111 年 國立臺灣大學生化科學系碩士班《生物化學（C）》

此題旨在考察學生對新陳代謝基本概念的理解。

(A) 錯誤。葡萄糖轉化為丙酮酸是糖解作用（glycolysis）的過程。丙酮酸可以透過肝臟和腎臟中的葡萄糖新生作用（gluconeogenesis）重新轉化為葡萄糖。
(B) 錯誤。三酸甘油酯（triacylglycerols）分解產生的脂肪酸和甘油都可以被代謝利用。甘油可以進入糖解途徑或葡萄糖新生作用，提供能量或作為合成前驅物。
(C) 錯誤。

此題考察學生對氧化還原反應在代謝途徑中的作用，特別是 NAD+ 和 NADP+ 的區別。

在代謝過程中，氧化劑（oxidizing agent）接受電子而被還原，還原劑（reducing agent）失去電子而被氧化。

在分解代謝途徑（catabolic pathways）中，例如糖解作用和檸檬酸循環，底物會被氧化，釋放出能量。這個過程需要氧化劑來接受電子。 NAD+ (煙鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸) 是最常見的電子接受者（氧化劑），它在接受電子後被還原成 NADH。

在合成代謝途徑（anabolic pathways）中，需要能量和還原力來合成較大的分子。 NADP+ (煙鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸) 則主要在合成代謝途徑中作為電子攜帶者，它提供電子（作為還原劑），被氧化成 NADPH。 NADPH 在合成脂肪酸、類固醇、核苷酸等過程中提供還原力。

因此，在分解代謝中，NAD+ 作為氧化劑；在合成代謝中，NADPH 作為還原劑。題目問的是「____ is commonly used as an oxidizing agent in catab

此題考查脂質筏（lipid rafts）在細胞生物學中的功能。脂質筏是細胞膜上富含膽固醇和鞘磷脂的微網域，具有流動性，但相對穩定。

脂質筏的功能廣泛，包括：
(A) 細胞訊號傳遞 (cell signaling)：許多訊號傳導蛋白（如酪胺酸激酶、G蛋白偶聯受體）會聚集在脂質筏中，促進訊號的傳導和放大。

此題考查蛋白質結構與功能的關係，特別是膜蛋白的氨基酸組成。

膜蛋白可以分為周邊膜蛋白（peripheral membrane protein）和整合膜蛋白（integral membrane protein）。整合膜蛋白通常跨越脂質雙層，其跨膜區域主要由疏水性氨基酸組成，以與脂質雙層的疏水性尾部相互作用。周邊膜蛋白則附著在膜的表面，通常通過離子鍵或氫鍵與膜上的其他蛋白質或脂質結合，其氨基酸組成相對多樣，可能包含更多帶電的或極性的氨基酸。

題目詢問哪種氨基酸在整合膜蛋白中比例更高。整合膜蛋白的跨膜結構需要疏水性氨基酸來穩定其在脂質雙層中的位置。

此題考查抗病毒藥物的作用機制，以及病毒表面的蛋白質功能。

Oseltamivir (奧司他韋)，商品名 Tamiflu，是一種神經胺酶抑制劑（neuraminidase inhibitor）。它通過抑制流感病毒表面的神經胺酶（neuraminidase）的活性來發揮抗病毒作用。

神經胺酶的功能是切割細胞表面的唾液酸殘基，這使得新形成的病毒顆粒能夠從宿主細胞上脫離，並防止病毒顆粒之間發生聚集，從而促進病毒的傳播。通過抑制神經胺酶，Oseltamivir 可以阻止病毒從受感染的細胞中釋放，並減少病毒顆粒的聚集。

此題考查光合作用中光能的吸收範圍。

光合作用的關鍵在於光合色素（如葉綠素 a、葉綠素 b、類胡蘿蔔素）吸收光能，將其轉化為化學能。這些色素對不同波長的光有選擇性的吸收。

葉綠素主要吸收可見光譜中的藍綠光（約 430-450 nm 和 640-670 nm）和紅光（約 640-670 nm），而對綠光（約 500-560 nm）吸收較少，這也是植物葉片呈現綠色的原因。類胡蘿蔔素則主要吸收藍紫光和綠光。

