108 年 國立成功大學生物化學暨分子生物學研究所《生物化學》

此題考查鳥苷酸 (GMP) 的合成途徑。次黃嘌呤核苷酸 (IMP) 轉化為鳥苷酸 (GMP) 的過程中，需要進行一個羥基化反應，並消耗 NADPH 作為還原力。具體來說，IMP 先被磷酸化為 IMP-P，然後經過一系列轉化，最終在 NADPH 的作用下，將 IMP 的 2-位碳原子氧化，引入一個羥基，形成 GMP。這個反應是一個氧化反應，並伴隨 NADPH 的氧化。

此題考查 5-磷酸核糖-1-焦磷酸 (PRPP) 在動物體內對嘧啶核苷酸和嘌呤核苷酸合成途徑的調控作用。PRPP 是合成兩類核苷酸的關鍵起始物料。

1. 對嘌呤核苷酸合成的影響： PRPP 是嘌呤核苷酸合成的直接前驅物。PRPP 水平升高會增加嘌呤核苷酸合成的底物可用性，從而激活嘌呤核苷酸的從頭合成 (de novo synthesis)。

核心觀念

本題考查糖解作用中間產物與胺基酸生合成的連結。糖解作用的中間產物不僅用於產生 ATP 與 NADH，也可分流作為胺基酸、脂質與核苷酸的前驅物。

$3$-phosphoglycerate（$3$-磷酸甘油酸，3-PG）是絲胺酸（serine）的直接代謝前驅物，而絲胺酸又可進一步生成甘胺酸（glycine）與半胱胺酸（cysteine），因此是三者的共同前驅物。

解題方法

掌握胺基酸與糖解作用的主要對接位置：

絲胺酸形成後有兩條重要分流：

1. 生成甘胺酸

由 serine hydroxymethyltransferase 催化，將絲胺酸的 $\beta$-碳轉移至 tetrahydrofolate（THF），形成 $5,10$-methylene-THF，並產生甘胺酸：

2. 生成半胱胺酸

半胱胺酸的碳骨架來自絲胺酸，硫原子則來自含硫代謝途徑。在動物的 transsulfuration pathway 中，絲胺酸與 homocysteine 反應，經 cystathionine 生成半胱胺酸：

因此，3-PG 是 serine、cysteine 與 glycine 的共同上游來源。

選項分析

• (A) fructose-6-phosphate

  Fructose-6-phosphate 是糖解作用早期中間產物，主要可轉換為 fructose-1,6-bisphosphate，繼續進入糖解作用。

此題考查血清中麩胺酸草醋酸轉胺酶 (SGOT，又稱 AST) 和麩胺酸丙酮酸轉胺酶 (SGPT，又稱 ALT) 的臨床意義。這兩種酶是細胞內的轉胺酶，主要存在於肝臟、心肌、腎臟、肌肉和腦等組織中。

• SGOT (AST)： 主要存在於肝細胞、心肌細胞、骨骼肌細胞和腦細胞中。當這些細胞受損或死亡時，其內部的 SGOT 會釋放到血液中，導致血清 SGOT 活性升高。
• SGPT (ALT)： 主要存在於肝細胞中，是肝臟特異性較高的酶。因此，血清 SGPT 活性升高是肝細胞損傷的靈敏指標。

綜合來看，SGOT 和 SGPT 活性升高都與細胞損傷有關，其中 SGPT 對肝臟損傷的指示性最強。

• 肝臟損傷：如肝炎、肝硬化、脂肪肝、藥物性肝損傷等，都會導致 SGOT 和 SGPT 升高。
• 心臟損傷：如心肌梗塞，會導致 SGOT 升高，而 SGPT 變化相對不明顯。

此題考查胺基酸代謝中的轉胺酶 (aminotransferase) 的作用。轉胺酶是一類催化胺基從一個分子轉移到另一個分子的酶，通常涉及 α-胺基酸的 α-酮酸之間的相互轉化。這類反應的通用反應式為：
R-CH(NH2)-COOH + α-keto acid ⇌ R-CO-COOH + α-amino acid

其中，α-酮酸接受胺基後變成 α-胺基酸，而原來的 α-胺基酸則失去胺基變成 α-酮酸。在這個過程中，輔酶是輔酶 A (pyridoxal phosphate, PLP)。

我們來逐一分析選項：
(A) Alanine → Pyruvate： 這是丙胺酸 (Alanine) 的轉胺反應。丙胺酸的胺基可以轉移到 α-酮酸（如 α-酮戊二酸）上，生成丙酮酸 (Pyruvate) 和麩胺酸。反過來，如果 α-酮酸（如 α-酮戊二酸）提供胺基，丙酮酸也可以轉化為丙胺酸。這個反應是典型的由轉胺酶催化。
(B) Threonine → Acetyl CoA： 蘇胺酸 (Threonine) 的分解代謝途徑較為複雜，最終產物之一是乙醯輔酶 A (Acetyl CoA)。

