113 年 國立成功大學生物科技與產業科學系碩士班《生物化學（含生物技術）》

這題考查金屬離子在金屬活化酶中的功能。金屬離子在酶催化反應中扮演多種角色，包括作為親核試劑、穩定活性位點上的電子密度、或作為親電催化劑。然而，金屬離子通常不會主動「發展」負電荷，而是透過與底物或輔因子互動來影響電荷分佈。

選項 (a) 是正確的，金屬離子可以作為親核試劑攻擊底物，例如在水解反應中。
選項 (c) 是正確的，金屬離子可以通過配位作用穩定活性位點中因電子轉移而產生的負電荷或增加的電子密度。

核心觀念

本題考查酵素抑制作用對 Michaelis–Menten 動力學的影響。圖中以底物濃度 $[S]$ 為橫軸、反應速率 $v$ 為縱軸：

• 未加抑制劑（$-I$）時，曲線較高。
• 加入抑制劑（$+I$）後，低底物濃度下反應速率降低。
• 當底物濃度增加至很高時，兩條曲線趨近相同的最大反應速率 $V_{\max}$。

Michaelis–Menten 方程式為：

$$v=\frac{V_{\max}[S]}{K_m+[S]}$$

競爭型抑制劑會與底物競爭酵素活性部位，因此需要更高的底物濃度才能達到相同反應速率。其特徵為：

$$V_{\max}\text{ 不變},\qquad K_m\text{ 增加}$$

解題方法

觀察圖形可知，加入抑制劑後：

1. 低底物濃度時，$+I$ 曲線低於 $-I$ 曲線，表示反應受到抑制。
2. 高底物濃度時，兩條曲線達到相同的平台，因此 $V_{\max}$ 沒有改變。
3. 在相同反應速率下，加入抑制劑需要較高的底物濃度，代表表觀 $K_m$ 增加。

這正是競爭型抑制的典型圖形，因此抑制劑為 competitive inhibitor。

選項分析

• a. competitive inhibitor：正確。
  競爭型抑制使 $K_m$ 增加，但 $V_{\max}$ 不變。增加底物濃度可以逐漸克服抑制作用，與圖形完全相符。

標準胺基酸是指在蛋白質中發現的 20 種常見胺基酸，它們具有相同的基本結構：一個中心碳原子（α-碳），連接一個氫原子、一個胺基 (-NH₂)、一個羧基 (-COOH) 和一個側鏈 (R 基)。

a. 甘胺酸 (Glycine)：是標準胺基酸，其 R 基為氫原子。
b. 鳥胺酸 (Ornithine)：是一種非蛋白質胺基酸，是尿素循環的中間產物，不在蛋白質中。
c. 酪胺酸 (Tyrosine)：是標準胺基酸，其 R 基包含一個酚羥基。
d. N-甲醯基甲硫胺酸 (N-formylmethionine)：是一種修飾過的甲硫胺酸。在原核生物中，N-甲醯基甲硫胺酸是起始胺基酸，參與蛋白質的合成。

此題考查蛋白質分離的技術及其原理。題目要求找出基於蛋白質「淨電荷」進行分離的方法。

a. 體積排阻層析 (Size exclusion chromatography)：根據蛋白質的分子大小（水動力學半徑）進行分離。較大的蛋白質先流出，較小的蛋白質後流出。
b. 硫酸銨沉澱 (Ammonium sulfate precipitation)：利用不同蛋白質在不同濃度硫酸銨下的溶解度差異來沉澱和分離蛋白質。這與電荷關係不大，主要基於蛋白質的疏水性、表面電荷分佈和鹽析效應。
c. SDS-PAGE (Sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis)：SDS 是一種陰離子去污劑，可以使蛋白質變性並結合到蛋白質上，賦予蛋白質近似恆定的負電荷與質量的比例。

核心觀念

本題考查不同蛋白質定量法的反應原理，尤其是銅離子在鹼性環境中的反應。

真正以蛋白質或胜肽鍵將 $\mathrm{Cu^{2+}}$ 還原為 $\mathrm{Cu^+}$ 作為定量基礎的方法，主要包括：

• Lowry method：蛋白質先與 $\mathrm{Cu^{2+}}$ 反應，形成 $\mathrm{Cu^+}$，再還原 Folin–Ciocalteu reagent，產生藍色產物。
• BCA assay：蛋白質將 $\mathrm{Cu^{2+}}$ 還原為 $\mathrm{Cu^+}$，生成的 $\mathrm{Cu^+}$ 再與 bicinchoninic acid 結合，形成紫色複合物。

其核心還原反應為：

$$\mathrm{Cu^{2+}+e^- \longrightarrow Cu^+}$$

然而，選項中沒有 Lowry method 或 BCA assay。

解題方法

先辨認題幹的關鍵字：「reduction of $\mathrm{Cu^{2+}}$ to $\mathrm{Cu^+}$」。

這表示定量法的訊號來自蛋白質造成的銅離子還原，再利用生成的 $\mathrm{Cu^+}$ 形成有色物質。此描述最符合 BCA assay，也符合 Lowry method 的銅離子還原步驟。

傳統 Biuret method 雖然使用 $\mathrm{Cu^{2+}}$，但主要原理是鹼性條件下，$\mathrm{Cu^{2+}}$ 與蛋白質的胜肽鍵形成紫色配位複合物：

$$\text{peptide bonds}+\mathrm{Cu^{2+}} \longrightarrow \text{紫色銅－胜肽複合物}$$

其定量依據是紫色複合物在約 $540\,\mathrm{nm}$ 的吸光度與蛋白質濃度相關，並非以 $\mathrm{Cu^{2+}}$ 被還原為 $\mathrm{Cu^+}$ 為主要判定基礎。

