112 年 國立成功大學熱帶植物與微生物科學研究所《生物化學》

脂肪酸合成是生物體合成脂肪的過程，主要發生在細胞質中，需要多種輔因子和底物。此過程的核心是乙醯輔酶A (Acetyl-CoA) 的羧化形成丙二醯輔酶A (Malonyl-CoA)，而此步驟需要生物素 (Biotin) 和碳酸氫根離子 (HCO₃⁻) 作為輔助因子。

卡爾文循環（Calvin cycle），又稱碳固定反應或光合作用的碳反應，是植物、藻類和藍綠菌將二氧化碳轉化為有機物（糖類）的過程。此循環涉及一系列酶促反應，包括 RuBisCO 的羧化、3-磷酸甘油酸的還原、以及核酮糖-1,5-二磷酸的再生。

選項分析：
A) Aldolase (醛縮酶)：在糖解作用中催化果糖-1,6-二磷酸分解為二羥丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸。在某些植物的碳反應中，醛縮酶也參與碳水化合物的代謝。
B) Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (甘油醛-3-磷酸脫氫酶)：這是糖解作用的關鍵酶，將甘油醛-3-磷酸氧化並磷酸化，同時將 NAD⁺ 還原為 NADH。在卡爾文循環中，3-磷酸甘油酸的還原步驟也需要類似的酶促機制，但直接的甘油醛-3-磷酸脫氫酶並非卡爾文循環的核心酶。然而，在糖質新生（gluconeogenesis）中，該酶可逆向作用。

呼吸過程中消耗的氧氣（O₂）是細胞呼吸的最終電子接受者。在電子傳遞鏈（electron transport chain）的末端，氧氣接受電子並與質子（H⁺）結合，最終生成水（H₂O）。這個過程是三羧酸循環（TCA cycle）和氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）的最終產物。

吡哆醛磷酸（Pyridoxal phosphate, PLP）是維生素 B₆ 的活性形式，是一種廣泛存在的輔酶，在許多氨基酸代謝相關的酶促反應中扮演關鍵角色。PLP 主要參與以下幾類反應：

1. 轉胺反應 (Transamination)：PLP 是大多數轉胺酶的輔酶，催化氨基酸的α-胺基轉移到α-酮酸上。
2. 脫羧反應 (Decarboxylation)：PLP 參與某些氨基酸的脫羧反應，例如組胺酸脫羧形成組胺。
3. 消旋反應 (Racemization)：PLP 輔助催化氨基酸的消旋。
4. β-裂解反應 (β-cleavage)：PLP 參與某些氨基酸側鏈的β-裂解。

含有奇數碳原子的脂肪酸在 β-氧化過程中，最後會產生一個含有三個碳原子的丙醯輔酶A (propionyl-CoA)。丙醯輔酶A無法直接進入三羧酸循環，它需要經過一系列轉化才能進入。首先，丙醯輔酶A被羧化形成甲基丙二醯輔酶A (methylmalonyl-CoA)，這個反應需要生物素 (biotin) 和 ATP。

三羧酸循環（citric acid cycle）中有一個步驟是透過底物層級磷酸化（substrate-level phosphorylation）直接產生 ATP（或 GTP，在哺乳動物中通常是 GTP）。這個步驟是琥珀醯輔酶A (succinyl-CoA) 轉化為琥珀酸 (succinate) 的過程，由琥珀醯輔酶A合成酶（succinyl-CoA synthetase）催化。在這個反應中，高能硫酯鍵的能量被用來將 GDP 磷酸化為 GTP（或 ADP 磷酸化為 ATP）。

此題考查糖解作用（glycolysis）和糖質新生（gluconeogenesis）之間果糖-6-磷酸（fructose-6-phosphate）與果糖-1,6-二磷酸（fructose-1,6-bisphosphate）相互轉化的相互調節機制。此調節由果糖-2,6-二磷酸（fructose-2,6-bisphosphate）介導，它是一種強效的變構調節劑，能夠調控磷酸果糖激酶-1（phosphofructokinase-1, PFK-1）和果糖-1,6-二磷酸酶（fructose-1,6-bisphosphatase）的活性，從而決定代謝流的方向。

