112 年 國立成功大學生命科學研究所甲組《生物化學及分子生物學》

本題主要考查蛋白質與膜交互作用的胺基酸特性。膜的內部是疏水性的脂質雙層，而膜的外部（細胞質或細胞外液）是親水的環境。因此，在脂質-水介面（即膜的兩側與疏水核心接觸的區域）的蛋白質區域，通常會富含具有疏水性側鏈的胺基酸，以便與膜的脂質雙層產生交互作用。

選項分析：
(A) Gln (Glutamine)：側鏈為極性但可形成氫鍵，不特別疏水。
(B) Trp (Tryptophan)：側鏈含有吲哚環，具有較強的疏水性，常參與與脂質膜的交互作用。

本題考查膜通道與離子運輸相關的知識點。需要判斷各個敘述的正確性。

(A) 許多離子通道，例如鉀離子通道 (K+ channel) 和鈣離子通道 (Ca2+ channel)，是由四個蛋白質亞基（tetramers）組成，圍繞中央離子通過的孔道。鎂離子通道 (Magnesium channel) 的結構多樣，但有些已知是由四個亞基組成。此敘述可能正確。

(B) 鉀離子通道 (K+ channel) 的選擇性過濾器 (selectivity filter) 的關鍵序列通常包含「TVGYG」或類似的序列，這些胺基酸殘基的排列方式決定了通道對特定離子的選擇性。例如，MthK 鉀離子通道的選擇性過濾器序列為「TVGYG」。此敘述正確。

本題考查不同膜轉運蛋白或蛋白質的功能所需的能量來源。需要找出哪個選項的功能不是直接由 ATP 提供能量。

(A) ABC transporters (ATP-binding cassette transporters)：這類轉運蛋白的名稱就表明它們利用 ATP 的水解來驅動物質的跨膜運輸。它們具有 ATP 結合區域，ATP 的水解提供能量。

(B) Proton pumps (質子泵)：質子泵（例如 F0F1-ATPase 的反向作用，或 V-type H+-ATPase）通常利用 ATP 水解來將質子泵入細胞外或細胞器內，例如在胃壁細胞分泌胃酸，或是在粒線體基質形成質子梯度。它們是 ATP 依賴性的。

本題考查酶動力學中的競爭性抑制概念，結合了題幹中的反應機制圖。從圖中可以看出，酶 E 可以與底物 A 結合形成複合物 EA，然後 A 轉化為產物 P。酶 E 也可以與抑制劑 I 結合形成複合物 EI。

競爭性抑制 (Competitive inhibition) 是指抑制劑與酶的活性位點結合，從而阻止底物結合。因此，抑制劑和底物競爭結合同一個活性位點。在給定的反應機制圖中，酶 E 的活性位點可以結合底物 A。同時，圖中也出現了另一個可能與 E 結合的分子 Q，並且 E 與 Q 的結合似乎與 E 與 A 的結合相互排斥，因為圖中顯示了 E+Q -> EQ，而沒有顯示 EAQ 或 EQA。這暗示 Q 可能是一種競爭性抑制劑或變構調節劑。

題目問的是「哪些是競爭性結合到游離酶 E？」。觀察圖示，酶 E 可以與 A 結合，也可以與 Q 結合。A 是底物，Q 似乎是另一種與 E 競爭結合的分子。題幹中提到「competitive for binding to free enzyme E」，這表明有兩種分子在競爭結合 E。從圖中來看，A 作為底物，與 E 結合。Q 也與 E 結合。如果 A 和 Q 能夠結合到 E 的同一個位點，那麼它們就是競爭性的。圖中的箭頭指示 E+A <=> EA 且 EA -> EP，同時 E+Q <=> EQ。

核心觀念

本題旨在測驗蛋白質激酶（Protein Kinase）對受質（Substrate）的辨識專一性與共識序列（Consensus Sequence / Recognition Motif）。

1. 蛋白質磷酸化原理：
   蛋白質激酶催化 ATP 的 $\gamma$-磷酸基轉移至受質特定胺基酸的側鏈羥基（$-\text{OH}$）上，在真核生物中主要發生於絲胺酸（Ser, S）、酥胺酸（Thr, T）或酪胺酸（Tyr, Y）。
2. 激酶的受質專一性：
   激酶並非隨機磷酸化多胜肽鏈上的任何 Ser 或 Thr，而是透過其催化活性部位（Catalytic cleft）周圍特定的帶電或疏水性口袋，辨識目標磷酸化胺基酸周圍的側鏈排列，此特徵排列即為共識序列（Consensus Sequence）。
3. 經典激酶的共識序列特徵（依據 Lehninger Principles of Biochemistry）：
   • cAMP-dependent protein kinase（PKA）：為鹼性胺基酸導向激酶（Basophilic kinase），共識序列為：
     $-\text{X}-\text{R}-(\text{R}/\text{K})-\text{X}-(\text{S}^*/\text{T}^*)-\text{B}-$
     其中 $\text{S}^*/\text{T}^*$ 為磷酸化位點（定義為 $P_0$），$P_{-3}$ 與 $P_{-2}$ 偏好帶正電的鹼性胺基酸（$\text{Arg, R}$ 或 $\text{Lys, K}$），$P_{-1}$ 為任意胺基酸（$\text{X}$），而 $P_{+1}$ 則偏好疏水性胺基酸（$\text{B}$，如 $\text{Ile, Leu, Val, Phe}$）。
   • cGMP-dependent protein kinase（PKG）：共識序列多為 $-\text{X}-\text{R}-(\text{R}/\text{K})-\text{X}-(\text{S}^*/\text{T}^*)-\text{X}-$，其 $P_{+1}$ 位置並無嚴格的疏水性殘基限制。
   • Phosphorylase kinase（肝醣磷解酶激酶）：專一性極高，主要辨識肝醣磷解酶 $b$（Glycogen phosphorylase $b$）第 14 位 Ser 周圍的特定序列：
     $-\text{K}-\text{R}-\text{K}-\text{Q}-\text{I}-\text{S}^*-\text{V}-\text{R}-$

