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甲組《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

核心觀念

本題考查動物細胞中由 acetyl-CoA 合成脂肪酸時，脂肪酸合成途徑所需的能量、還原力與反應驅動機制。

脂肪酸合成的主要參與因素包括：

1. ATP：用於 acetyl-CoA 的羧化反應。
2. 羧化（carboxylation）：將 acetyl-CoA 活化為 malonyl-CoA。
3. 脫羧（decarboxylation）：malonyl-CoA 進行碳鏈延長時釋放 $\mathrm{CO_2}$，推動碳—碳鍵形成。
4. NADPH：提供脂肪酸合成過程中的還原力。

因此，完整答案必須包含 ATP、羧化、脫羧與 NADPH。

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解題方法

脂肪酸合成以 acetyl-CoA 作為起始原料，但真正進入延長循環的兩碳供體是 malonyl-CoA。

首先由 acetyl-CoA carboxylase 催化：

$$\mathrm{Acetyl\text{-}CoA + HCO_3^- + ATP \rightarrow Malonyl\text{-}CoA + ADP + P_i}$$

此步驟需要 ATP，並將 acetyl-CoA 羧化成 malonyl-CoA。

接著，malonyl-CoA 與脂肪酸合成酶上的酰基進行縮合。在此過程中，malonyl 基團會脫去羧基，釋放 $\mathrm{CO_2}$：

$$\mathrm{Malonyl\text{-}ACP \rightarrow Acetyl\text{-}ACP\text{ 的延長反應} + CO_2}$$

這個脫羧反應使縮合反應具有強大的熱力學推動力，促進新的碳—碳鍵形成。每一輪碳鏈延長後，還需經過還原、脫水、再還原三個步驟，其中兩次還原都使用 NADPH：

$$\text{每增加 2 個碳} \quad \Rightarrow \quad \text{消耗 } 2\ \mathrm{NADPH}$$

因此，脂肪酸合成需要 ATP、羧化、脫羧及 NADPH。

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此題考查磷酸戊糖途徑（Pentose Phosphate Pathway, PPP）中兩個重要酶：transaldolase 和 transketolase 的底物和產物轉移特性。這兩個酶在PPP的非氧化階段（non-oxidative phase）中負責轉換碳水化合物，以產生核苷酸合成所需的核糖-5-磷酸，並將剩餘的碳鏈重組。

1. Transketolase: 該酶催化從酮糖（ketose）轉移一個含有兩個碳原子的片段（two-carbon unit）到一個醛糖（aldose）上。它需要硫胺素焦磷酸（thiamine pyrophosphate, TPP）作為輔酶。

   • 例如：Fructose-6-phosphate (6C) + Glyceraldehyde-3-phosphate (3C) $\xrightarrow{Transketolase}$ Erythrose-4-phosphate (4C) + Xylulose-5-phosphate (5C)
   • 在這個例子中，transketolase 轉移了一個 2-carbon unit（來自 Fructose-6-phosphate）到 Glyceraldehyde-3-phosphate 上。

2. Transaldolase: 該酶催化從酮糖轉移一個含有三個碳原子的片段（three-carbon unit）到一個醛糖上。

核心觀念

本題考查糖解作用的調控，重點是辨認能促進糖解作用的變構調節物。

糖解作用中最重要的調控步驟包括：

1. 磷酸果糖激酶-1（PFK-1）

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

   PFK-1 是糖解作用的主要速率限制酶，也是不可逆且具承諾性的步驟。其活性受下列物質調控：

   • 活化劑：AMP、ADP、fructose-2,6-bisphosphate
   • 抑制劑：ATP、citrate、低 pH

2. 丙酮酸激酶（pyruvate kinase）

   $\text{Phosphoenolpyruvate} \rightarrow \text{Pyruvate}$

   其受 fructose-1,6-bisphosphate 進行前饋活化（feed-forward activation），使上游糖解作用加速時，下游反應也能同步增強。

因此，fructose-1,6-bisphosphate 與 fructose-2,6-bisphosphate 都能促進糖解作用。

解題方法

判斷各選項時，先區分：

• 糖解作用的中間產物
• 糖解作用的調節物
• 具有促進或抑制效果的變構調節物

其中：

• fructose-2,6-bisphosphate 直接活化 PFK-1，是促進糖解作用的關鍵調節物。
• fructose-1,6-bisphosphate 雖然是糖解作用中間產物，也能前饋活化 pyruvate kinase。
• glucose-6-phosphate 會抑制 hexokinase，不能作為促進糖解作用的物質。
• glucose-1-phosphate 主要是肝醣分解或合成相關的中間產物，需先轉換成 glucose-6-phosphate，並非糖解作用的主要活化調節物。

所以同時列出兩個具促進作用物質的選項為 （E）。

選項分析

（A）fructose-1,6-bisphosphate

部分正確但不是最佳答案。

Fructose-1,6-bisphosphate 可前饋活化 pyruvate kinase，促進糖解作用後段的反應。因此它確實具有促進糖解作用的效果，但本選項只列出一種活化物，未包含同樣重要的 fructose-2,6-bisphosphate。

