108 年 國立清華大學生命科學院聯招：分子與細胞生物研究所、分子醫學研究所、生物資訊與結構生物研究所、生物科技研究所、系統神經科學研究所丙組《生物化學》

此題考驗對醣蛋白（glycoprotein）與蛋白聚醣（proteoglycan）基本結構組成的理解。

醣蛋白（glycoprotein）是指蛋白質上連接有醣鏈（oligosaccharide chain）的分子。在醣蛋白中，蛋白質是主要的組成部分，醣鏈的質量佔總質量的比例通常較小，約在 4% 到 85% 之間，但主要結構仍是蛋白質。

蛋白聚醣（proteoglycan）是一種大型、高度醣基化的蛋白質，其核心蛋白質上共價連接著一條或多條帶有重複二醣單元的聚醣鏈（glycosaminoglycan, GAG）。在蛋白聚醣中，聚醣鏈的質量佔總質量的比例非常高，通常超過 95%，因此醣鏈（GAG）是其主要組成部分。

題目要求找出「碳水化合物（醣鏈）佔大部分質量」和「蛋白質佔大部分質量」的分子類型。
根據上述定義：

• 碳水化合物（醣鏈）佔大部分質量的應為蛋白聚醣（proteoglycan）。
• 蛋白質佔大部分質量的應為醣蛋白（glycoprotein）。

因此，空格應填入 proteoglycan 和 glycoprotein。

此題考驗對酶動力學中「穩態近似」(steady-state approximation) 的理解。

穩態近似是酶促反應動力學中的一個基本假設，它指出在反應的大部分時間裡，酶-底物複合物 ([ES]) 的濃度保持相對恆定。換句話說，生成 [ES] 的速率等於分解 [ES] 的速率。

我們來看酶促反應的通用模型：
$E + S \xrightarrow{k_1} ES \xrightarrow{k_2} E + P$
$ES \xrightarrow{k_{-1}} E + S$

其中：

• $k_1$ 是底物 S 與酶 E 結合形成酶-底物複合物 ES 的速率常數。
• $k_{-1}$ 是 ES 分解回 E 和 S 的速率常數。
• $k_2$ 是 ES 轉化為產物 P 和 E 的速率常數。

生成 [ES] 的速率由兩部分組成：

1. 底物 S 與酶 E 結合：速率為 $k_1[E][S]$。
2. ES 分解回 E 和 S：速率為 $k_{-1}[ES]$。

分解 [ES] 的速率也由兩部分組成：

1. ES 轉化為產物 P 和 E：速率為 $k_2[ES]$。

此題考驗對糜蛋白酶（chymotrypsin）催化機制中關鍵氨基酸的認識。

糜蛋白酶是一種絲胺酸蛋白酶（serine protease），其催化活性中心包含一個「催化三聯體」（catalytic triad），該三聯體由三個關鍵氨基酸組成：絲胺酸 (Serine, Ser)、組胺酸 (Histidine, His) 和天冬胺酸 (Aspartate, Asp)。

在糜蛋白酶的催化機制中，絲胺酸 (Ser) 的側鏈羥基 (-OH) 是一個強親核試劑（nucleophile），它會攻擊肽鍵中的羰基碳原子，從而啟動肽鍵的水解。組胺酸 (His) 作為一個鹼性催化劑，在傳遞質子和穩定中間體中起關鍵作用。天冬胺酸 (Asp) 則通過離子鍵穩定組胺酸的質子化形式，增強組胺酸的鹼性，進而促進絲胺酸的去質子化，使其成為更強的親核試劑。

此題考驗對酶-基質結合模型（enzyme-substrate binding models）的理解。

酶催化反應的關鍵在於酶與底物（基質）的特異性結合。過去有幾個模型來解釋這種結合方式：

1. 鎖鑰模型 (Lock and Key Model)：由 Emil Fischer 在 1894 年提出。這個模型認為酶的活性位點（active site）具有固定的、剛性的三維結構，就像一把鎖一樣，而底物則像一把鑰匙，只能與其形狀完全匹配的活性位點結合。這種模型解釋了酶的特異性，但未能解釋酶如何催化反應以及酶在結合後可能發生的結構變化。

2. 誘合模型 (Induced Fit Model)：由 Daniel Koshland 在 1958 年提出。這個模型認為酶的活性位點並非完全剛性，而是具有一定的柔性。

核心觀念

本題考的是二氧化碳對血紅素氧結合的調節，也就是波耳效應（Bohr effect）。組織代謝產生的二氧化碳進入紅血球後，會促進氫離子增加、降低 pH；氫離子使血紅素較傾向穩定在低氧親和力的 T 態（去氧態），因此血紅素較容易釋放氧氣。

二氧化碳在紅血球內可經碳酸酐酶催化形成碳酸，再解離為碳酸氫根與氫離子：

增加的 $\mathrm{H^+}$ 促使血紅素釋氧，使氧解離曲線右移。

解題方法

先判斷二氧化碳在組織中的主要生理效果：它增加血液中的 $\mathrm{H^+}$，使血紅素對氧的親和力下降，利於氧氣送到正在代謝的組織。據此，選項必須同時符合「二氧化碳形成碳酸氫根與氫離子」及「促進去氧態」兩項描述。

