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乙組《生物化學》

此題主要在考肝臟在飢餓狀態下的醣質新生（gluconeogenesis）的調控機制。醣質新生是將非醣類的物質（如乳酸、胺基酸、甘油）轉化為葡萄糖的過程，在飢餓狀態下，肝臟是維持血糖濃度的主要來源。

(A) 乙醯輔酶A (Acetyl-CoA) 是一種重要的代謝中間物。在醣質新生過程中，乙醯輔酶A 是活化丙酮酸羧化酶 (pyruvate carboxylase) 的變構活化劑 (allosteric activator)。丙酮酸羧化酶是將丙酮酸轉化為草醯乙酸 (oxaloacetate) 的關鍵酵素，而草醯乙酸是醣質新生途徑的起始物之一。因此，乙醯輔酶A 活化丙酮酸羧化酶，確實有利於醣質新生。

(B) 果糖-2,6-二磷酸 (Fructose 2,6-bisphosphate) 是醣質新生和醣解作用 (glycolysis) 的重要調節因子。

此題考查尿液中可作為 DNA 週轉 (turnover) 生物標記的物質。DNA 週轉是指 DNA 的合成與分解的動態平衡。當細胞進行 DNA 修復、DNA 複製或細胞死亡時，DNA 會被分解，其核苷酸或核苷會被釋放到細胞質中，並可能排出體外，出現在尿液中。

(A) β-丙胺酸 (beta-alanine) 是 β-胺基酸，不是核酸的組成成分。
(B) 銨離子 (ammonium ion) 是蛋白質代謝的產物，與 DNA 週轉無直接關聯。
(C) β-胺基異丁酸 (beta-aminoisobutyrate, BAIBA) 是胸腺嘧啶 (thymine) 和羱 (valine) 的代謝產物。

此題考查細胞內各種酵素及蛋白質的細胞定位，特別是與粒線體相關者。

(A) 尿素循環中的第一個酵素，尿氨甲醯磷酸合成酶 I (carbamoyl-phosphate synthase 1, CPS1)，位於粒線體基質 (mitochondrial matrix)。它催化氨和碳酸氫根離子生成尿氨甲醯磷酸。

(B) 電壓依賴性陰離子通道 (voltage-dependent anion channel, VDAC)，也稱為粒線體外膜蛋白 1 (mitochondrial outer membrane protein 1, MOMP1)，是粒線體外膜的主要蛋白質，負責離子和代謝物的運輸。

此題考查電子傳遞鏈 (electron transport chain, ETC) 各複合物的抑制劑。電子傳遞鏈位於粒線體內膜，是將電子傳遞給氧氣並利用此過程產生 ATP 的重要途徑。

(A) 氰化物 (cyanide) 是細胞色素 c 氧化酶 (cytochrome c oxidase, Complex IV) 的強效抑制劑，它與複合物 IV 中的金屬離子結合，阻止電子傳遞給氧氣。

(B) 寡黴素 (oligomycin) 是 ATP 合成酶 (ATP synthase, Complex V) 的抑制劑，它通過結合 F0 亞基來阻止質子通過 ATP 合成酶回到粒線體基質，從而抑制 ATP 的合成。

此題考查葡萄糖 (glucose) 和果糖 (fructose) 的結構關係。葡萄糖和果糖都是六碳糖，分子式同為 $C_6H_{12}O_6$，屬於單醣。

(A) 差向異構物 (Epimers) 是指兩種立體異構物，它們僅在一個手性碳原子上的構型不同。例如，葡萄糖和半乳糖 (galactose) 是 C4 的差向異構物。

(B) 結構異構物 (Structural isomers) 是指分子式相同但結構式不同的化合物。它們的原子連接順序不同。

(C) 對映異構物 (Enantiomers) 是指互為鏡像關係且無法重疊的立體異構物。

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另一條重要途徑，主要發生在細胞質中，特別是在肝臟、腎上腺皮質、紅血球和脂肪組織中。它有兩個主要功能：

1. 產生還原力，主要以 NADPH 的形式。
2. 產生五碳醣（如核糖-5-磷酸），用於核酸和核苷酸的合成。

(A) NADH (菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸，還原型) 主要由醣解作用、檸檬酸循環等產生，在氧化磷酸化中提供電子以產生 ATP。
(B) NADPH (菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，還原型) 是五碳醣磷酸途徑的關鍵產物。