逐一分析選項：
A) Fructose-2,6-bisphosphate activates phosphofructokinase-1. (果糖-2,6-二磷酸活化磷酸果糖激酶-1。)
這是正確的。果糖-2,6-二磷酸是 PFK-1 的強效活化劑，促進糖解作用的進行。

B) Fructose-2,6-bisphosphate inhibits fructose-1,6-bisphosphatase. (果糖-2,6-二磷酸抑制果糖-1,6-二磷酸酶。)
這是正確的。果糖-2,6-二磷酸是果糖-1,6-二磷酸酶的強效抑制劑，抑制糖質新生的進行。

此題考查糖解作用（glycolysis）中，從甘油醛-3-磷酸（glyceraldehyde 3-phosphate）到 3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate）這一段過程。這段過程包含兩個關鍵步驟，由兩個酶催化：

1. 甘油醛-3-磷酸脫氫酶 (Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase) 催化甘油醛-3-磷酸的氧化和磷酸化，生成 1,3-二磷酸甘油酸 (1,3-bisphosphoglycerate)。此反應同時將 NAD⁺ 還原為 NADH，並利用無機磷酸 (Pi)。

   • 反應式：Glyceraldehyde 3-phosphate + NAD⁺ + Pi ⇌ 1,3-Bisphosphoglycerate + NADH + H⁺

2. 3-磷酸甘油酸激酶 (Phosphoglycerate kinase) 催化 1,3-二磷酸甘油酸將其高能磷酸基轉移到 ADP 上，生成 ATP 和 3-磷酸甘油酸。

   • 反應式：1,3-Bisphosphoglycerate + ADP ⇌ 3-Phosphoglycerate + ATP

受體酶（receptor enzymes）通常是指細胞膜上的蛋白質，它們既具有結合特定信號分子（配體）的能力，又具有催化細胞內部反應的酶活性。這類蛋白質通常是單一的多肽鏈，跨越細胞膜，其配體結合域位於細胞外，而酶活性域位於細胞內（細胞質）。

選項分析：
A) They are not usually membrane-associated proteins. (它們通常不是膜結合蛋白。)
這是錯誤的。受體酶顧名思義，通常是膜結合蛋白，以便與細胞外的配體結合並將信號傳遞到細胞內。

B) They contain an enzyme activity that acts upon a cytosolic substrate. (它們含有作用於細胞質底物的酶活性。)
這是正確的。受體酶的酶活性域通常位於細胞質一側，作用於細胞質中的底物，將細胞外的信號轉化為細胞內的生化反應。例如，胰島素受體的酪氨酸激酶活性域就位於細胞質中。

此題考查細胞膜上蛋白質的特性。細胞膜蛋白質可以分為整合蛋白（integral proteins）和周邊蛋白（peripheral proteins）。

A) are sometimes covalently attached to lipid moieties. (有時共價連接到脂質部分。)
這是正確的。許多膜蛋白通過共價鍵連接到脂質分子（如脂肪酸、異戊二烯類或 GPI 錨點），這有助於它們嵌入或附著在細胞膜上。例如，脂肪酸化的蛋白質或 GPI 錨定的蛋白質。

B) are sometimes covalently attached to carbohydrate moieties. (有時共價連接到碳水化合物部分。)
這是正確的。糖蛋白（glycoproteins）是常見的膜蛋白，其碳水化合物鏈通過共價鍵連接到蛋白質的特定氨基酸殘基（如天冬酰胺或絲氨酸/蘇氨酸）。這些糖鏈通常位於細胞膜的外側。

脂溶性維生素是指能夠溶解在脂肪或油中，並且在體內可以儲存在肝臟和脂肪組織中的維生素。它們的吸收需要膽汁和脂肪的存在。水溶性維生素則容易溶解在水中，多餘的量會通過尿液排出體外，通常不易在體內儲存。