此題考查穩態（homeostasis）的概念，特別是動態平衡。

生物體內許多分子或結構的濃度並非靜止不變，而是透過不斷的合成與分解來維持一個相對恆定的水平。這種狀態稱為動態穩態（dynamic steady state）。

(A) Exergonic change：指放熱反應，與維持穩定的機制無關。
(B) Equilibrium state：平衡態是指正反反應速率相等，淨變化為零，且通常發生在封閉系統中，系統的自由能最低。生物體是開放系統，持續與外界交換物質和能量，因此嚴格的平衡態較少見。

此題考查酶（酵素）作為生物催化劑的作用機制。

酶通過降低反應的活化能（activation energy）來顯著提高化學反應的速率。活化能是起始反應物達到過渡狀態（transition state）所需的最小能量。酶通過與底物結合形成酶-底物複合物，並穩定過渡狀態，從而降低了達到該狀態所需的能量。

選項分析：
(A) decreasing the activation energy：正確。這是酶催化反應的核心機制。

此題考查單醣的結構，特別是 D-talose 的 β-異構體在 Haworth 投影式中的表示。

首先，我們需要了解 D-talose 的結構。D-talose 是一個己糖（aldohexose），其直鏈結構如下：
CHO
|
H-C-OH
|
HO-C-H
|
H-C-OH
|
H-C-OH
|
CH2OH

D-構型的標準是第五個手性碳（從醛基開始數）上，羥基（-OH）在右側。Talose 的特點是其 C-2 位上的構型與 glucose 相反（D-talose 的 C-2 位上，H 在右，OH 在左），而 C-3, C-4, C-5 位與 D-glucose 相同。

當形成環狀結構時，C-1 碳（醛基碳）成為一個新的手性中心，稱為異頭碳（anomeric carbon）。根據羥基在異頭碳上的位置，分為 α 和 β 兩種異構體。在 D-己糖中，β-異構體是指異頭碳上的羥基與 C-5 上的羥基（在直鏈形式中，D-構型的標誌）位於同側（通常在 Haworth 投影式中，異頭碳上的 -OH 在上方，而 C-5 上的 -CH2OH 在上方）。

D-talose 的 Haworth 投影式中，各個碳原子的取代基位置如下：

• C-1 (異頭碳): -OH 在右側（臨近 C-2）。在 Haworth 投影式中，通常 β-D-己糖的異頭碳上的 -OH 在上方。
• C-2: H 在左，OH 在右。
• C-3: H 在右，OH 在左。
• C-4: H 在左，OH 在右。
• C-5: H 在左，CH2OH 在右（上方）。
• C-6: CH2OH 在上方。

此題考查膽固醇（cholesterol）的生物合成途徑。

膽固醇的生物合成始於乙醯輔酶A（acetyl-CoA）。乙醯輔酶A首先縮合形成乙醯乙醯輔酶A（acetoacetyl-CoA），然後進一步與另一分子乙醯輔酶A反應形成 HMG-CoA（3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA）。HMG-CoA 是膽固醇合成途徑中的一個關鍵限速步驟的底物，它被還原成 mevalonate。

核心觀念

本題考查人類嘌呤（purine）分解代謝的終端路徑。嘌呤核苷酸中的腺嘌呤與鳥嘌呤，最終會分解為黃嘌呤（xanthine），再經黃嘌呤氧化酶（xanthine oxidase）生成尿酸（uric acid）。

主要路徑可整理如下：

在人類缺乏能將尿酸進一步分解為尿囊素（allantoin）的有效尿酸酶，因此尿酸是嘌呤分解後的主要終端產物，經腎臟排出。

解題方法

判斷嘌呤分解產物即可。嘌呤分解的共同中間產物是次黃嘌呤、黃嘌呤，最後形成尿酸：

因此，選項中與嘌呤分解路徑直接相關者為尿酸。雖然尿酸在嚴格定義下是人類嘌呤分解的終端產物，但在考題所稱的分解代謝路徑中，通常將其視為該路徑的下游代謝物，故選擇尿酸。

此題考查長鏈脂肪酸進入粒線體基質進行 β-氧化分解的運輸機制，即肉鹼穿梭（carnitine shuttle）。

長鏈脂肪酸（fatty acids with more than 12 carbons）無法直接穿過粒線體內膜。它們需要藉助一個特定的運輸系統。這個過程主要涉及以下幾個步驟和物質：