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：

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：

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：

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：

所以此選項正確。

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

此反應由 phosphoglucose isomerase 催化：

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：

由異檸檬酸脫氫酶催化，反應同時發生氧化脫羧：

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：

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：

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：

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。

此題考查胺基酸殘基在蛋白質結構中的柔韌性 (flexibility)。胺基酸的側鏈結構和主鏈的鍵結方式會影響其在蛋白質摺疊中的自由度。

(A) 丙胺酸 (Alanine) 是一個小的疏水性胺基酸，側鏈只有一個甲基。
(B) 白胺酸 (Leucine) 是一個疏水性胺基酸，側鏈較大，但其結構限制性中等。
(C) 脯胺酸 (Proline) 的側鏈是一個環，與胺基氮原子連接，形成一個亞胺基 (imino group)。

此題考查細胞膜轉運蛋白的種類，特別是flippase的功能。細胞膜具有不對稱性，磷脂質在雙層膜的兩側分布不同。Flippases 是一類在細胞膜上工作的 ATP 依賴性轉運蛋白，它們負責將磷脂質從膜的一側（外層）運輸到另一側（內層），以維持膜的不對稱性。

此題考查醛醣 (aldose) 的手性碳原子數量。手性碳原子是指一個碳原子連接了四個不同的基團。

醛醣的結構特點是在第一個碳原子上帶有一個醛基 (-CHO)，其餘碳原子上連接的基團是 -H 和 -OH。
五碳醣 (pentose) 共有五個碳原子。
對於醛醣，其結構如下：
C1: 醛基 (-CHO)
C2: 連接 -H, -OH, C1, C3
C3: 連接 -H, -OH, C2, C4
C4: 連接 -H, -OH, C3, C5
C5: 連接 -H, -OH, C4, CH2OH (或 -CH2OH)

此題考查胺基轉移酶 (aminotransferases) 的特性。胺基轉移酶，也稱為轉胺酶 (transaminases)，是一類催化胺基從一個胺基酸轉移到另一個 α-酮酸 (α-keto acid) 的酵素。這個過程是胺基酸代謝的重要環節。

讓我們逐一分析選項：
(A) 胺基轉移酶的核心功能就是催化胺基從一個胺基酸轉移到一個 α-酮酸，生成一個新的 α-酮酸和一個新的胺基酸。因此，它們可以將 α-胺基酸轉化為 α-酮酸。這是正確的。

(B) 胺基轉移酶在催化過程中需要輔酶磷酸吡哆醛 (pyridoxal phosphate, PLP)。PLP 在反應中作為胺基的臨時載體，它與胺基酸的胺基形成席夫鹼 (Schiff base)，然後胺基被轉移。因此，PLP 是胺基的載體。這是正確的。

此題考查丙酮酸 (pyruvate) 的代謝途徑，特別是與醣質新生 (gluconeogenesis) 和乙醯輔酶A (acetyl-CoA) 生成的關聯。

(A) 在醣質新生過程中，丙酮酸首先被丙酮酸羧化酶 (pyruvate carboxylase) 轉化為草醯乙酸 (oxaloacetate)。這個反應發生在粒線體中。

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：

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。

核心觀念

本題考查膽固醇合成速率限制酵素——**HMG-CoA reductase（3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase，HMG-CoA 還原酶）**的調控方式，包含：

1. 可逆性磷酸化調控
2. 細胞能量狀態調控
3. 膽固醇對酵素穩定性與基因表現的回饋抑制

HMG-CoA reductase 催化膽固醇合成中的重要步驟：

其活性受到磷酸化狀態調控：

• 去磷酸化：酵素活化
• 磷酸化：酵素失活

其中，$AMP:ATP$ 比值升高代表細胞能量不足，會活化 AMP-activated protein kinase（AMPK）。AMPK 會磷酸化 HMG-CoA reductase，使其失活，降低膽固醇合成所消耗的 ATP 與 NADPH。

