109 年 國立成功大學生物化學暨分子生物學研究所《生物化學》

這題考的是生物大分子的定義。生物大分子（macromolecule）通常是指由許多單體（monomer）聚合而成的巨大分子，具有維持生命活動所需的功能。

(A) 胺基酸（Amino acid）是蛋白質的單體，本身不是大分子。
(B) 脂肪酸（Fatty acid）是脂質的組成成分，雖然可以聚合形成三酸甘油酯或磷脂質，但脂肪酸本身通常不被視為大分子。

這題考的是代謝途徑的能量學分類。題目詢問的是「需要能量」且「從簡單前驅物合成複雜分子」的代謝途徑。

(A) Amphibolic pathway（兩性代謝途徑）是指同時參與代謝分解和合成的途徑，例如檸檬酸循環。
(B) Endergonic pathway（耗能代謝途徑）是指需要吸收能量才能進行的反應或途徑。合成複雜分子通常需要能量。
(C) Autotrophic（自營性）是指生物能自行合成所需有機物的能力，與代謝途徑的能量學分類無關。

這題考的是協同作用（cooperativity）的特性，特別是關於配體（ligand）與蛋白質結合的現象。協同作用是指一個配體的結合會影響到蛋白質上其他結合點對配體親和力的改變。

(A) 協同作用通常是一種變構調節（allosteric interaction）的形式，因為配體結合在一個位點會影響其他位點的結合能力。這是正確的。
(B) 協同作用最常發生在具有多個次單元（multiple subunits）的蛋白質中，例如血紅素蛋白（hemoglobin），因為次單元之間的相互作用可以傳遞結合訊息。這是正確的。

這題考的是 2,3-二磷酸甘油酸（2,3-bisphosphoglycerate, BPG）在血紅素中的作用。BPG 是一種重要的變構調節物（allosteric modulator）。

(A) BPG 結合在血紅素的 β 次單元之間的中央腔隙（central cavity），距離血紅素的血基質（heme group）有相當的距離。這是正確的。
(B) BPG 對胎兒血紅素（fetal hemoglobin, HbF）的親和力比對成人血紅素（adult hemoglobin, HbA）低。因為胎兒血紅素的結合口袋對 BPG 的正電性殘基較少，所以 BPG 結合較弱，這使得 HbF 對氧氣的親和力較高，有利於從母體獲取氧氣。

核心觀念

本題考查肌紅蛋白（myoglobin, Mb）與血紅蛋白（hemoglobin, Hb）各亞基在「結構層次」及「氧結合協同性」上的關係。

1. 結構關係

   Mb 與 Hb 的各亞基皆屬於 globin 蛋白，具有高度相似的三級結構：主要由 α-螺旋組成，並形成包覆血基質（heme）的疏水性口袋。兩者也具有演化上的同源關係，但胺基酸序列並非完全相同，因此不能說具有非常相似的初級結構。

2. Hill coefficient（希爾係數）

   Hill 係數 $n_H$ 用來描述配體結合的協同性：

   • $n_H=1$：無協同性。
   • $n_H>1$：正協同性。
   • $n_H<1$：負協同性。

   Mb 是單體，只能結合一個氧分子，氧結合不具協同性，因此 $n_H \approx 1$。

   Hb 是四聚體，具有四個氧結合位點。某一亞基結合氧後，會促使其他亞基由 T state 轉為較高親和力的 R state，因此具有正協同性，$n_H>1$，實際值約為 $2.8$，而非 $1$。

解題方法

先分別判斷兩個關鍵性質：

• 結構：Mb 與 Hb 亞基具有相似的三級結構，但初級結構不同。
• 氧結合：Mb 無協同性；Hb 因四聚體結構產生正協同性，所以兩者的 Hill coefficient 不同。

因此正確描述應為：

具有非常相似的三級結構，但初級結構不同，且氧結合時的 Hill coefficient 不同。

這正是選項 (E) 的內容。

選項分析

(A) no obvious structural relationship but very similar Hill coefficient upon oxygen binding.

錯誤。

Mb 與 Hb 亞基具有明顯的結構同源性，皆具有相似的 globin fold，因此不是「沒有明顯結構關係」。此外，Mb 的 $n_H \approx 1$，Hb 的 $n_H \approx 2.8$，兩者也不相似。

這題考驗對肌紅蛋白（Mb）和血紅素（Hb）的理解，需要判斷五個敘述的正確性。

1. 「Both tetrameric Hb and monomeric Mb bind O2, but only Hb releases O2」。Mb 結合氧氣後主要是在肌肉細胞內儲存，釋放氧氣的比例相對較低。Hb 結合氧氣後在肺部，釋放氧氣在組織。說「only Hb releases O2」是不準確的，Mb 在氧氣分壓低時也會釋放氧氣，只是其主要功能是儲存。因此，這個敘述是錯誤的。
2. 「Hb and Mb are built on a common protein folding motif」。Mb 和 Hb 的次單元都屬於 globin fold，這是一種常見的蛋白質摺疊模式，由多個 α 螺旋組成。這是正確的。
3. 「Mb, about 2 mg/kg of human muscle tissue, for efficient delivery of O2 to mitochondria」。

