114 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》

此題考查飢餓狀態下細胞糖質新生（gluconeogenesis）的調控。糖質新生是合成葡萄糖的代謝途徑，與糖解作用（glycolysis）為互逆反應。在飢餓狀態下，身體需要合成葡萄糖以維持血糖穩定。

• 選項 (A)：乙醯輔酶A（Acetyl-CoA）是活化丙酮酸羧化酶（pyruvate carboxylase）的變Allosteric activator。丙酮酸羧化酶是糖質新生的關鍵酵素，催化丙酮酸轉化為草醋酸，是糖質新生進入粒線體的第一步。在飢餓狀態下，乙醯輔酶A濃度升高，會促進丙酮酸羧化酶的活性，有利於糖質新生。
• 選項 (B)：果糖-2,6-二磷酸（Fructose 2,6-bisphosphate）是強力的糖解作用活化劑，同時也是糖質新生抑制劑。它活化磷酸果糖激酶1（PFK1），促進糖解作用；並抑制果糖-1,6-二磷酸酶1（FBPase-1），抑制糖質新生。因此，此選項不利於糖質新生。
• 選項 (C)：腺苷單磷酸（AMP）是糖解作用的活化劑，同時也是磷酸果糖激酶1（PFK1）的活化劑。

此題考查可作為 DNA 更新（turnover）生物標記的尿液成分。DNA 更新是指舊的 DNA 分子被分解並被新合成的 DNA 取代的過程。DNA 的組成單元是去氧核苷酸，而去氧核苷酸的嘧啶鹼基（cytosine, thymine）和嘌呤鹼基（adenine, guanine）在代謝過程中會被分解，其產物會隨尿液排出。

• 選項 (A) beta-alanine：β-丙胺酸是蛋白質的非蛋白質胺基酸，不是核酸的組成部分，也不是 DNA 更新的指標。
• 選項 (B) ammonium ion：銨離子是胺基酸代謝的產物，與蛋白質分解有關，但不是 DNA 更新的直接指標。
• 選項 (C) beta-aminoisobutyrate：β-胺基異丁酸（β-aminoisobutyrate, BAIBA）是胸腺嘧啶（thymine）和纈胺酸（valine）代謝的終產物。

此題考查細胞內不同位置的酵素分佈。我們需要逐一檢視各選項所列結構或酵素的細胞定位。

• 選項 (A) carbamoyl-phosphate synthase 1 (CPS1)：CPS1 是尿素循環（urea cycle）的第一個酵素，催化氨和二氧化碳生成氨甲醯磷酸（carbamoyl phosphate）。此酵素位於粒線體基質（mitochondrial matrix）。
• 選項 (B) voltage-dependent anion channel (VDAC)：VDAC 是一種跨膜蛋白，存在於粒線體外膜（outer mitochondrial membrane），負責調控物質進出粒線體。

此題考查電子傳遞鏈（electron transport chain, ETC）的抑制劑。電子傳遞鏈是細胞進行氧化磷酸化，產生 ATP 的重要過程，位於粒線體內膜。它包含一系列蛋白質複合物，將電子從還原劑傳遞到氧氣，並利用此過程中的能量建立質子梯度。

• 電子傳遞鏈複合物：

  • 複合物 I (NADH 脫氫酶)
  • 複合物 II (琥珀酸脫氫酶)
  • 複合物 III (細胞色素 bc1 複合物)
  • 複合物 IV (細胞色素 c 氧化酶)
  • 輔酶 Q (Ubiquinone) 和細胞色素 c (Cytochrome c) 是傳遞電子的載體。

• 選項 (A) cyanide：氰化物（cyanide）是細胞色素 c 氧化酶（複合物 IV）的強效抑制劑，它與複合物 IV 的鐵離子結合，阻止氧氣接受電子。

• 選項 (B) oligomycin：寡黴素（oligomycin）是 ATP 合成酶（ATP synthase）的抑制劑，它直接干擾 ATP 的合成，而不是電子傳遞本身。

此題考查葡萄糖（glucose）和果糖（fructose）的化學結構關係。葡萄糖和果糖都是六碳醣（hexose），分子式皆為 $C_6H_{12}O_6$。

• 葡萄糖：是一種醛醣（aldose），其結構中含有醛基（-CHO）。
• 果糖：是一種酮醣（ketose），其結構中含有酮基（C=O）。

由於它們的分子式相同，但結構不同（醛基 vs. 酮基，以及碳鏈上的官能基位置不同），它們互為 結構異構物（structural isomers）。

進一步分析：

• 異構物（Isomers）：具有相同分子式但結構不同的化合物。
• 立體異構物（Stereoisomers）：具有相同分子式和連接順序，但原子在空間中的排列不同。
  • 鏡像異構物（Enantiomers）：立體異構物，為互為鏡像的非重疊關係（手性分子）。

此題考查五碳醣磷酸途徑（pentose phosphate pathway, PPP）的主要產物及其功能。五碳醣磷酸途徑是葡萄糖代謝的一條重要途徑，主要在細胞質中進行，具有兩大主要功能：

1. 產生還原型輔酶 II (NADPH)。
2. 產生五碳醣，如核糖-5-磷酸，用於核酸和核苷酸的合成。

• 反應階段：五碳醣磷酸途徑包含兩個階段：氧化階段（不可逆）和非氧化階段（可逆）。
  • 氧化階段：
    • 葡萄糖-6-磷酸 → 6-磷酸葡萄糖酸內酯 (由葡萄糖-6-磷酸脫氫酶催化，消耗 NADP+，產生 NADPH)
    • 6-磷酸葡萄糖酸內酯 → 6-磷酸葡萄糖酸 (由 6-磷酸葡萄糖酸內酯酶催化)
    • 6-磷酸葡萄糖酸 → 核酮糖-5-磷酸 (由 6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶催化，消耗 NADP+，產生 NADPH)
  • 非氧化階段：涉及一系列異構化、差向異構化、去羧基化和轉酮、轉醛反應，將五碳醣轉化回三碳、四碳、六碳、七碳醣，並可產生核糖-5-磷酸。