高膽固醇則會透過兩個主要機制降低膽固醇合成：

• 抑制 HMG-CoA reductase 基因轉錄
• 促進 HMG-CoA reductase 蛋白質降解，縮短其半衰期

解題方法

判斷本題的關鍵是記住以下方向：

接著逐項檢查：

• 磷酸酶是否使酵素去磷酸化？
• 高 $AMP:ATP$ 是否代表能量充足？
• 磷酸化是否會增加 HMG-CoA reductase 活性？
• 高膽固醇是否穩定酵素並增加其半衰期？
• 高膽固醇是否促進膽固醇合成基因表現？

符合上述生理調控方向的選項即為正確答案。

選項分析

(A) HMG-CoA reductase phosphatase can activate HMG-CoA reductase

正確。

HMG-CoA reductase phosphatase 會移除 HMG-CoA reductase 上的磷酸基，使其由磷酸化失活型轉變為去磷酸化活化型：

去磷酸化後，HMG-CoA reductase 活性增加，膽固醇合成速率上升。胰島素可促進此類去磷酸化作用，因此在進食後有利於膽固醇合成。

(B) A high AMP:ATP ratio leads to activation of HMG-CoA reductase

錯誤。

高 $AMP:ATP$ 比值代表細胞內 ATP 不足、AMP 增加，表示能量狀態不佳。此時 AMP 會促進 AMPK 活化：

此題考查酵素催化反應中，過渡態穩定 (transition-state stabilization) 的作用。酵素催化反應的機制是通過降低反應的活化能 (activation energy) 來加速反應速率。

(A) 熱穩定性 (thermal stability) 是指酵素在高溫下保持結構和活性的能力，與過渡態穩定無直接關係。
(B) 酵素與底物結合 (substrate binding) 是催化反應的第一步，酵素通常對底物有較好的親和力，但過渡態的穩定性與底物本身的結合親和力不是同一回事，而是指酵素對反應過程中形成的過渡態結構有更高的親和力。

核心觀念

本題考查肌肉收縮時的「肌動蛋白—肌球蛋白交叉橋循環」（cross-bridge cycle），以及鈣離子如何啟動此循環。主要流程如下：

1. 肌漿網釋放 $Ca^{2+}$。
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 發生構形變化，進入可進行 ATPase 反應的狀態。
4. ATP 水解為 ADP 與 $P_i$，釋放的能量使肌球蛋白頭部進入高能量、預備出力的構形。
5. 肌球蛋白頭部與 actin 作用並產生 power stroke，使 actin filament 向肌節中央滑動。
6. 隨後肌球蛋白與 actin 脫離；在完整循環中，新的 ATP 結合會促使肌球蛋白脫離 actin。

因此，本題所列事件的順序為：

解題方法

先找出一定最早發生的事件。肌肉收縮必須先由細胞內鈣離子濃度上升開始，因此：

接著，鈣離子透過 troponin–tropomyosin 調節系統，使 actin 的結合位點暴露，並引發肌球蛋白頭部 switch 1、switch 2 的構形開啟：

之後才進行 ATP 水解。ATP 水解所釋放的能量，將肌球蛋白頭部「上弦」至高能量構形：

肌球蛋白頭部接著對 actin 產生 power stroke：

出力完成後，肌球蛋白頭部與 actin 分離：

故正確排列為：

選項分析

(A) aebdc：正確

順序為：

此題考查酵素催化效率 (catalytic efficiency) 的比較。催化效率是衡量酵素在特定底物上催化反應能力的指標，通常用 $k_{cat}/K_m$ 比值來表示。$k_{cat}$ (也稱為 $k_{obs}$ 或 $k_{true}$) 是指在飽和底物濃度下，每單位酵素分子催化底物的反應速率，它代表了酵素的周轉數 (turnover number)。$K_m$ 是米氏常數，表示達到最大反應速率一半時的底物濃度，它也反映了酵素對底物的親和力（$K_m$ 越小，親和力越高）。

催化效率的比值 $k_{cat}/K_m$ 越大，表示酵素的催化效率越高。

題目中給出了兩個底物 S 和 T 對酵素 A 的參數：
對於底物 S：
$K_{m,S} = 2 \text{ mM}$
$k_{cat,S} = k^S = 5 \times 10^3 \text{ sec}^{-1}$

對於底物 T：
$K_{m,T} = 5 \text{ mM}$
$k_{cat,T} = k^T = 2.5 \times 10^4 \text{ sec}^{-1}$