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解題方法

本題解題切入點為**「定位磷酸化候選位點，並向 N 端與 C 端展開進行共識序列比對」**。

1. 定位可能的磷酸化位點（$P_0$）：
   題目給定蛋白質 X 的胜肽序列為：
   $\text{L - A - R - K - K - G - S - I - H}$
   序列中唯一的磷酸化候選胺基酸為第 7 位的絲胺酸（$\text{Ser, S}$），將其設為基準點 $P_0$。

2. 標定周圍胺基酸相對位置與理化性質：
   以 $P_0 (\text{S})$ 為中心，將鄰近胺基酸進行編號與性質歸類：

   • $P_{-4} = \text{R}$（Arginine，帶正電鹼性胺基酸）
   • $P_{-3} = \text{K}$（Lysine，帶正電鹼性胺基酸）
   • $P_{-2} = \text{K}$（Lysine，帶正電鹼性胺基酸）
   • $P_{-1} = \text{G}$（Glycine，對應任意胺基酸 $\text{X}$）
   • $P_0 = \text{S}^*$（目標磷酸化位點 Serine）

核心觀念

本題考查血紅素（hemoglobin, Hb）的氧結合親和力如何受 2,3-BPG、二氧化碳與氫離子濃度影響。血紅素有兩種主要構形：低氧親和力的 T 態與高氧親和力的 R 態。穩定 T 態會降低血紅素對氧的親和力，使氧解離曲線右移；穩定 R 態則會提高親和力，使曲線左移。

2,3-BPG 主要結合去氧血紅素，穩定 T 態；二氧化碳與氫離子則透過波耳效應影響血紅素的構形與氧結合能力。

解題方法

逐一判斷各條件對 T 態或 R 態的影響：

• 若條件穩定 T 態，血紅素較容易釋放氧，氧結合親和力下降。
• 若條件穩定 R 態，血紅素較容易結合氧，氧結合親和力上升。

其中，2,3-BPG 增加會使氧解離曲線右移；血液中二氧化碳或氫離子減少，則會減弱波耳效應，使氧親和力上升。

選項分析

(A) Increased 2,3-BPG in the blood：正確。
2,3-BPG 結合去氧血紅素中央空腔，穩定低氧親和力的 T 態。因此血紅素對氧的親和力下降，氧較容易釋放到組織。

核心觀念

本題比較光合磷酸化與氧化磷酸化的共同特徵。兩者都是電子傳遞與化學滲透作用耦聯的 ATP 合成過程：電子沿電子傳遞鏈移動，所釋放的能量用來建立跨膜質子梯度，再由 ATP 合成酶利用質子回流合成 ATP。

兩者的電子傳遞鏈都包含固定於膜上的電子傳遞成分，以及可移動的電子載體；也都可見細胞色素與醌類載體。兩者最關鍵的差異之一，是光合作用的光反應會產生 NADPH，供卡爾文循環進行碳還原；氧化磷酸化則主要利用 NADH、FADH₂提供電子，最終將氧還原成水，並不產生供卡爾文循環使用的 NADPH。

解題方法

逐一判斷選項是否同時符合兩種過程：

1. 比較電子傳遞鏈中是否有相同類型的載體。
2. 確認兩者是否都以氧化還原反應建立質子梯度並合成 ATP。
3. 分辨電子供體與產物：光反應產生 NADPH；粒線體氧化磷酸化消耗 NADH、FADH₂，不產生 NADPH。

題目問的是「不共同具備」的敘述，因此找出只適用於其中一種過程的選項。

選項分析

核心觀念

本題考查糖質新生各步驟的酵素所在區室。判斷時要分清楚「只存在於粒線體」與「不在細胞質」：丙酮酸羧化酶是粒線體酵素；葡萄糖-6-磷酸酶則位於內質網，而非粒線體。

解題方法

從糖質新生的起始步驟切入：丙酮酸先在粒線體內由丙酮酸羧化酶轉成草醯乙酸。其後草醯乙酸可轉成蘋果酸或天門冬胺酸運出粒線體，也可由粒線體型 PEP 羧激酶轉成磷酸烯醇丙酮酸。PEP 羧激酶另有細胞質型，因此不能說它只存在於粒線體。

選項分析

• (A) PEP carboxykinase（PEP 羧激酶）—錯。 此酵素有粒線體型與細胞質型，並非只存在於粒線體。
• (B) Pyruvate carboxylase（丙酮酸羧化酶）—正確。 它位於粒線體，催化丙酮酸生成草醯乙酸，是糖質新生的起始反應。

