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乙組《生物化學》

此題考驗學生對於醣蛋白 (glycoprotein) 與蛋白聚醣 (proteoglycan) 的組成比例與定義的理解。

核心觀念：

• 醣蛋白 (Glycoprotein): 蛋白質上連接寡醣鏈。通常蛋白質佔質量較多，醣鏈較短。
• 蛋白聚醣 (Proteoglycan): 蛋白質核心上連接長鏈的醣胺聚醣 (glycosaminoglycan, GAGs)。GAGs 是由重複的雙醣單位組成，且帶有負電荷，因此質量很大，蛋白質核心相對較小。

解題過程：
題目描述了兩種情況：

1. 「在一個______，碳水化合物（醣類）佔了大部分的質量。」這符合蛋白聚醣的定義，因為其 GAGs 鏈非常長且帶負電，質量佔比高。
2. 「在一個______，蛋白質佔了大部分的質量。

此題考驗學生對酶動力學 (Enzyme Kinetics) 中「穩態假設」(Steady-State Assumption) 的理解。

核心觀念：
穩態假設是 Michaelis-Menten 動力學的基礎。它認為在反應開始後不久，酶-受質複合物 [ES] 的濃度變化率趨近於零，即生成 [ES] 的速率等於分解 [ES] 的速率。

解題過程：
穩態假設的數學表達式為：
$\frac{d[ES]}{dt} = 0$
這個公式表示酶-受質複合物 [ES] 的濃度在穩態時不隨時間改變。

我們來分析各選項：
(A) [E]t = [ES]：總酶濃度等於酶-受質複合物濃度。這在穩態時通常不成立，因為大部分酶可能以游離酶 [E] 或酶-產物複合物 [EP] 的形式存在。
(B) (k₂ - k₋₁) / k₁ = 1：這個公式與穩態假設的定義無關。

此題考驗學生對胰凝乳蛋白酶 (Chymotrypsin) 的催化機制中，負責進行親核攻擊 (nucleophilic attack) 的胺基酸殘基的知識。

核心觀念：
胰凝乳蛋白酶是一種絲胺酸蛋白酶 (serine protease)。其催化機制涉及一個「催化三合一」(catalytic triad)，由絲胺酸 (Serine, Ser)、組胺酸 (Histidine, His) 和天冬胺酸 (Aspartate, Asp) 組成。在反應過程中，絲胺酸的羥基 (-OH) 是親核試劑，對肽鍵的羰基碳進行攻擊。

解題過程：

1. 催化三合一 (Catalytic Triad): 胰凝乳蛋白酶的活性位點含有 Ser195、His57 和 Asp102。
2. 親核攻擊: 在肽鍵水解過程中，首先是 Ser195 的羥基氧原子，在 His57 的鹼性咪唑環的質子接收作用下，變得更具親核性，然後攻擊肽鍵的羰基碳。

此題考驗學生對酶與受質結合模型，特別是「誘合模型」(Induced Fit Model) 的理解。

核心觀念：

• 鎖鑰模型 (Lock and Key Model): 這是早期提出的模型，認為酶的活性位點形狀是剛性的，與受質的形狀完全匹配，如同鎖和鑰匙。
• 誘合模型 (Induced Fit Model): 由 Daniel Koshland 提出，認為酶的活性位點在與受質結合後，會發生構象變化，以更緊密地適應受質的形狀，從而增強結合力和催化效率。

解題過程：
題目描述了「酶與受質結合後，改變其形狀」。這正是誘合模型的特徵。

• 鎖鑰模型 假設酶的活性位點是預先形成的、剛性的，不需要改變形狀來適應受質。
• 誘合模型 則強調酶的活性位點是柔性的，會因受質的結合而「誘發」構象的改變，以達到最佳的匹配。

核心觀念

本題考查二氧化碳對血紅素—氧氣結合的影響，核心是 Bohr effect（波耳效應）：

• 組織代謝產生的 $\mathrm{CO_2}$ 增加時，會使血液中 $\mathrm{H^+}$ 濃度上升、pH 降低。
• $\mathrm{H^+}$ 與血紅素結合後，會穩定血紅素的去氧型態（deoxyhemoglobin，$T$ state）。
• 去氧型態對 $\mathrm{O_2}$ 的親和力較低，因此促進氧氣由血紅素釋放至組織。