我們需要計算兩者的催化效率比值 $k_{cat}/K_m$：

對於底物 S：
催化效率 $= \frac{k_{cat,S}}{K_{m,S}} = \frac{5 \times 10^3 \text{ sec}^{-1}}{2 \text{ mM}}$
為了方便比較，我們可以將單位統一，例如將 mM 轉換為 M。$2 \text{ mM} = 2 \times 10^{-3} \text{ M}$。

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) 和多肽 (polypeptides) 都是由單體通過共價鍵連接而成的大分子，但它們的結構多樣性存在顯著差異。這種差異主要源於構成單位的性質、連接方式以及可能存在的修飾。

多醣的結構多樣性來源：

1. 單醣的種類多樣：

   • 構成多醣的單醣種類繁多，常見的有葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖、核糖、去氧核糖等。
   • 這些單醣本身可以是 L 型或 D 型，也可以是 α 或 β 構型，例如葡萄糖有 α-葡萄糖和 β-葡萄糖。
   • 單醣還可以發生差向異構 (epimerization)，例如葡萄糖和半乳糖是 C4 的差向異構物。

2. 連接方式的多樣：

   • 多醣鏈中的單醣單元通過糖苷鍵 (glycosidic bond) 連接。
   • 糖苷鍵的類型非常多樣，取決於兩個單醣之間發生鍵結的碳原子位置。例如，在葡萄糖之間，常見的有 α(1→4) 鍵、β(1→4) 鍵、α(1→6) 鍵、α(1→3) 鍵、β(1→3) 鍵等。
   • 不同的連接方式會導致多醣鏈具有不同的鏈結構，例如直鏈（如纖維素的 β(1→4) 鍵）或支鏈（如直鏈澱粉的 α(1→4) 鍵和支鏈澱粉的 α(1→6) 鍵）。

3. 鏈的長度與分支：

   • 多醣鏈的長度可以差異很大，從幾十個單醣到數千個單醣。
   • 多醣鏈可以分支。分支點的連接方式（如 α(1→6) 鍵）與鏈本身的連接方式（如 α(1→4) 鍵）不同，這增加了結構的複雜性。分支的程度和模式也影響了多醣的整體結構和性質。

4. 化學修飾：

   • 單醣單元可以發生各種化學修飾，例如磷酸化、硫酸酯化、乙醯化、胺基化（形成胺基醣，如 N-乙醯葡萄糖胺）、羧化（形成醣醛酸）等。這些修飾大大增加了多醣的結構多樣性。

多肽的結構多樣性來源：

生理 pH 值（約 7.4）下，胺基酸的電荷狀態取決於其側鏈的性質。胺基酸的 α-胺基 (α-amino group) 在生理 pH 下通常帶正電（質子化狀態，-NH3+），而 α-羧基 (α-carboxyl group) 通常帶負電（去質子化狀態，-COO-）。因此，大多數胺基酸在生理 pH 下是兩性離子 (zwitterion)，淨電荷為零。

然而，一些胺基酸的側鏈具有離子化的基團，會影響其在生理 pH 下的總電荷。

• 帶負電荷的側鏈： 麩胺酸 (glutamate) 和 天門冬胺酸 (aspartate)。它們的側鏈帶有額外的羧基，在生理 pH 下會去質子化，帶負電荷。
• 帶正電荷的側鏈： 離胺酸 (lysine)、精胺酸 (arginine) 和 組胺酸 (histidine)。
  • 離胺酸 (Lys, K) 的側鏈有一個額外的胺基 (-NH2)，其 pKa 約為 10.5。在生理 pH (7.4) 下，這個胺基是質子化的，帶正電。
  • 精胺酸 (Arg, R) 的側鏈有一個胍基 (guanidino group)，其 pKa 約為 12.5。在生理 pH (7.4) 下，胍基是質子化的，帶正電，並且由於共振，電荷在三個氮原子之間離域，使其成為非常強的鹼。
  • 組胺酸 (His, H) 的側鏈有一個咪唑環 (imidazole ring)，其 pKa 約為 6.0。

ATP 合成酶 (ATP synthase) 是一種位於粒線體內膜、葉綠體類囊體膜和細菌質膜上的蛋白質複合物，它催化 ADP 和無機磷酸 (Pi) 合成 ATP 的過程，是細胞能量轉換的核心。

ATP 合成酶的結構 (2 points):