核心觀念

糖解作用（glycolysis）中，多數反應是可逆的；但有三個反應具有很大的負自由能，屬於生理上不可逆反應：

1. 葡萄糖 $\rightarrow$ 葡萄糖-6-磷酸：hexokinase／glucokinase
2. 果糖-6-磷酸 $\rightarrow$ 果糖-1,6-二磷酸：phosphofructokinase-1（PFK-1）
3. 磷酸烯醇丙酮酸（PEP）$\rightarrow$ 丙酮酸：pyruvate kinase

糖質新生不能直接把這三個不可逆反應倒轉，而必須使用繞道反應（bypass）及不同酵素。

本題選項中只有「葡萄糖轉換成葡萄糖-6-磷酸」屬於糖解作用的不可逆步驟。

解題方法

逐一判斷各反應在糖質新生中是否能由同一酵素直接逆向催化：

• 若為可逆反應，可直接使用糖解作用中的同一酵素逆向進行。
• 若為不可逆反應，則必須由另一組酵素繞道完成。

糖解作用第一步為：

$$\text{Glucose}+\text{ATP} \rightarrow \text{Glucose-6-phosphate}+\text{ADP}$$

此反應由 hexokinase 或 glucokinase 催化，具有高度放能性，不能直接逆向利用同一酵素進行。糖質新生改由 glucose-6-phosphatase 催化：

$$\text{Glucose-6-phosphate}+\mathrm{H_2O} \rightarrow \text{Glucose}+\mathrm{P_i}$$

因此，選項（A）所描述的反應無法直接逆轉。

選項分析

（A）glucose converted into glucose-6-phosphate

此反應由 hexokinase 或 glucokinase 催化，並消耗 ATP：

$$\text{Glucose}+\text{ATP} \rightarrow \text{Glucose-6-phosphate}+\text{ADP}$$

糖質新生不能直接讓 hexokinase 或 glucokinase 逆向催化。逆反應必須使用 glucose-6-phosphatase，將葡萄糖-6-磷酸水解為葡萄糖與無機磷酸：

$$\text{Glucose-6-phosphate}+\mathrm{H_2O} \rightarrow \text{Glucose}+\mathrm{P_i}$$

所以此選項正確。

（B）glucose-6-phosphate converted into fructose-6-phosphate

此反應由 phosphoglucose isomerase 催化：

$$\text{Glucose-6-phosphate} \rightleftharpoons \text{Fructose-6-phosphate}$$

這是可逆的異構化反應。在糖質新生中，果糖-6-磷酸可直接轉回葡萄糖-6-磷酸，不需要另外的繞道酵素。

所以此選項錯誤。

（C）3-phosphoglycerate converted into 1,3-bisphosphoglycerate

核心觀念

本題考查三羧酸循環（Krebs cycle）各步驟的反應類型，以及氧化還原酵素（oxidoreductase）的判斷。

氧化還原酵素主要催化電子或氫的轉移，常見酵素名稱包括：

• 脫氫酶（dehydrogenase）
• 氧化酶（oxidase）
• 還原酶（reductase）

在三羧酸循環中，涉及氧化還原的步驟通常會伴隨：

• $NAD^+$ 還原為 $NADH$
• $FAD$ 還原為 $FADH_2$
• 受質失去氫或電子

其中「異檸檬酸 $\rightarrow$ α-酮戊二酸」由異檸檬酸脫氫酶催化，是典型的氧化還原反應。

解題方法

判斷每個選項的反應是：

1. 氧化還原反應；
2. 脫水或加水反應；
3. 異構化反應；
4. 縮合反應。

若反應涉及脫氫，並且有 $NAD^+$ 或 $FAD$ 接受電子，便屬於氧化還原酵素所催化的反應。

三羧酸循環中的關鍵氧化還原步驟包括：

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

由異檸檬酸脫氫酶催化，反應同時發生氧化脫羧：

$$\text{Isocitrate} + NAD^+ \rightarrow \alpha\text{-ketoglutarate} + CO_2 + NADH + H^+$$

因此，此反應符合氧化還原酵素的定義。

選項分析

(A) oxaloacetate $\rightarrow$ citrate

此步驟由檸檬酸合成酶（citrate synthase）催化：

$$\text{Oxaloacetate} + \text{Acetyl-CoA} \rightarrow \text{Citrate} + CoA-SH$$

這是乙醯基與草醯乙酸的縮合反應，並非電子轉移或脫氫反應。因此錯誤。

(B) isocitric acid $\rightarrow$ α-ketoglutaric acid

此步驟由異檸檬酸脫氫酶（isocitrate dehydrogenase）催化。

異檸檬酸先被氧化形成草醯琥珀酸，接著脫羧生成 α-酮戊二酸，同時：

$$NAD^+ \rightarrow NADH$$

核心觀念

本題考核 RNA 與 DNA 五碳糖結構差異，以及此差異對核酸化學穩定性的影響。

RNA 的核糖在 2′碳上具有羥基（2′-OH）；DNA 的去氧核糖在 2′碳上則只有氫原子（2′-H）。因此，RNA 比 DNA 多出一個具有反應性的羥基。

RNA 的磷酸二酯鍵在鹼性條件下容易發生分子內轉酯反應，使 RNA 鏈斷裂；DNA 缺乏 2′-OH，無法以相同機制進行，因此化學穩定性較高。

解題方法

判斷單股 RNA 與單股 DNA 的化學穩定性，應直接比較兩者的糖結構：

• RNA：核糖，含有 2′-OH。
• DNA：去氧核糖，2′位置為 H。

RNA 的 2′-OH 可進行下列反應：

1. 2′-OH 去質子化，形成較具親核性的 2′-O⁻。
2. 2′-O⁻ 進攻相鄰磷酸基團。
3. 形成暫時性的 2′,3′-環磷酸酯中間體。
4. 原本的 $3′$–$5′$ 磷酸二酯鍵斷裂，RNA 主鏈因而裂解。

可概念化表示為：

$$\text{2′-OH} \rightarrow \text{2′-O}^-$$ $$\text{2′-O}^- \text{ 攻擊磷酸基團} \rightarrow \text{2′,3′-環磷酸酯} \rightarrow \text{RNA 主鏈斷裂}$$

因此，RNA 的 2′-OH 同時具有：

• 分子內親核攻擊的功能；
• 酸鹼催化反應中的可去質子化位置；
• 促進磷酸二酯鍵水解或轉酯的反應性。

DNA 的 2′位置沒有羥基，只有不具相同親核性的氫原子，故不易發生上述主鏈自發裂解反應。

選項分析

(A) ssRNA has a more rigid structure than ssDNA.