核心觀念

本題考查 myoglobin（Mb）與 hemoglobin（Hb）中 heme 的結構、鐵離子的氧化態、配位關係，以及氧氣結合後的光譜與顏色變化。

血紅素 heme 的基本組成為：

$$\text{Heme}=\text{Protoporphyrin IX}+\mathrm{Fe^{2+}}$$

其中：

• protoporphyrin IX 是共軛的四吡咯環系統。
• $\mathrm{Fe^{2+}}$ 位於卟啉環中央。
• 鐵離子與四個吡咯環上的氮配位。
• 第五個配位位置與 globin 的 proximal histidine 配位。
• 第六個配位位置可與 $\mathrm{O_2}$ 結合。

氧氣結合時，鐵仍是亞鐵 $\mathrm{Fe^{2+}}$；若被氧化為高鐵 $\mathrm{Fe^{3+}}$，形成 metmyoglobin 或 methemoglobin，便無法正常可逆地結合氧氣。

解題方法

逐一判斷敘述是否符合 heme 的結構與配位化學：

1. 先確認 heme 中鐵的氧化態。
2. 再確認鐵的六個配位位置。
3. 判斷 porphyrin 的結構定義。
4. 判斷 heme 在 Mb、Hb 中的角色。
5. 最後檢查氧氣結合與可見光光譜的敘述是否正確。

正確敘述的組合即為答案。

選項分析

敘述 1

In heme, ferric is bound to protoporphyrin IX

錯誤。

正常具有攜氧功能的 heme 是由 protoporphyrin IX 與亞鐵 $\mathrm{Fe^{2+}}$ 組成，而不是高鐵 $\mathrm{Fe^{3+}}$。

因此應為：

$$\text{Protoporphyrin IX}+\mathrm{Fe^{2+}}$$

高鐵 $\mathrm{Fe^{3+}}$ 形成 methemoglobin，不能正常結合氧氣。

敘述 2

Ferric has six coordinating positions, four of these are N's of heme, one is O2, and the sixth is the proximal histidine residue of the globin protein

錯誤。

此敘述有兩個問題：

第一，正常結合氧氣的鐵是 $\mathrm{Fe^{2+}}$，不是 $\mathrm{Fe^{3+}}$。

第二，配位位置的順序應為：

• 四個配位位置：heme 卟啉環的四個氮。
• 第五個配位位置：globin 的 proximal histidine。
• 第六個配位位置：$\mathrm{O_2}$。

可表示為：

$$4\mathrm{N}_{\text{heme}}+1\mathrm{N}_{\text{proximal His}}+1\mathrm{O_2}$$

這題考驗對肌紅蛋白（Mb）和血紅素（Hb）氧氣親和力及結合曲線的理解。題目要求選出「不正確」的敘述。

1. 「At P02 of 30 mm Hg, both Mb and Hb would be >90% saturated with O2」。Mb 的氧氣結合曲線是雙曲線，在 P50（50%飽和的壓力）約為 1-2 mmHg，所以在 30 mmHg 時，Mb 的飽和度會非常接近 100%。Hb 的 P50 約為 26 mmHg（在生理條件下，考慮 BPG 等），所以在 30 mmHg 時，Hb 的飽和度也已經很高，但可能略低於 90%，接近 75-80% 左右（取決於 BPG 濃度）。因此，說「both Mb and Hb would be >90% saturated」是「不正確」的，因為 Hb 在 30 mmHg 可能未達 90%。
2. 「[Mb][O2]/[MbO2] equals to P02 at half saturation」。這個式子實際上是 MbO$_2$ 的解離常數 ($K_d$) 的定義（如果寫成 [Mb][O$_2$]/[MbO$_2$] = $K_d$）。 Mb 的氧氣結合是單一結合事件。親和力可以用 $K_d$ 或 $K_{assoc}$ 表示。在半飽和點，[MbO$_2$] = [Mb]，所以 [Mb][O$_2$]/[MbO$_2$] = [Mb][O$_2$]/[Mb] = [O$_2$] = P$_{O_2}$。在半飽和點，P$_{O_2}$ 就是 P$_{50}$。所以這個敘述是正確的。
3. 「[Hb]/[Hb]+ [HbO2] of Hb with a low O2 affinity at the same [O2] is higher than that with a high O2 affinity」。[Hb]/([Hb]+[HbO2]) 表示未結合氧氣的血紅素比例。如果 Hb 的 O$_2$ 親和力低，則在相同的 O$_2$ 分壓下，結合的 HbO$_2$ 會比較少，未結合的 Hb 會比較多，所以 [Hb]/([Hb]+[HbO2]) 的比例會比較高。

