114 年 國立臺灣大學生物化學暨分子生物學研究所《生化學》

此題主要在測試學生對乙醯輔酶A羧化酶（Acetyl-CoA carboxylase, ACC）的調控機制的了解。ACC是脂肪生成（lipogenesis）過程中的關鍵限速酶，其活性受到多重調控。

(A) ACC 是一個變構酶（allosteric enzyme），其活性受到檸檬酸（citrate）等變構效應物的調節。檸檬酸能促進 ACC 從不活性的二聚體（dimer）轉變為活性的多聚體（polymer），從而增加其活性。

此題同樣是關於乙醯輔酶A羧化酶（ACC）的調控，但要求選出錯誤的敘述。

(A) 這是正確的。檸檬酸（citrate）是 ACC 的變構活化劑，它能促進 ACC 從不活性的二聚體（dimer）轉變為活性的多聚體（polymer）。
(B) 這是錯誤的。長鏈醯基輔酶A（long-chain acyl-CoA）是 ACC 的變構抑制劑，它會抑制 ACC 的活性，但它主要是透過直接結合到酵素上抑制其活性，而不是透過促進酵素的磷酸化來使其失活。事實上，長鏈醯基輔酶A的抑制作用是獨立於磷酸化調控的。
(C) 這是正確的。長鏈醯基輔酶A（long-chain acyl-CoA）會促進三羧酸轉運蛋白（tricarboxylate transporter）的作用，該轉運蛋白負責將檸檬酸從粒線體運送到細胞質。在細胞質中，檸檬酸可以作為 ACC 的活化劑。然而，長鏈醯基輔酶A本身是脂肪酸合成的產物，其累積通常意味著細胞內的脂肪酸儲備充足，此時反而需要抑制脂肪酸的合成，因此長鏈醯基輔酶A的抑制作用（儘管機制複雜）是與檸檬酸促進 ACC 活性形成一種負回饋。此選項描述的是長鏈醯基輔酶A促進檸檬酸外運，這點本身是正確的，但其與 ACC 調控的整體關聯需更仔細分析。然而，相較於選項(B)明顯錯誤的機制描述，(C)的敘述是關於運輸蛋白，而非直接的酵素調控機制。

此題需要識別所提供的分子結構。該結構包含一個核糖環、三個磷酸基團、一個含氮鹼基（腺嘌呤）以及一個糖環上的羥基。

首先，我們觀察含氮鹼基。結構中的鹼基是腺嘌呤（adenine），這排除了 CTP 和 dCTP（它們的鹼基分別是胞嘧啶）。

此題要求繪製 ATP 的脫氧形式，即 dATP 的結構。由於題目在上一題中已經確定了分子結構為 ATP，因此這裡要求的是 ATP 的脫氧版本。

dATP 的結構與 ATP 相似，但其糖部分是脫氧核糖（deoxyribose）而不是核糖（ribose）。脫氧核糖與核糖的區別在於 2' 碳原子上。在核糖中，2' 碳原子連接有一個羥基（-OH）。而在脫氧核糖中，2' 碳原子上只有一個氫原子（-H）。

核心觀念

本題考查：

1. DNA 編碼股、mRNA 與胺基酸的對應關係。
2. 遺傳密碼的三聯體（codon）。
3. 起始密碼與終止密碼的判讀。

題目給出的胜肽序列為：

$$\text{Tyr–Pro–Tyr–Asp–Val–Pro–Asp–Tyr–Ala}$$

其單字母表示為：

$$\text{YPYDVPDYA}$$

若選項提供的是 DNA 編碼股，則只需將 DNA 中的 $T$ 視為 mRNA 中的 $U$，再依序查遺傳密碼表。DNA 編碼股的序列方向通常寫作 $5' \rightarrow 3'$。

解題方法

逐一將各選項分成三個鹼基一組，並將 DNA 編碼股轉換成相應的 mRNA codon：

$$\text{DNA 編碼股：} 5'-\text{DNA}-3'$$ $$\text{mRNA：} 5'-\text{RNA}-3'$$

兩者序列相同，僅有：

$$T \rightarrow U$$

目標胜肽的胺基酸順序是：

胺基酸	單字母	可用的 DNA 編碼股 codon
Tyr	Y	TAT、TAC
Pro	P	CCT、CCC、CCA、CCG
Asp	D	GAT、GAC
Val	V	GTT、GTC、GTA、GTG
Ala	A	GCT、GCC、GCA、GCG

因此，符合 $\text{YPYDVPDYA}$ 的 DNA 序列應依序符合：

$$\text{Tyr–Pro–Tyr–Asp–Val–Pro–Asp–Tyr–Ala}$$

選項分析

（A）ATG CCT TAC GAT GTG CCT GAT TAT GCT

依序翻譯為：

$$\text{Met–Pro–Tyr–Asp–Val–Pro–Asp–Tyr–Ala}$$

此題要求找出題目中某個序列的互補序列。由於題目連結到上一題，且上一題的選項 (D) 被確定為正確答案，我們需要確認「the sequence above」指的是哪個序列。通常情況下，這會是指上一題中被選為正確答案的 DNA 序列。