錯誤。RNA 的化學不穩定性主要來自核糖上的 2′-OH，而不是因為單股 RNA 具有較剛性的結構。即使不考慮整體構形，2′-OH 仍可促進磷酸二酯鍵裂解。

此外，RNA 常傾向形成局部髮夾、莖環等二級結構，但「結構剛性」並非造成 RNA 化學不穩定性的根本原因。

此題考查胺基酸在蛋白質結構中的靈活性。蛋白質的柔韌性（flexibility）與其胺基酸組成密切相關。胺基酸側鏈的結構、主鏈的旋轉自由度都會影響蛋白質的構象變化能力。

• 胺基酸結構與靈活性：

  • 主鏈（backbone）：蛋白質主鏈由重複的 -N-Cα-C- 單元組成。Cα-C 鍵和 N-Cα 鍵可以自由旋轉，但由於肽鍵（-CO-NH-）的共振效應，肽鍵本身是平面結構，不能自由旋轉。
  • 側鏈（side chain）：胺基酸的側鏈結構多樣，影響其空間位阻和相互作用。

• 各選項分析：

  • (A) Alanine (Ala)：側鏈是甲基（-CH3）。相對較小，但仍有一定程度的旋轉。
  • (B) Leucine (Leu)：側鏈是異丁基。較大且疏水，會影響局部構象，但本身有旋轉自由度。

此題考查 Flippases 的功能。Flippases 是一類位於細胞膜上的酶，它們在維持細胞膜脂質組成的特異性方面起著關鍵作用。

• 細胞膜的組成與結構：細胞膜主要由磷脂雙分子層構成，其中磷脂分子具有親水性頭部和疏水性尾部。磷脂分子在膜的內外層（leaflet）分佈是不對稱的。
• 脂質的運動：磷脂分子可以在膜內自由移動（橫向擴散），也可以進行翻轉（flip-flop），即從膜的一層移動到另一層。這種翻轉過程通常非常緩慢，因為需要將親水性頭部穿過疏水的脂質雙分子層。
• Flippases 的作用：Flippases 是一類 ATP 依賴性的轉運蛋白，它們催化磷脂分子從膜的一個單層（leaflet）定向地、跨膜地移動到另一個單層。這種移動通常是從細胞質單層移動到外質單層（外側），或者反之，具體取決於 Flippase 的類型和細胞膜的類型（例如質膜、內質網膜、高爾基體膜等）。它們的活動對於維持膜的結構和功能至關重要，例如在外層磷脂的累積、細胞信號傳導、囊泡運輸等過程中發揮作用。

此題考查醛醣（aldopentose）結構中手性碳原子的數量。醛醣是指分子中含有醛基（-CHO）的醣類。戊醣（pentose）是指含有五個碳原子的醣類。

• 醛醣的結構：

  • 醛醣的結構通式為 $CH_2O$ (n=3, triose; n=4, tetrose; n=5, pentose; n=6, hexose)。
  • 對於一個 n-碳的醛醣，其結構式為：
    • C1 是醛基 (-CHO)。
    • C2, C3, ..., C(n-1) 是帶有羥基（-OH）的碳原子。
    • Cn 是伯醇基（-CH2OH）。

• 手性碳原子：手性碳原子是指與四個不同的原子或原子團相連的碳原子。

• 醛戊醣的結構（n=5）：

  • C1: -CHO (醛基)，不是手性碳（兩個氫原子）。
  • C2: 連接 H, OH, C1, C3-C5。如果 C2 上連接的 H 和 OH 不同於 C1 和 C3-C5 的組合，則 C2 是手性碳。
  • C3: 連接 H, OH, C2, C4-C5。如果 C3 上連接的 H 和 OH 不同於 C2 和 C4-C5 的組合，則 C3 是手性碳。
  • C4: 連接 H, OH, C3, C5。如果 C4 上連接的 H 和 OH 不同於 C3 和 C5 的組合，則 C4 是手性碳。
  • C5: -CH2OH (伯醇基)，不是手性碳（兩個氫原子）。

此題考查胺基轉移酶（aminotransferases）的特性，並找出例外。胺基轉移酶，也稱為轉胺酶（transaminases），在胺基酸代謝中扮演核心角色，它們催化胺基從一個胺基酸轉移到一個 α-酮酸，從而生成一個新的 α-酮酸和一個新的胺基酸。

我們來逐一分析各個選項：

• (A) Can make a a-keto acid from an a-amino acid：這是胺基轉移酶的核心功能。它們將胺基酸的 α-胺基轉移出去，將原來的 α-胺基酸轉化為 α-酮酸。例如，丙胺酸轉胺酶（ALT）催化丙胺酸轉化為丙酮酸，同時將胺基轉移到 α-酮戊二酸生成麩胺酸。

• (B) use pyridoxal phosphate as a carrier of amino acid：吡哆醛磷酸（pyridoxal phosphate, PLP）是維生素 B6 的活性形式，是所有胺基轉移酶的輔酶。PLP 在反應機制中作為一個臨時的「胺基載體」，通過形成席夫鹼（Schiff base）與胺基酸結合，完成胺基的轉移。