1. 活化: 在細胞質中，脂肪酸首先被輔酶A（coenzyme A, CoA）活化，形成醯基輔酶A（acyl-CoA）。這個反應需要消耗 ATP，生成 AMP 和 PPi。
   Acyl-CoA synthetase: Fatty acid + CoA + ATP → Acyl-CoA + AMP + PPi

2. 肉鹼的結合: 形成的長鏈醯基輔酶A（long-chain acyl-CoA）在粒線體外膜處，與肉鹼（carnitine）發生轉酯反應，形成醯基肉鹼（acylcarnitine）。這個反應由肉鹼棕櫚醯轉移酶 I (Carnitine palmitoyltransferase I, CPT I) 催化。CoA 被釋放出來。
   CPT I: Acyl-CoA + Carnitine → Acylcarnitine + CoA

3. 穿梭進入粒線體基質: 醯基肉鹼通過一個肉鹼-醯基肉鹼轉運蛋白（carnitine-acylcarnitine translocase, CACT）從粒線體外膜運輸到粒線體內膜的另一側（內膜間隙），然後再進入粒線體基質。

4. 釋放並重新結合 CoA: 在粒線體基質中，醯基肉鹼與細胞質中的 CoA 重新發生轉酯反應，釋放出醯基輔酶A（acyl-CoA）和肉鹼。這個反應由肉鹼棕櫚醯轉移酶 II (Carnitine palmitoyltransferase II, CPT II) 催化。
   CPT II: Acylcarnitine + CoA → Acyl-CoA + Carnitine

5. β-氧化: 進入粒線體基質的 Acyl-CoA 隨後進入 β-氧化途徑。

此題考查脂肪酸 β-氧化途徑中的中間產物。

β-氧化是脂肪酸分解產生乙醯輔酶A（acetyl-CoA）的過程，發生在粒線體基質或過氧化物酶體中。這個過程包含一系列重複的步驟，每次循環會從脂肪酸鏈的 β-碳原子處切下兩個碳原子，形成一個乙醯輔酶A分子，並產生一個還原型輔酶（NADH 和 FADH2）。

β-氧化循環的步驟包括：

1. 氧化: 形成 α,β-不飽和醯基輔酶A。由醯基輔酶A脫氫酶催化，產生 FADH2。
   R-CH2-CH2-CO-S-CoA → R-CH=CH-CO-S-CoA + FADH2

2. 水合: 在 α,β-不飽和醯基輔酶A 的雙鍵上加水，形成 β-羥基醯基輔酶A。由烯oyl-CoA 水合酶催化。
   R-CH=CH-CO-S-CoA + H2O → R-CH(OH)-CH2-CO-S-CoA

3. 再氧化: β-羥基醯基輔酶A 被氧化成 β-酮醯基輔酶A。由 β-羥基醯基輔酶A 脫氫酶催化，消耗 NAD+，產生 NADH。
   R-CH(OH)-CH2-CO-S-CoA + NAD+ → R-CO-CH2-CO-S-CoA + NADH + H+

4. 裂解: β-酮醯基輔酶A 被輔酶A（CoA）裂解，產生一個乙醯輔酶A（acetyl-CoA）和一個截短的醯基輔酶A，後者進入下一個 β-氧化循環。由 β-酮醯基輔酶A 硫解酶（thiolase）催化。
   R-CO-CH2-CO-S-CoA + CoA → R-CO-S-CoA + CH3-CO-S-CoA

我們需要找出一個符合這些步驟中某個中間產物的結構。

選項分析：
(A) CH3-(CH2)20-CO-COOH：這個結構是一個羧酸（-COOH），而不是醯基輔酶A（-CO-S-CoA）。β-氧化處理的是醯基輔酶A。

此題考查膳食脂肪的運輸。

膳食脂肪（主要是三酸甘油酯）在小腸被消化吸收後，會被重新組裝成三酸甘油酯，並與膽固醇、磷脂、蛋白質等組成一種脂蛋白複合物，稱為乳糜微粒（chylomicrons）。

乳糜微粒是將吸收的膳食脂肪從腸道運輸到身體其他組織（如脂肪組織、肌肉）的主要載體。它們通過淋巴系統進入血液循環，然後在組織中釋放脂肪酸供能量利用或儲存。

選項分析：
(A) VLDL (Very-low-density lipoprotein)：極低密度脂蛋白主要由肝臟合成，負責將肝臟合成的內源性三酸甘油酯運輸到外周組織。