選項分析

此題考驗對粒線體電子傳遞鏈 (electron transport chain, ETC) 中各複合物功能的理解。

粒線體電子傳遞鏈位於內膜上，包含四個主要的蛋白質複合物 (Complex I-IV) 和兩個移動載體 (ubiquinone/ubiquinol pool, cytochrome c)。其主要功能是將來自 NADH 和 FADH2 的電子傳遞給氧氣，並利用這個過程中的能量來泵送質子，建立質子梯度，最終通過 ATP 合成酶 (ATP synthase) 生成 ATP。

各複合物的功能如下：

• Complex I (NADH 脫氫酶)：接受來自 NADH 的電子，將其傳遞給泛醌 (ubiquinone, Q)，並將質子泵送到膜間隙。
• Complex II (琥珀酸脫氫酶)：接受來自 FADH2 (琥珀酸氧化為延胡索酸時產生) 的電子，將其傳遞給泛醌 (Q)，但不泵送質子。
• UQH/UQH2 pool (泛醌)：這是一個脂溶性的移動載體，將電子從 Complex I 和 II 傳遞到 Complex III。

核心觀念

本題考查蛋白質中胺基酸殘基之間的靜電作用力，以及溶液離子強度對靜電作用的屏蔽效應。

帶電胺基酸殘基之間的作用可近似由庫倫定律描述：

其中 $q_1$、$q_2$ 為電荷量，$r$ 為兩電荷間距離，$\varepsilon$ 為介電常數。溶液中若含有大量陽、陰離子，這些離子會重新分布於蛋白質表面帶電基團周圍，降低其有效電場，使帶電殘基彼此感受到的靜電作用減弱，此現象稱為離子屏蔽（ionic shielding）。

溶液的離子強度可表示為：

其中 $c_i$ 是離子濃度，$z_i$ 是離子電荷。離子強度越高，靜電作用的有效範圍越短，屏蔽效果越明顯。

解題方法

判斷各選項是否能以「高濃度」直接造成蛋白質內部靜電作用的屏蔽。最典型且最直接的機制是加入高濃度鹽類：

例如，蛋白質中帶負電的羧酸根與帶正電的胺基之間原本可形成鹽橋：

加入大量 $\mathrm{Na^+}$ 與 $\mathrm{Cl^-}$ 後，溶液中的離子會部分抵銷這些電荷所產生的電場，使鹽橋及其他長程靜電作用減弱。因此最符合題意的答案是鹽類。

選項分析

(A) Water

水確實具有很高的介電常數，能降低帶電粒子之間的庫倫作用；因此蛋白質在水溶液中的靜電作用，通常比在低介電常數環境中弱。

此題考驗對肌肉細胞中鈣離子儲存和釋放機制，以及相關細胞器的認識。

肌肉收縮的觸發機制涉及細胞內鈣離子 (Ca²⁺) 濃度的快速變化。在肌肉細胞（肌細胞）中，絕大多數的細胞內鈣離子被儲存在一個特化的細胞器中，這個細胞器是平滑內質網 (smooth endoplasmic reticulum) 的一個特化形式，稱為肌漿網 (sarcoplasmic reticulum, SR)。

肌漿網的結構和功能：

• 肌漿網形成一個網狀結構，包裹著肌原纖維 (myofibrils)。
• 它包含大量的鈣離子通道和 ATP 依賴性的鈣離子泵 (SERCA pumps)，這些泵將細胞質中的 Ca²⁺ 主動運輸到肌漿網腔內，將其濃度維持在相對較低的水平。
• 當肌肉細胞受到神經訊號刺激時，肌漿網會釋放出儲存的 Ca²⁺ 到細胞質中，導致細胞質 Ca²⁺ 濃度急劇升高。
• 升高的 Ca²⁺ 濃度與肌動蛋白和肌球蛋白結合，觸發肌肉收縮。

核心觀念

本題考查蛋白質三級結構穩定力，特別是「蛋白質內部緊密堆積的胺基酸側鏈之間」主要由何種作用力促進摺疊。

蛋白質內部的疏水性側鏈彼此靠近並形成緊密堆積。當非極性原子之間的距離適當時，大量原子接觸可產生許多微弱但累積顯著的 凡得瓦力（Van der Waals interactions）。這些作用力有助於側鏈精確排列與蛋白質核心的穩定。

需區分：

• 蛋白質整體摺疊的重要驅動力之一是疏水效應。
• 緊密堆積側鏈彼此之間的直接接觸，主要反映凡得瓦力。
• 氫鍵與靜電作用也能穩定蛋白質，但不是本題所描述情境下的主要因素。

解題方法

題幹的關鍵字是：

tightly packed amino acid side chains in the interior of the protein

這表示題目鎖定蛋白質疏水核心中，側鏈彼此緊密接觸所形成的穩定作用。

判斷原則如下：

1. 側鏈必須彼此距離很近，才能產生大量原子接觸。
2. 非極性側鏈在適當距離下，會產生許多凡得瓦吸引力。
3. 蛋白質核心通常介電常數較低，帶電基團埋入其中的靜電作用未必有利。
4. 蛋白質摺疊不會普遍形成新的共價酯鍵。

