115 年 國立臺灣大學生物化學暨分子生物學研究所《生化學》

此題考查 Michaelis-Menten 動力學中的 Km 參數的意義。Km 是酶動力學中的一個重要參數，用於描述酶與受質結合的親和力。

• 核心觀念: Michaelis-Menten 方程式描述了酶促反應速率 ($v$) 與受質濃度 ($[S]$) 之間的關係：$v = \frac{V_{max}[S]}{K_m + [S]}$。其中，$V_{max}$ 是最大反應速率，$K_m$ 是 Michaelis 恆數。

• $K_m$ 的定義: 當反應速率 $v$ 為最大反應速率 $V_{max}$ 的一半時，此時的受質濃度即為 $K_m$。即 $v = \frac{1}{2}V_{max}$ 時，$[S] = K_m$。

此題考查絲胺酸蛋白酶 (serine proteases) 的催化三聯體 (catalytic triad)。

• 核心觀念: 絲胺酸蛋白酶是一類重要的酶，其催化活性中心含有絲胺酸 (serine) 殘基，並通常與另外兩個胺基酸殘基協同作用，形成催化三聯體。這三個胺基酸殘基在空間上排列接近，共同完成肽鍵的水解。

• 催化三聯體組成: 絲胺酸蛋白酶的催化三聯體通常由以下三個胺基酸組成：

  1. 絲胺酸 (Serine, Ser): 作為親核試劑攻擊肽鍵的羰基碳。
  2. 組胺酸 (Histidine, His): 作為鹼催化絲胺酸去質子化，使其成為更強的親核試劑，同時也作為酸催化羰基的質子化。

此題比較葡萄糖激酶 (Glucokinase) 和己糖激酶 (Hexokinase) 的差異。兩者都是將葡萄糖磷酸化為葡萄糖-6-磷酸 (glucose-6-phosphate) 的酶，但它們在特性上有所不同，這與它們在體內的生理功能有關。

• 核心觀念: 己糖激酶是細胞內普遍存在的酶，負責葡萄糖的第一步磷酸化。葡萄糖激酶則主要存在於肝臟和胰腺 β 細胞中，其特性使其在血糖調控中扮演特殊角色。

• 己糖激酶 (Hexokinase):

  • 廣泛存在於大多數組織中。
  • 對葡萄糖的 $K_m$ 值較低 (約 $10^{-5}$ M)，意味著它在較低的葡萄糖濃度下就能達到飽和，對葡萄糖有較高的親和力。
  • 其產物葡萄糖-6-磷酸會對其本身產生負回饋抑制。

• 葡萄糖激酶 (Glucokinase):

  • 主要存在於肝臟和胰腺 β 細胞。

此題探討丙胺酸 (Alanine) 在糖質新生 (gluconeogenesis) 中的關鍵作用。糖質新生是肝臟等器官合成葡萄糖的過程，尤其在禁食期間。

• 核心觀念: 丙胺酸是體內一種重要的胺基酸，其代謝途徑與葡萄糖代謝緊密相關。在肌肉等周邊組織中，丙胺酸可以作為一種轉運碳和氮的載體，將來自胺基酸分解的氮以及來自糖解的碳骨架運送到肝臟，參與糖質新生。

• 丙胺酸在糖質新生中的作用:

  1. ** the glucose-alanine cycle**: 肌肉在進行蛋白質分解時，會產生氨。這些氨會與丙酮酸 (pyruvate) 結合，形成丙胺酸，然後釋放到血液中。丙胺酸隨後被肝臟攝取。
  2. 轉運碳和氮: 在肝臟中，丙胺酸通過轉胺基作用 (transamination) 轉變回丙酮酸，同時釋放出氨。丙酮酸可以進入糖質新生途徑，轉變為葡萄糖。釋放的氨則可以進入尿素循環 (urea cycle)。

此題考查肝細胞 (hepatocytes) 與肌肉細胞 (muscle cells) 在釋放葡萄糖入血方面的關鍵酶差異。

• 核心觀念: 肝臟可以通過肝糖原分解和糖質新生來維持血糖濃度，並將葡萄糖釋放到血液中。肌肉細胞儲存的肝糖原主要供肌肉自身使用，不能直接釋放葡萄糖到血液。這種差異的關鍵在於酶的表達。

• 肝臟與肌肉的葡萄糖代謝差異:

  • 肝糖原分解: 肝臟和肌肉都含有肝糖原合成酶 (glycogen synthase) 和肝糖原磷酸化酶 (glycogen phosphorylase)。肝糖原磷酸化酶可以將肝糖原分解為葡萄糖-1-磷酸 (glucose-1-phosphate)。
  • 葡萄糖-6-磷酸的去磷酸化: 肝糖原分解或糖質新生產生的葡萄糖-6-磷酸，需要經過葡萄糖-6-磷酸酶 (glucose-6-phosphatase) 的作用，脫去磷酸基團，才能轉化為游離葡萄糖，然後運輸到血液中。
  • 酶的表達: 肝細胞表達葡萄糖-6-磷酸酶，而肌肉細胞不表達該酶。