此題考查丙酮酸（pyruvate）的代謝途徑，特別是糖質新生（gluconeogenesis）和氧化成乙醯輔酶A（acetyl-CoA）的調控。

我們來分析丙酮酸的兩個主要走向：

1. 糖質新生（從丙酮酸合成葡萄糖）：

   • 此過程發生在肝臟和腎臟細胞。
   • 第一步：丙酮酸 → 草醋酸。由丙酮酸羧化酶（pyruvate carboxylase, PC）催化。此反應發生在粒線體基質，需要生物素（biotin）和 ATP。
   • 第二步：草醋酸 → 磷酸烯醇丙酮酸。由磷酸烯醇丙酮酸羧激酶（PEP carboxykinase, PEPCK）催化。在肝臟中，此反應發生在粒線體，需要 GTP；在其他組織中，發生在細胞質，需要 GTP。
   • 後續步驟則與糖解作用的逆反應相同。
   • 調控：PC 被乙醯輔酶A（acetyl-CoA）活化。高濃度的乙醯輔酶A（通常在能量充足時出現）表明細胞不需要進一步氧化丙酮酸，因此會促進其進入糖質新生途徑。

2. 氧化成乙醯輔酶A：

   • 此過程由丙酮酸脫氫酶複合物（pyruvate dehydrogenase complex, PDC）催化。
   • 反應：丙酮酸 + NAD+ + CoA → 乙醯輔酶A + NADH + $CO_2$。
   • 此反應發生在粒線體基質。
   • 調控：PDC 受到嚴格的調控，以協調能量代謝。
     • 抑制：PDC 被 ATP、乙醯輔酶A 和 NADH 異位性抑制（allosterically inhibited）。高濃度的這些產物表明細胞能量充足，不需要更多乙醯輔酶A。
     • 活化：PDC 被 ADP、NAD+ 和 CoA 異位性活化。低濃度的這些產物（高濃度的 ATP、乙醯輔酶A、NADH）則會抑制。
     • 另外，PDC 的活性也通過共價修飾（磷酸化/去磷酸化）來調控。

核心觀念

本題考查檸檬酸循環中各脫氫酶所使用的電子受體。氧化還原反應中：

• $NAD^+$ 接受氫化物離子，還原成 $NADH$。
• $FAD$ 接受氫原子，還原成 $FADH_2$。
• 檸檬酸循環共有三個主要以 $NAD^+$ 為輔酶的氧化步驟，以及一個以 $FAD$ 為輔酶的氧化步驟。

其中，琥珀酸脫氫酶同時也是電子傳遞鏈的複合體 II，使用緊密結合的 $FAD$，而非 $NAD^+$。

解題方法

逐一判斷各選項所代表的反應，確認其氧化還原輔酶：

$$\text{異檸檬酸} \xrightarrow{\text{isocitrate dehydrogenase}} \alpha\text{-酮戊二酸}$$ $$\text{蘋果酸} \xrightarrow{\text{malate dehydrogenase}} \text{草醯乙酸}$$ $$\alpha\text{-酮戊二酸} \xrightarrow{\alpha\text{-ketoglutarate dehydrogenase}} \text{琥珀醯-CoA}$$ $$\text{琥珀酸} \xrightarrow{\text{succinate dehydrogenase}} \text{延胡索酸}$$

前三個反應的電子最後由 $NAD^+$ 接受，生成 $NADH$；最後一個反應則由 $FAD$ 接受電子，生成 $FADH_2$。因此不需要 $NAD^+$ 的反應是琥珀酸脫氫酶所催化的反應。

選項分析

• (A) isocitrate dehydrogenase：錯誤。
  異檸檬酸脫氫酶催化異檸檬酸氧化脫羧，生成 $\alpha$-酮戊二酸、$CO_2$ 與 $NADH$：

  $\text{Isocitrate} + NAD^+ \rightarrow \alpha\text{-ketoglutarate} + CO_2 + NADH + H^+$

  因此需要 $NAD^+$ 作為輔酶。

此題考查 HMG-CoA 還原酶（HMG-CoA reductase）的調控機制。HMG-CoA 還原酶是膽固醇合成途徑中的限速酶，其活性受到多種機制調控，以維持細胞內膽固醇水平的穩定。

我們來逐一分析各選項：

• (A) HMG-CoA reductase phosphatase can activate HMG-CoA reductase：
  HMG-CoA 還原酶的活性受到磷酸化/去磷酸化調控。磷酸化通常使其失活，而去磷酸化則使其活化。催化去磷酸化的是一種磷酸酶（phosphatase）。因此，HMG-CoA 還原酶磷酸酶（HMG-CoA reductase phosphatase）確實可以 活化 HMG-CoA 還原酶。此選項可能是正確的。

• (B) A high AMP: ATP ratio leads to activation of HMG-CoA reductase：
  高 AMP:ATP 比意味著細胞能量水平低。在能量低時，細胞會抑制合成代謝，優先提供能量給必需過程。HMG-CoA 還原酶是合成代謝的關鍵酶，因此在能量低時（高 AMP:ATP 比）會被 抑制，而不是活化。

• (C) Phosphorylation by CAMP-dependent kinase activates HMG-CoA reductase：

此題考查酶催化反應中「過渡態穩定化」（transition-state stabilization）的作用。酶催化反應的關鍵在於降低反應所需的活化能。

• 活化能（Activation Energy, $E_a$）：化學反應從反應物轉變為產物需要越過一個能量障礙，這個能量障礙就是活化能。活化能越高，反應速率越慢。
• 酶催化：酶通過與反應物（底物）結合，形成酶-底物複合物（ES complex）。酶的活性位點能夠特異性地識別並結合底物，並將其轉化為過渡態（transition state）。過渡態是反應物和產物之間一個不穩定的、能量最高的狀態。
• 過渡態穩定化：酶的活性位點能夠非常有效地穩定過渡態。這意味著酶與過渡態的結合親和力遠高於其與底物或產物的結合親和力。通過與過渡態的強烈結合，酶降低了過渡態的能量。
  • 反應機理：想像一個反應從 A 變為 B，需要經過一個不穩定的過渡態 $A \cdots B^\ddagger$。酶通過與 $A \cdots B^\ddagger$ 強烈結合，降低了 $A \cdots B^\ddagger$ 的能量。由於反應速率主要由活化能（從反應物到過渡態的能量差）決定，降低了過渡態的能量，也就降低了活化能，從而大大加快了反應速率。