因此，最符合題幹描述的是凡得瓦作用力。

選項分析

(A) Hydrogen bonds 氫鍵

氫鍵確實能穩定蛋白質結構，例如：

• 胜肽骨架中的羰基氧與胺基氫形成氫鍵；
• 極性側鏈之間形成氫鍵；
• α-螺旋與 β-摺板也依賴骨架氫鍵穩定。

但題幹強調的是「內部緊密堆積的胺基酸側鏈之間」。對此類近距離、密集的側鏈接觸而言，主要貢獻是大量凡得瓦作用力，而不是氫鍵。因此不是最佳答案。

(B) Electrostatic interactions 靜電作用

帶電側鏈之間可形成靜電吸引，例如離子對或鹽橋，確實可能穩定蛋白質。

此題考驗對 Michaelis-Menten 動力學方程的應用。

Michaelis-Menten 方程描述了酶促反應的初速度 (v) 與底物濃度 ([S]) 之間的關係：
$v = \frac{V_{max}[S]}{K_m + [S]}$

其中：

• $v$ 是酶促反應的初速度。
• $V_{max}$ 是最大反應速度，當底物濃度足夠高時達到。
• $K_m$ 是 Michaelis 恆數，表示達到 $V_{max}$ 一半時的底物濃度。
• $[S]$ 是底物濃度。

題目給定：

• $V_{max} = 15 \text{ mM/min}$
• 底物濃度 $[S]$ 是 $K_m$ 的 1/5，即 $[S] = \frac{1}{5} K_m$。

我們需要計算當 $[S] = \frac{1}{5} K_m$ 時的反應速度 $v$。
將這些值代入 Michaelis-Menten 方程：
$v = \frac{V_{max} \times (\frac{1}{5} K_m)}{K_m + (\frac{1}{5} K_m)}$

化簡分母：
$K_m + \frac{1}{5} K_m = \frac{5}{5} K_m + \frac{1}{5} K_m = \frac{6}{5} K_m$

核心觀念

Hanes–Woolf plot 是將 Michaelis–Menten 方程式線性化：

兩邊 rearrange 得：

因此以 $\frac{[S]}{v}$ 對 $[S]$ 作圖時：

• 斜率為 $\frac{1}{V_{\max}}$
• $y$ 軸截距為 $\frac{K_m}{V_{\max}}$
• $x$ 軸截距為 $-K_m$

題圖呈現正斜率、正的 $y$ 軸截距及負的 $x$ 軸截距，符合可飽和的 Michaelis–Menten 型運輸。

解題方法

運輸速率若隨溶質濃度增加而逐漸達到上限，表示運輸需要有限數量的膜蛋白或載體，具有 $V_{\max}$ 與 $K_m$。這種飽和性是載體媒介運輸的特徵，包括：

• facilitated diffusion：易化擴散
• active transport：主動運輸

因此，這張 Hanes–Woolf 圖可用來描述易化擴散與主動運輸。

選項分析

此題考驗對蛋白質結構與膜環境相互作用的理解，特別是氨基酸殘基在膜界面的偏好性。

生物膜（如細胞膜）具有兩親性（amphipathic）結構，由磷脂雙分子層構成。磷脂分子具有親水性的頭部（head group）和疏水性的尾部（fatty acid tails）。因此，膜的內部是疏水的，而膜的內外表面（與水相接觸）是親水的。

蛋白質嵌入膜中時，其氨基酸殘基的性質（親水性或疏水性）決定了它們在膜中的位置。

• 疏水性殘基傾向於埋藏在膜的疏水核心區域。
• 親水性殘基傾向於暴露在膜與水接觸的界面或細胞質/細胞外液中。

題目問哪個殘基「偏好」位於「膜-水界面」(membrane-water interface)。這個界面是親水的，因此我們需要尋找一個能夠與水分子良好相互作用，但同時也可能與膜的疏水環境有一定聯繫的氨基酸。

我們來分析各選項氨基酸的性質：
(A) Gly (甘胺酸)：甘胺酸是最小的氨基酸，其側鏈只有一個氫原子。它既不是特別親水也不是特別疏水，具有一定的靈活性。
(B) Trp (色胺酸)：色胺酸是一個大的、具有芳香環的氨基酸。芳香環是疏水性的。然而，色胺酸的吲哚環（indole ring）的氮原子具有一定的極性，並且色胺酸在膜蛋白的膜-水界面區域中經常被發現。

此題考驗對不同跨膜運輸方式是否需要能量的理解。

跨膜運輸是指物質通過細胞膜的過程。根據是否需要消耗細胞的代謝能量（如 ATP），可以將其分為兩大類：被動運輸和主動運輸。

1. 被動運輸 (Passive Transport)：

   • 定義：物質順著其濃度梯度（從高濃度區域到低濃度區域）移動，不需要消耗細胞的代謝能量。
   • 子類：
     • 簡單擴散 (Simple Diffusion)：物質直接穿過磷脂雙分子層。例如，小分子、非極性分子（如 O2, CO2, 脂溶性物質）。
     • 促進性擴散 (Facilitated Diffusion)：物質通過膜上的載體蛋白或通道蛋白進行運輸，仍然是順著濃度梯度，不需要能量。例如，葡萄糖、離子、胺基酸的運輸。

2. 主動運輸 (Active Transport)：

   • 定義：物質逆著其濃度梯度（從低濃度區域到高濃度區域）或順著濃度梯度但需要載體蛋白協助，並且需要消耗細胞代謝能量（通常是 ATP）來驅動。
   • 子類：
     • 初級主動運輸 (Primary Active Transport)：直接利用 ATP 水解的能量來運輸物質。