上一題正確答案的 DNA 序列是：TAC CCG TAT GAC GTC CCG GAC TAC GCG (5' to 3')

互補序列的規則是：

• A 配 T (DNA) 或 U (RNA)
• T 配 A
• G 配 C
• C 配 G

我們需要找出這個 DNA 序列的互補 DNA 序列。

原始 DNA 序列 (5' to 3'): TAC CCG TAT GAC GTC CCG GAC TAC GCG
互補鹼基配對：
T <-> A
A <-> T
C <-> G
G <-> C

將原始序列逐個鹼基進行互補配對：
T -> A
A -> T
C -> G
C -> G
C -> G
G -> C
T -> A
A -> T
T -> A
G -> C
A -> T
C -> G
G -> C
T -> A
C -> G
C -> G
G -> C
A -> T
C -> G
G -> C

所以，互補序列（5' to 3'）為：ATG GGC ATA CTG CAG GGC CTG ATG CGC

請注意，題目通常會要求互補序列的書寫方向。如果題目要求的是 3' to 5' 的互補序列，那麼上面的結果就是。但如果題目要求的是 5' to 3' 的互補序列，那麼我們需要將結果反轉。一般來說，DNA 序列都以 5' to 3' 表示。

核心觀念

一個胺基酸可由多種同義密碼子編碼。設某胺基酸的密碼子數目為其簡併度；若要以 DNA 探針涵蓋一段胜肽的所有可能編碼序列，所需探針數等於各胺基酸簡併度的乘積。

18 個核苷酸可編碼 6 個胺基酸，因為每個密碼子由 3 個核苷酸組成。相關胺基酸的簡併度為：

胺基酸	簡併度
Y（酪胺酸）	2
P（脯胺酸）	4
D（天門冬胺酸）	2
V（纈胺酸）	4
A（丙胺酸）	4

解題方法

將每個選項中各胺基酸的簡併度相乘，得到涵蓋該胜肽所有可能核酸編碼序列所需的探針數。探針數越少，越符合題意。

選項分析

(A) YPYDVP

含 2 個 Y、2 個 P、1 個 D、1 個 V：

$$2^2 \times 4^2 \times 2 \times 4 = 512$$

需 512 種探針。

(B) PYDVPD

核心觀念

本題考查長鏈脂肪酸進入粒線體進行 β-氧化時的「肉鹼穿梭系統（carnitine shuttle）」及肉鹼棕櫚醯基轉移酶-I（carnitine palmitoyltransferase-I, CPT-I）的功能與位置。

長鏈脂醯-CoA無法直接穿過粒線體內膜，必須先將脂醯基轉移至肉鹼，形成脂醯肉鹼，再藉由轉運蛋白進入粒線體基質。

CPT-I催化的反應為：

$$\text{長鏈脂醯-CoA}+\text{肉鹼} \rightleftharpoons \text{長鏈脂醯肉鹼}+\text{CoA-SH}$$

CPT-I位於粒線體外膜；形成的脂醯肉鹼再由內膜上的 carnitine-acylcarnitine translocase（CACT）運入基質，最後由 CPT-II 將脂醯基轉回 CoA，重新形成脂醯-CoA。

解題方法

判斷本題可分成兩個層次：

1. 先確認 CPT-I 的細胞定位。
2. 再確認各步驟的催化酵素與轉運蛋白是否混淆。

CPT-I負責「脂醯基由 CoA 轉移至肉鹼」，而不是負責跨膜運輸。跨越粒線體內膜的是 CACT，並非 CPT-I。

選項分析

(A) The enzyme is located in the inner mitochondrial membrane.

錯誤。CPT-I位於粒線體外膜的細胞質側，並非粒線體內膜。

粒線體內膜上的相關蛋白包括：

• CACT：交換運送脂醯肉鹼與游離肉鹼。
• CPT-II：位於內膜基質側，將脂醯基由肉鹼轉回 CoA。

本選項將 CPT-I 與 CPT-II 或 CACT 的位置混淆。

此題考驗對血小板（platelets）所產生並具有血管收縮（vasoconstriction）和血小板聚集（platelet aggregation）作用的物質的了解。

血小板是血液凝固和止血過程中的重要細胞，它們釋放多種生物活性物質，其中一些參與調節血管張力和血小板的聚集。

(A) 血管收縮素（Thromboxanes），特別是血栓素 A2（Thromboxane A2, TXA2），是由血小板合成和釋放的。TXA2 是一種強效的血管收縮劑，並且能極大地促進血小板的聚集和釋放反應，是血液凝固過程中的關鍵介質。