選項分析

a. Bradford method

錯誤。Bradford 法利用 Coomassie Brilliant Blue G-250 與蛋白質結合後的光譜變化，最大吸收通常由約 $465\,\mathrm{nm}$ 移至約 $595\,\mathrm{nm}$。主要涉及染料與蛋白質，尤其是鹼性胺基酸及疏水性區域的結合，不涉及 $\mathrm{Cu^{2+}}$ 還原為 $\mathrm{Cu^+}$。

b. Biuret method

核心觀念

本題考查 DNA 與 RNA 在酸、鹼條件下的穩定性，關鍵在於：

1. DNA 含有 2′-deoxyribose，缺少 2′-OH。
2. RNA 含有 ribose，具有 2′-OH，可在鹼性條件下攻擊鄰近磷酸二酯鍵，造成主鏈斷裂。
3. DNA 在稀酸中容易發生嘌呤鹼基與去氧核糖間的 N-glycosidic bond 水解，導致嘌呤脫落，稱為 depurination。

RNA 的 2′-OH 是其鹼不穩定性的主要原因；DNA 缺乏 2′-OH，因此對鹼較穩定。

解題方法

題幹中的 except 表示「以下敘述皆正確，但有一項例外」，因此要找出錯誤的敘述。

判斷順序如下：

• 看到 RNA 與鹼：通常想到 RNA 的 2′-OH 促進鹼催化水解。
• 看到 DNA 與鹼：通常判斷 DNA 不易被鹼水解。
• 看到 DNA 與稀酸：想到嘌呤脫落與 depurination。
• 看到 RNA 與稀酸：不是 RNA 最具代表性的穩定性特徵，需判斷為錯誤敘述。

選項分析

a. RNA is readily hydrolyzed by dilute acid

錯誤。

RNA 最典型的化學不穩定性是 鹼催化水解，原因是核糖上的 2′-OH 可先被去質子化，形成 2′-O⁻，接著分子內攻擊磷酸，使磷酸二酯鍵斷裂：

$$\text{2′-OH} \rightarrow \text{2′-O}^-$$ $$\text{2′-O}^- \text{ attacks phosphate} \rightarrow \text{cyclic phosphate intermediate}$$

最後形成 2′-或 3′-磷酸酯端，造成 RNA 主鏈斷裂。

稀酸的代表性作用則是使 DNA 發生嘌呤脫落，而非 RNA 的主要穩定性特徵。因此「RNA readily hydrolyzed by dilute acid」不是本題所指的正確敘述。

核心觀念

本題考脂肪酸的命名與分類：

• 碳數：整條脂肪酸含有幾個碳原子。
• 不飽和度：雙鍵數量；含有兩個以上雙鍵稱為多元不飽和脂肪酸（PUFA）。
• 順反式：天然脂肪酸的雙鍵多為 cis 結構。
• ω（或 n）系列：由甲基端開始計算，第一個雙鍵所在位置決定系列：
  • 第一個雙鍵位於第 3 個碳：ω-3（n-3）
  • 第一個雙鍵位於第 6 個碳：ω-6（n-6）

γ-亞麻酸（gamma-linolenic acid, GLA）的標準表示法為：

$$18:3\,(n-6)$$

表示含有 18 個碳、3 個雙鍵，且由甲基端計算第一個雙鍵位於第 6 個碳。

解題方法

先由圖中的結構判斷三項資料：

1. 分子具有 18 個碳，屬於 C18 脂肪酸。
2. 分子具有 3 個碳碳雙鍵，因此為多元不飽和脂肪酸。
3. 由甲基端計算，第一個雙鍵位於第 6 個碳，因此屬於 n-6 脂肪酸，而不是 n-3 脂肪酸。

因此 GLA 可表示為：

$$18:3\,\Delta^{6,9,12}$$

其三個雙鍵皆為 cis 構型。

選項分析

a. GLA is a polyunsaturated fatty acid

這題考查膽固醇生物合成的相關知識。題目要求找出哪個敘述是錯誤的。

a. Primary occurs in liver. (主要發生在肝臟)：這是正確的。肝臟是膽固醇合成的主要場所。
b. Cholesterol synthesis occurs in the cytosol. (膽固醇合成發生在細胞質)：這是正確的。膽固醇合成的絕大部分步驟發生在細胞質中，一些步驟也涉及內質網膜。
c. The rate-limiting step is catalyzed by HMG-CoA synthase. (限速步驟由 HMG-CoA 合成酶催化)：這是錯誤的。

核心觀念

本題考查飽和偶數碳脂肪酸進行粒線體 $\beta$-氧化（beta-oxidation）時的：

• $\beta$-氧化循環次數
• 產物數量：$FADH_2$、$NADH$ 與 acetyl-CoA
• 棕櫚酸完全氧化時的 ATP 產量
• 脂肪氧化所形成的代謝水

對於含有 $n$ 個碳的偶數碳飽和脂肪酸：

$$\text{循環次數}=\frac{n}{2}-1$$ $$\text{acetyl-CoA 數量}=\frac{n}{2}$$

每一輪 $\beta$-氧化產生：

$$1\ FADH_2+1\ NADH$$

棕櫚酸為 $C_{16:0}$，因此：

$$\text{循環次數}=\frac{16}{2}-1=7$$ $$\text{acetyl-CoA 數量}=\frac{16}{2}=8$$

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解題方法

先由碳數判斷 $\beta$-氧化循環次數與 acetyl-CoA 數量，再利用現代常用的氧化磷酸化換算值：

• $1\ NADH \rightarrow 2.5\ ATP$
• $1\ FADH_2 \rightarrow 1.5\ ATP$
• $1\ acetyl-CoA` 經檸檬酸循環 \rightarrow 10\ ATP$

