108 年 國立成功大學生物科技與產業科學系《生物化學》

緩衝溶液（Buffer）的特性在於能夠抵抗外加酸或鹼所引起的 pH 值劇烈變化。其核心原理是弱酸（HA）及其共軛鹼（A⁻）的平衡系統：HA ⇌ H⁺ + A⁻。

(a) 緩衝溶液在接近其 pKa 的 pH 範圍內，其滴定曲線會呈現相對平緩的趨勢。這是因為在此 pH 區域，弱酸和其共軛鹼的濃度都相當高，可以有效中和外加的酸或鹼。
(b) 這是緩衝溶液最主要的特性。當加入少量強酸時，共軛鹼 A⁻ 會與之反應生成弱酸 HA；當加入少量強鹼時，弱酸 HA 會與之反應生成共軛鹼 A⁻。這兩個反應都能將 pH 的變化量降到最低。
(c) 緩衝溶液的標準組成通常是一個弱酸及其共軛鹼（例如醋酸和醋酸鈉），或是一個弱鹼及其共軛酸（例如氨水和氯化銨）。

纖維素（Cellulose）是一種重要的植物多醣，由葡萄糖單元組成。

(a) 纖維素是由葡萄糖單元透過 β-(1→4) 醣苷鍵連接而成的線性聚合物。然而，它是由葡萄糖（glucose）單元組成，而非葡萄糖和半乳糖（galactose）的混合。半乳糖是乳糖的組成單元，在乳製品中較常見。因此，此選項的後半部分是錯誤的。
(b) 相較於其他多醣，纖維素由於其 β-(1→4) 鍵的結構，對水解（hydrolysis）具有一定的抵抗力，特別是酸性水解。雖然微生物可以透過纖維素酶（cellulase）來水解，但一般情況下，它並不像某些多醣（例如澱粉）那樣容易水解。

此題要求判斷圖中所示的醣苷鍵類型。圖中顯示了兩個葡萄糖單元，其中一個單元的 C1 位置的羥基（-OH）與另一個單元的 C4 位置的羥基之間形成了醣苷鍵。

首先，我們需要判斷 C1 位置的異頭碳（anomeric carbon）的構型。在圖中，與 C1 相連的 -CH₂OH 基團（在 C5 上）和與 C1 相連的醣苷鍵指向的方向是相反的，這表示它是 α-構型。如果 -CH₂OH 和醣苷鍵指向同一方向，則為 β-構型。

核心觀念

脂肪酸的物理與生理性質主要取決於：

• 碳鏈長度
• 不飽和雙鍵數目
• 雙鍵位置
• 雙鍵幾何構型：順式（cis）或反式（trans）

題圖中的 elaidic acid（反油酸）為反式單元不飽和脂肪酸，結構是 $18:1\Delta^9$，也就是含有 18 個碳、1 個位於第 9 碳的雙鍵。其系統命名為 trans-9-octadecenoic acid。

解題方法

比較各選項與 elaidic acid 的結構差異，優先尋找碳鏈長度、雙鍵數目與位置最接近者。

elaidic acid 與 oleic acid 的分子式及雙鍵位置相同，皆為 $18:1\Delta^9$；兩者唯一主要差異是雙鍵構型：

• elaidic acid：trans
• oleic acid：cis

因此，oleic acid 的整體物理與生理性質最接近 elaidic acid。雖然 cis 與 trans 會影響脂肪酸鏈的彎曲程度、熔點與膜流動性，但仍比碳鏈長度或不飽和程度差異更大的選項相似。

選項分析

• a. oleic acid（$18:1\Delta^9$）正確
  與 elaidic acid 具有相同的 18 碳骨架、相同的單一雙鍵數目，以及相同的 $\Delta^9$ 雙鍵位置，僅雙鍵構型不同，因此最相似。

此題考驗對有機分子氧化還原狀態的理解。氧化還原狀態可以透過觀察分子中碳原子與氫原子的比例來判斷，或者更精確地說，是透過計算與碳原子鍵結的氫原子數量（或氫原子的等效數量）。與碳鍵結的氫原子越多，該分子越還原；與碳鍵結的氧原子越多，該分子越氧化。

我們來分析各個選項的氧化還原狀態：
A. Aldehyde (醛)：通式 R-CHO。碳原子與一個氫和一個氧鍵結。
B. Hydrocarbon (烴)：通式 R-CH₃, R-CH₂-R', etc. 碳原子主要與氫鍵結，是最還原的有機分子。例如，烷烴 (alkane) 的碳原子通常與最多的氫原子鍵結。
C. CO₂ (二氧化碳)：碳原子與兩個氧原子鍵結。這是非常氧化的狀態。
D. Alcohol (醇)：通式 R-CH₂OH。碳原子與一個羥基 (-OH) 和其他碳或氫鍵結。
E. Carboxylic acid (羧酸)：通式 R-COOH。

醣解作用（Glycolysis）是葡萄糖代謝為丙酮酸的過程，包含十個步驟。其中有七個步驟的反應是可逆的，這意味著它們在能量變化（ΔG）上接近零，因此可以在肝醣生成作用（Gluconeogenesis）中逆向進行。然而，有三個關鍵步驟是不可逆的，它們是醣解作用的調控點，並且在肝醣生成作用中需要有不同的酶來繞過這些步驟。

這三個不可逆的反應及其催化酶是：

1. 第一步：葡萄糖 → 葡萄糖-6-磷酸
   • 催化酶：Hexokinase (己醣激酶) 或 Glucokinase (己酮糖激酶，主要在肝臟)。
   • 反應：葡萄糖 + ATP → 葡萄糖-6-磷酸 + ADP
   • ΔG°' 顯著為負值，是不可逆的。
2. 第三步：果糖-6-磷酸 → 果糖-1,6-二磷酸
   • 催化酶：Phosphofructokinase-1 (PFK-1) (磷酸果糖激酶-1)。
   • 反應：果糖-6-磷酸 + ATP → 果糖-1,6-二磷酸 + ADP
   • ΔG°' 顯著為負值，是醣解作用的主要調控點，也是不可逆的。
3. 第十步：磷酸烯醇丙酮酸 → 丙酮酸
   • 催化酶：Pyruvate kinase (丙酮酸激酶)。
   • 反應：磷酸烯醇丙酮酸 + ADP → 丙酮酸 + ATP