核心觀念

本題考查「嘌呤（purine）從頭合成」時，各前驅物對嘌呤環原子的貢獻。

嘌呤環共有 5 個氮原子，其來源如下：

因此，能對每個嘌呤提供至少兩個氮原子的分子是 glutamine。

解題方法

判斷各選項是否為嘌呤環氮原子的來源即可。

在嘌呤從頭合成中：

1. Glutamine 的醯胺氮首先取代 PRPP 的焦磷酸，形成 5-phosphoribosylamine，提供嘌呤環的 N9。
2. 另一分子 glutamine 在 FGAR amidotransferase 反應中提供氮，形成 FGAM，最後成為嘌呤環的 N3。

所以 glutamine 總共提供嘌呤環的 N3 與 N9，共兩個氮原子。

選項分析

• (A) asparagine

  Asparagine 不是哺乳動物嘌呤從頭合成中嘌呤環氮原子的主要供體。嘌呤合成所需的醯胺氮由 glutamine 提供，而非 asparagine。

核心觀念

本題考查核糖核苷酸還原作用（ribonucleotide reduction）及核糖核苷酸還原酶（ribonucleotide reductase, RNR）的底物特異性。

DNA 合成所需的四種去氧核糖核苷酸，分別由對應的核糖核苷二磷酸還原而來：

RNR 的主要功能是將核糖核苷二磷酸（NDP）的 $2'$-OH 還原成氫，生成去氧核糖核苷二磷酸（dNDP）。在典型真核生物及多數細菌中，同一套核糖核苷酸還原酶系統能作用於 ADP、GDP、CDP 及 UDP 四種底物。

RNR 並不是為每一種核苷酸各配置一個完全獨立的酵素，而是透過變構調控控制不同底物的還原順序與比例，以維持四種 dNTP 的平衡。

解題方法

判斷本題的關鍵，是先列出 DNA 合成所需的四種 dNTP 前驅物：

接著判斷 RNR 對這四種底物的作用方式。典型 RNR 具有：

1. 催化部位（catalytic site）：負責進行核糖核苷酸的還原反應。
2. 底物特異性變構部位（specificity site）：依據已存在的核苷酸種類，調整下一個要還原的底物。
3. 活性調控部位（activity site）：常受 ATP 或 dATP 調節，以控制整體酵素活性。

因此，RNR 可處理四種核糖核苷二磷酸；不同底物的選擇主要由變構調控完成，而非由四個獨立酵素分工。

所以正確敘述是：

選項分析

（A）there is 1 enzyme for each of the 4 different nucleotides

錯誤。

此題考查莽草酸（chorismate）作為生物合成前驅物的用途。

莽草酸是莽草酸途徑（chorismate pathway）的關鍵中間產物，該途徑是植物、細菌和真菌合成芳香族氨基酸（苯丙胺酸、酪胺酸、色胺酸）以及其他重要芳香族化合物的起始點。

莽草酸可以通過分支途徑轉化為：

1. 苯丙胺酸 (phenylalanine) 和 酪胺酸 (tyrosine)：通過莽草酸與磷酸烯醇丙酮酸（PEP）反應，再經過一系列步驟生成。
2. 色胺酸 (tryptophan)：通過莽草酸與磷酸烯醇丙酮酸（PEP）和 3-脫氧-D-阿拉伯庚酮糖-7-磷酸（DAHP）反應，再經過一系列步驟生成。

核心觀念

轉胺作用（transamination）是將胺基酸的 $\alpha$-胺基，轉移至另一個 $\alpha$-酮酸上：

本反應通常由磷酸吡哆醛（PLP）依賴型轉胺酶催化，反應過程不直接產生游離氨。

解題方法

圖中左側分子具有：

• $\alpha$-胺基（$-NH_3^+$）
• $\alpha$-羧酸根（$-COO^-$）
• 側鏈為 $-(CH_2)_2-COO^-$

因此左側是麩胺酸（glutamate）。其胺基移除後，碳骨架變成 $\alpha$-酮戊二酸（$\alpha$-ketoglutarate）。

右側分子為丙酮酸（pyruvate），接受麩胺酸的胺基後，羰基碳轉變為 $\alpha$-胺基，形成丙胺酸（alanine）。

因此反應為：

選項分析

• (A) glutamine and pyruvate：錯誤。
  麩胺酸的胺基若轉移至丙酮酸，產物是丙胺酸，不是麩醯胺（glutamine）。

cAMP（環腺苷酸，cyclic adenosine monophosphate）是一種重要的細胞內第二信使分子。

它由腺苷三磷酸（ATP）在腺苷酸環化酶（adenylate cyclase）的作用下，通過脫去兩個磷酸基團並在核糖的 3' 和 5' 位碳原子之間形成環狀磷酸二酯鍵而生成。

