112 年 國立宜蘭大學生物技術與動物科學系動物科學碩士班《生物化學》

此題考查細胞膜運輸方式的核心觀念。細胞膜上的物質運輸主要分為兩大類：不需蛋白質協助的單純擴散，以及需要蛋白質協助的協助性運輸（包含促進性擴散、主動運輸）。

(A) 單純擴散 (Simple diffusion)：此為物質順著濃度梯度（由高濃度向低濃度）移動，不需任何膜蛋白協助，也不消耗能量。例如氧氣、二氧化碳、脂溶性分子等。
(B) 促進性擴散 (Facilitated transport)：此為物質順著濃度梯度移動，但需要膜上的載體蛋白 (carrier protein) 或通道蛋白 (channel protein) 的協助。

此題考查核酸鹼基之間形成氫鍵的原子配對。DNA 和 RNA 的雙股結構（或 RNA 的局部雙股結構）是靠鹼基對之間的氫鍵維繫的。這些氫鍵主要形成於鹼基上的氮原子 (N) 或氧原子 (O) 與氫原子 (H) 之間。

在 DNA 鹼基對中：

• 腺嘌呤 (A) 與胸腺嘧啶 (T) 之間形成兩個氫鍵：A 的 N1-H 與 T 的 N3 之間，以及 A 的 N6-H 與 T 的 O4 之間。
• 鳥糞嘌呤 (G) 與胞嘧啶 (C) 之間形成三個氫鍵：G 的 N1-H 與 C 的 N3 之間，G 的 N2-H 與 C 的 O2 之間，以及 G 的 O6 與 C 的 N4-H 之間。

從上述結構可知，氫鍵形成涉及的原子配對包含 N-H 與 O-H。

此題考查組成細胞膜的主要脂質種類。細胞膜的主要結構成分是磷脂質 (phospholipids) 和膽固醇 (cholesterol)，此外還有醣脂質 (glycolipids) 和蛋白質。

(A) 三酸甘油酯 (Triacylglycerols)：又稱三酸甘油，是由一分子甘油與三分子脂肪酸所構成。三酸甘油酯是動物體內主要的儲存形式的脂肪，存在於脂肪細胞中，提供能量，但它們通常不作為細胞膜的結構成分。

此題考查異位酶 (allosteric enzyme) 的同源調控 (homotropic effect) 概念。異位酶是指其活性受到非基質分子（異位調控物，allosteric effector）結合影響的酶。這些調控物結合的位置通常不在酶的活性中心，而是稱為異位點 (allosteric site)。

異位調控又可分為兩種類型：

1. 同源調控 (Homotropic regulation)：通常是指基質 (substrate) 本身作為異位調控物，結合在異位點上，影響酶對基質的親和力或催化活性。最典型的例子是協同作用 (cooperativity)，即一個基質分子結合後，會增加或減少其他基質分子結合的親和力。這種情況下，是「同一種分子」（基質）結合到酶上，但可能是在不同的異位點上，或者一個基質的結合改變了酶的構象，進而影響其他基質的結合。
2. 異源調控 (Heterotropic regulation)：是指結合在異位點上的調控物是「不同於基質」的分子。這種調控物可以是活化劑 (activator) 或抑制劑 (inhibitor)，它們結合後會增加或減少酶對基質的親和力或催化活性。

此題考查脂肪酸的結構與熔點之間的關係。脂肪酸的熔點主要受兩個因素影響：

1. 碳鏈長度：碳鏈越長，范德華力越強，分子間堆積越緊密，熔點越高。
2. 雙鍵的存在與結構：
   • 飽和脂肪酸（無雙鍵）的碳鏈是直鏈的，容易緊密堆積，范德華力較強，熔點較高。
   • 不飽和脂肪酸（有雙鍵）的碳鏈由於雙鍵的存在（尤其是順式雙鍵），會產生彎曲，使得分子間堆積不緊密，范德華力較弱，熔點較低。
   • 順式雙鍵 (cis double bond) 會造成較大的彎曲，降低熔點；反式雙鍵 (trans double bond) 則較接近飽和脂肪酸的直線結構，對熔點影響較小。