核心觀念

本題考查血紅蛋白（hemoglobin, Hb）的變構效應，重點包括：

1. Hb 的四級結構與 T、R 兩種構形。
2. Bohr effect（波耳效應）與 $\mathrm{H^+}$、$\mathrm{CO_2}$ 的調控。
3. 2,3-BPG 對 Hb 氧親和力的影響。
4. 血基質（heme）中的 $\mathrm{Fe^{2+}}$、近端組胺酸 His F8，以及氧合時的構形變化。
5. 胎兒血紅蛋白 HbF 與成人血紅蛋白 HbA 的差異。

判斷本題的策略是逐項核對敘述，再找出所有「不正確」的敘述。

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解題方法

Hb 可視為由兩個 $\alpha\beta$ 二聚體組成：

$$(\alpha_1\beta_1)(\alpha_2\beta_2)$$

去氧合時主要為 T state，對 $\mathrm{O_2}$ 的親和力較低；氧合後轉為 R state，對 $\mathrm{O_2}$ 的親和力提高。

凡是涉及下列關係的敘述，都可依此判斷：

• T $\rightarrow$ R：四級結構重新排列，$\alpha\beta$ 二聚體間產生相對旋轉。
• 低 pH：$\mathrm{H^+}$ 增加，促進 T state，降低氧親和力。
• 2,3-BPG：結合去氧 Hb 的中央空腔，穩定 T state，降低氧親和力。
• HbF：因 $\gamma$ 鏈的 143 位為 Ser，而非成人 HbA $\beta$ 鏈的 His，對 2,3-BPG 的結合較弱，因此氧親和力較高。

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選項分析

敘述 1

Hb behaves like a dimer of $\alpha\beta$ dimers. There is a $15^\circ$ rotation of $\alpha_1\beta_1$ with respect to $\alpha_2\beta_2$ upon switching from the T to R state.

此敘述正確。

Hb 的四級結構可視為兩個 $\alpha\beta$ 二聚體。由 T state 轉為 R state 時，兩個二聚體彼此發生相對位移與旋轉，經典結構模型中約為 $15^\circ$ 的旋轉。因此敘述 1 不是錯誤敘述。

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敘述 2

A new intersubunit $\beta_2$ H146-mediated charge-charge interaction formed under lower pH leads to more noncovalent intrasubunit interactions that stabilize T state of Hb.

此敘述錯誤。

低 pH 時，$\beta$ 鏈 C 端的 His146 被質子化，形成有利於 T state 的鹽橋。經典例子是：

$$\beta_2\mathrm{His146H^+} \longleftrightarrow \beta_2\mathrm{Asp94^-}$$

這個電荷交互作用主要是同一條 $\beta_2$ 鏈內的作用，屬於 intrasubunit interaction，而非題目所說的 intersubunit interaction。

其結果是穩定 T state，使 Hb 對氧的親和力下降，構成 Bohr effect 的分子基礎之一。因此，敘述中的作用位置錯誤，敘述 2 不正確。

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敘述 3

When $\mathrm{O_2}$ binds, it pulls the $\mathrm{Fe^{2+}}$ ion into the plane of the heme, causing steric strain between the flattened heme and the proximal His (F8) and Val FG5. Val FG5 is at the corner between F and G helices. This strain is relieved by a

核心觀念

本題考查抗體的三項基本性質：

1. **抗體—藥物複合體（antibody-drug conjugate, ADC）**的作用原理。
2. IgM 與 IgA 的聚合型態及 J chain 的功能。
3. 抗原結合部位的結構與抗體—抗原作用力。

判斷此類題目的關鍵，是掌握各免疫球蛋白的典型結構，並辨認敘述中是否混淆「抗體的專一性」、「聚合形式」與「抗原結合部位」。

解題方法

逐項判斷敘述是否符合抗體的結構與功能，再對照選項中的組合。

敘述 1：正確

抗體具有高度的抗原結合專一性，因此可以將藥物選擇性運送至表現特定抗原的癌細胞，這是 抗體—藥物複合體（ADC） 的基本原理。

ADC 通常由三部分組成：

• 抗體：辨認腫瘤細胞表面抗原。
• linker：連接抗體與藥物。
• cytotoxic drug：進入細胞後發揮毒殺作用。

理想的 linker 必須在血液循環中保持穩定，避免藥物過早釋放；當 ADC 被腫瘤細胞以受體媒介的胞吞作用攝入後，進入酸性的 endosome 或 lysosome，linker 再因酸性環境或溶酶體酵素作用而裂解，釋放藥物。

