111 年 國立成功大學細胞生物與解剖研究所《生物化學》

此題考驗對氫鍵形成條件的理解。氫鍵是分子間或分子內一種較弱的靜電吸引力，發生在一個具有部分正電的氫原子（通常是與高電負度原子如氧、氮、氟結合）與另一個具有部分負電且帶有孤對電子的原子（通常也是氧、氮、氟）之間。

題目中提到氫鍵形成需要「含有孤對電子的原子（如氧或氮）」，以及「與該原子鍵結的氫原子」。這說明了氫鍵的兩個重要組成部分：氫鍵 the donor (H atom) 和 the acceptor (lone pair on electronegative atom)。

選項分析：
(A) 硫 (sulfur)：硫也是電負度較高的原子，可以與氫形成鍵結，並且硫原子本身也可能有孤對電子，因此可以參與氫鍵，但題目問的是「氫原子鍵結到...」。
(B) 碳 (carbon)：碳的電負度相對較低，與氫形成的 C-H 鍵極性很弱，氫原子帶的部分正電不足以形成強氫鍵。雖然碳原子上可能有孤對電子（例如在某些有機反應中間體中），但一般情況下，碳不是典型的氫鍵受體。
(C) 一個電負度高的原子 (an electronegative atom)：這是氫鍵形成中「受體」的關鍵特徵。當氫原子（帶部分正電）與一個電負度高的原子（如 O, N, F）鍵結時，這個氫原子就帶有足夠的正電性，能夠吸引另一個帶有孤對電子的電負度高的原子。

核心觀念

本題考查弱酸的酸鹼平衡與 Henderson–Hasselbalch 方程式。

弱酸解離如下：

$$\mathrm{HA \rightleftharpoons H^+ + A^-}$$

其中：

• $\mathrm{HA}$：未解離的弱酸
• $\mathrm{A^-}$：已解離、帶負電的共軛鹼
• 「電離率」即 $\mathrm{A^-}$ 佔總酸量的比例

Henderson–Hasselbalch 方程式為：

$$\mathrm{pH=p}K_a+\log\frac{[\mathrm{A^-}]}{[\mathrm{HA}]}$$

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解題方法

題目指出弱酸有 $91\%$ 電離，因此：

$$\frac{[\mathrm{A^-}]}{[\mathrm{HA}]+[\mathrm{A^-}]}=0.91$$

未電離比例為：

$$1-0.91=0.09$$

因此解離態與未解離態的比例為：

$$\frac{[\mathrm{A^-}]}{[\mathrm{HA}]}=\frac{0.91}{0.09} =\frac{91}{9}\approx 10.11$$

代入 Henderson–Hasselbalch 方程式：

$$4.86=\mathrm{p}K_a+\log(10.11)$$

由於：

$$\log(10.11)\approx 1.005$$

所以：

$$\mathrm{p}K_a\approx 4.86-1.005=3.855\approx 3.86$$

因此符合條件的是 pKa = 3.86 的 acetic acid。

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選項分析

(A) pyruvic acid，pKa = 2.50

$$\mathrm{pH-p}K_a=4.86-2.50=2.36$$

其解離態與未解離態比例約為：

$$\frac{[\mathrm{A^-}]}{[\mathrm{HA}]}=10^{2.36}\approx229$$

電離率約為：

此題考驗對「相似相溶」(like dissolves like) 原則的理解，以及化合物極性與水溶性的關係。水是一種極性溶劑，它能夠溶解極性化合物和離子化合物。

(A) 弱極性化合物 (weakly polar compound)：由於水是極性溶劑，弱極性化合物與水之間存在一定的吸引力（偶極-偶極作用），因此具有一定的水溶性。

核心觀念

本題考查細胞膜上的 Na⁺/K⁺-ATPase（鈉鉀幫浦）。它是維持細胞膜兩側 Na⁺、K⁺濃度梯度的重要主動運輸蛋白。

每水解 1 個 ATP，Na⁺/K⁺-ATPase 通常會：

• 將 3 個 Na⁺由細胞內運出細胞外
• 將 2 個 K⁺由細胞外運入細胞內

其運輸方向違反離子濃度梯度，因此必須消耗 ATP，屬於初級主動運輸。

核心反應可表示為：

$$\mathrm{ATP + 3Na^+_{in} + 2K^+_{out} \rightarrow ADP + P_i + 3Na^+_{out} + 2K^+_{in}}$$

其中 ATP 水解與 Na⁺、K⁺的運輸彼此耦聯，並且會造成每一循環淨移出 1 個正電荷，有助於維持膜電位。

解題方法

判斷這類題目可依序檢查三件事：

1. 此運輸是否需要能量？
2. ATP 水解是否與離子移動耦聯？
3. 運輸蛋白是否由多個蛋白質次單元組成？

Na⁺與 K⁺皆需逆濃度梯度運輸，因此不能依靠單純擴散，必須由可水解 ATP 的膜蛋白提供能量。Na⁺/K⁺-ATPase 本身透過磷酸化與去磷酸化改變構形，完成離子交換，故正確敘述是它涉及 ATPase。

選項分析

(A) involves an enzyme that is an ATPase

正確。Na⁺/K⁺-ATPase 是一種膜結合型 ATPase，屬於 P 型 ATPase。它利用 ATP 水解產生的能量，使自身形成磷酸化中間體並改變構形，推動 Na⁺與 K⁺跨膜運輸。

此題考驗對蛋白質結構層次（一級、二級、三級、四級結構）和蛋白質摺疊的理解。

蛋白質的結構可以分為四個層次：
一級結構 (Primary structure)：胺基酸序列。
二級結構 (Secondary structure)：局部摺疊，如 α-螺旋和 β-摺疊，由氫鍵維持。
三級結構 (Tertiary structure)：整個多肽鏈的三維空間結構，由各種非共價鍵（氫鍵、離子鍵、疏水相互作用、范德華力）和二硫鍵維持。
四級結構 (Quaternary structure)：由多個多肽鏈（亞基）組成的蛋白質複合物的結構。

