108 年 國立臺灣大學生物機電系碩士班丁組《熱力學與反應工程》
第 1 題
Biological reactions (1) __________ by enzymes are generally very (2) __________ to certain chemicals known as
the (3) __________ of the enzymes; the chemicals bind to the (4) __________ site of the enzyme to become an ES
complex with a much lower (5) __________ energy.
The reaction therefore can occur under mild conditions (e.g. temperature and pressure) with sufficient
efficiency. Based on Michaelis-Menten model, the reaction rate is related to the concentration of ES complex as
the following (6) __________ kinetics.
In the (7) __________ state, the concentration of ES complex can be solved as follows.
An enzymatic reaction rate therefore increases non-linearly with the substrate concentration and reaches a
maximum as the substrate concentration being much higher than (8) __________.
Since the kinetics is not linear, it will be more convenient to analyze the parameters by plotting the (9) __________
values of the reaction rate against those of the substrate concentration. The (10) __________ of the plot will be
proportional to the Michaelis constant.
登入後即可作答並保存紀錄。
此題為英文克漏字填充題,主要測試考生對酶動力學(Enzyme Kinetics)基本概念的理解,特別是 Michaelis-Menten 模型。需要填入的詞彙涵蓋了酶與基質的交互作用、反應速率、穩態假設以及數據分析方法。
核心觀念:
- 酶催化反應:酶(Enzyme)作為催化劑,加速特定化學反應,其作用對象是基質(Substrate)。
- Michaelis-Menten 模型:描述酶催化反應速率與基質濃度之間關係的模型,包含穩態假設(Steady State Assumption)。
- 反應動力學:描述反應速率隨時間或濃度變化的規律,如零級、一級、二級反應。
- 圖形分析:透過繪製特定圖形(如 Lineweaver-Burk plot),可以簡化參數分析。
解題過程:
-
(1) by enzymes:酶催化生物反應。空格處應填入表示「由...催化」的詞,與 "by enzymes" 搭配。
- 答案庫中 "activation" (活化), "active" (活躍的), "catalyst" (催化劑), "catalyze" (催化), "competitive" (競爭的), "enzyme" (酶), "first order" (一級), "higher" (更高的), "intersect" (相交), "kinetic" (動力學的), "logarithmic" (對數的), "lower" (更低的), "gas constant" (氣體常數), "Michaelis constant" (米氏常數), "non-competitive" (非競爭的), "reciprocal" (倒數), "selective" (選擇性的), "second order" (二級), "slope" (斜率), "specificity" (專一性), "steady" (穩定的), "substrate" (基質), "thermal" (熱的), "transient" (短暫的), "uncompetitive" (反競爭的)。
- 最符合語意的是動詞 "catalyze"。
- 【答案】catalyze
-
(2) very (1) by enzymes:生物反應通常對某些化學物質有很高的(專一性)。
- 答案庫中 "specificity" (專一性) 符合語意。
- 【答案】specificity
-
(3) of the enzymes:化學物質是酶的(基質)。
- 答案庫中 "substrate" (基質) 符合語意。
第 2 題
The following plots show the existence of (11) __________ inhibitors which will alter the apparent (the slope of
the plot) of the enzyme kinetics without changing the . The higher the inhibitor concentration, the (12) __________
the apparent .
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(圖示為 Lineweaver-Burk plot,顯示有抑制劑存在時,曲線斜率改變但 y 軸截距 () 不變。有抑制劑時,曲線較 without inhibitor 的曲線更陡峭。)
According to Arrhenius expression, the rate constant () of an enzyme will be affected by the temperature ()
and the activation energy (). The reaction for the substrate possesses an (13) __________ than other chemicals,
which is the origin of the substrate (14) __________ of the enzyme.
The best way to calculate the activation energy is to multiply the slope of the semi-logarithmic plot of V
against (1/T) with the negative value of (15) __________.