棕櫚酸經 7 輪 $\beta$-氧化產生：

$$7\ NADH+7\ FADH_2+8\ acetyl-CoA$$

其 ATP 產量為：

$$7(2.5)+7(1.5)+8(10)$$ $$=17.5+10.5+80=108\ ATP$$

脂肪酸活化成 palmitoyl-CoA 需要消耗 2 個 ATP 當量，因此淨產量為：

$$108-2=106\ ATP$$

所以不正確的敘述是「需要 8 次 $\beta$-氧化循環」；正確應為 7 次。

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選項分析

a. Produce $FADH_2$ and $NADH

正確。

每一輪 $\beta$-氧化包含兩個氧化步驟：

1. Acyl-CoA 脫氫，產生 $FADH_2$
2. $\beta$-羥基脂醯-CoA 脫氫，產生 $NADH$

因此棕櫚酸進行 7 輪 $\beta

這題考查哺乳動物酮體生成 (ketogenesis) 的相關知識。題目要求找出「除了」哪個敘述是正確的，也就是找出一個錯誤的敘述。

a. Take place in liver (發生在肝臟)：這是正確的。酮體主要在肝臟的粒線體中合成。
b. Origin from excess acetyl-CoA in liver mitochondrial matrix (來源於肝臟粒線體基質中過量的乙醯輔酶 A)：這是正確的。當肝臟的乙醯輔酶 A 濃度過高，超過三羧酸循環的處理能力時（例如，在飢餓、長時間運動或糖尿病狀態下），乙醯輔酶 A 會被用於酮體合成。
c. HMG-CoA reductase participates in ketogenesis (HMG-CoA 還原酶參與酮體生成)：這是錯誤的。酮體合成的關鍵限速酶是 HMG-CoA 合成酶 (HMG-CoA synthase)，它將乙醯輔酶 A 轉化為 HMG-CoA。

這題考查緩衝溶液的選擇。一個最佳的緩衝系統應該是其 pKa 值接近所需的 pH 值。緩衝溶液的有效範圍通常是 pKa ± 1。

我們需要找到一個 pKa 值最接近 pH 10.0 的緩衝對。

a. 醋酸和醋酸鈉：pKa = 4.76。這個 pKa 與 pH 10.0 相差甚遠，不是好的緩衝體系。
b. H₂CO₃ 和 NaHCO₃：H₂CO₃ 的 pKa 值為 3.77 和 10.4。其中 pKa₂ = 10.4 非常接近 pH 10.0。這個體系可以作為 pH 10.0 的緩衝。
c. 乳酸和乳酸鈉：pKa = 3.86。這個 pKa 與 pH 10.0 相差甚遠。
d. NaH₂PO₄ 和 Na₂HPO₄：這個緩衝體系有三個 pKa 值：2.1, 7.2, 12.4。pH 7.2 可以作為緩衝，pH 12.4 也可以作為緩衝。pH 10.0 介於 7.2 和 12.4 之間，但 12.4 更接近 10.0，所以 HPO₄²⁻ / PO₄³⁻ 體系可以緩衝 pH 10.0。

這題考查 D-葡萄糖在變旋（mutarotation）過程中的存在形式。變旋是指醛糖或酮糖在溶液中，其開鏈的醛基（或酮基）與分子內羥基反應形成半縮醛（或半縮酮）環狀結構，以及環狀結構與開鏈結構之間相互轉化的過程。在這個過程中，α-異頭碳上的構型會發生變化，形成 α-異頭物和 β-異頭物。

D-葡萄糖的變旋過程涉及以下幾種形式：

1. 開鏈醛 (free aldehyde)：這是葡萄糖的開鏈形式，具有醛基。
2. 環狀半縮醛 (cyclic hemiacetal)：
   • α-異頭物 (α-anomer)：α-D-吡喃葡萄糖 (α-D-glucopyranose) 和 α-D-呋喃葡萄糖 (α-D-glucofuranose)。

這題考查軟骨基質蛋白聚醣 (cartilage-matrix proteoglycan) 的特性。題目要求找出哪個敘述是錯誤的。

軟骨基質蛋白聚醣是構成軟骨細胞外基質的重要成分，它具有高度的親水性，能夠結合大量水分，從而賦予軟骨彈性和承載能力。

a. responsible for the flexibility and resiliency of cartilage. (負責軟骨的彈性和韌性)：這是正確的。蛋白聚醣的親水性和高度水合能力使其能夠承受壓力並恢復原狀，這是軟骨彈性和韌性的關鍵。
b. has a hyaluronic acid binding domain. (具有結合透明質酸的結構域)：這是正確的。蛋白聚醣的核心蛋白 (core protein) 上有一個特定的結構域，可以與透明質酸 (hyaluronic acid) 結合，形成巨大的聚合體，這對於維持細胞外基質的結構至關重要。
c. has reversible hydration-dehydration properties. (具有可逆的水合-脫水性質)：這是正確的。

核心觀念

本題考查無氧糖解作用中，丙酮酸轉變為乳酸的生理目的。

在骨骼肌缺氧時，電子傳遞鏈再生 NAD⁺ 的能力下降，但糖解作用仍需 NAD⁺ 參與。因此，乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase, LDH）催化丙酮酸還原成乳酸，同時將 NADH 氧化回 NAD⁺：

$$\text{Pyruvate}+\text{NADH}+\text{H}^+ \rightleftharpoons \text{Lactate}+\text{NAD}^+$$

再生的 NAD⁺ 可供糖解作用中的甘油醛-3-磷酸脫氫酶繼續使用，使糖解作用得以持續產生少量 ATP。

無氧糖解作用的總反應可概括為：

$$\text{Glucose}+2\text{ADP}+2\text{P}_i \rightarrow 2\text{Lactate}+2\text{ATP}+2\text{H}_2\text{O}$$

其中，丙酮酸轉為乳酸的步驟本身不直接產生 ATP，主要功能是再生 NAD⁺。

解題方法

判斷這類題目的關鍵，是找出「無氧環境下 NAD⁺ 從何處再生」。

糖解作用前半段會消耗 ATP，後半段則需要 NAD⁺ 進行氧化反應並產生 NADH。若缺氧使粒線體氧化 NADH 的能力不足，NAD⁺ 會逐漸耗盡；一旦 NAD⁺ 不足，糖解作用便會停止，ATP 產生也會中斷。

此時，LDH 將丙酮酸還原為乳酸，並把 NADH 氧化為 NAD⁺。因此，乳酸生成的直接目的，是維持 NAD⁺ 供應，使糖解作用可以繼續進行。

選項分析

(a) lower the pH.

錯誤。乳酸與氫離子累積確實可能造成肌肉細胞內環境酸化，但「降低 pH」不是丙酮酸轉為乳酸的主要代謝目的。

事實上，LDH 反應會消耗一個氫離子：

$$\text{Pyruvate}+\text{NADH}+\text{H}^+ \rightarrow \text{Lactate}+\text{NAD}^+$$

運動時肌肉酸化的來源主要與 ATP 水解、質子生成及緩衝能力超負荷有關，不能將乳酸生成簡化為「為了降低 pH」。

(b) promote release of oxygen from hemoglobin.