此題考查 Lesch-Nyhan 症候群的生化機制。Lesch-Nyhan 症候群是由於次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶 (hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase, HGPRT) 缺陷所致。HGPRT 是一種關鍵的酶，參與嘌呤核苷酸的再利用途徑 (salvage pathway)。

HGPRT 催化以下反應：

1. Hypoxanthine + PRPP → IMP + PPi
2. Guanine + PRPP → GMP + PPi

當 HGPRT 缺乏時，次黃嘌呤 (hypoxanthine) 和鳥嘌呤 (guanine) 無法被有效利用來合成 IMP 和 GMP。這將導致：

• 次黃嘌呤 (Hypoxanthine) 的積累： 由於 HGPRT 缺乏，次黃嘌呤無法被轉化為 IMP，因此在體內積累。
• 黃嘌呤 (Xanthine) 的積累： 積累的次黃嘌呤會被黃嘌呤氧化酶 (xanthine oxidase) 氧化成黃嘌呤。
• 尿酸 (Uric acid) 的積累： 黃嘌呤進一步被黃嘌呤氧化酶氧化成尿酸，導致高尿酸血症。

此題考查胺基酸代謝的產物分類。胺基酸在體內分解代謝後，其碳骨架 (carbon skeleton) 可以轉化為酮體 (ketogenic) 或葡萄糖 (glucogenic)，或者兩者皆是 (ketogenic and glucogenic)。純粹生酮性胺基酸 (purely ketogenic amino acids) 的碳骨架只能轉化為乙醯輔酶 A (Acetyl-CoA) 或乙醯乙酸 (acetoacetate)，而不能轉化為葡萄糖。

以下是常見的胺基酸分類：

• 純粹生酮性胺基酸： 亮胺酸 (Leucine)、異白胺酸 (Isoleucine)、離胺酸 (Lysine)、苯丙胺酸 (Phenylalanine)、酪胺酸 (Tyrosine)、色胺酸 (Tryptophan)。
• 純粹生糖性胺基酸： 丙胺酸 (Alanine)、絲胺酸 (Serine)、半胱胺酸 (Cysteine)、甘胺酸 (Glycine)、天門冬胺酸 (Aspartate)、天門冬醯胺 (Asparagine)、麩胺酸 (Glutamate)、麩胺醯胺 (Glutamine)、精胺酸 (Arginine)、組胺酸 (Histidine)、甲硫胺酸 (Methionine)。
• 兼具生酮與生糖性胺基酸： 異白胺酸 (Isoleucine)、苯丙胺酸 (Phenylalanine)、酪胺酸 (Tyrosine)、色胺酸 (Tryptophan)。(注意：Isoleucine, Phenylalanine, Tyrosine, Tryptophan 有些分類會將它們歸為兼具，因為它們的代謝途徑會產生 Acetyl-CoA 和/或 Pyruvate，而 Pyruvate 可以轉化為 Oxaloacetate 進入糖質新生。

此題考查氨 (Ammonia) 在生理 pH 下的離子形態。氨的化學式是 NH₃。它是一個弱鹼，可以接受質子 (H⁺) 形成銨離子 (NH₄⁺)。

氨與銨離子之間的平衡關係取決於溶液的 pH 和氨的 pKa 值。氨的共軛酸（銨離子 NH₄⁺）的 pKa 值約為 9.25。

根據 Henderson-Hasselbalch 方程式：
pH = pKa + log([A⁻]/[HA])
其中，HA 是弱酸（在這裡是 NH₄⁺），A⁻ 是其共軛鹼（在這裡是 NH₃）。

我們關心的是在生理 pH（約 7.4）下，NH₃ 和 NH₄⁺ 的比例。
pH 7.4, pKa 9.25

7.4 = 9.25 + log([NH₃]/[NH₄⁺])
log([NH₃]/[NH₄⁺]) = 7.4 - 9.25 = -1.85
[NH₃]/[NH₄⁺] = 10⁻¹.85 ≈ 0.014

核心觀念

酵素活性部位中的催化性胺基酸，必須維持特定的質子化狀態，才能完成催化反應。

本題給定：

• Arginine 的 $pK_a=2.9$
• Glutamate 的 $pK_a=9.1$

若兩者都參與催化，合理的活性狀態是：

• Arginine 需為去質子化型
• Glutamate 需為質子化型

因此，最佳 pH 應位於兩個 $pK_a$ 之間，使兩個催化殘基同時保有適當的離子化狀態。

解題方法

對酸鹼催化而言，最佳 pH 通常可估為兩個相關 $pK_a$ 的中間值：

代入本題數值：

在 pH 約為 $6.0$ 時：

• 對於 $pK_a=2.9$ 的 arginine，因為 $\mathrm{pH}>pK_a$，主要呈去質子化型。
• 對於 $pK_a=9.1$ 的 glutamate，因為 $\mathrm{pH}<pK_a$，主要呈質子化型。