此題考查脂蛋白脂肪酶 (lipoprotein lipase, LPL) 的輔因子。

• 核心觀念: 脂蛋白脂肪酶 (LPL) 是一種關鍵的酶，負責水解乳糜微粒 (chylomicrons) 和極低密度脂蛋白 (VLDL) 中的三酸甘油酯，釋放脂肪酸供組織利用。LPL 的活性需要特定的脂蛋白顆粒上的載脂蛋白 (apolipoproteins) 的協同作用。

• 載脂蛋白與 LPL 的關係:

  • LPL 的活化: LPL 的活性需要脂蛋白顆粒表面的某些載脂蛋白作為輔因子。其中，ApoC-II (apolipoprotein C-II) 是 LPL 最重要的活化劑。
  • ApoC-II 的作用: 當乳糜微粒和 VLDL 顆粒在血液循環中時，從高密度脂蛋白 (HDL) 轉移來的 ApoC-II 會結合到這些顆粒上，並與 LPL 結合，使其催化活性大大增強，從而有效地水解三酸甘油酯。

此題探討脂肪細胞 (adipocytes) 無法直接將甘油 (glycerol) 轉化為甘油-3-磷酸 (glycerol-3-phosphate) 的原因。

• 核心觀念: 甘油-3-磷酸是甘油三酯 (triglycerides) 合成的重要前驅物，也是磷脂 (phospholipids) 合成的前驅物。脂肪細胞需要合成大量甘油三酯來儲存脂肪。甘油的磷酸化是將其納入甘油三酯合成途徑的第一步。

• 甘油磷酸化途徑:

  • 在肝臟和脂肪細胞中，甘油的磷酸化通常由兩種酶催化：
    1. 甘油激酶 (Glycerol kinase): 這是專門將甘油磷酸化為甘油-3-磷酸的酶。此反應需要 ATP 作為磷酸供體：
       $\text{Glycerol} + \text{ATP} \xrightarrow{\text{Glycerol kinase}} \text{Glycerol-3-phosphate} + \text{ADP}$
    2. 己糖激酶 (Hexokinase): 在某些情況下，己糖激酶也能催化甘油的磷酸化，但其對甘油的親和力通常較低。

此題考查 5-磷酸核糖-1-焦磷酸 (5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate, PRPP) 在核苷酸生物合成中的主要功能。

• 核心觀念: PRPP 是核苷酸從頭合成 (de novo synthesis) 和補救合成 (salvage pathway) 中的一個關鍵中間代謝物。它提供了一個活化的核糖-5-磷酸骨架，以便與含氮鹼基連接，形成核苷酸。

• PRPP 的作用:

  1. 提供活化核糖骨架: PRPP 的結構是核糖-5-磷酸與焦磷酸基團連接。這個焦磷酸基團是一個良好的離去基團 (leaving group)，這使得核糖-5-磷酸部分能夠容易地與含氮鹼基（嘌呤或嘧啶）的某些前體連接。
  2. 參與嘌呤合成: 在嘌呤從頭合成途徑中，PRPP 首先與甘胺酸 (glycine) 的氨基反應，形成 N-(5-磷酸核糖)-甘胺酸，這是嘌呤環構建的第一步。

此題比較真核生物 mRNA (eukaryotic mRNA) 和原核生物 mRNA (prokaryotic mRNA) 的結構差異。

• 核心觀念: 真核生物和原核生物的基因結構和基因表達調控機制有顯著差異，這反映在它們的 mRNA 分子上。

• 真核生物 mRNA 的特點:

  1. 5' 帽 (5' cap): 在 mRNA 的 5' 端有一個特殊的結構，通常是 7-甲基鳥苷 (7-methylguanosine) 通過 5'-5' 三磷酸鍵連接。5' 帽對於 mRNA 的穩定性、從細胞核運輸到細胞質以及起始翻譯都至關重要。
  2. 聚腺苷酸尾 (poly(A) tail): 在 mRNA 的 3' 端有一段由約 50-250 個腺苷酸組成的尾巴。聚腺苷酸尾有助於 mRNA 的穩定性、運輸和翻譯效率。
  3. 單順反子 (monocistronic): 真核生物的 mRNA 通常只編碼一種蛋白質。
  4. 剪接 (splicing): 真核生物的前 mRNA (pre-mRNA) 需要經過剪接，去除內含子 (introns)，連接外顯子 (exons)，才能形成成熟的 mRNA。

• 原核生物 mRNA 的特點:

  1. 無 5' 帽和 3' 聚腺苷酸尾: 原核生物的 mRNA 通常沒有這些結構。

此題考查神經鞘磷脂 (sphingomyelin) 合成所需的脂質前體。

• 核心觀念: 神經鞘磷脂是細胞膜中一種重要的鞘脂 (sphingolipid)，尤其在神經組織中含量豐富。它的合成是一個多步驟的過程，需要特定的前體分子。

• 神經鞘磷脂的結構: 神經鞘磷脂的結構與磷脂相似，但其疏水尾部的一個組成為神經鞘氨醇 (sphingosine)，而不是甘油。其結構可以表示為：神經鞘氨醇 + 脂肪酸 + 磷酸膽鹼 (phosphocholine)。

