109 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丁組《生物化學》

此題主要考驗考生對跨膜蛋白結構與其與脂質雙層交互作用的理解。跨膜蛋白的疏水性區域會嵌入脂質雙層的疏水核心，而親水性區域則會暴露於水相環境，包括細胞質和細胞外液。膜與水的介面（membrane-water interface）是親水性區域與疏水性脂質尾部交界處，此區域的胺基酸選擇會受到兩側環境的影響。

胺基酸的側鏈性質決定其親水性或疏水性。

• 芳香族胺基酸 (Aromatic amino acids)：如酪胺酸 (Tyr, Y) 和色胺酸 (Trp, W) 具有相對較大的疏水性芳香環，但它們的側鏈也帶有極性基團（如 Tyr 的 -OH，Trp 的吲哚環上的 N-H），這使得它們在膜的介面處有較高的親和力，可以與脂質的疏水尾部和水相環境同時發生交互作用。色胺酸 (W) 因為其較大的疏水性芳香環，特別偏好在膜的介面區域。

此題考驗考生對不同膜運輸系統的能量需求理解。運輸系統可分為兩大類：主動運輸 (Active Transport) 和被動運輸 (Passive Transport)。主動運輸需要消耗能量（如 ATP 水解、離子梯度能），將物質逆濃度梯度或電化學梯度運輸；被動運輸則不消耗細胞的直接能量，而是利用物質的濃度梯度或電化學梯度進行運輸，包括簡單擴散、促進性擴散（如離子通道、載體蛋白介導的運輸）。

我們逐一分析選項：
(A) Ca$^{2+}$-ATPase：ATPase 表明這是 ATP 酶，是一種 ATP 驅動的質子泵，屬於主動運輸，將鈣離子泵出細胞或放入細胞器，需要消耗 ATP 能量。

核心觀念

本題考察生物膜的不對稱性（membrane asymmetry），包括：

1. 膜蛋白的不對稱性

   • 橫向／跨膜不對稱（transverse asymmetry）：膜蛋白具有固定的膜內外方向，細胞外側與細胞質側的結構、功能不同。
   • 側向不對稱（lateral asymmetry）：膜蛋白在膜平面上的分布並不均勻，可集中於脂筏、細胞連接處或特定膜區域。

2. 膜脂的不對稱性

   • 脂質在膜的兩個 leaflet 中分布不同，稱為橫向不對稱。
   • 脂質也會在膜平面上形成不同區域，稱為側向異質性（lateral heterogeneity）。
   • 不同細胞器的膜具有不同脂質組成，與其功能相配合。

3. 膜不對稱性的維持

   • 主要由脂質轉位酶維持，包括：
     • Flippase：通常將特定脂質由外層移至細胞質側。
     • Floppase：通常將特定脂質由細胞質側移至外層。
     • Scramblase：促進脂質隨機雙向交換，使膜脂不對稱性降低。

解題方法

判斷本題各選項是否符合真核細胞膜的典型脂質與蛋白質分布。

細胞膜常見的脂質分布如下：

膜葉	主要脂質
外層（exoplasmic leaflet）	phosphatidylcholine（PC）、sphingomyelin（SM）、glycolipids
內層（cytosolic leaflet）	phosphatidylethanolamine（PE）、phosphatidylserine（PS）、phosphatidylinositol（PI）

其中 PS、PI 等帶負電的脂質屬於酸性磷脂（acidic phospholipids），主要富集於細胞質側，而非外層。因此只要辨認酸性磷脂的分布，即可判定錯誤選項。

選項分析

(A) Membrane proteins display transverse and lateral asymmetry.

正確。

膜蛋白具有固定方向性。許多膜蛋白的醣基化區域位於細胞外側，細胞質側則具有磷酸化位點、訊號傳遞區域或與細胞骨架結合的結構，形成跨膜方向上的不對稱性。

此外，膜蛋白並非均勻分布於整個膜平面，常集中於特定微區，例如脂筏、突觸後膜或細胞連接處，因此也具有側向不對稱性。

(B) The lipids of the membrane exhibit lateral heterogeneity and transverse asymmetry.

正確。

膜脂在膜平面上的分布具有異質性，例如膽固醇與 sphingolipids 可聚集形成脂筏；不同膜區域的脂質比例也可能不同。

核心觀念

本題的核心觀念為20種標準胺基酸的單字母代碼（Single-letter codes）及其側鏈（R group）在生理／中性酸鹼值（$\text{pH} \approx 7.0$）下的解離特性與帶電狀態。