核心觀念

本題考查三羧酸循環（TCA cycle）的碳流向與能量捕獲形式。循環的主要碳源是乙醯輔酶 A（acetyl-CoA）；乙醯基經一系列反應氧化，碳最終以二氧化碳（$CO_2$）形式離開循環。氧化過程捕獲的能量主要儲存在還原型輔酶 $NADH$、$FADH_2$，以及核苷三磷酸 $ATP$ 或 $GTP$ 中。

解題方法

依序確認題幹的三個空格：

1. 碳進入循環的形式：乙醯輔酶 A 與草醯乙酸結合形成檸檬酸，因此填入 acetyl-CoA。
2. 碳離開循環的形式：循環中的脫羧反應釋出 $CO_2$。
3. 能量捕獲形式：一輪循環每個乙醯輔酶 A 產生 $3$ 個 $NADH$、$1$ 個 $FADH_2$，以及 $1$ 個 $GTP$（可視為 $ATP$ 的能量等價物）。因此能量載體種類為 $NADH$、$ATP$ 與 $FADH_2$。

題目要選出同時符合碳流向與能量載體的選項。

選項分析

• (A) Malonate；water；NADH；ATP；NADPH：錯誤。Malonate（丙二酸）不是 TCA 循環的主要碳入口；它是琥珀酸去氫酶的競爭性抑制劑。碳離開循環的形式是 $CO_2$，不是水；主要還原型載體是 $FADH_2$，不是 $NADPH$。
• **(B) Acetyl-CoA；$CO_2$；NADH；ATP；

核心觀念

本題考粒線體電子傳遞鏈中，電子由還原型輔酶進入後，經過各複合體與電子載體的正確順序。NADH 的電子由複合體 I 進入；FADH₂ 的電子由複合體 II 進入。兩者最後都經由泛醌（coenzyme Q）、複合體 III、細胞色素 c、複合體 IV 傳遞給氧氣，氧氣是最終電子受體。

解題方法

依原卷圖，第 10 題問電子傳遞的完整正確路徑；選項列出 NADH 或 FADH₂、複合體 I 至 IV、泛醌、細胞色素 c 與 O₂ 的不同排列。先辨認兩種電子供體的入口，再依電子傳遞鏈的先後順序核對選項：

$$\mathrm{NADH \rightarrow 複合體\ I \rightarrow 泛醌 \rightarrow 複合體\ III \rightarrow 細胞色素\ c \rightarrow 複合體\ IV \rightarrow O_2}$$

NADH 的電子從複合體 I 進入；FADH₂ 則由複合體 II 進入，之後傳給泛醌，再沿共同路徑傳遞至 O₂。因此，正確選項須同時符合載體順序與電子供體的入口。

選項分析

核心觀念

糖原磷酸化酶第 14 位絲胺酸（Ser14）被磷酸化後，酵素由較不活躍的 b 型轉為較活躍的 a 型。本題考查的是以定點突變改變 Ser14 是否能被磷酸化，以及用帶負電荷的胺基酸模擬磷酸化狀態。

解題方法

要讓酵素持續處於受抑制狀態，應將 Ser14 換成無法接受磷酸化的胺基酸。丙胺酸（Ala）側鏈沒有羥基，因此無法在該位置被磷酸化。

要模擬 Ser14 已磷酸化、促進酵素活化的狀態，則可換成帶負電荷的天門冬胺酸（Asp）。Asp 側鏈的羧基可提供負電荷，作為磷酸化的「磷酸模擬突變」。

突變設計分析

核心觀念

氧化磷酸化解偶聯劑（uncouplers of oxidative phosphorylation）會削弱粒線體內膜兩側的質子電化學梯度，使電子傳遞鏈的氧化反應與 ATP 合成脫離原有的能量耦聯。

正常情況下，電子傳遞鏈將質子由粒線體基質泵至膜間腔，建立質子動力勢；質子再經 ATP 合成酶流回基質，提供合成 ATP 所需的能量。解偶聯劑提供質子繞過 ATP 合成酶回到基質的途徑，使質子梯度消散。

解題方法

判斷一種物質是否為解偶聯劑，重點在於它是否使質子梯度下降，卻不直接阻斷電子傳遞鏈：

• 質子梯度被消散後，ATP 合成量下降。
• 電子傳遞鏈仍可運作；由於質子回流不再受梯度有效限制，電子傳遞與耗氧量通常增加。
• 原本可用於合成 ATP 的能量，較多以熱的形式釋放。

核心觀念

細胞質中的 NADH 無法直接穿過粒線體內膜，因此糖解作用產生的還原當量必須透過穿梭系統送入粒線體，供電子傳遞鏈氧化。兩種穿梭作用都能讓細胞質 NADH 氧化成 NAD⁺，但送入粒線體的電子進入呼吸鏈的位置不同，因此 ATP 產量也不同。

比較時要抓住兩點：穿梭的載體與反應步驟，以及電子進入呼吸鏈的位置。細胞質 NADH 本身並未進入粒線體，實際轉移的是它的電子（還原當量）。NAD(H) 與細胞能量代謝綜述

解題方法

甘油磷酸穿梭

1. 細胞質的 NAD 依賴型甘油-3-磷酸去氫酶，將二羥基丙酮磷酸（DHAP）還原成甘油-3-磷酸，同時氧化 NADH：

$$\mathrm{DHAP + NADH + H^+ \rightarrow glycerol\text{-}3\text{-}phosphate + NAD^+}$$