選項分析：
(A) 從蛋白質的完整一級結構，現在可以計算其三維構象：這是錯誤的。雖然一級結構決定了蛋白質的最終摺疊方式，但預測三維結構（尤其是複雜蛋白質）從一級序列出發是一個非常困難的問題，目前仍是生物資訊學和計算生物學的研究熱點。

核心觀念

這題考的是蛋白質主鏈（peptide backbone）的原子排列，以及胜肽鍵的結構。

每個胺基酸殘基在主鏈上的基本排列為：

$$\mathrm{N-C_{\alpha}-C'(=O)}$$

其中：

• $\mathrm{N}$：胺基氮
• $\mathrm{C_{\alpha}}$：與胺基、羧基及側鏈相連的 $\alpha$-碳
• $\mathrm{C'}$：羰基碳

兩個胺基酸形成胜肽鍵時，前一個胺基酸的羰基碳與後一個胺基酸的胺基氮形成鍵結，因此胜肽鍵附近的主鏈排列為：

$$\mathrm{C_{\alpha}-C'(=O)-N-C_{\alpha}}$$

若只看元素種類，就是：

$$\mathrm{C-C-N-C}$$

因此正確答案為（A）。

解題方法

判斷胜肽鍵附近的主鏈，可由胜肽鍵的定義切入：

1. 胜肽鍵是羰基碳 $\mathrm{C'}$ 與胺基氮 $\mathrm{N}$ 之間的醯胺鍵。
2. 羰基碳的前方連接前一個胺基酸的 $\alpha$-碳 $\mathrm{C_{\alpha}}$。
3. 胺基氮的後方連接下一個胺基酸的 $\alpha$-碳 $\mathrm{C_{\alpha}}$。

所以結構可表示為：

$$\mathrm{C_{\alpha}-C'(=O)-N-C_{\alpha}}$$

此題考驗對蛋白質結構層次的理解，特別是哪些蛋白質具有四級結構。四級結構是指由兩個或多個多肽鏈（亞基）組成的蛋白質複合物的結構。

(A) 血紅蛋白 (hemoglobin)：血紅蛋白是紅血球中的蛋白質，負責攜帶氧氣。它由四個亞基組成：兩個 α-珠蛋白鏈和兩個 β-珠蛋白鏈。因此，血紅蛋白具有四級結構。
(B) 核糖核酸酶 (ribonuclease)：核糖核酸酶是一種酶，催化 RNA 的水解。

此題考驗對肽鍵結構及其平面性的原因的理解。肽鍵（-CO-NH-）具有部分雙鍵性質，這是由於氮原子上的孤對電子與羰基碳之間的 π 電子發生共振離域。

這種共振現象導致 C-N 鍵具有部分雙鍵特徵，鍵長介於單鍵和雙鍵之間。部分雙鍵性質使得 C-N 鍵的旋轉能壘 (rotational barrier) 顯著升高，遠大於單鍵的旋轉能壘，但又低於雙鍵的剛性。因此，肽鍵周圍的原子（C, O, N, H）處於同一平面上，即肽鍵是平面的。

選項分析：
(A) C-N 鍵的部分雙鍵性質阻止了其自由旋轉：這是正確的解釋。部分雙鍵性質（共振）增加了 C-N 鍵的剛性，使其難以自由旋轉，從而導致鍵周圍的原子處於同一平面。

核心觀念

SDS-PAGE 利用聚丙烯醯胺凝膠的「分子篩」效果，依蛋白質分子量大小分離蛋白質。

樣品加入 SDS 後：

1. SDS 破壞蛋白質原有的非共價作用力，使蛋白質大致伸展成線性構形。
2. SDS 以近似固定比例包覆蛋白質，使不同蛋白質具有相近的負電荷／質量比。
3. 在電場中，蛋白質往正極移動，並穿過聚丙烯醯胺凝膠的網狀結構。
4. 分子量較小者較容易穿過凝膠孔洞，受到的阻力較小，因此移動較快、距離較遠；分子量較大者受到較大的阻力，移動較慢。

因此，SDS-PAGE 中蛋白質的分離主要取決於蛋白質通過凝膠基質時所受到的摩擦阻力，該阻力與分子大小有關。

在適當條件下，蛋白質的遷移距離與分子量的對數大致呈反比關係：

$$\text{migration distance} \propto -\log(\text{molecular weight})$$

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解題方法

判斷本題的關鍵，是確認 SDS 是否消除了蛋白質原本的電荷與形狀差異。

SDS 使蛋白質具有近似一致的負電荷／質量比，也使蛋白質大致伸展。因此，蛋白質在凝膠中的移動差異，主要不再來自原本的電荷或形狀，而是來自分子大小造成的凝膠阻力差異。

所以正確選項為凝膠基質與蛋白質之間的摩擦阻力，即 (D)。

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選項分析

(A) the charge-to-mass ratio of protein

錯誤。

在原生 PAGE 中，蛋白質的遷移確實會受到電荷／質量比影響；但在 SDS-PAGE 中，SDS 會以近似固定比例賦予蛋白質負電荷，使不同蛋白質的電荷／質量比大致相同。

因此，電荷／質量比不是 SDS-PAGE 依分子量分離蛋白質的主要依據。

此題考驗對鐮刀型貧血症 (sickle-cell anemia) 的分子機制，特別是血紅蛋白 S 變性原因的理解。鐮刀型貧血症是由於基因突變導致血紅蛋白結構改變，進而影響紅血球的形狀和功能。