1. 游離胺基酸的主鏈解離狀態：
   在中性條件（$\text{pH} \approx 7.0$）下，標準胺基酸的主鏈 $\alpha\text{-COOH}$（$\text{p}K_1 \approx 2.0 \sim 2.4$）完全去質子化帶負電（$-\text{COO}^-$），主鏈 $\alpha\text{-NH}_3^+$（$\text{p}K_2 \approx 9.0 \sim 9.8$）維持質子化帶正電（$-\text{NH}_3^+$）。主鏈正負電荷相消呈兼性離子（Zwitterion，主鏈淨電荷為 $0$）。因此，游離胺基酸在中性環境下的淨電荷取決於**側鏈可游離基團（R group）**的解離狀態。
2. 酸鹼解離判斷原則：
   根據 Henderson-Hasselbalch 方程式：
   $\text{pH} = \text{p}K_a + \log\left(\frac{[\text{A}^-]}{[\text{HA}]}\right)$
   • 當 $\text{pH} > \text{p}K_a$：去質子化型態（共軛鹼）佔優勢。
   • 當 $\text{pH} < \text{p}K_a$：質子化型態（共軛酸）佔優勢。
3. 酸性胺基酸（Acidic amino acids）：
   側鏈含有羧基（$-\text{COOH}$），其 $\text{p}K_R < 7.0$。在中性環境（$\text{pH} = 7.0 > \text{p}K_R$）下，側鏈羧基解離放出質子形成 $-\text{COO}^-$，使得分子整體帶負電（淨電荷約為 $-1$）。

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解題方法

1. 代碼轉換：將各選項的單字母代碼轉譯為對應之胺基酸名稱。
2. 檢視側鏈官能基與 $\text{p}K_R$ 值：
   • 天門冬胺酸（Aspartate / Aspartic acid, D）：側鏈為 $\beta\text{-COOH}$，$\text{p}K_R \approx 3.65 \sim 3.90$。
   • 麩胺酸（Glutamate / Glutamic acid, E）：側鏈為 $\gamma\text{-COOH}$，$\text{p}K_R \approx 4.25$。
3. 比較 $\text{pH}$ 與 $\text{p}K_R$：
   在 $\text{pH} = 7.0$ 時，$\text{pH} > \text{p}K_R$，D 與 E 的側鏈羧基均完全去質子化為 $-\text{COO}^-$，因此 D 與 E 在中性 pH 下皆帶負電。

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選項分析

• (A) A, C：錯誤
  • A（Alanine，丙胺酸）：側鏈為甲基（$-\text{CH}_3$），屬於非極性脂族烴基，無法解離。中性 pH 下為電中性兼性離子，淨電荷為 $0$。
  • C（Cysteine，半胱胺酸）：側鏈為巰基（$-\text{SH}$），其 $\text{p}K_R \approx 8.3$。

核心觀念

肝醣磷酸化酶（glycogen phosphorylase）催化肝醣分解中的磷酸解反應，從肝醣鏈的非還原端逐步切下葡萄糖殘基，主要產物為葡萄糖-1-磷酸。其活性受到共價修飾與變構調控。

磷酸化酶激酶可將肝醣磷酸化酶的 b 型磷酸化，轉變為活性較高的 a 型。因此，題目問「被什麼活化」時，關鍵是辨認這種共價修飾。

解題方法

先將選項分成兩類：能量代謝物（ATP、ADP、葡萄糖-6-磷酸）與共價修飾（磷酸化、乙醯化）。肝醣磷酸化酶的典型活化方式是磷酸化；在肌肉中，低能量訊號也可透過變構調控促進其活性，但本題選項中代表共價活化的方式是磷酸化。

反應關係可表示為：

$$\text{肝醣磷酸化酶 b} \xrightarrow{\text{磷酸化}} \text{肝醣磷酸化酶 a}$$

選項分析

核心觀念

本題考查胺基酸生合成與嘌呤生合成之間的代謝連結。判斷關鍵是找出哪一種胺基酸的生合成會產生嘌呤生合成也會使用的共同中間物。

組胺酸生合成會產生 AICAR（5-胺基咪唑-4-甲醯胺核糖核苷酸），它也是嘌呤生合成途徑中的中間物。嘌呤途徑會將 AICAR 轉成 FAICAR，繼續合成肌苷酸（IMP）。

解題方法

比較各選項的胺基酸生合成途徑，找出其是否與嘌呤途徑共享中間物。組胺酸途徑在形成咪唑甘油磷酸的反應中，同時產生 AICAR；嘌呤生合成則會消耗 AICAR，繼續合成 IMP。因此，與嘌呤生合成相連的是組胺酸生合成。

選項分析

此題考查對膽固醇合成途徑中關鍵限速酶——HMG-CoA還原酶 (HMG-CoA reductase) 調節機制的理解。HMG-CoA還原酶催化HMG-CoA轉化為甲戊二醇-CoA (mevalonate-CoA)，這是合成膽固醇的速率決定步驟。其調控涉及多種機制，包括共價修飾（磷酸化/去磷酸化）、變位異構調控、基因表達調控以及蛋白質降解。