此題考驗對還原糖的化學性質以及特定情況下（如酶處理後）的反應判斷。題目中提到了 Cu(II) 還原成 Cu2O (氧化亞銅，紅色沉澱)，這是斐林試劑 (Fehling's reagent) 或班氏試劑 (Benedict's reagent) 的經典反應，用於檢測還原糖。這些試劑中的 Cu(II) 在鹼性溶液中被還原糖的醛基或酮基還原成 Cu(I)，形成紅色的 Cu2O 沉澱。

題目要求找出一個物質，它：

1. 不還原 Cu(II) 到 Cu(I)：這意味著它不是一個典型的還原糖，或者在特定條件下不表現出還原性。
2. 經過轉化酶 (invertase) 處理後，能與 Cu(II) 反應生成紅色的 Cu2O：這意味著轉化酶處理後，產生了還原性的物質。

我們來分析各選項：
(A) Sucrose (蔗糖)：蔗糖是一種二醣，由葡萄糖和果糖組成。蔗糖的結構中，葡萄糖的醛基和果糖的酮基通過糖苷鍵連接，形成一個環狀的半縮醛/半縮酮結構，因此蔗糖本身不是還原糖，它不能直接還原 Cu(II)。然而，蔗糖在酸性條件下或在酶（如轉化酶 invertase）的作用下，會水解成葡萄糖和果糖。葡萄糖和果糖都是還原糖。所以，蔗糖經過轉化酶處理後，會產生葡萄糖和果糖，這兩者都能還原 Cu(II) 生成 Cu2O。這符合題目的第二個條件。

(B) Glucosamine (葡萄糖胺)：葡萄糖胺是一種胺基醣，它是葡萄糖的衍生物，其中第 2 位碳上的羥基被胺基取代。

此題考驗對生物膜結構和功能的深入理解，特別是膜的組成、不對稱性以及影響膜流動性的因素。

我們逐一分析各選項：

(A) Plasma membranes are asymmetric. The outer leaflet is enriched in phosphatidylserine, whereas the inner leaflet is enriched in phosphatidylcholine.
生物膜確實是不對稱的。磷脂的種類在膜的內外層（leaflet）分佈不同。

• 外層 (Outer leaflet)：富含磷脂醯膽鹼 (phosphatidylcholine, PC) 和鞘磷脂 (sphingomyelin)。
• 內層 (Inner leaflet)：富含磷脂醯乙醇胺 (phosphatidylethanolamine, PE) 和磷脂醯絲胺酸 (phosphatidylserine, PS)。
  磷脂醯絲胺酸 (PS) 通常位於內層，其帶負電的頭部與細胞質中的帶正電分子（如某些蛋白質）相互作用。外層富含 PC，這是中性磷脂。
  因此，這個選項的描述是錯誤的，它顛倒了 PS 和 PC 的分佈。

(B) Membrane asymmetry is maintained predominantly by scramblase.
膜的不對稱性是由於磷脂的合成和運輸機制。

• Scramblase：這類酶能夠隨機地將磷脂從膜的一側移動到另一側，因此它會破壞膜的不對稱性，而不是維持它。
• Flippase：這類酶專門將特定的磷脂從外層移動到內層，例如將 PS 和 PE 轉運到內層。
• Floppase：這類酶將磷脂從內層移動到外層。
  膜的不對稱性是由磷脂合成在特定膜室（如內質網）中進行，然後通過 flippase 和 floppase 的選擇性轉運來維持的。Scramblase 在細胞凋亡時會被激活，破壞膜的不對稱性。
  因此，這個選項是錯誤的。

核心觀念

胺基酸生合成常依其「代謝前驅物」分為數個家族。甲硫胺酸（Methionine）屬於天門冬胺酸家族（aspartate family），其碳骨架主要來自天門冬胺酸。

在植物與微生物中，典型路徑為：

其中，天門冬胺酸先轉變為同絲胺酸（homoserine），再經由含硫中間產物與甲基化反應形成甲硫胺酸。因此，本題所問的 metabolic progenitor 是指提供主要碳骨架的代謝前驅物，答案為 Aspartate。

解題方法

判斷甲硫胺酸的前驅物，可利用胺基酸生合成家族分類：

• 天門冬胺酸家族：Lysine、Threonine、Methionine、Isoleucine
• 丙酮酸家族：Alanine、Valine、Leucine
• 3-磷酸甘油酸家族：Serine、Glycine、Cysteine
• 磷酸烯醇丙酮酸／赤藻糖-4-磷酸家族：芳香族胺基酸
• α-酮戊二酸家族：Glutamate、Glutamine、Proline、Arginine

甲硫胺酸與離胺酸、蘇胺酸同屬天門冬胺酸家族，所以其代謝起點為：

選項分析

(A) α-ketoglutarate

錯誤。α-酮戊二酸是麩胺酸家族胺基酸的主要前驅物，可形成：

• Glutamate
• Glutamine
• Proline
• Arginine

甲硫胺酸不屬於此家族。

此題考驗對尿素循環 (urea cycle) 中氮和碳來源的理解。

尿素是哺乳動物代謝蛋白質和核酸產生的氨的最終排泄形式。尿素的化學式是 CO(NH₂)₂。它包含一個碳原子、兩個氮原子、一個氧原子和四個氫原子。

尿素的合成發生在肝臟的細胞質和粒線體中，是尿素循環的一部分。尿素循環將氨轉化為尿素，以降低氨的毒性。

尿素循環的起始步驟（在粒線體中）是將氨 (NH₃) 和碳酸氫根離子 (HCO₃⁻) 結合，在 ATP 的作用下形成氨基甲醯磷酸 (carbamoyl phosphate)。這個反應由氨基甲醯磷酸合成酶 I (Carbamoyl phosphate synthetase I, CPS I) 催化。