2. 粒線體內膜上的 FAD 依賴型甘油-3-磷酸去氫酶，將甘油-3-磷酸氧化回 DHAP，並將電子交給 FAD，再傳給泛醌（Q），進入呼吸鏈。

3. DHAP 回到細胞質，參與下一輪反應。這條路徑讓細胞質 NADH 得以再生 NAD⁺，但電子進入呼吸鏈時繞過複合體 I，由泛醌端進入。

蘋果酸－天門冬胺酸穿梭

1. 細胞質的蘋果酸去氫酶將草醯乙酸（OAA）還原成蘋果酸，同時氧化 NADH：

$$\mathrm{OAA + NADH + H^+ \rightarrow malate + NAD^+}$$

2. 蘋果酸經內膜運輸系統進入粒線體基質。基質中的蘋果酸去氫酶再將蘋果酸氧化成 OAA，並生成基質內的 NADH。

核心觀念

這題考查糖解作用產生的細胞質 NADH 與丙酮酸，在氧氣供應充足或不足時如何被處理。關鍵在於：糖解作用需要持續供應氧化型 NAD⁺，而氧氣可透過粒線體電子傳遞鏈，讓細胞有效再氧化 NADH。

每分子葡萄糖經糖解作用產生：

$$2\ \text{NADH} + 2\ \text{丙酮酸}$$

NADH 無法直接穿越粒線體內膜；其還原當量在有氧時透過穿梭系統送入粒線體。丙酮酸則可進入粒線體進一步氧化。

解題方法

依序追蹤兩種產物：先看 NADH 如何再氧化成 NAD⁺，再看丙酮酸後續進入哪條代謝路徑。這樣可確認糖解作用能否持續，也能區分有氧與缺氧的代謝去向。

常氧時：

1. 糖解作用產生的細胞質 NADH，經蘋果酸—天冬胺酸穿梭或甘油磷酸穿梭，將還原當量送入粒線體。
2. NADH 的電子進入電子傳遞鏈，最終由氧接受電子並形成水；NADH 因此被氧化為 NAD⁺。
3. 丙酮酸進入粒線體，經丙酮酸去氫酶複合體氧化脫羧成乙醯輔酶 A，再進入檸檬酸循環。

缺氧時：

核心觀念

Chargaff 法則適用於典型的雙股 DNA：腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）互補配對，鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）互補配對。因此，整段雙股 DNA 中：

$$A=T,\qquad G=C$$

由此可得嘌呤總量等於嘧啶總量：

$$A+G=T+C$$

解題方法

先依互補配對關係建立 $A=T$ 與 $G=C$，再比較選項中的鹼基比例。將兩側分別視為嘌呤與嘧啶的總量，即可判斷符合 Chargaff 法則的敘述。

選項分析

• (A) $A=G$：錯誤。 Chargaff 法則要求 $A=T$、$G=C$，沒有要求腺嘌呤與鳥嘌呤相等。
• (B) $A=C$：錯誤。 A 與 T 配對，G 與 C 配對；

核心觀念

本題考查人類基因組中基因數量的估計。基因是基因組中具有功能的 DNA 序列；傳統教材常以人類約有 30,000 個基因作為概數。人類基因組計畫初期的估計約為 30,000 至 35,000 個基因，因此本題選項中與此估計相符的是 30,000。美國國家人類基因組研究所

解題方法

直接判讀題幹中的數量級即可：人類基因數估計為數萬個，不是數千、十萬或數十萬。依本題採用的教材估計，數量約為 $3 \times 10^4$，也就是 30,000 個。

基因數量會隨著基因的定義、基因組註釋方法，以及是否計入非蛋白質編碼基因而有所差異。現今常見的統計指出，人類蛋白質編碼基因約有 19,900 個；但本題選項與傳統教材估計相符的答案是 30,000。

核心觀念

拓樸異構酶（topoisomerase）藉由暫時切開 DNA 的一股或兩股，再讓 DNA 鏈穿越或旋轉，最後重新接合 DNA。這個過程能改變 DNA 的拓樸狀態，尤其是閉合環狀 DNA 的連結數（linking number, $Lk$）。

對共價閉合的雙股 DNA，$Lk$、扭轉數（twist, $Tw$）與盤繞數（writhe, $Wr$）的關係為：

$$Lk = Tw + Wr$$

拓樸異構酶能使 DNA 鏈暫時斷裂並重新接合，因此可改變 $Lk$，也能解除或引入超螺旋。它改變的是 DNA 鏈的拓樸排列，不會因此增減 DNA 的核苷酸或鹼基對。

解題方法

先判斷題目問的是拓樸異構酶能改變的性質。酵素作用時會暫時切開 DNA，使 DNA 鏈能改變相對纏繞方式；重新接合後，DNA 的連結數可以不同。因此，正確選項應是描述 $Lk$ 改變的選項。

選項分析

• (A) Change the linking number ($Lk$) of a DNA molecule.
  正確。 拓樸異構酶可藉由切開並重新接合 DNA，改變 DNA 的連結數 $Lk$。

核心觀念

本題考的是大腸桿菌 DNA 聚合酶 III（DNA polymerase III, Pol III）的主要功能，以及它與 DNA 聚合酶 I（Pol I）的差異。