此題考驗對參與核酸合成的各種酶功能的理解。題目詢問哪個酶能以 RNA 作為模板合成 DNA。

(A) DNA 聚合酶（DNA polymerase）是以 DNA 作為模板合成 DNA 的酶。
(B) RNA 聚合酶 II（RNA polymerase II）是以 DNA 作為模板合成 mRNA 的酶。

此題考驗對蛋白質合成過程中各種 RNA 分子功能的理解。題目詢問哪個 RNA 分子負責將胺基酸轉運到正在生長的胜肽鏈上。

(A) 轉運 RNA（tRNA, transfer RNA）的結構包含一個反密碼子環（anticodon loop），可以與 mRNA 上的密碼子互補結合，同時在另一端攜帶特定的胺基酸。tRNA 的主要功能就是將細胞質中的胺基酸準確地運送到核糖體，並按照 mRNA 的指令添加到生長中的胜肽鏈上。
(B) 信使 RNA（mRNA, messenger RNA）攜帶 DNA 的遺傳密碼信息，作為模板指導蛋白質的合成。

此題考驗對真核生物轉錄起始過程中，RNA 聚合酶 II 的 C 端結構域（CTD）磷酸化及其與 TFIIH 酶的關係。

TFIIH 是一個轉錄因子，在真核生物的轉錄起始過程中起著重要作用。它具有解旋酶活性，可以解開 DNA 雙螺旋，並具有激酶活性，可以磷酸化 RNA 聚合酶 II 的 CTD。

此題考驗對真核生物轉錄調控中，轉錄因子與啟動子區域結合的知識。TATA 盒（TATA box）是許多真核生物基因啟動子區域的一個保守序列，通常位於轉錄起始點上游約 25-30 個鹼基對處。

TATA 結合蛋白（TBP, TATA-binding protein）是一種核心轉錄因子，它能夠特異性地識別並結合到 TATA 盒序列上。

此題考驗對核酶（ribozyme）功能的理解。核酶是具有催化活性的 RNA 分子。

核酶可以催化多種化學反應，其中最常見的是切割 RNA 分子。例如，核糖體中的 rRNA 具有核酶活性，可以催化胜肽鍵的形成。另外，一些內源性的 RNA 分子（如某些 المجموعة RNA）也具有自我切割或切割其他 RNA 的能力。

此題考驗對胺基酸（特別是離胺酸 Lysine）的酸鹼性質及其在不同 pH 值下的質子化狀態的理解。題目要求找出在何種 pH 值下，離胺酸主要呈現淨電荷為 +1 的結構，且羧基 (-COOH) 已去質子化。

離胺酸 (Lysine, Lys) 是一個帶正電的胺基酸，其結構包含一個 α-羧基 (-COOH)、一個 α-胺基 (-NH3+) 和一個側鏈的 ε-胺基 (-NH3+)。離胺酸有三個可離子化的基團，因此有三個 pKa 值：

• pKa1 (α-羧基): 約 2.18
• pKa2 (α-胺基): 約 8.95
• pKa3 (ε-胺基, 側鏈): 約 10.53

我們需要考慮在不同 pH 值下，這三個基團的質子化狀態：

• 當 pH < pKa 時，基團處於質子化狀態 (例如 -COOH, -NH3+)。
• 當 pH > pKa 時，基團處於去質子化狀態 (例如 -COO-, -NH2)。
• 當 pH = pKa 時，質子化和去質子化狀態各佔一半。

題目要求：

1. 羧基 (-COOH) 已去質子化，即 pH > pKa1 (2.18)。
2. 淨電荷為 +1。

我們來分析不同 pH 值下的離胺酸結構：

• pH 2:
  • pH < pKa1 (2.18)，α-COOH 質子化，為 -COOH。
  • pH < pKa2 (8.95)，α-NH3+ 質子化，為 -NH3+。
  • pH < pKa3 (10.53)，ε-NH3+ 質子化，為 -NH3+。
    結構：HOOC-CH(NH3+)-(CH2)4-NH3+。總電荷為 +1 + 1 = +2。

此題考驗對嘧啶核苷酸合成途徑中，天冬胺酸轉胺甲醯酶（Aspartate carbamoyltransferase, ATCase）的調控機制的了解，特別是終產物 CTP 的調控作用。

ATCase 是嘧啶合成途徑中的第一個限速酶，它催化天冬胺酸（aspartate）和胺甲醯磷酸（carbamoyl phosphate）反應生成 N-胺甲醯天冬胺酸（N-carbamoyl aspartate）。

題目指出，CTP（三磷酸胞苷）是該途徑的最終產物之一，並詢問 CTP 如何調控 ATCase 的活性。這是一個典型的產物抑制（product inhibition）的例子，其中終產物會反饋抑制該合成途徑的起始酶。