（B）glucose-1-phosphate

錯誤。

此題考查 Edman 降解法（Edman degradation）的原理和應用。Edman 降解法是一種用於確定蛋白質或肽鏈 N-端胺基酸序列的化學方法。

Edman 降解法的原理：

1. 活化: 在鹼性條件下，加入苯異硫氰酸酯（phenylisothiocyanate, PITC），稱為 Edman 試劑。PITC 會與蛋白質 N-端的胺基酸（-NH2 端）的氨基反應，形成苯氨基硫脲衍生物（phenylthiocarbamoyl, PTC-amino acid）。
2. 裂解: 在酸性條件下，PTC-amino acid 會發生分子內重排（cyclization），N-端胺基酸的肽鍵斷裂，釋放出一個帶有 PITC 標記的 N-端胺基酸（稱為 anilinothiazolinone, ATZ-amino acid），而剩餘的肽鏈則保持完整，僅 N-端多了一個無 PITC 標記的氨基。
3. 鑑定: 釋放出的 ATZ-amino acid 在酸性水溶液中轉化為更穩定的苯胺噻唑啉酮（phenylthiohydantoin, PTH-amino acid）。通過色譜法（如高效液相色譜法, HPLC）對 PTH-amino acid 進行鑑定，即可確定 N-端胺基酸的種類。

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：

核心觀念

本題考查 ATP 水解反應具有大負自由能變化的原因。基本反應可表示為：

$$\mathrm{ATP + H_2O \rightarrow ADP + P_i}$$

自由能變化為：

$$\Delta G=\Delta G^\circ{}' + RT\ln\frac{[\mathrm{ADP}][P_i]}{[\mathrm{ATP}]}$$

在標準生化條件下，ATP 水解的自由能變化約為：

$$\Delta G^\circ{}' \approx -30.5\ \mathrm{kJ/mol}$$

不同教材常以約 $-30$ 至 $-35\ \mathrm{kJ/mol}$ 表示；細胞內因反應物與產物濃度比例不同，實際 $\Delta G$ 通常更負，可達約 $-45$ 至 $-60\ \mathrm{kJ/mol}$。

ATP 水解之所以有大負自由能，並非單一因素造成，而是多項因素共同作用：

1. ATP 中相鄰磷酸基帶有多個負電荷，彼此存在顯著靜電排斥。
2. 水解產物 ADP 與無機磷酸具有較佳的共振穩定、離子化狀態與水合穩定性。
3. 水解通常增加粒子數與可利用的微觀狀態，具有有利的熵效應。
4. 上述結構與熱力學因素共同使 $\Delta G$ 呈現約 $-30$ 至 $-35\ \mathrm{kJ/mol}$ 的大負值。

解題方法

判斷這類題目時，應分成兩部分：

• 先判斷「為什麼」ATP 水解有利：看反應物與產物的相對穩定性，以及熵變化。
• 再判斷「數值」：ATP 水解的標準自由能變化約為 $-35\ \mathrm{kJ/mol}$。

由於 A、B、C 分別描述 ATP 水解的不同有利因素，而 D 描述其自由能變化的典型數值，因此若 D 的 $35\ \mathrm{kJ/mol}$ 視為自由能變化的「絕對值」，則 A～D 均可成立，答案為 E。

需注意：嚴格而言，自由能變化應寫成負值：

$$\Delta G^\circ{}' \approx -35\ \mathrm{kJ/mol}$$

題目中的 D 未寫負號，是將數值以「約 $35\ \mathrm{kJ/mol}$ 的能量釋放」表示。選擇題語境下通常視為數值大小，而非正的 $\Delta G$。

選項分析

(A) destabilization due to electrostatic repulsion

此題考查蛋白質二級結構中，特定胺基酸殘基對α-螺旋結構的影響。α-螺旋是蛋白質常見的一種二級結構，其特點是肽鏈沿著一個軸盤繞，形成螺旋狀。這種結構的穩定性依賴於胺基酸殘基的性質。

有些胺基酸由於其側鏈的結構特性，會破壞或抑制α-螺旋的形成，被稱為「螺旋破壞者」（helix breakers）。

• 脯胺酸 (Proline): 脯胺酸的側鏈是一個五元環，其α-氨基氮原子被包含在這個環中。這使得脯胺酸的α-氨基氮原子不能作為肽鍵的氫鍵供體（hydrogen bond donor），因為它沒有可供出的氫原子。此外，脯胺酸的環狀結構限制了肽鏈的構象靈活性，使得肽鏈難以形成典型的α-螺旋結構。因此，脯胺酸被認為是強力的α-螺旋破壞者，通常出現在α-螺旋的轉角處或作為螺旋之間的連接。

• 甘胺酸 (Glycine): 甘胺酸的側鏈是氫原子，這使得肽鏈具有很大的構象靈活性，可以形成各種結構，包括螺旋、轉角和鏈環。

核心觀念

C₄植物的碳固定可分為兩個相互銜接的階段：

1. 葉肉細胞中的初級碳固定與四碳酸形成

   • $PEPC$ 將 $PEP$ 與 $HCO_3^-$ 反應形成草醯乙酸。
   • $NADP$-malate dehydrogenase 將草醯乙酸還原成蘋果酸。
   • $NADP$-dependent malic enzyme 在維管束鞘細胞中將蘋果酸脫羧，釋放 $CO_2$。
   • $PPDK$ 再生葉肉細胞中的 $PEP$，使 C₄循環得以持續。