• 神經鞘磷脂的合成途徑:

  1. 合成神經鞘氨醇 (Sphingosine): 在內質網 (ER) 中，由絲胺酸 (serine) 和棕櫚醯輔酶A (palmitoyl-CoA) 開始合成。
  2. 合成神經酰胺 (Ceramide): 神經鞘氨醇與另一個脂肪酸（通過脂肪醯輔酶A，fattyl-CoA）在內質網中通過 N-酰化反應生成神經酰胺 (ceramide)。

此題考查胎兒血紅蛋白 (fetal hemoglobin, HbF) 與成人血紅蛋白 (adult hemoglobin, HbA) 結合氧氣親和力差異的原因。

• 核心觀念: 胎兒血紅蛋白在胎兒發育和出生後的早期階段扮演重要角色，它能更有效地從母體血紅蛋白 (HbA) 中獲取氧氣。這種差異的產生是由於它們與 2,3-雙磷酸甘油 (2,3-bisphosphoglycerate, 2,3-BPG) 的結合能力不同。

• 血紅蛋白的結構與功能:

  • HbA: 主要由兩個 α 鏈和兩個 β 鏈組成 ($α_2β_2$)。
  • HbF: 主要由兩個 α 鏈和兩個 γ 鏈組成 ($α_2γ_2$)。

• 2,3-BPG 的作用: 2,3-BPG 是一種在紅細胞中發現的代謝物，它能夠結合到血紅蛋白去氧形式 (deoxyhemoglobin) 的中心腔隙中，穩定去氧構象，從而降低血紅蛋白對氧氣的親和力，促進氧氣從母體釋放給胎兒。

此題考查脂肪酸合成 (fatty acid synthesis) 所需的主要還原當量。

• 核心觀念: 脂肪酸合成是細胞將乙醯輔酶A (acetyl-CoA) 轉化為長鏈脂肪酸的過程。這個過程是一個還原過程，需要還原當量來提供電子。

• 脂肪酸合成的反應: 脂肪酸合成的主要步驟包括：

  1. 乙醯輔酶A羧化酶 (Acetyl-CoA carboxylase, ACC): 將乙醯輔酶A轉化為丙二醯輔酶A (malonyl-CoA)。此反應需要 ATP 和生物素 (biotin)。
  2. 脂肪酸合成酶複合物 (Fatty acid synthase complex): 催化一系列反應，包括：
     • 乙醯基和丙二醯基的轉移。
     • 還原反應: 脂肪酸鏈的延長過程中，會發生酮基的還原和烯基的還原。

此題考查磷酸戊糖途徑 (pentose phosphate pathway, PPP) 的氧化階段的主要產物。

• 核心觀念: 磷酸戊糖途徑是一個在細胞質中進行的代謝途徑，與醣解 (glycolysis) 平行。它有兩個主要階段：氧化階段和非氧化階段。氧化階段是不可逆的，主要產生 NADPH 和一種五碳糖。

• 氧化階段的反應:

  1. 葡萄糖-6-磷酸 → 6-磷酸葡萄糖酸內酯 (6-phosphogluconolactone):
     • 催化酶：葡萄糖-6-磷酸脫氫酶 (Glucose-6-phosphate dehydrogenase, G6PD)。
     • 此反應是磷酸戊糖途徑的限速步驟。
     • 產物: 產生 NADPH。葡萄糖-6-磷酸被氧化，其電子傳遞給 NADP+，生成 NADPH。
  2. 6-磷酸葡萄糖酸內酯 → 6-磷酸葡萄糖酸 (6-phosphogluconate):
     • 催化酶：6-磷酸葡萄糖酸內酯酶 (6-phosphogluconolactone hydrolase)。
     • 此反應是水解反應。

核心觀念

真核生物基因的轉錄控制可依調控位置與作用方式分為：

• 基礎表現（basal expression）：由核心啟動子（core promoter）及其鄰近的啟動子近端調控元件（promoter-proximal elements）所控制，使基因維持基本程度的轉錄。
• 調節性表現（regulated expression）：由距離啟動子較遠的遠端調控元件（distal regulatory elements）控制，依細胞內外訊號提高或降低轉錄量。
• 遠端調控元件主要包括增強子（enhancer）與抑制子元件（repressor/silencer elements），可透過 DNA 迴折與啟動子區域互動，調節轉錄起始。

本題要求找出「錯誤」的敘述；若 A～D 均正確，便選擇 E。

解題方法

逐一核對各選項是否符合真核基因轉錄調控的基本分類：

1. 啟動子與啟動子近端元件負責基礎轉錄。
2. 遠端調控元件負責依訊號進行轉錄調節。
3. 激素、熱休克、重金屬與化學物質均可作為調控訊號。
4. 遠端調控元件包括 enhancer 與 repressor/silencer。
5. 若 A～D 全部正確，則「上述沒有錯誤」的 E 為答案。

選項分析

A) `"Basal expression" occurs at promoter-proximal elements and the promoter.

