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甲組《生物化學》

這題主要在考驗學生對醣蛋白 (glycoprotein) 和蛋白聚醣 (proteoglycan) 的結構組成與主要成分的理解。

• 醣蛋白 (Glycoprotein): 這是指蛋白質上連接有醣鏈 (oligosaccharide chain) 的分子。在醣蛋白中，蛋白質是主要成分，醣鏈的比例相對較小，通常占總質量的 4% 到 87% 不等，但一般而言，蛋白質的質量佔比較高。醣鏈的功能多樣，包括細胞識別、信號傳導、蛋白質摺疊穩定性等。

• 蛋白聚醣 (Proteoglycan): 這是指蛋白質核心 (protein core) 上連接有大量非常長且帶負電的醣胺聚醣 (glycosaminoglycan, GAG) 鏈的分子。GAG 鏈通常由重複的二醣單位組成，且富含硫酸根或羧基，帶有強烈的負電荷，能結合大量水分子，形成膠狀基質。在蛋白聚醣中，GAG 鏈的質量遠大於蛋白質核心，因此 GAG 鏈（醣類）是質量的主要貢獻者。

此題在考驗對酶動力學中「穩態假設」(steady-state assumption) 的理解。穩態假設是 Michaelis-Menten 動力學模型的重要基礎。

穩態假設的核心概念是，在反應的大部分時間裡，酶-基質複合物 (ES) 的生成速率等於其分解速率，因此 ES 複合物的濃度近似保持恆定。

數學表達式為：
$\frac{d[ES]}{dt} = 0$

我們來推導一下：
酶與基質結合形成 ES 複合物的速率是 $k_1[E][S]$。
ES 複合物分解為產物 P 和游離酶 E 的速率是 $k_2[ES]$。
ES 複合物解離回游離酶 E 和基質 S 的速率是 $k_{-1}[ES]$。

根據穩態假設，ES 複合物的淨變化速率為零：
生成 ES 的速率 - 分解 ES 的速率 = 0
$k_1[E][S] - k_2[ES] - k_{-1}[ES] = 0$

此題考驗學生對胰凝乳蛋白酶 (Chymotrypsin) 催化機制的了解，特別是鍵結斷裂時的親核攻擊 (nucleophilic attack) 步驟。

胰凝乳蛋白酶是一種絲胺酸蛋白酶 (serine protease)，其催化活性中心有一個關鍵的「催化三合一」(catalytic triad)，由三個胺基酸殘基組成：絲胺酸 (Serine, Ser)、組胺酸 (Histidine, His) 和天冬胺酸 (Aspartate, Asp)。

在胰凝乳蛋白酶催化胜肽鍵水解的過程中，其機制涉及一個「共價中間體」(covalent intermediate)。具體步驟如下：

1. 親核攻擊： 催化三合一中的絲胺酸 (Serine) 的羥基 (-OH) 是一個強親核體。在組胺酸 (His) 的輔助下（His 作為鹼，將 Ser 的羥基去質子化，使其更具親核性），Ser 的氧原子會攻擊胜肽鍵的羰基碳原子。
2. 形成四面體中間體： 攻擊導致羰基碳形成一個不穩定的四面體中間體。

這題考驗學生對酶與基質結合模型的理解。

• 鎖鑰模型 (Lock and Key Model): 由 Emil Fischer 在 1894 年提出，認為酶的活性中心結構如同鎖，而基質則如同鑰匙。基質的形狀必須與酶的活性中心完全匹配才能結合。這個模型解釋了酶的專一性，但無法解釋酶如何降低活化能以及酶在結合基質後結構的變化。

• 誘合模型 (Induced Fit Model): 由 Daniel Koshland 在 1958 年提出，是對鎖鑰模型的修正和發展。該模型認為，酶的活性中心在結合基質之前並非完全固定，而是具有一定的柔性。當基質結合到酶的活性中心時，基質的結合會誘導酶的活性中心發生構象變化，使其更緊密地貼合基質，從而更好地促進催化反應。這種「誘導」的結合過程，可以使酶的活性位點更精確地定位基質的反應基團，並使其處於有利於反應的過渡狀態。

• 接近與定向效應 (Proximity and Orientation Effects): 這是酶催化反應的機制之一，指酶通過將反應物分子固定在活性中心，使其接近並以正

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：

$$\mathrm{CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 \rightleftharpoons HCO_3^- + H^+}$$

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：

$$\mathrm{CO_2 + H_2O \rightarrow HCO_3^- + H^+}$$

因此 $\mathrm{H^+}$ 增加，pH 下降。

2. 判斷 pH 下降對血紅素的影響：

$$\mathrm{H^+}\uparrow \Longrightarrow \text{穩定 deoxyhemoglobin} \Longrightarrow \mathrm{O_2}\text{ 親和力下降} \Longrightarrow \mathrm{O_2}\text{ 釋放增加}$$