2. 維管束鞘細胞中的 Calvin cycle

   • 脫羧產生的高濃度 $CO_2$ 由 Rubisco 固定。
   • Calvin cycle 進行還原與 RuBP 再生，其中包含 fructose-1,6-bisphosphatase 等酵素。

本題依一般考試對「C₄碳固定途徑」的分類，所問的是哪一個不是 C₄循環的特徵性酵素；答案為 fructose-1,6-bisphosphatase。它屬於 Calvin cycle，而非 C₄植物特有的初級碳固定與 $CO_2$ 濃縮循環。

解題方法

判斷各酵素在 C₄碳固定中的位置：

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

接著：

$$Pyruvate \xrightarrow{PPDK} PEP$$

釋放的 $CO_2$ 進入維管束鞘細胞的 Calvin cycle。Calvin cycle 中的果糖-1,6-二磷酸酶則催化：

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

因此，前四種酵素直接參與 C₄植物的四碳酸循環或 $CO_2$ 濃縮機制；fructose-1,6-bisphosphatase 則是 Calvin cycle 的酵素，不屬於 C₄特有的碳固定循環。

選項分析

(A) Fructose-1,6-bisphosphatase

此酵素參與 Calvin cycle 的還原階段，將 fructose-1,6-bisphosphate 水解為 fructose-6-phosphate，協助形成可用於再生 RuBP 或合成糖類的三碳、六碳糖磷酸。

核心觀念

非循環光磷酸化（non-cyclic photophosphorylation）又稱線性電子流，涉及兩個光系統：

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

其主要特徵如下：

1. PSII 與 PSI 都參與反應。
2. 水分解產生電子、質子與氧氣。
3. 電子由水經由 PSII 傳遞至 PSI，再由 PSI 傳給 $NADP^+$。
4. 電子傳遞過程建立類囊體膜兩側的質子梯度，驅動 ATP synthase 合成 ATP。
5. 電子最後被 $NADP^+$ 接受，形成 $NADPH$。
6. 電子不會回到原本的 PSI，因此稱為「非循環」。

相較之下，循環光磷酸化只涉及 PSI，電子離開 PSI 後經電子傳遞鏈回到 PSI，主要產生 ATP，不產生 $NADPH$，也不涉及水分解與氧氣釋放。

解題方法

判斷各選項是否符合非循環光磷酸化的完整電子流：

$$\mathrm{H_2O \rightarrow PSII \rightarrow PSI \rightarrow NADP^+}$$

若選項描述電子回到 PSI，便代表循環電子流，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兩個光系統共同作用：

• PSII 吸收光能，使電子獲得能量；
• PSI 再次以光能提升電子能階，最後將電子傳給 $NADP^+$。

因此 PSI 與 PSII 都參與非循環光磷酸化。

(B) electron travels back to PSI

錯誤。非循環光磷酸化的電子是單向傳遞：

此題考查糖解作用（glycolysis）的產物進入三羧酸循環（TCA cycle）之前的轉化過程。糖解作用在細胞質中進行，將葡萄糖分解為兩分子的丙酮酸（pyruvate）。丙酮酸隨後需要進入粒線體基質，轉化為乙醯輔酶A（acetyl-CoA），才能進入三羧酸循環。

這個轉化過程由一個多酶複合體——丙酮酸脫氫酶複合體（pyruvate dehydrogenase complex, PDC）催化，發生在粒線體基質中。

反應方程式：
$Pyruvate + CoA + NAD^+ \xrightarrow{PDC} Acetyl-CoA + CO_2 + NADH + H^+$

在這個反應中：

• 丙酮酸（Pyruvate）被氧化，失去一個二氧化碳分子。
• 產生的兩個電子和一個質子被 NAD+ 接受，生成 NADH。

此題考查氮循環（nitrogen cycle）中的各個過程。氮循環描述了氮元素在生物圈和非生物圈之間的轉化過程。

各選項的定義：

• Denitrification (反硝化作用): 在缺氧條件下，某些微生物（反硝化細菌）將硝酸鹽（nitrate, $NO_3^-$）或亞硝酸鹽（nitrite, $NO_2^-$）還原，最終釋放出氮氣（N2）到大氣中。這個過程是氮氣回到大氣的主要途徑。
  $NO_3^- \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO \rightarrow N_2O \rightarrow N_2$

• Nitrogen fixation (固氮作用): 將大氣中的氮氣（N2）轉化為氨（ammonia, $NH_3$）或銨離子（ammonium, $NH_4^+$）的過程。這主要由固氮細菌（如根瘤菌、藍綠藻）完成。

此題考查 DNA 複製過程中可能發生的錯誤及其後果。DNA 聚合酶（DNA polymerase）在複製過程中具有校對（proofreading）功能，能識別並移除錯誤配對的核苷酸。然而，如果錯誤未能被 DNA 聚合酶即時校正，則可能導致突變。

