112 年 國立成功大學口腔醫學研究所甲組在職生《生物化學》

本題考驗對酶動力學中 Michaelis-Menten 常數 $K_m$ 的理解。$K_m$ 是指當反應速率達到最大速率 ($V_{max}$) 的一半時，受質的濃度。

從表格中，我們可以看到當受質濃度為 50.0 mM 時，反應速率為 100 mmol/sec。

本題考驗對酶親和力（affinity）與 $K_m$ 值的關係的理解。酶對受質的親和力越強，通常表示其 $K_m$ 值越低，因為較低的受質濃度就能達到較高的反應速率（或接近最大反應速率的一半）。

題目給出了己醣酶（hexokinase）對四種單醣的親和力，並以 $K_m$ 值表示：

• 葡萄糖 (Glucose): 0.08 mM
• 果糖 (Fructose): 6.7 mM

本題考驗對蛋白質磷酸化常見的胺基酸殘基的知識。蛋白質的磷酸化是指將一個磷酸基團（-PO$_3^{2-}$）共價連接到胺基酸殘基上的過程，通常發生在蛋白質的特定胺基酸側鏈上。

磷酸化最常見於具有羥基（-OH）的胺基酸上，這些羥基可以接受磷酸基團。在常見的 20 種胺基酸中，以下三種胺基酸的側鏈含有羥基，因此是蛋白質磷酸化最常見的位點：

1. 絲胺酸 (Serine)：側鏈為 -CH$_2$OH。
2. 蘇胺酸 (Threonine)：側鏈為 -CH(OH)CH$_3$。
3. 酪胺酸 (Tyrosine)：側鏈為 -CH$_2$-C$_6$H$_4$-OH。

本題考驗對 mRNA 在細胞中穩定性的保護機制。mRNA（信使核糖核酸）在細胞質中會受到核酸酶（nucleases）的降解，以控制蛋白質合成的時程。細胞演化出多種結構來保護 mRNA 免於過早降解。

選項分析：
(A) poly(A) 尾 (poly(A) tail)：真核生物的 mRNA 在 3' 端會加上一串腺核苷酸（約 50-250 個 A），稱為 poly(A) 尾。這個結構可以保護 mRNA 免於 3' 端核酸酶的降解，並且在轉譯過程中，poly(A) 結合蛋白（PABP）與 5' 端帽結構共同作用，形成一個環狀結構，有助於提高轉譯效率和 mRNA 的穩定性。
(B) 5'-methylguanosine cap (5' 端甲基鳥苷帽)：真核生物的 mRNA 在 5' 端會加上一個特殊的結構，即一個 7-甲基鳥苷（7-methylguanosine）透過 5'-5' 三磷酸鍵連接。

本題考驗對抗癌藥物 5-氟尿嘧啶 (5-FU) 的作用機制及其對 DNA 合成影響的理解。5-FU 是一種嘧啶類似物，常被用作化學治療藥物，其主要作用是干擾核酸合成。

5-FU 在體內經過代謝轉化，最終成為 5-氟脫氧尿苷單磷酸 (FdUMP)。FdUMP 是胸苷酸合成酶 (thymidylate synthase, TS) 的一種強效抑制劑。胸苷酸合成酶負責將去氧尿苷單磷酸 (dUMP) 轉化為去氧胸苷單磷酸 (dTMP)。dTMP 接著被磷酸化，最終形成 DNA 合成所需的四種去氧核苷三磷酸 (dNTPs) 之一：去氧胸苷三磷酸 (dTTP)。

因此，5-FU 通過抑制胸苷酸合成酶，減少了 dTMP 的產生，進而導致細胞內 dTTP 的嚴重缺乏。dTTP 是 DNA 合成中必需的四種去氧核苷三磷酸之一，缺乏 dTTP 將直接阻礙 DNA 的複製，從而抑制癌細胞的增殖。