• 氨基甲醯磷酸 (Carbamoyl phosphate)：其中碳原子來自碳酸氫根離子 (HCO₃⁻)，一個氮原子來自氨 (NH₃)。

接下來，氨基甲醯磷酸進入細胞質，與鳥胺酸 (ornithine) 結合，形成瓜胺酸 (citrulline)。這個反應由鳥胺酸轉胺甲醯酶 (ornithine transcarbamylase, OTC) 催化。

• 鳥胺酸 (Ornithine)：提供尿素分子中的另一個氮原子。

然後，瓜胺酸與天冬胺酸 (aspartate) 發生反應，形成精胺基琥珀酸 (argininosuccinate)。這個反應需要 ATP 參與，並由精胺基琥珀酸合成酶 (argininosuccinate synthetase) 催化。

• 天冬胺酸 (Aspartate)：提供尿素分子中的另一個氮原子，同時也提供尿素分子中的碳骨架（來自其側鏈的氨基和碳原子）。

精胺基琥珀酸被裂解酶 (argininosuccinate lyase) 分解，產生精胺酸 (arginine) 和富馬酸 (fumarate)。
最後，精胺酸被尿素酶 (arginase) 水解，產生尿素和鳥胺酸。鳥胺酸重新進入循環。

總結尿素的碳和氮來源：

• 碳原子 (C)：主要來自碳酸氫根離子 (HCO₃⁻)，通過氨基甲醯磷酸進入循環。
• 第一個氮原子 (N)：來自氨 (NH₃)，通過氨基甲醯磷酸進入循環。
• 第二個氮原子 (N)：來自天冬胺酸 (aspartate)。

題目問的是「碳」和「氮」的來源。
選項分析：
(A) carbamoyl phosphate and ornithine：氨基甲醯磷酸提供了 C 和一個 N。鳥胺酸提供了另一個 N。這個組合是正確的，因為氨基甲醯磷酸本身就是由 HCO₃⁻ (C) 和 NH₃ (N) 形成的。
(B) bicarbonate and aspartate：碳酸氫根離子 (HCO₃⁻) 是碳的來源。

核心觀念

本題考查四氫葉酸（tetrahydrofolate, THF）在一碳單位代謝中的不同衍生物，以及各衍生物所參與的生合成反應。

甲硫胺酸（methionine）由同半胱胺酸（homocysteine）接受甲基後生成：

此反應由甲硫胺酸合成酶（methionine synthase）催化，並需要維生素 $B_{12}$ 作為輔酶。反應中，$N^5$-methyl-THF 將甲基轉移給同半胱胺酸，因此是甲硫胺酸生合成所使用的 THF 形式。

解題方法

判斷關鍵在於「甲硫胺酸由同半胱胺酸甲基化生成」，所以必須尋找能提供甲基（$-\mathrm{CH_3}$）的 THF 衍生物。

$N^5$-methyl-THF 的甲基先轉移至維生素 $B_{12}$，形成 methylcobalamin；接著甲基再由 methylcobalamin 轉移至同半胱胺酸：

因此，甲硫胺酸生合成所需的 THF 形式為 $N^5$-methyl-THF。

選項分析

(A) $N^5$-methyl-THF

正確。$N^5$-methyl-THF 是甲基供體，透過維生素 $B_{12}$ 依賴的甲硫胺酸合成酶，將甲基轉移給同半胱胺酸，生成甲硫胺酸。

(B) $N^5,N^{10}$-methylene-THF

錯誤。$N^5,N^{10}$-methylene-THF 主要參與：

• dUMP 轉換為 dTMP 的胸腺嘧啶核苷酸合成；
• 甘胺酸與絲胺酸之間的相互轉換。

它提供的是 methylene 單位，不是甲硫胺酸合成所需的直接甲基來源。

此題考驗對甲硫胺酸 (Methionine) 的活化形式以及其作為甲基供體的理解。

甲硫胺酸本身是一種胺基酸，但它並非直接作為甲基供體參與細胞內的甲基化反應。為了成為一個有效的甲基供體，甲硫胺酸需要被活化。

這種活化發生在甲硫胺酸與 ATP 反應，生成 S-腺苷甲硫胺酸 (S-adenosylmethionine, SAM)。SAM 是細胞內最主要的甲基供體。SAM 的分子結構中，甲硫胺酸的甲基通過一個高能的硫苷鍵 (thioether bond) 連接到腺苷部分。這種結構使得 SAM 上的甲基變得非常容易轉移給其他分子。

SAM 在提供甲基後，會轉化為 S-腺苷同胱胺酸 (S-adenosylhomocysteine, SAH)。SAH 隨後會水解，釋放出同胱胺酸 (homocysteine) 和腺苷 (adenosine)。