我們逐一分析各選項：
(A) Phosphorylation by cAMP-dependent kinase activates HMG-CoA reductase.
HMG-CoA還原酶的磷酸化狀態會影響其活性。然而，磷酸化通常是通過 cAMP-依賴性蛋白激酶 (PKA) 或其他激酶（如 AMPK）進行的。PKA 催化的磷酸化會抑制 HMG-CoA還原酶的活性，因為 PKA 在細胞接收到如腎上腺素或升糖素等信號時被激活，這些信號通常指示細胞需要節省能量或減少合成代謝。因此，此敘述錯誤。

(B) A high AMP:ATP ratio leads to activation of HMG-CoA reductase.
高 AMP:ATP 比率通常表示細胞能量狀態低下。AMPK (AMP-activated protein kinase) 在能量低下時被激活，它會磷酸化並抑制 HMG-CoA還原酶。因此，此敘述錯誤。

核心觀念

本題考查飽和偶數碳脂肪酸經由：

1. 脂肪酸活化；
2. β-氧化；
3. 乙醯輔酶 A（acetyl-CoA）進入檸檬酸循環；
4. NADH 與 FADH₂ 經電子傳遞鏈氧化磷酸化產生 ATP。

現代生物化學通常採用：

• $1$ NADH $\rightarrow 2.5$ ATP
• $1$ FADH$_2$ $\rightarrow 1.5$ ATP
• $1$ acetyl-CoA 完整氧化 $\rightarrow 10$ ATP
• 脂肪酸活化消耗 $2$ 個 ATP 當量

解題方法

Myristate（肉豆蔻酸）為 $C_{14:0}$，即 14 個碳的飽和脂肪酸。

一、計算 β-氧化次數

偶數碳飽和脂肪酸的 β-氧化次數為：

$$\frac{n}{2}-1=\frac{14}{2}-1=6$$

每一輪 β-氧化產生：

• $1$ NADH
• $1$ FADH$_2$

因此 6 輪共產生：

$$6\text{ NADH}+6\text{ FADH}_2$$

其 ATP 產量為：

$$6(2.5)+6(1.5)=15+9=24$$

二、計算乙醯輔酶 A 數量

生成的 acetyl-CoA 數量為：

$$\frac{n}{2}=\frac{14}{2}=7$$

每個 acetyl-CoA 完整進入檸檬酸循環可產生：

$$3\text{ NADH}+1\text{ FADH}_2+1\text{ GTP}$$

換算為：

$$3(2.5)+1(1.5)+1=10\text{ ATP}$$

因此 7 個 acetyl-CoA 產生：

$$7(10)=70\text{ ATP}$$

三、扣除脂肪酸活化成本

肉豆蔻酸先被活化為 myristoyl-CoA，此步驟消耗 ATP 轉換為 AMP 與 PPi，相當於消耗：

$$2\text{ ATP}$$

此題考查對果糖-2,6-二磷酸 (fructose-2,6-bisphosphate, F2,6BP) 在糖質新生 (gluconeogenesis) 和糖解作用 (glycolysis) 中的雙重調控作用的理解。F2,6BP 是一種重要的變位異構調節物，它能夠同時調控這兩個代謝途徑，確保它們不會同時高效進行。

• 糖解作用 (Glycolysis)：F2,6BP 是糖解作用中最強的激活劑之一。它主要激活 磷酸果糖激酶-1 (phosphofructokinase-1, PFK-1)，這是糖解作用的一個關鍵限速酶。PFK-1 催化果糖-6-磷酸 (fructose-6-phosphate) 轉化為果糖-1,6-二磷酸 (fructose-1,6-bisphosphate)。
• 糖質新生 (Gluconeogenesis)：糖質新生是糖解作用的逆過程。糖質新生需要繞過糖解作用中的幾個不可逆反應，其中一個關鍵酶是 果糖-1,6-二磷酸酶 (fructose-1,6-bisphosphatase, FBPase-1)。F2,6BP 是 FBPase-1 的強抑制劑。

因此，F2,6BP 的作用是：

• 激活 PFK-1，促進糖解作用。
• 抑制 FBPase-1，抑制糖質新生。

通過這種雙重調控，F2,6BP 確保了在能量充足時，葡萄糖會被分解以提供能量（糖解作用），而在飢餓狀態下，葡萄糖的合成會被抑制，從而支持糖質新生。

現在我們來分析選項：
(A) It inhibits phosphofructokinase to stimulate gluconeogenesis.
F2,6BP 激活 PFK-1，而不是抑制。而且它抑制糖質新生，而不是促進。此敘述錯誤。

第 10 題　詳解

Acetate units for fatty acid synthesis are activated by formation of ____.

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核心觀念

本題考的是脂肪酸從頭合成（de novo fatty acid synthesis）中，二碳乙酸單位（acetate unit）如何被「活化」（activation）。

關鍵定義來自 Lehninger《Principles of Biochemistry》原文：

"Acetate units are activated by the formation of malonyl-CoA at the expense of ATP."

脂肪酸合成的碳源雖然來自 acetyl-CoA，但 acetyl-CoA 本身並不具備驅動碳鏈延長（C–C 鍵形成）所需的熱力學推力。細胞必須先透過乙醯輔酶 A 羧化酶（acetyl-CoA carboxylase, ACC），消耗一分子 ATP，將 $\text{CO}_2$（以 biotin 為輔因子攜帶）加到 acetyl-CoA 上，生成三碳的 malonyl-CoA：

$$\text{Acetyl-CoA} + \text{CO}_2 + \text{ATP} \xrightarrow{\text{ACC}} \text{Malonyl-CoA} + \text{ADP} + \text{P}_i$$

此步驟即為題目所稱的「activation」。隨後在脂肪酸合成酶（fatty acid synthase, FAS）上進行縮合反應（Claisen condensation）時，malonyl 基團會先脫羧（釋放 $\text{CO}_2$），產生的碳負離子（carbanion）攻擊酮基碳，使碳鏈延長兩個碳。脫羧反應使縮合反應在熱力學上變為不可逆，這正是「活化」的意義——先投入 ATP 能量進行羧化，再利用脫羧釋能驅動 C–C 鍵形成。

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解題方法

抓住題幹關鍵字 "activated"：

• 在生化教科書中，「activation of acetate units」有明確且唯一的定義，專指 acetyl-CoA → malonyl-CoA 的羧化步驟。
• Acetyl-CoA 是代謝中間物與碳源，但它本身不是「被活化後的形式」；malonyl-CoA 才是活化後的產物。
• 題目問的是 "activated by formation of ____"，即活化是藉由生成何種分子來完成，答案就是 malonyl-CoA。

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選項分析

此題考查對粒線體電子傳遞鏈 (electron transport chain, ETC) 各複合物功能和電子流動方向的理解。電子傳遞鏈是 ATP 合成的關鍵步驟，通過一系列氧化還原反應將電子從還原劑（NADH 和 FADH2）傳遞到最終電子受體氧氣，同時將質子泵入粒線體膜間隙，建立質子梯度，用於 ATP 合成。

我們逐一分析各選項：
(A) Complex I transfers electrons from FADH2 to ubiquinone.
Complex I (NADH 脫氫酶) 接收電子來自 NADH，並將電子傳遞給泛醌 (ubiquinone, Q)。FADH2 是通過 Complex II (琥珀酸脫氫酶) 將電子傳遞給泛醌。因此，此敘述錯誤。

(B) The Q cycle mediated by Complex II reduces cytochrome c.
Complex II (琥珀酸脫氫酶) 將電子從琥珀酸傳遞給泛醌 (Q)，但它不參與 Q 循環，也不直接傳遞電子給細胞色素 c。Q 循環主要由 Complex III (細胞色素 bc1 複合物) 介導，而 Complex III 的作用是將電子從還原型的泛醌 (QH2) 傳遞給細胞色素 c (cytochrome c)。因此，此敘述錯誤。

此題考查三羧酸循環 (TCA cycle) 中產生 GTP 的反應。三羧酸循環是細胞呼吸的重要組成部分，將乙醯輔酶 A (Acetyl-CoA) 氧化為 CO2，並在此過程中產生還原力（NADH 和 FADH2）以及一分子 GTP (或 ATP)。

三羧酸循環的反應步驟中，只有一個步驟是直接通過底物水平磷酸化 (substrate-level phosphorylation) 生成 GTP 的：

• 琥珀醯輔酶 A 合成酶 (Succinyl-CoA synthetase) 催化琥珀醯輔酶 A (succinyl-CoA) 轉化為琥珀酸 (succinate)。這個反應同時釋放能量，用於將 GDP (或 ADP) 磷酸化生成 GTP (或 ATP)。
  $\text{Succinyl-CoA} + \text{GDP} + \text{Pi} \rightarrow \text{Succinate} + \text{GTP} + \text{CoA-SH}$
  或者

此題考查五碳糖磷酸途徑 (pentose phosphate pathway, PPP) 的限速酶——葡萄糖-6-磷酸脫氫酶 (glucose-6-phosphate dehydrogenase, G6PD) 的調控機制。PPP 的主要功能是產生 NADPH（用於還原合成和抵抗氧化壓力）以及合成五碳糖（用於核酸合成）。G6PD 是 PPP 的第一個酶，也是速率決定步驟。

G6PD 的調控機制主要通過其產物和底物的濃度進行。

• 產物調控：PPP 的主要產物之一是 NADPH。NADPH 是 G6PD 的一個強抑制劑。當細胞內 NADPH 濃度升高時，它會與 G6PD 的變位異構位點結合，降低酶的活性，從而減少 NADPH 的產生，這是一種負反饋調控。
• 底物調控：PPP 的底物是葡萄糖-6-磷酸 (G6P)。當 G6P 濃度升高時，G6PD 的活性也會相應增加。
• NADP+ 的作用：NADP+ 是 G6PD 的輔酶。輔酶的濃度通常會影響酶的活性。當 NADP+ 濃度升高時，由於它是 G6PD 的輔酶，它會促進 G6PD 的活性。