DNA 聚合酶只能沿新生股的 $5' \to 3'$ 方向合成 DNA，並須從既有引子末端的 $3'$-OH 接上下一個核苷酸；因此無法從頭開始合成。大腸桿菌 Pol III 是染色體複製的主要聚合酶；Pol I 則具有 $5' \to 3'$ 外切酶活性，可進行切口平移（nick translation），也常參與移除 RNA 引子並補上 DNA。

解題方法

逐項對照 Pol III 的合成需求與功能：

1. 判斷能否無引子起始：DNA 聚合酶需要可延伸的 $3'$-OH。
2. 判斷是否擅長切口平移：此功能仰賴 $5' \to 3'$ 外切酶活性，典型執行者是 Pol I。
3. 判斷染色體複製的主力：大腸桿菌的染色體複製由 Pol III 全酶負責。
4. 判斷細胞萃取液中聚合酶活性的比例：超過 90% 的 DNA 聚合酶活性通常歸於 Pol I，而非 Pol III。
5. 判斷引子末端：可延伸的末端是 $3'$-OH，不是 $5'$-OH。

因此，只有「Pol III 是染色體 DNA 複製的主要聚合酶」正確。Pol III 全酶作為大腸桿菌染色體複製酶的定位，亦見於生化學綜述。 Kelman 與 O'Donnell 綜述

選項分析

(A) Can initiate replication without a primer. 錯誤。
Pol III 不能從頭合成 DNA。它必須接在引子末端的 $3'$-OH 上延伸；

核心觀念

DNA 複製起點（replication origin）是啟動 DNA 複製的特定區域。複製從起點開始後，通常會形成兩個複製叉，沿 DNA 雙向前進；每個複製叉負責複製一段 DNA。

真核生物染色體通常很長，且複製叉前進速度較慢。若每條染色體只有一個複製起點，完成整條染色體的複製會耗時過久。因此，真核染色體會使用多個起點，讓多個複製泡同時形成並沿染色體推進，縮短整體複製所需時間。

解題方法

判斷本題的關鍵，是比較真核與細菌的複製規模及複製速度：

• 細菌染色體通常較小，常見情況是一條環狀染色體搭配一個主要複製起點。
• 真核染色體通常較長，而且每個複製叉的前進速度較慢。
• 多個複製起點可讓不同區段同時複製，解決單一起點完成整條長染色體所需時間過長的問題。

因此，正確選項是指出真核 DNA 複製速度較慢、單一起點會使複製耗時過久的選項。

選項分析

• (A) 錯誤。 真核 DNA 複製通常也是雙向進行。每個起點形成複製泡後，兩個複製叉會向相反方向前進；需要多個起點並非因為真核染色體不能雙向複製。

核心觀念

大腸桿菌 DNA 聚合酶 I（DNA polymerase I, Pol I）具有三種酵素活性：

• $5' \rightarrow 3'$ 聚合酶活性：在既有引子提供的 $3'$ 端延伸 DNA 鏈。
• $3' \rightarrow 5'$ 外切酶活性：移除新合成 DNA 鏈 $3'$ 端的錯誤核苷酸，執行校對。
• $5' \rightarrow 3'$ 外切酶活性：從 DNA 鏈缺口前方的 $5'$ 端移除核苷酸，常與聚合酶活性協同進行「切口平移」，移除 RNA 引子並以 DNA 取代。

本題考查的是 Pol I 的兩種外切酶活性各自負責的工作，尤其要分辨 $5' \rightarrow 3'$ 外切酶與校對功能。

解題方法

先依外切酶的方向判斷其作用位置：

• $3' \rightarrow 5'$ 外切酶由新生鏈的 $3'$ 端向後移除核苷酸，能修正 DNA 聚合時剛加入的錯誤鹼基。
• $5' \rightarrow 3'$ 外切酶則由缺口前方的 $5'$ 端移除核苷酸；在複製中，它會協助移除 RNA 引子。Pol I 同時以聚合酶活性補入 DNA，形成切口平移。

因此，找到描述「移除 RNA 引子」及「切口平移」的選項即可。

選項分析

(A) 在 DNA 複製起點形成切口。
錯誤。複製起點的辨識與開啟由複製起始相關蛋白負責；Pol I 的 $5' \rightarrow 3'$ 外切酶主要參與引子移除與切口平移，不負責在複製起點形成切口。

核心觀念

B 型 DNA 的典型結構特徵為右手螺旋，直徑約 $20\ \text{\AA}$，每對鹼基沿螺旋軸上升約 $3.4\ \text{\AA}$。每圈約有 10 個鹼基對，因此螺距約為 $34\ \text{\AA}$。

解題方法

依序比對題目要求的三項結構參數：螺旋方向、直徑、每對鹼基的上升距離。B 型 DNA 的標準數值為：

• 螺旋方向：右手
• 直徑：$20\ \text{\AA}$
• 每對鹼基上升距離：$3.4\ \text{\AA}$

三項都符合的選項為 (D)。

選項分析

• (A) Left; 20; 3.9：錯誤。 直徑 $20\ \text{\AA}$ 接近 B 型 DNA 的特徵，但 B 型 DNA 是右手螺旋，且每對鹼基上升約 $3.4\ \text{\AA}$。
• **(B) Right; 18; 3.4：錯誤。