這題考查糖酵解 (glycolysis) 過程中三個不可逆反應的催化酶。糖酵解是將葡萄糖分解為丙酮酸的代謝途徑，其中有三個反應是關鍵的、不可逆的步驟，它們是代謝途徑的調控點。

這三個不可逆反應及其催化酶分別是：

1. 葡萄糖 → 葡萄糖-6-磷酸：由 己糖激酶 (hexokinase) 催化。
2. 果糖-6-磷酸 → 果糖-1,6-二磷酸：由 磷酸果糖激酶-1 (phosphofructokinase-1, PFK-1) 催化。
3. 磷酸烯醇丙酮酸 → 丙酮酸：由 丙酮酸激酶 (pyruvate kinase) 催化。

現在我們對照選項：
a. 己糖激酶 (hexokinase)，磷酸甘油酸激酶 (phosphoglycerate kinase)，丙酮酸激酶 (pyruvate kinase)。其中磷酸甘油酸激酶催化的反應是可逆的。

這題考查三羧酸循環 (TCA cycle) 中催化氧化脫羧反應的酶。氧化脫羧反應是指一個反應同時包含氧化（失去電子）和脫羧（失去二氧化碳）兩個過程。

三羧酸循環中有兩個關鍵的氧化脫羧反應：

1. 異檸檬酸 → α-酮戊二酸：這個反應由 異檸檬酸脫氫酶 (isocitrate dehydrogenase) 催化，同時會產生 NADH 和 CO₂。
2. α-酮戊二酸 → 琥珀醯輔酶 A：這個反應由 α-酮戊二酸脫氫酶複合物 (α-ketoglutarate dehydrogenase complex) 催化，同時會產生 NADH 和 CO₂。

現在我們對照選項：
a. 蘋果酸脫氫酶 (malate dehydrogenase) 和檸檬酸合成酶 (citrate synthase)。檸檬酸合成酶催化檸檬酸的形成（無氧化脫羧）。蘋果酸脫氫酶催化蘋果酸氧化產生草醯乙酸，產生 NADH，但無脫羧。

這題考查 von Gierke's 病（肝糖原儲積症 I 型）的酶缺陷及其臨床表現。von Gierke's 病是由於肝臟中 葡萄糖-6-磷酸酶 (glucose-6-phosphatase) 的缺陷引起的。葡萄糖-6-磷酸酶是一種存在於肝臟和腎臟的酶，它將葡萄糖-6-磷酸轉化為葡萄糖。這個反應是肝臟將肝醣分解為葡萄糖並釋放到血液中的最後一步。

因此，缺乏葡萄糖-6-磷酸酶意味著肝臟無法將肝醣分解產生的葡萄糖-6-磷酸轉化為葡萄糖釋放到血液中。這將導致：

1. 肝臟內葡萄糖-6-磷酸積聚。
2. 血液中的葡萄糖水平低 (hypoglycemic)，因為肝臟無法釋放葡萄糖。
3. 肝臟內肝醣含量增加，因為肝醣分解受阻。

現在我們分析選項：
a. 缺乏：糖原合成酶 (glycogen synthase)。表現：肝醣含量增加，但不是 von Gierke's 病。
b. 缺乏：糖原合成酶 (glycogen synthase)。

核心觀念

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

1. 氧化階段（oxidative phase）
   葡萄糖-6-磷酸（glucose-6-phosphate, G6P）被氧化，產生：

   • $2$ 分子 NADPH
   • $1$ 分子 CO₂
   • $1$ 分子核酮糖-5-磷酸（ribulose-5-phosphate）

2. 非氧化階段（nonoxidative phase）
   核酮糖-5-磷酸可轉換為核糖-5-磷酸（ribose-5-phosphate, R5P），也可透過轉酮醇酶與轉醛醇酶反應，轉換成 fructose-6-phosphate 與 glyceraldehyde-3-phosphate。

題目指出「同時需要 NADPH 與 ribose-5-P」，因此應採用氧化階段產生 NADPH，再將 ribulose-5-P 異構化為 ribose-5-P的反應，不需要把五碳糖再轉回六碳糖或三碳糖。

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解題方法

氧化階段的總反應可寫為：

$$\text{Glucose-6-P}+2\text{NADP}^++\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ribulose-5-P}+\text{CO}_2+2\text{NADPH}+2\text{H}^+$$

接著，ribulose-5-P 經由 phosphopentose isomerase 轉換成 ribose-5-P：

$$\text{Ribulose-5-P} \rightleftharpoons \text{Ribose-5-P}$$

將兩式合併後，ribulose-5-P 抵消，得到：

$$\boxed{ \text{Glucose-6-P}+2\text{NADP}^++\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ribose-5-P}+\text{CO}_2+2\text{NADPH}+2\text{H}^+ }$$

因此，選項中應選擇同時包含：

• $1$ 個 glucose-6-P
• $2$ 個 NADP⁺
• $2$ 個 NADPH
• $1$ 個 CO₂
• $1$ 個 ribose-5-P

的反應式。

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選項分析

a.

$$4\text{Fructose-6-P}+2\text{glyceraldehyde-3-P} \rightarrow 6\text{ribose-5-P}$$

此反應代表非氧化階段將六碳糖與三碳糖重新排列，生成五碳糖。它不涉及：

• NADP⁺
• NADPH
• CO₂
• 氧化還原反應

因此只能產生 ribose-5-P，無法說明 NADPH 的生成，錯誤。

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b.