核心觀念

胺基酸分解後，其碳骨架可依代謝產物分為三類：

• 生糖性胺基酸（glucogenic amino acids）：可轉變成丙酮酸、$\alpha$-酮戊二酸、琥珀醯輔酶 A、延胡索酸或草醯乙酸，進入糖質新生作用。
• 生酮性胺基酸（ketogenic amino acids）：可轉變成乙醯輔酶 A 或乙醯乙酸，形成酮體，不能直接用於糖質新生。
• 兼具生糖性與生酮性的胺基酸：分解產物同時包含生糖性與生酮性代謝中間物。

只有兩種胺基酸屬於「純生酮性」：

本題選項中只有 leucine，因此答案為 (B)。

解題方法

判斷各胺基酸的碳骨架最終進入哪一類代謝產物：

• 若生成 $\text{acetyl-CoA}$ 或 acetoacetate，屬於生酮性。
• 若生成丙酮酸或三羧酸循環中間物，屬於生糖性。
• 若兩類產物皆有，則為兼具生糖性與生酮性。

白胺酸的分解途徑可概括為：

其中 acetoacetate 可形成酮體，acetyl-CoA 也屬於生酮性產物；兩者均無法提供可逆轉換為丙酮酸或草醯乙酸的碳骨架，因此白胺酸是純生酮性胺基酸。

選項分析

(A) Tyrosine（酪胺酸）

酪胺酸先分解為 fumarate 與 acetoacetate：

• fumarate 可進入三羧酸循環，屬於生糖性產物。
• acetoacetate 屬於生酮性產物。

因此酪胺酸是兼具生糖性與生酮性，不是純生酮性。

(B) Leucine（白胺酸）

白胺酸分解後生成 acetyl-CoA 與 acetoacetate：

核心觀念

本題考查兩個觀念：

1. 等電點（isoelectric point, pI）：分子淨電荷為 $0$ 時的 pH。
2. 胜肽序列方向：胺基酸序列慣例由 N 端寫到 C 端，因此最右側胺基酸為 C-terminal amino acid。

計算胜肽的 pI 時，先依各可解離基團的 $pK_a$ 排序，再找出「淨電荷由正變負」時所夾住的兩個 $pK_a$，取其平均值：

（A）等電點的計算

胜肽序列為：

可解離的基團包括：

• N 端胺基：由 Ala 提供，$pK_a=9.87$
• C 端羧基：由 Leu 提供，$pK_a=2.36$
• Glu 側鏈羧基：$pK_a=4.25$
• Asp 側鏈羧基：$pK_a=3.65$
• Lys 側鏈胺基：$pK_a=10.28$

依 $pK_a$ 由小到大排列：

各階段的淨電荷

在極低 pH 時，所有基團皆處於質子化狀態：

• N 端胺基：$+1$
• Lys 側鏈：$+1$
• 三個羧基：$0$

因此總電荷為：

隨 pH 上升，依序去質子化：

此題考驗對 Michaelis-Menten 動力學方程的應用，需要從給定的速度和底物濃度，以及 Km 值，反推出 Vmax。

Michaelis-Menten 方程為：
$v = \frac{V_{max}[S]}{K_m + [S]}$

我們已知：

• $K_m = 3.5 \text{ mM}$
• $v = 5 \text{ mM/min}$
• $[S] = 0.5 \text{ mM}$

我們需要求解 $V_{max}$。
將已知值代入方程：
$5 \text{ mM/min} = \frac{V_{max} \times 0.5 \text{ mM}}{3.5 \text{ mM} + 0.5 \text{ mM}}$

首先化簡分母：
$3.5 \text{ mM} + 0.5 \text{ mM} = 4.0 \text{ mM}$

此題考驗對脂肪酸 β-氧化途徑以及其產物（NADH, FADH₂, Acetyl-CoA）轉化為 ATP 的計算能力。

題目要求計算一分子肉豆蔻醯輔酶 A (Myristic-CoA, C14:0-CoA) 完全氧化所能產生的 ATP 總量。
已知轉換係數：

• 1 NADH → 2.5 ATP
• 1 FADH₂ → 1.5 ATP
• 1 Acetyl-CoA → 10 ATP

步驟 1：計算 β-氧化循環的次數
脂肪酸的 β-氧化是指將脂肪酸碳鏈從 β-碳原子處切斷，每次循環產生一分子乙醯輔酶 A (Acetyl-CoA)、一分子 NADH 和一分子 FADH₂。
對於長度為 $n$ 個碳原子的飽和脂肪酸，β-氧化循環的次數為 $(n/2) - 1$。
肉豆蔻醯輔酶 A (Myristic-CoA) 的碳原子數 $n = 14$。
β-氧化循環次數 = $(14/2) - 1 = 7 - 1 = 6$ 次。

步驟 2：計算 β-氧化產生的 NADH, FADH₂, Acetyl-CoA 的數量

• 每個 β-氧化循環產生 1 分子 NADH 和 1 分子 FADH₂。
• 總共進行了 6 次循環，所以產生了 6 分子 NADH 和 6 分子 FADH₂。
• 每次 β-氧化循環切斷兩個碳原子，產生一分子 Acetyl-CoA。
• 總共 14 個碳原子，最後會剩下最後一個 Acetyl-CoA。
• 總共產生的 Acetyl-CoA 分子數 = $n/2 = 14/2 = 7$ 分子。

步驟 3：計算 β-氧化過程產生的 ATP

• 來自 NADH 的 ATP：6 NADH × 2.5 ATP/NADH = 15 ATP
• 來自 FADH₂ 的 ATP：6 FADH₂ × 1.5 ATP/FADH₂ = 9 ATP
• 來自 Acetyl-CoA 的 ATP：7 Acetyl-CoA × 10 ATP/Acetyl-CoA = 70 ATP