在血紅蛋白 S 中，β 鏈的第 6 位胺基酸由帶負電的穀氨酸 (Glutamic acid, Glu) 變成了疏水的纈氨酸 (Valine, Val)。當血紅蛋白 S 脫氧時，這種胺基酸的改變會導致變性。

關鍵在於：

1. 穀氨酸 (Glu) 是帶負電的極性胺基酸。
2. 纈氨酸 (Val) 是疏水性非極性胺基酸。

當血紅蛋白 S 脫氧時，暴露出的疏水性纈氨酸殘基會與其他脫氧血紅蛋白 S 分子上的相應區域發生相互作用，導致血紅蛋白分子聚集形成纖維狀聚合物。這種聚集使得紅血球變形，呈現鐮刀狀，容易阻塞血管，引起貧血症狀。

這種聚集的基礎是疏水性殘基之間的相互作用。在水溶液中，疏水性分子或基團傾向於聚集在一起，以最小化與水的接觸面積，從而降低系統的自由能。這種現象稱為疏水相互作用 (hydrophobic interaction)。

此題考驗對胺基酸在酶催化中作用的理解，特別是哪些胺基酸的側鏈可以參與一般酸鹼催化。一般酸鹼催化是指酶的活性位點中的胺基酸側鏈作為質子供體（酸）或質子受體（鹼）來促進反應。

具有可離子化側鏈的胺基酸才能參與一般酸鹼催化。這些胺基酸包括：

• 帶有羧基的酸性胺基酸：天冬氨酸 (Aspartic acid, Asp) 和 穀氨酸 (Glutamic acid, Glu)。它們在生理 pH 下帶負電，可以作為質子供體（弱酸）。
• 帶有胺基的鹼性胺基酸：賴氨酸 (Lysine, Lys)、精氨酸 (Arginine, Arg) 和組氨酸 (Histidine, His)。
  • Lys 和 Arg 的側鏈胺基在生理 pH 下通常質子化，帶正電，可以作為質子供體（酸）。
  • His 的咪唑環的 pKa 約為 6.0，在生理 pH 下可以部分質子化，既可以作為質子供體，也可以作為質子受體，是極為重要的催化殘基。
• 酪氨酸 (Tyrosine, Tyr) 的酚羥基 pKa 約為 10.0，在生理 pH 下可以部分去質子化，作為質子供體（弱酸）。
• 半胱氨酸 (Cysteine, Cys) 的硫醇基 pKa 約為 8.0-8.5，在生理 pH 下可以部分去質子化，作為質子供體（弱酸）。

此題考驗對競爭性抑制劑 (competitive inhibitor) 對酶動力學參數 Km 和 Vmax 影響的理解。

競爭性抑制劑是結構上與底物相似的分子，它們與酶的活性位點競爭結合。

1. Km (Michaelis constant)：Km 是底物濃度達到 Vmax/2 時的底物濃度。它反映了酶對底物的親和力。
   • 在競爭性抑制劑存在時，抑制劑會與酶結合，阻止底物結合。為了達到原來的 Vmax/2，需要更高的底物濃度來競爭掉抑制劑，從而使底物達到 Vmax/2 所需的濃度增加。因此，Km 增加。

此題考驗對胺基酸的等電點 (isoelectric point, pI) 計算的理解，以及如何從滴定曲線中讀取相關 pKa 值。

胺基酸在不同 pH 下帶有不同的淨電荷。等電點 (pI) 是指該胺基酸淨電荷為零時的 pH 值。
對於具有一個羧基 (pKa1) 和一個胺基 (pKa2) 的簡單胺基酸，其 pI 計算公式為：
pI = (pKa1 + pKa2) / 2

然而，谷氨酸 (glutamate) 是一個酸性胺基酸，它除了羧基和胺基外，還有一個側鏈羧基。因此，它有三個可離子化的質子，對應三個 pKa 值。
從圖中可以看到，谷氨酸的滴定曲線顯示了三個 pKa 值：

• pK1 ≈ 2.19 (對應 α-羧基的去質子化)
• pKR ≈ 4.25 (對應側鏈羧基的去質子化)
• pK2 ≈ 9.67 (對應 α-胺基的去質子化)

在滴定過程中，胺基酸的淨電荷變化如下：

• 在非常低的 pH 下，胺基酸是質子化的，帶正電荷（如：⁺H₃N-CH(R)-COOH₂⁺）。
• 隨著 pH 升高，第一個質子（來自 α-羧基）被去除，淨電荷降低（如：⁺H₃N-CH(R)-COOH）。此時 pH = pK1。
• 繼續升高 pH，側鏈羧基的質子被去除，淨電荷再次降低（如：⁺H₃N-CH(R)-COO⁻，其中側鏈 COOH 變為 COO⁻）。此時 pH = pKR。
• 最後，當 pH 升高到 α-胺基的 pKa 時，胺基的質子被去除，淨電荷變為零（如：H₂N-CH(R)-COO⁻）。此時 pH = pK2。

等電點 (pI) 是指淨電荷為零的 pH 值。對於谷氨酸，淨電荷為零的狀態是 H₂N-CH(R)-COO⁻，其中 R 是 -CH₂-CH₂-COOH。
這裡的淨電荷為零，是因為 α-胺基帶正電 (+1)，α-羧基帶負電 (-1)，側鏈羧基帶負電 (-1)。
等電點 pI 是兩個最接近且淨電荷為零的狀態之間的 pH 值。