此題考查脂肪酸 β-氧化途徑的起始步驟。脂肪酸在進入粒線體進行 β-氧化之前，需要在細胞質中被「活化」。這個活化過程是一個能量消耗過程，將脂肪酸轉化為醯基輔酶 A (acyl-CoA)。

活化反應由 醯基輔酶 A 合成酶 (acyl-CoA synthetase)，也稱為脂肪醯基轉化酶 (fatty acyl-CoA ligase) 催化。這個反應需要消耗 ATP。具體來說，ATP 被水解為 AMP 和焦磷酸 (pyrophosphate, PPi)。焦磷酸隨後會被焦磷酸酶 (pyrophosphatase) 水解為兩分子無機磷酸 (Pi)，這使得整個反應成為不可逆的。

反應式為：
$\text{Fatty acid} + \text{CoA-SH} + \text{ATP} \xrightarrow{\text{Acyl-CoA synthetase}} \text{Acyl-CoA} + \text{AMP} + \text{PPi}$

此題考查參與一碳單位（C1 unit）轉移的輔酶。一碳單位是指一個碳原子，它可以以甲基 (-CH3)、甲醯基 (-CHO)、亞甲基 (-CH2-)、甲炔基 (=CH-) 等形式存在。這些一碳單位在許多代謝途徑中至關重要，例如核酸合成、胺基酸代謝和某些藥物代謝。

我們來分析各選項：
(A) Biotin (生物素)：生物素是羧化反應的輔酶，例如乙醯輔酶 A 羧化酶 (ACC) 和丙酮酸羧化酶。它參與將 CO2（一個一碳單位）轉移到底物上，但通常是以羧基（-COO-）的形式，而不是前面提到的甲基、甲醯基等。
(B) Thiamine pyrophosphate (TPP, 硫胺素焦磷酸)：TPP 是丙酮酸脫氫酶複合物、α-酮戊二酸脫氫酶複合物和支鏈胺基酸 α-酮酸脫氫酶複合物的輔酶。它參與 α-酮酸的脫羧反應，轉移一個 CO2 分子，但不是以甲基、甲醯基等形式。

此題考查對單醣和二醣分類的理解，特別是區分醛醣 (aldose) 和酮醣 (ketose)。單醣根據羰基的位置分為醛醣和酮醣：

• 醛醣 (Aldose)：羰基在鏈的末端（C1），表現為醛基。
• 酮醣 (Ketose)：羰基在鏈的內部（通常是 C2），表現為酮基。

單醣的分類：

• 核糖 (Ribose)：有 5 個碳原子 (C5)，羰基在 C1，是醛醣 (pentose aldose)。
• 葡萄糖 (Glucose)：有 6 個碳原子 (C6)，羰基在 C1，是醛醣 (hexose aldose)。

此題考查光合作用的光系統 (photosystem) 中的細胞色素 b6f 複合物 (cytochrome b6f complex) 與粒線體電子傳遞鏈 (mitochondrial electron transport chain, ETC) 中各複合物功能的類比。

• 細胞色素 b6f 複合物 (Cytochrome b6f complex)：位於類囊體膜上，是光合作用電子傳遞鏈的一部分。它的功能是從光系統 II (PSII) 接收電子（通過泛醌 Q），然後將電子傳遞給質體藍素 (plastocyanin, PC)，最終傳遞給光系統 I (PSI)。在這個過程中，它也會將質子從基質（stroma）泵入類囊體腔（lumen），參與 ATP 的合成。其作用類似於粒線體 ETC 中的 Complex III。

核心觀念

本題考查不同代謝途徑產生的還原型輔酶，如何將電子送入粒線體電子傳遞鏈（electron transport chain, ETC）。

關鍵在於判斷還原型輔酶產生的位置：

• 粒線體基質內產生的 NADH，可直接將電子交給複合體 I。
• 細胞質中產生的 NADH 無法直接穿過粒線體內膜，必須透過穿梭系統將其還原力轉入粒線體。
• 脂肪酸氧化產生的 NADH 與 QH₂，主要在粒線體內生成，可直接進入電子傳遞鏈相關路徑。

解題方法

先判斷各種還原型輔酶的生成位置，再確認其是否能直接接觸電子傳遞鏈。

糖解作用發生在細胞質，反應：

$$\text{Glyceraldehyde-3-phosphate} \rightarrow \text{1,3-bisphosphoglycerate}$$

在此步驟中，$NAD^+$ 被還原為 NADH。由於：

1. 粒線體內膜不允許 NADH 本身自由通過；
2. 電子傳遞鏈位於粒線體內膜；
3. 因此細胞質 NADH 必須透過穿梭系統轉移電子。

主要穿梭系統包括：

• 蘋果酸—天冬胺酸穿梭系統：可將電子以粒線體 NADH 的形式送至複合體 I。
• 甘油磷酸穿梭系統：將電子轉給 FAD，形成 FADH₂，再經由 Q 池進入電子傳遞鏈。