兩個殘基都能維持催化所需的狀態，酵素活性因而達到最佳。

這也符合典型的鐘形 pH－活性曲線：pH 太低時，第一個殘基過度質子化；pH 太高時，第二個殘基過度去質子化。

選項分析

核心觀念

活化能是反應物到過渡態所需跨越的能量差。正反應與逆反應的起點不同，因此各自的活化能都要從該方向的反應物能階量到過渡態能階：

解題方法

圖中反應物能階低於生成物能階，曲線最高點代表過渡態。箭頭 1 從反應物能階指向過渡態，箭頭 2 從生成物能階指向過渡態；箭頭 3 表示生成物與較低參考能階之間的能量差，並未量到過渡態。

因此，正反應的活化能是箭頭 1，逆反應的活化能是箭頭 2。

選項分析

核心觀念

本題考米氏動力學中 $K_m$ 的定義。依米氏方程式：

當反應速率 $v=\frac{1}{2}V_{\max}$ 時，底物濃度 $[S]=K_m$。因此，先由數據估計 $V_{\max}$，再找速率接近其一半時的底物濃度，即可估計 $K_m$。

解題方法

原卷表格列出底物濃度 $50$ 至 $2500\ \mu\mathrm{M}$，對應反應速率 $30$ 至 $215\ \mu\mathrm{M/min}$；最高速率約為 $215\ \mu\mathrm{M/min}$，顯示反應速率已接近平台。其一半約為 $107.5\ \mu\mathrm{M/min}$。

表中底物濃度 $300\ \mu\mathrm{M}$ 時，速率為 $110\ \mu\mathrm{M/min}$，最接近最大速率的一半，因此 $K_m$ 約為 $300\ \mu\mathrm{M}$。在選項中，$260\ \mu\mathrm{M}$ 最接近此估計。

也可用該筆數據代入米氏方程式整理：

此估計值最接近選項 $260\ \mu\mathrm{M}$。

選項分析

核心觀念

酵素催化的效率取決於反應速率，而反應速率主要受活化自由能障礙 $\Delta G^\ddagger$ 影響：活化能障礙越低，反應越快。若反應途徑包含多個步驟，整體速率通常受能障最高的那一步限制；該步驟的能障要從前一個反應物或中間態的能量谷底，量到相鄰過渡態的峰頂。

解題方法

圖中縱軸是自由能，橫軸是反應座標；四條曲線代表同一反應使用不同催化機制。比較時，逐一找出各途徑中「每一步」的能障，再比較其中最高的能障，而不是只看整條曲線的最高點。

Graph I 有多個較低的峰，最高一步的能障仍小於 Graph III 從中間態谷底升到後續峰頂的能障。Graph II 的單一步驟能障很高；Graph IV 也有較高的步驟能障。因此，Graph I 的最大步驟能障最低，催化機制最有效率。

選項分析

第 15 題 詳解

核心觀念

本題綜合考查胺基酸的五個基礎性質：

1. 手性（chirality）與光學異構物：α-碳的對稱性、甘胺酸（glycine）例外。
2. 芳香族胺基酸的紫外光吸收：各芳香族胺基酸在 280 nm 附近的吸收特性與莫耳消光係數（molar extinction coefficient, $\varepsilon$）。
3. 兩性離子（zwitterion）的存在條件：$\text{p}K_\text{a}$ 值與 pH 的關係。
4. 不對稱碳（asymmetric carbon）的定義：四個不同取代基。
5. 羧酸根的共振穩定（resonance stabilization）：負電荷離域（delocalization）。

解題方法

逐項判斷真偽，再對照選項組合。關鍵在於辨識經典陷阱——特別是第 1 項的甘胺酸例外，以及第 2 項中苯丙胺酸（phenylalanine）在 280 nm 的實際貢獻。

選項分析

敘述 1 ✗

All amino acids contain a chiral α-carbon and only L-enantiomers are found.

甘胺酸（glycine, Gly）的 α-碳連接的四個取代基為 $-\text{H},\ -\text{H},\ -\text{NH}_3^+,\ -\text{COO}^-$，其中有兩個氫原子完全相同，因此其 α-碳不具手性（achiral）。「所有胺基酸皆含手性 α-碳」的全稱敘述因甘胺酸而不成立。此外，生物體中雖以 L-胺基酸為主，但細菌細胞壁肽聚醣（peptidoglycan）中確實含有 D-胺基酸（如 D-Ala、D-Glu），故「only L-enantiomers are found」亦不完全正確。

→ 錯誤。

敘述 2 ✗

Aromatic amino acids, i.e., tyrosine, tryptophan, and phenylalanine, account for most of the UV absorbance by protein in the region around 280 nm.