核心觀念

本題考查骨骼肌收縮時，肌球蛋白（myosin）與肌動蛋白（actin）之間的交叉橋循環（cross-bridge cycle）。

主要事件如下：

1. 肌漿網（sarcoplasmic reticulum）釋放 $Ca^{2+}$。
2. $Ca^{2+}$ 與 troponin C 結合，使 tropomyosin 移位，暴露 actin 上的肌球蛋白結合位點。
3. 肌球蛋白頭部的 switch 1 與 switch 2 開啟，調整 ATP 結合袋的構形。
4. ATP 水解成 ADP 與 $P_i$，釋放能量，使肌球蛋白頭部進入高能量、預備出力的構形。
5. 肌球蛋白頭部產生 power stroke，拉動 actin 向肌節中央移動。
6. 隨後肌球蛋白與 actin 分離，進入下一輪循環。

因此，本題所採用的事件順序為：

$$a \rightarrow e \rightarrow b \rightarrow d \rightarrow c$$

解題方法

先抓住肌肉收縮的起始事件：細胞內 $Ca^{2+}$ 濃度升高，必須先由肌漿網釋放 $Ca^{2+}$，因此第一個事件一定是 $a$。

接著，$Ca^{2+}$ 引發 troponin–tropomyosin 調控系統改變，使肌球蛋白頭部的構形開關 switch 1 與 switch 2 開啟，故接著是 $e$。

肌球蛋白頭部接著進行 ATP 水解：

$$ATP \rightarrow ADP + P_i + \text{能量}$$

水解所釋放的能量使肌球蛋白頭部被「上弦」，形成可進行出力的高能量狀態，因此 $b$ 排在 $e$ 之後。

之後肌球蛋白頭部進行 power stroke，拉動 actin，故接著是 $d$。完成一次出力後，肌球蛋白與 actin 分離，故最後是 $c$。

所以正確順序為：

$$aebdc$$

選項分析

(A) aebdc

正確。

順序為：

• $a$：肌漿網釋放 $Ca^{2+}$
• $e$：肌球蛋白頭部 switch 1、switch 2 開啟
• $b$：ATP 水解並釋放能量
• $d$：產生 power stroke

此題考查酶催化效率（catalytic efficiency）的比較。酶催化效率通常用 $k_{cat}/K_m$ 比值來衡量。其中，$k_{cat}$ 是指 turnover number，即每單位時間一個酶分子能轉化多少底物分子，在簡單的 Michaelis-Menten 動力學中，$k_{cat}$ 通常用 $k_{cat}$ 或 $k_{uncat}$ 表示。題目中給出的 $k^1$ 應該是指 $k_{cat}$（turnover rate constant）。

• 催化效率的定義：$Catalytic Efficiency = \frac{k_{cat}}{K_m}$

  • $k_{cat}$（turnover number）：酶分子將底物轉化為產物的最大速率常數。值越高，酶轉化底物的速度越快。
  • $K_m$（Michaelis constant）：底物濃度等於一半最大反應速率 ($V_{max}/2$) 時的底物濃度。它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。
  • $k_{cat}/K_m$ 比值：這個比值綜合考慮了酶轉化底物的速度和對底物的親和力。$k_{cat}/K_m$ 值越高，表示酶的催化效率越高。這個比值也被稱為「酶的 المحدد（specificity constant）」，因為它在底物濃度遠低於 $K_m$ 時，反應速率 $v \approx \frac{k_{cat}}{K_m}[E]_T[S]$，其中 $[E]_T$ 是總酶濃度。

• 計算：

  • 對於底物 S：
    • $K_m^S = 2 \text{ mM} = 2 \times 10^{-3} \text{ M}$
    • $k_{cat}^S = k^1_S = 5 \times 10^3 \text{ sec}^{-1}$
    • 催化效率 $= \frac{k_{cat}^S}{K_m^S} = \frac{5 \times 10^3 \text{ sec}^{-1}}{2 \times 10^{-3} \text{ M}} = 2.5 \times 10^6 \text{ M}^{-1}\text{sec}^{-1}$

核心觀念

本題考查血紅蛋白（hemoglobin, Hb）的正協同性（positive cooperativity）。

血紅蛋白由四個次單元組成，每個次單元可結合一個氧分子。當第一個氧分子與其中一個次單元結合後，會促使血紅蛋白由低親和力的 T state（tense state） 轉變為高親和力的 R state（relaxed state），使其餘次單元更容易結合氧。

因此，氧結合不是彼此獨立，而是前一個氧分子的結合會促進後續氧分子的結合，這種現象稱為正協同性。

血紅蛋白的氧結合曲線呈 S 形（sigmoidal），正是正協同性的典型表現。相較之下，單體肌紅蛋白（myoglobin）缺乏多個相互影響的次單元，其氧結合曲線通常呈雙曲線。

解題方法

題幹的關鍵語句是：

enhance oxygen binding after the first oxygen molecule binds

意思是「第一個氧分子結合後，增強後續氧分子的結合能力」。

判斷步驟如下：

1. 第一個氧分子與血紅蛋白結合。
2. 血紅蛋白構形改變，T state 轉為較偏向 R state。
3. 其餘氧結合位置對氧的親和力提高。
4. 前一個配體的結合促進後續配體結合，定義為正協同性。
5. 這種多個配體結合彼此影響的現象，其專有名詞為 cooperativity。

因此正確答案為 (D) Cooperativity。

選項分析

(A) Allosteric inhibition

錯誤。

Allosteric inhibition（變構抑制）是指某分子結合於蛋白質的變構部位，使蛋白質活性或配體結合能力下降。

本題描述的是第一個氧分子結合後，使後續氧分子的結合能力上升，屬於促進作用，不是抑制作用。

(B) Competitive inhibition

錯誤。

Competitive inhibition（競爭性抑制）是指抑制劑與底物競爭同一個活性部位，常見於酵素反應。例如競爭性抑制會使表觀 $K_m$ 上升，但不直接改變 $V_{\max}$。