• 同型變構效應物（Homotropic effector）：指底物本身對酶活性的影響，通常是正向的（活化）。
• 異型變構效應物（Heterotropic effector）：指不同於底物的分子對酶活性的影響。

此題考驗對親和層析（affinity chromatography）原理的了解，特別是鎳離子螯合的親和樹脂（Ni-NTA Agarose）與胺基酸側鏈之間的相互作用。

Ni-NTA Agarose 是一種常用的親和層析介質，其中 NTA（nitrilotriacetic acid）作為螯合劑，能夠穩定地與鎳離子（Ni2+）結合。這種鎳離子被固定在瓊脂糖（agarose）基質上。

鎳離子（Ni2+）作為一個路易斯酸（Lewis acid），傾向於與路易斯鹼（Lewis base）配位。在胺基酸側鏈中，具有較強配位能力的通常是含有雜原子（如氮、氧、硫）的基團。

• 組胺酸（Histidine） 的咪唑環（imidazole ring）含有兩個氮原子，這兩個氮原子可以作為路易斯鹼，與金屬離子（如 Ni2+）形成穩定的配位鍵。

此題考驗對 Seahorse XFe Analyzer 測量氧消耗率（OCR）的理解及其在細胞代謝研究中的意義。

Seahorse XFe Analyzer 是一種用於測量細胞代謝活動的儀器，它通過測量細胞培養環境中溶解氧濃度的變化來評估細胞的耗氧速率。

• 粒線體氧化磷酸化（Mitochondrial oxidative phosphorylation）：這是細胞產生 ATP 的主要途徑，涉及電子傳遞鏈（electron transport chain, ETC）和 ATP 合成酶。電子傳遞鏈的最終電子受體是氧氣（O2），氧氣被還原成水。因此，氧氣的消耗率直接反映了氧化磷酸化的速率。

此題考驗對鞘脂（sphingolipids）結構組成的理解。鞘脂是一類重要的細胞膜脂質。

(A) 鞘脂的核心結構是神經鞘氨醇（sphingosine）骨架。當神經鞘氨醇與一個脂肪酸通過醯胺鍵（amide linkage）連接時，形成神經酰胺（ceramide）。許多鞘脂，如鞘磷脂（sphingomyelin）和腦苷脂（glycosphingolipids），都以神經酰胺為基礎結構。因此，這個敘述是正確的。

此題考驗對人體內甘油（glycerol）來源的理解。甘油是甘油三酯（triglycerides）的組成部分。

(A) 脂肪組織（adipose tissue）是人體儲存甘油三酯的主要場所。當身體需要能量時，脂肪組織會分解甘油三酯，釋放出脂肪酸和甘油。這個過程稱為脂肪分解（lipolysis）。甘油由於是水溶性的，會被釋放到血液中，並在肝臟中代謝。因此，脂肪組織的甘油三酯分解是甘油的主要來源之一。
(B) 肝臟可以通過糖質新生（gluconeogenesis）從非碳水化合物前體（如胺基酸、乳酸）合成葡萄糖。肝臟也能夠利用葡萄糖合成甘油。然而，作為人體甘油的「主要」來源，脂肪組織的分解更為顯著。

此題考驗對 DNA 合成（DNA replication）和 RNA 合成（transcription）之間關鍵差異的理解。

(A) DNA 聚合酶（DNA polymerase）需要一個 RNA 引物（primer）來起始 DNA 的合成，因為它不能從頭開始合成 DNA 鏈，必須在已有的 3'-OH 端添加核苷酸。RNA 聚合酶（RNA polymerase）則不需要引物，可以直接在 DNA 模板上從頭開始合成 RNA 鏈。因此，此敘述是正確的。
(B) DNA 合成比 RNA 合成更準確。DNA 聚合酶具有校對（proofreading）功能，可以通過 3'→5' 外切酶活性去除錯誤配對的核苷酸，大大降低了突變率。

核心觀念

本題考核苷酸結構的辨識，需區分：

• 含氮鹼基：cytosine
• 核苷：含氮鹼基＋五碳糖
• 核苷酸：核苷＋磷酸基

圖中可見：

1. 含氮鹼基為 cytosine。
2. 五碳糖的 $2'$ 碳接的是氫（$H$），不是羥基（$OH$），因此為 deoxyribose。
3. 圖中沒有磷酸基。

因此，此化合物是由 cytosine 與 deoxyribose 組成的去氧核糖核苷。

解題方法

先辨認鹼基，再觀察糖的種類與是否含磷酸：

• cytosine ＋ ribose ＝ cytidine
• cytosine ＋ deoxyribose ＝ deoxycytidine
• 再接上磷酸基，才會成為 deoxycytidylate。