核心觀念

本題考查胺基酸依照「碳骨架來源」所做的分類。

$\alpha$-酮戊二酸（$\alpha$-ketoglutarate，$\alpha$-KG）是檸檬酸循環的中間產物，也是麩胺酸家族胺基酸的共同前驅物。麩胺酸、麩醯胺、脯胺酸與精胺酸皆可追溯至 $\alpha$-KG 的碳骨架，因此歸入同一個生合成家族。

解題方法

先找出四種胺基酸的共同代謝前驅物：

1. $\alpha$-KG 經轉胺作用可形成麩胺酸。
2. 麩胺酸可直接轉換成麩醯胺。
3. 麩胺酸經由麩胺酸半醛可形成脯胺酸。
4. 麩胺酸經由鳥胺酸（ornithine）途徑形成精胺酸。

主要關係可整理如下：

$$\alpha\text{-KG} \longrightarrow \text{麩胺酸} \longrightarrow \begin{cases} \text{麩醯胺}\\ \text{脯胺酸}\\ \text{精胺酸} \end{cases}$$

其中，$\alpha$-KG 接受胺基後形成麩胺酸：

$$\alpha\text{-KG}+\text{胺基酸} \rightleftharpoons \text{麩胺酸}+\text{相應的}\ \alpha\text{-酮酸}$$

此反應通常由轉胺酶催化。麩胺酸再作為其他三種胺基酸的共同碳骨架來源，因此正確答案為 $\alpha$-KG。

選項分析

a. They are all derived from a-KG.

正確。

$\alpha$-KG 先形成麩胺酸，之後可分別進入麩醯胺、脯胺酸與精胺酸的生合成途徑。因此四者同屬「麩胺酸家族」胺基酸。

這題考查尿素循環 (urea cycle) 的相關知識。題目要求找出哪個敘述是錯誤的。

a. It helps in the excretion of excess nitrogen. (有助於排出多餘的氮)：這是正確的。尿素循環是將氨轉化為毒性較低的尿素，然後通過腎臟排出體外的主要途徑。
b. It is mainly confined to the liver. (主要局限於肝臟)：這是正確的。尿素循環的大部分酶存在於肝臟細胞中。有些酶（如鳥胺酸轉氨甲醯酶 Ornithine transcarbamylase, OTC）也存在於腎臟，但肝臟是主要的場所。
c. It is linked to the citric acid cycle through fumarate. (通過延胡索酸與三羧酸循環相連)：這是正確的。尿素循環中的天冬胺酸 (aspartate) 在合成尿素時提供一個氮原子，同時釋放出延胡索酸 (fumarate)，而延胡索酸可以進入三羧酸循環。

核心觀念

本題考查 Michaelis–Menten 酵素動力學，以及其雙倒數圖（Lineweaver–Burk plot）。

Michaelis–Menten 方程式為：

$$V=\frac{V_{\max}[S]}{K_m+[S]}$$

其中：

• $V$：反應速率
• $V_{\max}$：最大反應速率
• $[S]$：受質濃度
• $K_m$：當 $V=\frac{1}{2}V_{\max}$ 時的受質濃度

將方程式取倒數：

$$\frac{1}{V} = \frac{K_m+[S]}{V_{\max}[S]}$$

整理得：

$$\frac{1}{V} = \frac{K_m}{V_{\max}}\frac{1}{[S]} + \frac{1}{V_{\max}}$$

令：

$$y=\frac{1}{V},\qquad x=\frac{1}{[S]}$$

即可得到直線方程式：

$$y=mx+b$$

其中：

$$m=\frac{K_m}{V_{\max}}$$ $$b=\frac{1}{V_{\max}}$$

因此：

$$V_{\max}=\frac{1}{b}$$ $$K_m=\frac{m}{b}$$

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解題方法

依題目提示，將 $[S]$ 與 $V$ 分別取倒數。

$[S]$ (mM)	$V$ ($\mu$M/min)	$1/[S]$ (mM$^{-1}$)	$1/V$ (min/$\mu$M)
0.40	0.08	2.5000	12.5000
0.50	0.10	2.0000	10.0000
0.67	0.13	1.4925	7.6923
1.00	0.16	1.0000	6.2500
2.00	0.26	0.5000	3.8462

以：

$$x=\frac{1}{[S]},\qquad y=\frac{1}{V}$$

進行線性回歸，得到近似直線：

$$\frac{1}{V} = 4.21\frac{1}{[S]}+1.745$$

因此，$y$ 軸截距為：

$$b=1.745=\frac{1}{V_{\max}}$$

所以：

核心觀念

本題比較蠟（waxes）與鞘磷脂（sphingomyelin）的基本組成。

• 蠟：由長鏈脂肪酸與長鏈一元醇形成酯。

  $\text{長鏈脂肪酸}+\text{長鏈醇}\rightarrow\text{蠟酯}+\mathrm{H_2O}$

• 鞘磷脂：由鞘氨醇（sphingosine）、脂肪酸、磷酸及膽鹼等部分組成。鞘氨醇本身是具有長鏈烴基的長鏈胺基醇，因此在題目所列的分類中可歸入「長鏈醇」。

解題方法

分別列出兩類脂質所含的題目指定成分：

成分	蠟	鞘磷脂
甘油	×	×
脂肪酸	✓	✓
磷酸	×	✓
長鏈醇	✓	✓
碳水化合物	×	×

兩者共同具有的成分即為：

1. 脂肪酸
2. 長鏈醇（鞘磷脂中為鞘氨醇這類長鏈胺基醇）

選項分析

這題要求找出同時存在於脂肪 (fats) 和磷脂醯膽鹼 (phosphatidylcholine) 中的分子組分。

首先，我們需要了解脂肪和磷脂醯膽鹼的結構：

• 脂肪 (Fats)：通常指三酸甘油酯 (triacylglycerols)。它們是由甘油 (glycerol) 與三個脂肪酸 (fatty acids) 通過酯鍵連接形成。
• 磷脂醯膽鹼 (Phosphatidylcholine)：是一種主要的磷脂。它的結構是：甘油 (glycerol) 與兩個脂肪酸 (fatty acids) 通過酯鍵連接，然後甘油的第三個碳原子與一個磷酸基 (phosphate) 連接，磷酸基再與膽鹼 (choline) 連接。

核心觀念

本題考脂質的結構分類與組成差異：

• 三酸甘油酯（triacylglycerol, TAG）：由一分子甘油與三分子脂肪酸形成，結構核心為
  $\text{glycerol} + 3\text{ fatty acids}$
• 神經節苷脂（ganglioside）：屬於含醣鞘脂，由鞘氨醇（sphingosine，屬長鏈氨基醇）與脂肪酸形成神經醯胺，再接上含有唾液酸的寡醣。