因此，敘述 1 所描述的靶向運送與胞內釋放機制正確。

敘述 2：錯誤

IgM 與 IgA 並不是都具有單體、二聚體、三聚體、四聚體及五聚體等所有型態。

典型結構如下：

• IgM：主要以五聚體存在，由五個 Y 形單體組成，通常含有一條 J chain。
• IgA：血清中主要為單體；分泌型 IgA 常為二聚體，由 J chain 連接，並額外具有 secretory component。
• IgA 並非典型地同時形成三聚體、四聚體及五聚體。
• J chain 的功能是協助 IgM 五聚體及分泌型 IgA 二聚體的組裝與運輸。

因此，敘述 2 將 IgM 與 IgA 的聚合型態過度擴大，錯誤。

敘述 3：正確

抗體與抗原之間的結合，主要依靠非共價作用力，包括：

• 形狀互補（shape complementarity）
• 電荷互補（charge complementarity）
• 氫鍵
• 靜電作用
• 疏水作用

核心觀念：骨骼肌的階層結構

骨骼肌由大至小的基本排列為：

$$\text{整條肌肉} \rightarrow \text{肌束（fascicle）} \rightarrow \text{肌纖維（muscle fiber）} \rightarrow \text{肌原纖維（myofibril）} \rightarrow \text{肌節（sarcomere）} \rightarrow \text{粗肌絲與細肌絲}$$

• 肌束：由許多肌纖維集合而成。
• 肌纖維：即骨骼肌細胞，內含大量肌原纖維。
• 肌原纖維：由許多肌節首尾相連組成。
• 肌節：是肌肉收縮的基本單位，範圍為兩個相鄰的 Z disk 之間。
• 粗肌絲：主要由 myosin 組成。
• 細肌絲：主要由 actin、tropomyosin 與 troponin 組成。
• 肌漿網（sarcoplasmic reticulum）：包圍肌原纖維，負責儲存與釋放 $Ca^{2+}$，並非肌絲本身的組成層級。

解題方法

逐項按照「結構由大至小」的正確關係判斷：

1. 肌原纖維是否由肌節組成？
2. 肌束是否由肌纖維組成？
3. 肌纖維內的肌絲是否直接與肌漿網組成同一束？
4. 肌原纖維與肌節的上下位階是否顛倒？
5. 肌肉細胞是否需要血管供應氧氣與養分？

選項分析

敘述 1

One myofibril contains many M disk-connected sarcomeres.

肌原纖維確實含有許多肌節，但肌節是以 Z disk 為邊界，並且沿著肌原纖維首尾相連。M line 位於肌節中央，主要固定粗肌絲，並不是連接相鄰肌節的結構。

因此此敘述錯誤。

敘述 2

A fascicle is a bundle of many myofibers that contain many myofibrils.

這題考驗對肌小節（sarcomere）結構和功能的理解，並結合圖片標示進行判斷。
圖片中的標示：

• f: Z disk (或 Z line)
• g: M line (或 M disk)
• a: H zone (H band)
• e: A band
• b: I band
• c: Sarcomere (從一個 Z disk 到下一個 Z disk)
• d: Sarcomere (從一個 Z disk 到下一個 Z disk)

1. 「a: H zone, containing only thick filaments; e: A band, equals to the length of one thick filament.」

   • H 區（H zone）是 A 帶的中央區域，在沒有肌動蛋白絲參與的區域，只包含粗肌絲（thick filaments）。所以「containing only thick filaments」是正確的。
   • A 帶（A band）的長度等於一條粗肌絲的長度。這是正確的。
     所以，這句話是正確的。

2. 「d: a sarcomere unit responsible for muscle contraction.」

   • d 標示的是一個肌小節（sarcomere），肌小節是肌肉收縮的基本單位。這是正確的。

核心觀念

本題考查肌凝蛋白（myosin II）的分子結構、蛋白酶切割片段，以及肌節（sarcomere）中粗肌絲的排列。

肌凝蛋白由兩條重鏈與四條輕鏈組成：

• 兩條重鏈的 N 端形成兩個球狀頭部。
• 每一個頭部各結合一條 essential light chain（ELC）與一條 regulatory light chain（RLC）。
• 重鏈的 C 端形成長桿狀尾部，由 α-螺旋構成 coiled-coil 結構。
• 粗肌絲中央為無肌凝蛋白頭部的 bare zone，中央結構稱為 M line，而非 M disk。

蛋白酶切割方面：

• Trypsin 或 chymotrypsin 可將肌凝蛋白切成 heavy meromyosin（HMM）與 light meromyosin（LMM）。
• Papain 可將完整肌凝蛋白的頭部與尾部切開，產生兩個 S1 片段及桿狀片段。

解題方法

逐項檢查敘述是否符合肌凝蛋白的標準結構與切割方式，找出兩個錯誤敘述，再對照選項組合。

選項分析

1. 正確

肌凝蛋白由兩條重鏈組成。兩條重鏈的 C 端形成 coiled-coil 尾部，N 端形成兩個球狀頭部；每個頭部各結合兩條輕鏈。因此整個肌凝蛋白具有兩條重鏈與四條輕鏈。