DNA 複製是半保留複製，即新合成的 DNA 分子由一個親代模板鏈和一個新合成的子代鏈組成。DNA 聚合酶在模板鏈上合成互補鏈。

如果 DNA 聚合酶在複製過程中引入了一個錯誤（例如，將一個錯誤的核苷酸併入新合成的子代鏈），並且這個錯誤沒有被其 3'→5' 外切酶活性（校對功能）及時移除，那麼這個錯誤就會被固定在子代 DNA 鏈上。

在下一次 DNA 複製時，這個錯誤的核苷酸將作為模板，指導其互補鏈的合成。

• 如果錯誤發生在親代模板鏈上（極少見，除非是複製前就存在的突變），則會導致子代鏈的改變。
• 如果錯誤發生在新合成的子代鏈上（最常見的情況），則在該次複製完成後，子代鏈上會有一個錯誤。在下一次複製時，這個錯誤的核苷酸會指導其互補鏈的合成，從而導致一個永久性的突變。

考慮到 DNA 聚合酶的校對功能，大多數錯誤都會被修復。但題目假設「not caught by DNA polymerase」，意味著錯誤已經被併入。

選項分析：
(A) both strands of DNA will be mutated：這是不太可能的。DNA 複製時，模板鏈是穩定的，只有新合成的子代鏈可能引入錯誤。

此題考查同源異形基因（homeotic genes）的功能。同源異形基因是一類在發育生物學中起關鍵作用的基因，它們決定了生物體的身體結構模式，例如身體分節、肢體發育等。這些基因在物種間高度保守。

同源異形基因的產物是蛋白質，這些蛋白質通常作為轉錄因子（transcription factors）。它們通過結合到 DNA 的特定序列上，調控其他基因的表達，從而決定細胞的身份和發育命運。

同源異形基因的特徵是它們包含一個稱為「同源異形盒」（homeobox）的 DNA 結合域，其產物蛋白質也含有一個稱為「同源異形結構域」（homeodomain）的 DNA 結合結構域。

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胺基酸序列的過程。核糖體是執行此過程的細胞器。

核糖體在轉譯過程中的主要功能是：

1. 結合 mRNA: 核糖體的小亞基首先結合到 mRNA 的起始密碼子上。
2. 移動 (translocation): 核糖體沿著 mRNA 的 5' 到 3' 方向移動，逐個識別 mRNA 上的密碼子。
3. 催化肽鍵形成: 核糖體的大亞基具有肽醯轉移酶（peptidyl transferase）活性，催化相鄰的胺基酸之間形成肽鍵。這發生在 tRNA 攜帶的胺基酸之間。
4. 促進 tRNA 結合: 核糖體有 A 位（aminoacyl site）、P 位（peptidyl site）和 E 位（exit site），用於容納攜帶胺基酸的 tRNA。

選項分析：
(A) removing incorrectly added amino acids：這個功能主要由 DNA 聚合酶在 DNA 複製時進行校對。在轉譯過程中，雖然有時會發生胺基酸錯配，但核糖體本身沒有主動的「移除錯誤胺基酸」的機制。如果 tRNA 錯配，可能會導致錯誤的胺基酸被加入，但這不是核糖體的主動清除。

此題考查激素結構與信號傳導方式的區別，特別是類固醇激素（steroid hormones）與胺基酸衍生的激素。

1. 結構與來源:

   • 類固醇激素: 由膽固醇衍生而來，屬於脂溶性激素。例如：皮質醇（cortisol）、醛固酮（aldosterone）、性激素（雌激素、雄激素、孕激素）。
   • 胺基酸衍生的激素: 由單個胺基酸（如酪胺酸、色胺酸）修飾而來，或由多肽/蛋白質組成。例如：甲狀腺素（thyroxine，由酪胺酸衍生，但結構較複雜）、腎上腺素（epinephrine，由酪胺酸衍生）、胰島素（insulin，多肽激素）。

2. 溶解性:

   • 類固醇激素: 脂溶性，在水中溶解度低。
   • 胺基酸衍生的激素: 大多數（除甲狀腺素外）是水溶性的。

3. 運輸:

   • 類固醇激素: 在血液中運輸時，需要與載體蛋白結合，因為它們脂溶性強，不易在水性血液中運輸。
   • 胺基酸衍生的激素: 水溶性激素通常溶解在血漿中運輸。

4. 受體與信號傳導:

   • 類固醇激素: 由於脂溶性，它們可以穿過細胞質膜，與細胞內（細胞質或細胞核）的受體結合。激素-受體複合物通常作為轉錄因子，直接調節靶基因的表達。它們通常不使用第二信使系統。

此題考查膽固醇（cholesterol）作為前體的生物合成。膽固醇是細胞膜的重要組成部分，同時也是多種重要生物活性分子的前體。

膽固醇的合成與幾種激素和膽汁酸的合成途徑密切相關，這些分子都屬於類固醇（steroids）或衍生自類固醇結構。

• 類固醇激素 (Steroid Hormones): 膽固醇是所有類固醇激素的直接前體。包括：
  • 性激素：雌二醇（estradiol）、孕酮（progesterone）、睾酮（testosterone）等。
  • 皮質激素：皮質醇（cortisol）、醛固酮（aldosterone）等。
    選項 (A) cortisol, (B) estradiol, (D) progesterone 都是類固醇激素，它們都以膽固醇為前體。

