112 年 國立臺灣大學生化科學系碩士班《生物化學（C）》

判斷一個化合物是否具有旋光性（optical activity），關鍵在於其分子結構是否為手性（chiral）或不對稱（asymmetric）。手性分子與其鏡像無法重疊，因此在偏振光下會產生旋轉。

(A) 碳水化合物：許多碳水化合物是手性的，但並非所有碳水化合物都具有旋光性（例如，某些二碳或三碳的糖醇）。
(B) 己糖（Hexose）：己糖是含有六個碳原子的糖類。許多己糖（如葡萄糖、果糖）是手性的，但並非所有己糖都具有旋光性，且並非所有具有旋光性的化合物都是己糖。

此題考驗核酸（DNA 和 RNA）的基本組成。DNA 和 RNA 都是由核苷酸聚合而成，核苷酸包含一個含氮鹼基、一個五碳醣和一個磷酸基。

DNA 的含氮鹼基有：腺嘌呤（Adenine, A）、鳥糞嘌呤（Guanine, G）、胞嘧啶（Cytosine, C）以及胸腺嘧啶（Thymine, T）。
RNA 的含氮鹼基有：腺嘌呤（Adenine, A）、鳥糞嘌呤（Guanine, G）、胞嘧啶（Cytosine, C）以及尿嘧啶（Uracil, U）。

此題考驗 Watson-Crick DNA 雙螺旋結構的特性，特別是關於鹼基對的配對。

(A) 糖苷鍵（glycosidic bond）是鹼基與脫氧核糖連接的鍵。A-T 和 G-C 鹼基對在雙螺旋結構中能穩定配對，是因為它們具有相似的寬度，這使得糖苷鍵與雙螺旋軸線的距離大致相同。這個距離的精確性對於維持雙螺旋的規則性至關重要，差異在幾個埃（angstroms）的十分之幾是符合實際情況的。
(B) 分子量：腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）的分子量與鳥糞嘌呤（G）和胞嘧啶（C）的分子量是不同的。因此，A-T 鹼基對與 G-C 鹼基對的分子量不相同。
(C) 氫鍵數量：A-T 鹼基對之間形成兩個氫鍵，而 G-C 鹼基對之間形成三個氫鍵。

此題考驗對 DNA 文庫（DNA library）的建構與應用的理解。DNA 文庫是將生物體基因組 DNA 的片段或特定來源的 DNA 片段，透過基因轉殖技術插入載體（如質體、噬菌體）並進行大量複製，以供研究的集合。

(A) 確定 DNA 序列在文庫中的位置：這是 DNA 文庫應用中的標準步驟。透過設計與目標序列互補的雜交探針（hybridization probe），可以在文庫中篩選出含有目標序列的重組體。此敘述適用。
(B) 基因組文庫 vs. cDNA 文庫用於基因表現：基因組文庫（Genomic library）包含生物體的所有基因，包括編碼區（exons）和非編碼區（introns）。cDNA 文庫（complementary DNA library）則是從 mRNA 反轉錄而來，只包含編碼區的 DNA 片段。基因的表現（expression）是指將 DNA 的資訊轉錄成 mRNA，再轉譯成蛋白質。

此題考驗維生素的生化來源，特別是與膽固醇（cholesterol）的關係。

膽固醇是一個類固醇（steroid）化合物，其結構為多個環狀結構組成。某些脂溶性維生素的生合成路徑與膽固醇有關。

(A) 維生素 A (Retinol)：主要來源是β-胡蘿蔔素（β-carotene）的裂解，β-胡蘿蔔素是類胡蘿蔔素，不直接來自膽固醇。
(B) 維生素 B12 (Cobalamin)：是一種複雜的含鈷化合物，主要由微生物合成，存在於動物性食物中，其結構與膽固醇無關。

此題考驗蛋白質結構與膜結合的知識，特別是跨膜 α-螺旋（transmembrane α-helix）的長度。

細胞膜的磷脂雙層（lipid bilayer）具有疏水性的內層和親水性的內外層。要形成一個跨越整個膜的 α-螺旋結構，該螺旋必須能夠與膜的疏水性核心區域相互作用。

α-螺旋的平均螺距（pitch）約為 3.6 個殘基/圈，每個殘基沿軸向延伸約 1.5 Å。
膜的厚度（磷脂雙層的疏水核心部分）大約是 20-30 Å（或 2-3 nm）。

核心觀念

Receptor enzymes（受體酵素）是兼具「受體」與「酵素」功能的膜蛋白，通常具有三個區域：

1. 細胞外配體結合區：辨識如生長因子、胰島素等 ligand。
2. 跨膜區段：將細胞外的訊號傳入細胞內。
3. 細胞質酵素活性區：配體結合後被活化，催化細胞質內蛋白質或其他受質的反應。