2. 正確

每個肌凝蛋白頭部結合兩類輕鏈：

• essential light chain，ELC
• regulatory light chain，RLC

因此「兩種輕鏈稱為 essential 與 regulatory light chains」的敘述正確。

3. 錯誤

核心觀念

本題考查骨骼肌收縮時，鈣離子調控與肌動蛋白—肌凝蛋白橫橋循環的先後順序。判斷時要分清楚：

• 鈣離子的作用位置：$Ca^{2+}$ 與細肌絲上的肌鈣蛋白結合，使原肌凝蛋白移位，露出肌動蛋白的肌凝蛋白結合位點。
• ATP 的作用：ATP 結合肌凝蛋白頭會使它從肌動蛋白解離；ATP 水解則提供能量，使肌凝蛋白頭進入蓄能的「上弦」狀態。
• 動力衝程的觸發：肌凝蛋白頭上的 $P_i$ 釋出，促使肌凝蛋白與肌動蛋白形成強結合並發生構形轉變；ADP 隨後釋出。

解題方法

依照橫橋循環的順序核對各敘述：

$$\text{ATP 結合，肌凝蛋白解離} \rightarrow \text{ATP 水解，肌凝蛋白頭上弦} \rightarrow \text{肌凝蛋白頭與肌動蛋白結合} \rightarrow P_i\text{ 釋出，產生動力衝程} \rightarrow \text{ADP 釋出}$$

再檢查鈣離子是否被放在正確的結合位置，以及動力衝程拉動細肌絲的方向。

選項分析

1. 錯誤。 $Ca^{2+}$ 不會結合肌凝蛋白頭，而是結合細肌絲上的肌鈣蛋白 C。這會使原肌凝蛋白移位，露出肌動蛋白上的結合位點，讓肌凝蛋白頭得以結合。

2. 錯誤。 ATP 與肌凝蛋白頭結合時，就會促使肌凝蛋白從肌動蛋白解離；ATP 水解的主要作用是讓肌凝蛋白頭上弦。敘述把解離放在 ATP 水解之後，順序不正確。

核心觀念

本題考查肌肉細肌絲的組成與收縮調控。細肌絲主要由肌動蛋白（actin）、原肌球蛋白（tropomyosin, Tm）及肌鈣蛋白（troponin, Tn）構成。肌鈣蛋白包含三個亞基：TnC 負責結合 $Ca^{2+}$、TnI 具有抑制作用、TnT 與原肌球蛋白結合。肌鈣蛋白與細肌絲的組成

每個原肌球蛋白分子沿著肌動蛋白絲覆蓋約七個肌動蛋白亞基，並與相鄰的原肌球蛋白分子以頭尾相接的方式連續排列。原肌球蛋白本身由兩條 $\alpha$ 螺旋形成 coiled-coil 結構。原肌球蛋白的排列與結構

在低 $Ca^{2+}$ 濃度下，TnI 的抑制作用使原肌球蛋白停留在阻擋肌球蛋白結合位點的位置；$Ca^{2+}$ 與 TnC 結合後，肌鈣蛋白構形改變，帶動原肌球蛋白移位，讓肌球蛋白能與肌動蛋白作用。

解題方法

逐句核對四個關鍵機制即可：

1. 原肌球蛋白沿肌動蛋白絲的排列方式與每個分子覆蓋的亞基數。
2. 原肌球蛋白的 coiled-coil 螺旋方向。
3. 低鈣時究竟由哪種蛋白遮蔽肌球蛋白結合位點。
4. 死後僵直與鈣離子、ATP 缺乏及肌動蛋白—肌球蛋白交互作用的關係。

選項分析

敘述 1：正確。
肌動蛋白絲上有兩條沿著肌動蛋白長螺旋方向排列的原肌球蛋白鏈；每個原肌球蛋白分子覆蓋七個連續的肌動蛋白亞基，並與相鄰分子頭尾相接，形成沿細肌絲延伸的連續排列。原肌球蛋白與肌動蛋白的排列

敘述 2：錯誤。
原肌球蛋白確實由兩條 $\alpha$ 螺旋形成 coiled-coil，但兩條螺旋所組成的 coiled-coil 為左手性，不是右手性。

核心觀念

**Pasteur effect（巴斯德效應）**是指：氧氣存在時，細胞的糖解作用與發酵速率下降；缺氧時，糖解作用與乳酸或乙醇等發酵產物的生成增加。

這反映細胞會依照氧氣供應調整能量代謝：

• 有氧時：丙酮酸進入粒線體，經三羧酸循環與氧化磷酸化產生大量 ATP。
• 缺氧時：氧化磷酸化受限，細胞主要仰賴糖解作用產生 ATP，並以發酵反應再生 NAD⁺，維持糖解作用持續進行。