在 pH = pKR 時，胺基酸的狀態是 ⁺H₃N-CH(R)-COO⁻ (α-羧基去質子化，側鏈 COOH 仍質子化，淨電荷為 +1)。

核心觀念

本題考查由蛋白質的胺基酸殘基數估算其分子量。

蛋白質中每個胺基酸殘基的平均分子量約為 $110\ \text{Da}$，因此蛋白質分子量可用下式快速估算：

$$\text{蛋白質分子量} \approx \text{胺基酸殘基數} \times 110\ \text{Da}$$

其中 $1\ \text{Da}$ 約等於 $1\ \text{g/mol}$，所以計算出的數值也可視為約略的分子量（$\text{g/mol}$）。

解題方法

人類 titin 含有 $26,926$ 個胺基酸殘基：

$$26,926 \times 110$$

先計算：

$$26,926 \times 100 = 2,692,600$$ $$26,926 \times 10 = 269,260$$

相加得：

$$2,692,600+269,260=2,961,860\ \text{Da}$$

因此：

$$\text{Titin 分子量} \approx 2.96\times 10^6\ \text{Da}$$

也就是約 $2,962\ \text{kDa}$，落在 $2,800,000$ 至 $3,200,000$ 的範圍內。

補充而言，胺基酸縮合形成胜肽鍵時會脫去水分子，因此精確分子量需逐一考慮各胺基酸組成與脫水數量；但題目只提供殘基總數，考試估算即採每個胺基酸平均約 $110\ \text{Da}$。

選項分析

此題考驗對凝集素 (lectin) 定義的理解。

凝集素是一類廣泛存在於生物體內的蛋白質，它們能夠特異性地識別和結合碳水化合物（糖類）。這種結合通常是非共價的。

選項分析：
(A) 結合核酸的脂質 (Nucleic acids binding lipids)：這是錯誤的。凝集素與碳水化合物結合，而不是核酸或脂質。
(B) 結合脂質的蛋白質或醣蛋白 (Lipid binding proteins or glycoproteins)：這是錯誤的。凝集素結合的是糖類。

核心觀念

本題考查 ABO 血型抗原的醣鏈結構，尤其是 A 型血型決定基（A blood group determinant）的末端單醣與鍵結方式。

ABO 血型抗原都建立在共同的 H antigen 基礎上：

• H 抗原：末端為 $\mathrm{Fuc}\alpha1\to2\mathrm{Gal}$
• A 抗原：在 H 抗原的末端 Gal 上，再接一個 $\mathrm{GalNAc}\alpha1\to3$
• B 抗原：在 H 抗原的末端 Gal 上，再接一個 $\mathrm{Gal}\alpha1\to3$

因此，A 型血型決定基的核心結構為：

$$\mathrm{GalNAc}\alpha1\to3 \left( \mathrm{Fuc}\alpha1\to2 \right) \mathrm{Gal}\beta1\to R$$

其中 $R$ 代表後續的醣鏈或其他結構。

解題方法

判斷血型抗原時，先辨認共同的 H 抗原結構：

$$\mathrm{Fuc}\alpha1\to2\mathrm{Gal}$$

接著觀察接在 Gal 的 $\alpha1\to3$ 位置上的末端單醣：

• 接 $\mathrm{GalNAc}$：A 型抗原
• 接 $\mathrm{Gal}$：B 型抗原
• 沒有額外接上末端單醣：H 抗原

本題要求的是 A 型血型決定基，所以必須找到：

$$\mathrm{GalNAc}\alpha1\to3 \left( \mathrm{Fuc}\alpha1\to2 \right)\mathrm{Gal}$$

符合此結構的是選項（D）。

選項分析

（A）$\mathrm{Fuc}\alpha1\to2\mathrm{Gal}\beta1\to3/4\mathrm{GlcNAc}$

此結構具有：

$$\mathrm{Fuc}\alpha1\to2\mathrm{Gal}$$

這是 H antigen 的基本結構，而不是完整的 A 型抗原。

A 型抗原還必須在 Gal 上接有：

$$\mathrm{GalNAc}\alpha1\to3$$

選項（A）缺少 $\mathrm{GalNAc}$，因此錯誤。

（B）$\mathrm{Gal}\alpha1\to3\mathrm{Gal}$，並具有 $\mathrm{Fuc}\alpha1\to2$

此結構可表示為：

$$\mathrm{Gal}\alpha1\to3 \left( \mathrm{Fuc}\alpha1\to2 \right)\mathrm{Gal}$$

末端接上的單醣是 $\mathrm{Gal}$，這是 B 型血型決定基的特徵：

此題考驗對不同營養分子（葡萄糖、丙氨酸、棕櫚酸）在有氧呼吸中能量產生的相對量的理解。能量產量主要取決於分子中可被氧化以產生 ATP 的碳原子數量以及其氧化程度。

一般而言，能量產生的順序是：脂肪酸 > 碳水化合物 ≈ 蛋白質。

1. 葡萄糖 (glucose)：C₆H₁₂O₆。是一種碳水化合物，經過糖酵解、丙酮酸氧化、檸檬酸循環和氧化磷酸化，每摩爾葡萄糖約產生 30-32 個 ATP 分子。
2. 丙氨酸 (alanine)：是一種胺基酸，化學式為 C₃H₇NO₂。它作為能量來源時，會先經過脫氨基作用，然後進入檸檬酸循環或糖酵解途徑。其能量產量低於葡萄糖。每摩爾丙氨酸經過完全氧化，大約能產生 15-17 個 ATP。

此題考驗對丙酮酸羧化酶 (pyruvate carboxylase) 的細胞定位的理解。丙酮酸羧化酶是糖質新生 (gluconeogenesis) 和脂肪酸合成途徑中的一個關鍵酶。

丙酮酸羧化酶催化丙酮酸 (pyruvate) 在 ATP 和碳酸氫根離子 (HCO₃⁻) 的作用下，轉化為草醯乙酸 (oxaloacetate)。這個反應是糖質新生中將丙酮酸轉化為磷酸烯醇丙酮酸 (PEP) 的第一步（經過丙酮酸羧化酶和 PEP 羧化激酶）。