A) 維生素 A (Vitamin A)：是脂溶性維生素，對視覺、細胞生長和免疫功能至關重要。

DNA (去氧核糖核酸) 和 RNA (核糖核酸) 都是核酸，它們的基本結構單位是核苷酸，由磷酸、五碳糖和含氮鹼基組成。這兩種核酸在五碳糖和部分含氮鹼基上有所不同。

DNA 中的含氮鹼基是：腺嘌呤 (Adenine, A)、鳥糞嘌呤 (Guanine, G)、胞嘧啶 (Cytosine, C) 和胸腺嘧啶 (Thymine, T)。
RNA 中的含氮鹼基是：腺嘌呤 (Adenine, A)、鳥糞嘌呤 (Guanine, G)、胞嘧啶 (Cytosine, C) 和尿嘧啶 (Uracil, U)。

五碳糖方面：DNA 中是去氧核糖 (deoxyribose)，RNA 中是核糖 (ribose)。

澱粉 (starch) 和肝醣 (glycogen) 都是多醣，它們是葡萄糖單位的聚合物。這兩種多醣在植物和動物體內儲存能量。

澱粉是植物儲存能量的主要形式，由兩種多醣組成：直鏈澱粉 (amylose) 和支鏈澱粉 (amylopectin)。直鏈澱粉是由 α-D-葡萄糖通過 α-(1→4) 糖苷鍵連接而成的直鏈結構。支鏈澱粉則除了 α-(1→4) 鍵外，還含有 α-(1→6) 糖苷鍵形成分支。

肝醣是動物和真菌儲存能量的主要形式，結構上類似於支鏈澱粉，但分支更為密集，也是由 α-D-葡萄糖通過 α-(1→4) 和 α-(1→6) 糖苷鍵連接而成。

此題考查酶的結構和輔因子。許多酶需要非蛋白質部分的輔助因子才能發揮活性。輔因子可以是金屬離子或有機分子（輔酶）。

• 全酶 (Holoenzyme)：指具有活性的完整酶分子，由蛋白質部分（載體蛋白，apoprotein）和輔因子（cofactor）組成。
• 載體蛋白 (Apoenzyme)：指酶的蛋白質部分，本身沒有活性，需要與輔因子結合才能恢復或產生活性。
• 輔因子 (Cofactor)：指非蛋白質的活性成分，可以是金屬離子（如 Zn²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺）或有機分子（輔酶，coenzyme）。
• 輔酶 (Coenzyme)：是輔因子的特定類型，通常是複雜的有機分子，可以與載體蛋白結合。
• 輔基 (Prosthetic group)：是一種緊密結合的輔因子，通常通過共價鍵或非常強的非共價鍵與載體蛋白結合，即使在分離後也很難脫離。

此題考查植物細胞中的過氧化物酶體（glyoxysome）的特異性酶。過氧化物酶體是植物和某些真菌中的一種小細胞器，在種子萌發過程中，它參與將儲存的脂肪轉化為碳水化合物，以提供能量和合成材料。

選項分析：
A) Catalase (過氧化氫酶)：存在於過氧化物酶體中，用於分解過氧化氫（H₂O₂），但它也存在於肝臟等動物細胞的過氧化物酶體中，因此不是過氧化物酶體特有的。
B) Isocitrate lyase (檸檬酸裂解酶)：這是乙醛酸循環 (glyoxylate cycle) 的關鍵酶之一，而乙醛酸循環是過氧化物酶體所特有的代謝途徑。檸檬酸裂解酶催化異檸檬酸裂解為乙醛酸和琥珀酸。

