 → 2 個 3-磷酸甘油酸 (產生 2 ATP)；2 個磷酸烯醇丙酮酸 → 2 個丙酮酸 (產生 2 ATP)。總共產生 4 ATP。
3. NADH 產生： 2 個 1,3-二磷酸甘油酸 → 2 個 3-磷酸甘油酸 (產生 2 NADH)。
4. 乳酸生成： 2 個丙酮酸接受 2 個 NADH 的還原力，生成 2 個乳酸，同時再生 2 個 NAD+。此步驟不產生 ATP。

總 ATP 淨產量 = 產生 ATP - 消耗 ATP = 4 ATP - 2 ATP = 2 ATP。

【答案】2 ATP

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(b) 果糖 (fructose)

果糖在肝臟中的代謝途徑有兩種主要方式：

1. 經由果糖-1-磷酸途徑（Fructose-1-phosphate pathway）：
   • 果糖 → 果糖-1-磷酸 (由果糖激酶 Fructokinase 催化，消耗 1 ATP)。
   • 果糖-1-磷酸 → 二羥丙酮磷酸 (DHAP) 和甘油醛 (Glyceraldehyde) (由果糖-1-磷酸醛縮酶 Fructose-1-phosphate aldolase 催化)。
   • 甘油醛 → 甘油醛-3-磷酸 (G3P) (由甘油醛激酶 Glycerokinase 催化，消耗 1 ATP)。
   • 這個途徑總共消耗 2 ATP 來將果糖轉化為 DHAP 和 G3P。