核心觀念

本題考查檸檬酸循環（citric acid cycle）中異檸檬酸去氫酶（isocitrate dehydrogenase, IDH）受抑制後，上游代謝物累積所造成的代謝分流。

IDH 催化反應為：

因此，當 IDH 受到抑制時：

1. IDH 上游的 citrate 與 isocitrate 會累積。
2. IDH 下游的 $\alpha$-ketoglutarate 生成量下降。
3. 累積的 citrate 與 isocitrate 可被導向其他代謝途徑。

解題方法

先定位受抑制的反應：

阻斷點位於 citrate、isocitrate 之後、$\alpha$-ketoglutarate 之前，所以題幹指出 citrate 與 isocitrate 增加是合理的。

接著分析兩條重要分流：

1. Citrate 產生細胞質 acetyl-CoA

Citrate 可由粒線體輸出至細胞質，再由 ATP citrate lyase 分解：

因此，citrate 增加可提高細胞質 acetyl-CoA 的供應，作為脂肪酸、膽固醇等生合成的原料。

2. Isocitrate 進入乙醛酸循環

在植物、真菌與部分細菌中，isocitrate lyase 可催化：

所以 isocitrate 增加時，可能提高 glyoxylate 的生成。

綜合兩者，最符合題目的是 glyoxylate 與 cytosolic acetyl-CoA。

選項分析

a. amino acids

錯誤。檸檬酸循環中間物確實可作為胺基酸合成的碳骨架，例如 $\alpha$-ketoglutarate 可轉為 glutamate，oxaloacetate 可轉為 aspartate。然而 IDH 受抑制會降低 $\alpha$-ketoglutarate 的生成，並非直接促進廣泛胺基酸生成；此選項也過於籠統，無法精確對應 citrate 與 isocitrate 的主要分流。

電子傳遞鏈（Electron Transport Chain, ETC）是粒線體內膜上的一系列蛋白質複合物，負責將還原劑（NADH 和 FADH₂）中的電子傳遞給氧氣，同時將質子泵送到膜間隙，產生質子梯度，進而驅動 ATP 合成。

電子傳遞鏈主要包含四個蛋白質複合物（Complex I-IV）以及兩個移動載體（coenzyme Q 和 cytochrome c）。

電子傳遞的路徑取決於起始的還原劑：

• NADH：將電子傳遞給 Complex I。
  • NADH → Complex I → Coenzyme Q → Complex III → Cytochrome c → Complex IV → O₂
  • Complex I 接受來自 NADH 的兩個電子，並將它們傳遞給泛醌（Coenzyme Q）。
  • Complex III 接受來自泛醌的電子，並將它們傳遞給細胞色素 c（Cytochrome c）。
  • Complex IV 接受來自細胞色素 c 的電子，並將它們傳遞給氧氣（O₂），生成水。
• FADH₂：將電子傳遞給 Complex II。
  • FADH₂ → Complex II → Coenzyme Q → Complex III → Cytochrome c → Complex IV → O₂
  • Complex II 接受來自 FADH₂ 的電子，並將它們傳遞給泛醌（Coenzyme Q）。
  • 後續的路徑與 NADH 相同。

核心觀念

本題考查磷酸戊糖途徑（pentose phosphate pathway, PPP）的兩個階段：

1. 氧化階段：由 glucose-6-phosphate（Gluc-6-P）產生 NADPH、CO₂ 與 ribulose-5-phosphate。
2. 非氧化階段：ribulose-5-phosphate 可轉換成 ribose-5-phosphate；若細胞不需要五碳糖，也可進一步轉換成 fructose-6-phosphate 與 glyceraldehyde-3-phosphate。

氧化階段的標準總反應為：

ribulose-5-P 再經由 phosphopentose isomerase 轉為 ribose-5-P，因此可寫成：

其中額外的水分子來自 ribulose-5-P 與 ribose-5-P 之間的異構化反應表示方式。

解題方法

題幹指出同時需要 NADPH 與 ribose-5-P，因此應選擇：

• 能產生 NADPH 的氧化階段；
• 並且在五碳糖階段停留於 ribose-5-P；
• 不需要將五碳糖再轉成六碳糖或三碳糖。

因此，反應物應包含：

• 1 分子 Gluc-6-P；
• 2 分子 NADP⁺；
• 水。

產物應包含：

• 2 分子 NADPH；
• 1 分子 CO₂；
• 1 分子 ribose-5-P；
• 2 分子 H⁺。

這正是選項 c 的反應式。

選項分析

a. $4\text{ Fruc-6-P}+2\text{ glyceraldehyde-3-P}\rightarrow6\text{ ribose-5-P}$

此反應屬於非氧化階段的逆向碳骨架重排，碳數可以配平：

• 左側：$4\times6+2\times3=30$ 個碳；
• 右側：$6\times5=30$ 個碳。

但反應中沒有 NADP⁺ 或 NADPH，無法產生題目要求的 NADPH，因此不符合題意。

b.

核心觀念

本題考查三酸甘油酯（triacylglycerol, TAG）分解後，脂肪酸進入粒線體並經 β-氧化生成 acetyl-CoA 的先後順序。

脂肪酸轉換為 acetyl-CoA 的主要流程為：

1. 脂解（lipolysis）：TAG 分解成游離脂肪酸與甘油。
2. 白蛋白運輸（albumin transport）：游離脂肪酸在血液中與 albumin 結合，運送至周邊組織。
3. 活化成 acyl-CoA：脂肪酸先消耗 ATP，形成 fatty acyl-CoA。
4. 肉鹼穿梭（carnitine shuttle）：長鏈 fatty acyl-CoA 藉由 carnitine 進入粒線體基質。
5. β-氧化（β-oxidation）：每一輪切下兩個碳，生成一分子 acetyl-CoA。