核心觀念

本題考查生物固氮（biological nitrogen fixation）的生理條件、固氮酶（nitrogenase）的功能，以及根瘤菌與植物根瘤的合作關係。

大氣中的氮氣 $N_2$ 具有非常穩定的三鍵，必須由固氮酶催化還原成氨，反應可表示為：

此反應具有三個重要特徵：

1. 需要消耗大量 ATP，屬於高能量需求反應。
2. 固氮酶對氧氣非常敏感，容易被氧化失活。
3. 固氮過程通常會伴隨氫氣 $H_2$ 生成。

因此，正確答案為 E。

解題方法

判斷本題的關鍵，是先掌握兩個核心事實：

• 固氮並非只有豆科植物能進行，而是由某些具有固氮能力的原核生物完成。
• 固氮酶需要 ATP，但又會受到氧氣抑制，因此根瘤中的氧氣必須被「精密控制」，而不是單純越多越好。

接著逐一檢查各選項是否符合上述原理。

選項分析

A) Cannot be found in unicellular organism.

錯誤。

生物固氮可由單細胞原核生物進行，例如：

• 根瘤菌（Rhizobium）
• 固氮菌（Azotobacter）
• 藍綠藻／藍菌（cyanobacteria）

其中部分藍菌甚至可在異形胞（heterocyst）中進行固氮。異形胞具有較低氧環境，有利於保護固氮酶。

因此，固氮並非不能出現在單細胞生物中。

B) Plants other than legume cannot fix nitrogen.

錯誤。

豆科植物與根瘤菌的共生固氮最為典型，但非豆科植物也能透過與固氮微生物共生或附生而獲得固定氮，例如：

• 非豆科固氮植物與 Frankia 共生
• 水稻等植物與藍菌或根圈固氮菌互動
• 部分植物可與內生固氮菌建立關係

嚴格而言，植物本身通常不具備固氮酶；但非豆科植物仍可藉由固氮微生物完成固氮。因此此敘述過度絕對。

C) Leghemoglobin is the enzyme responsible for nitrogen fixation.

錯誤。

Leghemoglobin（豆血紅蛋白）不是固氮酶，而是一種存在於豆科根瘤中的氧結合蛋白。

它的主要功能是：

• 協助調節根瘤內的氧氣濃度
• 提供根瘤菌呼吸所需的少量氧氣
• 避免氧氣濃度過高而抑制固氮酶

黃金米 (Golden Rice) 是一種基因改造的稻米，其基因組中引入了能夠合成 β-胡蘿蔔素（beta-carotene）的基因。β-胡蘿蔔素是維生素 A 的前體，在人體內可以轉化為維生素 A。因此，食用黃金米可以補充人體對維生素 A 的需求，對於預防和治療維生素 A 缺乏症有重要意義。

必需氨基酸 (essential amino acids) 是指人體無法自行合成，必須從食物中攝取才能維持生命和生長發育的氨基酸。人體有 20 種標準氨基酸，其中約有 8-9 種被認為是必需氨基酸（因年齡和生理狀況而異）。

人體必需氨基酸通常包括：

1. 組胺酸 (Histidine)
2. 異亮胺酸 (Isoleucine)
3. 亮胺酸 (Leucine)
4. 離胺酸 (Lysine)
5. 甲硫胺酸 (Methionine)

單醣 (monosaccharide) 是指最簡單的醣類，不能再被水解成更小的醣單位。它們是其他醣類的組成單元。

此題考查熱力學基本概念，特別是關於自由能變 (ΔG) 和反應自發性的關係。

A) Exergonic reaction is a spontaneous reaction. (產能反應是自發反應。)
這是正確的。產能反應（exergonic reaction）是指反應過程中自由能釋放，ΔG < 0，因此是自發的。

B) The free energy of the product is lower than the reactant in exergonic reaction. (在產能反應中，產物的自由能低於反應物。)
這是正確的。ΔG = G_product - G_reactant。如果 ΔG < 0，則 G_product < G_reactant。

C) ATP synthesis is an exergonic reaction. (ATP 合成是一個產能反應。)
這是錯誤的。ATP 的合成，即 ADP + Pi + 能量 → ATP + H₂O，在標準條件下，這個反應的 ΔG 是正值（約 +30.5 kJ/mol），是一個吸能反應（endergonic reaction）。