此題考查生物膜（biological membranes）的主要組成成分。細胞膜主要由磷脂（phospholipids）、膽固醇（cholesterol）和蛋白質組成。

1. 磷脂 (Phospholipids): 是生物膜的基本骨架。它們是雙性分子，具有親水的頭部和疏水的尾部，在水中自發形成脂雙層（lipid bilayer）。
   • 磷脂的主要類型:
     • 磷脂醯膽鹼 (Phosphatidylcholine, PC) (選項 B): 是動物細胞膜中最豐富的磷脂之一，佔比較高。
     • 磷脂醯乙醇胺 (Phosphatidylethanolamine, PE) (選項 C): 也是細胞膜中的主要磷脂。
     • 磷脂醯絲胺酸 (Phosphatidylserine, PS): 在細胞內側膜較常見。
     • 磷脂醯肌醇 (Phosphatidylinositol, PI): 在細胞內側膜較常見，參與信號傳導。
     • 磷脂酸 (Phosphatidic acid, PA): 是其他磷脂合成的中間產物。
     • 溶血磷脂 (Lysophospholipid) (選項 A): 溶血磷脂是磷脂經過水解（去除一個脂肪酸）後的產物。

核心觀念

Myristoylation（肉豆蔻醯化）是蛋白質脂質修飾的一種，所接上的脂肪酸是含 14 個碳的肉豆蔻酸（myristic acid，$C_{14:0}$）。

題目特別指出是 amide-linked myristoyl anchor，表示肉豆蔻醯基與蛋白質胺基酸的胺基形成醯胺鍵。典型反應如下：

$$\text{Myristoyl-CoA}+\text{蛋白質 N-terminal Gly} \longrightarrow \text{N-myristoyl-Gly 蛋白質}+\text{CoA}$$

修飾位置是蛋白質的 N 端甘胺酸（N-terminal glycine），催化酵素為 N-myristoyltransferase（NMT）。

許多受質蛋白質起始序列為 MG...：翻譯後，起始甲硫胺酸（Met）被移除，露出第二個位置的甘胺酸，再由 NMT 將肉豆蔻醯基接到甘胺酸的 $\alpha$-胺基上，形成穩定的 N 端醯胺鍵。

解題方法

判斷此題的關鍵有兩步：

1. 先辨認「myristoylation」的典型修飾位置。
2. 再利用「amide-linked」確認修飾基團是接在游離胺基，而非半胱胺酸的巰基或絲胺酸的羥基。

Myristoylation 的標準形式是：

• 脂肪酸：肉豆蔻酸
• 位置：蛋白質 N 端
• 胺基酸：甘胺酸
• 鍵結：醯胺鍵
• 酵素：N-myristoyltransferase

因此正確位置為 N-terminal Gly。

選項分析

• (A) N-terminal Lys：錯誤

  Myristoylation 的典型受質不是 N 端離胺酸，而是 N 端甘胺酸。離胺酸雖然具有 $\varepsilon$-胺基，可形成某些醯化修飾，但不符合經典 N-myristoylation 的位置與受質特異性。

核心觀念

本題考查「非對映異構物（diastereomer）」的定義，以及醣類的立體化學判斷。

非對映異構物必須符合：

1. 分子具有相同的分子式與原子連接順序。
2. 立體配置不同。
3. 彼此不是鏡像關係。

若所有手性中心的配置皆相反，兩者為對映異構物（enantiomers）；若只有部分手性中心相反，則為非對映異構物。

D-glucose 為六碳醛糖，開鏈形式具有 4 個手性中心，C2～C5 的 Fischer 投影中，羥基排列為：

$$\mathrm{D\text{-}glucose:\ right,\ left,\ right,\ right}$$

因此，判斷各選項時，須先確認是否同為六碳醛糖，再比較各手性中心的配置。

解題方法

以 D-glucose 為基準：

• 只差一個手性中心：屬於差向異構物（epimer），也是非對映異構物。
• 差多個但不是全部手性中心：屬於非對映異構物。
• 所有手性中心皆相反：屬於對映異構物。
• 碳數或分子式不同：不是立體異構物，因此不可能是非對映異構物。

D-glucose 是六碳醛糖，分子式為 $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$。D-ribose 是五碳醛糖，分子式為 $\mathrm{C_5H_{10}O_5}$，兩者分子式不同，故可直接判定不是非對映異構物。