最典型的例子是 receptor tyrosine kinase（RTK）。配體結合會促使受體二聚化，進而活化細胞質側的 tyrosine kinase domain，使受體自身或下游蛋白質的酪胺酸殘基磷酸化：

$$\text{ATP}+\text{protein-Tyr} \rightarrow \text{ADP}+\text{protein-Tyr-P}$$

因此，受體酵素的「配體結合位置」通常在細胞外側，而「酵素活性位置」通常在細胞質側。

解題方法

本題可用「受體酵素的構造方向」判斷：

$$\text{細胞外 ligand} \rightarrow \text{細胞外結合區} \rightarrow \text{跨膜區} \rightarrow \text{細胞質酵素區} \rightarrow \text{細胞內受質}$$

配體本身的作用是啟動受體構形變化或二聚化，不是被受體酵素催化的主要受質。酵素活性區位於細胞質側，作用對象通常是細胞質中的蛋白質或小分子。

選項分析

(A) They are not usually membrane-associated proteins.

錯誤。受體酵素通常是膜相關蛋白，並且多為跨膜蛋白。其跨膜結構可將細胞外的配體訊號傳遞至細胞內的酵素區域。

此題考驗對糖解作用（Glycolysis）的理解。糖解作用是將葡萄糖（glucose）分解為丙酮酸（pyruvate）的代謝途徑，發生在細胞質中，是許多代謝途徑的起始階段。題目中提到它轉化為乳酸，這暗示了在無氧條件下的最終產物。

(A) 有氧代謝（Aerobic metabolism）：有氧代謝是指在有氧氣存在下進行的代謝過程，最終產物是二氧化碳和水，並產生大量 ATP。糖解作用本身可以在無氧或有氧條件下進行，但它只是有氧代謝的第一階段。將葡萄糖完全氧化到二氧化碳和水是需要有氧條件的。糖解作用本身並不是一個完整的有氧代謝。
(B) 合成代謝（Anabolic metabolism）：合成代謝是指將小分子物質合成為大分子物質的過程，通常需要消耗能量。糖解作用是將葡萄糖（一個六碳分子）分解成兩個丙酮酸（三個碳分子）的過程，這是一個分解代謝（catabolic metabolism）的過程，而不是合成代謝。
(C) 淨還原過程（A net reductive process）：糖解作用在淨結果上是將 NAD+ 還原成 NADH，同時將能量以 ATP 的形式釋放出來。

此題考驗維生素 B1（硫胺素，Thiamine）的生化功能，特別是其衍生物硫胺素焦磷酸（Thiamine pyrophosphate, TPP）作為輔酶參與的反應。TPP 是幾個關鍵酶的輔酶，尤其是在碳水化合物代謝中。

硫胺素（維生素 B1）在體內被轉化為其活性形式 TPP。TPP 是以下幾個重要酶的輔酶：

1. 丙酮酸脫羧酶（Pyruvate decarboxylase）：參與酒精發酵（在酵母菌中）。
2. 丙酮酸脫氫酶複合物（Pyruvate dehydrogenase complex）：將丙酮酸轉化為乙醯輔酶 A，是進入檸檬酸循環的關鍵步驟。
3. α-酮戊二酸脫氫酶複合物（α-Ketoglutarate dehydrogenase complex）：是檸檬酸循環（Krebs cycle）中的一個關鍵酶，催化 α-酮戊二酸轉化為琥珀醯輔酶 A。

缺乏硫胺素（TPP）會導致這些酶的活性降低，進而影響相應的代謝途徑。

我們來分析選項中的酶：
(A) Fumarase：催化富馬酸（fumarate）和水生成蘋果酸（malate）的反應，屬於檸檬酸循環的一部分。它不需要 TPP 作為輔酶。

此題考驗對粒線體內膜的物質運輸的理解，特別是脂肪酸代謝的相關分子。

粒線體內膜對大多數離子和極性分子是高度不透的，只有通過特定的轉運蛋白才能通過。

(A) 乙醯輔酶 A（Acetyl-CoA）：乙醯輔酶 A 是檸檬酸循環（Krebs cycle）的起始底物，主要在粒線體基質中產生。它不能直接穿過內膜。乙醯基需要通過檸檬酸循環進入循環，或者在某些情況下，乙醯輔酶 A 可以被轉化為檸檬酸，然後通過檸檬酸轉運蛋白進入細胞質，再被轉化回乙醯輔酶 A。
(B) 脂肪醯肉鹼（Fatty acyl-carnitine）：長鏈脂肪酸（fatty acyl-CoA）不能直接穿過粒線體內膜。它們需要通過一個稱為「肉鹼穿梭系統」（carnitine shuttle system）的機制運輸。