登入後即可作答並保存紀錄。
此題主要測試對酶動力學中抑制劑的類型,以及 Arrhenius 方程式在酶催化反應中的應用。
核心觀念:
- 酶抑制劑:不同類型的抑制劑(競爭性、非競爭性、反競爭性)對 和 的影響不同。
- Lineweaver-Burk plot:用於分析抑制劑對酶動力學參數的影響。
- Arrhenius 方程式:描述反應速率常數與溫度、活化能之間的關係。
- 活化能的計算:利用 Arrhenius 方程式的對數形式,可以透過繪製 對 的圖來計算活化能。
解題過程:
-
(11) inhibitors:圖示的 Lineweaver-Burk plot 顯示,加入抑制劑後,曲線斜率()增加,但 截距()不變。這種情況對應於競爭性抑制劑(competitive inhibitor),它與基質競爭結合酶的活性位,從而增加表觀 ,但不影響 。
- 答案庫中 "competitive" (競爭的) 符合語意。
- 【答案】competitive
-
(12) the apparent :對於競爭性抑制劑,抑制劑濃度越高,與酶結合的競爭越激烈,需要更高的基質濃度才能達到一半的最大反應速率,因此表觀 越大。
第 3 題
食品褐變(Food browning)有化學性與酵素性反應。如蘋果接觸空氣中的氧分子,會因為組織中
Polyphenol oxidase的催化,造成Phenol類的氧化而產生黃色的Quinone,濃度一高視覺上就呈現棕色。
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(圖示顯示 2,4-dihydroxyphenol 在 Polyphenol Oxidase 催化下與氧氣反應生成 ortho-quinone,進一步轉化為 Melanin/Brown Pigmentation。)
Browning catalyzed by phenol oxidation or copper ion
綠茶的澀味主成分的Epigallocatechin gallate (化學構造如下圖)即是茶品褐變的主因。
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(圖示顯示 Epicatechin (left), gallic acid (middle) and epigallocatechin gallate (right) 的化學結構。)
在茶葉發酵的過程中,上述的Catechin 類化合物被從新鮮茶葉液泡中所釋放出來的Polyphenol oxidase
催化其氧化過程而轉化成 Quinone 類化合物。此時新鮮茶葉組織中的維他命C會將其還原回來。
Chemical process during tea withering
日本煎茶的製程,即是在上圖的平衡中,以熱處理讓酵素失活。於是 Quinone一直保持在低含量,沒
有明顯的褐變過程,所以茶湯呈現翠綠色。烏龍茶的萎凋(發酵)過程,則是讓酵素作用,等到內含的維
他命C用完,才開始褐變。
小明分別以放置於25度與85度C保溫箱的熱水泡烏龍茶,因為酵素已於製茶過程中失活,也沒有被
萃取出來,但是由茶色發現褐變還是繼續進行。他將茶繼續放在25度與85度保溫箱中,定時採樣以分光
光度計量測褐變速度,發現85度的褐變速率為25度的3倍。小明心想,100度應該更快吧!於是用煮沸
的水萃取,但發現褐變速度反而比85度C還慢。百思不得其解後,於烏龍茶中擠入些許檸檬,發現褐變
被逆轉了。
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題綜合考查:
- 酵素催化與酵素失活
- 非酵素性氧化與褐變反應
- Arrhenius 公式與溫度對反應速率的影響
- 氧氣溶解度對氧化反應的限制
- 維生素 C 的還原作用與酸鹼效應
茶葉中的兒茶素類物質可被氧化成 Quinone,Quinone 再經聚合形成深色的 Melanin,因此產生褐變:
維生素 C,即 Ascorbate,會將 Quinone 還原回較不易造成褐變的酚類物質;自身則被氧化成 Dehydroascorbate:
當維生素 C 消耗殆盡後,Quinone 無法被有效還原,褐變便會明顯發生。
解題方法
一、茶葉褐變的反應機制
綠茶製程使用高溫使 Polyphenol oxidase 失活,因此兒茶素不易被酵素氧化,Quinone 濃度維持低值,茶湯保持翠綠色。
烏龍茶製程保留較多酵素作用,使兒茶素先被氧化成 Quinone。當茶葉中的維生素 C 尚未耗盡時,Quinone 會被還原;當維生素 C 用完後,Quinone 便累積並聚合成有色物質,形成褐變。
小明使用已製成的烏龍茶泡茶時,酵素已在製茶過程中失活,因此後續褐變不是 Polyphenol oxidase 直接催化,而是下列因素造成的非酵素性褐變:
- 殘留兒茶素與氧氣持續進行化學氧化;
- 已形成的 Quinone 持續聚合;
- 維生素 C 持續被消耗;
- 茶中其他還原性物質逐漸失效。
因此,酵素失活只代表酵素催化路徑停止,並不代表所有氧化反應停止。
二、為何 比 褐變快?