在紅血球中，$\mathrm{CO_2}$ 主要經由碳酸酐酶催化水合反應：

產生的 $\mathrm{H^+}$ 會促進血紅素去氧化，使血紅素更容易釋放氧氣。

此外，部分 $\mathrm{CO_2}$ 也會直接與血紅素的末端胺基形成 carbaminohemoglobin，但本題選項所描述的主要機制是 $\mathrm{CO_2}$ 轉換產生 $\mathrm{HCO_3^-}$ 與 $\mathrm{H^+}$，其中真正造成氧氣親和力下降的關鍵是 $\mathrm{H^+}$。

解題方法

判斷本題可分成兩步：

1. 判斷 $\mathrm{CO_2}$ 增加後的酸鹼變化：

因此 $\mathrm{H^+}$ 增加，pH 下降。

2. 判斷 pH 下降對血紅素的影響：

所以，$\mathrm{CO_2}$ 會促進血紅素的去氧狀態，而非氧合狀態。

選項分析

(A) 錯誤。
$\mathrm{CO_2}$ 並不是直接占據血紅素的氧氣結合位點來排開 $\mathrm{O_2}$。氧氣結合位點位於血基質（heme）的二價鐵 $\mathrm{Fe^{2+}}$。

此題考驗學生對粒線體電子傳遞鏈 (Mitochondrial Electron Transport Chain, ETC) 中各複合物功能的了解，特別是哪個複合物直接利用電子將分子氧還原。

核心觀念：
粒線體電子傳遞鏈是將電子從還原劑（如 NADH 和 FADH₂）傳遞到最終電子接受者——分子氧 (O₂) 的一系列蛋白質複合物。這個過程釋放的能量用於質子泵送，建立質子梯度，最終驅動 ATP 合成。

• Complex I (NADH dehydrogenase): 氧化 NADH，將電子傳遞給泛醌 (ubiquinone, UQ)，並泵送質子。
• Complex II (Succinate dehydrogenase): 氧化琥珀酸 (succinate)，將電子傳遞給泛醌 (UQ)，不泵送質子。
• Complex III (Cytochrome bc₁ complex): 接受來自泛醌 (UQH₂) 的電子，將電子傳遞給細胞色素 c (cytochrome c)，並泵送質子。

此題考驗學生對影響蛋白質結構穩定性的因素，特別是靜電作用 (electrostatic interactions) 如何被干擾的理解。

核心觀念：
蛋白質結構的穩定性依賴於多種非共價鍵，其中包括靜電作用（離子鍵、氫鍵）。靜電作用是帶電的胺基酸側鏈之間或帶電側鏈與肽骨架之間的吸引或排斥力。

解題過程：
靜電作用的強度與介質的極性有關。極性越強的介質，越能屏蔽帶電基團之間的相互作用。

1. 水 (Water): 水是極性溶劑，具有很高的介電常數。高濃度的水能夠有效地屏蔽蛋白質表面帶電殘基之間的靜電作用，但對於蛋白質內部或疏水核心內的靜電作用影響相對較小。然而，在討論蛋白質的整體穩定性時，水的作用是重要的。
2. 有機溶劑 (Organic solvents): 許多有機溶劑（特別是極性有機溶劑）也能夠干擾蛋白質的結構，它們可以取代水分子與蛋白質形成氫鍵，或與蛋白質的疏水區域相互作用，從而改變蛋白質的構象和穩定性。一些有機溶劑的介電常數較低，但它們可以通過其他方式影響靜電作用。
3. 鹽 (Salts): 離子強度很高的鹽溶液會顯著影響蛋白質的靜電作用。

此題考驗學生對肌肉細胞中鈣離子儲存和釋放的知識，特別是與肌肉收縮相關的細胞器。

核心觀念：

• 肌肉收縮的調控： 肌肉細胞的收縮是一個鈣離子依賴的過程。肌漿網 (sarcoplasmic reticulum, SR) 是肌細胞內一個高度特化的內質網結構，負責儲存和釋放鈣離子 ($Ca^{2+}$)，以調控肌纖維的收縮和舒張。
• 肌漿網 (Sarcoplasmic Reticulum): 這是平滑內質網 (smooth endoplasmic reticulum) 在肌細胞中的一種形式，特化用於儲存大量鈣離子。其細胞膜上表達有鈣離子 ATP 酶 (SERCA pump)，能將細胞質中的鈣離子泵入肌漿網腔內，維持腔內高濃度的鈣離子。當神經信號傳遞到肌肉細胞時，肌漿網會釋放儲存的鈣離子到細胞質中，引發肌纖維收縮。

此題考驗學生對蛋白質摺疊過程中，維持蛋白質內部緊密堆積的胺基酸側鏈之間相互作用的理解。

核心觀念：
蛋白質在水溶液中摺疊時，會形成一個具有特定三維結構的空間構象。蛋白質的內部通常是疏水的，而外部則與水接觸。在蛋白質內部，胺基酸側鏈會緊密堆積，這種堆積的穩定性主要依賴於多種非共價作用力。

解題過程：
題目問的是「在蛋白質內部緊密堆積的胺基酸側鏈之間，最顯著的影響因素是什麼」。

1. 氫鍵 (Hydrogen bonds): 氫鍵存在於蛋白質的骨架之間（形成 α-螺旋和 β-摺疊）以及側鏈之間，對穩定結構很重要。然而，在蛋白質內部，由於水分子會競爭氫鍵，純粹的側鏈間氫鍵的貢獻可能不如其他作用力顯著，尤其是在非常緊密堆積的區域。
2. 靜電作用 (Electrostatic interactions): 這些是帶電殘基之間的吸引或排斥力。在蛋白質內部，如果存在帶相反電荷的殘基，靜電作用可以很強。但蛋白質內部通常是疏水的，帶電殘基在內部較少見，因此整體而言，靜電作用可能不是最主要的穩定因素，除非有特定的離子對。
3. 共價酯鍵 (Covalent ester bonds): 蛋白質摺疊主要依賴於非共價鍵。共價酯鍵在蛋白質結構中非常罕見，除非是經過翻譯後修飾。它們不是蛋白質摺疊的普遍穩定因素。

此題考驗學生對 Michaelis-Menten 酶動力學方程的應用能力。

核心觀念：
Michaelis-Menten 方程描述了酶促反應的初速度 (V) 與受質濃度 ([S]) 之間的關係：
$V = \frac{V_{max}[S]}{K_m + [S]}$
其中：

• $V$ 是反應速度
• $V_{max}$ 是最大反應速度
• $K_m$ 是 Michaelis 常數，表示達到 $V_{max}$ 一半所需受質濃度
• $[S]$ 是受質濃度

解題過程：
題目給定了：

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

將這些值代入 Michaelis-Menten 方程：
$V = \frac{V_{max} \times (\frac{1}{5} K_m)}{K_m + (\frac{1}{5} K_m)}$
$V = \frac{V_{max} \times \frac{1}{5} K_m}{\frac{5}{5} K_m + \frac{1}{5} K_m}$

此題考驗學生對不同運輸方式（被動運輸、促進擴散、主動運輸）的動力學特徵，以及 Hanes-Woolf 圖的判讀。

核心觀念：

• 被動運輸 (Passive Diffusion): 物質順濃度梯度移動，不需能量。速率與濃度梯度成正比，理論上不會飽和。
• 促進擴散 (Facilitated Diffusion): 物質順濃度梯度移動，但需要載體蛋白的協助。載體蛋白數量有限，因此速率會隨濃度升高而飽和。
• 主動運輸 (Active Transport): 物質逆濃度梯度移動，需要能量（如 ATP 水解）和載體蛋白。速率會隨濃度升高而飽和，且受能量供應限制。
• Hanes-Woolf Plot: 這是 Michaelis-Menten 方程的一種線性化形式，用於分析酶動力學或載體介導的運輸動力學。對於有飽和現象的過程，其方程形式與 Michaelis-Menten 類似。
  Michaelis-Menten 方程：$V = \frac{V_{max}[S]}{K_m + [S]}$
  Hanes-Woolf 方程：$\frac{[S]}{V} = \frac{K_m}{V_{max}} + \frac{[S]}{V_{max}}$
  這是一個直線方程 $y = mx + c$，其中 $y = \frac{[S]}{V}$， $x = [S]$，斜率 $m = \frac{1}{V_{max}}$，截距 $c = \frac{K_m}{V_{max}}$。

圖形分析：
題目提供的圖是 Hanes-Woolf 圖。圖中顯示 X 軸為 [S]（受質濃度），Y 軸為 [S]/V。
圖形顯示：

1. 當 [S] 趨近於零時，[S]/V 趨近於一個非零的截距 ($\frac{K_m}{V_{max}}$)。
2. 隨著 [S] 增加，[S]/V 也隨之增加，且是線性的。