解題方法

作答時，先指出氧氣對糖解作用的影響方向，再說明其代謝原因與調控節點。

在有氧條件下，氧化磷酸化使 ATP 增加、AMP 與 ADP 減少。糖解作用的限速酵素磷酸果糖激酶-1（PFK-1）受高 ATP 抑制；三羧酸循環中間物檸檬酸也可抑制 PFK-1。糖解作用因此減慢，葡萄糖消耗與乳酸生成通常下降。

核心觀念

糖解作用的承諾步驟與主要控制點由磷酸果糖激酶-1（phosphofructokinase-1，PFK-1）催化。PFK-1 將果糖-6-磷酸（F6P）磷酸化為果糖-1,6-二磷酸（F1,6BP），並消耗 ATP：

$$\mathrm{F6P + ATP \longrightarrow F1,6BP + ADP}$$

此步驟是糖解作用的承諾步驟，因為產物 F1,6BP 會沿糖解作用的下游路徑代謝。它也是主要控制點，因為反應不可逆，且 PFK-1 的活性受到細胞能量狀態與代謝物的調節。相較之下，己糖激酶產生的葡萄糖-6-磷酸仍可進入其他代謝途徑，尚未專一投入糖解作用。

解題方法

先辨認題目中的「committed enzyme」與「major control point」是在問糖解作用中使碳流正式投入糖解途徑的關鍵酵素，再確認其催化反應。這個酵素是 PFK-1，反應方向為 F6P 生成 F1,6BP。

核心觀念

磷酸戊糖途徑（pentose phosphate pathway, PPP）是在細胞質中進行的葡萄糖代謝旁路，主要功能不是直接產生 ATP，而是提供：

1. NADPH：供還原性生合成及抗氧化反應使用。
2. 核糖-5-磷酸（ribose-5-phosphate）：作為核苷酸與核酸合成的原料。
3. 可回到糖解作用的中間產物：將不同碳數的糖相互轉換，連結 PPP 與糖解作用。

解題方法

依 PPP 的兩個階段判斷其功能：

• 氧化階段：葡萄糖-6-磷酸氧化並脫羧，產生 NADPH，並形成核酮糖-5-磷酸。反應中也會釋出二氧化碳。
• 非氧化階段：將五碳糖重新排列，形成核糖-5-磷酸，或轉換為果糖-6-磷酸與甘油醛-3-磷酸，接回糖解作用。

由此可知，PPP 能依細胞需求提供還原力、核糖，並調整糖代謝中間物的去向。

主要生物功能

一、提供 NADPH，支持還原性生合成

NADPH 提供還原力，參與脂肪酸、膽固醇及類固醇等分子的合成，也可供其他還原反應使用。

二、維持抗氧化能力

核心觀念

丙酮酸去氫酶複合體（pyruvate dehydrogenase complex, PDH）將丙酮酸氧化脫羧，生成乙醯輔酶 A，並把電子交給 NAD⁺：

$$\text{丙酮酸}+\text{CoA}+\text{NAD}^+ \rightarrow \text{乙醯輔酶 A}+\text{CO}_2+\text{NADH}+\text{H}^+$$

此複合體由三種酵素協同作用，完成脫羧、乙醯基轉移與電子傳遞；五種輔因子在這些步驟間接力。

解題方法

依三個酵素成分整理輔因子：

• E1，丙酮酸去氫酶：使用硫胺素焦磷酸（TPP），協助丙酮酸脫羧。
• E2，二氫硫辛醯轉乙醯酶：使用硫辛醯胺（lipoamide）攜帶乙醯基，並使用輔酶 A（CoA）接收乙醯基，形成乙醯輔酶 A。

核心觀念

檸檬酸循環中的中間產物可作為胺基酸的碳骨架。這題考的是兩種將循環中間產物轉成胺基酸的合成反應：還原胺化與轉胺作用。

解題方法與反應

先找出檸檬酸循環中可提供碳骨架的兩個中間產物：α-酮戊二酸與草醯乙酸，再判斷它們如何取得胺基。

1. α-酮戊二酸經還原胺化生成麩胺酸

   麩胺酸去氫酶將游離銨離子直接併入 α-酮戊二酸，並以 NADH 或 NADPH 提供還原力，生成麩胺酸。

$$\alpha\text{-酮戊二酸}+\mathrm{NH_4^+}+\mathrm{NAD(P)H}+\mathrm{H^+} \rightleftharpoons \mathrm{麩胺酸}+\mathrm{NAD(P)^+}+\mathrm{H_2O}$$

這是直接固定無機氮、形成胺基酸的反應。

核心觀念

檸檬酸循環的通量主要受循環中幾個不可逆、自由能下降幅度大的反應調控。判斷主要控制點時，先找出這類反應，再看能量狀態、反應物供應及產物累積如何影響其酵素活性。

主要控制酵素有三個：

1. 檸檬酸合成酶：乙醯輔酶 A 與草醯乙酸生成檸檬酸。
2. 異檸檬酸去氫酶：異檸檬酸氧化脫羧生成 α-酮戊二酸，並產生 NADH 與 CO₂。
3. α-酮戊二酸去氫酶複合體：α-酮戊二酸氧化脫羧生成琥珀醯輔酶 A，並產生 NADH 與 CO₂。