聚合酶鏈式反應（Polymerase Chain Reaction, PCR）是一種體外擴增特定 DNA 片段的技術。其基本原理是利用 DNA 聚合酶（DNA polymerase）以引物（primer）為起始點，在熱循環（thermal cycling）的條件下，對目標 DNA 序列進行指數級的複製。

PCR 的基本步驟包含三個主要階段，每個階段重複進行多個循環（通常 20-40 個循環）：

1. 變性（Denaturation）： 在高溫（約 94-98°C）下，將雙鏈 DNA 分子解開，形成單鏈 DNA。
2. 退火（Annealing）： 降低溫度（通常 50-65°C），使特異性引物（primer）能夠與模板 DNA 的單鏈上與之互補的區域結合。引物是短的 DNA 片段，其序列設計為包圍欲擴增的目標區域。
3. 延伸（Extension）： 升高溫度至 DNA 聚合酶的最適工作溫度（通常是 72°C，對於 Taq polymerase）。DNA 聚合酶從引物起始點開始，沿著模板 DNA 鏈合成新的互補 DNA 鏈。

每個循環後，目標 DNA 片段的數量會翻倍，經過多次循環後，目標序列會被大量擴增。

如果過量的模板 DNA 被使用，可能發生的情況：

醣蛋白（Glycoproteins）是指蛋白質與寡醣鏈（oligosaccharide chains）共價連接而成的分子。這些寡醣鏈（也稱為醣基，glycans）的添加過程稱為醣基化（glycosylation），通常發生在內質網和高爾基體中。寡醣鏈的結構和位置對蛋白質的結構和功能有著顯著的影響，原因如下：

如何影響蛋白質結構：

1. 構象穩定性（Conformational stability）： 寡醣鏈的極性和空間結構可以影響蛋白質的摺疊方式和最終構象。它們可以通過氫鍵、範德華力或離子相互作用與蛋白質骨架或側鏈相互作用，穩定蛋白質的三維結構。
2. 溶解度（Solubility）： 寡醣鏈通常是親水的，它們的存在可以增加蛋白質的整體親水性，提高其在水性環境中的溶解度，尤其對於分泌蛋白或膜蛋白而言。
3. 蛋白質摺疊和品質控制（Protein folding and quality control）： 在內質網中，寡醣鏈的形成是蛋白質摺疊和品質控制的關鍵信號。例如，在伴侶蛋白（chaperones）如 calnexin 和 calreticulin 的幫助下，寡醣鏈可以幫助蛋白質正確摺疊，並將未正確摺疊的蛋白質隔離，直到其摺疊正確或被降解。
4. 空間位阻（Steric hindrance）： 較大的寡醣鏈可以對蛋白質的某些區域產生空間位阻，影響其與其他分子的相互作用或其自身的構象變化。

為何影響蛋白質功能：

關鍵酶（key enzyme）在代謝途徑中扮演著調控速率的關鍵角色，其活性受到嚴格的調控，以確保細胞代謝的平衡。HMG-CoA 還原酶（HMG-CoA reductase）是膽固醇生物合成途徑中的限速酶，其活性受到多層次的調控，包括轉錄水平和蛋白質水平。

一、 轉錄水平的調控 (Transcriptional Regulation)：

這是對基因表現的起始階段進行調控，影響 mRNA 的合成量，進而影響蛋白質的合成量。

1. 轉錄因子（Transcription factors）：
   • SREBP（Sterol Regulatory Element-Binding Protein）： SREBP 是膽固醇合成途徑中最主要的轉錄因子。當細胞內膽固醇水平低時，SREBP 會被激活並進入細胞核，結合到 HMG-CoA 還原酶基因的啟動子區域（SRE - Sterol Regulatory Element），促進 HMG-CoA 還原酶 mRNA 的合成。當膽固醇水平升高時，SREBP 的活性受到抑制，從而降低 HMG-CoA 還原酶的合成。
   • 其他轉錄因子： 可能還有其他轉錄因子參與調節，與細胞的生理狀態（如生長、分化）相關。
2. mRNA 的穩定性： 轉錄後，mRNA 的穩定性也會影響蛋白質的合成量。某些信號或 RNA 結合蛋白可以影響 HMG-CoA 還原酶 mRNA 的降解速率。