選項分析

(A) D-galactose

D-galactose 的羥基排列為：

$$\mathrm{D\text{-}galactose:\ right,\ left,\ left,\ right}$$

與 D-glucose 相比，只有 C4 的配置不同：

• D-glucose：C4 羥基在右側
• D-galactose：C4 羥基在左側

因此 D-galactose 是 D-glucose 的 C4 差向異構物，屬於非對映異構物。

所以 (A) 錯誤。

(B) D-mannose

D-mannose 的羥基排列為：

$$\mathrm{D\text{-}mannose:\ left,\ left,\ right,\ right}$$

與 D-glucose 相比，只有 C2 的配置不同：

• D-glucose：C2 羥基在右側
• D-mannose：C2 羥基在左側

此題考查膽固醇（cholesterol）的生物合成、調控及運輸。

1. 膽固醇的起始合成前體:
   膽固醇的合成是一個複雜的多步驟過程，起始於乙醯輔酶A（acetyl-CoA）。乙醯輔酶A經過一系列反應，首先形成異戊烯焦磷酸（isopentenyl pyrophosphate, IPP）和二甲基烯丙焦磷酸（dimethylallyl pyrophosphate, DMAPP），這是合成膽固醇的五碳單元。然後，六個 IPP 分子縮合形成30碳的鯊烯（squalene），最後鯊烯環化並經過多步修飾轉化為膽固醇。
   因此，膽固醇合成的最基本起始建材是 乙醯輔酶A (acetyl-CoA)。

2. 膽固醇生物合成的調控酶:
   膽固醇合成途徑中，最關鍵的限速步驟是由 HMG-CoA 還原酶 (HMG-CoA reductase) 催化的反應。該酶催化 3-羥基-3-甲基戊二醯輔酶A（HMG-CoA）還原為甲羥戊酸（mevalonate）。這個反應是合成膽固醇途徑中的一個關鍵且不可逆的步驟，也是最主要的調控點。其活性受到膽固醇濃度、激素（如胰島素、升糖素、甲狀腺素）以及藥物（如他汀類藥物）的嚴格調控。

3. 血液循環中膽固醇的主要轉運體:
   膽固醇在血液中以脂蛋白（lipoproteins）的形式運輸，因為膽固醇本身是脂溶性的，無法直接溶解在水性的血液中。主要的脂蛋白包括：

   • 極低密度脂蛋白 (VLDL): 主要運輸內源性三酸甘油酯。
   • 低密度脂蛋白 (LDL): 被稱為「壞膽固醇」，主要將膽固醇從肝臟運輸到外周組織。
   • 高密度脂蛋白 (HDL): 被稱為「好膽固醇」，主要負責從外周組織逆向運輸膽固醇回肝臟。

此題考查嘌呤（purine）的挽救途徑（salvage pathway）。嘌呤核苷酸（如 AMP, GMP）在細胞代謝過程中會被分解，其終產物是嘌呤鹼基（腺嘌呤 adenine, 鳥糞嘌呤 guanine）和核糖。挽救途徑是將這些分解產物重新利用，合成新的嘌呤核苷酸，從而節省細胞的能量和資源。

1. 嘌呤挽救途徑:
   嘌呤挽救途徑是指細胞利用細胞內已有的嘌呤鹼基（腺嘌呤、鳥糞嘌呤）和 5-磷酸核糖（5-phosphoribose），通過酶促反應重新合成腺嘌呤核苷酸（AMP）或鳥糞嘌呤核苷酸（GMP）。這與從頭合成（de novo synthesis）途徑不同，後者是從簡單前體（如甘胺酸、甲酸、CO2、NH3）開始合成嘌呤環。

2. 涉及的反應（底物與產物）:
   嘌呤挽救途徑主要有兩條路徑，分別針對腺嘌呤和鳥嘌呤：

   • 腺嘌呤的挽救:
     • 底物: 腺嘌呤（adenine）+ 5-磷酸核糖（5-phosphoribose）。
     • 產物: 腺苷酸（adenosine monophosphate, AMP）。
     • 反應: 腺嘌呤 + PRPP $\xrightarrow{Adenine\ phosphoribosyltransferase (APRT)}$ AMP + PPi
     • 其中 PRPP (5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate) 是 5-磷酸核糖-1-焦磷酸。
   • 鳥嘌呤的挽救:
     • 底物: 鳥嘌呤（guanine）+ PRPP。
     • 產物: 鳥苷酸（guanosine monophosphate, GMP）。
     • 反應: 鳥嘌呤 + PRPP $\xrightarrow{Hypoxanthine-guanine\ phosphoribosyltransferase (HGPRT)}$ GMP + PPi （注意：此反應實際是先將鳥嘌呤或次黃嘌呤轉化為 GMP 或 IMP，再進一步轉化）。更精確地說，HGPRT 催化次黃嘌呤（hypoxanthine）或鳥嘌呤（guanine）與 PRPP 反應生成 IMP 或 GMP。

此題考查肽鍵（peptide bond）的形成反應及其結構特徵。

肽鍵形成反應 (Peptide Formation Reaction)

肽鍵是由一個胺基酸的α-羧基（-COOH）與另一個胺基酸的α-氨基（-NH2）之間發生縮合反應（condensation reaction）形成的。這個反應會脫去一分子水，形成一個酰胺鍵（amide bond），這就是肽鍵。這個反應通常發生在核糖體上，由肽醯轉移酶（peptidyl transferase）催化。

反應式：
$R_1-CH(NH_2)-COOH + R_2-CH(NH_2)-COOH \xrightarrow{Ribosome/Peptidyl\ transferase,\ -H_2O} R_1-CH(NH_2)-CO-NH-CH(R_2)-COOH + H_2O$