因此，必須依賴 shuttle system 的是糖解作用產生的 NADH。

選項分析

(A) NADH produced in the citric acid cycle

錯誤。

檸檬酸循環位於粒線體基質。循環中多個步驟會產生 NADH，例如：

$$\text{Isocitrate} \rightarrow \alpha\text{-ketoglutarate}$$

以及：

$$\alpha\text{-ketoglutarate} \rightarrow \text{Succinyl-CoA}$$

這些 NADH 已位於粒線體基質，可直接將電子交給粒線體內膜上的複合體 I，不需要細胞質與粒線體之間的穿梭系統。

(B) NADH produced during glycolysis

正確。

核心觀念

本題考查芳香族胺基酸與其他芳香族細胞成分的生合成前驅物。植物、真菌與細菌可經由莽草酸途徑合成芳香族化合物；此途徑的共同分支中間物是莽草酸分支酸（chorismate）。

莽草酸分支酸是苯丙胺酸、酪胺酸與色胺酸的共同前驅物，也可進一步用於合成其他含芳香環的細胞成分，例如葉酸前驅物對胺基苯甲酸。

解題方法

題幹問的是「合成芳香族胺基酸與含苯環細胞化合物的共同中間物」。解題時先辨認「芳香族胺基酸」所屬的生合成途徑：莽草酸途徑產生莽草酸分支酸，再由此分流生成三種芳香族胺基酸及其他芳香族代謝物。因此，符合題意的選項是 chorismate。

選項分析

• (A) Chorismate：正確。 莽草酸分支酸是莽草酸途徑的關鍵分支中間物，可作為苯丙胺酸、酪胺酸、色胺酸及其他芳香族化合物的前驅物。

此題考查酶動力學中競爭性抑制劑對 Michaelis-Menten 動力學的影響，並通過 Lineweaver-Burk 圖 (雙倒數圖) 來體現。

Lineweaver-Burk 繪圖：
$\frac{1}{v} = \frac{K_m}{V_{max}} \frac{1}{[S]} + \frac{1}{V_{max}}$
這是一個直線方程 $y = mx + c$，其中：

• $y = 1/v$ (縱軸)
• $x = 1/[S]$ (橫軸)
• $m = K_m/V_{max}$ (斜率)
• $c = 1/V_{max}$ (y 軸截距)

競爭性抑制劑 (Competitive Inhibitor) 的作用機制是與底物競爭結合酶的活性位點。

• 對 $V_{max}$ 的影響：在高底物濃度下，底物可以克服抑制劑的競爭，酶的最高反應速率 $V_{max}$ 不受影響。
• 對 $K_m$ 的影響：競爭性抑制劑會增加底物結合到酶上的表觀親和力，使得達到 $V_{max}/2$ 所需的底物濃度升高。因此，表觀的米氏常數 $K_m$ (apparent $K_m$, $K_{m,app}$) 增加。

在 Lineweaver-Burk 圖上：

• $V_{max}$ 不變，意味著 y 軸截距 ($1/V_{max}$) 不變。
• $K_m$ 增加，意味著斜率 ($K_m/V_{max}$) 增加。

此題考查 Michaelis-Menten 動力學中的 $K_m$ 值計算。$K_m$ 是米氏常數，代表底物濃度達到最大反應速率一半 ($V_{max}/2$) 時所需的底物濃度。它也反映了酶對底物的親和力，$K_m$ 值越低，酶對底物的親和力越高。

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

• $v$ 是反應速率 (velocity)
• $V_{max}$ 是最大反應速率 (maximum velocity)
• $[S]$ 是底物濃度 (substrate concentration)
• $K_m$ 是米氏常數 (Michaelis constant)

題目已知：

• $v = 2 \text{ mM/min}$
• $V_{max} = 10 \text{ mM/min}$
• $[S] = 0.5 \text{ mM}$

我們需要計算 $K_m$。將已知數值代入 Michaelis-Menten 方程式：
$2 \text{ mM/min} = \frac{(10 \text{ mM/min})(0.5 \text{ mM})}{K_m + 0.5 \text{ mM}}$

此題考查血紅蛋白 (hemoglobin) 和肌紅蛋白 (myoglobin) 的氧氣結合曲線，以及 pH 對血紅蛋白氧氣親和力的影響。

基本知識回顧：

• 肌紅蛋白 (Myoglobin)：存在於肌肉中，負責儲存氧氣。其氧氣結合曲線呈雙曲線形，顯示其對氧氣具有很高的親和力，一旦結合氧氣就不易釋放，適合儲氧。
• 血紅蛋白 (Hemoglobin)：存在於紅血球中，負責運輸氧氣。其氧氣結合曲線呈 S 形（協同效應），顯示其在肺部（高氧壓）結合氧氣，在組織（低氧壓）釋放氧氣。
• Bohr 效應 (Bohr effect)：pH 和 CO2 分壓會影響血紅蛋白對氧氣的親和力。
  • pH 降低（變酸）或 CO2 分壓升高：會降低血紅蛋白對氧氣的親和力，使氧氣更容易釋放到組織。
  • pH 升高（變鹼）或 CO2 分壓降低：會增加血紅蛋白對氧氣的親和力，使其更容易結合氧氣。