ATP 合成酶是一個複雜的蛋白質結構，通常分為兩個主要的功能性部分：

1. F0 部門 (F0 subunit)： 嵌入在膜中，是一個質子通道。它由多個亞基組成，其中最重要的亞基是 c 亞基 (c-subunit)，它形成一個環狀結構，圍繞著一個靜止的 γ (gamma) 亞基。c 亞基環的旋轉是 ATP 合成的動力來源。F0 部門還包含一個 a 亞基 (a-subunit)，它與 c 亞基環相互作用，形成質子進出的通道。
2. F1 部門 (F1 subunit)： 突出在膜的基質側（粒線體）或腔側（葉綠體），是催化 ATP 合成的酶活性部位。F1 部門由五種不同的多肽鏈組成：α (alpha), β (beta), γ (gamma), δ (delta), 和 ε (epsilon)。其中，α 和 β 亞基是催化 ATP 合成的核心，通常有三對 αβ 異二聚體。γ 亞基位於 αβ 異二聚體之間，其不對稱的結構（通常是螺旋狀）在旋轉時會與 αβ 亞基相互作用，導致它們構象的改變，從而催化 ATP 的合成。δ 和 ε 亞基則起到連接 F0 和 F1 部門以及穩定 F1 部門的作用。

ATP 合成酶與化學滲透假說的聯繫 (6 points):

ATP 合成酶是化學滲透假說 (chemiosmotic hypothesis) 的核心證據和執行者。該假說由 Peter Mitchell 提出，解釋了氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 和光合磷酸化 (photophosphorylation) 中 ATP 的生成機制。

化學滲透假說的核心觀點是：

1. 質子梯度 (Proton Gradient)： 在電子傳遞鏈 (electron transport chain, ETC) 的過程中（粒線體

植物中澱粉的合成 (4 points):

澱粉是植物中主要的儲存性多醣，由 α-葡萄糖單元通過糖苷鍵連接而成，主要包含直鏈澱粉 (amylose) 和支鏈澱粉 (amylopectin) 兩種組分。澱粉的合成是一個複雜的多步驟過程，主要發生在葉綠體中，也可能發生在其他儲藏器官的質體 (plastid) 中。

澱粉合成的關鍵步驟如下：

1. 葡萄糖的來源： 澱粉合成的葡萄糖單元主要來自光合作用產生的蔗糖。蔗糖在細胞質中被轉運到質體，然後通過蔗糖合酶 (sucrose synthase) 或轉位酶 (transglucosidase) 轉化為 UDP-葡萄糖 (UDP-glucose)。UDP-葡萄糖是合成澱粉的直接葡萄糖供體。
2. 起始步驟： 澱粉合成的起始需要一個primer，通常是一個小的 α-葡聚醣，由 ADP-葡萄糖焦磷酸化酶 (ADP-glucose pyrophosphorylase) 催化，將 UDP-葡萄糖轉化為 ADP-葡萄糖 (ADP-glucose)。ADP-葡萄糖是澱粉合成的真正起始底物。
3. 鏈的延伸： ADP-葡萄糖在澱粉合成酶 (starch synthase) 的催化下，將葡萄糖單元連接到 primer 上，形成 α(1→4) 糖苷鍵，從而延長直鏈澱粉和支鏈澱粉的鏈。
4. 分支的形成： 支鏈澱粉的形成需要分支酶 (branching enzyme, BE)，它會將 α(1→4) 連接的葡萄糖鏈剪斷，並在新的位置（通常是 α(1→6) 位置）重新連接，形成分支點。

澱粉合成受光合作用調控的機制 (4 points):

澱粉合成的速率與光合作用的強度密切相關，因為光合作用為澱粉合成提供了必需的碳源 (UDP-葡萄糖) 和能量（ATP）。調控主要體現在以下幾個方面：

有機硫的同化 (assimilation of organic sulfur) 指的是將無機硫化物（如硫酸鹽）轉化為有機硫化合物（如胺基酸中的硫醇基）的過程。這個過程對於所有生物體都至關重要，因為有機硫是許多重要生物分子（如胺基酸、輔酶、維生素）的組成部分。在大多數生物體中，硫的同化始於硫酸鹽 (sulfate, $SO_4^{2-}$) 的還原。