我們來分析各選項的脂肪酸結構：
(A) CH3CH2CH2CH2CH2COOH：這是戊酸 (pentanoic acid)，總共 5 個碳原子，是飽和脂肪酸。

此題考查 DNA 定序 (DNA sequencing) 方法中，如何產生用來分析的 DNA 片段。現代最常用的 DNA 定序技術是 Sanger 定序法，其原理是透過在 DNA 聚合反應中，加入帶有螢光標記的雙去氧核苷酸 (dideoxynucleotides, ddNTPs)。當 DNA 聚合酶將 ddNTPs 摻入到新合成的 DNA 鏈中時，由於 ddNTPs 缺少 3'-OH 基團，DNA 鏈的合成會在此終止。

(A) 酸水解 (Acid hydrolysis)：酸水解會破壞 DNA 的醣苷鍵，導致鹼基脫離，或破壞磷酸二酯鍵，將 DNA 鏈隨機切斷成較小的片段，但這不是定序所用的精確方法。
(B) 鹼水解 (Base hydrolysis)：鹼（如 NaOH）會促進磷酸二酯鍵的水解，特別是在特定的位點，但也不是 Sanger 定序法所用的方法。

此題考查醣解途徑 (glycolysis) 的調控點。醣解途徑是一個複雜的代謝途徑，其反應速率受到嚴格的調控，以確保細胞對能量的需求。其中有三個關鍵酶被認為是醣解途徑的主要調控點，因為它們催化的反應是不可逆的，並且是反應速率的限制步驟。

這三個主要的調控酶是：

1. 己糖激酶 (Hexokinase)：催化葡萄糖磷酸化為葡萄糖-6-磷酸 (glucose-6-phosphate)。
2. 磷酸果糖激酶 (Phosphofructokinase, PFK)：催化果糖-6-磷酸 (fructose-6-phosphate) 磷酸化為果糖-1,6-二磷酸 (fructose-1,6-bisphosphate)。這是醣解途徑中最主要的調控點。

此題考查酶抑制劑的種類及其作用機制。酶抑制劑是能降低酶活性的分子。根據其作用方式，可分為競爭性抑制、非競爭性抑制、反競爭性抑制和不可逆抑制。

(A) 非競爭性抑制劑 (Noncompetitive inhibitor)：此類抑制劑結合在酶的異位點 (allosteric site)，而不是活性中心。它結合後會改變酶的構象，從而降低酶對基質的親和力或降低催化效率，但不會影響基質與活性中心的結合。因此，非競爭性抑制劑結合的位置不在活性中心。
(B) 競爭性抑制劑 (Competitive inhibitor)：此類抑制劑的結構與基質相似，會與基質競爭結合酶的活性中心。它結合的位置是活性中心。

此題考查 DNA 的熔解溫度 (Tm, Melting Temperature) 與其鹼基組成之間的關係。DNA 的 Tm 是指一半雙股 DNA 分子解旋變成單股 DNA 分子時的溫度。影響 DNA Tm 的主要因素是鹼基組成。

DNA 中的鹼基配對有兩種：

• A-T 配對：由兩個氫鍵維繫。
• G-C 配對：由三個氫鍵維繫。

此題考查粒線體電子傳遞鏈 (electron transport chain, ETC) 中電子的流動路徑。電子傳遞鏈是細胞呼吸過程中產生 ATP 的關鍵步驟，位於粒線體內膜上。電子從還原劑（如 NADH 和 FADH2）傳遞給最終的電子接受者氧氣 (O2)。

電子傳遞鏈主要包含四個蛋白質複合物 (Complex I-IV) 和兩個移動載體 (ubiquinone, UQ 和 cytochrome c, Cyt c)。

• Complex I (NADH dehydrogenase)：接受來自 NADH 的電子，將電子傳遞給泛醌 (UQ)。
• Complex II (Succinate dehydrogenase)：接受來自 FADH2 的電子，將電子傳遞給泛醌 (UQ)。
• Complex III (Cytochrome bc1 complex)：接受來自泛醌 (UQ) 的電子，將電子傳遞給細胞色素 c (Cyt c)。
• Complex IV (Cytochrome c oxidase)：接受來自細胞色素 c (Cyt c) 的電子，將電子傳遞給氧氣 (O2)，生成水。