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 (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還原氧氣。

粒線體電子傳遞鏈是將 NADH 和 FADH2 氧化所釋放的電子，透過一系列蛋白質複合物傳遞，最終將電子傳遞給氧氣，產生水。這個過程伴隨著質子的跨膜運輸，形成質子梯度，用於 ATP 合成。

各複合物的功能：

• Complex I (NADH 脫氫酶, NADH dehydrogenase): 接收來自 NADH 的電子，將其傳遞給泛醌 (ubiquinone, Q)，並將質子泵入膜間隙。
• Complex II (琥珀酸脫氫酶, succinate dehydrogenase): 接收來自琥珀酸的電子（琥珀酸轉化為延胡索酸時產生 FADH2，FADH2 在此複合物中氧化），將電子傳遞給泛醌 (Q)，但不泵送質子。

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

蛋白質的結構穩定性依賴於多種非共價鍵相互作用，其中靜電相互作用（離子鍵、氫鍵）在維持蛋白質的三級和四級結構中扮演重要角色。這些相互作用發生在帶電或極性的胺基酸側鏈之間。

• 靜電相互作用 (Electrostatic Interactions): 包括帶相反電荷的胺基酸殘基之間的離子鍵（鹽橋，salt bridges）以及極性殘基之間的氫鍵。這些相互作用的強度取決於它們所處的介質環境。

• 水 (Water): 水是極性分子，具有很高的介電常數 (dielectric constant)。它能夠有效地屏蔽帶電殘基之間的靜電吸引力，削弱離子鍵的強度。因此，在高濃度的水中，靜電相互作用會被「屏蔽」(shielded) 或「削弱」(dampened)。

• 有機溶劑 (Organic Solvents): 許多有機溶劑（如乙醇、丙酮）的介電常數比水低。它們可能會以不同的方式影響靜電相互作用，有時會增強，有時會減弱，這取決於溶劑的極性以及蛋白質的性質。但題目問的是「damped out」，通常是指削弱。一些非極性有機溶劑可能會破壞水合層，使蛋白質內部暴露，從而影響靜電相互作用。然而，在討論「削弱」靜電相互作用時，水和鹽是更典型的例子。

此題考驗學生對肌肉細胞中鈣離子儲存和釋放的知識。

鈣離子 (Ca²⁺) 在肌肉收縮的調控中扮演著至關重要的角色。肌肉細胞需要一個系統來儲存大量的鈣離子，並在神經信號傳遞後迅速將其釋放到細胞質中，引發收縮。

• 肌漿網 (Sarcoplasmic Reticulum, SR): 這是肌肉細胞特化的平滑內質網 (smooth endoplasmic reticulum)。它是一個網狀結構，遍佈在肌纖維的肌原纖維周圍。肌漿網的主要功能是儲存和釋放鈣離子。在肌肉放鬆狀態下，肌漿網會將細胞質中的鈣離子通過鈣離子幫浦 (Ca²⁺-ATPase) 主動運輸回其腔內，將細胞質鈣離子濃度維持在很低的水平。

此題考驗學生對蛋白質內部結構穩定化因素的理解，特別是在緊密堆積的胺基酸側鏈之間。

蛋白質的內部核心通常是疏水性的，胺基酸的側鏈在那裡緊密堆積。在這種環境下，影響蛋白質摺疊和穩定的主要因素需要考慮：

• 疏水效應 (Hydrophobic Effect): 這是驅動蛋白質在水溶液中摺疊的主要力量。疏水性側鏈傾向於聚集在一起，以最小化與水的接觸面積，從而最大化水的熵 (entropy)。這導致蛋白質內部形成一個相對疏水的核心。

• 範德華力 (Van der Waals Interactions): 當原子或分子非常接近時，會產生短暫的偶極，導致吸引力。在蛋白質內部，胺基酸側鏈緊密堆積，使得這些微弱的範德華力能夠累積起來，產生顯著的穩定作用。這種相互作用在所有類型的原子之間都存在，並且在距離非常近時最為重要。蛋白質內部高度緊密的堆積使得範德華力成為穩定核心結構的關鍵因素。

• 氫鍵 (Hydrogen Bonds): 雖然氫鍵在蛋白質結構中很重要，但它們主要存在於極性基團之間。在蛋白質的內部核心，如果側鏈是疏水的，則氫鍵的貢獻相對較小。如果存在極性或帶電殘基，氫鍵會起作用，但它們通常需要一個合適的環境（例如，水分子或極性殘基的暴露）。在「緊密堆積」的疏水核心中，氫鍵的貢獻不如範德華力直接和普遍。