因此，兩者共有脂肪酸，但神經節苷脂特有長鏈醇骨架與醣類。

解題方法

逐一比較題目列出的分子成分，判斷其是否存在於神經節苷脂，以及是否也存在於三酸甘油酯：

分子成分	神經節苷脂	三酸甘油酯	是否符合題意
glycerol（甘油）	否	是	否
fatty acid（脂肪酸）	是	是	否
phosphate（磷酸）	否	否	否
long-chain alcohol（長鏈醇）	是	否	是
carbohydrates（醣類）	是	否	是

選項分析

等電點 (isoelectric point, pI) 是指蛋白質分子上淨電荷為零時的 pH 值。

在任何 pH 值下，蛋白質都含有帶正電的胺基（來自胺基酸的胺基和某些側鏈，如離胺酸、精胺酸）和帶負電的羧基（來自胺基酸的羧基和某些側鏈，如天冬胺酸、麩胺酸）。

蛋白質在其等電點 (pI) 時溶解度最低的原因如下：

1. 淨電荷為零：在等電點時，蛋白質分子上的總正電荷與總負電荷相互抵消，使得蛋白質的淨電荷為零。
2. 分子間靜電吸引增強：當蛋白質分子不帶淨電荷時，它們之間的靜電吸引力會顯著增強。帶有相反電荷的分子之間會相互吸引，而帶有相同電荷的分子之間會相互排斥。當淨電荷為零時，分子間的吸引力（例如，範德華力、氫鍵等，以及未抵消的局部電荷分佈造成的吸引）相對占主導地位，導致蛋白質分子更容易聚集在一起，形成較大的聚集體或沉澱。

這題要求將給定的胺基酸序列，用單字母縮寫表示。

胺基酸的單字母縮寫如下：

• Tyrosine (Tyr) → Y
• Serine (Ser) → S
• Methionine (Met) → M
• Glutamic acid (Glu) → E
• Asparagine (Asn) → N
• Arginine (Arg) → R

這題要求估計該胜肽在 pH 7 時的總電荷。要估計胜肽的總電荷，我們需要考慮其胺基酸組成，特別是具有離子化側鏈的胺基酸，以及胜肽鏈的 N-端和 C-端。

首先，我們將胜肽序列寫成單字母縮寫：YSMENRWGK。
接下來，我們需要知道這些胺基酸在 pH 7 時的狀態，以及它們的側鏈 pKa 值。

一般情況下，在 pH 7 時：

• N-端胺基 (-NH₂) 是質子化的，帶 +1 電荷。
• C-端羧基 (-COOH) 是去質子化的，帶 -1 電荷。
• 酸性胺基酸（天冬胺酸 Asp, 麩胺酸 Glu）的側鏈羧基是去質子化的，帶 -1 電荷。
• 鹼性胺基酸（離胺酸 Lys, 精胺酸 Arg）的側鏈胺基或胍基是質子化的，帶 +1 電荷。
• 其他中性胺基酸（如 Tyr, Ser, Met, Asn, Trp, Gly）的側鏈在 pH 7 時不帶電荷。

現在，我們分析 YSMENRWGK 序列中的胺基酸：

1. Tyr (Y)：酪胺酸。側鏈是酚羥基，pKa $\approx$ 10。在 pH 7 時，酚羥基未質子化，不帶電荷。
2. Ser (S)：絲胺酸。側鏈是羥基，不帶電荷。
3. Met (M)：甲硫胺酸。側鏈是硫醚，不帶電荷。
4. Glu (E)：麩胺酸。側鏈是羧基，pKa $\approx$ 4.25。

此題為一個陳述，沒有具體的問題需要回答。它提供了關於 HMG-CoA 還原酶 (HMG-CoA reductase) 的重要信息：

1. 它是動物膽固醇生物合成中的關鍵酶。
2. 它負責將 HMG-CoA 轉化為 mevalonate。
3. 它的活性受到膽固醇（膽固醇生物合成的最終產物）的負回饋抑制。

這題考查飲食習慣改變（從普通飲食到素食）對人體內 mevalonate 水平的影響及其原因。

背景知識：

• Mevalonate 是膽固醇生物合成途徑中的一個關鍵中間產物，由 HMG-CoA 還原酶催化生成。
• HMG-CoA 還原酶的活性受到膽固醇的負回饋抑制。
• 膽固醇主要來源於膳食攝取和人體自身合成。

飲食改變的影響：

• 普通飲食 (Ordinary diet)：通常含有動物性食品，可能包含膽固醇。
• 素食 (Vegetarian diet)：不含動物性食品，因此膽固醇含量極低或為零。

分析：

1. 膳食膽固醇的攝取：從普通飲食轉變為素食，膳食膽固醇的攝取量會顯著降低。
2. 體內膽固醇合成的調節：人體通過負回饋機制來調節膽固醇水平。當膳食膽固醇攝取減少時，體內的膽固醇水平會下降。為了彌補這一不足，肝臟會增加自身合成膽固醇的量。
3. HMG-CoA 還原酶活性的變化：膽固醇水平下降會解除對 HMG-CoA 還原酶的負回饋抑制。因此，HMG-CoA 還原酶的活性會增加。

這題考查代謝工程 (metabolic engineering) 的原理，旨在提升特定代謝物 "E" 的產量。題目提供了一個簡化的代謝途徑圖，並說明相關酶的基因已克隆可用。

代謝途徑示意圖：
A --1a--> B --2b--> C --3c--> D --4d--> E --5e--> F --6f--> G

其中，E 是我們想要提高產量的目標代謝物。

代謝工程提升目標代謝物產量的策略主要包括以下幾個方面：

1. 增強關鍵酶的表達或活性 (Enhancing Enzyme Expression or Activity)：

   • 過度表達催化 E 生成的酶 (Enzyme 4d)：這是最直接的方法。通過將催化 D 轉化為 E 的酶 (4d) 的基因進行過度表達（例如，使用強啟動子，或增加拷貝數），可以提高該酶的催化效率，從而增加 E 的產量。
   • 增強 E 上游代謝物的供應：如果 D 的濃度是限制 E 產量的因素，則可以考慮增強 D 的前體（C）的生成，或者增強 C 到 D 的轉化酶 (3c) 的表達。
   • 減弱 E 的下游代謝：如果 E 會被進一步轉化為 F，而 F 的產量不高，或者 F 的消耗途徑較弱，那麼 E 的產量就會受到限制。可以考慮減弱催化 E 轉化為 F 的酶 (5e) 的表達或活性，或者通過基因敲除 (knockout) 來消除 E 的下游代謝途徑。