這個問題探討了水的密度異常現象對地球生命可能產生的影響。水的密度在 4°C 時達到最大，而冰（固態水）的密度比液態水小，因此冰會漂浮在水面上。這一特性對地球上的生命至關重要。

如果冰比水更密集（例如，如果冰的密度大於液態水），那麼冰將會沉到底部，而不是漂浮在水面上。這將會對地球上的水體生態系統產生災難性的影響：

1. 湖泊和海洋的凍結方式改變：

   • 在寒冷的氣候下，湖泊和海洋的表面會開始結冰。如果冰沉到底部，那麼整個水體將從底部開始凍結，逐層向上。
   • 最終，整個水體可能會完全凍結成固態冰塊，而不是像現在這樣只有表層結冰，下方水體保持液態。

2. 對水生生物的影響：

   • 生存空間消失：如果整個水體完全凍結，那麼依賴液態水生存的水生生物（魚類、藻類、微生物等）將無法生存。它們的棲息地將被完全破壞。
   • 食物鏈斷裂：水生生物是許多生態系統的重要組成部分，它們的滅絕將導致食物鏈的斷裂，影響陸地生態系統。
   • 氧氣供應中斷：水中的溶解氧主要來自大氣交換和水生植物的光合作用。如果水體完全凍結，大氣與水的交換將被阻斷，水生植物也無法進行光合作用，導致水中嚴重缺氧。

這個問題探討了內共生理論 (Endosymbiotic Theory) 及其如何解釋真核細胞中光合作用和有氧代謝能力的演化。

內共生 (Endosymbiotic Association) 的含義：
內共生是指一種生物體生活在另一種生物體的細胞內部，雙方或其中一方從這種共生關係中獲益。在細胞生物學中，內共生理論主要指一個較大的宿主細胞吞噬了一個較小的原核生物（如細菌），但並未將其消化，而是形成了長期的共生關係。這種被吞噬的細胞在宿主細胞內生活、繁殖，並逐漸演化成細胞器。

內共生理論如何解釋真核細胞的光合作用和有氧代謝能力的演化：

1. 葉綠體 (Chloroplasts) 的演化解釋光合作用能力：
   • 起源：內共生理論認為，真核細胞中的葉綠體起源於一個藍綠菌（cyanobacterium）的內共生事件。
   • 過程：一個早期的真核細胞（或其祖先）吞噬了一個能夠進行光合作用的藍綠菌。這個藍綠菌並沒有被宿主消化，而是存活下來並在宿主細胞內繁殖。
   • 證據：
     • 雙層膜：葉綠體具有雙層膜，外層膜可能來自宿主細胞的吞噬囊泡，內層膜則類似於藍綠菌的細胞膜。
     • 自身的 DNA 和核糖體：葉綠體擁有自己的環狀 DNA（類似於細菌的 DNA）和 70S 核糖體（類似於細菌的核糖體），這表明它們曾經是獨立的生物。
     • 自主複製：葉綠體通過二分裂方式進行複製，獨立於細胞核的調控。
     • 光合作用機制：葉綠體內部的光合作用色素和反應機制與藍綠菌相似。

此題考查植物代謝中的呼吸作用（Respiration）和光呼吸作用（Photorespiration）的比較。這兩個過程都涉及氧氣的消耗和二氧化碳的釋放，但它們的發生場所、目的、酶、能量變化以及對植物生長的影響是不同的。

呼吸作用 (Respiration)：

• 定義：植物細胞將有機物（如葡萄糖）氧化分解，釋放能量（ATP）以供細胞生命活動的過程。
• 發生場所：主要的能量產生（三羧酸循環和電子傳遞鏈）發生在粒線體中。糖酵解發生在細胞質。
• 目的：產生 ATP，為細胞的各種生命活動提供能量。
• 酶：涉及糖酵解、丙酮酸氧化、三羧酸循環和電子傳遞鏈等一系列酶。
• 反應：有機物 + O₂ → CO₂ + H₂O + ATP
• 影響：是植物生存和生長的必要過程，但會消耗儲存的有機物。

