108 年 國立臺灣大學醫療器材與醫學影像研究所《生物化學（C）》

這題主要在考察基本胺基酸結構的認識。

(a) 胺基酸的結構通常是中心碳原子（α-碳）連接一個胺基（-NH2）、一個羧基（-COOH）、一個氫原子（-H）以及一個側鏈（R基）。在標準的二十種胺基酸中，只有甘胺酸（Glycine）的 α-碳連接了兩個氫原子，因此不具有手性。所有其他標準胺基酸的 α-碳都連接了四個不同的基團，因此是手性碳。然而，題目問的是「胺基酸有兩個手性碳」，這在標準的二十種胺基酸中是不存在的。若題目指的是「胺基酸的衍生物」或「特定胺基酸」，則可能存在。但以標準二十種胺基酸而言，此題的描述是錯誤的。若硬要從標準胺基酸中找，則沒有任何一種標準胺基酸有兩個手性碳。

這題主要考察對蛋白質二級結構中 α-螺旋（α-helix）的結構特點的理解。

(a) α-螺旋是一種常見的蛋白質二級結構，其特點是肽鏈盤繞成螺旋狀。平均而言，一個完整的 α-螺旋週期（one turn）大約包含 3.6 個胺基酸殘基。

【答案】(a) 3.6 個胺基酸殘基

(b) 在 α-螺旋中，氫鍵的形成是維持其結構的關鍵。每一個肽鍵的羰基氧（C=O）與其後四個肽鍵的醯胺氫（N-H）之間形成氫鍵。具體來說，第 $i$ 個胺基酸殘基的羰基氧（$C_i=O$）與第 $i+4$ 個胺基酸殘基的醯胺氫（$N_{i+4}-H$）之間形成氫鍵。因此，形成一個氫鍵涉及到兩個肽鍵，即兩個 C=O 基團和兩個 N-H 基團，總共是 4 個原子（兩個氧原子和兩個氮原子）參與形成一個氫鍵。題目問的是「how many atoms are involved in the formation of a hydrogen bond?」，這可以理解為形成一個氫鍵涉及的原子數量。氫鍵是由一個氫原子與兩個較高電負度的原子（如 O, N）形成的。在 α-螺旋中，氫鍵是肽骨架上的 C=O 和 N-H 基團之間形成的。一個氫鍵實際上是 $C=O \cdots H-N$ 的形式，涉及 1 個氧原子、1 個氫原子和 1 個氮原子。如果題目問的是「形成一個氫鍵的原子數」，那應是 3 個原子。

這題要求解釋四個重要的生化術語。

(a) Domain (結構域)：在蛋白質結構學中，結構域是指一個獨立摺疊、穩定的蛋白質結構單元，通常由一段連續的多肽鏈組成，具有特定的三維結構和功能。一個蛋白質可能包含一個或多個結構域，每個結構域可能負責執行蛋白質的特定功能，例如結合底物、催化反應或與其他分子相互作用。結構域是理解蛋白質結構和功能的關鍵概念。

【答案】(a) 結構域是指蛋白質中一個相對獨立、穩定且可獨立摺疊的三維結構單元，通常具有特定的生化功能。

(b) Zymogen (酶原)：酶原，也稱為前體酶（proenzyme），是指一種無活性的酶的合成前體。酶原在體內通常以無活性形式分泌或儲存，然後在特定條件下（如被蛋白酶切割）被激活，轉變為具有活性的酶。這種機制可以防止酶在不適當的時間或地點發揮作用，從而保護組織免受損傷。許多消化酶（如胰蛋白酶、胃蛋白酶）和血液凝固因子是以酶原的形式存在的。

【答案】(b) 酶原（Zymogen）是指酶的無活性前體形式，在特定的生理條件下經過修飾（通常是蛋白酶切割）後被激活，轉變為具有催化活性的酶。

(c) Isozyme (同功異構酶)：同功異構酶（或稱異構酶）是指在同一生物體內，能夠催化相同反應但結構和/或動力學性質不同的酶。

這題考察血紅蛋白（hemoglobin）與氧氣結合的相關知識，特別是 2,3-BPG 的作用以及胎兒與成人血紅蛋白的差異。

(a) 2,3-二磷酸甘油酸（2,3-bisphosphoglycerate, 2,3-BPG）是一種調節劑，它與血紅蛋白結合，降低血紅蛋白對氧氣的親和力。在血紅蛋白的 α 和 β 亞基之間的中央空腔（central cavity）是 2,3-BPG 的結合位點。這個結合位點帶有正電荷，能夠與帶負電的 2,3-BPG 的磷酸基團形成離子鍵。當 2,3-BPG 結合到血紅蛋白的去氧形式時，會穩定其 T 態（tense conformation），進一步降低對氧氣的親和力，有利於將氧氣釋放到組織中。