電泳（electrophoresis）是一種利用帶電分子在電場中移動的差異來分離和分析這些分子的技術。

其基本原理是，當帶電分子（如 DNA、RNA、蛋白質）置於電場中時，它們會向著與其自身電荷相反的電極移動。移動的速度取決於多種因素，包括：

1. 分子電荷: 電荷越強，移動越快（在相同電場強度下）。
2. 分子大小和形狀: 分子越大或越複雜，在介質（如凝膠）中的移動速度越慢。

葡萄糖新生作用（gluconeogenesis）是指在非碳水化合物前體（如乳酸、丙酮酸、甘油、某些氨基酸）轉化為葡萄糖的代謝途徑。

這個過程主要發生在肝臟和腎臟中，是人體在飢餓或禁食狀態下維持血糖水平的重要機制。雖然葡萄糖新生作用與糖解作用（glycolysis）在許多步驟上是可逆的，但它需要消耗能量（ATP 和 GTP）和還原力（NADH），並涉及一些特殊的酶來繞過糖解作

(1) 影響大分子三維結構穩定性的非共價鍵（noncovalent interactions）主要包括：
* 氫鍵 (Hydrogen bonds)：由氫原子與電負性較強的原子（如氧、氮）之間形成的靜電吸引力。在蛋白質的 α-螺旋和 β-摺疊結構中，以及 DNA 的雙螺旋結構中，氫鍵起著關鍵作用。
* 離子鍵/靜電相互作用 (Ionic bonds / Electrostatic interactions)：帶相反電荷的基團之間通過靜電吸引力形成的鍵。例如，帶正電的胺基（-NH3+）和帶負電的羧基（-COO-）之間。
* 范德華力 (Van der Waals forces)：分子之間由於瞬時偶極引起的微弱吸引力。包括倫敦色散力（London dispersion forces）和偶極-偶極相互作用（dipole-dipole interactions）。這些力在分子緊密堆積時非常重要。
* 疏水相互作用 (Hydrophobic interactions)：非極性分子或基團在水性環境中傾向於聚集在一起，以最小化與水的接觸面積。這不是一個真正的「鍵」，而是水分子排斥非極性物質的結果，但它對蛋白質和脂質雙層的結構穩定性至關重要。

在輝瑞/BioNTech 和 Moderna 的 COVID-19 mRNA 疫苗中，脂質奈米顆粒（LNPs）是將 mRNA 遞送到細胞內的載體。這些 LNP 的核心成分之一是合成的「可電離陽離子脂質」（ionizable cationic lipid）。

這種脂質的可電離性是其發揮關鍵作用的原因：

1. pH 依賴性電荷: 在酸性環境（如 LNP 在體內遞送到細胞內體後，進入酸性的內體腔室）中，這些脂質可以質子化，帶上正電荷，呈現陽離子特性。
2. 與 mRNA 的結合: mRNA 本身帶有負電荷。在酸性環境中，帶正電荷的可電離陽離子脂質能夠與帶負電荷的 mRNA 緊密結合，形成穩定的 LNP 結構，保護 mRNA 免受降解。

氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）和光合磷酸化（photophosphorylation）都是通過電子傳遞鏈（electron transport chain, ETC）產生 ATP 的過程，但它們的能量來源和電子供體不同。

相似之處 (Similarities):

1. ATP 合成機制: 兩者都利用電子傳遞鏈中的質子梯度（proton gradient）來驅動 ATP 合成酶（ATP synthase）合成 ATP。電子傳遞鏈將電子從高能電子供體傳遞給最終電子受體，在此過程中將質子（H+）從基質/細胞質泵送到膜間隙/類囊體腔，建立質子動力勢。
2. 電子傳遞鏈 (ETC): 兩者都依賴於一系列蛋白質複合物（電子載體）來傳遞電子，並將電子能量轉化為質子梯度。
3. ATP 合成酶: 兩者都使用相同的 ATP 合成酶（F0F1-ATPase）來將質子流動的能量轉化為 ATP。
4. 質子梯度: 兩者都依賴於跨膜質子梯度來驅動 ATP 的合成（化學滲透偶聯，chemiosmotic coupling）。