這個反應發生在線粒體基質 (mitochondrial matrix)。線粒體基質是進行檸檬酸循環 (citric acid cycle) 的場所，而草醯乙酸是檸檬酸循環的中間產物。

核心觀念

本題考查一分子 fructose-1,6-bisphosphate（果糖-1,6-二磷酸）完全氧化時，經過：

1. 糖解作用（glycolysis）
2. 丙酮酸氧化成 acetyl-CoA
3. 檸檬酸循環（citric acid cycle）
4. 氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）

所產生的 ATP 總量。

現代生化學採用的換算值為：

• $1$ NADH $\rightarrow 2.5$ ATP
• $1$ FADH$_2$ $\rightarrow 1.5$ ATP
• $1$ GTP $\equiv 1$ ATP

解題方法

一分子 fructose-1,6-bisphosphate 會在 aldolase 作用下裂解成兩分子三碳糖，因此後續糖解反應相當於進行兩次。

1. 糖解作用

由兩分子 glyceraldehyde-3-phosphate 進入後半段糖解作用：

• 產生 $4$ ATP
• 產生 $2$ NADH

因此：

$$4+2(2.5)=9\text{ ATP}$$

2. 丙酮酸氧化

兩分子 pyruvate 各自轉變為 acetyl-CoA：

• 每個 pyruvate 產生 $1$ NADH
• 共產生 $2$ NADH

因此：

$$2(2.5)=5\text{ ATP}$$

3. 檸檬酸循環

兩分子 acetyl-CoA 各進行一次檸檬酸循環。每個 acetyl-CoA 產生：

• $3$ NADH
• $1$ FADH$_2$
• $1$ GTP

兩個 acetyl-CoA 共產生：

• $6$ NADH：$6\times2.5=15$ ATP
• $2$ FADH$_2$：$2\times1.5=3$ ATP
• $2$ GTP：$2$ ATP

合計：

$$15+3+2=20\text{ ATP}$$

此題考驗對糖原 (glycogen)、澱粉 (starch) 和蔗糖 (sucrose) 合成途徑的比較理解。

(A) 僅使用葡萄糖 1-磷酸作為唯一基質：這是錯誤的。雖然葡萄糖 1-磷酸是糖原和澱粉合成的重要中間體，但它本身不是直接的基質，而是要轉化為糖核苷酸。蔗糖的合成也涉及不同的途徑。
(B) 使用糖核苷酸作為基質：這是正確的。
- 糖原合成：葡萄糖 1-磷酸被活化為 UDP-葡萄糖 (UDP-glucose)。UDP-葡萄糖是糖原合成的直接葡萄糖供體。
- 澱粉合成：類似於糖原合成，使用 ADP-葡萄糖 (ADP-glucose) 作為直接葡萄糖供體。
- 蔗糖合成：在植物中，葡萄糖 1-磷酸與 UDP-葡萄糖 (UDP-glucose) 和 UDP-葡萄糖 (UDP-glucose) 結合，然後通過一系列反應合成蔗糖。

此題考驗對細胞壁成分的理解，特別是哪些成分僅存在於原核生物（細菌）的細胞壁中。

(A) 透明質酸 (Hyaluronic Acid)：這是一種由重複的二糖單元（D-葡萄糖醛酸和 N-乙醯葡糖胺）組成的線性多醣，主要存在於結締組織、皮膚和關節液中，也存在於某些細菌的莢膜中，但它不是細菌細胞壁的典型成分，也不是僅限於原核生物。
(B) 肝素 (Heparin)：這是一種複雜的、高度磺化的糖胺聚醣，存在於哺乳動物的細胞外基質和細胞質中，是抗凝血劑。它不是細菌細胞壁的成分。

此題考驗對丙酮酸氧化脫羧反應（丙酮酸脫氫酶複合物 Pyruvate Dehydrogenase Complex, PDC）的理解。這個反應是將丙酮酸轉化為乙醯輔酶 A 的關鍵步驟，連接了糖酵解和檸檬酸循環。

反應發生在動物細胞的線粒體基質 (mitochondrial matrix) 中。

PDC 是一個大型的多酶複合物，包含三個主要的酶：E1 (丙酮酸脫氫酶)、E2 (二氫硫辛醯胺轉乙醯基酶) 和 E3 (二氫硫辛醯胺脫氫酶)。它還需要五種輔酶：硫胺素焦磷酸 (TPP)、硫辛酸 (lipoic acid)、輔酶 A (CoA)、FAD 和 NAD⁺。

選項分析：
(A) 甲基 (CH₃) 基團被消除為 CO₂：丙酮酸 (CH₃COCOOH) 在反應中失去一個羧基 (-COOH) 作為 CO₂ 被釋放，而不是甲基。甲基 (-CH₃) 最終成為乙醯輔酶 A 的一部分。

此題考驗對乙醛酸循環 (glyoxylate pathway) 在植物種子萌發中的作用的理解。乙醛酸循環是檸檬酸循環的一個變體，存在於植物、細菌和酵母中，但不存在於動物體內。

乙醛酸循環的關鍵特徵是它能夠繞過檸檬酸循環中釋放 CO₂ 的兩個步驟（異檸檬酸脫氫酶和 α-酮戊二酸脫氫酶），並包含兩個乙醛酸循環特有的酶：異檸檬酸裂解酶 (isocitrate lyase) 和蘋果酸合酶 (malate synthase)。

在種子萌發過程中，植物種子儲存了大量的脂質。乙醛酸循環能夠將脂質分解產生的乙醯輔酶 A (acetyl-CoA) 轉化為草醯乙酸 (oxaloacetate)，然後草醯乙酸可以通過糖質新生 (gluconeogenesis) 途徑合成糖類（如葡萄糖）。這是因為種子在萌發初期，光合作用尚未啟動，需要利用儲存的能量物質來提供能量和碳骨架。