解題方法

題目詢問循環的主要控制點／酵素，因此依序找出循環中主要不可逆的反應，再整理各反應受到的調控訊號：

控制酵素	活化訊號	抑制訊號
檸檬酸合成酶	乙醯輔酶 A、草醯乙酸供應充足	ATP、NADH、琥珀醯輔酶 A、檸檬酸
異檸檬酸去氫酶	ADP、Ca²⁺	ATP、NADH

核心觀念

本題考查粒線體的氧化磷酸化偶聯作用。電子傳遞鏈將電子由 NADH、FADH₂ 傳至氧，並利用釋出的能量把 $H^+$ 自基質泵至膜間腔，建立跨內膜的質子動力勢。質子動力勢包含膜電位與質子濃度差，是 ATP 合成酶製造 ATP 的直接能量來源。

DNP（2,4-二硝基苯酚）是質子載體型解偶聯劑：它使內膜對質子變得可通透，讓電子傳遞鏈建立的質子梯度消散，因而切斷電子傳遞與 ATP 合成之間的耦聯。

解題方法

依序追蹤 DNP 對「質子梯度、電子傳遞、耗氧、ATP 合成、能量去向」的影響：

1. 消散質子梯度：DNP 可攜帶質子穿越粒線體內膜，使 $H^+$ 回到基質，繞過 ATP 合成酶。質子動力勢與膜電位因此下降。
2. 電子傳遞持續且通常加快：質子梯度不再有效累積，對電子傳遞鏈的阻力降低；電子傳遞及 NADH 氧化通常加快。

核心觀念

P/O ratio（磷酸／氧比）是氧化磷酸化的效率指標，表示電子傳遞鏈每還原一個氧原子時，所合成的 ATP 數目。此處的一個氧原子相當於 $\frac{1}{2}O_2$；兩個電子可將 $\frac{1}{2}O_2$ 還原成水，因此常把 P/O ratio 表示為每傳遞一對電子所合成的 ATP 數。

現代常用的粒線體 P/O ratio 為：

• NADH：約 $2.5$ ATP
• FADH₂：約 $1.5$ ATP

解題方法

比較 NADH 與 FADH₂ 的電子進入電子傳遞鏈的位置，再計算質子泵送量，便能說明兩者 P/O ratio 的差異。

NADH 的 P/O ratio

NADH 的電子由複合體 I 進入電子傳遞鏈，依序經過複合體 I、III、IV 傳遞至氧。每對電子約泵送：

$$4+4+2=10\ \mathrm{H^+}$$

以每合成並輸出一個 ATP 約需 $4\ \mathrm{H^+}$ 計算，P/O ratio 為：

$$\frac{10\ \mathrm{H^+}}{4\ \mathrm{H^+}/\mathrm{ATP}}=2.5\ \mathrm{ATP}$$

FADH₂ 的 P/O ratio

FADH₂ 的電子經複合體 II 進入電子傳遞鏈，再傳給輔酶 Q；它不經複合體 I，因此少了複合體 I 的質子泵送。每對電子約泵送：

核心觀念

本題考查皮膚如何把膽固醇生合成途徑中的前驅物轉成維生素 D₃。關鍵要分清兩步：紫外線先引發光化學反應，生成前維生素 D₃；接著由體溫促進熱異構化，形成維生素 D₃。皮膚生成的是維生素 D₃，尚未成為具有完整荷爾蒙活性的骨化三醇。

解題方法

依反應的先後順序，從皮膚中的起始物一路追蹤產物：

1. 起始物：7-去氫膽固醇
   表皮細胞含有 7-去氫膽固醇（7-dehydrocholesterol，7-DHC），它是維生素 D₃ 的前驅物。

2. 紫外線引發光化學反應
   日光中的 UVB（約 $290$–$315\ \mathrm{nm}$）被 7-DHC 吸收，使其甾環的 B 環開環，生成前維生素 D₃（previtamin D₃）。這是光化學的開環反應。

3. 體溫促進熱異構化
   前維生素 D₃ 在體溫下經熱異構化，轉變為維生素 D₃（cholecalciferol）。此步驟會隨時間進行，並非 UVB 直接一步生成維生素 D₃。皮膚中 7-DHC 經紫外線轉成前維生素 D₃、再轉成維生素 D₃，已由人體皮膚研究描述。

核心觀念

脂肪酸合成的承諾步驟是將乙醯輔酶 A（acetyl-CoA）羧化成丙二醯輔酶 A（malonyl-CoA）。催化此反應的乙醯輔酶 A 羧化酶（acetyl-CoA carboxylase, ACC）是脂肪酸合成的承諾酵素，也是主要調控點。

$$\text{Acetyl-CoA}+\mathrm{HCO_3^-}+\mathrm{ATP} \longrightarrow \text{Malonyl-CoA}+\mathrm{ADP}+\mathrm{P_i}$$