總結轉錄水平調控： 膽固醇水平是主要的信號，通過 SREBP 等轉錄因子，調控 HMG-CoA 還原酶基因的轉錄活性，從而控制蛋白質的合成量。

二、 蛋白質水平的調控 (Protein Level Regulation)：

這是對已經合成的蛋白質進行調控，包括其活性、穩定性、降解速率等。

1. 共價修飾（Covalent Modification）：
   • 磷酸化/去磷酸化（Phosphorylation/Dephosphorylation）： HMG-

信號轉導（Signal transduction）是細胞接收外部信號並將其轉化為細胞內部響應的過程。信號轉導的關鍵組件是信號轉導器（signal transducers），也稱為受體（receptors）。這些受體的細胞定位與它們識別的信號分子的化學性質（親水性或疏水性）密切相關。根據信號分子的類型，主要有四類信號轉導器：

1. 細胞內受體 (Intracellular Receptors)：

• 信號分子性質： 這類受體識別的信號分子通常是高度疏水性的，能夠穿過細胞膜。典型的例子包括類固醇激素（如雌激素、睾酮、皮質醇）、甲狀腺激素以及維生素 D 等。
• 細胞定位： 這類受體位於細胞質或細胞核內。
• 作用機制： 當疏水性信號分子進入細胞後，與其細胞內受體結合。受體-信號複合物通常作為轉錄因子，直接結合到細胞核內的特定 DNA 序列（激素響應元件，HREs），調控靶基因的轉錄，進而影響蛋白質的合成，產生長期的細胞響應。

2. 細胞膜離子通道偶聯受體 (Ion Channel-Coupled Receptors)：

• 信號分子性質： 這類受體識別的信號分子通常是親水性的帶電離子或極性分子，它們無法穿過細胞膜。例如，神經遞質（如乙醯膽鹼、穀氨酸）和離子（如 Na+, K+, Ca2+, Cl-）。
• 細胞定位： 這類受體位於細胞膜上。
• 作用機制： 當親水性信號分子結合到細胞膜上的受體時，會引起受體結構的改變，從而打開或關閉細胞膜上的離子通道。這會改變細胞膜內外的離子濃度梯度，進而改變細胞膜的電位（產生電信號），影響細胞的興奮性或觸發其他細胞內事件。

3. 細胞膜酶聯受體 (Enzyme-Coupled Receptors)：

• 信號分子性質： 這類受體識別的信號分子通常是親水性的肽類或蛋白質，如生長因子（如 EGF, PDGF）、胰島素、細胞因子等。它們無法穿過細胞膜。

此題要求繪製五肽 "PNSKV" 的 Fisher 投影（Fisher projection）二維結構圖。Fisher 投影圖用於表示手性化合物的立體化學結構，特別是胺基酸。在 Fisher 投影中，手性碳原子通常位於交叉點，垂直線代表指向紙面後方的鍵，水平線代表指向紙面前方的鍵。

首先，我們需要確定五肽 "PNSKV" 的組成胺基酸及其順序：
P - Proline (脯胺酸)
N - Asparagine (天門冬醯胺)
S - Serine (絲胺酸)
K - Lysine (離胺酸)
V - Valine (纈胺酸)

胺基酸在生理 pH 下以兩性離子（zwitterion）形式存在，即胺基帶正電，羧基帶負電。在 Fisher 投影中，胺基通常在左側，羧基在右側，而 R 基團在下方。

1. 繪製各胺基酸的 Fisher 投影：

• 脯胺酸 (Proline, P)： 脯胺酸是一個環狀胺基酸。其結構較特殊，其側鏈的亞甲基連接到胺基的氮原子上，形成一個五元環。在 Fisher 投影中，其 α-碳原子是手性中心。

  • α-碳
  • 羧基 (-COOH) 在右側。
  • 胺基 (-NH-) 在左側 (注意：脯胺酸是仲胺，所以是 -NH-，而不是 -NH2)。
  • 側鏈（-CH2-CH2-CH2-）在下方。
  • 氫原子在上方（與羧基相對）。

• 天門冬醯胺 (Asparagine, N)：

  • α-碳
  • 羧基 (-COOH) 在右側。
  • 胺基 (-NH2) 在左側。
  • 側鏈 (-CH2-CONH2) 在下方。
  • 氫原子在上方。

• 絲胺酸 (Serine, S)：

  • α-碳
  • 羧基 (-COOH) 在右側。
  • 胺基 (-NH2) 在左側。
  • 側鏈 (-CH2OH) 在下方。
  • 氫原子在上方。

• 離胺酸 (Lysine, K)：

  • α-碳
  • 羧基 (-COOH) 在右側。
  • 胺基 (-NH2) 在左側。
  • 側鏈 (-CH2-CH2-CH2-CH2-NH2) 在下方。
  • 氫原子在上方。