題目分析：
圖中顯示了在 pH 7.2 時，肌紅蛋白和血紅蛋白的氧氣結合曲線。肌紅蛋白的曲線是雙曲線，血紅蛋白的曲線是 S 形。

(1) pH 升高到 7.6 時曲線的變化：
pH 從 7.2 升高到 7.6，表示環境變為鹼性。根據 Bohr 效應，pH 升高會增加血紅蛋白對氧氣的親和力。

• 預期變化：血紅蛋白的 S 形曲線會向左移動。這意味著在相同的氧氣分壓下，飽和度會更高；或者說，達到相同的飽和度（如 50% 飽和度）所需的氧氣分壓會更低。
• 繪圖：在原圖的基礎上，畫一條新的 S 形曲線，該曲線應比原來的血紅蛋白曲線更靠左，尤其是在曲線的彎曲部分。曲線的最高點（$V_{max}$ 或說最大飽和度）不變。

(2) pH 降低到 6.8 時曲線的變化：
pH 從 7.2 降低到 6.8，表示環境變為酸性。根據 Bohr 效應，pH 降低會降低血紅蛋白對氧氣的親和力。

• 預期變化：血紅蛋白的 S 形曲線會向右移動。這意味著在相同的氧氣分壓下，飽和度會更低；或者說，達到相同的飽和度所需的氧氣分壓會更高。
• 繪圖：在原圖的基礎上，畫一條新的 S 形曲線，該曲線應比原來的血紅蛋白曲線更靠右，尤其是在曲線的彎曲部分。曲線的最高點不變。

核心觀念

β-氧化（$\beta$-oxidation）是在粒線體基質中，將脂肪酸逐輪切割成乙醯輔酶 A（acetyl-CoA）的代謝途徑。每一輪包含四個固定步驟：

1. 氧化：產生 $FADH_2$
2. 水合：加入 $H_2O$
3. 再氧化：產生 $NADH$
4. 硫解：釋出一分子 acetyl-CoA

每完成一輪，脂肪酸碳鏈縮短兩個碳。對於偶數碳、飽和脂肪酸：

• β-氧化輪數：$\dfrac{n}{2}-1$
• acetyl-CoA 數量：$\dfrac{n}{2}$
• 每輪產生 $1$ NADH 與 $1$ $FADH_2$
• 脂肪酸活化需消耗 $2$ ATP equivalents

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（一）β-氧化的四個反應步驟

脂肪酸先被活化為 fatty acyl-CoA，之後進入下列循環：

$$\text{Fatty acyl-CoA} \longrightarrow \text{trans-}\Delta^2\text{-enoyl-CoA} \longrightarrow \beta\text{-hydroxyacyl-CoA} \longrightarrow \beta\text{-ketoacyl-CoA} \longrightarrow \text{縮短的 fatty acyl-CoA}+\text{acetyl-CoA}$$

第 1 步：第一次氧化

酵素： acyl-CoA dehydrogenase
反應：

$$\text{Fatty acyl-CoA} \rightarrow \text{trans-}\Delta^2\text{-enoyl-CoA}$$

此步驟在 $\alpha$ 與 $\beta$ 碳之間形成雙鍵，電子轉移給 FAD：

$$FAD \rightarrow FADH_2$$

每輪產生 $1$ 分子 $FADH_2$，題目指定其價值為 $1.5$ ATP。

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第 2 步：水合反應

酵素： enoyl-CoA hydratase
反應：

$$\text{trans-}\Delta^2\text{-enoyl-CoA}+H_2O \rightarrow \beta\text{-hydroxyacyl-CoA}$$

水分子加入雙鍵，使 $\beta$ 碳形成羥基。此步驟不產生 ATP、NADH 或 $FADH_2$，但會消耗 $H_2O$。

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第 3 步：第二次氧化

酵素： $\beta$-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase
反應：

$$\beta\text{-hydroxyacyl-CoA} \rightarrow \beta\text{-ketoacyl-CoA}$$

羥基被氧化成酮基，電子轉移給 NAD$^+$：

$$NAD^+ \rightarrow NADH+H^+$$

每輪產生 $1$ 分子 NADH，題目指定其價值為 $2.5$ ATP。題目雖列出 NADPH 的換算值，但 β-氧化此步驟使用的是 NAD$^+$，不是 NADP$^+$，因此應計算 NADH。

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第 4 步：硫解

酵素： $\beta$-ketothiolase（thiolase）
反應：

$$\beta\text{-ketoacyl-CoA}+CoA-SH \rightarrow \text{縮短兩碳的 fatty acyl-CoA}+\text{acetyl-CoA}$$