核心觀念

本題考查胺基酸側鏈在生物膜中的分布傾向，尤其是「膜—水界面」的特性。

細胞膜中央由疏水性脂肪酸鏈構成，靠近膜外側與膜內側則是具有極性、可形成氫鍵的磷脂頭部與水相。因此，不同胺基酸側鏈在膜中的位置，主要取決於：

1. 側鏈的疏水性或親水性。
2. 是否具有可與水或磷脂頭部作用的極性基團。
3. 芳香環是否能穩定定位於膜界面。
4. 帶電基團是否傾向停留在水相或膜表面。

膜—水界面特別適合具有「兩親性」的側鏈：一部分能接觸疏水膜區，另一部分能與水或磷脂頭部作用。

解題方法

判斷各選項側鏈的化學性質：

• 純疏水側鏈通常偏好膜的脂肪酸鏈核心。
• 強親水或帶電側鏈通常偏好水相。
• 芳香族側鏈，尤其是色胺酸的吲哚環，常富集於膜—水界面。

色胺酸的側鏈由吲哚環組成，具有以下特性：

• 芳香環可部分插入疏水性膜區。
• 吲哚環上的氮氫可與水分子或磷脂頭部形成氫鍵。
• 芳香環可與磷脂頭部的電荷或偶極產生作用。
• 側鏈尺寸較大，能像「界面錨」一樣穩定蛋白質在膜中的位置。

因此，色胺酸最符合膜—水界面胺基酸的典型特徵。

選項分析

(A) Gly，甘胺酸

甘胺酸的側鏈僅為一個氫原子，體積最小且不具明顯疏水、芳香或特殊界面作用能力。

它常出現在需要高度柔軟性或緊密轉折的位置，但不是特別偏好膜—水界面的側鏈。因此此選項錯誤。

(B) Trp，色胺酸

此題考驗學生對不同細胞膜運輸方式是否需要能量的理解。

核心觀念：
細胞膜運輸根據是否需要能量和是否順濃度梯度，可以分為幾類：

1. 被動運輸 (Passive Diffusion): 物質順濃度梯度移動，不消耗細胞的直接能量（如 ATP）。
2. 促進擴散 (Facilitated Diffusion): 物質順濃度梯度移動，需要載體蛋白或離子通道的協助，但同樣不消耗細胞的直接能量。
3. 主動運輸 (Active Transport): 物質移動不一定順濃度梯度（通常逆梯度），需要能量輸入。主動運輸又可細分為：
   • 初級主動運輸 (Primary Active Transport): 直接利用能量，如 ATP 水解，來驅動物質運輸（例如鈉鉀幫浦 Na⁺/K⁺-ATPase）。

核心觀念

本題考查醣類的「還原性」及 invertase（蔗糖酶）的專一性。

能還原 $Cu^{2+}$ 的醣，必須具有可形成游離醛基或酮基的結構，通常是：

• 游離單醣；
• 具有游離還原端的雙醣或多醣。

在鹼性條件下，還原醣將 $Cu^{2+}$ 還原成 $Cu^+$，並生成磚紅色氧化亞銅沉澱：

蔗糖的兩個異頭碳彼此形成糖苷鍵，沒有游離還原端，因此本身是非還原糖；但 invertase 可將蔗糖水解成葡萄糖與果糖：

葡萄糖與果糖皆可在鹼性溶液中互相轉化，形成可還原 $Cu^{2+}$ 的開鏈型醣，因此處理後會生成紅色 $Cu_2O$。

解題方法

判斷步驟如下：

1. 先判斷各物質本身是否具有還原端。
2. 再判斷 invertase 是否能作用於該物質。
3. 唯一符合「本身不還原，但經 invertase 處理後產生 $Cu_2O$」者，即為蔗糖。

Invertase 的受質主要是蔗糖，會切斷蔗糖中的 $\alpha(1\to2)\beta$ 糖苷鍵；它不會普遍水解麥芽糖、幾丁質或透明質酸。

選項分析

(A) Sucrose（蔗糖）——正確

蔗糖由葡萄糖與果糖組成，兩者的異頭碳都參與糖苷鍵，因此沒有游離還原端，本身不能將 $Cu(II)$ 還原成 $Cu(I)$。

經 invertase 水解後：

此題考驗學生對生物膜結構、組成和功能的理解。

核心觀念：

• 膜的組成： 脂質雙層（磷脂、膽固醇）、蛋白質、醣鏈。
• 膜的流動性 (Fluidity): 脂質雙層不是剛性的，分子可以在膜內移動。流動性受脂肪酸鏈的飽和度、膽固醇含量和溫度影響。
• 膜的不對稱性 (Asymmetry): 膜的內外兩層（leaflet）在組成和功能上不同。
• 脂質的分布： 磷脂的頭基在內外層的分布不均。
• 膜蛋白的種類和功能： 整合蛋白、周邊蛋白、脂質錨定蛋白等。
• 膜的動態調節： 如脂質交換蛋白 (scramblase, flippase, floppase) 負責脂質的轉運和維持不對稱性。