2. 減弱競爭性途徑 (Reducing Competing Pathways)：

   • 如果存在其他代謝途徑消耗了 E 的前體（D）或 E 本身，則需要識別並減弱這些競爭性途徑。例如，如果存在另一條途徑消耗 D，則可能需要減弱該途徑的相關酶的表達。

3. 優化代謝物的運輸 (Optimizing Metabolite Transport)：

   • 如果 E 的產量受到細胞內積累的限制（例如，E 在細胞內積累到一定程度會抑制其自身合成），或者 E 需要被運輸到細胞外以獲得更高產量，則需要考慮引入或增強相應的轉運蛋白。

4. 優化細胞的整體代謝流 (Optimizing Overall Metabolic Flux)：

   • 有時，需要整體性地考慮代謝網絡。例如，如果 A 的供應不足，則需要增強 A 的合成途徑。

這題考查酶 RUBISCO 的特性及其在緩解氣候變化中的潛在作用。

RUBISCO 的特性：

RUBISCO（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶）是植物、藻類和藍細菌中進行碳固定（卡爾文循環）的關鍵酶。它在光合作用中扮演著核心角色，將大氣中的 CO₂ 固定到有機分子中。

RUBISCO 的主要特性包括：

1. 雙重催化活性 (Carboxylase and Oxygenase activity)：

   • 羧化酶活性 (Carboxylase activity)：RUBISCO 的主要功能是催化 CO₂ 與核酮糖-1,5-二磷酸 (RuBP) 反應，生成兩分子 3-磷酸甘油酸 (3-PGA)。這是卡爾文循環的第一步，也是碳固定的關鍵。
   • 加氧酶活性 (Oxygenase activity)：RUBISCO 同時也能催化 O₂ 與 RuBP 反應，生成一分子 3-PGA 和一分子磷酸乙醇酸 (phosphoglycolate)。磷酸乙醇酸是一種有毒的副產物，需要通過一個稱為光呼吸 (photorespiration) 的代謝途徑來解毒和回收部分碳。光呼吸會消耗能量，降低光合作用的效率。

2. 低催化效率 (Low catalytic efficiency)：與大多數酶相比，RUBISCO 的催化速率相對較慢（turnover number 較低）。這意味著需要大量的酶分子來維持足夠的光合速率。

3. 對 O₂ 的親和力：RUBISCO 對 O₂ 的親和力也較高，這使得在 O₂ 濃度高於 CO₂ 濃度時，加氧酶活性會顯著增加，導致光呼吸增加，降低光合效率。

4. 普遍性和重要性：RUBISCO 是地球上含量最豐富的蛋白質之一，對全球碳循環和生物量生產至關重要。

通過作用於 RUBISCO 緩解氣候變化的可能途徑：

氣候變化主要是由於大氣中 CO₂ 濃度升高導致的溫室效應。RUBISCO 在固定 CO₂ 方面起著關鍵作用，因此，通過改造 RUBISCO 或利用其特性，有可能減緩氣候變化。

1. 提高 RUBISCO 的羧化酶活性，降低加氧酶活性：
   • 分子進化/基因工程：通過定向進化或基因工程技術，改造 RUBISCO 的活性位點，使其對 CO₂ 的親和力更高，而對 O₂ 的親和力降低。這樣可以減少光呼吸的發生，提高光合作用的效率，從而促進植物吸收更多的 CO₂。

這題考查除草劑草甘膦 (Glyphosate) 的安全性、廣泛使用的原因，以及如何產生抗草甘膦的轉基因作物（如 Roundup-ready 大豆）。

草甘膦 (Glyphosate) 的安全性及其廣泛使用的原因：

1. 作用機制特異性：

   • 草甘膦是一種磷酸烯醇丙酮酸 (PEP) 的類似物，它抑制植物中 3-烯醇丙酮酸莽草酸-5-磷酸合酶 (EPSP synthase)。
   • EPSP 合酶是莽草酸途徑 (shikimate pathway) 的關鍵酶，該途徑負責合成芳香族胺基酸（苯丙胺酸、酪胺酸、色胺酸）。
   • 關鍵點：大多數動物，包括人類，不具有莽草酸途徑。因此，草甘膦的作用靶點在植物中存在，但在動物中不存在。這意味著草甘膦對動物的直接毒性非常低。

2. 低毒性：

   • 相較於許多其他農藥，草甘膦的急性毒性非常低。
   • 它在環境中相對容易降解，不會像某些有機氯農藥那樣持久存在。

3. 廣譜性：

   • 由於它抑制的是植物必需的芳香族胺基酸的合成，因此對大多數植物都有除草效果。

4. 經濟效益：

   • 草甘膦的生產成本相對較低，並且其效果顯著，使其成為一種經濟高效的除草劑。

如何產生抗草甘膦的轉基因大豆 (Roundup-ready crop)：

產生抗草甘膦的轉基因作物（如 Roundup-ready 大豆）的原理是通過基因工程技術，使植物能夠抵抗草甘膦的抑制作用。主要有兩種策略：

1. 改造 EPSP 合酶，使其對草甘膦不敏感：
   • 原理：草甘膦之所以能抑制 EPSP 合酶，是因為它能與酶結合。如果能找到或改造 EPSP 合酶，使其對草甘膦的結合親和力大大降低，但仍然保持對底物 PEP 和莽草酸的催化活性，那麼該酶就不會被草甘膦有效抑制。
   • 方法：
     • 突變篩選：從細菌（如 Agrobacterium sp. strain CP4）中篩選出能夠在含有草甘膦的培養基中生長的菌株。這些菌株的 EPSP 合酶對草甘膦具有抗性。