多醣（polysaccharides）與胜肽（polypeptides）相比，結構多樣性更高的原因主要有以下幾點：

1. 單體的種類和結構：

   • 胜肽：由胺基酸組成。雖然有 20 種常見的蛋白質胺基酸，它們的側鏈結構多樣，但胺基酸本身具有相對固定的結構（α-胺基酸）。
   • 多醣：主要由單醣（monosaccharides）組成。常見的單醣如葡萄糖、果糖、半乳糖等。然而，單醣本身就存在多種異構物（如 D-型、L-型、α-、β-異構物、差向異構物等）。更重要的是，單醣可以通過不同的碳原子形成糖苷鍵（glycosidic bond），這大大增加了連接的可能性。

2. 連接方式（糖苷鍵的多樣性）：

   • 胜肽：胺基酸之間通過肽鍵（peptide bond）連接，即一個胺基酸的 α-羧基與另一個胺基酸的 α-胺基之間形成酰胺鍵。這種連接方式相對單一。
   • 多醣：單醣之間通過糖苷鍵連接。糖苷鍵可以發生在兩個單醣的任意兩個羥基之間，並且存在 α 或 β 的構型。例如，葡萄糖可以通過 C1 和 C4 形成 α(1→4) 糖苷鍵（如麥芽糖），也可以通過 C1 和 C6 形成 α(1→6) 糖苷鍵（如支鏈澱粉），或者通過 C1 和 C4 形成 β(1→4) 糖苷鍵（如纖維素）。這種多樣的連接方式（包括鍵的類型，如 1→4, 1→6, 1→3, 1→2 等，以及鍵的構型，如 α 或 β）是多醣結構多樣性的主要來源。

在生理 pH 值（約 7.4）下，完全帶正電的胺基酸是指其側鏈在生理 pH 下帶有永久性正電荷的胺基酸。這類胺基酸屬於鹼性胺基酸。

常見的蛋白質胺基酸及其側鏈在生理 pH 下的質子化狀態：

• 酸性胺基酸：

  • 天門冬胺酸（Aspartic acid, Asp）：側鏈是羧基 (-COOH)。在 pH 7.4 時，其 pKa 約為 3.9，遠低於生理 pH。因此，羧基會去質子化，帶負電 (-COO⁻)。
  • 麩胺酸（Glutamic acid, Glu）：側鏈是羧基 (-COOH)。在 pH 7.4 時，其 pKa 約為 4.2，遠低於生理 pH。因此，羧基會去質子化，帶負電 (-COO⁻)。

• 鹼性胺基酸：

  • 離胺酸（Lysine, Lys）：側鏈有一個額外的胺基 (-NH₂)。其側鏈胺基的 pKa 約為 10.5。在 pH 7.4 時，遠低於 pKa，因此側鏈胺基會質子化，帶正電 (-NH₃⁺)。
  • 精胺酸（Arginine, Arg）：側鏈含有胍基（guanidino group）。其側鏈的 pKa 約為 12.5。

ATP 合成酶 (ATP Synthase) 的結構 (2 points)

ATP 合成酶是一個大型的蛋白質複合物，位於粒線體內膜、葉綠體類囊體膜和細菌質膜上。它是一個 ATP 水解酶（ATP hydrolase）和 ATP 合成酶（ATP synthase），在氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）和光合磷酸化（photophosphorylation）過程中催化 ATP 的合成。

ATP 合成酶主要由兩個功能區域組成：

1. F₀ 區域 (F₀ component)：

   • 嵌入在膜中。
   • 包含一個質子通道（proton channel），允許質子（$H^+$）順濃度梯度通過膜。
   • 由多個亞基組成，最重要的是：
     • c 亞基環 (c-subunit ring)：通常由 8-15 個 c 亞基組成，每個 c 亞基都包含一個與質子結合的位點。當質子進入 c 亞基環時，會驅動環的旋轉。
     • a 亞基 (a subunit)：與 c 亞基環相互作用，提供一個質子進出口通道。
     • b 亞基 (b subunit)：形成一個「靜止」的支架，將 F₀ 的一部分固定在膜外，與 F₁ 的 γ 亞基相互作用。

2. F₁ 區域 (F₁ component)：

   • 突出到膜的細胞質或基質側。
   • 是催化 ATP 合成的部位。
   • 由五個不同的亞基組成，通常表示為 $α_3β_3γδε$。
     • α 和 β 亞基：形成六個交替排列的 α-β 異二聚體，它們是 ATP 合成和水解的主要位點。每個 β 亞基可以結合 ATP。
     • γ 亞基 (γ subunit)：位於 α-β 異二聚體環的中心，與 c 亞基環相連。當 c 亞基環旋轉時，γ 亞基也隨之旋轉，並在 α-β 異二聚體之間產生構象變化，驅動 ATP 的合成。
     • δ 和 ε 亞基 (δ and ε subunits)：參與 F₀ 和 F₁ 之間的連接，並調節 ATP 合成酶的活性。

結構簡圖：
想像一個 ATP 合成酶，F₀ 部份嵌入膜中，有一個質子通道 (a 亞基與 c 亞基環構成)。F₁ 部份伸出膜外，有一個中心桿 (γ 亞基，與 c 亞基環相連) 和外圍的 α-β 異二聚體環。

ATP 合成酶與化學滲透假說的聯繫 (6 points)

化學滲透假說（Chemiosmotic Hypothesis）由 Peter Mitchell 提出，解釋了 ATP 如何在氧化磷酸化和光合磷酸化中產生。該假說認為，電子傳遞鏈（ETC）在膜上建立了一個質子梯度（proton gradient），即膜兩側的質子濃度差異和電勢差異（膜電位）。ATP 合成酶利用這個質子梯度來驅動 ATP 的合成。

植物中澱粉的合成 (4 points)

澱粉是植物儲存葡萄糖的主要形式，是一種由 α-葡萄糖單元組成的多醣。它主要由兩種結構不同的聚合物組成：直鏈澱粉（amylose）和支鏈澱粉（amylopectin）。

澱粉的合成主要發生在葉綠體（chloroplasts）和一些非光合組織的質體（plastids）中，是一個多步驟的生化過程：

1. 葡萄糖的來源：澱粉合成的直接前體是 二磷酸尿苷葡萄糖 (UDP-glucose)。UDP-glucose 主要由細胞質中的蔗糖合成途徑產生，然後運輸到葉綠體基質。在葉綠體內，也可以通過光合作用產生的三碳醣（如 3-磷酸甘油醛）轉化而來。

2. UDP-葡萄糖的活化：UDP-glucose 是活化的葡萄糖形式，其高能的 UDP 部分有利於葡萄糖單元的轉移。

3. 澱粉合成酶 (Starch Synthases)：

   • GBSS (Granule-bound starch synthase)：這種酶主要負責合成 直鏈澱粉。它將 UDP-glucose 的葡萄糖單元連接起來，形成 α(1→4) 糖苷鍵，生成直鏈的葡萄糖鏈。GBSS 結合在澱粉顆粒的表面。
   • SBE (Starch branching enzyme)：這種酶負責在直鏈澱粉鏈上引入分支。它通過切割 α(1→4) 鍵，然後將葡萄糖鏈的末端重新連接到另一個葡萄糖單元的 C6 位置，形成 α(1→6) 糖苷鍵。這就生成了 支鏈澱粉。SBE 的作用是增加澱粉的溶解度，並使其更容易被分解。

4. 澱粉顆粒的形成：澱粉合成酶和分支酶協同作用，在澱粉顆粒的表面逐步添加葡萄糖單元，形成越來越大的澱粉顆粒。

光合作用對澱粉合成的調節 (4 points)

光合作用為澱粉的合成提供了直接的能量和碳源，並通過多種機制調節其過程：

有機硫（organic sulfur）的同化，即將無機硫化物（如硫酸鹽 $SO_4^{2-}$）轉化為有機硫化合物（如胺基酸中的甲硫胺酸 Methionine 和半胱胺酸 Cysteine）的過程，在生物體內（尤其是微生物和植物）是一個複雜但至關重要的代謝途徑。這個過程通常從還原硫酸鹽開始。

硫酸鹽的還原與有機硫的同化

硫酸鹽的還原是一個多步驟的過程，需要消耗能量（ATP）和還原力（NADPH）。這個過程主要分為以下幾個階段：

1. 硫酸鹽的活化 (Activation of Sulfate)：

   • 首先，無機硫酸鹽 ($SO_4^{2-}$) 需要被活化，才能參與後續的還原反應。
   • 第一步：ATP 硫酯酶（ATP sulfurylase）催化硫酸鹽和 ATP 反應，生成腺苷磷酸硫酸鹽 (adenosine phosphosulfate, APS)。這個反應消耗 ATP。
     • $SO_4^{2-} + ATP \rightarrow APS + PPi$
   • 第二步：APS 可以被進一步活化。
     • 在許多細菌和植物中，APS 激酶（APS kinase）催化 APS 和 ATP 反應，生成三磷酸腺苷硫酸鹽 (3'-phosphoadenosine phosphosulfate, PAPS)。PAPS 是硫酸鹽活化更常見的形式，也是許多硫酸基轉移反應（sulfotransfer reactions）的供體。
       • $APS + ATP \rightarrow PAPS + ADP$
     • 在一些細菌中，APS 可以直接被還原，不經過 PAPS。

2. 硫酸鹽的還原 (Reduction of Sulfate)：

   • PAPS（或 APS）是還原的起始物。還原過程需要消耗大量的能量和還原力。
   • PAPS 的還原：
     • PAPS 被一系列還原酶催化，逐步還原。這個過程通常涉及兩個主要的還原步驟，每一個步驟都需要 NADPH 作為還原劑。
     • 第一步還原：PAPS 被 PAPS 還原酶（PAPS reductase）催化，還原為**亞硫酸鹽 (sulfite, $SO_3^{2-}$) **。這個反應通常需要兩個 NADPH 分子。
       • $PAPS + 2 NADPH + H^+ \rightarrow Sulfite + PAP + 2 NADP^+$
     • 第二步還原：亞硫酸鹽 ($SO_3^{2-}$) 被亞硫酸鹽氧化酶（sulfite oxidase）或亞硫酸鹽還原酶（sulfite reductase）催化，進一步還原為硫化物 (sulfide, $S^{2-}$ 或 $HS^-$)。

氨甲醯磷酸（carbamoyl phosphate, CP）是兩種重要代謝途徑的關鍵中間產物：尿素循環（urea cycle）和嘧啶核苷酸從頭合成（de novo pyrimidine nucleotide biosynthesis）。儘管都生成氨甲醯磷酸，但這兩種途徑中的氨甲醯磷酸合成酶（carbamoyl-phosphate synthetase）在底物、位置、途徑和調控上都有顯著差異。

特徵	氨甲醯磷酸合成酶 I (CPS I)	氨甲醯磷酸合成酶 II (CPS II)
底物	氨 ($NH_3$)，二氧化碳 ($CO_2$)，ATP	麩胺醯胺 (glutamine)，二氧化碳 ($CO_2$)，ATP
輔因子/活化劑	N-乙醯麩胺酸 (N-acetylglutamate, NAG)	無特定活化劑（但其活性受細胞內嘧啶濃度調控）
細胞內定位	粒線體基質 (mitochondrial matrix)	細胞質 (cytosol)
參與的途徑	尿素循環 (Urea Cycle)：將氨排出體外，生成尿素。	嘧啶核苷酸從頭合成 (De novo pyrimidine synthesis)：合成胞嘧啶 (C) 和尿嘧啶 (U) 的嘧啶環。

真核生物的轉錄（transcription）和轉譯（translation）過程在細胞內是空間和時間上分離的。轉錄發生在細胞核內，產生前體信使 RNA (pre-mRNA)，然後經過一系列加工（processing）和修飾，最終轉譯為蛋白質，這個過程需要將成熟的 mRNA 運輸到細胞質中的核糖體。

