112 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》

核心觀念

本題考查脂肪酸合成過程中的：

• 棕櫚酸（palmitate）所需的延長循環數
• 每一輪脂肪酸延長所消耗的 NADPH 數量
• NADPH 所提供的電子數

棕櫚酸為 $16$ 個碳的飽和脂肪酸。脂肪酸合成酶每一輪可使脂肪酸鏈增加 $2$ 個碳，且每輪需要 $2$ 個 NADPH。

每個 NADPH 可提供 $2$ 個電子。

解題方法

棕櫚酸的合成需要：

• $1$ 個 acetyl-CoA 作為起始單位，提供 $2$ 個碳
• $7$ 個 malonyl-CoA 作為延長單位，每個提供 $2$ 個碳

碳數關係為：

$$2 + 7 \times 2 = 16$$

因此需要進行 $7$ 輪延長反應。

每一輪延長包含兩個還原步驟：

1. β-ketoacyl reductase 還原
2. enoyl reductase 還原

每個還原步驟消耗 $1$ 個 NADPH，因此每輪共消耗：

$$2\ \text{NADPH}$$

$7$ 輪共消耗：

$$7 \times 2 = 14\ \text{NADPH}$$

每個 NADPH 提供 $2$ 個電子，所以涉及的電子總數為：

$$14 \times 2 = 28\ \text{electrons}$$

因此正確答案為：

$$\boxed{28}$$

選項分析

此題考查脂肪酸生物合成的驅動力量。脂肪酸的生物合成是一個耗能的過程，需要多種化學反應和能量的參與。

脂肪酸合成的主要反應物是乙醯輔酶 A (acetyl-CoA)。然而，直接將 acetyl-CoA 聚合形成長鏈脂肪酸是不可行的。因此，需要一個活化步驟，將 acetyl-CoA 轉化為丙二醯輔酶 A (malonyl-CoA)。這個轉化是由乙醯輔酶 A 羧化酶 (acetyl-CoA carboxylase, ACC) 催化的。
反應：Acetyl-CoA + CO$_2$ + ATP → Malonyl-CoA + ADP + Pi
這個步驟是脂肪酸合成的限速步驟，它需要 ATP 提供能量，並且是一個羧化反應。

生成的 Malonyl-CoA 隨後會參與脂肪酸合成酶 (fatty acid synthase, FAS) 催化的延長反應。在 FAS 催化的一系列反應中，Malonyl-CoA 的加入伴隨著脫羧反應 (decarboxylation)，釋放出 CO$_2$。這個脫羧反應釋放的能量可以部分用於推動 Condensation 步驟。
Malonyl-CoA → Acetyl-CoA (primer) + CO$_2$ (這一步不是直接的反應，而是 Malonyl-CoA 參與 Condensation 時，其 C3 上的羧基 CO$_2$ 被移除)
準確地說，是 Malonyl-ACP 參與 Condensation 時，其末端的羧基 CO$_2$ 被移除，釋放的能量有助於形成新的碳-碳鍵。

此題考查磷酸戊糖途徑 (Pentose Phosphate Pathway, PPP) 中的兩個關鍵酶：transaldolase (轉酮酶) 和 transketolase (轉醛酶) 的功能，特別是它們轉移的碳單元數量。

磷酸戊糖途徑的氧化態反應產生 NADPH，非氧化態反應則負責將糖代謝中間產物進行重排，以協調碳水化合物的代謝。其中，transaldolase 和 transketolase 負責在果糖-6-磷酸 (fructose-6-phosphate, F6P) 和赤藻糖-7-磷酸 (erythrose-4-phosphate, E4P) 之間轉移碳單元，以生成甘油醛-3-磷酸 (glyceraldehyde-3-phosphate, G3P) 和果糖-6-磷酸 (F6P)。

1. Transketolase (轉酮酶)：
   • 作用：催化一個酮糖 (ketose) 的 C2 碳原子（酮基碳）及其相鄰的碳原子（即一個 2-碳單元）從一個分子轉移到另一個分子（通常是醛糖，aldose）。
   • 在 PPP 中，transketolase 催化：
     • D-木酮糖-5-磷酸 (Xylulose-5-phosphate, Xu5P) + D-核糖-5-磷酸 (Ribose-5-phosphate, R5P) → D-甘露糖-7-磷酸 (Sedoheptulose-7-phosphate, S7P) + D-甘油醛-3-磷酸 (Glyceraldehyde-3-phosphate, G3P)

此題考查糖解作用 (Glycolysis) 的調控。糖解作用的速率受到多種因素的調控，其中一些是異位調節 (allosteric regulation)，另一些則是激素調節。

糖解作用的第一個不可逆反應是由己糖激酶 (hexokinase) 催化葡萄糖 (glucose) 磷酸化為葡萄糖-6-磷酸 (glucose-6-phosphate, G6P)。己糖激酶受到其產物 G6P 的抑制。

糖解作用的第三個步驟是由磷酸果糖激酶-1 (phosphofructokinase-1, PFK-1) 催化果糖-6-磷酸 (fructose-6-phosphate, F6P) 磷酸化為果糖-1,6-二磷酸 (fructose-1,6-bisphosphate, F1,6BP)。這個反應是糖解作用的關鍵限速步驟，受到嚴格的調控。

• 激活劑 (Activators)：AMP 和 果糖-2,6-二磷酸 (fructose-2,6-bisphosphate, F2,6BP)。F2,6BP 是最有效的 PFK-1 激活劑，它顯著降低了 ATP 對 PFK-1 的抑制作用，並增加了 PFK-1 對 ADP 的親和力。
• 抑制劑 (Inhibitors)：ATP 和檸檬酸 (citrate)。

糖解作用的最後一個步驟是由丙酮酸激酶 (pyruvate kinase) 催化磷酸烯醇丙酮酸 (phosphoenolpyruvate, PEP) 轉化為丙酮酸 (pyruvate)。這個反應也受到調控。