此題考驗對粒線體 ATP 合成酶 (F₁F₀-ATPase) 工作機制的理解，特別是化學滲透偶聯（chemiosmotic coupling）的機制，以及 F₀ 和 F₁ 亞基的作用。

粒線體 ATP 合成酶（也稱為 Complex V）是位於粒線體內膜上的蛋白質複合物，它利用質子梯度（proton gradient）的勢能來合成 ATP。這個複合物由兩個主要部分組成：F₀ 區域和 F₁ 區域。

1. 質子梯度 (Proton Gradient)：
在粒線體電子傳遞鏈 (ETC) 的過程中，電子從 NADH 和 FADH₂ 傳遞給最終的電子接受者氧氣。這個電子傳遞過程釋放能量，這些能量被用於將質子 (H⁺) 從粒線體基質 (matrix) 泵送到膜間隙 (intermembrane space)。結果是在膜間隙積累了大量的質子，而基質中的質子濃度相對較低。這在內膜兩側形成了一個質子濃度梯度和一個電化學勢梯度（即質子動力勢，proton motive force, PMF）。這個質子梯度儲存了化學滲透的能量。

2. F₀ 區域 (F₀ component)：
F₀ 區域是嵌入在粒線體內膜中的離子通道。它由多個亞基組成，其中最重要的是：

• c 亞基環 (c-subunit ring)：這是一個由多個 c 亞基組成的環狀結構。每個 c 亞基都包含一個與質子結合的位點（通常是一個帶電氨基酸殘基，如天冬胺酸或麩胺酸）。質子從膜間隙通過 c 亞基環上的通道進入，並與 c 亞基上的結合位點結合。
• a 亞基 (a subunit)：a 亞基提供一個質子通道，允許質子從膜間隙進入 c 亞基環，並最終從基質側排出。它通常有兩個半通道，一個連接膜間隙，一個連接基質。
• b 亞基 (b subunit)：b 亞基位於 F₀ 和 F₁ 之間，起到連接和穩定作用，並將 F₁ 的 γ 亞基固定在膜上。

3. F₁ 區域 (F₁ component)：
F₁ 區域懸掛在粒線體內膜的基質側，是催化 ATP 合成的酶學部分。它由以下亞基組成：

• α 亞基 (α subunits)：通常有三個 α 亞基，與 β 亞基交替排列形成一個環狀結構。它們主要起到結構支撐和結合 ATP/ADP 的作用，但本身不直接催化 ATP 合成。
• β 亞基 (β subunits)：通常有三個 β 亞基，與 α 亞基交替排列。β 亞基是 ATP 合成和水解的催化位點。每個 β 亞基可以處於三種不同的構象：
  • O (Open/Loose)：低親和力結合 ADP 和 Pi，或釋放 ATP。
  • L (Loose)：中等親和力結合 ADP 和 Pi。

此題要求繪製放熱反應 (exothermic reaction) 的勢能圖，並解釋酶催化反應為何比未催化反應快。

繪製放熱反應的勢能圖

勢能圖（或反應座標圖）顯示了反應過程中反應物、過渡態和產物的相對能量。

• 橫軸：反應座標 (Reaction Coordinate)，表示反應的進展程度。
• 縱軸：勢能 (Potential Energy)。

對於一個反應 $A \rightarrow B$，

• 放熱反應 (Exothermic Reaction)：指反應過程中釋放出能量，即產物 B 的勢能低於反應物 A 的勢能 ($\Delta H < 0$)。
• 活化能 (Activation Energy, $E_a$)：從反應物 A 的能量水平到反應過渡態 (transition state) 的能量差。過渡態是反應物轉變為產物時的最高能量點。
• 酶催化反應：酶不改變反應物的起始能量和產物的最終能量，因此 $\Delta H$ (或 $\Delta G$) 對於催化和未催化反應是相同的。酶的作用是降低反應的活化能。

勢能圖繪製要點：

1. 畫出反應物 A 的能量水平。
2. 畫出產物 B 的能量水平，使其低於 A 的能量水平（表示放熱）。
3. 在 A 和 B 之間畫出一個能量峰值，代表過渡態。這個峰值的高度（相對於 A 的能量）就是活化能。
4. 標示出反應物 A 的能量、產物 B 的能量、過渡態的能量。
5. 標示出反應焓變 ($\Delta H$)，即 B 的能量減去 A 的能量。
6. 標示出未催化反應的活化能 ($E_{a, \text{uncatalyzed}}$)。
7. 標示出酶催化反應的活化能 ($E_{a, \text{catalyzed}}$)，使其顯著低於未催化反應的活化能。
8. 畫出兩條曲線：一條較寬、較高的曲線代表未催化反應，另一條較窄、較低的曲線代表酶催化反應。