在氧氣供應充足、反應物濃度相近的條件下,化學反應速率可用 Arrhenius 公式表示:
其中:
- :反應速率常數;
- :頻率因子;
- :活化能;
- :氣體常數;
- :絕對溫度。
溫度由 升至 時,絕對溫度由約 升至 。較高溫度使具有足夠能量越過活化能障礙的分子比例增加,因此非酵素性氧化與 Quinone 聚合加快。
若將褐變速率視為反應速率,且假設其他條件相同:
由兩點式 Arrhenius 公式:
因此:
此數值是由褐變速率反推的表觀活化能,因為實際褐變包含氧化、還原、聚合及物質耗盡等多個步驟。
第 4 題
小明越想越頭痛吃了顆普拿疼,錠劑在胃內崩解後主成分Paracetamol 於腸道以一定速度()被吸收,
於兩小時內血中達到峰值濃度20 µg/ml,頭痛獲得緩解。但是,Paracetamol於生理pH (7.45)中屬於脂溶性,
所以,肝臟進行如下圖三種類的 Biotransformation,將它轉化成水溶性物質由腎臟迅速排除。其中,速率
常數為的代謝路徑,是誘發肝毒性的主因。
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(圖示顯示 Paracetamol 經過 Glucuronidation ()、N-Hydroxylation and Sulfation ()、NAPQI rearrangement () 等代謝途徑,其中 路徑產生有毒的代謝物,可能與 Toxic reactions with proteins and nucleic acids 相關。)
Biotransformation of paracetamol in liver
所以,好景不常,超過4小時後,小明頭又痛了,此時血中濃度(C)降為10 µg/ml。
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(圖示為血中濃度 C(t) 隨時間 t 的曲線圖,在 t=0 時約為 0,在 t=2 時達到峰值 20 µg/ml,然後下降,在 t=4 時降至 10 µg/ml。)
Plasma concentration of paracetamol after oral administration
在請問藥學專家後,專家說普拿疼半衰期只有約2小時,你可以試試普拿疼長效錠。然後給他一個微
分方程式,說剛開始吃藥後腸道還有普拿疼時血中濃度變化如下式:
若腸道沒有普拿疼時:
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題考查一室模型藥物動力學:
- 腸道以固定速率吸收藥物,輸入速率為 。
- 肝臟三條代謝途徑皆視為一階反應,總消除速率常數為
其中 為產生肝毒性代謝物的途徑。
藥物半衰期與總消除速率常數的關係為
解題方法
一、求總消除速率常數
題目給定普拿疼半衰期約為 小時,因此
所以
二、腸道仍有藥物時的濃度方程式
令
則微分方程式為
初始服藥時可視為 。此方程式的解為
若腸道持續以固定速率供藥,血中濃度會逐漸接近穩態濃度
三、利用兩小時達到峰值求
題目指出兩小時內達到峰值濃度 。在峰值處,
代入原微分方程式:
因此
代入
得到
因此,固定吸收速率所對應的濃度輸入項為
第 5 題
小明百思不解,找化工系同學用 Laplace transformation 分別解得:
有一天,小明頭又痛了,看了方程式心理更是霧煞煞。於是,吃了顆普拿疼,配了杯濃茶................