• 靜電相互作用 (Electrostatic Interactions): 這是帶電殘基之間的離子鍵或極性殘基之間的偶極-偶極相互作用。在蛋白質內部，如果沒有帶電殘基，則靜電相互作用的貢獻很小。若有，它們也會被其他殘基屏蔽。

此題考驗學生對 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) 與基質濃度 ([S]) 之間的關係：
$V = \frac{V_{max}[S]}{K_m + [S]}$

題目給定：
$V_{max} = 15 \text{ mM/min}$
基質濃度 $[S]$ 為 $K_m$ 的 1/5，即 $[S] = \frac{1}{5} K_m$

我們將這些值代入 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：
$K_m + \frac{1}{5} K_m = \frac{5}{5} K_m + \frac{1}{5} K_m = \frac{6}{5} K_m$

此題考驗學生對不同物質運輸方式在動力學上如何體現在 Hanes-Woolf 圖中的理解。Hanes-Woolf 圖是 Michaelis-Menten 動力學的另一種線性化表示方式，用於分析酶動力學或某些運輸過程。

Hanes-Woolf 方程是 Michaelis-Menten 方程的重排形式：
$\frac{[S]}{V} = \frac{K_m}{V_{max}} + \frac{[S]}{V_{max}}$

這個方程的形式是 $y = mx + c$，其中：

• $y = \frac{[S]}{V}$
• $x = [S]$
• 斜率 $m = \frac{1}{V_{max}}$
• 截距 $c = \frac{K_m}{V_{max}}$

Hanes-Woolf 圖的特點是：

• 縱軸是 $\frac{[S]}{V}$
• 橫軸是 $[S]$
• 圖形是一條直線。
• 斜率是 $\frac{1}{V_{max}}$。
• y 軸截距是 $\frac{K_m}{V_{max}}$。

現在我們來看不同運輸方式的動力學特徵：

1. 被動擴散 (Passive diffusion): 運輸速率 (V) 與溶質濃度 ([S]) 成正比。
   $V \propto [S]$
   $\frac{[S]}{V} \propto \frac{[S]}{[S]} = \text{constant}$
   在 Hanes-Woolf 圖上，$\frac{[S]}{V}$ 應該是一個常數，這意味著圖形應為一條水平線（斜率為零）。

2. 促進擴散 (Facilitated diffusion): 運輸過程需要載體蛋白 (carrier protein) 的參與。當載體蛋白飽和時，運輸速率達到最大值 ($V_{max}$)，不再隨濃度增加而增加。其動力學遵循 Michaelis-Menten 模型。

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物質跨膜運輸方式是否需要能量的理解。

跨膜運輸可以分為兩大類：被動運輸 (passive transport) 和主動運輸 (active transport)。

1. 被動運輸 (Passive Transport): 這種運輸方式不直接消耗細胞的代謝能量（如 ATP）。它依賴於物質的濃度梯度或電化學梯度。

   • 單純擴散 (Simple Diffusion): 物質直接穿過脂質雙層，速率與濃度梯度成正比。例如，小分子、非極性分子（如 O2, CO2）或水。
   • 促進擴散 (Facilitated Diffusion): 物質需要通過膜上的載體蛋白 (carrier protein) 或通道蛋白 (channel protein) 才能運輸，但仍然是順濃度梯度進行，不消耗 ATP。

2. 主動運輸 (Active Transport): 這種運輸方式需要消耗細胞的代謝能量，通常是 ATP 水解，來將物質逆濃度梯度或電化學梯度運輸。

這題考驗學生對還原糖 (reducing sugar) 的化學性質以及特定多醣和單醣的結構與反應的理解。題目問的是哪個選項「不」能將 Cu(II) 還原為 Cu(I)（產生紅色的 Cu2O），但經過轉化酶 (invertase) 處理後卻能與 Cu(II) 反應。

首先，我們需要了解哪些物質是還原糖。還原糖是指分子中含有游離的半縮醛 (hemiacetal) 或半縮酮 (hemiketal) 結構的糖類。這些結構在鹼性條件下可以打開形成一個游離的醛基或酮基，進而能夠還原金屬離子，如 Cu²⁺。

• Cu(II) → Cu(I) (生成 Cu2O): 這是費林試劑 (Fehling's solution) 或班氏試劑 (Benedict's reagent) 的反應，用於檢測還原糖。能夠還原 Cu(II) 的是還原糖。