此題考驗對乙醯輔酶 A (acetyl-CoA) 的來源的理解，以及哪些途徑不能直接產生乙醯輔酶 A。

乙醯輔酶 A 是檸檬酸循環的直接底物，它可以在細胞內通過多種途徑產生：

(A) 丙酮酸脫氫酶複合物 (The pyruvate dehydrogenase complex)：丙酮酸 (pyruvate) 是糖酵解的終產物。丙酮酸脫氫酶複合物將丙酮酸氧化脫羧，生成乙醯輔酶 A。這是從碳水化合物代謝產生乙醯輔酶 A 的主要途徑。
(B) 脂肪酸的氧化 (oxidation of fatty acids)：脂肪酸通過 β-氧化途徑，將長鏈脂肪酸逐步分解成 2 個碳單位的乙醯輔酶 A。這是從脂肪產生乙醯輔酶 A 的主要途徑。

此題考驗對細胞膜運輸方式的理解，特別是能夠逆濃度梯度運輸的機制。

細胞膜運輸可以分為兩大類：被動運輸 (passive transport) 和主動運輸 (active transport)。

(A) 被動運輸 (passive transport)：被動運輸是指物質通過細胞膜的運輸，不需要細胞消耗能量，而是順著濃度梯度（從高濃度區域到低濃度區域）進行。它包括單純擴散和協助擴散。

核心觀念

RNA 與 DNA 都屬於核酸，基本組成單位皆為核苷酸。每個核苷酸由下列三部分構成：

$$\text{核苷酸}=\text{磷酸}+\text{五碳糖}+\text{含氮鹼基}$$

兩者的主要差異在於五碳糖：

• DNA 含有去氧核糖（deoxyribose），第 2' 碳缺少羥基，為 $2'$-H。
• RNA 含有核糖（ribose），第 2' 碳具有羥基，為 $2'$-OH。

因此，判斷 RNA 與 DNA 的相似處時，應比較兩者共同具有的結構與功能。

解題方法

逐一檢查各選項是否為 RNA 與 DNA 都普遍具備的特徵：

1. 是否都具有雙股螺旋？
2. 是否都具有修復遺傳密碼錯誤的系統？
3. 是否都由磷酸、糖與含氮鹼基組成？
4. 是否都在糖的第 3' 碳具有羥基？

其中第 3' 碳的羥基是核酸鏈延伸所需的重要官能基。新核苷酸的 5' 磷酸會與既有核苷酸的 3'-OH 形成磷酸二酯鍵，因此 RNA 與 DNA 的糖都必須具有 3'-OH。

選項分析

(A) the presence of a double-stranded helix

錯誤。DNA 通常以雙股螺旋形式存在，但 RNA 多數為單股分子。RNA 雖可因鹼基互補配對形成局部雙股莖部或髮夾結構，也有少數雙股 RNA，但「雙股螺旋」不是 RNA 與 DNA 共同的普遍特徵。

(B) repair systems that correct genetic code errors

錯誤。DNA 具有完整的複製校對與 DNA 修復系統，用以維持遺傳資訊穩定。RNA 通常是基因表現的中間產物，壽命較短，並沒有與 DNA 等同的普遍性遺傳密碼錯誤修復系統。因此此項不能作為兩者的共同特徵。

核心觀念

蛋白質由胺基酸組成，而 DNA 以三個核苷酸為一組的「密碼子」指定一個胺基酸：

$$1\text{ 個胺基酸}=1\text{ 個密碼子}=3\text{ 個核苷酸}$$

題目問的是「編碼這 300 個胺基酸的 DNA」所需的核苷酸數。外顯子中的蛋白質編碼區，每個胺基酸固定由 3 個核苷酸決定，因此不受遺傳密碼簡併性的影響。

解題方法

蛋白質長度為 300 個胺基酸：

$$300\text{ 個胺基酸}\times 3\text{ 個核苷酸/胺基酸} =900\text{ 個核苷酸}$$

因此，編碼這段蛋白質胺基酸序列的 DNA 至少需要 900 個核苷酸。題目選項中符合者為 900。

註：若將終止密碼子也算入完整的開放閱讀框，還需額外增加 3 個核苷酸；但終止密碼子不編碼任何胺基酸，題目問的是「codes for the amino acids」，所以計算 300 個胺基酸本身所需的 900 個核苷酸。

選項分析

• (A) 100：錯誤。100 個核苷酸最多形成

此題考驗對遺傳密碼通用性的理解，以及由此可以推斷出的結論。遺傳密碼具有高度的通用性，這意味著大多數生物的遺傳密碼是相同的，即相同的密碼子對應相同的胺基酸。

基於遺傳密碼的通用性，我們可以做出以下推斷：
(A) 一個生物體的基因理論上可以被任何其他生物體表達：由於遺傳密碼的通用性，一種生物的基因（DNA）可以被轉錄成 mRNA，然後由另一種生物的核糖體翻譯成蛋白質。例如，基因工程中經常將一個物種的基因導入另一個物種的細胞中進行表達。這是合理的推斷。
(B) 所有生物都有共同的祖先：遺傳密碼的高度通用性表明，所有生物的遺傳物質和翻譯機制可能起源於一個共同的祖先，然後在演化過程中得以保留。這是生物演化的一個重要證據。這是合理的推斷。

此題考驗對分子生物學技術在基因定位中的應用。題目中，研究者已經克隆了一個基因，並想確定該基因在植物基因組中的物理位置。

(A) RFLP 分析 (Restriction Fragment Length Polymorphism analysis)：RFLP 分析用於檢測 DNA 序列的變異，通常用於基因定位、遺傳圖譜構建或個體識別。它通過限制性酶切後，用探針雜交來檢測片段長度的差異。雖然可以用於基因定位，但它主要用於確定基因在染色體上的相對位置，而不是其確切的物理位置。