• 纈胺酸 (Valine, V)：

  • α-碳
  • 羧基 (-COOH) 在右側。
  • 胺基 (-NH2) 在左側。
  • 側鏈 (-CH(CH3)2) 在下方。
  • 氫原子在上方。

2. 形成肽鍵 (Peptide Bond Formation)：

肽鍵是通過一個胺基酸的羧基與另一個胺基酸的胺基之間脫水縮合形成的。在五肽 PNSKV 中，肽鍵的順序是：
P(C-terminus) - N(N-terminus)
N(C-terminus) - S(N-terminus)
S(C-terminus) - K(N-terminus)
K(C-terminus) - V(N-terminus)

在 Fisher 投影中，肽鍵的形成會將羧基（右側）與胺基（左側）連接起來。

3. 繪製五肽 PNSKV 的 Fisher 投影：

我們從 N 端開始，到 C 端結束。

• N-端胺基酸：脯胺酸 (P)

  • 最上方是脯胺酸的 α-碳，其左側是 -NH- (來自環)，右側是 -COOH。
  • 脯胺酸的側鏈（環狀結構）在下方。

• 第二個胺基酸：天門冬醯胺 (N)

  • 在脯胺酸的 α-碳下方，與脯胺酸的羧基脫水形成肽鍵。
  • 其 N 端胺基 (-NH2) 在左側，α-碳在交叉點，右側是肽鍵的羰基 (-C=O)。
  • 天門冬醯胺的側鏈 (-CH2CONH2) 在下方。

• 第三個胺基酸：絲胺酸 (S)

  • 在天門冬醯胺的 α-碳下方，與其羧基脫水形成肽鍵。
  • 其 N 端胺基 (-NH2) 在左側，α-碳在交叉點，右側是肽鍵的羰基 (-C=O)。
  • 絲胺酸的側鏈 (-CH2OH) 在下方。

• 第四個胺基酸：離胺酸 (K)

  • 在絲胺酸的 α-碳下方，與其羧基脫水形成肽鍵。
  • 其 N 端胺基 (-NH2) 在左側，α-碳在交叉點，右側是肽鍵的羰基 (-C=O)。
  • 離胺酸的側鏈 (-CH2CH2CH2CH2NH2) 在下方。

• C-端胺基酸：纈胺酸 (V)

  • 在離胺酸的 α-碳下方，與其羧基脫水形成肽鍵。
  • 其 N 端胺基 (-NH2) 在左側，α-碳在交叉點，右側是肽鍵的羰基 (-C=O)。
  • 纈胺酸的側鏈 (-CH(CH3)2) 在下方。
  • 最下方是纈胺酸的游離羧基 (-COOH)。

繪製結構圖（純文字表示）：

      -NH-
       |
     O=C -- NH-
       |     |
     O=C -- NH-
       |     |
     O=C -- NH-
       |     |
     O=C -- NH-
       |     |
     O=C -- NH2
       |
      COOH

這是一個簡化的表示。更精確的 Fisher 投影需要畫出每個胺基酸的 α-碳及其連接的基團。

精確的 Fisher 投影結構圖：

(請注意：以下為文字模擬，實際繪圖需要使用化學結構繪圖軟體或手繪。)

脯胺酸 (Proline, P) - N-terminus
H
|
O=C -- NH-
| |
| |
N-----CH2
/ \ /
CH2 CH2
\ /
CH2

天門冬醯胺 (Asparagine, N)
H
|
O=C -- NH-
| |
| |
H CH2CONH2
|
COOH

絲胺酸 (Serine, S)
H
|
O=C -- NH-
| |
| |
H CH2OH
|
COOH

離胺酸 (Lysine, K)
H
|
O=C -- NH-
| |
| |
H CH2CH2CH2CH2NH2
|
COOH

纈胺酸 (Valine, V) - C-terminus
H
|
O=C -- NH2
| |
| |
H CH(CH3)2
|
COOH

將它們連接起來形成五肽 PNSKV：

從 N 端（脯胺酸）到 C 端（纈胺酸）。

1. 脯胺酸 (P)
   • 上方是其環狀結構的 -NH-。
   • 左側是 α-碳，右側是 -COOH。
   • 下方是其環狀側鏈。

此題考驗胺基酸脫羧反應合成神經傳導物質或生物胺的知識。脫羧反應是移除胺基酸中的羧基（-COOH）基團，通常會產生一個胺基（-NH2）基團。

(A) 多巴胺 (Dopamine)： 多巴胺是由兒茶酚胺（catecholamine）族群的神經傳導物質。其生物合成前體是酪胺酸（Tyrosine）。酪胺酸經過羥基化生成 L-DOPA，然後 L-DOPA 經過脫羧反應生成多巴胺。
* 前體胺基酸：酪胺酸 (Tyrosine)