核心觀念

DNA 的回文序列是指：沿著兩股 DNA 各自的 5′→3′ 方向讀取時，兩股序列相同。等價地說，一段序列若等於自己的反向互補序列，就是回文序列。

鹼基互補規則為 $A\leftrightarrow T$、$G\leftrightarrow C$。若上股序列為 $S$，其反向互補序列記為 $\operatorname{revcomp}(S)$，判斷條件為：

$$S=\operatorname{revcomp}(S)$$

解題方法

逐一取每個選項上股序列，先依互補規則換成互補序列，再將互補序列反轉，最後與原序列比較。兩者相同者即為回文序列。

例如選項（D）的上股為 $5′\text{-GGATCC-}3′$。其互補股以相反方向排列為 $3′\text{-CCTAGG-}5′$；將互補股改以 $5′→3′$ 方向讀取，得到 $5′\text{-GGATCC-}3′$，與上股相同。

選項分析

（A）AGGTCC／TCCAGG

核心觀念

DNA 複製由複製起點（origin）開始，雙股 DNA 局部解開，形成兩個複製叉，並向相反方向前進，構成複製泡。DNA 聚合酶只能沿模板股 $3'\rightarrow5'$ 方向讀取，並以 $5'\rightarrow3'$ 方向合成新股；因此兩股新 DNA 的合成方式不同：

• 前導股（leading strand）：沿複製叉前進方向連續合成。
• 落後股（lagging strand）：背離複製叉前進方向分段合成；每段稱為岡崎片段（Okazaki fragment），之後由 DNA 連接酶接合。
• 引子（primer）：由引子酶合成的短 RNA 片段，提供 DNA 聚合酶延伸所需的 $3'$ 端。

解題方法與複製泡示意圖

先標出兩條親代模板股的 $5'$、$3'$ 方向，再標示複製起點與兩側複製叉的移動方向。由於兩條模板股互相反向，左右複製叉各有一條前導股及一條落後股。

核心觀念

原核生物的轉錄終止，是 RNA 聚合酶（RNA polymerase, RNAP）停止延伸，並使新生 RNA、RNAP 與 DNA 模板分離的過程。細菌的主要終止機制分成兩類，判斷關鍵是終止是否需要 Rho（ρ）蛋白：不需 Rho 的稱為內在型終止，需要 Rho 的稱為 Rho 依賴型終止。細菌轉錄終止機制綜述

解題方法

作答時依序交代每種機制的辨識訊號、參與因子，以及如何促使轉錄複合體解離。這樣可清楚比較兩類機制，也能說明終止訊號如何轉化為停止轉錄的結果。

一、內在型終止（intrinsic termination；Rho-independent termination）

DNA 上的終止序列會使新生 RNA 形成一段富含 GC 的反向重複序列，接著是連續的 U 殘基。RNA 轉錄出來後，反向重複序列配對形成髮夾結構；髮夾後方的 U-rich 序列則與 DNA 模板形成較弱的 RNA–DNA 雜合體。

髮夾使 RNAP 暫停，而較弱的 RNA–DNA 配對較容易解離，因而促使新生 RNA 釋出，轉錄複合體解體。這類終止主要由 RNA 序列與結構本身促成，不需要 Rho 蛋白。

核心觀念

真核生物的新生 RNA 通常先以**前驅 mRNA（pre-mRNA）**形式產生，再經加工成可供核輸出與翻譯的成熟 mRNA。本題考查三項典型的轉錄後加工：5′ 端加帽、3′ 端加多聚腺苷酸尾，以及 RNA 剪接。這些加工能保護 mRNA、協助其運輸與翻譯，也能調節基因表現。

解題方法

依成熟 mRNA 的形成順序整理加工步驟，並分別說明每項加工的位置、主要方式與功能，即可完整作答。題目為簡答題，沒有選項需要逐一分析。

三項轉錄後加工與功能

1. 5′ 端加帽（5′ capping）

在 mRNA 的 5′ 端接上 7-甲基鳥苷（m⁷G）帽，帽與 RNA 之間以特殊的 5′–5′ 三磷酸鍵連接。

功能：

• 保護 mRNA 的 5′ 端，降低核酸酶降解。
• 協助成熟 mRNA 從細胞核輸出至細胞質。
• 促進核糖體辨識 mRNA，並參與翻譯起始。

2. 3′ 端加多聚腺苷酸尾（3′ polyadenylation）

pre-mRNA 在 3′ 端經切割後，由多聚腺苷酸聚合酶加上多個腺苷酸，形成 poly(A) 尾。這段尾巴通常不直接由 DNA 模板逐個轉錄而來。

功能：

核心觀念

原核生物翻譯延長時，核糖體依序將胺醯化 tRNA 帶入 A 位、形成胜肽鍵，再將核糖體沿 mRNA 前進一個密碼子。延長因子各司其職：

• EF-Tu：把帶有胺醯化 tRNA 的複合體送到核糖體 A 位。
• EF-Ts：促進 EF-Tu 釋放 GDP、結合 GTP，使 EF-Tu 得以再次參與延長。
• EF-G：促使核糖體易位，讓 tRNA 與 mRNA 前進一個密碼子。