差異之處 (Differences):

哺乳動物細胞中葡萄糖的主要代謝途徑和去向包括：

1. 糖解作用 (Glycolysis):

   • 這是葡萄糖最主要的分解代謝途徑，發生在細胞質中。
   • 一分子葡萄糖經過十步酶促反應，被分解為兩分子丙酮酸（pyruvate）。
   • 此過程淨生成 2 分子 ATP 和 2 分子 NADH。
   • 丙酮酸可以進入粒線體進行進一步氧化，或在無氧條件下轉化為乳酸（通過乳酸脫氫酶）或乙醇（在酵母菌等，哺乳動物不產生乙醇）。

2. 糖質新生作用 (Gluconeogenesis):

   • 在肝臟和腎臟細胞中，葡萄糖可以通過葡萄糖新生作用從非碳水化合物前體（如乳酸、丙酮酸、甘油、某些氨基酸）合成。
   • 這是一個合成代謝途徑，用於在飢餓或禁食狀態下維持血糖水平。

3. 糖原合成 (Glycogenesis):

   • 在肝臟和肌肉細胞中，葡萄糖可以被轉化為糖原（glycogen）儲存起來，作為葡萄糖的儲備形式。
   • 這個過程由糖原合成酶催化，需要消耗 ATP 和 UTP。

4. 己糖單磷酸途徑 (Pentose Phosphate Pathway, PPP):

   • 也稱為磷酸葡萄糖酸氧化途徑。
   • 發生在細胞質中，是葡萄糖代謝的另一條重要途徑。
   • 主要有兩個功能：

特異性活性（specific activity）是一個用於衡量酶純度的指標，特別是在酶學研究和生物化學純化過程中。

它被定義為：單位質量或單位摩爾的蛋白質所催化的反應速率。
通常表示為：
特異性活性 = 催化反應的酶總量 / 總蛋白質含量

或者更具體地，以單位酶活（U）除以總蛋白質質量（mg）來表示：
Specific Activity (U/mg) = Total enzyme activity (U) / Total protein content (mg)

• 單位酶活 (Unit of enzyme activity, U): 指在特定條件下，每分鐘能催化一微摩爾（μmol）底物轉化為產物的酶量。

轉胺反應（transamination reaction）的輔酶是吡醛磷酸（pyridoxal phosphate, PLP）。

核苷酸（nucleotides）及其衍生物在生物體內具有多種至關重要的功能：

1. 遺傳信息的攜帶和傳遞:

   • DNA 和 RNA 的單體: 核苷酸是構成脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）的基本單元。DNA 攜帶遺傳信息，RNA 參與遺傳信息的表達（mRNA, tRNA, rRNA）。
   • 核苷酸序列: 核苷酸的特定順序決定了基因序列，進而決定了蛋白質的氨基酸序列和生物體的性狀。

2. 能量代謝:

   • ATP (三磷酸腺苷): 是細胞內最主要的直接能量貨幣。ATP 的高能磷酸鍵水解釋放能量，為細胞的各種耗能過程提供動力（如肌肉收縮、主動運輸、生物合成）。
   • GTP (三磷酸鳥苷): 在蛋白質合成（起始、延伸）、G 蛋白訊號傳導、葡萄糖新生作用等過程中提供能量。
   • CTP (三磷酸胞苷): 在磷脂合成中提供能量。
   • UTP (三磷酸尿苷): 在醣胺聚醣（glycosaminoglycans）的合成中提供能量。

3. 輔酶 (Coenzymes):

   • NAD+ 和 NADP+ (煙鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸): 是重要的氧化還原輔酶，參與大多數細胞呼吸和代謝反應中的電子傳遞。NAD+ 主要參與分解代謝，NADP+ 主要參與合成代謝。

核心觀念

本題考查三個重點：

1. DNA 互補鹼基配對與反向平行排列

   • A（adenine）與 T（thymine）配對
   • G（guanine）與 C（cytosine）配對
   • DNA 雙股方向相反，一股為 $5' \to 3'$，另一股為 $3' \to 5'$。