硫的同化過程可以分為幾個主要步驟：

1. 硫酸鹽的活化 (Activation of Sulfate)：
   首先，硫酸鹽需要被活化，以使其更容易被還原。這個過程由 ATP 硫酸鹽腺苷轉移酶 (ATP sulfurylase) 催化，需要消耗兩分子 ATP。

   • 第一步：硫酸鹽 + ATP → 腺苷醯磷酸硫酸鹽 (APS, adenylylsulfate) + PPi
     $SO_4^{2-} + \text{ATP} \rightleftharpoons \text{APS} + \text{PP}_i$
   • 第二步： APS + ATP → 3'-磷酸腺苷醯硫酸鹽 (PAPS, 3'-phosphoadenylylsulfate) + ADP
     $\text{APS} + \text{ATP} \rightleftharpoons \text{PAPS} + \text{ADP}$
     PAPS 是一種高能硫化物供體，是後續還原反應的底物。

2. PAPS 的還原 (Reduction of PAPS)：
   PAPS 的還原是硫同化過程中最關鍵和能量消耗最大的步驟。這個還原過程通常需要多個步驟和多種酵素，具體途徑在不同生物體中有所差異，但核心是將硫還原到亞硫酸鹽 (sulfite, $SO_3^{2-}$) 或更低的氧化態。

   • 在植物和大多數微生物中： PAPS 被一系列還原酶逐步還原。例如，PAPS 被 PAPS 還原酶 (PAPS reductase) 還原成亞硫酸鹽。這個還原通常使用細胞內的還原劑，如 NADPH。
     $\text{PAPS} + 2\text{NADPH} + 2\text{H}^+ \rightarrow \text{SO}_3^{2-} + 2\text{NADP}^+ + \text{AMP} + \text{PP}_i$
     (這個反應式是簡化的，實際過程可能涉及多個步驟和中間產物。)
   • 在腸道細菌中： 存在不同的硫酸鹽還原途徑。

尿素循環中的兩個關鍵酵素：尿氨甲醯磷酸合成酶 I (CPS I) 和尿氨甲醯磷酸合成酶 II (CPS II)，雖然名稱相似且都催化尿氨甲醯磷酸 (carbamoyl phosphate) 的合成，但它們在底物、細胞定位、參與的代謝途徑以及調控因子方面存在顯著差異。

詳細比較：

1. 底物 (Substrates):
   • CPS I： 其氨源是游離的氨 ($NH_3$)，它從蛋白質代謝的氨基轉移反應中產生。

真核生物的 mRNA 前體 (pre-mRNA) 在轉錄後需要經過一系列的加工（稱為 RNA 處理，RNA processing）才能成為成熟的 mRNA，然後被運輸到細胞質中與核醣體結合進行轉譯 (translation)。這個過程確保了 mRNA 的穩定性、正確的翻譯起始和終止，以及蛋白質的正確合成。

RNA 處理的關鍵步驟包括：

1. 5' 端加帽 (5' Capping):

   • 在轉錄剛開始時，新生 mRNA 的 5' 端就會被加上一個特殊的結構，稱為 5' 帽 (5' cap)。這個帽結構是一個 7-甲基鳥苷 (7-methylguanosine, m7G)，通過一個特殊的 5'→5' 三磷酸鍵連接到 mRNA 的第一個核苷酸上。
   • 功能：
     • 保護 mRNA 免受 5' 核酸酶的降解，增加 mRNA 的穩定性。
     • 識別和結合核糖體的小亞基，幫助啟動轉譯。
     • 參與 mRNA 的核輸出。

2. 3' 端加尾 (3' Polyadenylation):

   • 新生 mRNA 的 3' 端會被加上一個由約 50-250 個腺嘌呤核苷酸組成的多聚 A 尾 (poly-A tail)。這個過程由一種稱為多聚腺苷酸聚合酶 (poly-A polymerase) 的酵素催化，在一個特定的信號序列 (AAUAAA) 識別後進行。
   • 功能：
     • 保護 mRNA 免受 3' 核酸酶的降解，增加 mRNA 的穩定性。
     • 參與 mRNA 的核輸出。
     • 可能影響轉譯效率。

3. 內含子剪接 (Intron 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)。在轉錄產生的 pre-mRNA 中，內含子必須被準確地切除，而外顯子則被連接起來，形成連續的編碼序列。