本題考驗對細胞內不同生物大分子（DNA、RNA、蛋白質）的穩定性及半衰期（retention time）的理解。

• DNA (去氧核糖核酸)：DNA 是細胞的遺傳物質，其結構非常穩定，通常在細胞分裂之間不會被大量降解或更新。在大多數情況下，DNA 的半衰期非常長，幾乎可以視為永久存在於細胞核中（除了細胞凋亡或 DNA 修復過程中）。
• 蛋白質 (Protein)：蛋白質是執行細胞功能的主要分子。蛋白質的半衰期差異很大，取決於其功能、細胞類型以及細胞的調控機制。

本題考驗對染色質結構基本組成的理解，特別是組蛋白（histones）的作用。DNA 在真核細胞中需要被高度壓縮才能裝入細胞核，這個過程涉及 DNA 與蛋白質的結合。

• 組蛋白 (Histones)：組蛋白是富含鹼性胺基酸（如離胺酸和精胺酸）的蛋白質，能夠與帶負電的 DNA 骨架結合。主要的組蛋白有 H2A、H2B、H3 和 H4，其中各有兩份，共八個組蛋白分子，形成一個「組蛋白八聚體」（histone octamer）。
• 核小體 (Nucleosome)：DNA 分子大約纏繞在一個組蛋白八聚體外面 1.65 圈（約 147 個鹼基對），這個結構就稱為核小體。

本題考驗對表觀遺傳調控（epigenetic regulation）機制的理解。表觀遺傳調控是指在不改變 DNA 序列的情況下，影響基因表達的遺傳。常見的表觀遺傳調控機制包括 DNA 甲基化和組蛋白修飾。

選項分析：
(A) 胞嘧啶甲基化 (Methylation of cytosine)：在哺乳動物基因組中，胞嘧啶甲基化主要發生在 CpG 二核苷酸（胞嘧啶後跟鳥嘌呤）的胞嘧啶上。DNA 甲基化通常與基因沉默（gene silencing）相關，特別是當甲基化發生在啟動子區域時。這是表觀遺傳調控的重要機制。

本題考驗對 DNA 甲基化（DNA methylation）在基因組中常見位點的理解。DNA 甲基化是一種重要的表觀遺傳修飾，主要在哺乳動物基因組中發生於胞嘧啶（Cytosine）的 5' 位置，形成 5-甲基胞嘧啶 (5-methylcytosine)。這種修飾通常與基因沉默有關。

在哺乳動物基因組中，DNA 甲基化最常發生在 CpG 二核苷酸（即胞嘧啶後面緊接著鳥嘌呤，CpG dinucleotides）上。CpG 二核苷酸在基因組中分佈不均，它們常常聚集在基因的啟動子區域，形成所謂的「CpG 島」(CpG islands)。當 CpG 島發生甲基化時，通常會導致鄰近基因的表達被抑制。

選項分析：
(A) 端粒 (Telomere)：端粒是染色體末端的保護性結構，其甲基化模式與其他基因區域可能不同，但 CpG dinucleotides 是更普遍的甲基化標靶。
(B) GC 二核苷酸 (GC dinucleotides)：題目中應為 CpG dinucleotides。

本題考驗對蛋白質合成過程中胺基酸種類及其排列組合的理解。

蛋白質是由胺基酸連接而成的多肽鏈。在生物體內，通常有 20 種標準胺基酸參與蛋白質的合成。
題目問的是長度為 100 個胺基酸的多肽鏈，最多可以有多少種不同的組合。

每形成一個胺基酸殘基，就有 20 種可能的胺基酸可供選擇。
由於多肽鏈的長度是 100 個胺基酸，這意味著在形成這 100 個胺基酸殘基的過程中，每一個位置都有 20 種獨立的選擇。

本題考驗對人體在禁食期間血糖維持機制的理解。禁食八小時後，意味著人體已經消化完最近一次進食的碳水化合物，此時血糖的來源主要是體內儲存的能量。

• 膳食碳水化合物 (dietary carbohydrates)：在禁食期間，沒有攝入膳食碳水化合物，因此這不是血糖的來源。
• 脂肪細胞的甘油 (Glycerol from adipocytes)：脂肪細胞儲存的脂肪（三酸甘油酯）在禁食時會被分解為脂肪酸和甘油。甘油可以進入肝臟，通過糖質新生（gluconeogenesis）轉化為葡萄糖，成為血糖的來源之一。
• 肝臟糖原降解 (Glycogen degradation in the liver)：肝臟是人體儲存糖原的主要場所。肝臟糖原可以被分解為葡萄糖，並釋放到血液中，以維持血糖水平。這是禁食早期（約 12-24 小時內）維持血糖的主要途徑。

核心觀念

本題考查「糖質新生」與「肝醣分解」的共同酵素。

• 糖質新生（gluconeogenesis）：由乳酸、甘油、胺基酸等非醣類物質合成葡萄糖。
• 肝醣分解（glycogenolysis）：將肝醣分解成葡萄糖－1－磷酸，再轉換為葡萄糖－6－磷酸，供細胞利用或釋放至血液。

兩條途徑在肝臟中都必須處理共同的末端反應：

$$\text{Glucose-6-phosphate} \longrightarrow \text{Glucose}+\text{P}_{i}$$

催化此反應的酵素是 glucose 6-phosphatase（葡萄糖－6－磷酸酶）。

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解題方法

先比較兩條代謝途徑的主要步驟。

肝醣分解

$$\text{Glycogen} \overset{\text{glycogen phosphorylase}}{\longrightarrow} \text{Glucose-1-phosphate}$$

接著由 phosphoglucomutase 轉換：

$$\text{Glucose-1-phosphate} \rightleftharpoons \text{Glucose-6-phosphate}$$

在肝臟中，葡萄糖－6－磷酸再由 glucose 6-phosphatase 水解，形成可釋放到血液中的游離葡萄糖。

糖質新生

糖質新生最後的步驟同樣是：

$$\text{Glucose-6-phosphate} \overset{\text{glucose 6-phosphatase}}{\longrightarrow} \text{Glucose}$$

因此，兩條途徑共同使用的酵素是 glucose 6-phosphatase。

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選項分析

(A) Fructose 1,6-bisphosphatase

錯誤。

此酵素催化糖質新生中的繞道反應：

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

它用來繞過糖解作用中由 phosphofructokinase-1 催化的不可逆反應，屬於糖質新生的專用酵素，肝醣分解不需要此步驟。

(B) Glucose 6-phosphatase

正確。

此酵素催化：

$$\text{Glucose-6-phosphate} \longrightarrow \text{Glucose}+\text{P}_{i}$$

本題考驗對脂肪酸 β-氧化（beta-oxidation of fatty acids）的細胞內定位的知識。β-氧化是脂肪酸分解產生乙醯輔酶 A (acetyl-CoA) 的過程，為細胞提供能量。

脂肪酸的 β-氧化發生在不同的細胞器中，取決於脂肪酸的鏈長：

• 短鏈和中鏈脂肪酸 (Short and medium-chain fatty acids)：主要在粒線體基質 (mitochondrial matrix) 中進行 β-氧化。
• 長鏈脂肪酸 (Long-chain fatty acids)：主要在過氧化物酶體 (peroxisomes) 中進行 β-氧化。

本題考驗對 DNA 雙股結構熔解溫度 (melting temperature, Tm) 的影響因素的理解。Tm 是指一半雙股 DNA 解離成單股所需的溫度。DNA 的 Tm 值受以下因素影響：

1. GC 含量 (Guanine-Cytosine content)：G-C 鹼基對通過三個氫鍵連接，而 A-T 鹼基對僅通過兩個氫鍵連接。因此，GC 含量越高，DNA 雙股越穩定，Tm 值越高。反之，AT 含量越高，Tm 值越低。
2. DNA 長度 (DNA length)：DNA 鏈越長，雙股越穩定，Tm 值越高。
3. 離子強度 (Ionic strength)：在鹽溶液中，陽離子可以中和 DNA 的負電荷，穩定雙股結構，提高 Tm 值。

題目給出了五個不同序列的 DNA 鏈（假定它們長度相同，因為都是 13 個鹼基）。我們需要比較它們的 AT 含量，來判斷哪一個具有較低的熔解溫度。熔解溫度較低意味著 AT 含量較高。

本題考驗對黑色素 (melanin) 生合成前體的知識。黑色素是一種生物色素，存在於皮膚、頭髮、眼睛虹膜等部位，由黑色素細胞 (melanocytes) 合成。

黑色素的合成途徑始於胺基酸 酪胺酸 (Tyrosine)。酪胺酸在酪胺酸酶 (tyrosinase) 的作用下，首先被氧化為 L-DOPA (3,4-dihydroxyphenylalanine)，然後進一步氧化為多巴醌 (dopaquinone)。

本題考驗對胺基酸極性及其在肽鏈中對溶解度的影響的理解。親水性溶液（如磷酸鹽緩衝液）會溶解極性或帶電的分子。肽鏈的溶解度主要取決於其組成胺基酸的側鏈性質。

• 親水性胺基酸 (Hydrophilic amino acids)：帶有極性或帶電的側鏈，能夠與水分子形成氫鍵，因此在水溶液中溶解度較高。例如：帶電胺基酸（天門冬胺酸、麩胺酸、精胺酸、離胺酸、組胺酸）、極性中性胺基酸（絲胺酸、蘇胺酸、天門冬醯胺、麩胺醯胺、酪胺酸）。
• 疏水性胺基酸 (Hydrophobic amino acids)：側鏈為非極性，不與水分子形成氫鍵，因此在水溶液中溶解度較低。例如：丙胺酸、纈胺酸、白胺酸、異白胺酸、苯丙胺酸、甲硫胺酸、脯胺酸、色胺酸。

題目要求找出最可能溶解在親水性溶液中的三肽。我們需要分析各選項三肽的組成胺基酸側鏈性質。

選項分析（N-代表 N-端，C-代表 C-端）：
(A) N-苯丙胺酸-丙胺酸-甘胺酸-C (N-phenylalanine-alanine-glycine-C)
- 苯丙胺酸 (Phenylalanine)：疏水性。
- 丙胺酸 (Alanine)：疏水性。
- 甘胺酸 (Glycine)：中性，極性較弱。
整體傾向疏水。

(B) N-麩胺酸-天門冬胺酸-甘胺酸-C (N-glutamate-aspartate-glycine-C)
- 麩胺酸 (Glutamate)：帶負電，酸性胺基酸，高度親水。
- 天門冬胺酸 (Aspartate)：帶負電，酸性胺基酸，高度親水。
- 甘胺酸 (Glycine)：中性，極性較弱。
整體傾向高度親水。

本題考驗對前列腺素 (prostaglandin) 合成及其前體的知識。前列腺素是一類具有廣泛生理功能的脂質介質，屬於花生四烯酸類 (eicosanoids)。

花生四烯酸類物質（如前列腺素、血栓素、白三烯）的合成前體是含有 20 個碳原子的多不飽和脂肪酸。這些 20 碳脂肪酸主要來自於細胞膜磷脂中儲存的必需脂肪酸，如亞油酸 (linoleic acid) 和 α-亞麻酸 (α-linolenic acid)。

其中，花生四烯酸 (Arachidonic acid) 是最重要的一種 20 碳脂肪酸，它是合成大多數前列腺素、血栓素和白三烯的直接前體。

核心觀念

本題考查「染色體數目異常的檢測方法」。第 21 號染色體三體症（trisomy 21）即唐氏症，典型核型為：

$$47,XX,+21 \quad \text{或} \quad 47,XY,+21$$

其本質是第 21 號染色體多出一份，造成基因劑量增加。因此，只要檢測方法能辨識全基因組的染色體數目或 DNA 拷貝數增加，便能用於偵測 trisomy 21。

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解題方法

判斷各選項是否能偵測染色體 21 的拷貝數增加：

• 能直接觀察染色體數目者，可偵測三體症。
• 能比較全基因組 DNA 拷貝數者，也可偵測第 21 號染色體的增量。
• 能利用單核苷酸多型性分析染色體劑量者，同樣可偵測三體症。

四種方法皆具有偵測 trisomy 21 的能力，因此選擇「All of above」。

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選項分析

(A) Chromosomal microarray

Chromosomal microarray（染色體微陣列）是全基因組拷貝數分析技術的總稱，可偵測染色體片段的缺失與重複，包括整條第 21 號染色體增加所造成的三體症。

因此，(A) 正確。

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(B) Comparative genomic hybridization

Comparative genomic hybridization，尤其是 array comparative genomic hybridization（array CGH），是將病人 DNA 與正常參考 DNA 標記後進行雜交，藉由訊號比例判斷基因組各區域的拷貝數。

若病人具有 trisomy 21，第 21 號染色體的 DNA 劑量約為正常二倍體的：

$$\frac{3}{2}=1.5$$

因此該區域會呈現拷貝數增加的訊號，可辨識第 21 號染色體三體症。

因此，(B) 正確。

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(C) G-banding

G-banding 是傳統染色體核型分析法。細胞經培養、固定、染色後，可在顯微鏡下觀察染色體的數目與形態。

正常體細胞共有 46 條染色體；trisomy 21 則有 47 條染色體，並可見三條第 21 號染色體：

本題考驗對 DNA 複製過程中涉及的蛋白質複合物的知識。DNA 複製是一個複雜的過程，需要多種蛋白質協同作用。

• DNA 解旋酶 (DNA helicase)：負責解開 DNA 雙螺旋，形成複製叉。
• DNA 拓樸異構酶 (DNA topoisomerase)：負責緩解 DNA 超螺旋，防止 DNA 在解旋過程中纏繞打結。
• DNA 聚合酶 (DNA polymerase)：負責合成新的 DNA 鏈，將核苷酸添加到引物上。
• RNA 引物酶 (RNA primase)：合成 RNA 引物，DNA 聚合酶需要引物才能開始合成 DNA。

我們需要找出哪個複合物包含這四種關鍵酶。

選項分析：
(A) MCM 複合物 (Minichromosome maintenance complex)：MCM 複合物是真核生物 DNA 解旋酶的組分，負責在複製起始點解開 DNA。它主要包含解旋酶活性。
(B) 錯配修復複合物 (Mismatch repair complex)：負責識別和修復 DNA 複製過程中產生的鹼基錯配，不包含 DNA 聚合酶或引物酶。

本題考驗對 RNA 合成（轉錄）的基本規則的理解，特別是 RNA 聚合酶 II 的作用以及 DNA 模板鏈與合成的 RNA 鏈之間的關係。

RNA 聚合酶 II 在 DNA 模板鏈的引導下，按照鹼基互補配對原則合成 RNA。

• DNA 模板鏈與合成的 RNA 鏈之間是反向互補的（5' 端對 3' 端，3' 端對 5' 端）。
• RNA 合成遵循鹼基配對規則：DNA 的 A 配對 RNA 的 U，DNA 的 T 配對 RNA 的 A，DNA 的 C 配對 RNA 的 G，DNA 的 G 配對 RNA 的 C。
• RNA 鏈的合成方向是從 5' 端到 3' 端。

題目給定的 DNA 模板鏈序列是 5'-GCTACT-3'。
RNA 聚合酶 II 會讀取這條模板鏈，並按照互補配對原則合成 RNA。

讓我們一步步推導：
DNA 模板鏈: 5'- G C T A C T -3'
互補配對: 3'- C G A T G A -5' (這是與模板鏈反向互補的 DNA 鏈，或者說是 RNA 的配對序列)