因此正確順序是：

解題方法

判斷這類題目的關鍵，是依照「先釋放、再運輸、後活化、進入粒線體、最後氧化」的生理位置與反應順序排列。

TAG 位於脂肪細胞或食物脂質中，必須先經脂解釋放脂肪酸。游離脂肪酸不易直接溶於血漿，因此需與 albumin 結合運送。抵達使用脂肪酸的細胞後，脂肪酸先被活化為 fatty acyl-CoA；但長鏈 fatty acyl-CoA 無法直接穿過粒線體內膜，必須透過 carnitine shuttle 送入粒線體基質。進入基質後，才能進行 β-氧化並產生 acetyl-CoA。

選項分析

a. lipolysis, albumin transport, carnitine shuttle, activation to acyl CoA, β-oxidation

錯誤。前兩步正確，但 fatty acyl-CoA 必須先活化，再經 carnitine shuttle 進入粒線體。選項將 carnitine shuttle 排在 acyl-CoA 活化之前，順序錯誤。

核心觀念

本題考查真核生物中「甲羥戊酸途徑」（mevalonate pathway）合成膽固醇與其他異戊二烯類化合物時，各中間產物的先後順序。

甲羥戊酸（mevalonate）經連續磷酸化與脫羧反應，形成五碳異戊二烯單位：

• IPP：isopentenyl pyrophosphate，異戊烯基焦磷酸
• DMAPP：dimethylallyl pyrophosphate，二甲基烯丙基焦磷酸

接著透過逐步縮合反應，形成十碳的 geranyl pyrophosphate，再形成十五碳的 farnesyl pyrophosphate，最後由兩個 farnesyl pyrophosphate 合成三十碳的 squalene。

解題方法

依照碳數與反應方向排列：

1. 甲羥戊酸先被磷酸化

Mevalonate 先形成 5-phosphomevalonate，即選項中的 C。

實際完整途徑中還會經過 mevalonate-5-diphosphate，但本題選項未列出，因此直接依題目所提供的中間產物排列。

2. 形成 IPP

5-phosphomevalonate 接續進行磷酸化與脫羧，形成五碳的 isopentenyl pyrophosphate，即 B：

3. IPP 與 DMAPP 互相異構化

IPP 可由 isopentenyl pyrophosphate isomerase 轉換為 dimethylallyl pyrophosphate，即 E：

IPP 與 DMAPP 都是五碳異戊二烯基本單位。

4. 形成 geranyl pyrophosphate

DMAPP 作為烯丙基受體，與一個 IPP 縮合，形成十碳的 geranyl pyrophosphate，即 A：

5. 形成 farnesyl pyrophosphate

Geranyl pyrophosphate 再與一個 IPP 縮合，形成十五碳的 farnesyl pyrophosphate，即 D：

此題考查的是除草劑（如 Roundup）的作用機制及其對動物安全的解釋。Roundup 的主要成分是草甘膦（glyphosate），它是一種酶抑制劑。

草甘膦抑制的關鍵酶是 EPSP 合成酶（5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase），這個酶在植物和細菌的莽草酸途徑（shikimate pathway）中起關鍵作用。莽草酸途徑是合成芳香族氨基酸（如苯丙氨酸 Phe、酪氨酸 Tyr、色氨酸 Trp）的前體。

選項分析：
a. synthesis of the members of the 3-phosphoglycerate family: 3-磷酸甘油酸是糖解作用的中間產物，也是某些氨基酸（如絲氨酸 Ser）合成的起點。動物有這個途徑。
b. the glyoxylate cycle: 乙醛酸循環存在於植物、細菌和酵母菌中，用於將脂肪酸轉化為碳水化合物。動物缺乏此循環。雖然動物沒有乙醛酸循環，但這與草甘膦抑制芳香族氨基酸合成的直接原因無關。
c. the glutamine synthesis pathway: 穀氨酰胺合成酶（glutamine synthetase）催化穀氨酸（glutamate）和氨生成穀氨酰胺（glutamine）。這是動物也擁有的重要氨基酸合成途徑。

嘧啶環（pyrimidine ring）的合成是一個複雜的代謝過程，涉及到兩個主要的氮源。在哺乳動物中，嘧啶環的從頭合成（de novo synthesis）發生在細胞質中，其關鍵步驟包括：

1. 第一步：由谷氨酰胺（glutamine）提供一個氮原子，碳酸氫鹽（bicarbonate）提供一個碳原子，以及 ATP 的參與，催化形成氨基甲酰磷酸（carbamoyl phosphate）。這個反應由氨基甲酰磷酸合成酶 II (Carbamoyl phosphate synthetase II, CPS II) 催化。
   • NH₃ (來自 glutamine) + HCO₃⁻ + 2 ATP → Carbamoyl phosphate + 2 ADP + Pi
   • 在此反應中，谷氨酰胺（glutamine）是氮的來源之一，但它本身並不是直接的氮源，而是提供氨基。
2. 第二步：氨基甲酰磷酸（carbamoyl phosphate）與天冬氨酸（aspartate）縮合，形成 N-氨甲酰-L-天冬氨酸（N-carbamoyl-L-aspartate）。這個反應由天冬氨酸轉氨甲酰酶（aspartate transcarbamoylase, ATCase）催化。

核心觀念

本題考查胺基酸在蛋白質 $\alpha$-螺旋中的結構限制，以及 Proline（脯胺酸）被稱為「螺旋破壞者」的原因。

$\alpha$-螺旋主要依靠主鏈上的氫鍵穩定：

也就是第 $i$ 個胺基酸主鏈羰基的氧，與第 $i+4$ 個胺基酸主鏈醯胺基的氫形成氫鍵。

脯胺酸的側鏈與主鏈醯胺氮相連，形成五元環。其主鏈氮屬於二級胺，氮原子上沒有可供氫鍵使用的 $\mathrm{N-H}$ 氫，因此無法作為氫鍵供體。此外，五元環也限制主鏈旋轉角度，使其不易維持規則的 $\alpha$-螺旋構形。

解題方法

判斷「螺旋破壞者」的關鍵，是檢查該胺基酸是否會破壞 $\alpha$-螺旋所需的主鏈氫鍵或幾何構形。

脯胺酸的主鏈氮沒有氫：

因此，當脯胺酸位於螺旋中時，該位置無法提供 $\mathrm{N-H}$ 作為氫鍵供體，使原本應形成的主鏈氫鍵中斷。這是本題選項所對應的主要原因。

選項分析

a. its only found in the L form, which is incompatible with helical protein structure.

錯誤。

天然蛋白質中的胺基酸大多為 L 型，但 L 型本身並不會使胺基酸無法形成螺旋。許多天然蛋白質的 $\alpha$-螺旋正是由 L 型胺基酸所構成。

脯胺酸破壞螺旋的原因，不是其為 L 型，而是主鏈氮缺乏氫鍵所需的氫，以及其環狀結構限制主鏈構形。

b. it is hydrophobic.

錯誤。

脯胺酸的側鏈主要由碳氫骨架組成，通常歸類為非極性或弱極性的胺基酸，但疏水性並不是它破壞 $\alpha$-螺旋的主要原因。

DNA（去氧核糖核酸）和 RNA（核糖核酸）是兩種重要的核酸，它們在結構和功能上有許多差異。

讓我們逐一分析選項：
a. in that RNA contains ribose and DNA contains deoxyribose.：這是正確的。RNA 的五碳醣是核糖（ribose），其 2' 位置有一個羥基 (-OH)。DNA 的五碳醣是去氧核糖（deoxyribose），其 2' 位置缺少一個氧原子，只有一個氫原子 (-H)。
b. in that RNA contains nucleosides and DNA contains nucleotides.：這是錯誤的。DNA 和 RNA 都是由核苷酸（nucleotides）組成的聚合物。

核心觀念

Lipid rafts（脂質筏）是細胞膜中具有特殊組成與物理性質的微小膜域，主要富含：

• 鞘脂（sphingolipids）
• 膽固醇（cholesterol）
• 特定膜蛋白，例如受體、訊號傳遞相關蛋白

鞘脂的長而飽和的脂肪酸鏈，可與膽固醇緊密排列，使脂質筏相較於周圍膜區具有較高的有序性與相對緊密的結構。

脂質筏常集中受體、激酶及其他訊號傳遞分子，因此能協助細胞接收並整合來自細胞外的訊息，參與細胞訊號傳遞、膜蛋白分選、胞吞作用與細胞黏附等功能。

解題方法

判斷脂質筏的敘述，可依序檢查三個特徵：

1. 是否為細胞膜上的特殊區域，而非細胞內的游離脂質堆積？
2. 是否富含鞘脂與膽固醇？
3. 是否與細胞訊號傳遞或細胞外環境的訊息接收有關？

符合這三項特徵的選項即為正確答案。脂質筏位於細胞膜中，並非用來儲存能量的脂肪滴；其主要功能也不是單純構成一般磷脂雙層。

選項分析

（a）正確

「regions of the membrane that are high in sphingolipids, which facilitate communication with the external environment of the cell」

脂質筏是細胞膜中富含鞘脂的區域，通常也富含膽固醇。這些區域可聚集細胞表面受體與訊號傳遞蛋白，協助細胞感受及傳遞來自細胞外的訊息，因此此敘述符合脂質筏的組成與功能。

（b）錯誤

「important regions of membrane structure comprised of phospholipids」

脂質筏確實位於細胞膜中，而細胞膜也含有磷脂，但脂質筏的關鍵特徵不是「由磷脂構成」，因為整個細胞膜的基本骨架本來就是磷脂雙層。

此題考查酶的分類與催化反應的類型。題目給出的反應式為：
A - PO₄ + B → A + B - PO₄

這個反應描述了一個基團（在這裡是磷酸基團，PO₄）從分子 A 轉移到分子 B 上。

酶的分類及其催化反應類型如下：
a. Oxidoreductases (氧化還原酶)：催化氧化還原反應，即電子或氫原子的轉移。
b. Transferases (轉移酶)：催化基團（如甲基、醯基、磷酸基、糖基等）從一個分子（供體）轉移到另一個分子（受體）的反應。

核心觀念

酵素調控是指細胞透過改變酵素活性或反應速率，使代謝途徑能因應細胞需求。常見方式包括：

• 回饋抑制：代謝途徑的終產物抑制前段關鍵酵素。
• 變構調控：調控分子結合酵素的變構部位，改變活性部位構形。
• 共價修飾：如磷酸化、去磷酸化，改變酵素活性。
• 基質濃度與酵素飽和程度：基質供應量會影響酵素反應速率。

基質層級磷酸化則是 ATP 生成方式，並非調節酵素活性的機制。

解題方法

判斷各選項是否屬於「控制酵素活性或代謝速率的方法」。

若某選項描述的是：

1. 改變酵素活性；
2. 改變酵素與基質的作用；
3. 透過代謝產物回饋控制反應；

則屬於酵素調控。若描述的是代謝反應本身的能量轉換方式，則不屬於酵素調控。

選項分析

a. substrate-level phosphorylation

錯誤，為本題答案。

基質層級磷酸化是指高能磷酸基團直接由代謝中間物轉移至 ADP，形成 ATP：

例如糖解作用中的磷酸甘油酸激酶反應，以及丙酮酸激酶反應，都屬於基質層級磷酸化。

它描述的是 ATP 的生成方式，不是藉由改變酵素活性來控制代謝途徑，因此不屬於酵素調控方法。

b. feedback inhibition

正確，屬於酵素調控。

回饋抑制是代謝途徑的終產物抑制前段步驟的關鍵酵素。例如某一代謝途徑：

當終產物 $D$ 過多時，$D$ 會抑制催化 $A\rightarrow B$ 的酵素，降低整條途徑的反應速率。

此機制可避免終產物過度累積，也能節省細胞的能量與原料。

c. saturation

此題考查 DNA 的鹼基組成規則，即 Chargaff's rules（查加夫法則）。該法則指出，在雙鏈 DNA 中，腺嘌呤（Adenine, A）的含量總是等於胸腺嘧啶（Thymine, T）的含量，而鳥糞嘌呤（Guanine, G）的含量總是等於胞嘧啶（Cytosine, C）的含量。即：
A = T
G = C
並且，總的嘌呤鹼基（A+G）的含量等於總的嘧啶鹼基（C+T）的含量。

DNA 複製過程中的校對（proofreading）機制是確保遺傳信息準確傳遞的關鍵。DNA 聚合酶（DNA polymerase）具有兩種活性：合成 DNA 的 5' → 3' 聚合活性，以及去除核酸的核酸酶活性。

DNA 聚合酶的核酸酶活性主要有兩種：

1. 3' → 5' Exonuclease activity (3' → 5' 外切核酸酶活性)：這是 DNA 聚合酶內建的校對功能。當 DNA 聚合酶在合成 DNA 時，如果錯配了一個鹼基，新加入的錯誤鹼基會導致新合成鏈的 3' 端末端出現一個不穩定的結構。此時，DNA 聚合酶會利用其 3' → 5' 外切核酸酶活性，將這個錯誤的鹼基切除，然後再重新合成正確的鹼基。這個過程可以確保 DNA 序列的準確性。
2. 5' → 3' Exonuclease activity (5' → 3' 外切核酸酶活性)：這種活性在某些 DNA 聚合酶中存在（例如 E. coli DNA polymerase I），用於切除 DNA 鏈上的核苷酸，常見於 DNA 修復和 RNA 引物的去除。它不直接參與 DNA 複製的校對。

逆轉錄病毒（Retroviruses）是一類特殊的 RNA 病毒，它們的遺傳物質是 RNA，但能夠在宿主細胞內逆轉錄其 RNA 基因組為 DNA，然後將這個 DNA 整合到宿主細胞的基因組中，再通過宿主細胞的機制進行表達，產生新的病毒顆粒。這個過程遵循一個稱為「中心法則的擴展」（central dogma of molecular biology, expanded）的流程。

標準的分子生物學中心法則描述了遺傳信息的單向流動：DNA → RNA → Protein。

逆轉錄病毒的特殊之處在於它們具有一個關鍵的酶，稱為逆轉錄酶（reverse transcriptase）。這個酶能夠以病毒的 RNA 為模板，合成互補的 DNA 鏈（cDNA），然後再合成雙鏈 DNA。這個過程稱為逆轉錄（reverse transcription）。

核心觀念

本題考查細胞內不同層級生物資訊的定義，以及利用 mRNA 表現量分析基因表現時所研究的對象。

基因表現通常可概分為：

其中：

• Genome（基因體）：細胞或生物體所含的全部 DNA 遺傳資訊。
• Transcriptome（轉錄體）：特定細胞、組織或生理狀態下，所有被轉錄產生的 RNA 總集合；研究 mRNA profile 時，主要關注其中的 mRNA。
• Proteome（蛋白質體）：特定細胞或狀態下所有蛋白質的總集合。
• Spliceosome（剪接體）：負責前驅 mRNA 剪接的 RNA－蛋白質複合體。
• BLAST：用於比較 DNA、RNA 或蛋白質序列相似性的生物資訊學工具。

題幹指出利用 mRNA profiles 檢視細胞在壓力狀態下的基因表現，所分析的是不同 mRNA 的種類與相對含量，因此研究對象是細胞在該狀態下的 transcriptome。

解題方法

判斷關鍵在於題幹的「mRNA profiles」。

「Profile」在分子生物學中通常指某一生理狀態下，各種分子表現量的整體圖譜。若測量的是：

• mRNA 種類與含量：研究 transcriptome
• 蛋白質種類與含量：研究 proteome
• DNA 序列或全部遺傳物質：研究 genome
• RNA 剪接機制：研究 spliceosome
• 序列相似性：使用 BLAST

本題的研究條件是細胞受到壓力時，觀察 mRNA 的變化。壓力處理可能使某些基因的 mRNA 增加，也可能使其他基因的 mRNA 減少；這種整體 mRNA 表現圖譜即屬於轉錄體分析。

選項分析

a. proteome

錯誤。Proteome 是細胞在特定時間與條件下所表現的全部蛋白質。若題目測量的是蛋白質種類、含量或蛋白質修飾，才是在研究蛋白質體。題幹測量的是 mRNA，而不是蛋白質。

b. genome

這個問題在詢問結合了電腦科學和生物學來理解序列數據的新興領域。

• Bioinformatics (生物資訊學)：這是一個跨學科的領域，利用計算機工具和理論來分析和解釋生物數據，特別是生物分子序列（DNA、RNA、蛋白質）的數據。它涉及數據庫管理、算法開發、統計分析和視覺化，以回答生物學問題。
• Genome editing (基因組編輯)：這是一種技術，允許科學家精確地修改生物體的 DNA 序列。例如 CRISPR-Cas9 技術。它應用生物資訊學的數據，但本身不是該領域。

核心觀念

本題考查「第一傳訊者（first messenger）」與「第二傳訊者（second messenger）」的區別。

• 第一傳訊者：位於細胞外，通常是荷爾蒙或神經傳導物質，與細胞膜上的受體結合，啟動細胞內訊息傳遞。
• 第二傳訊者：由受體活化後在細胞內產生或釋放，負責將細胞膜受體接收到的訊息傳入細胞內，並放大訊號。

常見的第二傳訊者包括：

• cyclic adenosine monophosphate，$cAMP$
• inositol trisphosphate，通常指 $IP_3$
• calcium ions，$Ca^{2+}$
• diacylglycerol，$DAG$

Epinephrine（腎上腺素）是位於細胞外的訊號分子，屬於第一傳訊者，不是第二傳訊者。

解題方法

判斷各選項是否為第二傳訊者時，先確認其所在位置與功能：

1. 若是細胞外的荷爾蒙、神經傳導物質，負責與受體結合，屬於第一傳訊者。
2. 若是在細胞內由受體活化後產生、釋放，並負責傳遞訊號，屬於第二傳訊者。

腎上腺素與細胞膜上的 $\beta$-adrenergic receptor 結合後，可活化 G protein，進一步刺激 adenylyl cyclase，使 ATP 轉換為 $cAMP$：

在這條路徑中，腎上腺素是最初的細胞外訊號；真正於細胞內傳遞訊息的 $cAMP$ 才是第二傳訊者。

選項分析

a. cyclic adenosine monophosphate

正確。cyclic adenosine monophosphate，即 $cAMP$，是經典的第二傳訊者。

例如腎上腺素活化 $\beta$-adrenergic receptor 後，透過 $G_s$ 蛋白刺激 adenylyl cyclase，使 ATP 生成 $cAMP$。$cAMP$ 再活化 protein kinase A（PKA），引發後續蛋白質磷酸化反應。

b. inositol trisphosphate

核心觀念

本題考查「基因表現分析方法」的用途，重點是區分：

• 研究基因是否表現、表現量如何隨時間改變。
• 研究基因在胚胎或胎兒的哪一種細胞、哪一個組織表現。
• 研究 DNA 序列、基因型或基因拷貝數的方法。

基因表現通常是指基因轉錄形成 RNA，尤其是 mRNA 的量與分布。因此，能偵測 mRNA 的方法適合研究基因表現。

本題同時涉及兩個面向：

1. 時間與表現量：可利用 DNA microarrays 比較不同胎兒發育階段的基因表現量。
2. 組織與細胞位置：可利用 in situ hybridization 偵測目標 mRNA 在胎兒組織中的分布。

因此，結合兩種方法最完整。

解題方法

先判斷題目要研究的是：

人類癌症相關基因在胎兒發育過程中的「表現」。

關鍵字是 expression over time，表示需要比較不同發育時期的基因表現。適合的方法必須能偵測 RNA 或由 RNA 反映出的表現量。

• DNA microarrays：可同時分析大量基因在不同時間點的 mRNA 表現量。
• in situ hybridization：利用互補核酸探針，直接觀察目標 mRNA 位於哪些細胞或組織，也可在不同發育時期比較其分布。

兩者結合後，可以同時回答：

• 這個基因在不同時期表現量是否增加或減少？
• 它在胎兒的哪個器官或細胞表現？

所以最適合的答案是 DNA microarrays and in situ hybridization。

選項分析

a. DNA microarrays

DNA microarrays 可將大量基因的核酸探針固定於晶片上，將不同發育時期樣本的 mRNA 反轉錄並標記後與晶片雜交，藉由螢光訊號比較各基因的表現量。

因此，它可以用來研究目標基因在胎兒發育不同時間點的表現變化。

此選項本身是有用的，但 DNA microarrays 通常提供的是整體樣本的平均表現量，無法清楚指出基因是在何種細胞或組織中表現。因此單獨使用時，空間資訊較不足。

b. Genome-wide association studies

Genome-wide association studies（GWAS）是比較大量個體的基因變異，例如單核苷酸多型性（SNP），與疾病或性狀之間的統計關聯。

GWAS 主要研究：

• 基因型與疾病風險的關聯；
• 遺傳變異與表型之間的關係。

測量血糖水平的生化方法通常基於葡萄糖的氧化還原反應。最常用的方法是酶法比色法，例如葡萄糖氧化酶法（Glucose Oxidase Method）或葡萄糖脫氫酶法（Glucose Dehydrogenase Method）。

以葡萄糖氧化酶法為例，其原理如下：

1. 第一步：葡萄糖的氧化

   • 葡萄糖氧化酶（Glucose Oxidase, GOx）催化葡萄糖（Glucose）的氧化，生成葡萄糖酸（Gluconic acid）和過氧化氫（Hydrogen peroxide, H₂O₂）。
   • 反應式：Glucose + O₂ + H₂O → Gluconic acid + H₂O₂
   • 這個反應是專一性很強的，葡萄糖氧化酶主要作用於 β-D-葡萄糖。

2. 第二步：過氧化氫的檢測

   • 生成的過氧化氫（H₂O₂）接著被過氧化物酶（Peroxidase, POD）催化，與一個顯色劑（chromogen）

核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase），簡稱 RuBisCO，是光合作用中碳固定（Calvin cycle）階段的關鍵酶。它也是地球上最豐富的蛋白質之一。

RuBisCO 的主要特點包括：

1. 催化反應：RuBisCO 具有雙重催化活性：

   • 羧化活性 (Carboxylase activity)：催化二氧化碳（CO₂）與核酮糖-1,5-二磷酸（Ribulose-1,5-bisphosphate, RuBP）結合，生成兩分子的 3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate, 3-PGA）。這是碳固定的起始步驟，將無機碳（CO₂）轉化為有機碳。
     RuBP + CO₂ + H₂O → 2 (3-PGA)
   • 加氧活性 (Oxygenase activity)：RuBisCO 同時也能催化氧氣（O₂）與 RuBP 結合，生成一分子的 3-PGA 和一分子的磷酸乙醇酸（phosphoglycolate）。磷酸乙醇酸是一種有毒的副產物，需要通過乙醛酸循環（glyoxylate cycle）來代謝，這個過程會消耗能量和碳。
     RuBP + O₂ → 3-PGA + Phosphoglycolate

2. 底物競爭：CO₂ 和 O₂ 都會與 RuBP 的活性位點結合，但它們之間是競爭關係。

結合-改變機制（Binding-change mechanism）是由 Paul Boyer 提出的，用於解釋 ATP 合成酶（ATP synthase）如何利用質子梯度來合成 ATP。該機制主要適用於 ATP 合酶的 F₁ 亞基，其核心是 ATP 合酶的 α 和 β 亞基在結合底物（ADP 和 Pi）和釋放產物（ATP）時，其構象會發生週期性的改變。

結合-改變機制的要點如下：

1. ATP 合酶的結構：ATP 合酶由兩個主要部分組成：F₀ 嵌入粒線體內膜（或細菌質膜）中，形成一個質子通道；F₁ 伸入粒線體基質（或細胞質），包含催化 ATP 合成的活性位點。F₁ 亞基由 α 和 β 亞基組成（通常是 3 個 α 和 3 個 β 亞基圍繞 γ 亞基形成一個環），以及 γ、δ、ε 亞基。
2. 構象異構體：F₁ 亞基的 α 和 β 亞基存在三種不同的構象：
   • L (Loose) 構象：結合 ADP 和 Pi，但親和力較弱。
   • T (Tight) 構象：高親和力結合 ADP 和 Pi，並能夠催化 ATP 的合成。
   • O (Open) 構象：親和力非常低，能夠釋放 ATP 或結合新的 ADP 和 Pi。
3. 質子流動驅動旋轉：當質子通過 F₀ 亞基時，會驅動 F₀ 的 c 亞基環旋轉。這種旋轉通過與 F₁ 亞基的 γ 亞基傳遞，導致 γ 亞基在 αβ 三聯體中的相對位置發生旋轉。
4. 構象轉換：γ 亞基的旋轉會迫使相鄰的 αβ 亞基發生構象改變。

Coenzyme (輔酶)：
輔酶是一類有機小分子，它們與酶的蛋白質部分（稱為載體蛋白或載體酶）結合，共同構成一個有活性的酶複合物（holoenzyme）。輔酶本身通常沒有催化活性，但它們是酶催化反應所必需的，參與承載或轉移某些化學基團（如電子、氫原子、醯基、甲基等）來幫助酶完成催化功能。許多輔酶是從維生素轉化而來的。

Vitamins (維生素)：
維生素是一類人體無法自行合成，必須從食物中獲取的有機化合物。它們在人體內以極低的量存在，但對維持正常的生理功能至關重要。許多維生素在體內可以轉化為輔酶，或者本身就具有某些生物學活性。

兩者之間的關係：
維生素與輔酶之間存在著密切的「前體-產物」關係。許多維生素是輔酶的前體（precursors）。人體通過攝取富含維生素的食物，然後在體內將這些維生素轉化為具有生物活性的輔酶。

例如：

• 維生素 B₁（硫胺素, thiamine） → 輔酶 TPP（硫胺素焦磷酸, thiamine pyrophosphate），參與碳水化合物代謝中的脫羧反應。
• 維生素 B₂（核黃素, riboflavin） → 輔酶 FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸, flavin adenine dinucleotide）和 FMN（黃素單核苷酸, flavin mononucleotide），參與氧化還原反應，承載電子。

產生抗蟲轉基因植物（transgenic plants with insect resistance）的主要步驟，通常是利用基因工程技術將能夠產生殺蟲蛋白的基因導入植物中。最經典的例子是導入蘇雲金芽孢桿菌（Bacillus thuringiensis, Bt）的殺蟲基因。

主要步驟如下：

1. 確定目標基因與來源：

   • 選擇能夠產生對目標害蟲有效的殺蟲蛋白的基因。最常見的是 Bt 毒蛋白基因（cry 基因），這些基因編碼的蛋白質（Bt 毒素）在特定 pH 值和酶的作用下，會在目標害蟲的腸道內形成離子通道，導致其死亡。
   • 確定基因的來源，例如從 Bt 細菌中分離得到。

2. 基因的獲取與修飾：

   • 從 Bt 細菌中提取 DNA，並通過 PCR 等方法擴增出目標 cry 基因。
   • 對基因進行修飾，以適應植物細胞的表達。這通常包括：
     • 優化密碼子使用（Codon optimization）：使基因序列的密碼子偏好性與植物的密碼子使用頻率相匹配，以提高基因的表達量。
     • 連接啟動子（Promoter）和終止子（Terminator）：在基因的上游連接一個植物細胞能夠識別的啟動子（例如，構成性啟動子如 CaMV 35S 啟動子，或組織特異性啟動子），以驅動基因的表達。在基因的下游連接一個終止子，以標記轉錄的終止位點。
     • 引入標記基因（Marker gene）：通常會將一個能夠抵抗某種抗生素或除草劑的基因（如卡那黴素抗性基因 nptII）作為標記基因，與殺蟲基因連接在同一個表達載體上，用於篩選轉基因植株。

3. 構建表達載體：

   • 將修飾後的殺蟲基因、啟動子、終止子以及標記基因等，一起插入到一個植物表達載體（通常是農桿菌的 Ti 質粒或人工合成的載體）中。這個載體將用於將外源基因導入植物細胞。

奧斯瓦爾德·艾弗里（Oswald Avery）及其同事（Colin MacLeod 和 Maclyn McCarty）在 1944 年進行的一項開創性實驗，首次證明了 DNA 是遺傳物質。他們的研究基於格里菲斯（Griffith）的肺炎雙球菌轉化實驗。

艾弗里實驗的關鍵步驟和原理如下：

1. 實驗材料：使用肺炎雙球菌（Streptococcus pneumoniae）的兩種菌株：

   • S 型菌株：有光滑的莢膜，致病性強，在培養基上形成光滑菌落。
   • R 型菌株：無莢膜，無毒性，在培養基上形成粗糙菌落。

2. 格里菲斯的發現（基礎）：格里菲斯發現，將加熱殺死的 S 型菌株與活的 R 型菌株混合並注射到小鼠體內時，小鼠會死亡，並且從死亡的小鼠體內可以分離出活的 S 型菌株。這表明 R 型菌株獲得了 S 型菌株的某種「轉化因子」（transforming principle），使其獲得了產生莢膜和致病性的能力。

3. 艾弗里的實驗目標：艾弗里等人的目標是確定這個「轉化因子」是什麼。他們試圖分離出 S 型菌株的各種成分（蛋白質、RNA、DNA、多醣等），並分別與活的 R 型菌株混合，觀察是否能發生轉化。

聚合酶鏈式反應（Polymerase Chain Reaction, PCR）是一種體外擴增特定 DNA 片段的強大技術。一個典型的 PCR 反應包含以下四個基本組成部分：

四個基本組成部分：

1. DNA 模板 (DNA Template)：這是含有目標 DNA 序列的樣本。可以是基因組 DNA、質粒 DNA、 cDNA 等。
2. 引物 (Primers)：兩個短的單鏈 DNA 序列（通常 18-25 個鹼基長），它們是寡核苷酸，與目標 DNA 序列的兩端（互補鏈）特異性結合（退火）。一個引物（正向引物）結合在目標序列的一條鏈的起始端，另一個引物（反向引物）結合在另一條鏈的起始端。它們提供了 DNA 聚合酶開始合成新鏈的起始點。
3. DNA 聚合酶 (DNA Polymerase)：一種能夠以 DNA 模板為模板，並在引物存在的情況下，合成新的 DNA 鏈的酶。通常使用熱穩定性 DNA 聚合酶（如 Taq polymerase），因為 PCR 反應需要高溫變性步驟。
4. dNTPs (Deoxynucleotide triphosphates)：四種脫氧核苷酸三磷酸，即 dATP、dGTP、dCTP 和 dTTP。它們是 DNA 合成的「建築磚塊」，DNA 聚合酶將它們連接起來形成新的 DNA 鏈。
5. 反應緩衝液 (Reaction Buffer)：提供適宜的離子環境（如 Mg²⁺ 離子，這是 DNA 聚合酶的輔因子，對酶活性至關重要）和 pH 值，以確保酶的活性和反應的順利進行。