• 轉化酶 (Invertase): 轉化酶（蔗糖酶）專門催化蔗糖 (sucrose) 的水解。蔗糖是由一個葡萄糖單元和一個果糖單元通過 α-1,2 糖苷鍵連接而成的非還原性二醣。它的兩個單醣單元之間的連接方式使得其半縮醛/半縮酮結構被鎖定，沒有游離的醛基或酮基，因此蔗糖本身不是還原糖。

現在分析選項：
(A) Sucrose (蔗糖)：蔗糖本身不是還原糖，因為其葡萄糖單元和果糖單元的異頭碳 (anomeric carbon) 都參與了糖苷鍵的形成。因此，蔗糖本身不能直接還原 Cu(II)。但是，蔗糖在轉化酶 (invertase) 的作用下會水解成葡萄糖 (glucose) 和果糖 (fructose)。葡萄糖是還原糖（醛糖），果糖是還原糖（酮糖）。這兩種產物都可以還原 Cu(II) 產生 Cu₂O。所以，蔗糖經過轉化酶處理後「可以」還原 Cu(II)。這符合題目的後半句。

(B) Glucosamine (葡萄糖胺)：這是一種胺基醣，是葡萄糖的衍生物，其 C2 位置的羥基被胺基取代。葡萄糖胺通常是還原糖，可以還原 Cu(II)。

此題考驗學生對生物膜結構和組成的知識，特別是膜的非對稱性、脂質分佈和流動性。

我們逐一分析每個選項：

(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 (Asymmetry): 生物膜確實是不對稱的。脂質和蛋白質在兩層（外葉和內葉）的組成和分佈不同。
• 磷脂分佈 (Phospholipid distribution): 在哺乳動物細胞的質膜中，磷脂的分布是不對稱的。
  • 外葉 (Outer leaflet): 主要富含磷脂醯膽鹼 (phosphatidylcholine, PC) 和鞘磷脂 (sphingomyelin, SM)。
  • 內葉 (Inner leaflet): 主要富含磷脂醯乙醇胺 (phosphatidylethanolamine, PE) 和磷脂醯絲胺酸 (phosphatidylserine, PS)。磷脂醯絲胺酸 (PS) 帶負電，通常存在於內葉，其暴露於外葉被視為細胞凋亡的信號。
  • 因此，該選項說外葉富含 PS，內葉富含 PC，是錯誤的。

(B) Membrane asymmetry is maintained predominantly by scramblase.

• 膜不對稱性的維持： 膜的不對稱性是由多種機制維持的，包括脂質合成的區域性、酶的作用以及蛋白質的選擇性嵌入。
  • 酶： 膜的脂質不對稱性主要由兩種酶維持：** the aminophospholipid translocase (也稱為 flippase)**，它將 PS 和 PE 從外葉轉運到內葉，以及 the phospholipid scramblase，它隨機轉運脂質，破壞不對稱性。在活細胞中，flippase 和 ATP 依賴性泵浦共同作用，維持內葉富含 PS 和 PE。在細胞凋亡過程中，scramblase 被激活，將 PS 轉運到外葉。

核心觀念

胺基酸生合成可依其碳骨架來源分成數個家族。Methionine（甲硫胺酸，Met）屬於 aspartate family（天門冬胺酸家族），其碳骨架源自 Aspartate（天門冬胺酸）。

天門冬胺酸家族主要包括：

• Lysine（離胺酸）
• Threonine（蘇胺酸）
• Methionine（甲硫胺酸）
• Isoleucine（異白胺酸）

因此，題目問 Methionine 的 metabolic progenitor，正確答案為 Aspartate。

解題方法

判斷胺基酸前驅物時，先辨認其所屬的生合成家族。Methionine 的合成路徑可概略表示為：

$$\text{Aspartate} \rightarrow \text{Aspartate semialdehyde} \rightarrow \text{Homoserine} \rightarrow \text{Cystathionine} \rightarrow \text{Homocysteine} \rightarrow \text{Methionine}$$

其中：

1. Aspartate 先經磷酸化與還原反應，形成 aspartate semialdehyde。
2. Aspartate semialdehyde 再轉變為 homoserine（高絲胺酸）。
3. Homoserine 經活化後，與含硫代謝物進行反應，形成 cystathionine（胱硫醚）。
4. Cystathionine 再轉為 homocysteine（高半胱胺酸）。
5. Homocysteine 接受 methyl group，生成 methionine。

因此，Methionine 的主要碳骨架來源是 Aspartate，硫元素則來自 sulfur assimilation pathway，通常經由 cysteine 相關反應導入。

選項分析

(A) $\alpha$-Ketoglutarate

錯誤。$\alpha$-Ketoglutarate（$\alpha$-酮戊二酸）屬於 glutamate family（麩胺酸家族）的代謝前驅物，可形成：

• Glutamate（麩胺酸）
• Glutamine（麩醯胺酸）
• Proline（脯胺酸）
• Arginine（精胺酸）

Methionine 不屬於此家族。

(B) Aspartate

正確。Aspartate 是 aspartate family 的共同碳骨架來源，經由 aspartate semialdehyde 與 homoserine 等中間物，最終