解題方法

核心觀念

本題考辨認嘧啶類含氮鹼基、核苷的命名，以及 DNA 鹼基互補配對的氫鍵位置。核鹼基與糖形成核苷；胞嘧啶連接核糖後稱為胞苷。

解題方法

圖中是六員嘧啶環：環上有兩個氮，C2 帶羰基，C4 帶胺基；圖示下方的 N1 帶有氫。辨認取代基後，可判定該鹼基為胞嘧啶；連接核糖或去氧核糖的原子是 N1，與互補鹼基配對的部位則是 N4 胺基、N3 環氮及 O2 羰基氧。

各小題作答

**(a) 鹼基名稱：**胞嘧啶（cytosine，C）。

**(b) DNA 中的互補鹼基：**鳥嘌呤，單字母縮寫為 G。胞嘧啶與鳥嘌呤形成三個氫鍵。

**(c) 與糖連接的原子：**圈出胞嘧啶環上的 N1，也就是圖中帶氫的環氮。形成核苷時，N1 與核糖或去氧核糖形成糖苷鍵。

核心觀念

本題考查嘌呤核苷酸的補救合成途徑、從頭合成途徑的回饋調控，以及嘌呤分解產物尿酸的來源。

Lesch–Nyhan 症候群主要由次黃嘌呤－鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶（HGPRT，又稱 HPRT）缺乏所致。HGPRT 正常時會利用磷酸核糖焦磷酸（PRPP），將游離嘌呤鹼基回收成核苷酸：

$$\text{次黃嘌呤}+\text{PRPP} \xrightarrow{\text{HGPRT}} \text{IMP}+\text{PP}_{i}$$ $$\text{鳥嘌呤}+\text{PRPP} \xrightarrow{\text{HGPRT}} \text{GMP}+\text{PP}_{i}$$

其中 IMP 是嘌呤核苷酸合成的重要中間物，GMP 則是嘌呤核苷酸之一。

解題方法

從「補救途徑失效」往下追蹤代謝後果：

1. HGPRT 缺乏，使補救合成減少。
   次黃嘌呤與鳥嘌呤無法有效回收成 IMP、GMP，因而減少嘌呤核苷酸的再利用。

2. PRPP 增加，IMP 與 GMP 減少。
   HGPRT 反應消耗 PRPP；酵素缺乏時，PRPP 較容易累積。同時，IMP、GMP 的生成量下降，對嘌呤從頭合成途徑的回饋抑制也減弱。

3. 嘌呤從頭合成增加。
   PRPP 是嘌呤從頭合成的起始原料之一；

核心觀念

尿素循環將有毒的氨氮轉換成尿素，供肝臟排出。循環的兩個氮原子分別來自游離氨與天門冬胺酸；尿素的碳原子來自碳酸氫根。反應分布在粒線體基質與細胞質：前兩步在粒線體基質進行，後三步在細胞質進行。

解題方法：依反應順序標示位置

步驟	反應與酵素	位置
1	游離氨與碳酸氫根消耗 2 個 ATP，生成氨甲醯磷酸；酵素為氨甲醯磷酸合成酶 I（CPS I）。此酵素需要 N-乙醯麩胺酸作為變構活化劑。	粒線體基質
2	氨甲醯磷酸將氨甲醯基轉移給鳥胺酸，生成瓜胺酸並釋出磷酸；酵素為鳥胺酸氨甲醯轉移酶（OTC）。瓜胺酸接著由粒線體輸送至細胞質。	粒線體基質
3	瓜胺酸與天門冬胺酸結合，消耗 1 個 ATP，生成精胺基琥珀酸；ATP 在此步驟轉成 AMP 與焦磷酸。酵素為精胺基琥珀酸合成酶。	細胞質

核心觀念

四氫葉酸（THF）是活化一碳單位的載體。一碳單位可結合在 THF 的 N⁵、N¹⁰，或同時結合於兩者，形成不同氧化態的葉酸輔酶，例如 5,10-亞甲基-THF、5,10-次甲基-THF 與 10-甲醯基-THF。

解題方法

從「哪些胺基酸能把一碳單位交給 THF」以及「哪種 tRNA 使用 THF 提供的甲醯基」兩個方向整理：

• 絲胺酸（serine）：絲胺酸羥甲基轉移酶將其一碳單位轉移給 THF，生成 5,10-亞甲基-THF，並使絲胺酸轉成甘胺酸。
• 甘胺酸（glycine）：甘胺酸裂解系統分解甘胺酸，將其一碳單位轉移給 THF，生成 5,10-亞甲基-THF。
• 組胺酸（histidine）：組胺酸分解產生 FIGLU；FIGLU 的甲醯亞胺基可轉移給 THF，進入葉酸一碳代謝。