（注：雖然緩衝液也是必需的，但題目要求四個基本成分，通常是指模板、引物、聚合酶和 dNTPs。）

PCR 循環的溫度曲線圖：
一個 PCR 循環包含三個主要的溫度步驟，重複進行 20-40 次。

• 變性 (Denaturation)：
  • 溫度：約 94-98°C。
  • 目的：高溫使雙鏈 DNA 分子解開，形成單鏈 DNA，以便引物可以結合。

研究蛋白質-DNA 相互作用是理解基因調控、DNA 複製、修復和重組等重要細胞過程的關鍵。有許多實驗技術可以研究這些相互作用，以下介紹兩種常用的方法：

1. 凝膠遷移分析 (Gel Mobility Shift Assay, EMSA)

• 原理：EMSA 是一種體外技術，用於檢測特定 DNA 序列與蛋白質之間的結合。其基本原理是，當一個帶電的 DNA 分子與一個蛋白質分子結合後，其總體積和電荷會發生變化，導致其在電泳時的遷移速率減慢。
• 實驗步驟：
  1. 製備標記的 DNA 探針：合成或獲取一段含有潛在蛋白質結合位點的 DNA 片段，並將其進行放射性同位素（如 ³²P）或螢光標記。
  2. 製備蛋白質樣品：從細胞或組織中提取蛋白質提取物（包含各種細胞核蛋白質），或者使用重組表達的特定蛋白質。
  3. 結合反應：將標記的 DNA 探針與蛋白質樣品在適當的緩衝液中混合，讓蛋白質與 DNA 結合。
  4. 電泳：將反應混合物進行非變性聚丙烯醯胺凝膠電泳（native PAGE）。
  5. 檢測：通過放射自顯影（autoradiography）或螢光檢測，觀察 DNA 探針的遷移情況。
• 結果判讀：
  • 如果蛋白質與 DNA 結合，則會觀察到一個或多個「遷移滯後」的條帶（shifted bands），這些條帶比單獨的 DNA 探針移動得更慢。
  • 通過加入過量的「冷」DNA（未標記的結合位點序列）進行競爭實驗，可以證實結合的特異性。如果競爭 DNA 能夠取代結合，則表明蛋白質與探針的結合是特異的。
  • 通過加入抗體進行超移實驗（supershift assay），可以識別參與結合的特定蛋白質。

檢測蛋白質-蛋白質相互作用（Protein-Protein Interactions, PPIs）對於理解細胞信號傳導、代謝途徑、結構組織等至關重要。以下介紹三種常用的方法：

1. 酵母雙雜交 (Yeast Two-Hybrid, Y2H) 系統

• 原理：Y2H 是一種體內（in vivo）的遺傳篩選方法，用於鑑定兩個蛋白質之間的直接相互作用。它基於轉錄因子激活域（Activation Domain, AD）和 DNA 結合域（DNA Binding Domain, DBD）的分離。當一個蛋白質（bait）與 DBD 融合，另一個蛋白質（prey）與 AD 融合，如果這兩個蛋白質相互作用，則 AD 和 DBD 會被拉近，重新形成一個有功能的轉錄因子，從而激活報告基因（如 HIS3, LacZ）的表達。
• 應用：主要用於鑑定新的 PPIs，適用於體內相互作用。
• 優缺點：高通量篩選能力強，但存在假陽性（如轉錄因子的自身激活）和假陰性（如某些相互作用在酵母細胞質中無法發生）。

2. 蛋白質免疫印跡 (Co-immunoprecipitation, Co-IP)

• 原理：Co-IP 是一種體內（in vivo）或體外（in vitro）技術，用於檢測兩種蛋白質之間是否存在物理相互作用。其基本原理是，利用針對其中一個蛋白質（目標蛋白質）的特異性抗體，將與其相互作用的蛋白質一起從細胞裂解液或體外混合物中沉澱下來。
• 實驗步驟：
  1. 細胞裂解/混合：獲得細胞裂解物（保持蛋白質結構和相互作用）或體外混合的蛋白質。
  2. 免疫沉澱：加入針對目標蛋白質的抗體，並使用瓊脂糖珠或磁珠將抗體-目標蛋白質複合物沉澱下來。
  3. 洗滌：徹底洗滌，去除非特異性結合的蛋白質。

泛素-蛋白酶體途徑（Ubiquitin-Proteasome System, UPS）是細胞內最主要的蛋白質降解途徑之一，負責降解細胞內大部分的異常、受損或不再需要的蛋白質。該途徑涉及兩個主要步驟：蛋白質的泛素化（ubiquitination）和隨後的蛋白酶體（proteasome）介導的降解。

分子機制：

第一階段：蛋白質的泛素化

泛素化是一個多步驟的共價修飾過程，將一個小的蛋白質分子——泛素（ubiquitin，76 個氨基酸）——連接到目標蛋白質的賴氨酸（lysine）殘基上。這個過程需要三個類型的酶協同作用：

1. E1 酶（泛素激活酶, Ubiquitin-activating enzyme）：

   • E1 酶首先利用 ATP 水解提供的能量，將泛素的 C-末端（甘氨酸殘基）激活，形成一個硫酯鍵連接的泛素-E1 複合物。
   • 一個 E1 酶可以激活多個泛素分子。

2. E2 酶（泛素結合酶, Ubiquitin-conjugating enzyme）：

   • 被激活的泛素從 E1 酶轉移到 E2 酶的半胱氨酸（cysteine）殘基上，形成一個硫酯鍵連接的泛素-E2 複合物。
   • 存在多種類型的 E2 酶，它們具有一定的底物特異性。

3. E3 酶（泛素連接酶, Ubiquitin ligase）：

   • E3 酶是這個過程的關鍵，它負責識別特定的目標蛋白質（底物），並將泛素從 E2 酶轉移到目標蛋白質的賴氨酸殘基上。
   • E3 酶通常具有高度的底物特異性，因此它們決定了哪些蛋白質會被泛素化。