正確。基礎表現與核心啟動子及啟動子近端元件有關。核心啟動子可供一般轉錄因子與 RNA polymerase II 組成基本轉錄起始複合體；啟動子近端元件則可協助維持一定程度的基礎轉錄。

此處的 basal expression 並不代表完全不受調控，而是指在缺乏特殊誘導訊號時，基因仍可進行的基本轉錄。

B) `"Regulated expression" occurs at distal regulatory elements.

正確。調節性表現主要由遠端調控元件控制，例如 enhancer 與 silencer。這些元件可能位於啟動子上游、下游，甚至位於基因內含子中，與啟動子的距離通常不固定。

遠端調控元件上的轉錄因子可透過 DNA 迴折，使其與啟動子或 mediator complex 接觸，進而增加或抑制 RNA polymerase II 的轉錄活性。

此題考查原核生物和真核生物 RNA 聚合酶的比較。

• 核心觀念: RNA 聚合酶是催化轉錄（DNA 合成 RNA）的關鍵酶。原核生物和真核生物的 RNA 聚合酶在結構、組分和功能上存在顯著差異。

• 原核生物 RNA 聚合酶 (Prokaryotic RNA polymerase):

  • 結構: 主要由一個核心酶 (core enzyme) 和一個 σ 因子 (sigma factor) 組成全酶 (holoenzyme)。
    • 核心酶: 由兩條 α 鏈、一條 β 鏈、一條 β' 鏈組成 ($α_2ββ'$)。
    • 全酶: 核心酶 + σ 因子。σ 因子負責識別和結合到 DNA 的啟動子區域，引導 RNA 聚合酶開始轉錄。
    • 因此，核心酶有 3 個亞基 (α, β, β')，全酶有 4 個亞基 (α, β, β', σ)，但這不是指總的蛋白質亞基數量。
    • 更精確地說，原核生物 RNA 聚合酶（全酶）通常包含 5 個亞基：2 個 α，1 個 β，1 個 β'，1 個 ω，以及一個 σ 因子。常見的全酶結構為 $α_2ββ'ωσ$。
  • 合成 RNA: 主要合成多順反子 (polycistronic) mRNA。
  • 轉錄調控: 較為簡單，主要通過 σ 因子的替換和一些轉錄因子來調控。

• 真核生物 RNA 聚合酶 (Eukaryotic RNA polymerase):

  • 結構: 有三種類型的 RNA 聚合酶，它們結構複雜，都由多個亞基組成。
    • RNA 聚合酶 I (Pol I): 負責合成大部分 rRNA。
    • RNA 聚合酶 II (Pol II): 負責合成 mRNA 和一些小核 RNA (snRNA)。這是最複雜的，通常由 12 個亞基組成。
    • RNA 聚合酶 III (Pol III): 負責合成 tRNA、5S rRNA 和其他小 RNA。

此題考查關於 RNA 的描述，要求選出正確的敘述。

• 核心觀念: RNA (核糖核酸) 在細胞中扮演多種重要角色，包括遺傳信息的傳遞、蛋白質的合成以及基因表達的調控。RNA 主要有幾種類型：mRNA (信使 RNA)、tRNA (轉運 RNA) 和 rRNA (核糖體 RNA)。

• 各種 RNA 的功能:

  • mRNA (Messenger RNA): 攜帶 DNA 上的遺傳信息，作為蛋白質合成的模板。
  • tRNA (Transfer RNA): 在蛋白質合成過程中，負責識別 mRNA 上的密碼子，並將相應的胺基酸運送到核糖體上，添加到正在生長的肽鏈中。
  • rRNA (Ribosomal RNA): 是核糖體 (ribosome) 的主要結構成分，同時也具有催化肽鍵形成的核酶 (ribozyme) 活性。
  • 其他 RNA: 如 snRNA, snoRNA, miRNA, siRNA, lncRNA 等，在基因調控、RNA 剪接等方面發揮作用。

• RNA 在細胞中的豐度:

  • rRNA 是細胞中最豐富的 RNA 類型，佔細胞總 RNA 的 80% 以上，因為核糖體是細胞內蛋白質合成的中心。
  • tRNA 佔總 RNA 的約 15%。

此題考查大腸桿菌 (E. coli) RNA 聚合酶的全酶 (holoenzyme) 結構，以及核心酶 (core enzyme) 形成全酶所需的亞基。

• 核心觀念: 原核生物的 RNA 聚合酶是催化轉錄的關鍵酶。它由核心酶和 σ 因子組成全酶。核心酶負責催化 RNA 的合成，而 σ 因子則負責識別啟動子，啟動轉錄。

• E. coli RNA 聚合酶的結構:

  • 核心酶 (Core enzyme): 由五個亞基組成：兩個 α 亞基 ($α_2$)，一個 β 亞基 ($β$)，一個 β' 亞基 ($β'$)，以及一個 ω 亞基 ($ω$)。其結構為 $α_2ββ'ω$。這個核心酶本身具有催化 RNA 合成的活性，但不能準確地識別啟動子。