這題考查血糖儀（blood glucose meter）的生化或化學原理。血糖儀的原理通常基於酶促反應，將血液中的葡萄糖轉化為可測量的電信號。

常見的血糖儀原理主要有兩種：

1. 電化學法 (Electrochemical method)：這是目前最主流的原理。
2. 光學比色法 (Colorimetric method)：較早期使用，現已較少見。

我們將解釋電化學法的原理。

電化學法原理：

血糖儀試紙條上含有兩種關鍵成分：

1. 酶：通常是葡萄糖氧化酶 (glucose oxidase, GOx) 或葡萄糖脫氫酶 (glucose dehydrogenase, GDH)。
2. 電子傳遞介體 (Electron mediator)：例如鐵氰化物 (ferricyanide) 或其他有機氧化劑。

工作原理如下：

1. 酶促氧化葡萄糖：
   • 當血液樣本（一滴血）滴到試紙條上時，血液中的葡萄糖會與試紙條上的酶發生反應。
   • 如果使用葡萄糖氧化酶 (GOx)：
     $\text{Glucose} + \text{GOx} \rightarrow \text{Gluconolactone} + \text{H}_2\text{O}_2$
     然後，過氧化氫 (H₂O₂) 會進一步參與反應，或者酶本身會將葡萄糖氧化並將電子傳遞給電子傳遞介體。
     更常見的反應是：
     $\text{Glucose} + 2\text{Ag}^+ + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{GOx}} \text{Gluconic acid} + 2\text{H}^+ + 2\text{Ag}$
     或者，如果使用電子傳遞介體：
     $\text{Glucose} + \text{Mediator}_{\text{oxidized}} \xrightarrow{\text{GOx}} \text{Gluconic acid} + \text{Mediator}_{\text{reduced}}$
   • 如果使用葡萄糖脫氫酶 (GDH)：
     $\text{Glucose} + \text{Mediator}_{\text{oxidized}} \xrightarrow{\text{GDH}} \text{Gluconolactone} + \text{Mediator}_{\text{reduced}}$
     GDH 通常需要輔因子，如 PQQ (吡咯喹啉醌)。

這題考查 ATP 合成酶 (ATP synthase) 的質子耦合效率，特別是在粒線體中的情況。ATP 合成酶由 F₀ 和 F₁ 兩部分組成。F₀ 部分嵌入粒線體內膜，包含 c-亞基環，負責質子通道。F₁ 部分突出到粒線體基質，包含 α 和 β 亞基，其中 β 亞基催化 ATP 的合成。

ATP 合成酶的質子耦合效率（即合成一個 ATP 分子需要通過的質子數）取決於 c-亞基的數量以及 F₀ 和 F₁ 之間每轉動一圈能合成的 ATP 分子數。

題目給出的 ATP 合成酶結構：

• c-亞基數量 = 12
• a-亞基數量 = 3
• β-亞基數量 = 3

計算步驟：

1. 確定 c-亞基的數量：這決定了 F₀ 部件的質子通道的完整轉動需要多少個質子。這裡 c-亞基數量是 12。

2. 確定每轉動一圈合成的 ATP 分子數：這個信息通常與 c-亞基的數量和 F₁ 部件的結構有關。在許多 ATP 合成酶中，F₁ 部件的 α 和 β 亞基的比例是 3:3，這意味著每轉動一圈，β 亞基會經歷三個催化循環（T, L, D 狀態），理論上可以合成 3 個 ATP 分子。

3. 計算合成一個 ATP 分子所需的質子數：

   • 總質子數通過 F₀ 部件（c-亞基環）才能使 ATP 合成酶轉動一整圈。
   • 一整圈的轉動可以合成 3 個 ATP 分子。
   • 因此，要合成 1 個 ATP 分子，需要的質子數 = (總質子數/圈) / (每圈合成的 ATP 數)。

   在粒線體中，ATP 合成酶的質子耦合比 (proton coupling ratio) 通常是：

   • 通過 c-亞基環的 12 個質子才能完成一圈轉動。
   • 一圈轉動可以合成 3 個 ATP 分子。

這題考查硫氧還蛋白 (thioredoxin) 在動物和植物中兩種重要調節機制中的作用。

一、在動物中，硫氧還蛋白調節核糖核苷酸還原酶 (ribonucleotide reductase) 的活性，進而調節脫氧核苷酸的合成。

• 背景：脫氧核苷酸 (dNTPs) 是 DNA 合成的基本原料。核糖核苷酸還原酶 (RNR) 是催化核糖核苷酸（如 ADP, GDP, CDP, UDP）還原為脫氧核糖核苷酸（dADP, dGDP, dCDP, dUDP）的關鍵限速酶。
• 硫氧還蛋白的作用：
  1. 還原劑：硫氧還蛋白是一種小型的含硫蛋白質，其活性形式含有一個還原型的二硫鍵 (-SH...-SH)。
  2. RNR 的調節：RNR 的活性中心有一個二硫鍵，它在催化過程中被還原。硫氧還蛋白作為一個還原劑，可以將 RNR 活性位點中的氧化型二硫鍵還原回還原型 (-SH...-SH)，從而使酶恢復活性。
  3. 調節機制：RNR 的活性受到細胞內 dNTPs 濃度的調節。當 dNTPs 濃度高時，RNR 會進入一種失活狀態，其活性位點中的二硫鍵會被氧化。此時，硫氧還蛋白（本身由硫氧還蛋白還原酶還原）會還原 RNR 的二硫鍵，使其恢復活性，促進 dNTPs 的合成。反之，當 dNTPs 濃度降低時，RNR 的活性也會受到影響。
  4. 總結：硫氧還蛋白通過提供還原力，幫助 RNR 恢復催化活性，確保細胞有足夠的脫氧核苷酸用於 DNA 合成和修復。

二、在植物中，硫氧還蛋白調節卡爾文循環中的酶活性。

• 背景：卡爾文循環是光合作用中的碳固定階段，涉及一系列酶的催化。這些酶的活性受到光照條件的調節，以適應光合作用的進行。
• 硫氧還蛋白的作用：