(B) γ-胺基丁酸 (GABA)： GABA 是一種主要的抑制性神經傳導物質。它的前體是穀胺酸（Glutamate）。穀胺酸在穀胺酸脫羧酶（glutamate decarboxylase）的作用下，脫去 α-羧基，形成 γ-胺基丁酸。
* 前體胺基酸：穀胺酸 (Glutamate)

(C) 組織胺 (Histamine)： 組織胺是由組織胺酸（Histidine）脫羧反應產生的。組織胺酸在組織胺酸脫羧酶（histidine decarboxylase）的作用下，脫去羧基，形成組織胺。
* 前體胺基酸：組織胺酸 (Histidine)

(D) 血清素 (Serotonin)： 血清素（5-羥色胺）是一種重要的神經傳導物質。它的生物合成前體是色胺酸（Tryptophan）。色胺酸經過羥基化生成 5-羥色胺酸，然後 5-羥色胺酸經過脫羧反應生成血清素。
* 前體胺基酸：色胺酸 (Tryptophan)

此題考驗對不同類型蛋白酶（protease）的分類，特別是天冬胺酸蛋白酶（aspartic proteases）和半胱胺酸蛋白酶（cysteine proteases）。分類依據通常是其活性位點中起催化作用的關鍵胺基酸殘基。

1. 天冬胺酸蛋白酶 (Aspartic Proteases)：
這類蛋白酶的活性位點中，有兩個天冬胺酸（Aspartic acid）殘基參與催化反應。它們通常在酸性 pH 下活性最高。

• (A) Alanine aminopeptidase：是一種外肽酶，作用於蛋白質的 N 端，催化肽鍵水解。通常不是天冬胺酸蛋白酶。
• (B) Pepsin（胃蛋白酶）：是胃液中的主要蛋白酶，在酸性 pH 下活性很高，是典型的天冬胺酸蛋白酶。
• (C) Caspase 1：是一種半胱胺酸蛋白酶（cysteine protease），屬於細胞凋亡相關的酶。
• (D) Renin（腎素）：是一種水解血管緊張素原的酶，屬於天冬胺酸蛋白酶。它在腎臟中合成，參與調節血壓。
• (E) Elastase：是一種絲胺酸蛋白酶（serine protease），屬於胰蛋白酶家族。
• (F) Thrombin（凝血酶）：是一種絲胺酸蛋白酶，在血液凝固過程中起關鍵作用。
• (G) Trypsin（胰蛋白酶）：是一種絲胺酸蛋白酶，在消化過程中分解蛋白質。

肌肉肝醣磷酸化酶（Muscle glycogen phosphorylase）是肌肉中分解肝醣（glycogen）生成葡萄糖-1-磷酸（glucose-1-phosphate）的關鍵限速酶。它的活性受到可逆磷酸化（reversible phosphorylation）的調控，這是一個由訊息分子（如升糖素 glucagon）啟動的酶級聯反應。

當血糖水平降低時，升糖素（glucagon）會被釋放，它結合到肌肉細胞膜上的 G 蛋白偶聯受體（GPCR）。這個信號傳導過程如下：

1. 升糖素信號傳導：

   • 升糖素與細胞膜上的升糖素受體結合。
   • 受體激活細胞內的 G 蛋白（Gs）。
   • 激活的 Gs 蛋白激活腺苷酸環化酶（adenylyl cyclase）。
   • 腺苷酸環化酶催化 ATP 轉化為環腺苷酸（cAMP）。
   • cAMP 激活蛋白質激酶 A（PKA）。

2. PKA 介導的磷酸化級聯：

   • 磷酸化磷酸化酶激酶激酶（Phosphorylase kinase kinase, PhK kinase）： PKA 磷酸化並激活磷酸化酶激酶激酶（有時也稱為 PKA 自身，因為 PKA 就可以磷酸化磷酸化酶激酶）。
   • 磷酸化磷酸化酶激酶（Phosphorylase kinase, PhK）： 激活的磷酸化酶激酶激酶（或 PKA）進一步磷酸化磷酸化酶激酶（PhK）。

此題考驗生物化學中兩個重要的常數：平衡解離常數 ($K_D$) 和米氏常數 ($K_M$) 的定義。這兩個常數都用於描述分子間的結合親和力，但應用對象和定義略有不同。