• 激活劑 (Activators)：Fructose-1,6-bisphosphate (F1,6BP)。

此題考查 Edman degradation (Edman 降解法) 的功能。Edman degradation 是一種用於確定蛋白質或肽鏈 N-端胺基酸序列的方法。

Edman degradation 的基本原理是利用苯異硫氰酸 (phenylisothiocyanate, PITC)，在鹼性條件下與蛋白質或肽的 N-端胺基酸的游離胺基反應，形成苯氨基硫代乙醯基 (phenylthiocarbamoyl, PTC) 衍生物。隨後，在酸性條件下，這個 PTC-胺基酸殘基會從肽鏈的 N-端脫落，形成一個叫做 anilinothiazolinone (ATZ) 的衍生物，同時剩餘的肽鏈則少了一個 N-端胺基酸。這個 ATZ 衍生物在酸性溶液中可以進一步水解，轉化為更穩定的苯氨基乙內醯脲 (phenylthiohydantoin, PTH) 衍生物，然後通過色譜法（如 HPLC）鑑定其是哪種胺基酸。

這個過程可以重複進行，每次循環都移除 N-端的胺基酸，並鑑定出來。因此，Edman degradation 可以依序確定蛋白質或肽鏈的 N-端胺基酸序列。

現在我們分析選項：
(A) determine the C-terminal amino acid by using a carboxypeptidase：這是羧肽酶 (carboxypeptidase) 的功能，而非 Edman degradatio

核心觀念

本題考查胜肽在特定 pH 下的淨電荷。計算時只需統計會解離的官能基：

• 胜肽 N 端胺基：通常帶 $+1$
• 胜肽 C 端羧基：通常帶 $-1$
• Lys（K，離胺酸）側鏈：帶 $+1$
• Arg（R，精胺酸）側鏈：帶 $+1$
• Asp（D，天門冬胺酸）側鏈：帶 $-1$
• Glu（E，麩胺酸）側鏈：帶 $-1$

在 pH 7.0 時，依一般胺基酸側鏈的 $pK_a$ 判斷：

• Lys、Arg 的鹼性側鏈大多質子化，帶正電。
• Asp、Glu 的酸性側鏈大多去質子化，帶負電。
• N 端大多質子化，帶正電。
• C 端大多去質子化，帶負電。

解題方法

題目中的胜肽為：

$$\mathrm{LKGDGARE}$$

逐一找出帶電基團：

部位	數量	單位電荷	總電荷
N 端胺基	1	$+1$	$+1$
Lys（K）側鏈	1	$+1$	$+1$
Arg（R）側鏈	1	$+1$	$+1$
C 端羧基	1	$-1$	$-1$
Asp（D）側鏈	1	$-1$	$-1$
Glu（E）側鏈	1	$-1$	$-1$

因此胜肽的整體淨電荷為：

此題考查 ATP 水解產生巨大負自由能變化的原因。ATP (三磷酸腺苷) 的水解是細胞中能量傳遞的核心過程，其水解反應釋放出大量的自由能，可以驅動各種需要能量的細胞過程。

ATP 水解成 ADP 和無機磷酸 (Pi) 的反應，在標準條件下 ($\Delta G^{0'}$) 約為 -30.5 kJ/mol。在細胞內的實際條件下，由於反應物和產物的濃度不同，自由能變化 ($\Delta G$) 可能更大（更負）。

ATP 水解產生巨大負自由能變化的原因主要有以下幾點：

1. 靜電排斥 (Electrostatic Repulsion)：ATP 分子中含有三個磷酸基團。由於磷酸基團帶有負電荷，相鄰的磷酸基團之間存在強烈的靜電排斥力。這種排斥力使高能磷酸鍵（特別是 γ 磷酸鍵）處於不穩定狀態，儲存了較多的勢能。水解時，這種排斥力減弱，釋放能量。
2. 共振穩定 (Resonance Stabilization)：ATP 水解產物 ADP 和 Pi 在形成後，其磷酸基團可以通過共振來穩定。磷酸根離子 (PO$_4^{3-}$) 具有較強的共振結構，負電荷可以離域分佈在四個氧原子上，使結構更穩定。而 ATP 中，磷酸基團之間的共振程度相對較小。因此，產物的穩定性增加，導致反應向釋放能量的方向進行。
3. 離子化 (Ionization)：ATP 水解產物 Pi 在生理 pH 下會離子化，形成 HPO$_4^{2-}$。這個離子化過程可以穩定產物。同時，ADP 分子中的磷酸基團也比 ATP 中更易於離域，從而更穩定。

核心觀念

本題考查胺基酸側鏈結構對蛋白質二級結構的影響，尤其是 α-螺旋的形成與穩定性。

α-螺旋主要依靠主鏈之間的氫鍵維持：第 $i$ 個胺基酸的羰基氧，與第 $i+4$ 個胺基酸的醯胺氫形成氫鍵。若某胺基酸的結構限制主鏈旋轉，或無法提供必要的醯胺氫，便可能使 α-螺旋中斷，稱為 helix breaker。

脯胺酸（Proline）具有特殊的環狀結構，其側鏈與主鏈的胺基氮相連，形成五元環，因此又常被歸類為特殊的亞胺基酸。

解題方法

判斷 helix breaker 的關鍵有兩點：

1. 是否會嚴重限制主鏈 $\phi$、$\psi$ 旋轉角度。
2. 主鏈醯胺氮上是否具有可參與氫鍵的氫。

脯胺酸的側鏈與主鏈氮形成環狀結構，使主鏈構形受到高度限制，難以配合 α-螺旋所需的規則幾何排列。此外，脯胺酸的主鏈氮沒有醯胺氫，無法作為 α-螺旋氫鍵的供體。

因此，脯胺酸插入 α-螺旋時，常造成螺旋彎曲、扭折或直接中斷，是最典型的 helix breaker。

選項分析

(A) Histidine（組胺酸）

組胺酸的側鏈為含氮芳香環，具有可解離的咪唑基，能參與酸鹼催化與氫鍵作用。其側鏈不會像脯胺酸一樣限制主鏈旋轉，也不會使主鏈醯胺氮失去氫原子，因此不是典型的 α-螺旋破壞者。此選項錯誤。