解題方法

依照翻譯延長的先後順序，說明各因子的作用，再指出 GTP 水解如何參與 tRNA 選擇與核糖體易位。

1. EF-Tu：送入胺醯化 tRNA
   EF-Tu 與 GTP 結合後，形成 EF-Tu–GTP，並攜帶胺醯化 tRNA 進入核糖體 A 位。若 tRNA 的反密碼子與 mRNA 密碼子配對正確，EF-Tu 會水解 GTP，構形改變後從 tRNA 解離，使 tRNA 能完整進入 A 位並參與後續胜肽鍵形成。這個步驟也有助於辨認正確的密碼子－反密碼子配對。

2. EF-Ts：再生 EF-Tu–GTP
   EF-Tu 水解 GTP 後成為 EF-Tu–GDP，對胺醯化 tRNA 的親和力降低。EF-Ts 作為鳥嘌呤核苷酸交換因子，促進 EF-Tu 釋放 GDP；隨後 GTP 結合 EF-Tu，恢復具活性的 EF-Tu–GTP。EF-Ts 的功能是促進核苷酸交換，本身不負責水解 GTP。

核心觀念

MicroRNA（miRNA）是長度約 20–24 個核苷酸的非編碼小 RNA，主要透過轉錄後調控基因表現。成熟 miRNA 與 Argonaute 蛋白及其他蛋白組成 RNA 誘導沉默複合體（RNA-induced silencing complex, RISC），由 miRNA 引導 RISC 辨識目標 mRNA，進而抑制蛋白質生成，並促進 mRNA 降解。

解題方法

作答時依序說明 miRNA 的加工、與 RISC 結合，以及對目標 mRNA 造成的結果：

1. **形成成熟 miRNA：**miRNA 基因先轉錄成初級 miRNA（pri-miRNA）；在細胞核中由 Drosha–DGCR8 複合體切割成前驅 miRNA（pre-miRNA）。前驅 miRNA 經 Exportin-5 輸送至細胞質，再由 Dicer 切割成 miRNA 雙股 RNA。
2. **組成 RISC：**雙股 RNA 中的一股成為引導股，與 Argonaute 蛋白結合並形成 RISC；另一股通常被移除。
3. **辨識目標 mRNA：**引導股藉由序列互補性辨識目標 mRNA，常見結合位置在 mRNA 的 3′ 非轉譯區（3′ UTR）。

第 28 題：What is autophagy? How is it initiated?

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核心觀念

本題考的是**自噬作用（autophagy）**的定義與啟動機制，屬於細胞生物學與分子生物學的經典主題。考生需掌握以下知識：

1. 自噬作用的定義與生理意義。
2. 自噬作用的三種主要類型。
3. 自噬作用的啟動訊號與分子調控機制，特別是 mTOR、AMPK、ULK1 複合體、Beclin-1／VPS34 複合體 以及 ATG 蛋白家族 的角色。

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解題方法

本題為申論題，應分兩部分作答：先定義 autophagy（What），再闡述其啟動過程（How）。以下依序說明。

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一、自噬作用的定義（What is autophagy?）

自噬作用（autophagy） 是真核細胞中一種高度保守的分解代謝途徑（catabolic pathway），細胞透過形成雙層膜囊泡（稱為自噬體，autophagosome），將老化或受損的胞器、錯誤摺疊的蛋白質、以及長壽命蛋白質等細胞質成分包裹後，送往**溶體（lysosome）**進行降解與回收。降解產物（胺基酸、脂肪酸、核苷酸等）可被細胞重新利用，作為合成新分子或產生能量的原料。

自噬作用依機制可分為三種主要類型：

類型	特徵
巨自噬（macroautophagy）	最典型的形式；由隔離膜（isolation membrane / phagophore）延伸包裹胞質成分，形成自噬體後與溶體融合。通常所稱的 autophagy 即指此型。
微自噬（microautophagy）	溶體膜直接內凹（invagination）吞噬胞質成分。
伴護蛋白媒介自噬（chaperone-mediated autophagy, CMA）	帶有 KFERQ 序列的蛋白質經由 HSC70 伴護蛋白辨識，透過溶體膜上的 LAMP-2A 受體直接移位進入溶體降解。

生理功能： 自噬作用在營養飢餓時提供能量與建構分子；在正常狀態下維持細胞恆定（homeostasis），清除受損粒線體（mitophagy）及蛋白質聚集體；亦參與先天免疫（清除胞內病原體，稱為 xenophagy）、發育與分化。自噬功能異常與神經退化性疾病、癌症、老化等密切相關。

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二、自噬作用的啟動機制（How is it initiated?）

以最具代表性的**巨自噬（macroautophagy）**為核心，其啟動過程可分為以下階段：

1. 上游訊號感知：mTOR 與 AMPK 的拮抗調控

• mTORC1（mammalian target of rapamycin complex 1） 是自噬作用的主要負調控因子。在營養充足、生長因子充沛的條件下，mTORC1 處於活化狀態，會磷酸化 ULK1（Unc-51-like kinase 1）及 ATG13，使 ULK1 複合體處於不活化狀態，從而抑制自噬。
• 當細胞遭遇營養飢餓、能量不足（ATP 下降 / AMP 上升）、缺氧、ER stress 等壓力時，mTORC1 活性被抑制。
• AMPK（AMP-activated protein kinase） 在能量不足時被活化，透過兩條途徑促進自噬：
  • 直接磷酸化並活化 ULK1。
  • 磷酸化 TSC2（tuberin） 與 Raptor，間接抑制 mTORC1。
• 藥物 rapamycin 可直接抑制 mTORC1，因此常被用作自噬誘導劑。