解題過程：
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.
* 膜的不對稱性： 這是正確的。
* 脂質分布： 在大多數細胞的質膜中，磷脂醯絲胺酸 (phosphatidylserine, PS) 主要位於細胞質側（內層leaflet），其帶負電的特性與細胞外側的帶正電分子（如某些蛋白質）形成靜電作用，或作為細胞凋亡的信號。磷脂醯膽鹼 (phosphatidylcholine, PC) 和磷脂醯乙醇胺 (phosphatidylethanolamine, PE) 則主要位於細胞外側（外層leaflet）。
* 結論： 此選項的描述與實際情況相反（PS 在內層，PC 在外層）。因此，此選項錯誤。

(B) Membrane asymmetry is maintained predominantly by scramblase.
* 膜不對稱性的維持： 膜的脂質不對稱性是由多種機制維持的，包括脂質合成的區域性、特定脂質與膜蛋白的結合、以及脂質轉運蛋白。
* Scramblase： Scramblase 催化脂質在膜的兩層之間進行隨機翻轉，它傾向於消除膜的不對稱性，使其趨於對稱。在細胞凋亡等特定情況下，scramblase 的活性會增加，導致 PS 翻到外層。
* Flippase 和 Floppase： Flippase (ATP 依賴) 將磷脂從外層翻到內層，維持不對稱性。Floppase (ATP 依賴) 將磷脂從內層翻到外層。

核心觀念

本題考查胺基酸的「代謝家族」與碳骨架來源。胺基酸生合成可依其碳骨架前驅物分成數個主要家族：

• $\alpha$-酮戊二酸家族：麩胺酸、麩醯胺、脯胺酸、精胺酸
• 天門冬胺酸家族：天門冬胺酸、甲硫胺酸、蘇胺酸、離胺酸
• 丙酮酸家族：丙胺酸、纈胺酸、白胺酸、異白胺酸
• 3-磷酸甘油酸家族：絲胺酸、甘胺酸、半胱胺酸
• 磷酸烯醇丙酮酸家族：芳香族胺基酸，如苯丙胺酸、酪胺酸、色胺酸

甲硫胺酸（methionine）的碳骨架來自天門冬胺酸（aspartate），而硫原子則經由硫酸鹽還原途徑取得。

解題方法

先辨認甲硫胺酸所屬的胺基酸生合成家族。其主要生合成途徑如下：

接著，homoserine 經磷酸化形成 $\text{O-phosphohomoserine}$，再經含硫中間物轉換：

因此，甲硫胺酸屬於「天門冬胺酸家族」，其代謝前驅物為 Aspartate。

須注意，甲硫胺酸名稱中的硫並非來自天門冬胺酸；天門冬胺酸提供主要碳骨架，硫則由硫化物等含硫來源加入。

選項分析

(A) $\alpha$-ketoglutarate

核心觀念

本題測驗**尿素循環（Urea cycle）**中尿素分子（Urea, $\text{NH}_2\text{-CO-NH}_2$）各組成原子的生化來源與代謝反應途徑：

1. 碳原子（$1\text{ 個 C}$）：來自**重碳酸根（Bicarbonate, $\text{HCO}_3^-$）**或二氧化碳（$\text{CO}_2$）。
2. 第一個氮原子（$1\text{ 個 N}$）：來自游離氨（Ammonia, $\text{NH}_4^+$）。
3. 第二個氮原子（$1\text{ 個 N}$）：來自天門冬胺酸（Aspartate）。
4. 胺甲醯磷酸（Carbamoyl phosphate）：在粒線體基質中由胺甲醯磷酸合成酶 I（CPS-I）合成，直接提供尿素分子中的 $1\text{ 個碳}$ 與 $1\text{ 個氮}$。

因此，尿素中碳與氮的中間前驅物來源為 Carbamoyl phosphate 與 Aspartate（若溯及最初反應受質，則為 $\text{HCO}_3^-$、$\text{NH}_4^+$ 與 $\text{Aspartate}$）。

解題方法

透過尿素循環的關鍵生化步驟追蹤各原子的流向：

1. 胺甲醯磷酸的合成（粒線體基質）：

• 此步驟將來自 $\text{HCO}_3^-$ 的碳原子與來自 $\text{NH}_4^+$ 的氮原子組合成胺甲醯磷酸（Carbamoyl phosphate）。

2. 瓜胺酸的生成（粒線體基質）：

• 鳥胺酸（Ornithine）僅作為反應載體（Carrier），攜帶胺甲醯基進入細胞質。

3. 精胺琥珀酸的合成（細胞質）：

• 天門冬胺酸（Aspartate）在此步驟提供尿素的第二個氮原子。

4. 精胺琥珀酸裂解與尿素水解釋出（細胞質）：

此題考驗學生對一碳單位代謝 (One-carbon metabolism) 和四氫葉酸 (Tetrahydrofolate, THF) 衍生物在甲硫胺酸 (Methionine) 生合成中的作用的理解。