真核生物 mRNA 的加工與運輸過程

1. 轉錄與共轉錄加工 (Transcription and Co-transcriptional Processing)：

   • 真核生物的 RNA 聚合酶 II (RNA Polymerase II) 在細胞核內進行 DNA 的轉錄，產生 pre-mRNA。
   • 在轉錄的同時，pre-mRNA 就開始接受加工處理，這個過程稱為「共轉錄加工」。
   • 5' 端加帽 (5' Capping)：在 pre-mRNA 轉錄開始後不久，其 5' 端會被加上一個特殊的結構——7-甲基鳥苷 (7-methylguanosine)，通過一個 5'-5' 三磷酸鍵連接。5' 帽具有重要功能：
     • 保護 mRNA 免受 5' 核酸酶的降解。
     • 促進 mRNA 從細胞核運輸到細胞質。
     • 識別並結合核糖體，啟動轉譯。
   • 3' 端加聚腺苷酸尾 (3' Polyadenylation)：pre-mRNA 的 3' 端會被加上一個由約 50-250 個腺嘌呤核苷酸組成的「聚 A 尾」。這個過程涉及 pre-mRNA 的切割（cleavage）和聚腺苷酸聚合酶（poly(A) polymerase）的添加。3' 聚 A 尾也有重要功能：
     • 促進 mRNA 的穩定性，保護其免受 3' 核酸酶的降解。
     • 參與 mRNA 的運輸和轉譯。

2. 剪接 (Splicing)：

   • 真核生物的基因通常包含編碼區（外顯子, exons）和非編碼區（內含子, introns）。

核糖體（ribosomes）是細胞內負責蛋白質合成（轉譯）的細胞器。它們存在於細胞質、內質網表面，以及真核生物的粒線體和葉綠體中（原核生物則在細胞質中）。

核糖體的結構 (Structure of Ribosomes)

核糖體是一個由核糖體 RNA (rRNA) 和蛋白質組成的複雜分子機器。它由兩個大小不等的亞基（subunit）組成：一個較大的亞基（large subunit）和一個較小的亞基（small subunit）。

• 組成：

  • rRNA：佔核糖體質量的大約 2/3，是核糖體結構和催化功能的關鍵組成部分。rRNA 摺疊形成複雜的三維結構，並與蛋白質結合形成核糖體。
  • 核糖體蛋白質 (r-proteins)：約佔核糖體質量的 1/3，主要位於核糖體的外圍，有助於 rRNA 的摺疊和穩定結構，並參與轉譯過程中的某些步驟。

• 亞基的區別：

  • 原核生物核糖體：70S，由 30S (小亞基) 和 50S (大亞基) 組成。
    • 30S 小亞基：包含 16S rRNA 和約 21 種蛋白質。
    • 50S 大亞基：包含 23S rRNA、5S rRNA 和約 34 種蛋白質。
  • 真核生物核糖體：80S，由 40S (小亞基) 和 60S (大亞基) 組成。
    • 40S 小亞基：包含 18S rRNA 和約 33 種蛋白質。
    • 60S 大亞基：包含 28S rRNA、5.8S rRNA、5S rRNA 和約 49 種蛋白質。
    • （注意：S 是 Svedberg 單位，代表沉降係數，與分子量和形狀有關，不能直接相加。）

• 功能區域：核糖體有幾個關鍵的功能區域，用於 mRNA 的結合、tRNA 的結合以及肽鏈的延伸：

  • mRNA 結合槽 (mRNA binding channel)：位於小亞基，用於結合和移動 mRNA。
  • tRNA 結合位點：位於大亞基，有三個主要的位點：
    • A 位點 (Aminoacyl site)：接收攜帶胺基酸的 tRNA。
    • P 位點 (Peptidyl site)：持有攜帶正在生長的多肽鏈的 tRNA。
    • E 位點 (Exit site)：釋放已失去胺基酸的 tRNA。

核心觀念

PCR 需要一對方向相反、分別結合於目標 DNA 兩端的寡核苷酸引子：

• Forward primer（正向引子）：與目標序列 5′ 端相同，寫成 5′→3′。
• Reverse primer（反向引子）：取目標序列 3′ 端最後一段的反向互補序列，並以 5′→3′ 表示。
• 題目指定引子長度為 16 個核苷酸，因此兩條 primer 都必須是 16-mer。

鹼基互補規則為：

$$A\leftrightarrow T,\qquad G\leftrightarrow C$$

解題方法

1. 設計正向引子

取題目 DNA 序列最前端 16 個鹼基：

$$\boxed{5'-\text{TGTGGGAGCTGTGATG}-3'}$$

因此：

Forward primer：

$$\boxed{5'-\text{TGTGGGAGCTGTGATG}-3'}$$

2. 取得 3′ 端最後 16 個鹼基

題目序列最末端 16 個鹼基為：

$$5'-\text{ACCAGATCGCCAAGGA}-3'$$

反向引子必須是此序列的反向互補序列。

先取互補序列：

$$3'-\text{TGG TCTAGCGG TTCCT}-5'$$

再改以 5′→3′ 方向書寫，即得到：

$$\boxed{5'-\text{TCCTTGGCGATCTGGT}-3'}$$

因此：

Reverse primer：

核心觀念

線性 DNA 被切割後，若有 $n$ 個不同的限制酶切位，會形成 $n+1$ 個片段。雙酵素消化所得的片段，代表相鄰切位之間的距離；單酵素消化所得的片段，則是把雙酵素片段依序合併後的結果。

因此，解題時要找出雙酵素片段的排列順序，並在各片段交界處標示 HindIII 或 PstI 的切位，使兩種單酵素消化的片段長度都符合題目。

解題方法

雙酵素消化得到 $1、2、2、3、4$ kb 五個片段，總長度為：

$$1+2+2+3+4=12\text{ kb}$$

依序排列這些片段，並安排兩種酵素的切位。以下排列符合全部消化結果：

$$\text{端點} \;-\;4\text{ kb}\;-\;\mathrm{HindIII}\;-\;1\text{ kb}\;-\;\mathrm{PstI}\;-\;2\text{ kb}\;-\;\mathrm{HindIII}\;-\;3\text{ kb}\;-\;\mathrm{PstI}\;-\;2\text{ kb}\;-\;\text{端點}$$

沿 DNA 從左端累計，四個切位的位置分別是 $4、5、7、10$ kb；HindIII 位於 $4、7$ kb，PstI 位於 $5、10$ kb。

驗算