此題考查真核生物 RNA 聚合酶 II (RNA polymerase II, Pol II) 的 C 端結構域 (carboxy-terminal domain, CTD) 的轉錄後修飾，以及參與此修飾的胺基酸類型。

• 核心觀念: 真核生物的 RNA 聚合酶 II 的 CTD 是一個獨特的結構域，由重複的胺基酸序列（通常是 YSPTSPS，Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser）組成。CTD 的磷酸化狀態在轉錄的起始、延伸和終止過程中起著關鍵的調控作用。

• CTD 的磷酸化:

  • 轉錄起始: 在轉錄起始階段，CTD 通常處於未磷酸化或輕度磷酸化的狀態。
  • 轉錄延伸: 在轉錄開始並進入延伸階段時，TFIIH (Transcription Factor II H) 複合物中的一個激酶 (kinase) 亞基（如 CDK7）會磷酸化 CTD 上的特定胺基酸殘基。
  • 磷酸化位點: CTD 的重複單元中，最常被磷酸化的胺基酸是絲胺酸 (Serine, Ser) 和蘇胺酸 (Threonine, Thr)。其中，絲胺酸的磷酸化（特別是 Ser5 和 Ser2）是調節轉錄過程的關鍵。TFIIH 中的激酶主要磷酸化 Ser5，這有助於從起始複合物過渡到延伸複合物。

此題要求解釋基因編碼序列中的突變如何導致蛋白質功能喪失或改變。

• 核心觀念: 蛋白質的功能由其三維結構決定，而三維結構又由其胺基酸序列決定。基因中的突變（通常是點突變，如單個鹼基對的替換）可能導致編碼的胺基酸序列發生改變。這種改變可能對蛋白質的結構和功能產生深遠影響。

• 突變導致胺基酸改變的機制:

  • 同義突變 (Silent mutation): 雖然 DNA 序列發生了改變，但由於密碼子的簡併性 (degeneracy of the genetic code)，編碼的胺基酸沒有改變。這種突變通常不會影響蛋白質功能。
  • 錯義突變 (Missense mutation): DNA 序列改變導致一個密碼子編碼了不同的胺基酸。這是最常見的導致胺基酸改變的突變類型。
  • 無義突變 (Nonsense mutation): DNA 序列改變導致一個編碼胺基酸的密碼子變為終止密碼子 (stop codon)。這會導致蛋白質合成提前終止，產生一個截短的蛋白質，通常是無功能的。
  • 移碼突變 (Frameshift mutation): 插入或刪除非三聯體數目的鹼基，導致讀碼框 (reading frame) 移位，從突變點之後的每個密碼子都發生改變，通常會導致蛋白質功能喪失。

• 胺基酸取代如何影響蛋白質功能:

  1. 改變蛋白質的摺疊和三維結構:
     • 親水性/疏水性改變: 如果突變將一個疏水性胺基酸替換為親水性胺基酸（或反之），尤其是在蛋白質內部核心區域，將嚴重破壞蛋白質的穩定摺疊，導致蛋白質變性或無法正確摺疊。
     • 帶電性改變: 帶電胺基酸（如帶正電的 Lys, Arg, His；帶負電的 Asp, Glu）的改變，可能影響蛋白質表面的電荷分佈，進而影響其與其他分子（如 DNA, RNA, 其他蛋白質, 離子）的結合能力，或影響其細胞定位。

此題要求解釋四個生化學術語。

• A. Intrinsically disordered protein (IDP) - 內在無序蛋白質

  • 定義: 內在無序蛋白質 (IDPs) 是指在生理條件下，缺乏穩定、單一的三維摺疊結構的蛋白質。與傳統的「序列決定結構」的蛋白質不同，IDPs 在溶液中經常處於一種或多種動態的、鬆散的構象集合體中，具有高度的柔性和不確定性。
  • 功能: 儘管缺乏穩定結構，IDPs 在細胞信號傳導、蛋白質-蛋白質相互作用、基因調控和分子伴侶等過程中扮演著關鍵角色。它們的柔性結構使其能夠與多種不同的蛋白質或核酸結合，形成動態的調控網絡。

• B. Mixed ẞ-sheet - 混合 β-摺疊

  • 定義: β-摺疊 (β-sheet) 是蛋白質二級結構的一種，由多個 β-鏈 (β-strands) 通過氫鍵連接而成。在「混合 β-摺疊」中，相鄰的 β-鏈可以來自蛋白質的不同區域，甚至是不同的蛋白質分子。更常見的定義是指，在一個 β-摺疊結構中，同時存在反向平行 (antiparallel) 和順平行 (parallel) 的 β-鏈排列方式。然而，在蛋白質結構學中，更常用的是「反向平行 β-摺疊」和「順平行 β-摺疊」的區分。
  • 更精確的解釋: 在蛋白質結構中，β-摺疊是由一系列 β-鏈構成的，這些 β-鏈通過氫鍵連接。
    • 反向平行 β-摺疊: 相鄰的 β-鏈方向相反（N 端對 C 端）。這是最常見和最穩定的 β-摺疊形式。
    • 順平行 β-摺疊: 相鄰的 β-鏈方向相同（N 端對 N 端，C 端對 C 端）。這種形式相對較少見，且不如反向平行穩定。
    • 混合 β-摺疊: 指在一個 β-摺疊結構中，同時包含反向平行和順平行的 β-鏈。然而，更常見的理解可能是指一個蛋白質結構域中，β-鏈的排列組合方式。在討論蛋白質結構時，通常更強調「反向平行」和「順平行」的區別，以及它們如何組成一個主要的 β-摺疊結構。
  • 另一種可能解釋 (與澱粉樣纖維相關): 有時「混合 β-摺疊」也可能指在形成澱粉樣纖維 (amyloid fibrils) 等病理性聚集體時，蛋白質從可溶性結構轉變為高度結構化的 β-摺疊結構，這種結構可能包含不同構象的混合。但若單純解釋 β-摺疊本身，則指代鏈的排列方式。
  • 標準解釋: 在標準的蛋白質結構描述中，「混合 β-摺疊」的說法較少見，通常區分反向平行和順平行。若強行解釋，可能指這兩種方式的組合，或者指一個大的 β-摺疊結構由多個小片段組成，這些片段的連接方式不同。
  • 較為通用的解釋: 指一個 β-摺疊區域內，β-鏈的排列方式包含反向平行和順平行兩種。

• C. Lineweaver-Burk plot - 林氏威佛-布克圖 (或稱雙倒數圖)

此題要求描述測定酶的最大反應速率 ($V_{max}$) 和 Michaelis 恆數 ($K_m$) 的實驗方法，包括需要收集的數據類型和數據分析方法。

• 核心觀念: $V_{max}$ 是指在底物濃度足夠高時，所有酶分子都被底物飽和時的酶促反應速率。$K_m$ 是指當反應速率為 $V_{max}$ 的一半時，所需的底物濃度。這兩個參數是描述酶與底物相互作用和催化效率的重要指標。

• 實驗方法步驟:

  1. 準備實驗條件:

     • 酶溶液: 準備一定濃度的純化酶溶液。
     • 底物溶液: 準備一系列已知濃度的底物溶液。
     • 緩衝液: 使用能維持酶最佳活性 pH 的緩衝液。
     • 溫度: 在恆定的、酶活性最佳的溫度下進行實驗。
     • 實驗裝置: 使用能夠精確測量反應速率的儀器，例如分光光度計（用於監測產物生成或底物消耗的光學密度變化）、pH 儀、電極等。

  2. 測定反應速率:

     • 方法: 在上述恆定條件下，向不同濃度的底物溶液中加入酶溶液，並立即開始計時。
     • 數據收集: 在反應進行的過程中，定期（例如，每隔 30 秒或 1 分鐘）測量反應速率。這個速率可以通過監測產物的生成量隨時間的變化，或底物的消耗量隨時間的變化來計算。通常，我們關注的是初始反應速率 ($v_0$)，即反應剛開始時的速率，此時底物濃度變化不大，酶的活性也未受產物抑制。
     • 底物濃度範圍: 選擇一系列底物濃度，從非常低（低於預期的 $K_m$）到非常高（遠高於預期的 $K_m$），以確保能觀察到反應速率從接近於零逐漸趨近於 $V_{max}$ 的過程。

  3. 收集的數據類型:

     • 一系列已知的 底物濃度 ($[S]$)。
     • 對應於每個底物濃度的 初始反應速率 ($v_0$)。

• 數據分析方法:

  1. 繪製原始數據圖:

     • 繪製反應速率 ($v_0$) 對底物濃度 ($[S]$) 的圖。
     • 觀察: 該圖通常呈雙曲線形狀。當 $[S]$ 較低時，速率隨 $[S]$ 增加而快速上升；當 $[S]$ 很高時，速率趨於平穩，接近 $V_{max}$。

  2. 通過圖形估算 $V_{max}$ 和 $K_m$ (不推薦，不精確):

     • 從雙曲線圖中，估計當速率接近最大值時的 $V_{max}$ 值。
     • 然後找到 $V_{max}/2$ 處的速率，並從圖上讀取對應的 $[S]$ 值，即為 $K_m$。
     • 這種方法不精確，尤其對於曲線飽和不明顯的情況。

  3. 使用線性轉換圖表進行精確計算:

     • 林氏威佛-布克圖 (Lineweaver-Burk plot):
       • 計算每個數據點的 $1/[S]$ 和 $1/v_0$ 值。
       • 繪製 $1/v_0$ 對 $1/[S]$ 的圖。這是一條直線。
       • 計算 $V_{max}$: 直線的 y 軸截距是 $1/V_{max}$。因此，$V_{max} = 1 / (\text{y-intercept})$。
       • 計算 $K_m$: 直線的斜率是 $K_m/V_{max}$。因此，$K_m = \text{slope} \times V_{max}$。
     • Hanes-Woolf plot (或 Woolf plot): 繪製 $[S]/v_0$ 對 $[S]$ 的圖。
       • 方程式: $[S]/v_0 = (K_m/V_{max}) + ([S]/V_{max})$。
       • y 軸截距是 $K_m/V_{max}$，x 軸截距是 $-K_m$。
     • Eadie-Hofstee plot: 繪製 $v_0$ 對 $v_0/[S]$ 的圖。
       • 方程式: $v_0 = V_{max} - K_m(v_0/[S])$。
       • y 軸截距是 $V_{max}$，斜率是 $-K_m$。

此題要求解釋輔因子 (cofactors) 的三種主要分類，並為每種分類舉例。

• 核心觀念: 輔因子是酶的活性所必需的非蛋白質組分。它們可以分為有機分子或無機離子。輔因子的種類和與酶的結合方式對酶的催化活性至關重要。

• 輔因子的分類: 輔因子主要根據其化學性質和與酶蛋白（載體酶, apoenzyme）的結合強度，分為三大類：

  1. 輔酶 (Coenzymes):

     • 定義: 這類輔因子是有機分子，通常是水溶性的，結構相對複雜。它們通常通過與酶形成可逆的共價鍵或非共價鍵來參與催化反應。輔酶在反應過程中會發生化學變化，並在反應結束後再生，或者可以從一種酶轉移到另一種酶。它們可以被看作是「遞送基團」的分子，例如電子、原子團或整個受質分子。
     • 與酶的結合: 通常是鬆散的、可逆的結合。
     • 例子:
       • NAD+/NADH (Nicotinamide adenine dinucleotide): 參與氧化還原反應，遞送電子。
       • FAD/FADH2 (Flavin adenine dinucleotide): 參與氧化還原反應，遞送電子。
       • 輔酶A (Coenzyme A, CoA): 參與脂肪酸代謝和乙醯基轉移。
       • 輔酶Q (Coenzyme Q, Ubiquinone): 參與電子傳遞鏈。
       • 維生素衍生物: 如硫胺素焦磷酸 (Thiamine pyrophosphate, TPP, 維生素 B1 衍生物)，用於醛基轉移；吡哆醛磷酸 (Pyridoxal phosphate, PLP, 維生素 B6 衍生物)，用於胺基酸代謝；生物素 (Biotin, 維生素 B7)，用於羧化反應。
     • 一個例子: NAD+ (作為輔酶，參與脫氫酶的氧化還原反應)。

  2. 金屬離子輔因子 (Metal ions):

     • 定義: 這類輔因子是金屬離子，可以是單價離子或多價離子。它們可以通過離子鍵或配位鍵與酶蛋白結合，或者與底物結合，在催化過程中發揮多種作用，如穩定底物、參與氧化還原、作為路易斯酸催化等。
     • 與酶的結合: 可以是離子鍵、配位鍵，有時也可能形成較強的非共價相互作用。
     • 例子:
       • Mg²⁺: 許多激酶 (kinases) 需要 Mg²⁺ 作為輔因子，它與 ATP 結合，穩定 ATP 的負電荷，並幫助 ATP 的 γ-磷酸基團接近受質。
       • Zn²⁺: 鋅離子存在於許多酶中，如碳酸酐酶 (carbonic anhydrase)、羧肽酶 (carboxypeptidase)。

此題考查尿素循環 (urea cycle) 與檸檬酸循環 (Citric Acid Cycle, TCA cycle) 之間的代謝聯繫，以及在細胞質中連接兩者的中間產物及其命運。

• 核心觀念: 尿素循環是將氨轉化為尿素的過程，主要發生在肝細胞的線粒體和細胞質中。檸檬酸循環是細胞呼吸的核心代謝途徑，發生於線粒體基質。這兩個循環之間存在重要的代謝聯繫，確保氮和碳的代謝平衡。

• 尿素循環與 TCA 循環的聯繫:

  • 關鍵中間產物: 尿素循環中的一個關鍵中間產物是延胡索酸 (fumarate)。
  • 生成: 在尿素循環的後半階段，位於細胞質中的精胺基琥珀酸裂解酶 (Argininosuccinate lyase) 催化精胺基琥珀酸 (argininosuccinate) 分解為精胺酸 (arginine) 和延胡索酸 (fumarate)。
    $\text{Argininosuccinate} \xrightarrow{\text{Argininosuccinate lyase}} \text{Arginine} + \text{Fumarate}$
  • 延胡索酸的命運:
    1. 進入 TCA 循環: 生成的延胡索酸會被運輸到線粒體基質中，在那裡可以被延胡索酸酶 (fumarase) 催化水合，轉化為蘋果酸 (malate)。
       $\text{Fumarate} + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{Fumarase}} \text{Malate}$
    2. TCA 循環的進一步代謝: 蘋果酸隨後被蘋果酸脫氫酶 (malate dehydrogenase) 氧化，生成 草醯乙酸 (oxaloacetate)，並同時還原 NAD⁺ 為 NADH。草醯乙酸是 TCA 循環的一個重要中間產物。