三種芳香族胺基酸在紫外光區域的吸收特性差異極大：

蛋白質在 280 nm 的吸收幾乎全由色胺酸（Trp）與酪胺酸（Tyr）貢獻。苯丙胺酸的最大吸收峰位於 258 nm，且消光係數極低（僅約 200 M⁻¹ cm⁻¹），在 280 nm 處的吸收可忽略不計。題幹將三者並列為 280 nm 吸收來源，此為經典陷阱。

→ 錯誤。

敘述 3 ✓

An amino acid is a zwitterion at pH = 8.

以不含可解離側鏈的典型胺基酸為例，其兩個可解離基團的 $\text{p}K_\text{a}$ 值為：

核心觀念

本題考的是胜肽在指定 pH 下，各可游離基團的酸鹼電荷總和。帶電側鏈主要包括：

• 鹼性殘基：賴胺酸（K）與精胺酸（R）各帶 $+1$；組胺酸（H）在本題採用的整數電荷近似下視為帶 $+1$。
• 酸性殘基：天門冬胺酸（D）與麩胺酸（E）各帶 $-1$。
• 其餘列出的殘基在此 pH 下視為不帶電。

每條胜肽的 N 端約帶 $+1$、C 端約帶 $-1$，兩者互相抵銷。因此只需加總帶電側鏈。

解題方法

依題目選項所採用的整數電荷近似，逐條計算：

核心觀念

本題考蛋白質多胜肽鏈長度與穩定摺疊、聚集及生合成的關係。天然蛋白質的鏈長受到多種因素影響：太短的鏈通常難以形成穩定的三維結構；太長的鏈則可能增加非特異性聚集與沉澱的機會。

解題方法

依原卷第 17 題，題目列出五項可能使長度超出常見範圍的多胜肽較不利的原因，選項分別為（A）1、2；（B）2；（C）2、3、5；（D）3；（E）2、4、5。逐項判斷其是否符合蛋白質摺疊與合成的基本原理。

1. 正確。 較長的多胜肽含有較多可能參與錯誤摺疊或形成不當分子間接觸的區域，因此較容易發生非特異性聚集，甚至沉澱。
2. 正確。 太短的多胜肽通常缺少足夠的結構元素與分子內作用，較難形成穩定的摺疊結構。
3. 錯誤。 小型多胜肽並非通常會組成類朊病毒聚集體；類朊病毒聚集不是短鏈多胜肽普遍受到限制的原因。
4. 錯誤。 胜肽鍵是共價鍵，足以維持多胜肽主鏈的連結；

核心觀念

本題利用胺基酸組成與數種化學／酵素切割的結果，逐步判定胜肽序列：

• **FDNB（1-fluoro-2,4-dinitrobenzene）**會標記胜肽的游離 N 端胺基；水解後辨認出二硝基苯基胺基酸，即可判定 N 端殘基。
• **CNBr（cyanogen bromide）**在甲硫胺酸（Met）的羧基端切割。
• **胰蛋白酶（trypsin）**通常在 Lys 或 Arg 的羧基端切割。
• 題目給定的胃蛋白酶辨識條件為 $R_2=\mathrm{W,Y,F}$，表示在色胺酸、酪胺酸或苯丙胺酸的胺基端切割。
• 胜肽切割後各片段的長度與胺基酸組成，可用來檢驗候選序列。

解題方法

先依各項實驗結果找出能直接定位的殘基，再用切割產物確認相鄰位置。

1. 確定 N 端為 His
   FDNB 標記後水解，檢出二硝基苯基組胺酸，表示原胜肽的 N 端是 His。選項 A、B、C、E 符合；D 的 N 端是 Gly，先排除。

2. 利用 CNBr 定位 Met 與 C 端 Gly
   CNBr 在 Met 後方切割。產物為八胜肽與游離 Gly，表示 Met 位於第 8 位，後接第 9 位 Gly：

   $\mathrm{Met}_{8}-\mathrm{Gly}_{9}$

   符合此條件的候選序列為 C、E。

3. 利用胰蛋白酶確認 Lys 的位置
   胰蛋白酶在 Lys 的羧基端切割。結果包含五胜肽、三胜肽與游離 Lys；五胜肽的 N 端是 His，三胜肽的 N 端是 Phe。這表示兩個 Lys 必須連續，排列形式為：