本圖的糖環中，$2'$ 位標示為 $H$，$3'$ 位有 $OH$，符合 deoxyribose；同時未見磷酸基，所以名稱為 deoxycytidine。

選項分析

此題考驗對胺基酸在紫外-可見光譜（UV-Vis spectrophotometry）中吸光性質的理解。

在標準的紫外光譜（約 200-300 nm）中，大多數有機分子都會吸收紫外光。然而，某些胺基酸由於其側鏈結構，在特定波長下具有較強的吸光能力，這使得它們在蛋白質定量分析中尤為重要。

• 非極性胺基酸（Non-polar amino acids）：如烴鏈，它們的吸光能力較弱。
• 極性胺基酸（Polar amino acids）：如絲氨酸、蘇氨酸，它們的側鏈含有羥基或氨基，可以參與氫鍵，但其在紫外區的吸光能力也不突出。
• 芳香性胺基酸（Aromatic amino acids）：包括苯丙胺酸（Phenylalanine, Phe）、酪胺酸（Tyrosine, Tyr）和色胺酸（Tryptophan, Trp）。

此題考驗對脂肪組織（adipose tissue）中甘油 3-磷酸（glycerol 3-phosphate）來源的理解，以及其在三酰甘油（triacylglycerol, TAG）合成中的作用。TAG 是脂肪組織的主要儲存形式。

甘油 3-磷酸是合成 TAG 的關鍵前體。TAG 的合成需要甘油骨架和三個脂肪酸。

(A) 甘油激酶（glycerol kinase）催化甘油磷酸化生成甘油 3-磷酸。然而，脂肪組織中的甘油激酶活性非常低，或者說幾乎沒有。甘油激酶主要存在於肝臟和腎臟。因此，這不是脂肪組織中甘油 3-磷酸的主要來源。
(B) dihydroxyacetone phosphate (DHAP) 是糖解作用（glycolysis）的中間產物。

此題考驗對細胞膜信號轉導（signal transduction across the cell membrane）常見機制的了解，要求選出「不是」常見機制的選項。

細胞膜上的信號轉導機制通常涉及細胞膜受體與細胞外信號分子（如激素、神經遞質）結合，然後觸發細胞內一系列反應，最終改變細胞的行為。

(A) 離子通道偶聯受體（Ion channel-linked receptors）：這類受體結合配體後，會改變其構象，直接打開或關閉離子通道，允許特定離子通過細胞膜，從而改變細胞膜電位或離子濃度，觸發細胞反應。這是常見的信號轉導機制，例如神經遞質受體。

核心觀念

磷酸化（phosphorylation）是指將磷酸基團共價接至蛋白質特定胺基酸側鏈上的反應，屬於常見的翻譯後修飾（post-translational modification, PTM）。在真核細胞中，最常見的磷酸化位置是：

• Ser（絲胺酸）
• Thr（蘇胺酸）
• Tyr（酪胺酸）

磷酸基團在生理 pH 下通常帶有負電荷，因此磷酸化可能改變蛋白質的局部電荷分布、結合能力、穩定性、細胞定位與構形，進而調節蛋白質功能。但磷酸化的結果並非固定，一個蛋白質可能因此被活化、抑制，或幾乎不受影響。

解題方法

本題問的是「NOT true」，應逐一檢查各選項是否使用過度絕對的敘述，尤其注意 always（總是）這類關鍵字。

判斷原則如下：

1. 磷酸化是否為常見的翻譯後修飾？
2. 磷酸化的胺基酸位置是否主要為 Ser、Thr、Tyr？
3. 磷酸化造成的構形、電荷與功能變化是否「必然」發生？

只要選項宣稱磷酸化「總是」造成某種結果，而該結果並非所有蛋白質都具備，即可判定為錯誤。

選項分析

(A) Phosphorylation is a common post-translational modification.

此敘述正確。

磷酸化是細胞內最常見、最重要的翻譯後修飾之一，主要由 protein kinase 催化，並可由 protein phosphatase 移除磷酸基團。它廣泛參與細胞訊息傳遞、代謝調控、細胞週期、基因表現與肌肉收縮等作用。

(B) Phosphorylation always leads to a change in protein conformation and a decrease in protein charge.

此敘述錯誤。

第一，磷酸化不一定會造成整個蛋白質構形改變。有些磷酸化只改變局部化學環境或蛋白質與其他分子的結合能力，未必導致可觀察的整體構形變化。

第二，磷酸基團通常在生理 pH 下帶負電荷。磷酸化後，蛋白質的淨電荷通常會朝更負的方向改變，而不是一般意義上的「電荷減少」。若以數值表示電荷，負電荷增加可使淨電荷數值降低；

本題要求描述血紅蛋白（hemoglobin, Hb）的變構調控機制，以及這種調控如何促進其向組織輸送氧氣。

血紅蛋白的變構調控 (Allosteric Regulation of Hemoglobin)

血紅蛋白是一種四級結構蛋白質，由四個亞基組成（兩個 α-亞基和兩個 β-亞基）。每個亞基都包含一個血紅素輔基（heme group），其中包含一個鐵離子（Fe2+），能夠結合一個氧分子。血紅蛋白的氧結合特性表現出協同效應（cooperativity）。