1. 平衡解離常數 ($K_D$)：

• 定義： $K_D$ 用於描述蛋白質與其配體（ligand）之間結合的平衡解離常數。它代表了在達到結合平衡時，蛋白質-配體複合物解離成游離蛋白質和游離配體的速率常數之比。
• 數學表達式： 考慮一個簡單的結合反應：$P + L \rightleftharpoons PL$，其中 P 是蛋白質，L 是配體，PL 是蛋白質-配體複合物。
  $K_D = \frac{[P][L]}{[PL]}$
  其中 $[P]$ 是游離蛋白質的濃度，$[L]$ 是游離配體的濃度，$[PL]$ 是蛋白質-配體複合物的濃度。
• 親和力解釋： $K_D$ 值越小，表示解離常數越小，即複合物越穩定，蛋白質與配體之間的結合親和力越強。反之，$K_D$ 值越大，結合親和力越弱。

2. 米氏常數 ($K_M$)：

• 定義： $K_M$ 是酶動力學中的一個重要參數，它定義了在酶促反應中，當反應速率達到最大反應速率（$V_{max}$）一半時，底物（substrate）的濃度。
• 數學表達式： 根據米氏-孟騰（Michaelis-Menten）動力學模型：
  $v = \frac{V_{max}[S]}{K_M + [S]}$

此題考驗對常見藥物作用機制及其抑制的酶的認識。

(A) Fluorouracil (5-FU)： 5-FU 是一種含氟的嘧啶類似物，是重要的抗癌藥物。它通過干擾核酸合成來抑制癌細胞的生長。
* 作用機制： 5-FU 在體內轉化為活性代謝物，其中最重要的是 5,10-亞甲基四氫葉酸（5,10-methylenetetrahydrofolate）。這個代謝物會抑制 胸苷酸合成酶（Thymidylate synthase, TS）。胸苷酸合成酶是將 dUMP 轉化為 dTMP（胸腺嘧啶核苷酸）的關鍵酶，而 dTMP 是 DNA 合成所必需的。抑制 TS 會導致 dTMP 耗竭，進而抑制 DNA 合成。
* 抑制的酶： Thymidylate synthase (TS)

(B) Methotrexate (MTX)： MTX 是一種葉酸拮抗劑，也是一種抗癌和免疫抑制劑。
* 作用機制： MTX 的結構與葉酸（folic acid）非常相似，它可以競爭性地抑制 二氫葉酸還原酶（Dihydrofolate reductase, DHFR）。DHFR 是將二氫葉酸還原為四氫葉酸的關鍵酶，而四氫葉酸是合成嘌呤和嘧啶核苷酸（包括 dTMP）的重要輔酶。抑制 DHFR 會導致四氫葉酸的缺乏，進而阻礙 DNA 合成。
* 抑制的酶： Dihydrofolate reductase (DHFR)

(C) Acetaminophen (對乙醯氨基酚，撲熱息痛)： Acetaminophen 是一種常用的止痛和退燒藥。其確切的生化機制仍在研究中，但普遍認為它通過抑制中樞神經系統中的某些酶來發揮作用。
* 作用機制： Acetaminophen 的止痛和退燒作用可能與抑制環氧化酶（COX）的活性有關，尤其是在中樞神經系統中。然而，它的藥理學機制比 NSAIDs（如阿斯匹靈）更複雜，可能還涉及內源性大麻素系統和血清素能系統。對於其抑制的「特定」酶，最常被提及的是 環氧化酶（Cyclooxygenase, COX），尤其是在中樞神經系統中的作用，但它對 COX 的抑制效力不如 NSAIDs。

血紅蛋白（Hemoglobin, Hb）是一個典型的蛋白質，用於在紅細胞中運輸氧氣。它由四個亞基組成，每個亞基都包含一個血基質（heme）輔基。血紅蛋白的結構和功能是理解許多生物化學概念的絕佳範例。

(A) 輔基 (Prosthetic group)：

• 定義： 輔基是緊密結合於蛋白質的非蛋白質分子部分，對於蛋白質的正常結構或功能至關重要。它通常是通過共價鍵或強烈的非共價鍵（如離子鍵、氫鍵、范德華力）與蛋白質結合。
• 血紅蛋白的例子： 血紅蛋白的每個亞基都含有一分子血基質（heme）。血基質是一個環狀的卟啉環，中心結合一個鐵離子（Fe2+）。這個鐵離子能夠與氧氣分子結合。血基質是血紅蛋白結合氧氣功能的關鍵，沒有血基質，血紅蛋白就無法攜帶氧氣。因此，血基質就是血紅蛋白的輔基。