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 $\text{Aspartate}$）。

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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）：

$$\text{NH}_4^+ + \text{HCO}_3^- + 2\text{ATP} \xrightarrow{\text{CPS-I}} \text{Carbamoyl phosphate} + 2\text{ADP} + \text{P}_i$$

• 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）：

$$\text{Carbamoyl phosphate} + \text{Ornithine} \xrightarrow{\text{OTC}} \text{Citrulline} + \text{P}_i$$

• 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）：

$$\text{Citrulline} + \text{Aspartate} + \text{ATP} \xrightarrow{\text{ASS}} \text{Argininosuccinate} + \text{AMP} + \text{PP}_i$$

• 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）：

$$\text{Argininosuccinate} \xrightarrow{\text{ASL}} \text{Arginine} + \text{Fumarate}$$ $$\text{Arginine} + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{Arginase}} \text{Urea} + \text{Ornithine}$$

核心觀念

四氫葉酸（tetrahydrofolate, THF）是攜帶一碳單位的輔酶。不同形式的 THF，差別在於一碳單位附著於葉酸分子的 N5、N10，或同時連接 N5 與 N10，因此參與不同代謝反應。

甲硫胺酸（methionine）生合成的關鍵反應是將同半胱胺酸（homocysteine）甲基化：

$$\text{Homocysteine}+\text{N}^5\text{-methyl-THF} \longrightarrow \text{Methionine}+\text{THF}$$

此反應由 **methionine synthase（甲硫胺酸合成酶）**催化，並需要維生素 $B_{12}$ 作為輔酶。反應中，$N^5$-methyl-THF 提供甲基給同半胱胺酸，形成甲硫胺酸。

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解題方法

判斷重點是先辨認「甲硫胺酸生合成需要哪一種一碳葉酸形式」。

甲硫胺酸合成酶的反應可分成兩個步驟：

1. $N^5$-methyl-THF 將甲基轉移至維生素 $B_{12}$，形成 methylcobalamin。
2. methylcobalamin 再將甲基轉移給 homocysteine，生成 methionine。

整體反應為：

$$\text{N}^5\text{-methyl-THF} \rightarrow \text{methylcobalamin} \rightarrow \text{methionine}$$

因此，直接用於甲硫胺酸生合成的 THF 形式是 $N^5$-methyl-THF。

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選項分析

(A) $N^5$-methyl-THF：正確

$N^5$-methyl-THF 是甲硫胺酸合成酶所使用的甲基供體。它將甲基經由維生素 $B_{12}$ 轉移給 homocysteine，使 homocysteine 轉變成 methionine。

$$\text{Homocysteine} \xrightarrow[\text{B}_{12}]{\text{methionine synthase}} \text{Methionine}$$

所以本選項正確。

(B) $N^5,N^{10}$-methylene-THF：錯誤

此題考驗學生對甲硫胺酸 (methionine) 的活化形式及其作為細胞內甲基供體的理解。

甲硫胺酸本身是胺基酸，但它不能直接作為甲基供體參與大多數甲基化反應。為了成為一個有效的甲基供體，甲硫胺酸需要被活化。

這個活化過程涉及將甲硫胺酸的胺基與 ATP 反應，形成 S-腺苷甲硫胺酸 (S-adenosylmethionine, SAM)，通常也稱為腺苷甲硫胺酸 (adenosylmethionine)。SAM 是細胞內最重要的甲基供體。

SAM 的結構中，甲硫胺酸的甲基通過其硫原子與腺苷基團連接。這個硫原子上的甲基具有很高的轉移潛力。
SAM 參與各種甲基化反應，將其甲基轉移給受體分子（如 DNA、RNA、蛋白質、脂質、小分子代謝物等），然後 SAM 本身被轉化為 S-腺苷同型半胱胺酸 (S-adenosylhomocysteine, SAH)。

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

胺基酸在體內代謝時，其碳骨架可以被分解為：

1. 生酮 (Ketogenic): 其分解產物是乙醯乙醯輔酶 A (acetyl-CoA) 或乙醯乙醯輔酶 A (acetoacetyl-CoA)，這些分子可以進入酮體合成途徑，或直接用於合成酮體。
2. 生糖 (Glucogenic): 其分解產物是三羧酸循環 (TCA cycle) 的中間產物（如 α-ketoglutarate, succinyl-CoA, fumarate, oxaloacetate），這些中間產物可以通過糖質新生 (gluconeogenesis) 合成葡萄糖。