【答案】(a) 2,3-BPG 的結合位點位於成人血紅蛋白 α 和 β 亞基之間的中央空腔。

Christian B. Anfinsen 的 RNase A 再折疊實驗是蛋白質化學領域的經典實驗，其主要結論是：蛋白質的三維結構（天然構象）由其胺基酸序列決定，並且蛋白質能夠在適當的條件下自動摺疊成其具有生物活性的構象。

實驗過程簡述：Anfinsen 將 RNase A 進行變性處理（使用尿素和 β-巰基乙醇），使其失去原有的三維結構和酶活性。然後，他移除了變性劑，並讓 RNase A 在適當的緩衝條件下進行再折疊。結果發現，RNase A 能夠自發地重新摺疊成其天然構象，並恢復酶活性。

本題要求描述「內源性無結構蛋白質」（Intrinsically Unstructured Proteins, IUPs）的性質。與具有穩定三維結構的蛋白質不同，IUPs 在其天然狀態下缺乏穩定的二級或三級結構，而是以一種或多種柔性的、無結構的構象存在。

IUPs 的主要性質包括：

1. 缺乏穩定的三維結構：它們在溶液中以高度柔性的、動態的構象混合物存在，無法通過傳統的蛋白質結構解析技術（如 X-ray 晶體學）獲得單一、穩定的結構。
2. 高親水性和低疏水性：IUPs 通常富含帶電胺基酸（如帶正電的賴胺酸 Lys, 精胺酸 Arg，帶負電的麩胺酸 Glu, 天門冬胺酸 Asp）和極性胺基酸（如絲胺酸 Ser, 蘇胺酸 Thr），而疏水性胺基酸（如纈胺酸 Val, 亮胺酸 Leu, 異亮胺酸 Ile）的比例相對較低。這使得它們在水溶液中傾向於伸展，而不是像典型蛋白質那樣將疏水殘基藏在內部。
3. 多樣化的結合能力：儘管缺乏固定結構，IUPs 卻能與多種不同的分子（如蛋白質、核酸、脂質、小分子）結合。

國際生物化學聯合會（IUBMB）根據酶催化的反應類型，將酶分為六大類。這個分類系統是酶命名和分類的標準。

這六大類酶及其主要功能如下：

1. 氧化還原酶 (Oxidoreductases)：催化氧化還原反應，即電子從一個分子轉移到另一個分子。這類酶通常使用輔酶（如 NAD+/NADH, FAD/FADH2）來傳遞電子。

   • 例如：脫氫酶（Dehydrogenases）、氧化酶（Oxidases）、還原酶（Reductases）。

2. 轉移酶 (Transferases)：催化一個官能團（如甲基、乙醯基、胺基、磷酸基）從一個分子（供體）轉移到另一個分子（受體）的反應。

   • 例如：激酶（Kinases，轉移磷酸基）、轉胺酶（Transaminases，轉移胺基）、甲基轉移酶（Methyltransferases）。

3. 水解酶 (Hydrolases)：催化化合物與水分子反應而斷裂化學鍵的反應，即水解反應。

   • 例如：酯酶（Esterases）、肽酶（Peptidases）、糖苷酶（Glycosidases）、磷酸酶（Phosphatases）。

雙位移催化機製（Double-displacement, Ping-Pong Mechanism）是酶催化兩種底物反應的一種模式。在此機製中，第一個底物（Substrate A）與酶結合並反應，生成產物 P1，同時將一個基團轉移到酶上，形成一個共價中間體（Enzyme-intermediate）。隨後，第二個底物（Substrate B）與這個共價中間體結合，接受該基團，釋放出第二個產物 P2，並使酶恢復到初始狀態，準備與下一個底物 A 結合。

這個機製的特點是：

1. 形成共價中間體：酶與第一個底物反應後，形成一個酶與反應基團之間的共價鍵。
2. 兩個獨立的反應步驟：底物 A 與酶的反應和底物 B 與酶的反應是分開的，中間隔著酶-基團中間體的形成和分解。

絲胺酸蛋白酶（Serine proteases）是一類重要的酶，它們的活性中心包含一個由三種胺基酸殘基組成的「催化三聯體」（catalytic triad）。這三種胺基酸通常是天冬胺酸（Aspartic acid）、組胺酸（Histidine）和絲胺酸（Serine）。它們協同作用，在酶催化肽鍵水解中起關鍵作用。

催化三聯體在絲胺酸蛋白酶活性中心的空間排布和作用如下：

1. 天冬胺酸 (Asp)：通常位於蛋白質的內部，通過氫鍵與組胺酸的咪唑環相互作用。它的作用是穩定組胺酸的質子化形式（帶正電荷），使其更容易接受來自絲胺酸的質子。
2. 組胺酸 (His)：其咪唑環的氮原子可以接受或給出質子。在催化過程中，組胺酸作為一個鹼催化劑，從絲胺酸的羥基上奪取質子，使其成為一個強親核試劑（醇鹽離子，alkoxide ion）。隨後，它又將質子轉移給水分子，促進水分子對醯基中間體的進一步攻擊。
3. 絲胺酸 (Ser)：其側鏈的羥基（-OH）是親核攻擊的關鍵。在組胺酸的幫助下，絲胺酸的羥基會被去質子化，形成一個強親核性的醇鹽離子，能夠攻擊肽鍵的羰基碳。

繪製催化三聯體：

在活性中心，這三個胺基酸殘基被精確地定位，以便協同作用。通常，天冬胺酸（Asp）通過氫鍵與組胺酸（His）的 Nε2 原子配位，而組胺酸（His）的 Nδ1 原子則與絲胺酸（Ser）的羥基（-OH）形成氫鍵。

繪圖時，可以這樣表示：

檸檬酸循環（Citric Acid Cycle, TCA Cycle, Krebs Cycle）是細胞呼吸的核心代謝途徑之一，負責將乙醯輔酶 A（acetyl-CoA）徹底氧化為 CO2，同時產生能量載體 NADH、FADH2 和 GTP（或 ATP）。這個循環發生於粒線體基質中（真核生物）。

以下是檸檬酸循環的完整圖示，包含所有中間產物（metabolites）和輔酶（coenzymes）。請注意，題目要求的是中間產物和輔酶，而非酶。

循環起始：
乙醯輔酶 A（Acetyl-CoA）與草醯乙酸（Oxaloacetate）結合，形成檸檬酸（Citrate）。

循環過程：

1. Citrate (檸檬酸)
2. Isocitrate (異檸檬酸) - 發生氧化脫羧，產生 NADH 和 CO2。
   • 產生 NADH
   • 釋放 CO2
3. α-Ketoglutarate (α-酮戊二酸) - 再次發生氧化脫羧，產生 NADH 和 CO2。
   • 產生 NADH
   • 釋放 CO2
   • 同時與輔酶 A 結合，形成 Succinyl-CoA (琥珀醯輔酶 A)
4. Succinyl-CoA (琥珀醯輔酶 A) - 輔酶 A 被移除，釋放的能量用於合成 GTP（或 ATP）。
   • 產生 GTP (或 ATP)
5. Succinate (琥珀酸) - 琥珀酸被氧化為富馬酸。
   • 產生 FADH2
6. Fumarate (富馬酸) - 水分子加成到富馬酸上，形成蘋果酸。
7. Malate (蘋果酸) - 蘋果酸被氧化為草醯乙酸，完成循環。
   • 產生 NADH

輔酶的消耗與再生：

• NAD+ 被還原成 NADH，共 3 分子 NADH 在循環中生成。
• FAD 被還原成 FADH2，共 1 分子 FADH2 在循環中生成。
• GDP（或 ADP）與 Pi 結合生成 GTP（或 ATP），共 1 分子 GTP（或 ATP）在循環中生成。

核心觀念

本題考查解離常數 $K_d$ 與蛋白質「親和力（affinity）」及「專一性（specificity）」的判斷。

解離反應可表示為：

$$P+L \rightleftharpoons PL$$

其解離常數為：

$$K_d=\frac{[P][L]}{[PL]}$$

• $K_d$ 越小，表示越容易形成蛋白質—配體複合物，親和力越高。
• $K_d$ 越大，表示結合較弱，親和力越低。
• 專一性是指蛋白質對不同標的物的偏好程度，通常比較其對各標的物的 $K_d$。

解題方法

先統一單位：

$$K_d(\text{DNA})=10\ \text{nM}$$ $$K_d(\text{RNA})=15\ \text{nM}$$ $$K_d(\text{lipid})=10\ \text{mM} =10^7\ \text{nM}$$

因此：

$$K_d(\text{DNA}) : K_d(\text{RNA}) : K_d(\text{lipid}) =10 : 15 : 10^7$$

蛋白質對 DNA 與 RNA 的 $K_d$ 都在奈莫耳濃度，對脂質的 $K_d$ 則為毫莫耳濃度。相較之下，蛋白質對脂質的結合弱得多：

$$\frac{K_d(\text{lipid})}{K_d(\text{DNA})} =\frac{10^7}{10}=10^6$$

也就是蛋白質對 DNA 的親和力約比對脂質高 $10^6$ 倍；對 RNA 也約比對脂質高：

$$\frac{10^7}{15}\approx 6.7\times10^5$$

蛋白質對 DNA 與 RNA 的結合能力相近：

$$\frac{K_d(\text{RNA})}{K_d(\text{DNA})} =\frac{15}{10}=1.5$$

僅有約 $1.5$ 倍差異，顯示它並未強烈區分 DNA 與 RNA。因此，本題將其視為對 DNA、RNA 具有較高親和力，但對兩種核酸的辨識專一性較低。

選項分析

這題考察醣蛋白（glycoproteins）中醣鏈（oligosaccharide chains）與胺基酸殘基的連接方式。醣鏈可以通過兩種主要的共價鍵與蛋白質連接：O-糖基化（O-glycosylation）和 N-糖基化（N-glycosylation）。

• O-糖基化：醣鏈通過其還原端（通常是 C1 碳）的氧原子與蛋白質中的胺基酸殘基的側鏈羥基（-OH）相連。這種連接通常發生在絲胺酸（Serine, Ser）或蘇胺酸（Threonine, Thr）的側鏈上。在極少數情況下，也可能連接到酪胺酸（Tyrosine, Tyr）或羥離胺酸（Hydroxylysine）上。
• N-糖基化：醣鏈通過其還原端的氮原子與蛋白質中的胺基酸殘基的側鏈醯胺基（-NH2）相連。這種連接通常發生在天冬胺酸（Asparagine, Asn）的側鏈上，且天冬胺酸必須位於序列 Asn-X-Ser/Thr 的模式中（X 可以是任何胺基酸，但不能是脯胺酸）。

核心觀念

本題考查 RNA、DNA 的核苷酸連接方式，以及磷酸二酯鍵的化學性質。

相鄰核苷酸之間由一個磷酸基團連接，形成磷酸二酯鍵（phosphodiester bond）。此鍵連接：

• 前一個核苷酸的 $3'$-hydroxyl
• 後一個核苷酸的 $5'$-hydroxyl

因此，核酸鏈具有明確的 $5' \rightarrow 3'$ 方向。

其基本結構可表示為：

$$\text{nucleotide}_{1}\text{-}3'\text{-O-P(O)}_{2}\text{-O-}5'\text{-}\text{nucleotide}_{2}$$

在生理 pH 附近，磷酸二酯基團通常帶有負電荷。

解題方法

判斷每個選項是否描述「相鄰核苷酸之間的骨架連接」。解題時要區分三種關係：

1. 鹼基互補配對：A–T（RNA 為 A–U）及 G–C。
2. 鹼基與糖的連接：由糖苷鍵連接。
3. 核苷酸與核苷酸的連接：由磷酸二酯鍵連接，方向為 $3' \rightarrow 5'$。

本題問的是第 3 種關係，因此正確敘述必須涉及糖的 $3'$、$5'$ hydroxyl，而不是鹼基配對或鹼基環。

選項分析

a. always link A with T and G with C.

錯誤。A–T 與 G–C 是鹼基互補配對關係，並非磷酸二酯鍵連接的對象。

此外，RNA 中通常是 A 與 U 配對，而非 A 與 T。磷酸二酯鍵連接的是相鄰核苷酸的糖與磷酸基團，不會特別依照 A–T 或 G–C 的順序形成。

b. are susceptible to alkaline hydrolysis.

錯誤。此敘述同時涵蓋 RNA 與 DNA，但兩者對鹼水解的敏感性不同。

RNA 的核糖具有 $2'$-OH。在鹼性條件下，$2'$-OH 可失去質子形成 $2'$-O$^-$，接著進行分子內攻擊，使磷酸二酯鍵斷裂，產生 $2',3'$-cyclic phosphate 中間體，最後形成核糖核苷酸片段。

Chargaff's rules（查加夫法則）是關於 DNA 鹼基組成的經驗法則，由 Erwin Chargaff 在 1950 年代發現。這些法則對於 DNA 雙螺旋結構的發現至關重要。

Chargaff's rules 的內容包括：

1. 在雙鏈 DNA 中，腺嘌呤（A）的含量總是等於胸腺嘧啶（T）的含量，即 A = T。
2. 在雙鏈 DNA 中，鳥嘌呤（G）的含量總是等於胞嘧啶（C）的含量，即 G = C。
3. DNA 中嘌呤（A+G）的總量等於嘧啶（T+C）的總量，即 A+G = T+C。
4. A+T 的比例與 G+C 的比例在不同物種的 DNA 中變化很大，但對於同一物種的 DNA 來說，這個比例相對恆定。

本題考察對「差向異構體」（epimer）概念的理解。差向異構體是指在一個分子中，除了某一個手性碳原子（chiral carbon）的構型不同之外，其他所有手性碳原子的構型都相同的立體異構體（stereoisomers）。

D-葡萄糖 (D-glucose) 的結構：
在 D-葡萄糖的費雪投影式（Fischer projection）中，從上往下數，C1 是醛基碳，C2, C3, C4, C5 是手性碳，C6 是 CH2OH。

• C2 的 -OH 在左邊
• C3 的 -OH 在右邊
• C4 的 -OH 在右邊
• C5 的構型決定是 D 型（-OH 在右邊）

分析選項：
a. D-glucose (葡萄糖) 和 D-glucosamine (葡萄糖胺)。

• D-glucosamine 是 D-glucose 在 C2 位置的胺基取代了羥基。
• D-glucose: C2-OH, C3-OH, C4-OH (右)
• D-glucosamine: C2-NH2, C3-OH, C4-OH (右)
• C2 的取代基不同，構型也不同。因此，它們不是差向異構體。

b. D-glucose (葡萄糖) 和 D-mannose (甘露糖)。

• D-glucose: C2-OH (右), C3-OH (左), C4-OH (右)
• D-mannose: C2-OH (左), C3-OH (左), C4-OH (右)
• 比較 D-glucose 和 D-mannose：

膽固醇（Cholesterol）是一種固醇類脂質，是細胞膜的重要組成成分，也是合成類固醇激素、膽汁酸和維生素 D 的前體。

膽固醇的結構特點：
膽固醇分子由四個環狀結構（A, B, C, D）和一個側鏈組成。

• 環狀部分（A, B, C, D）和側鏈主要由碳氫鍵構成，是高度疏水（nonpolar）的。
• 在 A 環的 3 號碳原子上，連接有一個羥基（-OH）。這個羥基是極性（polar）的。

由於膽固醇分子同時具有一個大的疏水區域（環狀結構和側鏈）和一個小的極性區域（3-羥基），因此它具有兩親性（amphipathic）的性質。

本題考察對生物膜（biological membranes）組成成分的理解，需要找出關於膜組成的錯誤敘述。

分析選項：
a. 「In a given eukaryotic cell type (e.g., a hepatocyte), all intracellular membranes have essentially the same lipids and proteins.」 - 錯誤。細胞內的各種膜結構（如內質網、高爾基體、溶酶體、線粒體內膜、線粒體外膜、核膜等）在脂質和蛋白質組成上存在顯著差異，這些差異反映了它們各自獨特的功能。例如，線粒體內膜富含參與電子傳遞鏈的蛋白質，而核膜的組成則與內質網不同。

b. 「The carbohydrate found in membranes is virtually all part of either glycolipids or glycoproteins.」 - 正確。細胞膜上的碳水化合物通常以糖鏈的形式存在，它們與脂質形成糖脂（glycolipids），或與蛋白質形成糖蛋白（glycoproteins）。這些碳水化合物位於細胞膜的外表面，參與細胞識別、信號傳導等功能。

c. 「The plasma membranes of the cells of vertebrate animals contain more cholesterol than the mitochondrial membranes.」 - **

本題考察植物信號傳導通路中，受體類激酶（Receptor-like Kinases, RLKs）的作用機制，需要找出一個不會發生的事件。

RLKs 是一類膜結合的蛋白激酶，在植物信號傳導中扮演重要角色，它們通常包含一個胞外配體結合域、一個跨膜結構域和一個胞內激酶域。

分析選項：
a. Activation of a MAPK cascade (MAPK 級聯的激活) - 會發生。許多 RLK 信號通路最終會激活 MAP 激酶（MAP kinase）級聯，MAPK 級聯是植物細胞中廣泛存在的信號傳導通路，參與調控細胞生長、分化、應激反應等。

b. Autophosphorylation of receptor (受體自身磷酸化) - 會發生。當配體結合到 RLK 的胞外域後，通常會導致激酶域的二聚化，從而激活激酶活性。激活的激酶域會對受體自身的特定酪胺酸殘基進行磷酸化，這個過程稱為自身磷酸化（autophosphorylation）。自身磷酸化是激活 RLK 的關鍵步驟，可以改變其構象，增強其催化活性，並為下游信號分子的結合或磷酸化提供位點。

c. Dimerization of receptor (受體二聚化) - 會發生。

核心觀念

本題考查標準自由能變化 $\Delta G^\circ$、平衡常數 $K$ 與反應方向的關係。

基本公式為：

$$\Delta G^\circ=-RT\ln K$$

其中：

• $\Delta G^\circ<0$：平衡常數 $K>1$，平衡偏向生成物。
• $\Delta G^\circ>0$：平衡常數 $K<1$，平衡偏向反應物。
• $\Delta G^\circ=0$：$K=1$。

本題給定：

$$\Delta G^\circ=-20\ \mathrm{kJ/mol}$$

負值表示反應 $A+B\rightarrow C$ 在熱力學上有利，平衡時生成物 $C$ 的比例遠高於反應物 $A$ 與 $B$。

解題方法

先利用公式判斷平衡常數大小：

$$\Delta G^\circ=-RT\ln K$$

整理得：

$$\ln K=-\frac{\Delta G^\circ}{RT}$$

在 $25^\circ\mathrm{C}=298\ \mathrm{K}$ 時，取 $R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}K^{-1}}$，並將 $\Delta G^\circ$ 換成焦耳：

$$\ln K = -\frac{-20000}{8.314\times 298} \approx 8.07$$

因此：

$$K=e^{8.07}\approx 3.2\times 10^3$$

所以平衡常數約為 $3200$，代表平衡顯著偏向 $C$。

若依題目常見的標準條件解讀，初始時 $A$、$B$ 的活度約為 $1$，而 $C$ 尚未形成，反應進行至平衡時，大部分 $A$、$B$ 會轉變為 $C$，故 $C$ 的濃度會遠高於 $A$、$B$。

必須區分兩件事：

• $\Delta G^\circ$ 判斷平衡位置與熱力學方向。
• 反應速率則由活化能、催化劑、反應機構等因素決定。

選項分析

a. at equilibrium, the concentration of B will exceed the concentration of A.

錯誤。

反應式為：

$$A+B\rightarrow C$$

$A$ 與 $B$ 的化學計量係數相同，均為 $1$。若兩者以相同初始濃度開始，平衡時會以相同莫耳數被消耗，因此平衡濃度不會因 $\Delta G^\circ<0$ 而使 $B$ 高於 $A$。

b. at equilibrium, the concentration of C will be less than the concentration of A.

錯誤。

因為：

$$K\approx 3.2\times 10^3$$

本題要求按照 β-氧化（beta-oxidation）的順序排列參與反應的四種酶。β-氧化是脂肪酸分解代謝的過程，將脂肪酸轉化為乙醯輔酶 A（acetyl-CoA），以產生能量。它發生在粒線體基質中。

脂肪酸的 β-氧化是一個循環過程，每一輪循環會縮短脂肪酸鏈兩個碳原子，並產生一分子 NADH 和一分子 FADH2。循環中的關鍵步驟由以下四種酶催化：

1. Acyl-CoA dehydrogenase (醯基輔酶 A 脫氫酶)：這是 β-氧化過程的第一步。它催化脂肪酸鏈 α-碳和 β-碳之間脫氫，形成一個不飽和鍵（雙鍵），並產生 FADH2。

   • 底物：飽和的醯基輔酶 A (Acyl-CoA)
   • 產物：反式-Δ2-烯醯輔酶 A (trans-Δ2-enoyl-CoA)
   • 輔酶：FAD (被還原成 FADH2)

2. Enoyl-CoA hydratase (烯醯輔酶 A 水合酶)：第二步是將上一步產生的不飽和鍵水合。

   • 底物：反式-Δ2-烯醯輔酶 A
   • 產物：L-3-羥基醯基輔酶 A (L-3-hydroxyacyl-CoA)
   • 輔酶：水分子 (H2O)

肝臟中肝醣（glycogen）的降解是一個受嚴格調控的過程，主要有兩種機制：透過血漿升糖素（glucagon）的 cAMP 信號通路，以及透過細胞內鈣離子（Ca2+）的信號通路。血液葡萄糖濃度也會間接影響肝醣降解。

a. 細胞質 Ca2+ (cytosolic Ca2+)

• 效應：增加細胞質 Ca2+ 濃度會促進肝醣降解。
• 生化機制：
  1. Ca2+ 的增加通常與應激反應（如劇烈運動、缺血）或某些激素信號（如去甲腎上腺素，雖然在肝臟中較少引起 Ca2+ 升高）有關。
  2. Ca2+ 通過與鈣調蛋白（calmodulin, CaM）結合，形成 Ca2+-CaM 複合物。
  3. Ca2+-CaM 複合物可以激活一種稱為磷酸化酶激酶 (phosphorylase kinase, PhK) 的酶。
  4. 磷酸化酶激酶（PhK）是一個受多種因素調節的酶，它本身被磷酸化後活性增強。Ca2+ 的升高是激活 PhK 的一個重要信號。
  5. 激活的 PhK 會將磷酸基團轉移到肝醣磷酸化酶 b (glycogen phosphorylase b) 上，將其轉化為活性更高的肝醣磷酸化酶 a (glycogen phosphorylase a)。
  6. 肝醣磷酸化酶 a 是催化肝醣降解為葡萄糖-1-磷酸（glucose-1-phosphate）的關鍵酶。
  7. 因此，細胞質 Ca2+ 的增加通過激活磷酸化酶激酶，進而激活肝醣磷酸化酶，加速肝醣降解。

b. 血漿升糖素 (plasma glucagon)

• 效應：升糖素是調節血糖濃度的主要激素之一，它能顯著增加肝醣降解速率。
• 生化機制：
  1. 升糖素由胰臟的 α 細胞分泌，當血糖濃度降低時釋放。
  2. 升糖素與肝細胞膜上的升糖素受體結合，激活細胞膜上的腺苷酸環化酶（adenylate cyclase）。
  3. 腺苷酸環化酶催化 ATP 轉化為環腺苷酸（cAMP）。
  4. cAMP 作為第二信使，與蛋白質激酶 A（protein kinase A, PKA）的調節亞基結合，釋放出具有活性的催化亞基。

生物分子（如蛋白質、DNA、澱粉、脂質雙層）的形成與穩定主要依賴於非共價鍵（non-covalent bonds）的作用。這些非共價鍵包括氫鍵（hydrogen bonds）、離子鍵（ionic bonds，也稱靜電相互作用）、凡得瓦爾力（van der Waals forces，包括倫敦色散力 London dispersion forces 和偶極-偶極作用 dipole-dipole interactions）以及疏水效應（hydrophobic effect）。

各種生物分子如何被非共價鍵穩定：

1. 蛋白質 (Proteins)：

   • 穩定機制：蛋白質的三級結構（三維構象）由胺基酸序列決定，並通過多種非共價鍵穩定。
     • 氫鍵：肽骨架上的 C=O 和 N-H 基團之間形成，穩定二級結構（α-螺旋和 β-摺疊）。側鏈基團之間也可形成氫鍵。
     • 離子鍵/靜電相互作用：帶相反電荷的側鏈（如帶正電的 Arg, Lys 與帶負電的 Asp, Glu）之間形成的吸引力。
     • 凡得瓦爾力：分子間緊密接觸的區域，特別是疏水性側鏈之間，會產生微弱的吸引力。
     • 疏水效應：蛋白質在水溶液中摺疊時，疏水性側鏈會聚集在蛋白質內部，遠離水分子，這是一個主要的穩定驅動力。
   • 共同點：所有非共價鍵類型都參與。
   • 獨特性：序列特異性極高，摺疊過程複雜，可能涉及蛋白質伴侶（chaperones）。

2. DNA (Deoxyribonucleic Acid)：

   • 穩定機制：DNA 的雙螺旋結構主要由以下非共價鍵穩定。
     • 鹼基配對中的氫鍵：A-T 對之間有兩個氫鍵，G-C 對之間有三個氫鍵。這些氫鍵雖單個較弱，但大量氫鍵的協同作用提供了結構穩定性。
     • 鹼基堆疊作用（Base stacking）：相鄰鹼基的芳香環之間存在 π-π 相互作用（一種凡得瓦爾力），這種作用是穩定雙螺旋的另一個重要因素，尤其是在遠離水環境的雙螺旋內部。
     • 靜電排斥（被磷酸骨架抵消）：DNA 骨架上的磷酸基團帶負電，會產生靜電排斥。然而，與 DNA 結合的陽離子（如 Mg2+）和蛋白質（如組蛋白）可以中和這些負電荷，從而穩定雙螺旋結構。
   • 共同點：氫鍵、凡得瓦爾力（鹼基堆疊）。
   • 獨特性：鹼基配對是其核心特徵，提供了序列特異性。磷酸骨架的靜電排斥需要被中和。