(B) 變構調控 (Allosteric regulation)：

• 定義： 變構調控是指一個分子（變構效應物，allosteric effector）結合到蛋白質的一個位點（變構位點，allosteric site），從而改變蛋白質在另一個位點（活性位點，active site）的活性或功能。這種調控通常發生在具有多個亞基的蛋白質中。
• 血紅蛋白的例子： 血紅蛋白的氧氣結合曲線呈「S」型（協同效應），這就是變構調控的體現。
  • 變構效應物： 氧氣（O2）、2,3-二磷酸甘油酸（2,3-BPG）、H+（pH 降低）、CO2。
  • 變構位點： 氧氣結合在血基質的鐵原子上。2,3-BPG 結合在四個亞基之間的縫隙中。
  • 功能影響： 當一個氧氣分子結合到一個亞基的血基質上時，會引起該亞基構象的微小變化，這個變化通過亞基之間的相互作用傳遞到其他亞基，使得其他亞基更容易結合氧氣。這就是氧氣的協同結合效應。
  • 2,3-BPG、H+ 和 CO2 則作為變構效應物，在組織中結合到血紅蛋白，它們降低血紅蛋白對氧氣的親和力，促進氧氣釋放給組織。這使得血紅蛋白能夠根據組織的氧氣需求來調節氧氣的運輸。

(C) 蛋白質四級結構 (Protein quaternary structure)：

• 定義： 四級結構是指由兩個或多個多肽鏈（亞基）通過非共價鍵（如離子鍵、氫鍵、范德華力）或在某些情況下通過二硫鍵連接而成的蛋白質複合物的空間排列。
• 血紅蛋白的例子： 血紅蛋白是由四個多肽鏈組成的蛋白質：兩個 α-珠蛋白鏈（α-globin）和兩個 β-珠蛋白鏈（β-globin）。這四個亞基（兩個 α 和兩個 β）以特定的三維方式組合在一起，形成一個緊密的四面體結構。這種亞基的排列方式就是血紅蛋白的四級結構。四級結構對於血紅蛋白的變構調節至關重要，因為亞基之間的相互作用允許氧氣結合的協同效應。

(D) 蛋白質異構體 (Protein isoform)：

• 定義： 蛋白質異構體是指由同一基因的不同剪接形式（alternative splicing）、不同的啟動子區域、或由不同的基因編碼，但具有相似或相關功能的蛋白質。

嘌呤（purines）和嘧啶（pyrimidines）是核酸（DNA 和 RNA）的基本組成單元，它們的從頭合成（de novo biosynthesis）是一個複雜的代謝途徑，需要消耗能量和多種前體分子。胺基酸和糖類的代謝缺陷會通過多種途徑影響嘌呤和嘧啶的從頭合成。

一、 影響嘌呤和嘧啶從頭合成的原因：

1. 能量供應不足：

   • 糖代謝缺陷： 嘌呤和嘧啶的從頭合成是高度耗能的過程，需要消耗大量的 ATP。糖代謝（如糖解作用、檸檬酸循環）是細胞 ATP 的主要來源。如果糖代謝發生缺陷（如葡萄糖攝取障礙、糖解酶缺乏），細胞 ATP 產量會顯著下降，從而直接限制了需要 ATP 參與的從頭合成反應（如 PRPP 合成、嘌呤環的形成等）。
   • 胺基酸代謝缺陷： 某些胺基酸（如丙胺酸、穀胺酸）也可以進入檸檬酸循環，為細胞提供能量。如果這些胺基酸的代謝受損，也會間接影響 ATP 的供應。

2. 關鍵前體分子供應不足：

   • PRPP (5-磷酸核糖-1-焦磷酸) 的合成： PRPP 是嘌呤和嘧啶從頭合成的共同起始物。PRPP 由核糖-5-磷酸（ribose-5-phosphate）通過 PRPP 合成酶（PRPP synthetase）催化合成。核糖-5-磷酸主要來自於磷酸戊糖途徑（pentose phosphate pathway, PPP），而 PPP 的底物葡萄糖-6-磷酸則來自於糖代謝。
     • 糖代謝缺陷： 如果葡萄糖-6-磷酸的供應不足，或者 PPP 的酶活性降低（如 G6PD 缺乏），將導致核糖-5-磷酸的產生減少，進而影響 PRPP 的合成。
   • 氮源供應不足： 嘌呤和嘧啶的環狀結構中含有氮原子，這些氮原子主要來自於胺基酸。
     • 胺基酸代謝缺陷： 構成嘌呤環的氮原子來源包括甘胺酸（ Glycine）的 α-胺基和 C2, C8 碳，天門冬胺酸（Aspartate）的 α-胺基和 C4 碳，以及穀胺醯胺（Glutamine）的醯胺基氮（N1, N3, N7）。構成嘧啶環的氮原子主要來自天冬胺酸（N1, C4, C5, C6）和穀胺醯胺（N3）。如果這些胺基酸的合成或攝取受損，將直接導致嘌呤和嘧啶從頭合成的氮源供應不足。