圖示：

此題考驗對整合性膜蛋白 (integral membrane proteins) 跨膜區域結構特徵的理解。

整合性膜蛋白是嵌入或跨越細胞膜的蛋白質。它們的跨膜區域（transmembrane domains）必須能夠穿過細胞膜的疏水性核心。

細胞膜的核心是由磷脂的脂肪酸尾部構成的疏水性區域。為了在這種疏水環境中穩定存在，嵌入膜中的蛋白質區域必須具有與之相適應的化學性質。

主要原因：

1. 疏水性相互作用：跨膜區域的氨基酸殘基主要是疏水性的。這些疏水性側鏈傾向於與膜脂的疏水脂肪酸鏈相互作用，從而將蛋白質錨定在膜中。
2. 避免暴露疏水性殘基於水相：如果跨膜區域是無規則摺疊（random coil）或具有較少二級結構，那麼其中包含的許多疏水性殘基將會暴露於細胞質或細胞外液的親水環境中，這是能量上不利的。
3. 形成穩定結構以「屏蔽」疏水性：蛋白質通過形成高度結構化的二級結構，如 α-螺旋 (α-helix) 或 β-桶 (β-barrel)，來有效地「屏蔽」其疏水性殘基。
   • α-螺旋：在膜蛋白中，跨膜區域通常形成 α-螺旋。在 α-螺旋結構中，側鏈朝向螺旋的外部，可以與膜脂的疏水尾部相互作用。同時，螺旋的主鏈原子（參與形成氫鍵）被包裹在螺旋內部，避免了與周圍疏水環境的直接接觸，從而減少了能量上的不利。

此題考驗對脫氧核苷酸 (deoxyribonucleotides) 生合成關鍵酶的認識，以及其催化活性如何受到細胞內 dNTPs 需求的調控，特別是涉及氧化還原調控的機制。

1. 脫氧核苷酸生合成的關鍵酶

脫氧核苷酸 (dNTPs) 是 DNA 的合成單元。它們通過核苷二磷酸 (NDPs) 的還原作用生成。這個反應由 核苷二磷酸還原酶 (Ribonucleotide reductase, RNR) 催化。
$NDP + 2e^- + 2H^+ \rightarrow dNDP + H_2O$
RNR 是細胞內合成 dNTPs 的關鍵限速酶。

2. RNR 催化活性的調控

RNR 的活性受到細胞內 dNTPs 需求的嚴格調控，這種調控是多層次的，包括：

• 變構調控 (Allosteric Regulation)：RNR 具有兩個變構位點：

  • N 位點 (Nucleotide-binding site, active site)：這個位點負責催化 NDP 還原為 dNDP。它與 NDP 或 dNDP 結合，決定了反應的速度。
  • R 位點 (Regulation site)：這個位點決定了 RNR 的活性和底物特異性。它通過結合 ATP, dATP, dGTP, dCTP 等 dNTPs 來調節 RNR 的活性。
    • 激活：當細胞內 dNTPs 濃度較低時，ATP 或 dATP 結合到 R 位點，激活酶的催化活性。
    • 抑制：當細胞內某種 dNTPs 濃度過高時（例如 dATP 或 dGTP 濃度高於其他），它會結合到 R 位點，導致酶活性降低或改變底物選擇性，以防止某種 dNTPs 過量積累。
    • 底物特異性調控：R 位點結合的 dNTPs 種類還會影響 RNR 對 NDP 底物的選擇性，確保四種 dNTPs 的濃度相對平衡。

• 氧化還原調控 (Redox Regulation)：RNR 的催化機制依賴於其活性位點中的一個或多個自由基（通常是酪胺酸自由基）。這些自由基的形成和再生需要細胞內還原劑的參與，並受到氧化還原狀態的調控。

3. 氧化還原循環與兩個氧化還原調控酶

RNR 的催化活性，特別是其自由基的再生，需要細胞內還原劑（如硫醇類化合物）來維持。這個過程涉及到氧化還原循環。題目提到「氧化-還原循環透過兩種氧化還原調控酶來傳遞還原當量」。這通常指的是維持 RNR 活性所必需的兩個輔助酶系統：

核心觀念

人類基因體計畫（Human Genome Project, HGP）完成後，建立了完整的人類基因體參考序列與基因定位資訊，為蛋白質體學（proteomics）提供「已知的基因與蛋白質序列資料庫」。蛋白質體研究可利用這些資料，將實驗偵測到的胜肽或蛋白質訊號，與基因體所預測的蛋白質序列進行比對與鑑定。

需注意：

• 基因體（genome）描述細胞可能具有的遺傳資訊。
• 蛋白質體（proteome）描述特定細胞、組織或生理狀態下實際表現的全部蛋白質。
• 同一基因可因選擇性剪接產生多種蛋白質異構體，蛋白質也可經由磷酸化、醣基化、乙醯化等轉譯後修飾形成不同型態。因此，基因數目不等於蛋白質種類數目。

解題方法

本題應從「HGP 提供基礎資料，如何提升蛋白質鑑定與功能研究」切入，可分為以下幾點：

1. 建立蛋白質序列參考資料庫

   HGP 提供基因體序列後，可透過基因預測與註解，推定開放閱讀框（open reading frame, ORF）及其可能編碼的胺基酸序列，建立人類蛋白質資料庫。

2. 協助質譜鑑定蛋白質

   在質譜分析中，蛋白質通常先被胰蛋白酶切成胜肽，再測定其質荷比。所得胜肽質譜資料可與基因體所推導的蛋白質序列進行資料庫搜尋，藉此判定樣品中存在的蛋白質。

   其基本概念為：

   $\text{基因體 DNA 序列} \rightarrow \text{蛋白質序列資料庫} \rightarrow \text{質譜胜肽比對} \rightarrow \text{蛋白質鑑定}$

3. 促進基因與蛋白質功能的對照研究