更詳細地表示，從一個胺基酸到另一個胺基酸的肽鏈延伸：
假設 P 位上的 tRNA 攜帶的肽鏈（或胺基酸）為 $Peptide_n$（包含 n 個胺基酸），A 位上的 tRNA 攜帶下一個胺基酸 $AA_{n+1}$。
肽鍵形成反應是將 $Peptide_n$ 的 C-端羧基與 $AA_{n+1}$ 的 N-端氨基連接。
$Peptide_n-COOH + H_2N-AA_{n+1} \rightarrow Peptide_n-CO-NH-AA_{n+1} + H_2O$

這個反應的能量來源是來自 ATP 的活化過程，在核糖體上，肽醯轉移酶活性將肽鏈從 P 位 tRNA 轉移到 A 位 tRNA 上的胺基酸。

肽鍵的四個特徵 (FOUR characteristics of peptide bond)

肽鍵具有幾個重要的結構和化學特徵，這些特徵對蛋白質的結構和功能至關重要：

1. 部分雙鍵性質 (Partial Double Bond Character):
   肽鍵 (-CO-NH-) 具有部分雙鍵性質。這是因為氧原子和氮原子之間存在共振。

此題考查蛋白質結構的四個組織層次。蛋白質的結構決定其功能，其結構可以從低到高分為四個組織層次：一級結構、二級結構、三級結構和四級結構。

1. 一級結構 (Primary Structure):

   • 定義: 蛋白質的一級結構是指胺基酸殘基在其多肽鏈中的線性排列順序。它是由胺基酸之間通過肽鍵（peptide bond）連接而成的。
   • 決定因素: 一級結構由編碼該蛋白質的基因決定，是蛋白質分子中最基本的結構信息。
   • 重要性: 胺基酸的序列決定了蛋白質的摺疊方式、二級結構、三級結構以及最終的功能。任何一級結構的改變（例如單胺基酸替換）都可能導致蛋白質功能的改變甚至喪失（如鐮刀型貧血症）。

2. 二級結構 (Secondary Structure):

   • 定義: 二級結構是指多肽鏈局部區域的規則性空間摺疊模式。這些摺疊主要是由肽鍵骨架原子（N-H 和 C=O）之間形成的氫鍵（hydrogen bonds）穩定。
   • 主要類型:
     • α-螺旋 (α-helix): 多肽鏈捲曲成螺旋狀，肽鏈骨架原子形成規律的氫鍵網絡。
     • β-摺疊 (β-sheet): 多肽鏈可以以平行或反平行的方式排列，形成摺疊的片狀結構，肽鏈骨架原子之間形成氫鍵。
     • β-轉角 (β-turn): 允許多肽鏈突然改變方向，通常由脯胺酸（Pro）和甘胺酸（Gly）等胺基酸參與穩定。
   • 重要性: 二級結構是蛋白質三維結構的基礎，為蛋白質的整體摺疊奠定框架。

3. 三級結構 (Tertiary Structure):

   • 定義: 三級結構是指整個單一多肽鏈的三維空間摺疊構象。它是在二級結構的基礎上，由胺基酸側鏈（R基團）之間的各種相互作用力穩定而形成的。
   • 穩定作用力:
     • 氫鍵: 胺基酸側鏈之間的氫鍵。

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）。

此題考查 DNA 修復機制。DNA 在複製或受到環境損傷時，可能會發生錯誤或損傷。細胞具有多種 DNA 修復機制來維持基因組的穩定性。這裡列舉兩種主要的 DNA 修復機制並詳細描述。

1. 鹼基切除修復 (Base Excision Repair, BER)

• 適用對象: 主要修復由氧化、烷基化、脫氨基等引起的單個受損鹼基。例如，脫氨基的胞嘧啶（變成尿嘧啶, uracil）、8-羥基鳥嘌呤（8-oxoG）等。
• 過程:
  1. 識別與切除鹼基: DNA 糖基酶（DNA glycosylase）識別並切除受損的鹼基，在 DNA 骨架上留下一個無鹼基的位點（AP site, apurinic/apyrimidinic site）。不同的 DNA 糖基酶專門識別特定的受損鹼基。
  2. 切除核苷酸: AP 核酸酶（AP endonuclease）識別 AP site，並切斷相鄰的磷酸二酯鍵，切除含 AP site 的核苷酸。
  3. DNA 聚合酶填補: DNA 聚合酶（如 Pol β）識別缺口，並以正確的鹼基作為模板，合成新的核苷酸填補缺口。
  4. DNA 連接: DNA 連接酶（DNA ligase）連接新合成的核苷酸與原有的 DNA 鏈，形成完整的磷酸二酯鍵。
• 特點: BER 是一種高效且精確的修復系統，能快速清除常見的單鹼基損傷。

2. 核苷酸切除修復 (Nucleotide Excision Repair, NER)