請定性或定量回答以下問題
(16) 如何減低蘋果的褐變過程? (6分)
(17) 如何評估日本煎茶的新鮮度? (6分)
(18) 烏龍茶的萎凋過程中不時翻動茶葉的作用是什麼? (6分)
(19) 烏龍茶有分輕度發酵的如包種、中度發酵的如四季春與高山烏龍、與重度發酵的如鐵觀音。請問如何
以化學方法區分之? (6分)
(20) 如果烏龍茶的化學性褐變速度合乎 Arrhenius expression的推測,試計算其活化能? (6分)
(21) 使用沸騰過的熱水萃取後的烏龍茶,為何褐變速度反而低於用85度C的水來萃取? (6分)
(22) 為何於茶中擠入檸檬會逆轉褐變過程? (5分)
(23) 的單位為何? (6分)
(24) 約等於多少? (6分)
(25) 小明發現吃普拿疼配茶,可以讓普拿疼藥效超過5小時,請問是哪個速率常數發生怎樣的改變?試繪
出吃普拿疼配茶與配開水後的血中濃度變化曲線,並比較之。(6分)
(26) 藥劑師說阿斯匹靈傷胃、不宜配茶。普拿疼傷肝,但配茶卻可以減低普拿疼對肝臟的傷害。為什麼?
(5分)
(27) 小明改天吃了普拿疼長效錠,藥效維持12小時,請問是哪個速率常數發生怎樣的改變?試繪出
一般普拿疼與普拿疼長效錠後的血中濃度變化曲線,並比較之。(6分)
登入後即可作答並保存紀錄。
本題為綜合題,涵蓋了前面幾頁的內容,主要為開放式問答題,需要結合化學、生物化學、藥物動力學等知識進行回答。由於是問答題,沒有標準的填空答案。以下針對部分可能與熱力學與反應工程相關的題目進行分析。
核心觀念與分析:
- 褐變反應 (16)-(22):
- 16. 減低蘋果褐變:主要方法是阻止 Polyphenol oxidase 活性或移除基質。例如:
- 物理方法:加熱(殺死酵素)、低溫儲存(減緩酵素活性)、真空包裝(移除氧氣)。
- 化學方法:添加抗氧化劑(如維生素 C、亞硫酸鹽)、添加酸(降低 pH,影響酵素活性)、添加螯合劑(移除銅離子,銅離子是某些褐變反應的輔助因子)。
- 17. 評估日本煎茶新鮮度:煎茶新鮮度主要看其翠綠色澤,表示褐變(茶多酚氧化)被抑制。評估方法可能包括:
- 感官評估:顏色、香氣、滋味。
- 化學分析:測定茶多酚含量、兒茶素含量、葉綠素含量,以及褐變產物(如醌類)的含量。新鮮茶葉的茶多酚含量高,褐變產物含量低。
- 18. 烏龍茶萎凋翻動作用:
- 均勻氧化:使茶葉內外受熱、受濕、氧化程度均勻,促進茶多酚氧化。
- 促進水分散失:幫助茶葉失水軟化,有利於後續製程。
- 排除揮發性物質:去除青草氣等不良氣味,有利於形成烏龍茶特有的香氣。
- 控制發酵程度:透過翻動的頻率和強度來控制酶促褐變的速率。
- 19. 區分烏龍茶發酵程度的化學方法:發酵程度主要影響茶多酚的氧化程度,生成不同種類和數量的類黑素(theaflavins, thearubigins 等)。
- 測定茶黃素 (Theaflavins) 和茶紅素 (Thearubigins) 的含量:輕度發酵(包種茶)茶黃素含量較高,重度發酵(鐵觀音)茶紅素含量較高。
- 總酚含量:發酵過程中總酚含量會降低。
- HPLC 分析:定量分析特定兒茶素、茶黃素、茶紅素等成分。
- 20. 計算活化能:題目假設烏龍茶的化學性褐變速度符合 Arrhenius expression。如果已知不同溫度下的褐變速率,就可以用 來計算 。
- 從上一頁的實驗數據:85°C 褐變速率是 25°C 的 3 倍。設 為 85°C 的速率, 為 25°C 的速率。
- 16. 減低蘋果褐變:主要方法是阻止 Polyphenol oxidase 活性或移除基質。例如: