114 年 國立嘉義大學食品科學系碩士班保健食品組《生物化學及食品微生物》

本題主要考查酵素動力學中關於非競爭性抑制的知識點，包含其在 Lineweaver-Burk Plot 上的表現、作用機制以及對酵素動力學參數 $V_{max}$ 和 $K_m$ 的影響。

核心觀念：
酵素抑制劑是指與酵素結合並降低其活性的分子。非競爭性抑制劑是一種特殊的抑制劑，它與自由酵素和酵素-受質複合物都能結合，但結合位置與受質結合的位置不同。

解題步驟：

1. Lineweaver-Burk Plot 的繪製：
   Lineweaver-Burk Plot（萊恩威弗-伯克作圖）是將酵素反應速率的倒數 ($1/v$) 對受質濃度倒數 ($1/[S]$) 作圖。其方程式為：
   $\frac{1}{v} = \frac{K_m}{V_{max}} \frac{1}{[S]} + \frac{1}{V_{max}}$
   此方程式形式為 $y = mx + c$，其中 $y = 1/v$，$x = 1/[S]$，$m = K_m/V_{max}$（斜率），$c = 1/V_{max}$（y 軸截距）。

2. 非競爭性抑制劑對 Lineweaver-Burk Plot 的影響：

   • 作用方式： 非競爭性抑制劑 (I) 可以與自由酵素 (E) 結合形成 EI 複合物，也可以與 ES 複合物結合形成 ESI 複合物。重要的是，EI 和 ESI 複合物都無法進行催化反應。
     $E + S \rightleftharpoons ES \rightarrow E + P$
     $E + I \rightleftharpoons EI$
     $ES + I \rightleftharpoons ESI$
     非競爭性抑制劑與受質結合的位置不同，且其與酵素的結合不影響受質與酵素的結合能力。
   • 對 $V_{max}$ 的影響： 由於抑制劑的存在，即使在極高受質濃度下，總能催化反應的酵素比例也會降低，因此最大反應速率 $V_{max}$ 會降低。

本題考查生酮飲食對葡萄糖和脂肪酸代謝的影響，需要理解生酮飲食的定義及其對人體主要代謝途徑的衝擊。

核心觀念：
生酮飲食 (Ketogenic Diet) 是一種極高脂肪、適量蛋白質、極低碳水化合物的飲食模式。其主要目的是誘導身體進入「酮症」(ketosis) 狀態，此時身體將脂肪分解產生的酮體作為主要的能量來源，而非依賴葡萄糖。

解題步驟：

1. 生酮飲食的定義與目的：
   生酮飲食將碳水化合物攝取量限制在每日 20-50 克，迫使身體尋找替代的能量來源。當碳水化合物攝取極低時，肝臟會開始動員儲存的肝醣，但肝醣儲量有限。一旦肝醣耗盡，身體會轉而大量分解脂肪。

2. 對葡萄糖代謝的影響：

   • 葡萄糖供應減少： 由於碳水化合物攝取極少，食物來源的葡萄糖極少。
   • 肝醣分解加速： 初期，肝臟會分解肝醣 (glycogenolysis) 以維持血糖穩定，但肝醣儲量很快會耗盡。
   • 葡萄糖新生 (Gluconeogenesis) 啟動： 為了維持大腦等葡萄糖依賴組織的能量供應（大腦主要能量來源是葡萄糖，且無法有效利用酮體），肝臟會啟動葡萄糖新生途徑。葡萄糖新生利用非碳水化合物前驅物，如乳酸、丙酮酸、甘油和胺基酸（來自蛋白質分解）來合成葡萄糖。
   • 胰島素水平降低： 碳水化合物攝取低會導致血糖水平下降，進而降低胰島素分泌。胰島素是促進葡萄糖攝取和儲存的荷爾蒙，其水平降低會減少周邊組織對葡萄糖的利用。

本題考查苯酮尿症 (PKU) 患者對阿斯巴甜的禁忌，需要從胺基酸代謝的角度解釋其原因。

核心觀念：
苯酮尿症 (PKU) 是一種常見的遺傳性代謝疾病，其原因是苯丙胺酸羥化酶 (phenylalanine hydroxylase, PAH) 基因突變，導致該酵素活性缺陷或缺失。PAH 負責將苯丙胺酸 (phenylalanine, Phe) 轉化為酪胺酸 (tyrosine, Tyr)。

解題步驟：

1. 苯丙胺酸 (Phe) 的正常代謝途徑：
   人體攝取的苯丙胺酸，大部分（約 99%）在肝臟中由苯丙胺酸羥化酶 (PAH) 催化，經由一個羥化反應，轉化為酪胺酸 (Tyr)。酪胺酸是蛋白質的組成胺基酸，也是許多重要生物分子（如腎上腺素、甲狀腺素、黑色素）的前驅物。
   $Phe + O_2 + Tetrahydrobiopterin \xrightarrow{PAH} Tyr + Dihydrobiopterin$

2. 苯酮尿症 (PKU) 患者的代謝異常：
   PKU 患者由於 PAH 缺陷，無法有效將 Phe 轉化為 Tyr。

   • Phe 累積： 體內苯丙胺酸的濃度會顯著升高，遠超過正常水平。
   • Tyr 供應相對不足： 雖然 Tyr 也可以從飲食中攝取，但由於 Phe 轉化途徑受阻，Tyr 的合成量減少。

本題考查微生物生長所需的環境因素及其作用機制。

核心觀念：
微生物的生長和繁殖受到多種環境因素的影響，這些因素的適宜範圍因微生物種類而異。當環境條件超出微生物的適應範圍時，其生長會受到抑制甚至死亡。

解題步驟：

以下列出五種影響微生物生長的因素及其機制：

1. 溫度 (Temperature)：

   • 機制： 溫度影響微生物細胞內各種生物化學反應（如酵素活性、膜流動性、核酸穩定性）的速度。每種微生物都有一個最適合生長的溫度範圍，包括最低溫、最適合溫和最高溫。
     • 低溫： 降低酵素活性，減緩代謝速率，膜功能受損，但通常不會殺死微生物，僅抑制生長。
     • 高溫： 破壞細胞膜的結構和功能，使蛋白質（酵素）變性失活，核酸（DNA、RNA）水解，導致細胞死亡。
   • 分類： 依據最適生長溫度，微生物可分為嗜冷菌 (psychrophiles)、嗜溫菌 (mesophiles)、嗜熱菌 (thermophiles) 和超嗜熱菌 (hyperthermophiles)。

2. pH 值 (pH)：

   • 機制： pH 值影響細胞膜的電荷、細胞內外質子的濃度梯度，以及蛋白質（特別是酵素）的結構和活性。大多數微生物適合在中性 pH 範圍生長，但也有例外。
     • 酸性環境： 可能導致細胞膜損傷，質子滲透增加，細胞內 pH 下降，影響酵素活性。
     • 鹼性環境： 同樣會影響細胞膜和蛋白質結構，改變離子平衡。
   • 分類： 依據 pH 適應範圍，微生物可分為嗜酸菌 (acidophiles)、中溫菌 (neutrophiles) 和嗜鹼菌 (alkaliphiles)。

3. 水活度 (Water Activity, $a_w$)：

   • 機制： 水活度是指自由水 (free water) 的相對量，即水蒸氣壓與純水在相同溫度下的蒸氣壓之比。微生物生長需要水作為溶劑和反應介質。

本題考查食品腐敗的定義。

核心觀念：
食品腐敗是指食品因微生物作用或自身酵素作用，導致其物理、化學、感官特性發生不良變化，從而失去食用價值或安全性的過程。

解題步驟：

食品腐敗 (food spoilage) 是指食品由於微生物（如細菌、黴菌、酵母菌）的生長繁殖，以及食品本身所含的酵素（如水解酶、氧化酶）的分解作用，而導致其品質下降，出現不良的變化。這些變化可能包括：

1. 感官特性改變：

   • 外觀： 變色、產生黏液、發霉、表面出現斑點。
   • 氣味： 產生酸敗味、腐臭味、異味。
   • 質地： 變軟、變黏、變乾、產生氣體導致膨脹。
   • 味道： 變酸、變苦、產生異味。

2. 化學成分改變：

   • 蛋白質分解： 產生胺類、硫化物、氨等，導致腐臭味。
   • 脂肪分解： 產生脂肪酸，導致酸敗味（如油耗味）。

本題考查兩種重要的微生物發酵過程：酒精發酵和醋酸發酵。

核心觀念：
發酵 (Fermentation) 是一種無氧或低氧條件下的代謝過程，微生物利用有機物（通常是醣類）作為能量來源，並產生特定的代謝產物。酒精發酵和醋酸發酵是兩種常見且重要的發酵類型，分別由酵母菌和醋酸菌進行。

解題步驟：

1. 酒精發酵 (Alcoholic Fermentation)：

   • 定義： 酒精發酵是由酵母菌（如釀酒酵母 Saccharomyces cerevisiae）等微生物，在無氧或缺氧條件下，將醣類（主要是葡萄糖）轉化為乙醇（酒精）和二氧化碳的代謝過程。

   • 機制： 酒精發酵是糖酵解途徑 (glycolysis) 的一種延伸。糖酵解將葡萄糖分解為丙酮酸 (pyruvate)。在無氧條件下，為了使糖酵解得以持續進行（通過再生 $NAD^+$），丙酮酸會被進一步轉化。酵母菌中的酒精發酵過程包括兩個步驟：
     a. 丙酮酸脫羧產生乙醛 (acetaldehyde) 和二氧化碳。
     b. 乙醛被還原為乙醇，同時 $NADH$ 被氧化為 $NAD^+$。

   • 反應式：
     總反應式：
     $C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2 C_2H_5OH + 2 CO_2$
     (葡萄糖 → 乙醇 + 二氧化碳)

     分步反應式：

     • 糖酵解： $C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2 \text{ Pyruvate} + 2 ATP + 2 NADH$
     • 丙酮酸脫羧： $2 \text{ Pyruvate} \rightarrow 2 \text{ Acetaldehyde} + 2 CO_2$

本題考查蛔蟲症 (Ascariasis) 的預防措施。

核心觀念：
蛔蟲症是由寄生蟲「蛔蟲」( Ascaris lumbricoides ) 感染引起的人畜共通傳染病，主要透過糞口途徑傳播。預防的關鍵在於阻斷蛔蟲卵的傳播鏈。

解題步驟：

蛔蟲症的預防主要聚焦於阻斷蛔蟲卵的傳播，其預防方式包括：

1. 改善環境衛生：

   • 糞便處理： 建立和使用衛生廁所，避免隨地排便，並確保糞便得到妥善處理（如化糞池、堆肥），以殺滅或隔離蛔蟲卵。
   • 飲用水源保護： 保護飲用水源不受糞便污染，確保飲用水清潔衛生。

2. 個人衛生習慣：

   • 勤洗手： 在接觸糞便（如處理病人糞便、使用廁所後）後，以及在進食前，務必徹底洗淨雙手。
   • 食物處理： 食物（特別是生食的蔬菜、水果）應徹底清洗，並盡量煮熟，以殺滅可能附著的蛔蟲卵。
   • 避免生食： 盡量避免食用未經煮熟的蔬菜或水果，特別是在衛生條件較差的地區。

本題考查聚合酵素連鎖反應 (PCR) 的基本原理，這是分子生物學中一種強大的核酸增幅技術，廣泛應用於微生物檢測。

核心觀念：
PCR 是一種體外模擬細胞內 DNA 複製過程的技術，能夠特異性地、指數級地擴增（複製）目標 DNA 片段。其核心在於利用 DNA 聚合酶、引子 (primers) 和熱循環 (thermal cycling) 來進行多次循環的 DNA 鏈合成。

解題步驟：

聚合酵素連鎖反應 (PCR) 的原理基於對 DNA 複製機制的體外模擬，其主要步驟和組成如下：

1. 基本組成要素：

   • 模板 DNA (Template DNA)： 含有待檢測微生物的基因組 DNA 或 RNA（需先反轉錄為 cDNA）。
   • DNA 聚合酶 (DNA Polymerase)： 通常使用耐高溫的 DNA 聚合酶，如 Taq 聚合酶 (Taq polymerase)，它能耐受高溫變性步驟而不失活。
   • 引子 (Primers)： 兩段短的、單鏈的 DNA 分子，其序列與目標 DNA 模板的兩端互補配對，決定了 PCR 擴增的特異性。一段是正向引子 (forward primer)，另一段是反向引子 (reverse primer)。
   • 核苷酸 (dNTPs)： DNA 合成的四種基本單元（dATP, dCTP, dGTP, dTTP），提供合成新 DNA 鏈的原料。
   • 緩衝液 (Buffer)： 提供適宜的離子強度、pH 值和鎂離子濃度，以維持酵素活性和反應進行。

2. 熱循環 (Thermal Cycling) 的三個主要階段： PCR 過程通過在不同溫度下進行反覆循環來實現 DNA 的指數級擴增。