1. 氧氣作為變構效應物 (Oxygen as an Allosteric Effector):

   • 當一個氧分子結合到血紅蛋白的一個亞基時，會引起該亞基構象的微小變化。
   • 這種構象變化會通過亞基之間的相互作用（通過蛋白質的 T 態和 R 態轉換）傳遞到其他亞基，使得其他亞基對氧氣的親和力增加。
   • 這就是協同結合（cooperative binding）的表現，其氧結合曲線呈 S 形（sigmoidal curve）。S 形曲線意味著在較低的氧分壓下，血紅蛋白對氧氣的親和力較低，而在較高的氧分壓下，親和力迅速增加。

2. 其他變構效應物 (Other Allosteric Effectors):

   • 2,3-二磷酸甘油酸 (2,3-Bisphosphoglycerate, 2,3-BPG): 2,3-BPG 是一種在紅細胞中含量豐富的代謝物。它結合在血紅蛋白四個亞基的中心空腔中，穩定 T 態（Tense state，低氧親和力狀態）。2,3-BPG 的結合降低了血紅蛋白對氧氣的親和力，促進氧氣從血紅蛋白釋放到組織。
   • 質子 (H+, pH): Bohr 效應指出，pH 值降低（即 H+ 濃度升高）會降低血紅蛋白對氧氣的親和力。

此題要求命名兩種酶，並解釋其名稱如何反映其功能或底物。這考驗學生對酶命名規則和基礎生物化學知識的掌握。

酶的命名通常遵循以下原則：

1. 根據底物命名（如：脲酶 urease - 水解尿素）。
2. 根據反應類型命名（如：氧化酶 oxidase - 催化氧化反應）。
3. 根據底物和反應類型結合命名（如：乳酸脫氫酶 lactate dehydrogenase - 在乳酸上進行脫氫反應）。
4. 有些酶有歷史名稱，不直接反映功能（如：胰蛋白酶 trypsin）。
5. 系統命名法則（Systematic names）非常詳細，但通常使用簡稱。

這裡我們選擇兩種常見且名稱能清晰反映其功能的酶：

酶一：DNA 聚合酶 (DNA polymerase)

• 名稱分析：
  • "DNA" 指明了該酶作用的底物或其合成的產物是 DNA。
  • "polymerase" 指明了該酶的功能是聚合反應（polymerization），即將單體（核苷酸）連接成聚合物（DNA 鏈）。
• 功能解釋： DNA 聚合酶負責以 DNA 為模板，催化脫氧核苷酸三磷酸（dNTPs）的聚合反應，合成新的 DNA 鏈。它在 DNA 複製和修復過程中起著至關重要的作用。

此題要求繪製一個示意圖，說明 G 蛋白偶聯受體（GPCR）的信號轉導通路。這是一個經典的細胞信號傳導模型。

GPCR 信號轉導通路示意圖繪製要點：

1. 細胞膜 (Cell Membrane): 繪製細胞膜的雙層結構。
2. GPCR (G-protein Coupled Receptor): 繪製一個跨膜七次的受體分子，通常表示為一個盤繞的結構。
3. 細胞外 (Extracellular Space): 繪製一個細胞外信號分子（配體，Ligand），如激素、神經遞質等。
4. 細胞內 (Cytoplasm): 繪製細胞質空間。
5. G 蛋白 (G protein): 繪製一個與細胞膜內側相連的 G 蛋白複合物，通常由 α、β、γ 三個亞基組成。在與受體相互作用前，α 亞基與 GDP 結合，整個 G 蛋白是失活狀態。
6. 效應分子 (Effector Molecule): 繪製一個細胞膜上的效應分子，如腺苷酸環化酶（Adenylyl cyclase, AC）或磷脂酶 C（Phospholipase C, PLC）。
7. 第二信使 (Second Messenger): 繪製產生的第二信使，如環腺苷酸（cAMP）或 IP3/DAG。
8. 下游效應蛋白 (Downstream Effector Protein): 繪製被第二信使激活的蛋白質，如蛋白激酶 A（PKA）或蛋白激酶 C（PKC）。
9. 細胞反應 (Cellular Response): 標示最終的細胞響應，如基因表達改變、離子通道開放、代謝改變等。