有些胺基酸既是生酮又是生糖，稱為「生酮兼生糖胺基酸」(glucogenic and ketogenic amino acids)。
有些胺基酸只能生酮，稱為「純生酮胺基酸」(pure ketogenic amino acids)。

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 $0$ 時的 pH。計算時，找出包圍「淨電荷為零」狀態的兩個 $pK_a$，取其平均值。
2. 胜肽方向性：胺基酸序列通常由 $N$ 端寫到 $C$ 端；序列最後一個胺基酸即為 $C$ 端胺基酸。

胜肽序列為：

$$\mathrm{Ala-Glu-Val-Asp-Lys-Leu}$$

可解離基團包括：

• $N$ 端胺基
• $C$ 端羧基
• Glu 側鏈羧基
• Asp 側鏈羧基
• Lys 側鏈胺基

解題方法

採用「依照 $pK_a$ 逐步去質子化，追蹤淨電荷變化」的方法。

以下使用生物化學常用的近似 $pK_a$：

解離基團	$pK_a$
$C$ 端羧基	$2.3$
Asp 側鏈羧基	$3.9$
Glu 側鏈羧基	$4.2$
$N$ 端胺基	$9.6$
Lys 側鏈胺基	$10.5$

在極低 pH 下，各基團皆質子化：

• $N$ 端：$+1$
• Lys 側鏈：$+1$
• 三個羧基：$0$

因此總電荷為：

$$Z=+2$$

隨著 pH 上升，基團依 $pK_a$ 由低至高依序去質子化：

1. $C$ 端羧基去質子化：

$$+2 \longrightarrow +1$$

2. Asp 側鏈羧基去質子化：

$$+1 \longrightarrow 0$$

此時胜肽處於淨電荷為零的狀態。

3. Glu 側鏈羧基去質子化：

$$0 \longrightarrow -1$$

此題考驗學生對 Michaelis-Menten 動力學方程的應用，要求根據給定的 $K_m$、基質濃度 $[S]$ 和反應速率 $V$，計算最大反應速率 $V_{max}$。

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

題目給定：
$K_m = 3.5 \text{ mM}$
$V = 5 \text{ mM/min}$
$[S] = 0.5 \text{ mM}$

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

此題考驗學生對脂肪酸 β-氧化 (β-oxidation) 過程的理解，以及通過氧化產生的 ATP 量計算。題目給定了 NADH、FADH₂ 和 乙醯輔酶 A (Acetyl-CoA) 轉化為 ATP 的能量產率。

脂肪酸 β-氧化循環：
β-氧化是將脂肪酸分解為乙醯輔酶 A 的過程，發生在粒線體基質（對於長鏈脂肪酸，短鏈脂肪酸也可在過氧化物酶體進行）。每進行一輪 β-氧化循環，會產生：

• 1 分子 NADH
• 1 分子 FADH₂
• 1 分子 Acetyl-CoA
• 同時，脂肪酸鏈縮短兩個碳原子。

完全氧化：
完全氧化是指脂肪酸被完全分解成 CO₂ 和 H₂O，並產生 ATP。這包括 β-氧化產生的 Acetyl-CoA 進入三羧酸循環 (TCA cycle) 氧化，以及 NADH 和 FADH₂ 在電子傳遞鏈 (ETC) 中氧化。

給定能量產率：

• 1 NADH → 2.5 ATP
• 1 FADH₂ → 1.5 ATP
• 1 Acetyl-CoA → 10 ATP (這代表 Acetyl-CoA 進入 TCA 循環及其產生的 ETC 氧化產物的總 ATP 量)

計算 Myristic-CoA (C14:0-CoA) 的 ATP 總生成量：

1. 計算 β-氧化所需的循環次數：
   Myristic-CoA 是 14 個碳的飽和脂肪酸。每次 β-氧化循環使碳鏈縮短 2 個碳。
   要將 14 個碳的脂肪酸分解為 Acetyl-CoA (2 個碳)，需要進行的循環次數是：
   (碳原子數 / 2) - 1 = (14 / 2) - 1 = 7 - 1 = 6 輪。
   • 為什麼是 6 輪而不是 7 輪？因為最後一輪 β-氧化會將一個 4 碳的鏈（如丁醯輔酶 A）轉化為兩個 Acetyl-CoA 分子。前 6 輪 β-氧化，每次產生一個 Acetyl-CoA，並縮短鏈長。第 6 輪 β-氧化結束時，得到一個 4 碳的鏈，這個 4 碳的鏈再經過最後一輪的 β-氧化（相當於 3-ketoacyl-CoA thiolase 的作用，將 4 碳鏈切開），產生兩個 Acetyl-CoA。所以總共會產生 7 個 Acetyl-CoA。