2. DNA 回文序列（palindromic sequence）
   某段 DNA 由 $5' \to 3'$ 方向讀取時，等於其互補股由 $5' \to 3'$ 方向讀取的序列，也就是該序列等於自己的反向互補序列。

3. 回文序列的生物技術應用
   許多限制酶辨識特定的回文序列，並在特定位點切割 DNA，因此可用於基因選殖、DNA 分析與限制酶圖譜製作。

解題方法

（1）寫出互補序列

原序列為：

依照鹼基配對規則逐一配對：

因此，互補股若按照與原股相對的反向方向表示為：

若要求按照一般核酸序列慣例，以 $5' \to 3'$ 方向書寫，則必須將上述序列反向：

（2）判斷是否具有回文序列

原序列中第 2 至第 7 個鹼基為：

其互補股為：

將互補股改以 $5' \to 3'$ 方向讀取：

可見兩股由 $5' \to 3'$ 方向讀取時皆為 $\mathrm{GGATCC}$，因此：

是回文序列。

這也是限制酶 BamHI 所辨識的典型序列：

細胞通過多種機制來防止脂肪酸合成（biosynthesis）和脂肪酸氧化（oxidation）同時發生，從而避免能量的浪費，形成所謂的「徒勞循環」（futile cycle）。這主要通過對關鍵酶的調控來實現。

1. 細胞器的區隔 (Compartmentalization):

   • 脂肪酸合成 主要發生在細胞質（cytoplasm）中。
   • 脂肪酸氧化（β-氧化） 主要發生在粒線體基質（mitochondrial matrix）或過氧化物酶體（peroxisomes）中。
   • 由於這兩個過程發生在不同的細胞器中，它們的底物和酶之間無法直接接觸，這就從空間上阻止了它們同時進行。例如，長鏈脂肪酸需要通過肉鹼穿梭系統才能進入粒線體基質進行氧化，這個過程本身就受到調控。

2. 關鍵酶的變構調控 (Allosteric Regulation):

   • 脂肪酸合成的起始酶（如乙醯輔酶A羧化酶, Acetyl-CoA carboxylase, ACC）的活性受到代謝物的變構調節。
     • 檸檬酸鹽 (Citrate)：是脂肪酸合成的強正變構調節劑。當細胞能量充足，ATP 含量高，檸檬酸鹽在細胞質中積累時，它會激活 ACC，促進脂肪酸合成。
     • 長鏈醯基輔酶A (Long-chain acyl-CoA)：也是 ACC 的變構激活劑。
     • 棕櫚醯輔酶A (Palmitoyl-CoA)：是 ACC 的負變構調節劑，當合成的脂肪酸達到一定水平時，會抑制進一步的合成。
   • 脂肪酸氧化的關鍵酶（如肉鹼棕櫚醯轉移酶 I, Carnitine palmitoyltransferase I, CPT I）的活性也受到調節。

此題考查蛋白質的分離和鑑定技術，需要根據蛋白質的性質（pH、分子量、DNA 結合能力）來選擇合適的分離方法。

蛋白質性質總結:

• Protein 1: pI=5.1 (酸性), MW=35,000, 不結合 DNA。
• Protein 2: pI=9.3 (鹼性), MW=30,000, 結合 DNA。
• Protein 3: pI=5.8 (酸性), MW=160,000, 結合 DNA。
• Protein X: pI=5.3 (酸性), MW=40,000, 結合 DNA。

區分依據:

• pH 7.4 時的電荷: pI < 7.4 的蛋白質帶負電荷；pI > 7.4 的蛋白質帶正電荷。
  • Protein 1 (pI=5.1), Protein 3 (pI=5.8), Protein X (pI=5.3) 在 pH 7.4 時均帶負電荷（酸性蛋白質）。
  • Protein 2 (pI=9.3) 在 pH 7.4 時帶正電荷（鹼性蛋白質）。
• 分子量 (MW): 蛋白質的大小。
• DNA 結合能力: 蛋白質是否能與 DNA 結合。

(1) 分離 Protein X (pI=5.3, MW=40k, DNA binding+) 與 Protein 1 (pI=5.1, MW=35k, DNA binding-):
Protein X 和 Protein 1 在 pH 7.4 時都帶負電荷（pI 都小於 7.4），且分子量也比較接近。
主要區別在於 Protein 1 不結合 DNA，而 Protein X 結合 DNA。