此題考查尿素循環的細胞位置、限速步驟的酶及其變構激活劑。

• 核心觀念: 尿素循環是肝細胞（hepatocyte）進行的代謝過程，用於解毒過量的氨。這個循環涉及兩個細胞器：線粒體 (mitochondria) 和細胞質 (cytosol)。

• 尿素循環的細胞位置:

  • 線粒體: 尿素循環的前兩個步驟發生在這裡：
    1. 氨 (NH₃) 和碳酸氫根 (HCO₃⁻) 在氨基甲醯磷酸合成酶 I (Carbamoyl phosphate synthetase I, CPS I) 的催化下，消耗 ATP，生成氨基甲醯磷酸 (carbamoyl phosphate)。
    2. 氨基甲醯磷酸與鳥胺酸 (ornithine) 結合，生成瓜胺酸 (citrulline)，此反應由鳥胺酸轉胺甲醯化酶 (ornithine transcarbamylase, OTC) 催化。
  • 細胞質: 尿素循環的後四個步驟發生在這裡：
    1. 瓜胺酸與天冬胺酸 (aspartate) 結合，在精胺基琥珀酸合成酶 (Argininosuccinate synthetase) 催化下，消耗 ATP，生成精胺基琥珀酸 (argininosuccinate)。
    2. 精胺基琥珀酸被精胺基琥珀酸裂解酶 (Argininosuccinate lyase) 分解為精胺酸 (arginine) 和延胡索酸 (fumarate)。
    3. 精胺酸被精胺酸酶 (Arginase) 水解，生成尿素 (urea) 和鳥胺酸 (ornithine)。
    4. 鳥胺酸重新進入線粒體，參與循環。

此題要求討論磷脂醯肌醇 (Phosphatidylinositol, PI) 及其磷酸化衍生物在細胞膜內層（細胞質側）特異性定位的生理意義，解釋這種定位如何促進 PLC 信號通路，並分析這種不對稱性喪失的後果。

• 核心觀念: 細胞膜的脂質組成具有高度的不對稱性，內外層的磷脂種類和分佈不同。這種不對稱性對細胞膜的功能至關重要，特別是對於信號傳導。PI 及其衍生物是細胞膜內層特有的重要信號分子。

• PI 及其磷酸化衍生物在細胞膜內層的特異性定位:

  • PI 的結構: 磷脂醯肌醇 (PI) 是一種磷脂，其特點是在甘油骨架的 sn-1 位連接一個脂肪酸，sn-2 位連接另一個脂肪酸，而 sn-3 位連接的肌醇 (inositol) 則可以被進一步磷酸化。
  • 內層定位: PI 主要存在於細胞膜脂雙層的內層（細胞質側）。這是因為 PI 分子頭部的磷酸基團（尤其是磷酸化後的）帶有負電荷，而細胞質中存在一些與膜結合的蛋白質，它們可能通過靜電相互作用來穩定 PI 在內層的定位。
  • 磷酸化衍生物: PI 可以被細胞質中的激酶（如 PI 3-激酶, PI 4-激酶, PI 5-激酶）在肌醇環的不同羥基（如 3-OH, 4-OH, 5-OH）上磷酸化，形成各種磷脂醯肌醇磷酸 (phosphatidylinositol phosphates, PIPs)，例如 PI(4,5)P₂ (PIP₂) 和 PI(3,4,5)P₃ (PIP₃)。這些 PIPs 仍然主要定位在細胞膜的內層。

• 這種定位如何促進 PLC 信號通路:

  • PLC 的作用: 磷脂酶 C (Phospholipase C, PLC) 是一類能夠水解磷脂的酶，其不同的亞型可以作用於不同的磷脂。PLC 的一個重要亞型是 PLCγ，它能夠特異性地識別並切割細胞膜內層的 PI(4,5)P₂ (PIP₂)。
  • 信號傳導過程:
    1. 信號觸發: 當細胞接收到細胞外信號（如生長因子、激素）時，這些信號通常會激活細胞膜上的受體酪氨酸激酶 (receptor tyrosine kinases, RTKs) 或 G 蛋白偶聯受體 (GPCRs)。
    2. PLC 的激活: 激活的受體或下游信號分子（如 G 蛋白）會招募並激活 PLC。PLCγ 的激活通常需要被 RTKs 磷酸化，這也與 PI 在膜內層的定位有關。
    3. PIP₂ 的切割: 激活的 PLC 作用於細胞膜內層的 PI(4,5)P₂ (PIP₂)，將其水解為兩個重要的第二信使：
       • 二酰甘油 (Diacylglycerol, DAG): 仍然留在膜內層。
       • 三磷酸肌醇 (Inositol trisphosphate, IP₃): 釋放到細胞質中。
    4. 下游效應:
       • DAG: 留在膜上，與細胞質中的蛋白質（如蛋白激酶 C, PKC）結合，激活 PKC。PKC 能夠磷酸化多種細胞內的蛋白質，調控細胞的各種功能（如增殖、分化、代謝）。