繪製步驟與標示：

1. 信號分子結合： 配體（Ligand）結合到細胞外的 GPCR 上。
2. 受體構象改變： 配體結合引起 GPCR 構象改變。
3. G 蛋白激活： 構象改變的 GPCR 與細胞內的 G 蛋白複合物相互作用。GDP 被 GTP 取代，Gα 亞基與 Gβγ 異二聚體分離。Gα-GTP 成為激活狀態。
4. 效應分子激活/抑制： 激活的 Gα-GTP 或 Gβγ 異二聚體移動到細胞膜上，與效應分子（如 AC 或 PLC）結合，激活或抑制它們。
   • 通過 AC 的通路： 激活的 Gαs 結合並激活腺苷酸環化酶（AC），AC 將 ATP 轉化為環腺苷酸（cAMP）。cAMP 作為第二信使。
   • 通過 PLC 的通路： 激活的 Gαq 結合並激活磷脂酶 C（PLC）。PLC 水解細胞膜上的磷脂 PIP2，產生 IP3 和 DAG。IP3 和 DAG 作為第二信使。

核心觀念

本題考查質體 pBR322 的功能元件與「插入失活」原理。$amp^R$ 與 $tet^R$ 分別帶有氨苄青黴素抗性與四環素抗性基因，可用來篩選含有質體的細菌；$ori$ 是複製起點，讓質體能在細菌中複製。

若外源 DNA 插入抗性基因內的限制酶切位點，該抗性基因會失去功能。比較細菌插入前後的抗性表現，即可辨認含重組質體的細菌。

解題方法

先依圖確認各序列的位置：$ori$ 位於複製起點區域；$BamHI$ 位點落在 $tet^R$ 基因內；$PstI$ 位點落在 $amp^R$ 基因內。接著依各元件功能配對：

題目特徵	配對描述
$amp^R$ sequence	(a)
$ori$ sequence	(c)
$tet^R$	(a)
$BamHI$ sequence	(e)
$PstI$ sequence	(e)

在 $BamHI$ 或 $PstI$ 位點插入外源 DNA，會分別破壞 $tet^R$ 或 $amp^R$，因此可依抗性改變辨認重組質體。

選項分析

• (a) permits selection of bacteria containing the plasmid：適用於 $amp^R$ 與 $tet^R$。 培養基加入相應抗生素後，只有帶有功能性抗性基因的細菌能生長，因此可篩選含質體的細菌。

核心觀念

PCR 需要一對引子，分別結合在目標 DNA 兩側的互補股上，且兩個引子的 $3'$ 端必須朝向待擴增區域：

• 左側為正向引子（forward primer）：序列與上股左端相同。
• 右側為反向引子（reverse primer）：序列必須是右端上股序列的反向互補序列。

圖中右端上股為：

$$5'-\text{CATACGGGATTGA}-3'$$

其反向互補序列為：

$$5'-\text{TCAATCCCGTATG}-3'$$

因此右側引子為選項 （8）。

解題方法

左側引子應與左端上股序列相同，並由左向右延伸；右側引子則須取右端序列的反向互補序列，使兩個引子的 $3'$ 端相對而指向中央待擴增區域。

依題目選項的設計，左側正向引子為：

$$5'-\text{GACCTGTCCAAGC}-3'$$

即選項 （1）；右側反向引子為：

$$5'-\text{TCAATCCCGTATG}-3'$$

此題考驗對大腸桿菌乳糖操縱子（Lac operon）的基因調控機制的理解，特別是 CAP 蛋白（catabolite activator protein）和 Lac 阻遏蛋白（Lac repressor）如何協同調控操縱子的啟動。

乳糖操縱子包含三個結構基因（lacZ, lacY, lacA），它們編碼乳糖代謝所需的酶，以及一個調節區，包括啟動子（promoter）、操縱子（operator）和一個單獨的調節基因（lacI，編碼 Lac 阻遏蛋白）。

關鍵調控因子：

1. Lac 阻遏蛋白 (Lac Repressor):

   • 由 lacI 基因編碼。
   • 在沒有乳糖存在時，Lac 阻遏蛋白會結合到操縱子區域，阻止 RNA 聚合酶結合到啟動子，從而關閉操縱子。
   • 當乳糖存在時，乳糖（或其異構體 allolactose）會與 Lac 阻遏蛋白結合，使其構象改變，從操縱子區域解離，從而允許 RNA 聚合酶結合並轉錄。

2. CAP 蛋白 (Catabolite Activator Protein):

   • CAP 是一種激活蛋白，需要與環腺苷酸（cAMP）結合才能發揮作用。cAMP 的濃度與葡萄糖濃度成反比。
   • 當葡萄糖濃度高時，cAMP 濃度低，CAP 處於失活狀態，無法結合到 CAP 結合位點。
   • 當葡萄糖濃度低時，cAMP 濃度高，cAMP 與 CAP 結合，激活 CAP。激活的 CAP 結合到啟動子區域的 CAP 結合位點，增強 RNA 聚合酶與啟動子的結合效率，從而大大促進轉錄。