3. 澱粉 (Starch)：

   • 穩定機制：澱粉是葡萄糖單位的多醣，主要以直鏈澱粉（amylose）和支鏈澱粉（amylopectin）的形式存在。
     • 葡萄糖單元之間的醣苷鍵：這是共價鍵，將單元連接起來。
     • 鏈間氫鍵：澱粉鏈上的羥基之間可以形成氫鍵，這有助於分子鏈的排列和聚集，尤其是在形成螺旋結構或顆粒結構時。

DNA 的兩個主要鹼基配對是腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）配對，以及鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）配對。它們通過氫鍵連接在一起，形成雙螺旋結構。

1. DNA 的兩種常見鹼基配對化學結構：

• A-T 配對：腺嘌呤（A）是一個嘌呤，有兩個環。胸腺嘧啶（T）是一個嘧啶，有一個環。它們之間形成兩個氫鍵。

  • A 的 N1 原子（從環內計數）與 T 的 N3 原子之間形成一個氫鍵。
  • A 的氨基（-NH2）中的一個氫原子，與 T 的羰基氧（C=O）之間形成另一個氫鍵。

• G-C 配對：鳥嘌呤（G）是一個嘌呤，有兩個環。胞嘧啶（C）是一個嘧啶，有一個環。它們之間形成三個氫鍵。

  • G 的羰基氧（C=O）與 C 的氨基（-NH2）中的一個氫原子之間形成一個氫鍵。
  • G 的氨基（-NH2）中的一個氫原子，與 C 的 N3 原子之間形成一個氫鍵。
  • G 的 N1 原子與 C 的羰基氧（C=O）之間形成一個氫鍵。

繪製化學結構：
（由於純文字格式限制，無法直接繪製結構圖。以下為結構描述，實際繪圖時應畫出各原子和鍵。）

• A-T 配對：

  • 腺嘌呤 (Adenine)：一個六元環和一個五元環組成的嘌呤，在 C6 位有一個氨基 (-NH2)。
  • 胸腺嘧啶 (Thymine)：一個六元環的嘧啶，在 C2 和 C4 位有羰基 (-C=O)，在 C5 位有一個甲基 (-CH3)。
  • 它們通過 A 的 N1 與 T 的 N3 之間（氫鍵），以及 A 的 C6-NH2 與 T 的 C4=O 之間（兩個氫鍵，其中一個是 A 的氨基 H 連接到 T 的 O，另一個是 A 的 N 連接到 T 的 N）。
  • 注意：A-T 配對有兩個氫鍵。

• G-C 配對：

  • 鳥嘌呤 (Guanine)：一個六元環和一個五元環組成的嘌呤，在 C2 位有一個氨基 (-NH2)，在 C6 位有一個羰基 (-C=O)。
  • 胞嘧啶 (Cytosine)：一個六元環的嘧啶，在 C2 位有一個氨基 (-NH2)，在 C4 位有一個羰基 (-C=O)。

糖蛋白（glycoproteins）中的寡醣鏈（oligosaccharide chains）是通過共價鍵連接到蛋白質骨架上的。這些寡醣鏈的存在對蛋白質的結構和功能產生廣泛的影響，並極大地增加了生物分子的多樣性。

1. 寡醣鏈對蛋白質結構和功能的修飾：

• 蛋白質摺疊和穩定性：寡醣鏈的引入可以影響蛋白質的摺疊過程。它們的體積和極性可以幫助蛋白質正確摺疊，並增加蛋白質的穩定性，使其不易被蛋白酶降解。例如，在細胞膜上的糖蛋白，其胞外部分的寡醣鏈可以保護蛋白質免受細胞外環境的影響。
• 蛋白質定位和運輸：某些寡醣結構（如特定的信號寡醣）可以作為信號，指導蛋白質在細胞內的運輸和定位，例如將蛋白質導向特定的細胞器（如溶酶體）。
• 信號傳導和細胞識別：寡醣鏈在細胞膜外表面形成糖萼（glycocalyx），在細胞-細胞識別、黏附、免疫應答和信號傳導中起著至關重要的作用。例如，不同的血型抗原就是由紅細胞表面糖蛋白上的寡醣結構決定的。
• 酶活性調節：寡醣鏈可以通過改變蛋白質的構象、影響底物結合或參與催化過程來調節蛋白質的酶活性。
• 溶解度：寡醣鏈通常是親水的，它們的引入可以增加蛋白質在水溶液中的溶解度。

2. 寡醣鏈如何貢獻於結構多樣性：

寡醣鏈的結構多樣性極高，這主要歸因於以下幾個方面：