光呼吸作用 (Photorespiration)：

• 定義：一種特殊的代謝途徑，發生在光合作用的同時，由葉綠體、過氧化物酶體和粒線體協同完成。它的特點是消耗 O₂ 並釋放 CO₂，但不產生 ATP，反而消耗能量。
• 發生場所：涉及葉綠體、過氧化物酶體和粒線體三個細胞器。
• 目的：
  • 主要觀點：被認為是 RuBisCO 酶在高 O₂ / 低 CO₂ 條件下（如高溫、乾旱時氣孔關閉）的副反應。其「功能」可能包括：
    • 保護光合系統：在高光強、低 CO₂ 環境下，光反應產生的 ATP 和 NADPH 無法被碳反應有效利用，可能導致活性氧的產生而損害光合系統。光呼吸消耗 ATP 和 NADPH，有助於緩衝這種能量過剩。
    • 回收碳：雖然光呼吸會釋放 CO₂，但它也能將一部分由 RuBisCO 氧化的碳回收回來，減少淨碳損失。
  • 另一觀點：它可能也是一種「無功能的」副反應，只是植物還未演化出完全避免它的機制。
• 酶：主要涉及 RuBisCO（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶）、磷酸核酮糖激酶、乙醇酸氧化酶、過氧化氫酶、絲氨酸-羥甲基轉移酶等。
• 反應（簡化）：RuBP + O₂ → 2-磷酸甘醇酸 (2-PG) → 乙醇酸 → 乙醛酸 → 甘氨酸 → 絲氨酸 → 3-磷酸甘油酸（部分碳回收）
• 影響：淨碳損失（消耗 O₂，釋放 CO₂），消耗 ATP 和 NADPH，降低光合作用的總效率。

相似之處：

1. 消耗 O₂：兩者都消耗氧氣。
2. 釋放 CO₂：兩者都會釋放二氧化碳。
3. 涉及粒線體：兩者都涉及粒線體中的某些步驟（雖然光呼吸中粒線體只是參與者之一）。
4. 發生在細胞內：都是細胞內的代謝過程。

差異之處：

| 特徵 | 呼吸作用 (Respiration) | 光呼吸作用 (Photorespiration)

此題考查植物光合作用的 C3 和 C4 途徑的效率比較。

C3 光合作用：

• 這是最普遍的光合作用途徑，約 85% 的植物採用此途徑（如水稻、小麥、大豆）。
• 二氧化碳固定後，首先形成一個含有三個碳原子的化合物——3-磷酸甘油酸 (3-phosphoglycerate)。
• 催化 CO₂ 固定的酶是 RuBisCO (核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶)。
• 缺點：RuBisCO 酶同時具有羧化酶（固定 CO₂）和加氧酶（固定 O₂）的活性。在高溫、乾旱、強光等條件下，植物為了減少水分散失會關閉氣孔，導致葉片內部 CO₂ 濃度下降，O₂ 濃度相對升高。此時 RuBisCO 的加氧酶活性增強，會導致光呼吸作用 (photorespiration) 的發生。光呼吸作用消耗能量，導致碳損失，顯著降低光合作用的總效率。

C4 光合作用：

• 這種途徑存在於約 3% 的植物中（如玉米、甘蔗、高粱），尤其適應於高溫、強光、乾旱的環境。
• C4 植物具有特殊的解剖結構（如 Kranz 結構，維管束鞘細胞發達）。
• CO₂ 固定過程分兩步進行：
  1. 初步固定：在葉肉細胞的細胞質中，PEP (磷酸烯醇丙酮酸) 在 PEP 羧化酶 (PEP carboxylase) 的催化下，將 CO₂ 固定到 PEP 上，形成一個含有四個碳原子的化合物（如草醯乙酸）。PEP 羧化酶對 CO₂ 的親和力遠高於 RuBisCO，且對 O₂ 沒有加氧酶活性，因此在低 CO₂ 濃度下也能高效地固定 CO₂。