核醣體 (ribosomes) 是細胞內負責蛋白質合成的細胞器，它們由核糖體 RNA (rRNA) 和蛋白質組成，是核糖核蛋白複合物。真核生物和原核生物的核醣體在結構和組成上略有差異，但基本功能相似。

核醣體的結構：

核醣體由兩個大小不同的亞基 (subunits) 組成：一個大亞基 (large subunit) 和一個小亞基 (small subunit)。這兩個亞基在沒有 mRNA 的時候可以分離，但在進行蛋白質合成時會結合在一起。

• 真核生物核醣體：

  • 整體：80S 核醣體 (S 指 Svedberg 單位，是基於沉降係數的單位，不是簡單的質量加法)。
  • 小亞基：40S，包含 18S rRNA 和約 33 種蛋白質。
  • 大亞基：60S，包含 28S rRNA, 5.8S rRNA, 5S rRNA 和約 49 種蛋白質。
  • 功能區域：核醣體具有幾個關鍵的功能區域，包括：
    • mRNA 結合位點： 在小亞基上，用於結合 mRNA。
    • A 位點 (Aminoacyl-tRNA binding site): 接收攜帶下一個胺基酸的 tRNA。
    • P 位點 (Peptidyl-tRNA binding site): 攜帶正在延長的多肽鏈的 tRNA。
    • E 位點 (Exit site): 釋放已脫去胺基酸的 tRNA。
    • 肽醯轉移酶中心 (Peptidyl transferase center): 位於大亞基，催化肽鍵的形成。

• 原核生物核醣體 (例如大腸桿菌)：

  • 整體：70S 核醣體。
  • 小亞基：30S，包含 16S rRNA 和約 21 種蛋白質。
  • 大亞基：50S，包含 23S rRNA, 5S rRNA 和約 34 種蛋白質。
  • 功能區域與真核生物類似。

核醣體的組裝：

核醣體的組裝是一個高度有序的過程，涉及 rRNA 和蛋白質的精確組裝。

• 原核生物 (例如大腸桿菌)：
  • 原核生物的核醣體組裝主要發生在細胞質中。
  • rRNA 是組裝的核心。16S rRNA (小亞基) 和 23S/5S rRNA (大亞基) 會與特定的核醣體蛋白質結合。
  • 組裝過程可以分為兩種模式：

核心觀念

PCR 需要一對方向相反、彼此朝向內側的寡核苷酸引子：

• Forward primer（正向引子）：與目標序列同方向，直接取正股 5′ 端序列。
• Reverse primer（反向引子）：取正股 3′ 端序列的反向互補序列，並以 5′→3′ 方向書寫。
• 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。

互補配對規則為：

解題方法

1. 設計正向引子

取題目序列最前端的 16 個鹼基：

因此：

2. 取出 3′ 端最後 16 個鹼基

題目序列最末端的 16 個鹼基為：

此序列本身不能直接作為 reverse primer，必須先取反向互補序列。

先寫出反向序列：

再取互補鹼基：

因此：

3. PCR 產物長度

核心觀念

限制酶會在特定辨識序列切割 DNA。線性 DNA 片段若有 $n$ 個不同的內部切點，會被切成 $n+1$ 段；各片段長度總和必須等於原 DNA 長度 $12\ \mathrm{kb}$。

本題的三組資料分別提供：

• HindIII 的切點位置與片段長度；
• PstI 的切點位置與片段長度；
• 兩種酶同時切割後，所有切點合併形成的片段長度。

必須找出一組切點排列，使三種消化結果同時成立。

解題方法

PstI 消化產生 $2、5、5\ \mathrm{kb}$ 三段，因此 PstI 的兩個切點可排列為：

因為切點位置是由左端量起的累積長度。

HindIII 消化產生 $3、4、5\ \mathrm{kb}$ 三段，因此兩個 HindIII 切點的位置必須使：

兩種酶同時消化後，總共有五段：

因此共有四個不同的內部切點。尋找符合條件的排列，可取：

• HindIII 切點：$4\ \mathrm{kb}$ 與 $7\ \mathrm{kb}$；
• PstI 切點：$5\ \mathrm{kb}$ 與 $10\ \mathrm{kb}$。

由左至右的限制圖譜為：

也可簡寫為：