核心觀念：
四氫葉酸 (THF) 是一種輔酶，在生物體內攜帶不同形式的一碳單位（如甲基、亞甲基、甲醯基、甲炔基）。這些一碳單位在多種代謝過程中至關重要，包括核苷酸合成和胺基酸代謝。
甲硫胺酸的合成需要將一個甲基基團從 THF 轉移到同半胱胺酸 (homocysteine) 上，從而生成甲硫胺酸。這個甲基基團的提供者是特定的 THF 衍生物。

解題過程：
甲硫胺酸合成涉及將甲基從 THF 轉移到同半胱胺酸。這個過程由甲硫胺酸合酶 (Methionine synthase) 催化，並需要維生素 B₁₂ 作為輔酶。
反應式為：

此題考驗學生對甲硫胺酸 (Methionine) 的活化形式及其在細胞內作為甲基供體角色的知識。

核心觀念：
甲硫胺酸本身並不直接作為甲基供體，它需要被活化。在細胞內，甲硫胺酸通過與 ATP 反應，被轉化為 S-腺苷甲硫胺酸 (S-adenosylmethionine, SAM 或 AdoMet)。SAM 是一種高度活化的分子，其甲基基團很容易被轉移給各種親核受質，因此被稱為「萬能甲基供體」(universal methyl donor)。

解題過程：

1. 甲硫胺酸的活化： 甲硫胺酸通過酶催化與 ATP 反應，形成 S-腺苷甲硫胺酸 (SAM)。
   $\text{Methionine} + ATP \rightarrow S\text{-adenosylmethionine} + Pi + PPi$
2. SAM 作為甲基供體： SAM 的腺苷部分是一個良好的離去基團，使得與其相連的甲基基團具有很高的親電性。因此，SAM 能夠將甲基轉移給許多親核受質，例如 DNA、RNA、蛋白質、脂質、神經遞質、激素等。

此題考驗學生對胺基酸代謝的分類，特別是「純生酮胺基酸」(pure ketogenic amino acid) 的概念。

核心觀念：
胺基酸在代謝過程中，其碳骨架可以被分解為進入三種主要代謝途徑：

1. 生酮 (Ketogenic): 其碳骨架最終分解為乙醯輔酶 A (acetyl-CoA) 或乙醯乙酸輔酶 A (acetoacetyl-CoA)。這些產物可以被用於合成酮體 (ketone bodies) 或脂肪。
2. 生糖 (Glucogenic): 其碳骨架最終可以轉化為檸檬酸循環的中間產物（如α-酮戊二酸、琥珀醯輔酶 A、延胡索酸、草醯乙酸），進而通過糖質新生 (gluconeogenesis) 合成葡萄糖。
3. 兩者皆是 (Both ketogenic and glucogenic): 其碳骨架可以同時分解為生酮和生糖的產物。

純生酮胺基酸 (Pure Ketogenic Amino Acids): 指那些其碳骨架只能分解為乙醯輔酶 A 或乙醯乙酸輔酶 A，而不能產生任何生糖前體（如檸檬酸循環中間物）的胺基酸。

純生酮胺基酸的列表：

• 白胺酸 (Leucine)
• 離胺酸 (Lysine)

核心觀念

本題考查兩個概念：

1. 等電點（isoelectric point, pI）：分子總電荷為零時的 pH。對含有多個可解離基團的胜肽，pI 是「包圍中性型態之兩個相鄰 $pK_a$」的平均值。
2. 胜肽方向性：胺基酸序列慣例由 N-terminal（胺基端）至 C-terminal（羧基端） 書寫。

胜肽序列為：

其中可解離基團包括：

• N-terminal 胺基
• C-terminal 羧基
• Glu 側鏈羧基
• Asp 側鏈羧基
• Lys 側鏈胺基

採用常見近似 $pK_a$：

解題方法

（A）求等電點

先由低 pH 開始判斷各基團的電荷。

在極低 pH 下：

• N-terminal：$\mathrm{NH_3^+}$，電荷 $+1$
• Lys 側鏈：$\mathrm{NH_3^+}$，電荷 $+1$
• 三個羧基皆為質子化型態，電荷 $0$

因此總電荷為：

隨著 pH 上升，基團依 $pK_a$ 由低至高逐一失去質子：

此題考驗學生對 Michaelis-Menten 酶動力學方程的應用，特別是如何利用已知條件計算 $V_{max}$。

核心觀念：
Michaelis-Menten 方程描述了酶促反應的初速度 (V) 與受質濃度 ([S]) 之間的關係：
$V = \frac{V_{max}[S]}{K_m + [S]}$
其中：