   $\mathrm{His}\cdots\mathrm{Lys}-\mathrm{Lys}-\mathrm{Phe}\cdots$

   Lys-Lys 之間切割會釋出游離 Lys；兩側片段分別為五胜肽與三胜肽。C、E 都符合這項結果，尚須比較胃蛋白酶產物。

4. 利用胃蛋白酶片段組成區分 C、E
   胃蛋白酶在 Phe 的胺基端切割。選項 C 的 Phe 位於第 3 與第 7 位，切割後得到：

核心觀念

β 轉角（β turn）由連續四個胺基酸殘基構成。若以第 1 至第 4 位編號，第 2、3 位是轉角的中央位置；題目所問的「第 3 位」相當於轉角的 $i+2$ 位。

Type II β 轉角的典型主鏈二面角為：

• 第 2 位：$\phi \approx -60^\circ,\ \psi \approx 120^\circ$
• 第 3 位：$\phi \approx +80^\circ,\ \psi \approx 0^\circ$

第 3 位需要採取正 $\phi$ 角構形。甘胺酸（Gly）的側鏈只有氫原子，立體障礙最小，因此最適合採取這種構形。

解題方法

判斷時先確認題目問的是轉角第 3 位，而非第 2 位。Type II β 轉角的第 3 位偏好 Gly；脯胺酸（Pro）則常出現在第 2 位，不能因為它常與 β 轉角相關，就把它選作第 3 位答案。

核心觀念

本題考蛋白質自發摺疊的基本特徵：蛋白質在適當條件下，會沿著自由能有利的方向，從未摺疊構形集合逐步趨近天然構形。摺疊過程受能量地景引導，並非在所有可能構形中毫無方向地隨機搜尋。

摺疊過程可能出現疏水性塌縮、局部二級結構形成及中間態；錯誤摺疊也與某些人類疾病有關。

解題方法

逐項判斷敘述是否符合蛋白質摺疊的特徵：

• 未摺疊蛋白質可採取大量構形；朝天然態摺疊時，可選構形的整體範圍會逐漸縮小，因此「構形種類的範圍逐漸增加」不符合摺疊方向。
• 摺疊可能先形成局部二級結構，也可能先經疏水性塌縮形成緊密中間態。
• 摺疊異常或錯誤摺疊可能造成疾病。

因此，第 1、3 項為錯誤敘述，答案為 (A)。

選項分析

1. 可能是本質上隨機的過程：錯誤。
   蛋白質分子會有熱運動，構形變化具有隨機性；但摺疊整體受自由能地景引導，天然態通常是較穩定的低自由能狀態。摺疊不是在龐大的構形空間中毫無偏向地逐一搜尋。

2. 可能在人類某些疾病中出現缺陷：正確。
   蛋白質錯誤摺疊、聚集或無法維持正確構形，與多種人類疾病有關，因此本項不是錯誤敘述。

核心觀念

本題考 Pauling 與 Corey 對蛋白質結構的研究，以及胜肽鍵的幾何特性。判斷時要分清楚三件事：胜肽鍵本身的平面性與旋轉限制、胜肽基團形成的氫鍵，以及蛋白質結構模型必須符合的立體化學限制。

胜肽鍵具有共振特性，使 C—N 鍵帶有部分雙鍵性質，因此胜肽基團近似平面，C—N 軸旋轉受到限制。蛋白質主鏈主要透過相鄰單鍵的旋轉改變構形，常以 $\phi$、$\psi$ 角表示。胜肽基團的 C=O 與 N—H 也能形成氫鍵，參與穩定蛋白質的三維結構。

解題方法

逐項判斷敘述是否符合上述結構原則，再比對選項。關鍵在於：「近似平面」不等於「可以繞 C—N 軸自由旋轉」；此外，蛋白質結構模型須符合合理的鍵長、鍵角及原子間距離。

各敘述判斷

1. **錯誤。**胜肽基團近似平面，但 C—N 鍵具有部分雙鍵性質，無法自由旋轉。主鏈構形變化主要來自相鄰的 N—Cα 鍵與 Cα—C 鍵旋轉，而非胜肽鍵的 C—N 軸旋轉。

2. **正確。**胜肽基團的 C=O 與 N—H 可形成氫鍵。這類非共價作用參與穩定蛋白質的三維結構，例如 α 螺旋與 β 摺板。

核心觀念

本題考比較肌紅蛋白（myoglobin）與血紅蛋白（hemoglobin）各次單元的結構與氧結合特性，重點是「結構相似」不代表「氧結合協同性相同」。

• 一級結構：蛋白質的胺基酸序列。
• 三級結構：單一多肽鏈摺疊後的三維構形。肌紅蛋白與血紅蛋白的次單元都具有相似的球蛋白摺疊（globin fold）。
• Hill 係數 $n_H$：描述配體結合協同性的指標。肌紅蛋白只有一個氧結合位點，氧結合不具協同性，$n_H$ 約為 $1$；血紅蛋白由多個次單元組成，氧結合具有正協同性，$n_H$ 大於 $1$，典型值約為 $2.8$。