此題考驗對真核生物基因在原核生物中表達的障礙的理解。

(A) 原核生物和真核生物使用不同的遺傳密碼：這是錯誤的。遺傳密碼在大多數生物體中是高度通用的。
(B) 細菌只翻譯多順反子訊息：這是錯誤的。細菌的 mRNA 通常是多順反子的（一個 mRNA 編碼多個蛋白質），但它們也能夠正確翻譯單順反子訊息（一個 mRNA 編碼一個蛋白質）。
(C) 細菌不能去除真核生物的內含子：這是正確的。

此題考驗對基因工程中如何處理含有內含子的真核生物基因的理解。真核生物基因包含內含子 (introns) 和外顯子 (exons)。內含子不編碼蛋白質，需要通過 RNA 剪接去除。外顯子編碼蛋白質。

為了在原核生物（如細菌）中表達真核生物基因，或者為了簡化基因結構，通常需要去除內含子。

(A) 使用 RNA 聚合酶轉錄基因：RNA 聚合酶將 DNA 轉錄成 pre-mRNA，這個 pre-mRNA 仍然包含內含子。所以這一步本身不能去除內含子。
(B) 使用限制性酶切割基因成較短片段：限制性酶切割 DNA，但它不能選擇性地去除內含子，也不能保證切割後的片段仍然能編碼功能性蛋白質。

此題考驗對蛇形受體 (serpentine receptors) 的理解。蛇形受體，也稱為 G 蛋白偶聯受體 (G protein-coupled receptors, GPCRs)，是一類重要的細胞膜受體。

它們的特徵是：

• 具有七個跨膜的 α-螺旋結構域 (seven transmembrane α-helical domains)。這些結構域穿過細胞膜，將細胞外的信號傳遞到細胞內。
• 位於細胞膜上，而不是細胞核。
• 主要通過激活細胞內的 G 蛋白來介導信號傳導，參與多種細胞生理過程，包括離子通道的調節、酶的活性調節、基因表達的改變等。因此，它們「主要」涉及離子運輸的調節是不準確的，但離子運輸是其調節功能的一部分。
• 廣泛存在於真核細胞中，調節各種生理功能。

此題考驗對細胞內重要分子合成前體的理解。

(A) 胺基酸 (amino acids)：胺基酸是蛋白質的組成單元。
(B) 腺嘌呤 (adenine)：腺嘌呤是核酸（DNA 和 RNA）的組分，也是 ATP 等能量分子的組分。
(C) 棕櫚酸 (palmitic acid)：棕櫚酸是一種飽和脂肪酸，含有 16 個碳原子。脂肪酸是合成脂肪（三酸甘油酯）、磷脂（膜脂質）和蠟的關鍵前體。

此題考驗對「兩親性」(amphipathic) 性質的理解。兩親性分子是指同時具有親水性（極性或離子性）區域和疏水性（非極性）區域的分子。這種性質使得它們能夠在水和油界面形成結構，例如形成脂質雙層或膠束。

我們來分析每個選項：

(A) +NH₃-CH₂-COO⁻：這是甘氨酸 (glycine) 的兩性離子形式。它帶有帶正電的胺基和帶負電的羧基，是離子化的，因此是親水的。它沒有明顯的疏水區域。所以，它不是兩親性的。

(B) CH₃(CH₂ )₇-CH=CH-(CH₂ )₆-CH₂-COO-NH₃⁺：這個結構看起來像是一個胺基酸的衍生物，或者一個脂肪酸與胺的結合物。
- CH₃(CH₂ )₇-CH=CH-(CH₂ )₆-CH₂-COO-：這部分是一個長鏈脂肪酸的衍生物，具有長碳鏈，是疏水的。
- -NH₃⁺：這個是帶正電的胺基，是親水的。
這個分子同時具有長鏈疏水部分和帶電親水部分，因此是兩親性的。

(C) CH₂HC-COO⁻ CH₂OH H/H OH：這個結構的寫法比較混亂，但看起來像是丙三醇（甘油）的衍生物。
- CH₂OH, CHOH, CH₂OH：這是甘油的結構，具有多個羥基，是親水的。
- -COO⁻：這是羧酸根，是親水的。
如果這是甘油與某種酸形成的酯，並且甘油部分仍然保持親水性，而另一部分是疏水的，那可能是兩親性的。

此題考驗對變構調節 (allosteric regulation) 的概念，特別是同源變構效應 (homotropic effect) 和異源變構效應 (heterotropic effect) 在血紅蛋白 (Hb) 與其配體 (ligand) 相互作用中的應用。

• 變構調節 (Allosteric regulation)：指分子（變構效應物，allosteric effector）結合到蛋白質的一個位點（變構位點），從而影響蛋白質在另一個位點（活性位點）的活性或結合能力。
• 同源變構效應 (Homotropic effect)：當變構效應物與蛋白質結合的分子是其本身的底物或配體時，稱為同源變構效應。例如，氧氣 (O₂) 與血紅蛋白的結合。血紅蛋白的氧結合曲線是協同作用 (cooperative binding) 的，這意味著一個氧分子與血紅蛋白結合後，會增加其他氧分子與血紅蛋白結合的親和力。

此題考驗對胺基酸和蛋白質化學性質的理解。

(A) 肽鍵存在自由旋轉：錯誤。肽鍵 (-CO-NH-) 具有部分雙鍵性質，存在共振，因此 C-N 鍵的旋轉能壘較高，不能自由旋轉。
(B) Leu 比 Ala 具有更高的極性：錯誤。Leu (亮氨酸) 和 Ala (丙氨酸) 都是非極性胺基酸。Leu 的側鏈是異丁基，Ala 的側鏈是甲基。Leu 的烴基鏈更長，因此比 Ala 的極性更弱，更疏水。
(C) 當 pH 大於某可離子化基團的 pKa 時，該基團超過一半處於解離狀態：正確。