• $V$ 是反應速度
• $V_{max}$ 是最大反應速度
• $K_m$ 是 Michaelis 常數，表示達到 $V_{max}$ 一半所需受質濃度
• $[S]$ 是受質濃度

解題過程：
題目給定了：

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

我們需要求解 $V_{max}$。將已知值代入 Michaelis-Menten 方程：

此題考驗學生對脂肪酸 β-氧化 (β-oxidation) 過程的理解，以及如何計算總 ATP 產量。

核心觀念：

• 脂肪酸 β-氧化循環： 這是脂肪酸完全分解為乙醯輔酶 A (acetyl-CoA) 的過程，發生在粒線體基質中。每個循環包含四個步驟：氧化、水合、氧化、硫解。
• 產物： 每個循環產生 1 分子 NADH，1 分子 FADH₂，以及 1 分子乙醯輔酶 A。
• 總 ATP 產量估算：
  • 1 NADH → 2.5 ATP
  • 1 FADH₂ → 1.5 ATP
  • 1 Acetyl-CoA → 進入檸檬酸循環，最終產生約 10 ATP (包括檸檬酸循環本身和氧化磷酸化)。

解題過程：
要計算肉豆蔻醯輔酶 A (Myristic-CoA, C14:0-CoA) 完全氧化產生的 ATP 量，需要經過以下步驟：

1. 確定循環次數： 脂肪酸的碳鏈長度為 14 個碳。每個 β-氧化循環會縮短碳鏈 2 個碳，並產生 1 分子乙醯輔酶 A。
   • 總乙醯輔酶 A 數量 = 碳鏈長度 / 2 = 14 / 2 = 7 分子。
   • 循環次數 = (碳鏈長度 / 2) - 1 = 14 / 2 - 1 = 7 - 1 = 6 次。
   • （因為最後一個 4 碳的單位會被分解成兩分子乙醯輔酶 A，不需要再進行一次循環。）

此題考驗學生對粒線體 ATP 合成酶 (F₁F₀-ATPase) 的工作機制，特別是化學滲透偶聯 (chemiosmotic coupling) 的理解。

核心觀念：

• F₁F₀-ATPase： 粒線體內膜上的 ATP 合成酶，由兩個主要部分組成：F₀ 嵌入內膜，F₁ 伸展到粒線體基質。
• 化學滲透偶聯： 呼吸鏈將電子傳遞到氧氣，同時將質子 (H⁺) 從基質泵送到膜間隙，建立起跨粒線體內膜的質子梯度（電化學梯度）。這個質子梯度勢能被 ATP 合成酶利用來合成 ATP。
• F₀ 部份： 是一個質子通道，由 a 亞基和 c 亞基環組成。質子通過 c 亞基環的通道從膜間隙流回基質。
• F₁ 部份： 包含催化 ATP 合成的酶活性位點，由 α 和 β 亞基組成（通常是 α₃β₃ 結構），以及 γ、δ、ε 亞基。

機制解釋：

1. 質子梯度 (Proton Gradient): 呼吸鏈在將電子傳遞到最終電子接受者 (O₂) 的同時，將質子從粒線體基質泵入膜間隙，從而建立了膜間隙高質子濃度、基質低質子濃度的質子梯度。這種質子梯度代表了一種勢能，稱為質子驅動力 (proton-motive force, PMF)。
2. F₀ 部份的質子流動： 質子從膜間隙順著濃度梯度流回粒線體基質，這個流動通過 F₀ 部份的質子通道。質子首先結合到 c 亞基環上的一個質子結合位點。當足夠數量的質子結合後，c 亞基環會發生旋轉。
3. c 亞基環的旋轉： c 亞基環的旋轉是 F₀ 部份的關鍵。

此題要求繪製放熱反應的勢能圖，並解釋酶催化反應為何比未催化反應快。

核心觀念：

• 反應座標圖 (Reaction Coordinate Diagram / Potential Energy Diagram): 描述反應物 (A) 轉化為產物 (B) 過程中，勢能隨反應進展 (反應座標) 的變化圖。
• 放熱反應 (Exothermic Reaction): 產物 (B) 的總勢能低於反應物 (A) 的總勢能，反應過程中釋放能量。
• 活化能 (Activation Energy, Ea): 從反應物到過渡態 (transition state) 所需的能量。它是反應速率的決定因素。
• 酶催化 (Enzyme Catalysis): 酶通過降低反應的活化能來加速反應。