解題方法

逐項比較三個性質：一級結構、三級結構與氧結合的 Hill 係數。肌紅蛋白與血紅蛋白的次單元有相似的三級結構，但胺基酸序列不同；兩者的氧結合協同性也不同。肌紅蛋白不具協同性，血紅蛋白則會因一個次單元結合氧而促進其他次單元結合氧。

因此，符合「三級結構相似、一級結構不同、Hill 係數不同」的選項為 (E)。

選項分析

核心觀念

題目考查 2,3-二磷酸甘油酸（2,3-BPG）對血紅素氧結合的調節。2,3-BPG 結合去氧血紅素中央空腔，穩定低氧親和力的 T 態，使血紅素較容易釋放氧氣。胎兒血紅素 HbF 對 2,3-BPG 的親和力較低，因此較少受到 T 態穩定作用，對氧氣的親和力高於成人血紅素 HbA。

解題方法

原卷第 23 題問：「胎兒血紅素對 BPG 的親和力較低，為何有利？」選項 A 至 E 分別提到成人血紅素狀態、血基質氧結合、游離 BPG、胎兒肌紅蛋白，以及「以上皆非」。判斷關鍵是比較 HbF 與 HbA 的氧親和力：胎兒血紅素能以較高親和力結合氧氣，因而有利於從母體血液取得氧氣；這項優勢未列在 A 至 D 中。

選項分析

核心觀念

DNA 聚合酶合成 DNA 時，需要兩個條件：一段可供讀取的模板，以及帶有游離 $3'$-OH 的引子末端。聚合酶從引子的 $3'$-OH 加入核苷酸，使新鏈以 $5'\to3'$ 方向延長；同時沿模板以 $3'\to5'$ 方向讀取。

本題的單股 DNA 能在分子內折回，使自身形成「引子－模板」結構。這種結構稱為髮夾結構或自我引發結構。

解題方法

將序列由 $5'$ 端起編號：

第 $15$ 至 $17$ 個核苷酸是 $\mathrm{CCC}$；第 $24$ 至 $26$ 個核苷酸是末端 $\mathrm{GGG}$。兩段可互補配對：

• $\mathrm{C}_{15}$ 與 $\mathrm{G}_{26}$ 配對
• $\mathrm{C}_{16}$ 與 $\mathrm{G}_{25}$ 配對
• $\mathrm{C}_{17}$ 與 $\mathrm{G}_{24}$ 配對

中間第 $18$ 至 $23$ 個核苷酸 $\mathrm{ATCGAT}$ 形成髮夾的環部。

核心觀念

本題考兩條代謝路徑的連結：對氨基苯甲酸（PABA）參與細菌葉酸的合成；葉酸衍生物則提供嘌呤合成所需的一碳單位。 磺胺類藥物磺胺嘧啶胺（sulfanilamide）與 PABA 結構相似，會競爭二氫蝶酸合成酶（DHPS），因此阻斷細菌製造葉酸。葉酸合成與磺胺類的作用機制

嘌呤從頭合成的末段，AICAR 需接受 $N^{10}$-甲醯四氫葉酸（$N^{10}$-formyl-THF）提供的甲醯基，生成 FAICAR，接著形成 IMP：

因此，葉酸供應不足會使這個反應受阻，造成 AICAR 累積。AICAR 轉甲醯基反應與嘌呤合成

解題方法

從題目提供的三項線索依序推論：

1. 需要培養基中的 PABA 才能正常生長：表示該菌無法自行充分合成 PABA，而 PABA 是其合成葉酸的原料。
2. 加入 sulfanilamide 後生長受抑制，且培養液中 AICAR 累積：表示藥物阻斷葉酸合成，使葉酸依賴的一碳轉移反應受阻；AICAR 正是該受阻反應的底物。
3. 過量 PABA 可逆轉兩種效應：表示藥物與 PABA 在同一酵素步驟競爭，增加天然底物濃度便能減輕抑制。

競爭性抑制可用下式表示：

當底物濃度 $[S]$ 增加時，底物可以競爭酵素結合位點，減輕抑制劑 $[I]$ 的影響。此題中，$S$ 是 PABA，$I$ 是 sulfanilamide，受抑制的酵素是 DHPS。

（a）PABA 在這些細菌中的角色

PABA 是細菌合成葉酸的必要前驅物。它與活化的蝶呤中間物在 DHPS 催化下縮合，形成二氫蝶酸，後續再經反應生成葉酸及其還原型輔酶。四氫葉酸衍生物負責攜帶一碳單位，參與嘌呤、胸苷酸等核苷酸的合成。