電子的流動方向是從能量較高（還原能力較強）的還原劑，經過一系列複合物，最終傳遞到能量較低（氧化能力較強）的氧氣。

標準的電子流動路徑是：
NADH → Complex I → UQ → Complex III → Cyt c → Complex IV → O2
FADH2 → Complex II → UQ → Complex III → Cyt c → Complex IV → O2

選項分析：
(A) Complex I → complex II → complex III → complex IV：這條路徑不正確，Complex I 和 Complex II 的電

此題考查 ATP 合成的不同機制，特別是在粒線體中。

ATP 的合成主要有三種方式：

1. 離底物層次磷酸化 (Substrate-level phosphorylation)：這是指在某些代謝反應中，一個高能磷酸鍵的化合物（如 1,3-二磷酸甘油酸或磷酸烯醇丙酮酸）直接將其磷酸基團轉移給 ADP，從而合成 ATP。這種反應在醣解途徑和檸檬酸循環中都有發生。
2. 氧化磷酸化 (Oxidative phosphorylation)：這是粒線體內膜上 ATP 合成的主要方式。電子從 NADH 和 FADH2 經由電子傳遞鏈傳遞，釋放的能量被用來將質子 (H+) 泵送到膜間隙，建立質子梯度。

此題考查真核細胞 mRNA 的轉錄後修飾 (post-transcriptional modification)。在真核生物中，基因轉錄產生的初級轉錄物 (primary transcript) 或前驅 mRNA (pre-mRNA) 需要經過一系列修飾才能成為成熟的 mRNA，進而進行轉譯。

主要的轉錄後修飾包括：

1. 5' 端加帽 (5' capping)：在 pre-mRNA 的 5' 端加上一個特殊的結構，通常是 7-甲基鳥苷 (7-methylguanosine, m7G)，通過一個 5'-5' 三磷酸鍵連接。這有助於保護 mRNA 免受核酸酶的降解，並參與核糖體識別 mRNA 開始轉譯。
2. 3' 端加聚腺苷酸尾 (3' polyadenylation)：在 pre-mRNA 的 3' 端加上一段由約 50-250 個腺苷酸組成的聚 A 尾 (poly-A tail)。

此題考查血紅蛋白 (hemoglobin) 和肌紅蛋白 (myoglobin) 在結構和功能上的差異。兩者都是攜帶氧氣的蛋白質，但結構和氧氣結合特性不同。

• 肌紅蛋白 (Myoglobin)：存在於肌肉細胞中，主要功能是儲存氧氣。它由一個多肽鏈組成，包含一個血紅素輔基 (heme group)，可以結合一個氧分子 (O2)。肌紅蛋白的氧氣結合曲線是雙曲線 (hyperbolic) 的，表示其與氧氣的結合沒有協同作用。
• 血紅蛋白 (Hemoglobin)：存在於紅血球中，主要功能是運輸氧氣。它是一個四級結構蛋白質 (tetrameric protein)，由四個亞基組成（通常是兩個 α 亞基和兩個 β 亞基），每個亞基都含一個血紅素輔基，共可結合四個氧分子。血紅蛋白的氧氣結合表現出協同作用 (cooperativity)，即一個氧分子結合後，會增加其他氧分子結合的親和力。這使得血紅蛋白的氧氣結合曲線呈 S 形（sigmoid shape）。

現在分析各選項：
(A) Both hemoglobin and myoglobin are tetrameric proteins.

• 肌紅蛋白是單體蛋白質 (monomeric protein)，只有一個亞基。
• 血紅蛋白是四級結構蛋白質，有四個亞基。
• 因此，此選項錯誤。

此題考查化學反應速率定律 (rate law) 中反應級數 (reaction order) 的概念。反應速率定律描述了反應速率與反應物濃度的關係。

給定的速率定律為：rate = k[A][B]

其中：

• rate 是反應速率。
• k 是速率常數 (rate constant)。
• [A] 是反應物 A 的濃度。
• [B] 是反應物 B 的濃度。

此題考查「兩親性」(amphipathic) 的定義。兩親性是指一個分子同時具有親水性 (hydrophilic) 和疏水性 (hydrophobic) 的區域。