繪製放熱反應的勢能圖：

1. 座標軸： 橫軸為反應座標 (Reaction Coordinate)，縱軸為勢能 (Potential Energy)。
2. 反應物 (A)： 在圖的左側畫一個能量水平，標記為 A。
3. 產物 (B)： 在圖的右側畫一個能量水平，低於 A 的能量水平，標記為 B。
4. 過渡態 (Transition State, TS)： 從 A 到 B 的路徑中，勢能最高點，標記為 TS。
5. 活化能 (Ea)： 從 A 的能量水平到 TS 的能量水平的高度差。
6. 反應焓變 (ΔH)： 從 A 的能量水平到 B 的能量水平的高度差（B 在 A 的下方，所以 ΔH 是負值，表示放熱）。

此題考驗學生對膜蛋白結構，特別是跨膜區結構特徵的理解。

核心觀念：

• 整合膜蛋白 (Integral Membrane Proteins): 這些蛋白質部分或全部嵌入脂質雙層中。
• 跨膜區 (Transmembrane Domain): 蛋白質嵌入脂質雙層的區域，通常是疏水的。
• 蛋白質的二級結構 (Secondary Structure): 指蛋白質局部結構的規則排列，主要是 α-螺旋 (α-helix) 和 β-摺疊 (β-sheet)。
• 脂質雙層的環境： 脂質雙層的核心是疏水的脂肪酸尾部，而兩側是親水的磷脂頭基。

解釋：

1. 跨膜區的疏水性： 蛋白質嵌入脂質雙層的跨膜區，必須與雙層的疏水核心相容。因此，這些區域的胺基酸側鏈通常是疏水的。
2. α-螺旋結構的適應性：
   • 胺基酸排列： 在 α-螺旋中，胺基酸的側鏈向外延伸。如果 α-螺旋由疏水性胺基酸組成，其側鏈可以很好地與脂質雙層的疏水尾部相互作用，穩定蛋白質在膜中的位置。
   • 能量學考量： 在水溶液中，蛋白質傾向於形成 α-螺旋或 β-摺疊，因為這能夠使肽鏈骨架上的極性醯胺和羰基形成內部氫鍵，從而「掩蓋」其極性，使其與疏水環境相容。在脂質雙層中，如果蛋白質形成 α-螺旋，肽骨架上的極性基團可以形成鏈內的氫鍵，避免與疏水的脂質尾部發生不利的相互作用。
   • 形成穩定結構： 一個由疏水胺基酸組成的 α-螺旋，其疏水側鏈向外，可以與脂質尾部有效接觸，而螺旋內部的肽骨架通過形成氫鍵來穩定結構。

此題考驗學生對去氧核苷酸 (deoxyribonucleotides, dNTPs) 生合成關鍵酶的知識，以及其活性如何被調節，特別是涉及氧化還原調節的酶。

核心觀念：

• dNTPs 生合成： dNTPs 是 DNA 合成的原料。它們主要通過核苷酸的還原反應生成，即將核糖核苷酸 (ribonucleotides, rNTPs) 的 2'-羥基還原為氫原子，形成去氧核糖核苷酸。
• 關鍵酶： 核苷酸還原酶 (Ribonucleotide reductase, RNR)。
• 活性調節： RNR 的活性受到細胞內 dNTPs 濃度的嚴格調控，以維持 dNTPs 的穩態。這種調控涉及變構效應物 (allosteric effectors) 和氧化還原調節。
• 氧化還原調節： RNR 的催化機制依賴於其活性位點中的一個或多個自由基。這些自由基的形成和再生需要還原劑。在哺乳動物中，這個過程與細胞質中的硫氧還蛋白 (thioredoxin) 和粒線體中的硫氧還蛋白還原酶 (thioredoxin reductase) 系統有關。

解題過程：

1. 關鍵酶 (Key enzyme for the biosynthesis of deoxyribonucleotides):
關鍵酶是核苷酸還原酶 (Ribonucleotide reductase, RNR)。它催化 rNTPs (ADP, GDP, CDP, UDP) 被還原為 dNTPs (dADP, dGDP, dCDP, dUDP)。

2. 活性調節 (How the catalytic activity is turned on and off in response to need for dNTPs):
RNR 的活性受到嚴格的 變構調節 (allosteric regulation)。

• 總活性調節 (Overall activity regulation): 當細胞內 dNTPs 總濃度高時，ATP 會結合到 RNR 的一個變構位點 (activity site)，激活酶的催化活性。當 dNTPs 總濃度低時，dATP 或 TTP 會結合，抑制酶的活性。

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