• 親和層析 (Affinity Chromatography):

  • 可以利用 DNA 固相化載體進行親和層析。Protein X 會與 DNA 結合並被吸附在層析柱上，而 Protein 1 不結合 DNA，會直接流穿。
  • 這是一種非常有效的分離方法。

• 離子交換層析 (Ion-exchange Chromatography):

  • 在 pH 7.4 時，Protein X 和 Protein 1 都帶負電荷，因此可以使用陰離子交換層析。
  • 它們的 pI 值比較接近 (5.3 vs 5.1)，這意味著它們的負電荷密度也比較接近，僅憑離子交換層析可能較難完全分離，但可以通過優化梯度洗脫來嘗試。
  • 如果使用陽離子交換層析，由於它們都是負電荷，都不會結合。

• 尺寸排阻層析 (Size Exclusion Chromatography):

  • Protein X (MW=40k) 和 Protein 1 (MW=35k) 的分子量比較接近，用尺寸排阻層析分離難度較大。

因此，最合適的方法是利用 DNA 結合能力的差異進行親和層析。

【答案】(1) 親和層析 (Affinity Chromatography)，利用 DNA 固相化載體。
(2) 分離 Protein X (pI=5.3, MW=40k, DNA binding+) 與 Protein 2 (pI=9.3, MW=30k, DNA binding+):
Protein X 在 pH 7.4 時帶負電荷 (pI=5.3)，而 Protein 2 在 pH 7.4 時帶正電荷 (pI=9.3)。

• 離子交換層析 (Ion-exchange Chromatography):
  • 在 pH 7.4 時，使用陰離子交換層析柱（帶正電的固定相），Protein X 會被吸附，而 Protein 2 帶正電荷，可能不會被吸附或結合很弱。
  • 或者，使用陽離子交換層析柱（帶負電的固定相），Protein 2 會被吸附，而 Protein X 帶負電荷，也會被吸附。但由於它們的電荷和 pI 值差異很大，可以通过改變洗脫條件來分離。
  • 最簡單的方法是使用陰離子交換層析，Protein X (負電荷) 會被吸附，Protein 2 (正電荷) 則不會。
• 尺寸排阻層析 (Size Exclusion Chromatography):
  • Protein X (MW=40k) 和 Protein 2 (MW=30k) 的分子量有一定差異，可以使用尺寸排阻層析分離，較大的 Protein X 會先流出。
• DNA 親和層析:
  • Protein X 結合 DNA，Protein 2 也結合 DNA。如果使用 DNA 固相載體，兩者都會結合，難以分離。

最有效的方法是利用電荷差異進行離子交換層析。

【答案】(2) 離子交換層析 (Ion-exchange Chromatography)，利用電荷差異（pH 7.4 時，Protein X 帶負電，Protein 2 帶正電）。
(3) 分離 Protein X (pI=5.3, MW=40k, DNA binding+) 與 Protein 3 (pI=5.8, MW=160k, DNA binding+):
Protein X 和 Protein 3 在 pH 7.4 時都帶負電荷 (pI < 7.4)。
主要區別在於分子量：Protein X (MW=40k)，Protein 3 (MW=160k)。

• 尺寸排阻層析 (Size Exclusion Chromatography):
  • Protein 3 的分子量遠大於 Protein X。尺寸排阻層析可以根據分子大小來分離蛋白質，較大的 Protein 3 會先流出，較小的 Protein X 會後流出。
• 離子交換層析 (Ion-exchange Chromatography):
  • 兩者 pI 值都比較接近 (5.3 vs 5.8)，在 pH 7.4 時都帶負電荷，且負電荷密度也可能比較接近，僅憑離子交換層析分離難度較大。
• DNA 親和層析:
  • 兩者都結合 DNA，如果使用 DNA 固相載體，兩者都會結合，難以分離。

最有效的方法是利用分子量差異進行尺寸排阻層析。

【答案】(3) 尺寸排阻層析 (Size Exclusion Chromatography)，利用分子量差異（Protein X 為 40k, Protein 3 為 160k）。
(4) Protein X 和 Protein 3 無法分離的原因:
經過前面的分離策略後，Protein X 成功從 Protein 1 和 2 中分離出來，但無法與 Protein 3 分離。