這種性質在生物分子中很常見，例如：

• 磷脂質 (phospholipids)：它們的頭部是親水的（帶有磷酸基團或醣基），而尾部是由脂肪酸組成的疏水鏈。這使得磷脂質能在水性環境中形成脂雙層。
• 蛋白質：許多蛋白質，特別是膜蛋白，具有兩親性結構。細胞質中的蛋白質，其表面也可能同時暴露有親水性和疏水性區域（後者通常埋藏在蛋白質內部）。

此題考查醣解途徑 (glycolysis) 在真核細胞中的發生位置。

醣解途徑是一個分解代謝途徑，將一分子的葡萄糖（6 個碳）分解為兩分子的丙酮酸（3 個碳），同時產生少量 ATP 和 NADH。這個過程發生在細胞質 (cytoplasm) 中。

(A) 粒線體 (Mitochondrion)：粒線體是細胞進行有氧呼吸的主要場所，其內膜是電子傳遞鏈和氧化磷酸化的發生地，基質 (matrix) 中則進行檸檬酸循環 (citric acid cycle) 和脂肪酸

此題考查原核生物 (in vivo) DNA 複製中引物的性質。DNA 聚合酶 (DNA polymerase) 無法從頭開始合成 DNA 鏈，它只能在已有的 3'-OH 端上添加新的核苷酸。因此，DNA 複製的起始需要一個引物 (primer)。

在真核和原核生物中，DNA 複製的引物都是一小段 RNA。這些 RNA 引物由一種特殊的 RNA 聚合酶（原核生物為引物酶 primase，真核生物則有多種酶參與）合成，其長度約為 5-10 個核苷酸。RNA 引物提供了一個 3'-OH 端，DNA 聚合酶可以從這個 3'-OH 端開始合成 DNA。

在岡崎片段 (Okazaki fragments) 的合成過程中，RNA 引物在 DNA 合成一段後會被移除，並由 DNA 聚合酶將其間隙填補。

此題考查直鏈澱粉 (amylopectin) 和肝醣 (glycogen) 中葡萄糖單元之間的連接方式。這兩種多醣都是葡萄糖聚合物，但結構略有不同。

• 直鏈澱粉 (Amylopectin)：是澱粉的主要成分之一（另一種是直鏈澱粉 amylose）。直鏈澱粉的主鏈由 α-葡萄糖單元通過 α(1→4) 糖苷鍵連接而成。此外，直鏈澱粉還有支鏈結構，支鏈點的葡萄糖單元之間通過 α(1→6) 糖苷鍵連接。
• 肝醣 (Glycogen)：是動物體內儲存葡萄糖的主要形式，結構類似於直鏈澱粉，但支鏈更為頻繁。肝醣的主鏈同樣由 α-葡萄糖單元通過 α(1→4) 糖苷鍵連接。

此題考查檸檬酸循環 (citric acid cycle，又稱克氏循環或三羧酸循環) 的調控點。檸檬酸循環是細胞呼吸過程中產生 ATP 的重要代謝途徑，其反應速率受到嚴格調控，以適應細胞的能量需求。

檸檬酸循環中有三個關鍵酶被認為是主要的調控點，因為它們催化的反應是速率限制步驟，並且受到變構調節 (allosteric regulation) 和/或底物/產物濃度的影響。這三個酶是：

1. 檸檬酸合成酶 (Citrate synthase)：催化乙醯輔酶 A (acetyl-CoA) 和草醋酸鹽 (oxaloacetate) 縮合生成檸檬酸 (citrate)。這是檸檬酸循環的第一個反應，也是一個重要的調控點。它受到產物檸檬酸和 NADH 的抑制，以及底物濃度（如乙醯輔酶 A 和草醋酸鹽）的影響。

此題考查單醣 (monosaccharide) 的分類。單醣是碳水化合物最簡單的形式，它們可以根據羰基 (carbonyl group) 的位置分為兩種：

1. 醛糖 (aldose)：羰基位於鏈的末端（1 號碳），形成醛基 (-CHO)。
2. 酮糖 (ketose)：羰基位於鏈的內部（非末端碳），形成酮基 (C=O)。