• 適用對象: 主要修復較大、結構性的 DNA 損傷，這些損傷會引起 DNA 鏈的扭曲，例如由紫外線引起的嘧啶二聚體（pyrimidine dimers, 如 T-T وير），或化學物質引起的烷基化、加合物等。
• 過程:
  1. 識別損傷: NER 系統中的識別蛋白（如 UvrA/UvrB 在原核，XPC/XPA 在真核）識別 DNA 鏈上的扭曲或損傷區域。
  2. 解旋與切口形成: 解旋酶（helicase）使損傷區域的雙螺旋解開。

此題考查表觀遺傳學（epigenetics）的過程。表觀遺傳學是指在不改變 DNA 序列本身的前提下，通過調控基因表達而引起的遺傳性狀改變。這些調控機制包括 DNA 甲基化、組蛋白修飾以及非編碼 RNA 的作用。

表觀遺傳學的主要過程:

1. DNA 甲基化 (DNA Methylation):

   • 機制: 在哺乳動物中，DNA 甲基化主要發生在胞嘧啶（cytosine）的 C5 位置，形成 5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine, 5mC）。這個過程由 DNA 甲基轉移酶（DNA methyltransferases, DNMTs）催化，通常是在 CpG 二核苷酸序列（胞嘧啶後面緊跟鳥嘌呤）上進行。
   • 作用:
     • 基因沉默 (Gene Silencing): 胞嘧啶甲基化，特別是啟動子區域的 CpG island 甲基化，通常與基因表達的長期抑制相關。甲基化可以通過兩種方式沉默基因：
       1. 阻礙轉錄因子結合: 甲基基團直接空間阻礙轉錄因子結合到 DNA 啟動子區域。
       2. 招募甲基 CpG 結合蛋白: 甲基化的 CpG 位點可以被甲基 CpG 結合蛋白（Methyl-CpG-binding domain proteins, MBDs）識別並結合。MBDs 隨後可以招募組蛋白去乙醯化酶（HDACs）等蛋白質，導致組蛋白去乙醯化，形成緊密纏繞的常染色質（heterochromatin），進一步抑制基因轉錄。
   • 遺傳性: DNA 甲基化模式在細胞分裂過程中可以被穩定地傳遞給子細胞，這使得表觀遺傳信息得以延續。

2. 組蛋白修飾 (Histone Modification):

   • 機制: 蛋白質結構的第四個層次（四級結構）是蛋白質由多個多肽鏈組成，這些多肽鏈（次單元）通過非共價相互作用結合在一起。組蛋白（histones）是鹼性蛋白質，與帶負電的 DNA 形成核小體（nucleosome），這是染色質的基本結構單位。組蛋白的 N-端尾巴（histone tails）暴露在核小體外，可以發生多種共價修飾，包括乙醯化（acetylation）、甲基化（methylation）、磷酸化（phosphorylation）、泛素化（ubiquitination）等。
   • 作用:
     • 乙醯化 (Acetylation): 通常發生在組蛋白的賴氨酸殘基上，由組蛋白乙醯轉移酶（HATs）催化，並由組蛋白去乙醯化酶（HDACs）去除。

此題考查生物膜的物質運輸方式，特別是需要蛋白質協助但不需要直接能量輸入的運輸方式。

1. 需要蛋白質但不需要能量的跨膜運輸過程:

這種運輸方式稱為協助擴散 (Facilitated Diffusion)。
協助擴散是通過細胞膜上的載體蛋白（carrier protein）或通道蛋白（channel protein）來運輸物質，物質的移動方向是從高濃度區域向低濃度區域（順濃度梯度）。由於是順梯度運輸，因此不需要細胞直接消耗 ATP 等能量。

• 載體蛋白介導的協助擴散: 載體蛋白與要運輸的物質結合，然後改變構象，將物質從一側轉運到另一側。例如，葡萄糖的運輸。
• 通道蛋白介導的協助擴散: 通道蛋白在膜上形成一個親水的通道，允許離子或小分子通過。例如，離子通道（如鉀離子通道、鈉離子通道）和水通道（aquaporins）。

2. 該過程的驅動力量:

此題考查蛋白質結構中二硫鍵（disulfide bond）的形成位置及其原因。二硫鍵是由兩個半胱氨酸（cysteine）殘基的側鏈硫醇基（-SH）氧化形成共價鍵（-S-S-）而產生的。二硫鍵是穩定蛋白質三維結構的重要因素。

1. 二硫鍵形成的位置:

在正常生理條件下，二硫鍵的形成主要發生在蛋白質的 細胞外結構域 (extracellular domain)。

2. 原因解釋:

二硫鍵的形成與其發生的環境的氧化還原電位（redox potential）密切相關。

• 細胞質環境 (Cytoplasmic environment): 細胞質內部是一個相對 還原性 (reducing) 的環境。細胞質中富含還原劑，如谷胱甘肽（glutathione, GSH）、二硫蘇糖醇（dithiothreitol, DTT）等，它們能維持蛋白質的硫醇基處於還原型 (-SH) 狀態，防止二硫鍵的形成。如果二硫鍵在細胞質中形成，它們很容易被還原劑破壞。因此，在細胞質中，二硫鍵的形成是不利且不穩定的。
• 細胞外環境 (Extracellular environment): 相對於細胞質，細胞外的環境（包括細胞間質、血液、分泌物等）通常是 氧化性 (oxidizing) 的。