(B) Tyrosine（酪胺酸）

核心觀念

C₄植物的碳固定分成兩個相互銜接的階段：

1. 葉肉細胞中的 C₄途徑：先利用 PEPC 固定 $CO_2$，形成四碳有機酸，再將其運送至維管束鞘細胞。
2. 維管束鞘細胞中的 Calvin cycle：四碳有機酸脫羧釋放 $CO_2$，再由 Rubisco 進行真正的 Calvin cycle 碳固定。

C₄途徑的主要酵素包括：

$$PEPC \rightarrow NADP\text{-}MDH \rightarrow NADP\text{-}ME$$

而 PPDK 則負責再生 PEPC 所需的受質 PEP。相較之下，Fructose-1,6-bisphosphatase（FBPase）是 Calvin cycle 中的酵素，並非 C₄初級碳固定途徑的特有酵素。

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解題方法

依序辨認各選項所屬的代謝途徑：

• 若酵素參與 $CO_2$ 的初步固定、四碳化合物轉換或 PEP 再生，屬於 C₄途徑。
• 若酵素參與三碳糖磷酸生成與再生，屬於 Calvin cycle。

C₄植物的碳固定流程如下：

$$CO_2 \xrightarrow{PEPC} OAA$$ $$OAA \xrightarrow{NADP\text{-}MDH} Malate$$ $$Malate \xrightarrow{NADP\text{-}ME} Pyruvate + CO_2$$

釋放的 $CO_2$ 接著由 Rubisco 進入 Calvin cycle；而丙酮酸則透過 PPDK 再生 PEP：

$$Pyruvate + ATP + P_i \xrightarrow{PPDK} PEP + AMP + PP_i$$

FBPase 的反應則是 Calvin cycle 中的糖磷酸轉換：

$$Fructose\text{-}1,6\text{-}bisphosphate + H_2O \rightarrow Fructose\text{-}6\text{-}phosphate + P_i$$

因此，FBPase 不屬於 C₄初級碳固定循環的酵素。

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選項分析

(A) Fructose-1,6-bisphosphatase

正確答案。FBPase 參與 Calvin cycle 的再生階段，催化果糖-1,6-二磷酸水解成果糖-6-磷酸，協助形成再生 RuBP 所需的糖磷酸。

核心觀念

非循環光磷酸化（non-cyclic photophosphorylation）發生於光合作用的類囊體膜，會同時利用兩個光系統：

$$\mathrm{H_2O \rightarrow PSII \rightarrow 電子傳遞鏈 \rightarrow PSI \rightarrow NADP^+}$$

其主要特徵如下：

• PSII 與 PSI 皆參與作用。
• 水在 PSII 參與的水分解反應中提供電子，並產生氧氣。
• 電子沿單一方向傳遞，最後用來將 $NADP^+$ 還原成 $NADPH$。
• 電子傳遞造成類囊體腔內質子濃度升高，質子經由 ATP synthase 回流，促成 ATP 合成。
• 電子不會回到原本的 PSI，因此稱為「非循環」光磷酸化。

解題方法

判斷各選項是否符合非循環光磷酸化的電子流向即可。核心電子路徑為：

$$\mathrm{H_2O \rightarrow PSII \rightarrow plastoquinone \rightarrow cytochrome\ b_6f \rightarrow plastocyanin \rightarrow PSI \rightarrow ferredoxin \rightarrow NADP^+}$$

只要選項描述「電子回到 PSI」或形成循環電子流，即與非循環光磷酸化的定義矛盾。

選項分析

(A) PSI and PSII are involved

正確。非循環光磷酸化需要 PSII 與 PSI 連續作用。PSII 先吸收光能並補充電子，電子經電子傳遞鏈後再由 PSI 重新激發，最後用於還原 $NADP^+$。

(B) electron travels back to PSI

此題考查糖解作用 (glycolysis) 後，丙酮酸 (pyruvate) 在進入三羧酸循環 (TCA cycle) 前的轉化。

糖解作用發生在細胞質中，將葡萄糖 (glucose) 分解為兩分子的丙酮酸 (pyruvate)。
C$_6$H$_{12}$O$_6$ → 2 Pyruvate + 2 ATP + 2 NADH

接下來，丙酮酸需要進入粒線體基質 (mitochondrial matrix) 才能進入 TCA cycle。然而，丙酮酸本身無法直接進入 TCA cycle。在進入 TCA cycle 之前，丙酮酸必須經過一個重要的轉化步驟，即丙酮酸的氧化脫羧 (oxidative decarboxylation)。

這個反應由丙酮酸脫氫酶複合物 (pyruvate dehydrogenase complex, PDC) 催化，將丙酮酸轉化為乙醯輔酶 A (acetyl-CoA)。
反應式：
Pyruvate + CoA + NAD$^+$ → Acetyl-CoA + CO$_2$ + NADH + H$^+$

核心觀念

本題考查**氮循環（nitrogen cycle）**中，各種微生物作用所造成的氮形態轉換。

大氣中的氮主要以氮氣 $N_2$ 形式存在。能將氮以 $N_2$ 形式釋放回大氣的過程，是把含氮化合物中的氮還原成氣態氮的作用，稱為脫硝作用（denitrification）。

其總體概念可表示為：

$$NO_3^- \longrightarrow NO_2^- \longrightarrow N_2$$

脫硝菌通常在缺氧或厭氧環境中，以硝酸鹽 $NO_3^-$ 作為電子受體，進行呼吸作用，最後產生 $N_2$ 氣體。

解題方法

判斷關鍵在於題幹的動詞：releases dinitrogen gas back into the atmosphere，也就是「將雙原子氮氣 $N_2$ 釋放回大氣」。

氮循環中：

• 將大氣 $N_2$ 轉成含氮化合物：氮固定。
• 將有機氮轉成無機氮：分解。
• 將氨或銨根氧化成硝酸鹽：硝化。
• 將硝酸鹽還原成 $N_2$：脫硝。

因此，符合題意的是 Denitrification。

選項分析

(A) Denitrification：正確

Denitrification 是脫硝作用，指微生物在缺氧條件下將硝酸鹽逐步還原，最後形成氮氣：

$$NO_3^- \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO \rightarrow N_2O \rightarrow N_2$$

產生的 $N_2$ 擴散回大氣，因此此選項正確。

(B) nitrogen fixation：錯誤

Nitrogen fixation 是氮固定作用，將大氣中的氮氣 $N_2$ 轉變為可被生物利用的含氮形式，主要產物為氨 $NH_3$ 或銨根 $NH_4^+$：

$$N_2 \rightarrow NH_3$$

此題考查 DNA 複製過程中，如果 DNA 聚合酶的校對 (proofreading) 功能失效，可能發生的情況。DNA 聚合酶在複製過程中具有 3'→5' 外切酶活性，可以校對錯誤配對的核苷酸，從而大大降低突變率。如果這個校對功能沒有成功捕捉到錯誤，那麼這個錯誤就會被整合到新的 DNA 鏈中。

DNA 複製是半保留複製 (semiconservative replication)，也就是說，每個親代 DNA 分子會作為模板，合成兩個新的子代 DNA 分子。每個子代 DNA 分子都包含一條親代鏈和一條新合成的鏈。

如果 DNA 聚合酶在合成新鏈時發生了錯誤配對，並且這個錯誤沒有被校對酶糾正，那麼這個錯誤就會被整合到新合成的子代鏈上。當這個錯誤的子代鏈作為模板，在下一次複製或在細胞週期的其他過程中，會導致相對於親代鏈的突變。

現在我們分析選項：
(A) both strands of DNA will be mutated：在一次複製事件中，DNA 聚合酶在合成其中一條鏈時產生錯誤。這個錯誤只會出現在新合成的鏈上。親代鏈本身沒有發生突變。因此，在這次複製完成後，只有含有錯誤的新鏈的 DNA 分子會攜帶突變。另一個 DNA 分子（由親代鏈和正確合成的子代鏈組成）是沒有突變的。所以，不是「both strands of DNA will be mutated」在一次複製中。
(B) only the daughter strand will be mutated：這是最可能的情況。DNA 聚合酶在複製過程中合成新的 DNA 鏈（daughter strand）。如果出現錯誤且未被校對，這個錯誤就會被整合到這個 daughter strand 上。

此題考查同源異形基因 (homeotic genes) 的功能，以及它們編碼的蛋白質類型。同源異形基因是一類在發育過程中，特別是在決定身體結構模式（如體節、肢體、器官的形成）中起關鍵作用的基因。它們在許多動物中高度保守。

同源異形基因的特點是它們通常包含一個叫做「同源異形盒」(homeobox) 的 DNA 結合結構域，這個結構域編碼一個叫做「同源異形蛋白質」(homeodomain) 的蛋白質結構域。

同源異形蛋白質 (homeodomain proteins) 的主要功能是作為轉錄因子 (transcription factors)。它們能夠結合到特定的 DNA 序列上，從而調控下游基因的表達。通過調控一系列基因的表達，同源異形蛋白質決定了身體不同部位的身份和發育模式。

此題考查蛋白質轉譯 (translation) 過程中，核糖體 (ribosome) 的功能。轉譯是將 mRNA 的遺傳信息轉化為蛋白質序列的過程。

核糖體是蛋白質合成的細胞器，它由核糖體 RNA (rRNA) 和蛋白質組成。核糖體具有兩個亞基：大亞基 (large subunit) 和小亞基 (small subunit)。

在轉譯過程中，核糖體的作用是：

1. 結合 mRNA：小亞基首先與 mRNA 結合，並沿著 mRNA 移動，尋找起始密碼子 (start codon)。
2. 招募 tRNA：核糖體有三個位點：A 位 (aminoacyl site)、P 位 (peptidyl site) 和 E 位 (exit site)。攜帶正確胺基酸的 tRNA 分子會與 mRNA 上的密碼子配對，並進入 A 位。
3. 肽鍵形成 (Peptide bond formation)：在大亞基中，位於 P 位上的肽酰-tRNA (peptidyl-tRNA) 的胺基酸鏈會轉移到 A 位上的新胺基酸上，形成肽鍵。這個過程由大亞基的 rRNA 催化（核酶活性）。
4. 核糖體移動 (Translocation)：在肽鍵形成後，核糖體會沿著 mRNA 移動一個密碼子的距離。這樣，原來在 A 位的肽酰-tRNA 會移動到 P 位，原來在 P 位的空 tRNA 會移動到 E 位並離開核糖體，而 A 位則準備接受下一個攜帶胺基酸的 tRNA。
5. 終止 (Termination)：當核糖體遇到終止密碼子 (stop codon) 時，釋放因子 (release factor) 會結合到 A 位，導致肽鏈從 P 位上的 tRNA 上釋放出來。

此題考查類固醇激素 (steroid hormones) 和胺基酸衍生的激素 (amino acid-derived hormones) 在結構、作用機制和傳遞方式上的區別。

類固醇激素 (Steroid Hormones)：

• 來源：由膽固醇 (cholesterol) 合成，膽固醇本身是一種脂質，屬於有機分子。
• 結構：具有四個環狀結構的類固醇骨架。由於其脂溶性，它們是疏水性的。
• 傳遞：在血液中，它們可以與運輸蛋白結合，然後擴散到目標細胞。
• 作用機制：由於它們是脂溶性的，可以穿過細胞膜，與細胞內的受體結合（通常在細胞質或細胞核中）。激素-受體複合物會作為轉錄因子，調節特定基因的表達。它們不使用第二信使系統。
• 受體：細胞內受體。

胺基酸衍生的激素 (Amino Acid-Derived Hormones)：

• 來源：由單個胺基酸（如酪胺酸、色胺酸）轉化而來。
• 結構：結構多樣，有些是親水性的（如腎上腺素、甲狀腺素），有些則可能部分脂溶性。
• 傳遞：親水性激素通常溶解在血液中，直接運輸。
• 作用機制：親水性激素（如腎上腺素、胰島素）由於無法穿過細胞膜，需要與細胞表面的質膜受體結合。這種結合會激活細胞內的第二信使系統（如 cAMP, Ca$^{2+}$），進而引發細胞響應。
• 受體：細胞表面受體。

此題考查膽固醇 (cholesterol) 的生物合成前體作用，要求找出不是由膽固醇衍生的脂質。

膽固醇是細胞膜的重要組成部分，同時也是許多重要類固醇化合物的合成前體。這些類固醇化合物包括：

1. 類固醇激素 (Steroid Hormones)：
   • 皮質醇 (Cortisol)：一種糖皮質激素，由腎上腺皮質合成。
   • 孕酮 (Progesterone)：一種孕激素，在女性生殖中起重要作用，也由腎上腺皮質和性腺合成。
   • 雌二醇 (Estradiol)：一種雌激素，由卵巢合成。
   • 睪酮 (Testosterone)：一種雄激素，由性腺合成。
   • 醛固酮 (Aldosterone)：一種鹽皮質激素，由腎上腺皮質合成。
2. 膽汁酸 (Bile Acids)：
   • 膽汁酸 (Cholic acid)：一種主要的膽汁酸，由肝臟合成，參與脂肪的消化和吸收。

此題考查細胞膜的主要脂質成分。細胞膜的結構基礎是脂質雙層，其中包含多種脂質分子。

細胞膜的主要脂質成分包括：

1. 磷脂 (Phospholipids)：
   • 磷脂醯膽鹼 (Phosphatidylcholine, PC)：這是細胞膜中最豐富的磷脂之一，是卵磷脂的主要成分。
   • 磷脂醯乙醇胺 (Phosphatidylethanolamine, PE)：也是細胞膜中含量較高的磷脂，尤其在細胞內側。
   • 磷脂醯絲胺酸 (Phosphatidylserine, PS)：在細胞膜內側，其翻轉與細胞凋亡有關。
   • 磷脂醯肌醇 (Phosphatidylinositol, PI)：在細胞膜內側，參與信號傳導。
   • 磷脂醯甘油 (Phosphatidylglycerol, PG)：在細胞膜內側，但含量相對較少。
   • 溶血磷脂 (Lysophospholipid)：這是磷脂水解去除一條脂肪酸的產物。它可以作為中間代謝產物，但由於其單鏈結構，其在細胞膜中的含量通常不高，而且它具有細胞毒性，除非被快速轉化。
2. 鞘脂 (Sphingolipids)：
   • 鞘磷脂 (Sphingomyelin)：一種重要的鞘脂，不含甘油骨架，而是以鞘氨醇 (sphingosine) 為基礎。

此題考查蛋白質的肉豆蔻酰化 (Myristoylation) 這種翻譯後修飾。肉豆蔻酰化是指將 14 碳的飽和脂肪酸（肉豆蔻酸, myristic acid）通過醯胺鍵 (amide linkage) 共價連接到蛋白質上的過程。這個修飾通常發生在蛋白質的 N-端。

肉豆蔻酰化通常發生在蛋白質的 N-端胺基酸上。最常見的連接位點是 N-端的甘胺酸 (Glycine, Gly)。在某些情況下，它也可以連接到 N-端的離胺酸 (Lysine, Lys) 的側鏈胺基上。

具體的反應機制是，肉豆蔻酸首先被活化為肉豆蔻酰輔酶 A (myristoyl-CoA)。然後，一個特定的酶——肉豆蔻酰化酶 (myristoyltransferase)——催化肉豆蔻酰基從 myristoyl-CoA 轉移到蛋白質的 N-端胺基酸的游離胺基上，形成一個穩定的醯胺鍵。

這個修飾通常是不可逆的，並且通常發生在蛋白質合成的早期階段，甚至在蛋白質從核糖體釋放出來之前。

核心觀念

本題考查「非對映異構物（diastereomer）」的判定。

兩個化合物必須同時符合：

1. 具有相同的分子組成與原子連接方式。
2. 具有相同的立體化學骨架，但部分、而非全部立體中心的構型不同。
3. 不是彼此的鏡像；若全部立體中心皆相反，則屬於對映異構物（enantiomer）。

對醣類而言，D-glucose 是一種醛己糖（aldohexose），含有 6 個碳原子及 $C2$ 至 $C5$ 四個手性中心。

D-glucose 的 Fischer 投影構型可表示為：

$$(C2,C3,C4,C5)=(右、左、右、右)$$

只要另一個化合物也是己糖，且與 D-glucose 具有相同的碳骨架，但僅部分手性中心不同，就可能是 D-glucose 的非對映異構物。

解題方法

先判斷各選項是否與 D-glucose 具有相同的碳數與相同的醛糖骨架：

• 若碳數不同，例如五碳糖與六碳糖，兩者不是立體異構物，必然不是 diastereomer。
• 若碳數相同，再比較各手性中心：
  • 全部相反：對映異構物。
  • 部分相反：非對映異構物。
  • 全部相同：同一化合物。

因此，只要先找出不是六碳醛糖立體異構物的選項，即可快速作答。

選項分析

(A) D-galactose

D-galactose 與 D-glucose 皆為醛己糖，兩者只有 $C4$ 的構型不同：

$$\text{D-glucose}: (右、左、右、右)$$ $$\text{D-galactose}: (右、左、左、右)$$

僅一個手性中心不同，屬於 $C4$-epimer，因此是非對映異構物。

此選項錯誤。

(B) D-mannose

D-mannose 與 D-glucose 皆為醛己糖，兩者只有 $C2$ 的構型不同：

$$\text{D-glucose}: (右、左、右、右)$$ $$\text{D-mannose}: (左、左、右、右)$$

僅一個手性中心不同，屬於 $C2$-epimer，因此是非對映異構物。

此選項錯誤。

(C) L-galactose

核心觀念

本題考查膽固醇的合成原料、速率限制酵素、血中運輸形式，以及細胞對膽固醇過量的調節。掌握膽固醇合成路徑的起點與控制點，再分清血液中的運輸和細胞內的儲存、排出，即可作答。

解題方法與作答

1. 膽固醇合成的起始原料：乙醯輔酶 A（acetyl-CoA）

   多個乙醯輔酶 A 分子經一連串反應形成 HMG-CoA，再生成甲羥戊酸，接續合成膽固醇。因此，膽固醇生合成的起始 building block 是乙醯輔酶 A。

2. 膽固醇生合成的控制酵素：HMG-CoA 還原酶（HMG-CoA reductase）

   此酵素催化 HMG-CoA 還原成甲羥戊酸，是膽固醇合成的重要速率限制步驟，也是細胞調節合成量的關鍵位置。

   $\text{HMG-CoA} + 2\text{NADPH} + 2\text{H}^+ \rightarrow \text{mevalonate} + \text{CoA-SH} + 2\text{NADP}^+$

3. 血液循環中主要的膽固醇運輸者：低密度脂蛋白（LDL）

核心觀念

嘌呤補救途徑是將核酸分解後回收的游離嘌呤鹼基，再利用磷酸核糖焦磷酸（PRPP）重新合成嘌呤核苷酸。相較於從頭合成，此途徑可回收鹼基，並減少細胞重新製造嘌呤所需的能量。

本題的關鍵在於辨認次黃嘌呤鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶（HGPRT）。此酵素負責回收次黃嘌呤與鳥嘌呤；其缺乏會造成萊希－尼亨症候群（Lesch–Nyhan syndrome）。

解題方法

先依序連結「游離嘌呤鹼基＋PRPP → 核苷酸」的補救反應，再辨認催化次黃嘌呤與鳥嘌呤回收的關鍵酵素。題目詢問酵素缺乏造成的疾病與結果，因此由 HGPRT 缺乏接續判斷萊希－尼亨症候群及其典型臨床表現。

反應與產物

HGPRT 催化下列兩個反應：

$$\text{次黃嘌呤}+\text{PRPP} \rightarrow \text{肌苷酸（IMP）}+\text{焦磷酸（PPi）}$$ $$\text{鳥嘌呤}+\text{PRPP} \rightarrow \text{鳥苷酸（GMP）}+\text{焦磷酸（PPi）}$$

另一種游離嘌呤鹼基腺嘌呤，則由腺嘌呤磷酸核糖轉移酶（APRT）回收：

Part 2-3：胜肽鍵形成反應與四大特性

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核心觀念

本題考查兩大重點：

1. 胜肽鍵形成的化學反應——兩個胺基酸透過**脫水縮合反應（condensation / dehydration reaction）**形成醯胺鍵（amide bond），並釋放一分子水。
2. 胜肽鍵的結構特性——由於醯胺氮上孤電子對與羰基 $\pi$ 系統的共振離域（resonance delocalization），胜肽鍵具有不同於普通單鍵的獨特物理化學性質。

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解題方法

一、畫出胜肽鍵形成反應（Draw the peptide formation reaction）

反應本質：前一個胺基酸的 $\alpha$-羧基（$\text{-COOH}$）與後一個胺基酸的 $\alpha$-胺基（$\text{-NH}_2$）之間進行脫水縮合，生成 $\text{C-N}$ 醯胺鍵並釋出 $\text{H}_2\text{O}$。

以結構式表示如下（正式考試須畫出完整鍵結連接）：

$$\underset{\displaystyle \text{Amino acid 1}}{\text{H}_2\text{N} - \underset{\Large|}{\overset{\Large|}{\text{C}}} \text{H}(\text{R}_1) - \text{C}(=\!\text{O}) - \text{OH}} \;+\; \underset{\displaystyle \text{Amino acid 2}}{\text{H} - \text{NH} - \underset{\Large|}{\overset{\Large|}{\text{C}}} \text{H}(\text{R}_2) - \text{COOH}}$$ $$\xrightarrow{\quad} \quad \text{H}_2\text{N} - \text{CH}(\text{R}_1) - \underset{\displaystyle \boxed{\text{peptide bond}}}{\text{C}(=\!\text{O}) - \text{NH}} - \text{CH}(\text{R}_2) - \text{COOH} \;+\; \text{H}_2\text{O}$$

繪圖要點（考試作答時）：

• 明確畫出兩個胺基酸的 $\text{C}_\alpha$、$\text{R}$ 側鏈、胺基、羧基之完整結構式。
• 產物中以框線或標記標示出新生成的 $\text{C-N}$ 胜肽鍵。
• 標示脫去的 $\text{H}_2\text{O}$（$\text{-OH}$ 來自羧基，$\text{-H}$ 來自胺基）。
• 生物體內此反應在**核糖體（ribosome）**上進行，由 peptidyl transferase 活性催化，並非自發反應（$\Delta G^\circ{'} \approx +10 \;\text{kJ/mol}$，需 ATP/GTP 驅動）。

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二、胜肽鍵的四大特性（Four Characteristics of Peptide Bond）

特性 1：部分雙鍵性質（Partial double-bond character）

胜肽鍵 $\text{C-N}$ 的鍵長約 $1.33\;\text{Å}$，介於典型 $\text{C-N}$ 單鍵（$\sim 1.49\;\text{Å}$）與 $\text{C=N}$ 雙鍵（$\sim 1.27\;\text{Å}$）之間。原因在於醯胺氮（N）上的孤電子對與羰基碳-氧之間的 $\pi$ 電子系統發生共振離域：

核心觀念

本題考查蛋白質結構的四個層級，依序為一級結構、二級結構、三級結構與四級結構。判斷各層級時，重點在於分辨描述的是胺基酸排列、局部骨架構形、單一多肽鏈的整體摺疊，還是多條多肽鏈的組合。

解題方法

由小到大說明各層級，並指出其主要穩定作用：

1. 一級結構（primary structure）：蛋白質中胺基酸的線性排列順序，由胺基酸之間的胜肽鍵連接。胺基酸序列提供後續摺疊的基礎；序列改變可能影響蛋白質的構形與功能。

2. 二級結構（secondary structure）：多肽主鏈局部形成的規則構形，常見的有 α 螺旋與 β 摺板，另有轉角等局部構形。主要由多肽主鏈的羰基氧與醯胺氫之間的氫鍵穩定。

3. 三級結構（tertiary structure）：單一多肽鏈整體形成的三維構形，包括各二級結構及其連接區域的空間排列。

核心觀念

光合色素負責吸收光能。依照在光合作用中的角色，可分為主要色素與次要色素（輔助色素）：

• 主要色素：葉綠素 a。它是光系統反應中心的核心色素，直接參與光化學反應。
• 次要色素：葉綠素 b、類胡蘿蔔素，包括胡蘿蔔素與葉黃素。它們協助吸收光能、把能量傳給葉綠素 a，並參與光保護。

解題方法

先依「是否直接啟動光化學反應」區分色素，再沿著光反應的能量傳遞順序說明功能：天線色素吸光，能量傳至反應中心葉綠素 a，最後引發電子轉移。

色素如何運作

葉綠素 a：主要色素

葉綠素 a 位於光系統的反應中心。它吸收光能後進入激發態，並將高能電子轉移給初級電子受體，啟動電子傳遞鏈。光系統 II 與光系統 I 的反應中心葉綠素 a 分別稱為 $P680$ 與 $P700$；數字代表其吸收光的特徵波長，單位為奈米。

葉綠素 b：次要色素

核心觀念

本題考查三個概念：非酒精性脂肪肝的定義、葡萄糖與果糖對胰島素分泌及訊號的差異，以及肝臟如何將過量果糖轉成脂肪。

非酒精性脂肪肝（NAFLD）是指肝臟有脂肪堆積，通常以肝細胞中超過 $5\%$ 出現脂肪變性作為判定基準，且沒有顯著酒精攝取或其他足以解釋脂肪肝的原因。疾病範圍從單純脂肪變性，可進展為伴有發炎與肝細胞膨大的脂肪肝炎，再進一步造成纖維化、肝硬化。

解題方法

作答時可依序說明「疾病定義」、「兩種糖對胰島素的影響」，再從「果糖進入肝臟後的代謝去向」解釋脂肪堆積。核心推理是：果糖快速進入肝臟代謝，形成可供脂肪合成使用的三碳中間產物；當攝取量過高時，脂肪生成超過氧化與輸出能力，肝內三酸甘油酯便會累積。

1. 葡萄糖與果糖對胰島素訊號的差異

葡萄糖進入胰臟 β 細胞後經代謝產生 ATP，使 ATP 敏感性鉀離子通道關閉，引發膜去極化及胰島素釋放。胰島素再與周邊組織的胰島素受體結合，啟動下游訊號，例如促進肌肉與脂肪細胞的葡萄糖攝取。

果糖引發的急性胰島素分泌通常比葡萄糖弱。果糖進入肝細胞後，主要由果糖激酶（KHK）代謝；此過程不需要胰島素啟動，因此果糖可在胰島素訊號較低時仍被肝臟利用。這不代表果糖完全不會影響胰島素或全身代謝；混合餐與長期過量攝取仍會影響整體代謝狀態。

2. 過量果糖促進 NAFLD 的代謝機制

（1）果糖快速進入糖解中間產物，促進脂肪新生

果糖在肝臟由 KHK 磷酸化為果糖-1-磷酸，消耗 ATP：

$$\text{果糖}+\text{ATP}\rightarrow\text{果糖-1-磷酸}+\text{ADP}$$

果糖-1-磷酸再由醛縮酶 B 分解，形成二羥基丙酮磷酸與甘油醛；後者可進一步轉為甘油醛-3-磷酸。這些三碳中間產物可供能量代謝，也可轉為乙醯輔酶 A，進入肝臟的從頭脂肪生成（de novo lipogenesis, DNL）。

核心觀念

DNA 修復會依受損的型態選擇不同機制。本題可用「損傷是單一鹼基的化學改變，還是造成 DNA 雙股螺旋明顯扭曲」來區分：

• 鹼基切除修復（base excision repair, BER）：修復氧化、去胺、烷基化等造成的單一鹼基損傷。
• 核苷酸切除修復（nucleotide excision repair, NER）：修復會扭曲 DNA 雙股螺旋的較大型損傷，例如紫外線造成的嘧啶二聚體與體積較大的化學加合物。

兩者都會移除受損 DNA，再以未受損的互補股作為模板補回缺口，最後由 DNA 連接酶封口。

解題方法

作答時先指出兩種修復機制各自辨認的損傷特徵，再依序說明「辨認損傷、切除受損區、填補缺口、連接 DNA」的步驟。關鍵差異在於：BER 先移除受損的鹼基；NER 則切除包含受損處的一小段核苷酸片段。