CoA-SH 參與硫解，使原本的脂肪酸切下兩個碳，形成一分子 acetyl-CoA。此步驟本身不直接產生 NADH 或 $FADH_2$，但 acetyl-CoA 進入檸檬酸循環後可產生 ATP。

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（二）C18:0 飽和脂肪酸完全氧化的 ATP equivalents

題目將 palmitic acid 標示為 C18:0，但正確而言：

• palmitic acid 是 C16:0
• C18:0 是 stearic acid
• 分子量 $256$ Da 對應 palmitic acid，而非 C18:0 stearic acid

此題考查三羧酸循環 (TCA cycle) 的產物以及這些產物通過電子傳遞鏈 (ETC) 轉化為 ATP 的過程。

第一部分：一個乙醯輔酶 A (Acetyl-CoA) 通過 TCA 循環產生的 NADH, FADH2, GTP

TCA 循環（也稱為克雷布斯循環或檸檬酸循環）是將乙醯輔酶 A 徹底氧化為 CO2 的代謝途徑。對於每一分子進入 TCA 循環的乙醯輔酶 A，會發生以下反應並產生相應的產物：

1. 檸檬酸合成 (Citrate synthase)：乙醯輔酶 A (2碳) 與草醯乙酸 (4碳) 結合，形成檸檬酸 (6碳)。
2. 異檸檬酸脫羧 (Isocitrate dehydrogenase)：檸檬酸被氧化脫羧，形成 α-酮戊二酸 (5碳)。此步驟產生 1 分子 NADH。
3. α-酮戊二酸脫羧 (α-ketoglutarate dehydrogenase complex)：α-酮戊二酸被氧化脫羧，形成琥珀醯輔酶 A (4碳)。此步驟產生 1 分子 NADH 和 1 分子 CO2。
4. 琥珀醯輔酶 A 合成 (Succinyl-CoA synthetase)：琥珀醯輔酶 A 被水解，釋放能量用於合成 GTP (或 ATP)。此步驟產生 1 分子 GTP (或 ATP)。
5. 琥珀酸脫氫 (Succinate dehydrogenase)：琥珀酸被氧化為延胡索酸 (4碳)。此步驟產生 1 分子 FADH2。
6. 延胡索酸水合 (Fumarase)：延胡索酸與水結合，形成蘋果酸 (4碳)。
7. 蘋果酸氧化 (Malate dehydrogenase)：蘋果酸被氧化為草醯乙酸 (4碳)，重新進入循環。此步驟產生 1 分子 NADH。

總結，每一分子乙醯輔酶 A 通過 TCA 循環，共產生：

• NADH: 1 (來自異檸檬酸脫氫) + 1 (來自 α-酮戊二酸脫氫) + 1 (來自蘋果酸氧化) = 3 分子 NADH
• FADH2: 1 分子 FADH2
• GTP: 1 分子 GTP

此題考查膽固醇合成與運輸相關的多個重要概念。

1. 膽固醇合成的起始結構單元 (Start building block of cholesterol)

膽固醇合成的起始原料是 乙醯輔酶 A (Acetyl-CoA)。乙醯輔酶 A 在細胞質中通過一系列複雜的反應，首先合成甲戊二烯醇 (mevalonate)，然後進一步合成異戊二烯單位 (isoprene units)，這些單位再聚合成角鯊烯 (squalene)，最後環化形成膽固醇。雖然乙醯輔酶 A 是最基礎的碳源，但更直接的「起始結構單元」可以被認為是 HMG-CoA，因為它是膽固醇合成途徑中第一個被還原的關鍵中間體，而且其還原酶是關鍵的調控點。然而，從最源頭的碳原子來源來看，乙醯輔酶 A 是正確的。

2. 膽固醇合成的控制酶 (Control enzyme for cholesterol biosynthesis)

膽固醇合成途徑的關鍵限速酶是 HMG-CoA 還原酶 (HMG-CoA reductase)。它催化 HMG-CoA 轉化為甲戊二醇-CoA (mevalonate-CoA)，這是合成膽固醇的速率決定步驟。該酶的活性受到嚴格調控，包括激素（如胰島素、升糖素）、細胞能量狀態、膽固醇水平以及藥物（如他汀類藥物）的影響。

3. 循環系統中膽固醇的主要轉運體 (Major transporter of cholesterol in circulation system)

膽固醇在血液循環中以脂蛋白 (lipoprotein) 的形式運輸。主要的膽固醇轉運體包括：

• 低密度脂蛋白 (LDL, Low-density lipoprotein)：被稱為「壞膽固醇」，主要負責將肝臟合成的膽固醇輸送到外周組織。
• 高密度脂蛋白 (HDL, High-density lipoprotein)：被稱為「好膽固醇」，主要負責從外周組織將多餘的膽固醇運回肝臟進行代謝和清除（逆膽固醇運輸，reverse cholesterol transport）。