題目指出細菌需要由培養基取得 PABA，表示它對外源 PABA 有依賴；PABA 不只是一般營養物質，也是其葉酸生合成路徑中的底物。

核心觀念

本題考查尿素循環與檸檬酸循環如何透過代謝中間物交換、胺基酸轉胺作用及粒線體區室分工彼此連結。尿素循環將含氮廢物轉成尿素；檸檬酸循環則氧化碳骨架並提供代謝中間物。兩者的主要連結稱為天冬胺酸－精胺酸代琥珀酸支路（aspartate–argininosuccinate shunt），常簡稱天冬胺酸－精胺酸代琥珀酸支路。

尿素的兩個氮原子分別來自游離氨與天冬胺酸；尿素的碳原子來自碳酸氫根。尿素循環消耗 ATP，檸檬酸循環則可透過產生 NADH 等還原力，支援細胞能量代謝。

解題方法：先按區室排列尿素循環

尿素循環的五個反應分布在粒線體基質與細胞質中。回答時先交代酵素所在位置，再說明循環中間物如何連到檸檬酸循環。

粒線體基質中的前兩步

1. 氨甲醯磷酸合成酶 I（CPS I）將氨與碳酸氫根結合，消耗兩分子 ATP，生成氨甲醯磷酸。CPS I 位於粒線體基質，並受 N-乙醯麩胺酸（N-acetylglutamate, NAG）活化。

2. 鳥胺酸轉氨甲醯酶（OTC）將氨甲醯基轉給鳥胺酸，生成瓜胺酸。瓜胺酸接著由粒線體輸送到細胞質。

細胞質中的後三步

3. 精胺酸代琥珀酸合成酶（argininosuccinate synthetase）使瓜胺酸與天冬胺酸結合，消耗 ATP，生成精胺酸代琥珀酸。

4. 精胺酸代琥珀酸裂解酶（argininosuccinate lyase）將其裂解為精胺酸與延胡索酸。

5. 精胺酸酶（arginase）將精胺酸水解成尿素與鳥胺酸。鳥胺酸再輸回粒線體基質，供下一輪循環使用。

因此，循環的區室配置可整理為：

粒線體內膜上的鳥胺酸／瓜胺酸交換運輸系統，使鳥胺酸進入基質、瓜胺酸移出基質，連接兩個區室。

尿素循環如何連到檸檬酸循環

兩個循環的關鍵橋接物是延胡索酸、蘋果酸、草醯乙酸與天冬胺酸：

1. 尿素循環的精胺酸代琥珀酸裂解反應產生延胡索酸。
2. 延胡索酸可經延胡索酸酶轉成蘋果酸；蘋果酸再經蘋果酸去氫酶轉成草醯乙酸。這些反應與檸檬酸循環中的中間物互通。
3. 草醯乙酸經天冬胺酸轉胺酶接受麩胺酸的胺基，形成天冬胺酸與 α-酮戊二酸。

核心觀念

本題考查細胞呼吸如何將葡萄糖中的化學自由能，逐步轉換並保存為可供細胞利用的能量形式。依熱力學第一定律，能量不會憑空產生或消失，只會轉換形式；因此，葡萄糖分解時釋出的能量，會分配到還原型輔酶、ATP、質子電化學梯度及熱等形式。

ATP 是細胞常用的能量載體，不是能量的來源。葡萄糖氧化釋出的自由能先由代謝反應轉移到其他形式，細胞再藉由 ATP 水解與合成等反應耦聯來使用它。第一定律說明能量守恆；能量轉換中有部分能量散逸為熱，則涉及熱力學第二定律。

解題方法

依題目指定的三個階段，追蹤每一階段的碳流向、氧化還原反應，以及能量保存的形式：

第一階段：乙醯輔酶 A 生成

葡萄糖先經糖解作用轉成兩分子丙酮酸。每分子葡萄糖的淨產物為：

糖解作用中，部分葡萄糖的化學能透過受質層級磷酸化直接保存為 ATP；另一部分則以高能電子的形式轉移給 NAD⁺，形成 NADH。這表示能量已從葡萄糖轉存在 ATP 與還原型輔酶中。

接著，兩分子丙酮酸各自氧化並脫羧，生成乙醯輔酶 A。每分子葡萄糖的丙酮酸氧化反應總計產生兩分子 NADH、兩分子 CO₂ 與兩分子乙醯輔酶 A。乙醯輔酶 A 的乙醯基透過高能硫酯鍵連接至輔酶 A，保留後續代謝可利用的化學能。