2. ULK1 複合體的活化——啟動核心

ULK1 複合體由 ULK1、ATG13、FIP200（RB1CC1） 及 ATG101 組成。當 mTORC1 被抑制後：

• ULK1 與 ATG13 上的抑制性磷酸化位點被去磷酸化。
• ULK1 進行自磷酸化並磷酸化 ATG13 與 FIP200，使整個複合體活化。
• 活化的 ULK1 複合體被招募至內質網（ER）、粒線體或其他膜來源上的特定位點，標記為隔離膜（phagophore）的組裝位點。

3. 核苷酸化步驟：Beclin-1／Class III PI3K 複合體產生 PI3P

活化的 ULK1 複合體會磷酸化 Beclin-1，促進 Class III PI3K 複合體（又稱 PI3KC3 complex I） 的組裝與活化。此複合體主要成員包括：

• VPS34（Class III PI3K，具激酶活性的催化次單元）
• Beclin-1（p150 / VPS15 結合蛋白，作為支架）
• VPS15（p150）
• ATG14L（將複合體定位至 phagophore）

VPS34 以 PI（phosphatidylinositol，磷脂醯肌醇） 為受質，在其肌醇環 3 號位進行單一磷酸化，產生 PI3P（phosphatidylinositol 3-phosphate，磷脂醯肌醇-3-磷酸）。

核心觀念

Hsp70（細菌中的同源蛋白為 DnaK）是分子伴護蛋白，協助未摺疊或尚未完成摺疊的蛋白質，避免其錯誤聚集，並增加形成正確構形的機會。它不提供摺疊模板，也不會直接決定蛋白質的最終構形；蛋白質的胺基酸序列仍決定其天然構形。

解題方法

作答時抓住兩個重點：DnaK 暫時結合暴露的疏水區段，以及 ATP 控制結合與釋放的循環。

未摺疊蛋白質常暴露原本應埋在蛋白質內部的疏水區段。DnaK 可結合這些區段，降低它們彼此接觸而形成聚集體的機會。透過多次結合與釋放，底物蛋白有時間逐步摺疊，或在釋放後繼續摺疊。

在細菌中，DnaJ 可協助將底物帶到 DnaK，並促進 DnaK 水解 ATP；GrpE 則促進 ADP 離開，使 DnaK 能再結合 ATP。底物反覆經歷結合與釋放，形成摺疊循環。

ATP 的角色

ATP 主要作為 DnaK 的構形與親和力開關：

核心觀念

NADH 與 NADPH 都是含菸鹼醯胺的氧化還原輔酶，可在代謝反應中攜帶電子。其氧化型分別為 NAD⁺、NADP⁺，還原型分別為 NADH、NADPH。兩者接受或提供電子時，主要在菸鹼醯胺環上進行氫化物轉移：

$$\mathrm{NAD^+ + 2e^- + H^+ \rightleftharpoons NADH}$$ $$\mathrm{NADP^+ + 2e^- + H^+ \rightleftharpoons NADPH}$$

NADPH 比 NADH 多一個接在腺苷核糖 2′ 位的磷酸基。這個差異不改變兩者的氧化還原核心，卻能讓酵素辨認不同輔酶，使細胞將兩套電子載體系統分工使用。

解題方法

題目要求說明兩者的功能，作答時可依序比較「主要代謝方向、電子的用途、典型反應與細胞中的氧化還原狀態」。重點是說明兩者都是電子載體，但在細胞中的主要用途不同。

NADH：分解代謝與能量生成

NAD⁺ 在許多分解代謝反應中接受電子而成為 NADH。例子包括糖解作用、丙酮酸氧化、檸檬酸循環及脂肪酸 β 氧化。這些反應將營養物質氧化，並把部分能量暫存於 NADH 的高能電子中。

在有氧細胞中，NADH 將電子送入粒線體電子傳遞鏈，主要經由複合體 I 傳遞。電子沿電子傳遞鏈移動時，釋出的能量促使質子跨膜移動，形成質子梯度；ATP 合成酶利用此梯度合成 ATP。NADH 因而回到 NAD⁺，可再次參與代謝反應。缺氧時，細胞也可藉由發酵反應氧化 NADH、再生 NAD⁺，以維持糖解作用。

NADPH：還原性合成與抗氧化防禦

核心觀念

低密度脂蛋白（LDL）是血液中的脂蛋白顆粒，主要功能是將膽固醇從肝臟運送至周邊組織。膽固醇可供細胞合成細胞膜，也可作為類固醇荷爾蒙等分子的原料。

LDL 表面具有載脂蛋白 B-100（ApoB-100），可與細胞表面的 LDL 受體結合。細胞藉受體媒介的胞吞作用攝入 LDL，再將其分解並釋出膽固醇，供細胞使用或儲存。

解題方法

作答分成兩部分：先說明 LDL 的生理運輸功能，再解釋它與動脈粥狀硬化的關聯。關鍵在於分清楚：LDL 本身負責運送膽固醇；當 LDL 過多，或滯留於血管內膜並發生氧化修飾時，才會增加血管病變風險。

為何 LDL 常被稱為「壞脂蛋白」

血中 LDL 濃度過高時，較多 LDL 會進入並滯留於動脈內膜。經氧化等修飾後的 LDL 可被巨噬細胞攝取，促使巨噬細胞累積脂質，形成泡沫細胞。