四種情況分析：

圖中顯示了四種 CAP 和 Lac 阻遏蛋白在啟動子上的結合情況。我們需要根據葡萄糖和乳糖的存在與否，來判斷操縱子的啟動狀態（ON 或 OFF）。

基本原則：

• 乳糖不存在： 無論葡萄糖是否存在，Lac 阻遏蛋白都會結合到操縱子上，阻止轉錄。操縱子處於 OFF 狀態。
• 乳糖存在： Lac 阻遏蛋白解離。
  • 若同時葡萄糖濃度低（cAMP 高，CAP 激活）： 激活的 CAP 結合到 CAP 位點，增強 RNA 聚合酶的結合，操縱子處於 ON 狀態。
  • 若同時葡萄糖濃度高（cAMP 低，CAP 失活）： CAP 不結合，RNA 聚合酶結合效率不高，轉錄水平極低，接近 OFF 狀態。

對應圖示中的四種組合：

圖中的四個格子代表了 CAP 和 Lac 阻遏蛋白的結合狀態。
左側標示：Glucose (存在/不存在), Lactose (存在/不存在)
右側標示：Operon activity (ON/OFF)

格子 1：CAP 結合，Lac 阻遏蛋白結合

• CAP 結合意味著 cAMP 濃度高，即葡萄糖濃度低。
• Lac 阻遏蛋白結合意味著乳糖不存在。
• 情況： 葡萄糖不存在，乳糖不存在。
• 調控： 由於乳糖不存在，Lac 阻遏蛋白結合操縱子，阻止轉錄。儘管 CAP 結合可能增強 RNA 聚合酶結合，但阻遏蛋白的結合是絕對的阻斷。
• 結果： Operon OFF。
• 左側標示： Glucose absent, Lactose absent
• 右側標示： OFF

此題考驗對鹼基切除修復（Base Excision Repair, BER）過程的理解，特別是第一個斷裂的化學鍵。

鹼基切除修復（BER）是細胞修復 DNA 中受損或變性鹼基的主要途徑之一。這個過程涉及多個步驟，由不同的酶催化。

圖示顯示了一個典型的 BER 過程的起始階段。

1. DNA 糖苷酶 (DNA Glycosylase): 第一步是由 DNA 糖苷酶識別並切除受損的鹼基。DNA 糖苷酶的底物是 DNA 鏈中的一個錯誤或變性的鹼基。
2. 斷裂的鍵： DNA 糖苷酶通過切斷鹼基與脫氧核糖之間的 N-糖苷鍵 (N-glycosidic bond) 來移除受損的鹼基。

此題包含兩個部分：

1. 計算 DNA 複製所需的時間。
2. 解釋在某些條件下，大腸桿菌（E. coli）細胞分裂時間遠短於 DNA 複製時間的可能性。

第一部分：計算 DNA 複製所需時間

已知條件：

• E. coli 染色體大小：4,639,221 個鹼基對 (base pairs, bp)。
• 複製速度：1,000 個鹼基對/秒 (bp/s)。
• 複製起始點：1 個。
• 複製叉數量：2 個（從起始點向兩個方向同時進行）。

計算步驟：

1. 總複製長度： 染色體是雙鏈 DNA，但複製是沿著兩條鏈進行的。由於有兩個複製叉，它們會同時向相反方向移動，最終匯合。這意味著，兩個複製叉共同完成整個染色體的複製。

2. 每個複製叉需要複製的鹼基對數： 染色體總長度為 4,639,221 bp。由於有兩個複製叉，每個複製叉大約需要複製一半的長度。
   每個複製叉複製長度 ≈ 總長度 / 2 = 4,639,221 bp / 2 ≈ 2,319,610.5 bp。

3. 複製時間： 複製時間 = 複製長度 / 複製速度。
   複製時間 = 2,319,610.5 bp / 1,000 bp/s ≈ 2,319.6 秒。

4. 轉換為分鐘：
   複製時間（分鐘）= 2,319.6 秒 / 60 秒/分鐘 ≈ 38.66 分鐘。

第一部分的答案： 在兩個複製叉同時工作的情況下，複製 E. coli 染色體大約需要 38.7 分鐘。

第二部分：解釋 E. coli 細胞分裂時間遠短於 DNA 複製時間的可能性

已知條件：

• DNA 複製時間：約 38.7 分鐘。
• 在某些條件下，E. coli 細胞分裂時間：20 分鐘。

解釋：

E. coli 細胞可以在 20 分鐘內完成分裂，而 DNA 複製需要約 38.7 分鐘，這似乎是一個矛盾。然而，這在快速生長的細菌中是可能的，原因如下：

1. 連續複製 (Concurrent Replication Cycles / Overlapping Replication):
   • 細菌的細胞週期非常短，特別是在營養豐富的條件下。
   • DNA 複製並非在細胞分裂結束後才開始，而是可以在細胞分裂週期進行到一定階段（通常是 S 期）就開始。
   • 更重要的是，當細菌處於快速生長狀態時，新的複製週期可能在舊的複製週期完成之前就已經啟動。也就是說，當細胞還在複製上一輪的 DNA 時，細胞已經開始準備下一輪 DNA 的複製。