此題考驗學生對粒線體 ATP 合成酶 (F₁F₀-ATPase) 作用機制的理解，特別是質子梯度 (proton gradient)、F₀ 複合物的 c 亞基 (c subunit) 和 F₁ 複合物的 α 和 β 亞基 (α and β subunits) 如何協同作用以產生 ATP。

F₁F₀-ATPase 的結構與功能：
F₁F₀-ATPase 是一種膜結合的 ATP 合成酶，存在於粒線體內膜、細菌質膜和葉綠體類囊體膜上。它利用跨膜質子梯度 (proton gradient) 的能量來合成 ATP。該酶由兩部分組成：F₀ 嵌入內膜，F₁ 突出到粒線體基質中。

機制解釋：

1. 質子梯度 (Proton Gradient): 在粒線體中，電子傳遞鏈將電子傳遞給氧氣，同時將質子 (H⁺) 從粒線體基質泵入膜間隙。這在內膜兩側建立了質子濃度梯度和電化學勢能，即質子動力勢 (proton-motive force)。膜間隙的質子濃度高，基質的質子濃度低，這就形成了一個驅動質子流回基質的勢能。

2. F₀ 複合物與 c 亞基 (F₀ Complex and c subunit): F₀ 複合物是質子通道，嵌入在粒線體內膜中。它由多個亞基組成，其中 c 亞基 是關鍵。c 亞基形成一個環狀結構，包含結合質子的位點（通常是帶電的胺基酸殘基，如天冬胺酸或麩胺酸）。當質子從膜間隙流向基質時，它會通過 F₀ 複合物。質子結合到 c 亞基的位點上，導致 c 亞基環的旋轉。這種旋轉是由質子與 c 亞基的結合和解離驅動的。

3. F₁ 複合物與 α 和 β 亞基 (F₁ Complex and α and β subunits): F₁ 複合物是 ATP 合成的催化部分，突出於粒線體基質。它由不同的亞基組成，其中 α 亞基 和 β 亞基 是催化核心。

   • F₁ 複合物通過一個中心軸（由 γ 和 δ 亞基組成）與 F₀ 的 c 亞基環相連。

這題考驗學生對化學反應能量圖的理解，以及酶催化如何加速反應。

潛在能量圖 (Potential Energy Diagram)：

潛在能量圖顯示了反應物 (A) 轉化為產物 (B) 過程中，系統能量的變化。

• 橫軸 (X-axis): 反應進程 (Reaction Progress) 或反應座標 (Reaction Coordinate)。
• 縱軸 (Y-axis): 潛在能量 (Potential Energy)。

對於一個 放熱反應 (exothermic reaction) A → B，意味著產物 B 的總能量低於反應物 A 的總能量，反應過程中會釋放能量。

圖形特徵：

1. 反應物 A 的初始能量： 畫一條線表示反應物 A 的能量水平。
2. 產物 B 的最終能量： 畫一條線表示產物 B 的能量水平，該水平低於反應物 A 的水平。
3. 活化能 (Activation Energy, Ea)： 從反應物 A 的能量水平到反應的過渡狀態 (transition state) 的能量最高點之間的能量差。這是反應開始所需的最小能量。
4. 過渡狀態 (Transition State): 反應路徑上的能量最高點，是一個不穩定的、高能量的狀態。
5. 反應焓變 (Enthalpy Change, ΔH): 產物 B 的能量減去反應物 A 的能量。對於放熱反應，ΔH 為負值。

繪製圖形：

• 畫兩條水平線，一條代表反應物 A 的能量，另一條（較低）代表產物 B 的能量。
• 從反應物 A 的能量水平開始，畫一條曲線向上達到一個能量最高點（過渡狀態），然後向下下降到產物 B 的能量水平。
• 標示出反應物 A 的能量、產物 B 的能量、過渡狀態的能量。
• 標示出活化能 (Ea)：從反應物 A 的能量到過渡狀態能量的垂直距離。
• 標示出反應焓變 (ΔH)：產物 B 的能量減去反應物 A 的能量（為負值）。

酶催化如何加速反應：

此題考驗學生對整合性膜蛋白 (integral membrane proteins) 跨膜結構域 (transmembrane domains) 的理解，以及為什麼它們通常具有高度的二級結構。

整合性膜蛋白與跨膜結構域：
整合性膜蛋白是嵌入細胞膜脂質雙層中的蛋白質。它們通常具有一個或多個跨膜結構域，這些結構域穿過膜的疏水核心。這些跨膜結構域負責將蛋白質錨定在膜中，並可能參與物質運輸、信號傳導等功能。