一、鹼基切除修復（BER）

BER 主要處理不會大幅扭曲 DNA 結構的微小鹼基損傷，例如胞嘧啶去胺形成尿嘧啶、鹼基氧化，以及烷基化損傷。

1. 辨認並移除受損鹼基
   特定 DNA 糖基化酶辨認受損鹼基，並切斷鹼基與去氧核糖之間的 N-糖苷鍵。此步驟移除鹼基，但留下缺乏鹼基的 AP 位點（apurinic/apyrimidinic site）。

2. 切開 DNA 骨架
   AP 核酸內切酶在 AP 位點附近切開 DNA 的磷酸二酯骨架；接著由相關酵素移除殘留的糖磷酸基團，形成可供合成的缺口。

3. 補入正確核苷酸
   DNA 聚合酶以未受損的互補股為模板補入核苷酸。真核細胞的短片段 BER 通常補入一個核苷酸；長片段 BER 可補入數個核苷酸，並由 FEN1 移除被置換出的 DNA 片段。

4. 封合缺口
   DNA 連接酶封閉最後的切口。真核細胞短片段 BER 常由 DNA 連接酶 III 與 XRCC1 協同完成；

核心觀念

表觀遺傳（epigenetics）指在 DNA 鹼基序列不變 的情況下，細胞透過 DNA 化學修飾、組蛋白修飾、染色質結構改變及非編碼 RNA 等機制，調控基因能否被轉錄，並使特定表現狀態在細胞分裂後得以維持。這類調控可逆，且具有細胞型態與發育階段的特異性。

本題重點是說明表觀遺傳資訊如何被寫入、讀取與維持，而非只列出修飾名稱。可依「染色質標記的建立 → 對轉錄的影響 → 細胞分裂時的傳遞」來整理。

解題方法

先交代表觀遺傳的定義，再依主要機制說明其分子基礎及功能，最後以基因組印記、X 染色體失活等例子呈現生理意義。回答時須區分「DNA 序列改變」與「基因表現狀態改變」，不可把表觀遺傳修飾寫成突變。

主要表觀遺傳機制

一、DNA 甲基化

在哺乳類中，DNA 甲基轉移酶將甲基加到胞嘧啶上，主要形成 CpG 位點的 5-甲基胞嘧啶。建立甲基化的酵素包括 DNMT3A、DNMT3B；DNA 複製後，維持型甲基轉移酶 DNMT1 辨識半甲基化 DNA，將新合成股補上相應甲基，使甲基化模式傳到子細胞。

啟動子或調控區的 CpG 位點高度甲基化，通常會降低轉錄。其作用包括妨礙轉錄因子結合，以及招募甲基化 DNA 結合蛋白與抑制性染色質複合體，使染色質較緊密。DNA 甲基化也參與轉位子抑制、基因組印記及 X 染色體失活。

DNA 去甲基化可經被動或主動途徑進行。被動去甲基化是複製時未能維持甲基化；主動去甲基化則涉及 TET 酵素將 5-甲基胞嘧啶氧化，再經 DNA 修復途徑移除或替換修飾鹼基。

二、組蛋白修飾

DNA 纏繞在組蛋白八聚體上形成核小體。組蛋白尾端可接受多種化學修飾，這些修飾會改變染色質結構，也會提供蛋白質辨識的結合位點。

• **乙醯化：**組蛋白乙醯轉移酶（HAT）將乙醯基加到賴胺酸上，降低其正電性與 DNA 負電骨架的吸引力，使染色質較鬆散，通常有利於轉錄。組蛋白去乙醯酶（HDAC）移除乙醯基，常使染色質趨於緊密並降低轉錄。
• **甲基化：**組蛋白甲基轉移酶在特定賴胺酸或精胺酸上加上甲基。其效果取決於修飾的位置及甲基化程度；例如 H3K4me3 常與活躍啟動子相關，H3K9me3 與 H3K27me3 常與轉錄抑制相關。組蛋白去甲基酶可移除甲基。
• **其他修飾：**磷酸化、泛素化及 SUMO 化等，也參與染色質調控、DNA 損傷反應及轉錄調節。

組蛋白修飾常以「寫入者（writer）—讀取者（reader）—移除者（eraser）」系統調節：寫入者建立標記，讀取者辨識標記並招募效應蛋白，移除者則消除標記。單一修飾不必然決定基因開啟或關閉，需視修飾位置、組合及細胞脈絡而定。

核心觀念

題目考的是跨膜運輸的分類。物質穿越脂質雙層時，若需要膜蛋白協助，但不直接消耗 ATP 或其他能量來源，這種運輸稱為促進性擴散（facilitated diffusion），屬於被動運輸。

膜蛋白可形成通道，或作為載體與溶質結合後改變構形，協助溶質通過膜。運輸過程具有選擇性，但不會因此改變被運輸物質的熱力學方向。

解題方法

先依題幹的兩個條件判斷：

1. 需要蛋白質：排除不需膜蛋白、直接穿越脂質雙層的簡單擴散。
2. 不需要能量：排除需能量輸入的主動運輸。

因此，符合條件的過程是促進性擴散。

此過程的驅動力是溶質沿著電化學梯度移動：

• 對不帶電的分子，主要沿濃度梯度由高濃度移向低濃度。
• 對離子，移動方向由濃度差與膜電位共同決定。

以帶電溶質由膜外移入膜內為例，其自由能變化可寫為：

核心觀念

雙硫鍵是兩個半胱胺酸側鏈的巰基氧化後形成的共價鍵：

$$2\,\mathrm{R{-}SH} \rightarrow \mathrm{R{-}S{-}S{-}R} + 2\mathrm{H^+} + 2\mathrm{e^-}$$

此反應受細胞內氧化還原環境影響。細胞質維持還原狀態，較不利於雙硫鍵穩定形成；內質網腔與細胞外環境則相對氧化，有利於雙硫鍵形成與維持。

解題方法與理由

跨膜蛋白的拓樸在合成及運送過程中會保留：朝向內質網腔的一側，經高基氏體與分泌路徑運送後，會成為細胞外側；朝向細胞質的一側則持續面向細胞質。