第二階段：乙醯輔酶 A 氧化

每分子乙醯輔酶 A 進入一次檸檬酸循環，乙醯基中的碳最終氧化成 CO₂。以每分子葡萄糖計，循環運轉兩次，產生：

核心觀念

「無效循環」（futile cycle）是指兩條方向相反的代謝途徑同時運作，使代謝物反覆轉換後回到原狀，沒有淨產物生成，卻消耗能量。這種循環常由一條耗能的合成反應與一條水解反應組成，淨結果是消耗 ATP，並以熱的形式散失能量。

本題重點是辨認兩個方向相反、能互相抵銷的反應，接著相加消去共同的中間代謝物，找出循環的淨反應與能量代價。

解題方法：糖解作用與糖質新生的例子

糖解作用中的磷酸果糖激酶 1（PFK-1）催化：

糖質新生中的果糖-1,6-二磷酸酶（FBPase-1）催化反方向的水解：

將兩式相加，果糖-6-磷酸與果糖-1,6-二磷酸互相消去，得到淨反應：

因此，若 PFK-1 與 FBPase-1 同時高度活化，碳骨架只是在兩種果糖磷酸間循環，沒有淨生成或消耗，卻持續消耗 ATP；這就是醣類代謝中的無效循環。

核心觀念

檸檬酸循環（citric acid cycle，又稱三羧酸循環）是細胞代謝的核心樞紐，具有分解代謝與合成代謝兼具的兩重角色：

• **分解代謝：**氧化乙醯輔酶 A，產生二氧化碳，並將能量轉存為 NADH、FADH₂，供電子傳遞鏈進行氧化磷酸化、合成 ATP。
• **合成代謝：**提供多種生合成前驅物，例如檸檬酸可供脂肪酸與膽固醇合成；α-酮戊二酸可轉為麩胺酸及其他胺基酸；琥珀醯輔酶 A 可用於血基質合成；草醯乙酸可供天門冬胺酸及糖質新生使用。

因此，循環中間物一旦被取用於生合成，就必須透過補充反應（anaplerotic reactions）補回，才能維持循環運作。

解題方法

題目要從檸檬酸循環的生理角色，推論其酵素缺陷為何罕見。切入點是判斷：循環受阻會同時影響哪些重要功能。

核心觀念

粒線體基質中的乙醯輔酶 A（acetyl-CoA）無法直接穿越粒線體內膜，因此細胞以檸檬酸穿梭將乙醯基運送至細胞質。這條路徑同時連結粒線體代謝與細胞質脂肪酸合成。

解題方法

1. 在粒線體基質形成檸檬酸
   乙醯輔酶 A 與草醯乙酸（oxaloacetate, OAA）經檸檬酸合成酶催化，形成檸檬酸：

   $\text{acetyl-CoA}+\text{OAA}+\text{H}_2\text{O}\rightarrow\text{citrate}+\text{CoA-SH}$

2. 檸檬酸移至細胞質
   檸檬酸透過粒線體內膜上的三羧酸轉運蛋白輸出至細胞質，常與蘋果酸反向交換。被運送的是檸檬酸，乙醯輔酶 A 本身不穿越內膜。

3. 在細胞質再生乙醯輔酶 A
   細胞質中的 ATP-檸檬酸裂解酶（ATP-citrate lyase）利用 ATP 與 CoA-SH，將檸檬酸裂解為乙醯輔酶 A 和草醯乙酸：

核心觀念

本題考查瘦素受體如何把細胞外的瘦素訊號轉成細胞內訊號，重點是 JAK2–STAT3 訊息傳遞路徑。瘦素受體長型（LEPRb，也稱 Ob-Rb）屬於第一型細胞激素受體，本身沒有內在酪胺酸激酶活性；它必須依靠與受體內側結合的 JAK2 啟動訊號。瘦素訊號傳遞綜述

解題方法

依序交代「配體結合 → 激酶活化 → 受體磷酸化 → 訊號蛋白活化 → 細胞反應 → 負回饋」，即可完整描述級聯反應：

1. 瘦素結合受體：瘦素與細胞膜上的 LEPRb 胞外區結合，使受體構形改變，活化與受體內側相連的 JAK2。
2. JAK2 活化並磷酸化受體：JAK2 相互磷酸化而活化，接著磷酸化受體胞內區的酪胺酸殘基，包括 Tyr985、Tyr1077 與 Tyr1138。
3. 活化 STAT3：磷酸化的 Tyr1138 招募 STAT3；JAK2 再磷酸化 STAT3。磷酸化 STAT3 形成二聚體，移入細胞核並調節目標基因轉錄。
4. 產生生理效應：在下視丘，STAT3 訊號促進抑制食慾的 POMC 表現，並抑制促進食慾的神經肽表現，降低食慾、協助調節能量平衡。
5. 負回饋抑制：STAT3 也促進 SOCS3 表現。SOCS3 回頭抑制受體相關的 JAK2 訊號，使瘦素反應受到調節，避免訊號持續過強。

可用下列流程記憶：