脂質雙層的疏水性核心：
細胞膜的脂質雙層由磷脂構成，其尾部由疏水的脂肪酸鏈組成。這部分脂質雙層的核心是高度疏水的環境。

為什麼跨膜結構域需要高度的二級結構？

1. 與疏水環境的相互作用： 跨膜結構域暴露在膜的疏水核心中。為了在這種疏水環境中穩定存在，蛋白質結構必須最大程度地減少與疏水環境的直接接觸，或者與疏水環境產生有利的相互作用。
   • α-螺旋 (α-helix): 這是跨膜結構域最常見的二級結構。在 α-螺旋中，肽鍵的極性羰基氧和胺基氫形成了分子內的氫鍵，將肽鏈捲曲成螺旋狀。這使得肽鏈骨架上的極性部分被包裹在螺旋內部，而螺旋外側的胺基酸側鏈則暴露出來。
   • β-摺疊 (β-sheet) / β-桶 (β-barrel): 另一種常見的跨膜結構是 β-桶，它由多個 β-摺疊組成，形成一個中空的桶狀結構，可以穿過膜。在 β-桶中，肽鏈骨架上的極性基團通過氫鍵相互作用，而暴露在外的胺基酸側鏈則與膜的疏水環境相互作用。

核心觀念

本題考查去氧核糖核苷酸（dNTP）生合成的關鍵步驟：

1. 核糖核苷酸還原酶（ribonucleotide reductase, RNR）是合成去氧核糖核苷酸的關鍵酵素。
2. RNR 將核糖核苷二磷酸（NDP）還原成去氧核糖核苷二磷酸（dNDP）。
3. RNR 的活性受到核苷酸的變構調控，以配合細胞對 dNTP 的需求。
4. RNR 催化過程需要持續補充還原當量，主要由硫氧還蛋白（thioredoxin）與硫氧還蛋白還原酶（thioredoxin reductase）共同提供。

反應可概括表示為：

$$\mathrm{NDP + reducing\ equivalents \longrightarrow dNDP}$$

生成的 dNDP 再經由核苷二磷酸激酶等酵素磷酸化成 dNTP。

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解題方法

一、先判斷關鍵酵素

去氧核糖核苷酸與核糖核苷酸的主要差異，在於核糖的 $2'$-OH 必須被還原成 $2'$-H。因此，直接負責此還原反應的酵素就是核糖核苷酸還原酶：

$$\mathrm{ADP \rightarrow dADP}$$ $$\mathrm{GDP \rightarrow dGDP}$$ $$\mathrm{CDP \rightarrow dCDP}$$ $$\mathrm{UDP \rightarrow dUDP}$$

RNR 的受質是 NDP，不是已經帶有三個磷酸基的 NTP。這是本題常見的判斷重點。

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二、說明 RNR 的催化與氧化還原循環

RNR 的活性中心含有可參與自由基反應的胺基酸殘基。以典型的第一類 RNR 為例，活化後的自由基會引發受質核糖 $2'$-OH 的還原。

催化過程中，RNR 活性中心的半胱胺酸殘基會被氧化，形成二硫鍵：

$$\mathrm{RNR\!-\!SH + HS\!-\!RNR \rightarrow RNR\!-\!S\!-\!S\!-\!RNR}$$

因此，RNR 完成一次催化後會處於氧化狀態，必須重新還原成含有巰基的活性狀態，才能繼續催化下一個 NDP。

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三、由硫氧還蛋白系統補充還原當量

硫氧還蛋白的還原型具有兩個巰基，可將氧化後的 RNR 還原：

$$\mathrm{RNR\!-\!S\!-\!S\!-\!RNR + thioredoxin\!-\!(SH)_2}$$ $$\mathrm{\longrightarrow RNR\!-\!(SH)_2 + oxidized\ thioredoxin}$$

氧化後的硫氧還蛋白再由硫氧還蛋白還原酶利用 NADPH 還原：

$$\mathrm{NADPH + H^+ + oxidized\ thioredoxin}$$ $$\mathrm{\longrightarrow NADP^+ + reduced\ thioredoxin}$$

因此，完整的還原供應鏈為：

$$\mathrm{NADPH \rightarrow thioredoxin\ reductase \rightarrow thioredoxin \rightarrow RNR}$$

這兩個直接參與提供還原當量的氧化還原調節酵素是：

• 硫氧還蛋白（thioredoxin）
• 硫氧還蛋白還原酶（thioredoxin reductase）

部分生物也可使用 glutaredoxin–glutathione 系統支援 RNR，但本題所問的典型兩酵素答案是 thioredoxin 與 thioredoxin reductase。

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RNR 如何依照 dNTP 需求開啟與關閉

RNR 具有至少兩個重要的變構調控位置：

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