此題考驗對神經鞘脂 (sphingolipid) 合成途徑的理解。神經鞘脂的合成是一個複雜的過程，其核心是合成神經鞘氨醇 (sphingosine) 和神經鞘脂 (ceramide)。

(A) 棕櫚酸和絲氨酸的所有碳原子都併入神經鞘氨醇：神經鞘氨醇 (sphingosine) 的合成確實是從絲氨酸 (serine) 和棕櫚醯輔酶 A (palmitoyl-CoA) 開始。絲氨酸提供兩個碳原子和一個胺基，而棕櫚醯輔酶 A 提供 16 個碳原子的長鏈。但是，合成過程中會釋放 CO₂。所以，並非「所有」碳原子都併入神經鞘氨醇。例如，絲氨酸的羧基碳會脫羧形成 CO₂。

此題考驗對檸檬酸循環 (citric acid cycle) 中關鍵調控酶的抑制劑的理解。檸檬酸循環的調控主要是為了響應細胞的能量狀態。

檸檬酸循環的兩個關鍵調控酶是：

1. 檸檬酸合成酶 (Citrate synthase)：催化乙醯輔酶 A 和草醯乙酸縮合生成檸檬酸。
2. NAD⁺ 依賴性異檸檬酸脫氫酶 (NAD⁺-specific isocitrate dehydrogenase)：催化異檸檬酸氧化脫羧生成 α-酮戊二酸，同時產生 NADH。

這兩個酶的活性受到細胞能量狀態的調節。當細胞能量充足時，這些酶的活性會被抑制。

• ATP：是細胞能量的直接來源。當 ATP 濃度高時，表明細胞能量充足，需要抑制檸檬酸循環以減少能量產生。因此，ATP 是檸檬酸合成酶和異檸檬酸脫氫酶的抑制劑。
• NADH：是還原型輔酶，在氧化磷酸化中用於產生 ATP。

此題考驗對糖類立體化學的理解，特別是計算手性碳原子所對應的立體異構體數量。

手性碳原子 (chiral carbon atom) 是指一個碳原子連接了四個不同的基團。
一個分子如果含有 n 個手性碳原子，那麼它理論上最多可以有 2ⁿ 個立體異構體。

葡萄糖 (glucose) 是一種己糖 (hexose)，其分子式是 C₆H₁₂O₆。
在線型形式的葡萄糖中，有四個手性碳原子 (C2, C3, C4, C5)。
C1 是醛基碳 (aldehyde carbon)，C6 是 CH₂OH 基團。
C2, C3, C4, C5 分別連接了不同的基團：

• C2: -H, -OH, -CHO, -CH(OH)CH(OH)CH₂OH
• C3: -H, -OH, -CH(OH)CH(OH)CH₂OH, -CH(OH)CH(OH)CH₂OH
• C4: -H, -OH, -CH(OH)CH(OH)CH₂OH, -CH(OH)CH(OH)CH₂OH
• C5: -H, -OH, -CH(OH)CH(OH)CH₂OH, -CH₂OH

這裡的基團描述有點簡化。更準確地說，對於線型葡萄糖（如 D-葡萄糖）：
C1: 醛基 (-CHO)
C2: 連接 -H, -OH, C1, C3

核心觀念

本題考查發炎反應中細胞黏附分子 selectin 的醣類配體特異性。

Selectin 是一類位於細胞表面的動物 lectin，具有醣類辨識功能，主要參與：

• 白血球與血管內皮細胞的初步黏附
• 白血球沿血管壁滾動
• 發炎部位的白血球募集

Selectin 最具代表性的配體是 sialyl Lewis X（sLeˣ），其結構可表示為：

$$\text{Neu5Ac}\alpha2\rightarrow3\text{Gal}\beta1\rightarrow4 \left(\text{Fuc}\alpha1\rightarrow3\right) \text{GlcNAc}\beta1\rightarrow$$

其中包含三個辨識重點：

1. **Neu5Ac（唾液酸）**以 $\alpha2\rightarrow3$ 鍵連接至 Gal。
2. Gal 與 GlcNAc 以 $\beta1\rightarrow4$ 鍵連接，形成 lactosamine 骨架。
3. Fuc（岩藻糖）以 $\alpha1\rightarrow3$ 鍵接到 GlcNAc。

這個完整的四醣結構就是 selectin 的典型辨識基團。

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解題方法

解題時先辨認 selectin 的經典配體：

$$\boxed{\text{sialyl Lewis X}}$$

再逐一比對選項是否同時具備：

• $\text{NeuAc}\alpha2\rightarrow3\text{Gal}$
• $\text{Gal}\beta1\rightarrow4\text{GlcNAc}$
• $\text{Fuc}\alpha1\rightarrow3\text{GlcNAc}$

只具有 Gal–GlcNAc 骨架的結構，缺乏完整辨識所需的唾液酸與岩藻糖；只有唾液酸而沒有 Fuc 的結構，也不是典型的 sialyl Lewis X。

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選項分析

(A) $\text{Gal}\beta1\rightarrow4\text{GlcNAc}\beta1\rightarrow$

此結構是 lactosamine 骨架，只有 Gal 與 GlcNAc。

它缺少：

• $\text{NeuAc}\alpha2\rightarrow3$ 修飾
• $\text{Fuc}\alpha1\rightarrow3$ 修飾

因此不是 selectin 的完整主要配體，錯誤。

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(B) $\text{NeuAc}\alpha2\rightarrow3\text{Gal}\beta1\rightarrow4\text{GlcNAc}\beta1\rightarrow$

此結構含有：