108 年 國立成功大學臨床藥學與藥物科技研究所乙組《生物化學》

此題考查鳥嘌呤核苷酸（GMP）的合成途徑。次黃嘌呤核苷酸（IMP）是合成腺嘌呤核苷酸（AMP）和鳥嘌呤核苷酸（GMP）的共同前驅物。IMP 轉化為 GMP 的過程需要經過一個羥基化反應，該反應是由次黃嘌呤核苷酸脫氫酶（IMP dehydrogenase）催化，並在 NADP+ 的參與下進行氧化還原反應，最終生成 GMP。

此題考查 5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP）在動物體內調節核酸合成的機制。PRPP 是合成嘧啶核苷酸和嘌呤核苷酸的關鍵前驅物。

在嘌呤核苷酸合成途徑中，PRPP 是由 PRPP 合成酶催化，將核糖-5-磷酸與 ATP 轉化而來，是嘌呤環的起始物質。PRPP 的濃度升高會促進嘌呤核苷酸的從頭合成（de novo synthesis）。

核心觀念

本題考查糖解作用中間產物與胺基酸生合成的連結。糖解作用的中間產物不僅用於產生 ATP 與 NADH，也可分流作為胺基酸、脂質與核苷酸的前驅物。

$3$-phosphoglycerate（$3$-磷酸甘油酸，3-PG）是絲胺酸（serine）的直接代謝前驅物，而絲胺酸又可進一步生成甘胺酸（glycine）與半胱胺酸（cysteine），因此是三者的共同前驅物。

解題方法

掌握胺基酸與糖解作用的主要對接位置：

絲胺酸形成後有兩條重要分流：

1. 生成甘胺酸

由 serine hydroxymethyltransferase 催化，將絲胺酸的 $\beta$-碳轉移至 tetrahydrofolate（THF），形成 $5,10$-methylene-THF，並產生甘胺酸：

2. 生成半胱胺酸

半胱胺酸的碳骨架來自絲胺酸，硫原子則來自含硫代謝途徑。在動物的 transsulfuration pathway 中，絲胺酸與 homocysteine 反應，經 cystathionine 生成半胱胺酸：

因此，3-PG 是 serine、cysteine 與 glycine 的共同上游來源。

選項分析

• (A) fructose-6-phosphate

  Fructose-6-phosphate 是糖解作用早期中間產物，主要可轉換為 fructose-1,6-bisphosphate，繼續進入糖解作用。

此題考查血清中 SGOT（AST，天門冬胺酸轉胺酶）和 SGPT（ALT，丙胺酸轉胺酶）的存在意義。這兩種酶主要存在於肝細胞、心肌細胞、骨骼肌細胞等組織中。當這些組織受損時，細胞膜通透性增加或細胞破裂，導致細胞內的酶釋放到血液中，引起血清中 SGOT 和 SGPT 濃度的升高。

SGOT 和 SGPT 升高最常見的原因是肝臟疾病，例如肝炎、肝硬化、脂肪肝、肝癌等。此外，心肌梗塞（心臟病發作）也會導致心肌細胞受損，引起 SGOT 升高，但 SGPT 通常變化不大或輕微升高。嚴重的肌肉損傷也可能導致 SGOT 升高。

此題考查胺基酸代謝中胺基轉移酶（aminotransferase）的作用。胺基轉移酶是一類催化胺基從一個胺基酸轉移到一個 α-酮酸上的酶。這個反應通常涉及到 α-酮酸的受體（如 α-酮戊二酸）和胺基酸的供體。最常見的胺基供體是麩胺酸（glutamate），其胺基轉移到 α-酮酸上形成新的胺基酸，而麩胺酸自身則被轉化為 α-酮戊二酸。

胺基轉移酶催化的反應本質上是：胺基酸 1 + α-酮酸 2 ⇌ α-酮酸 1 + 胺基酸 2。

我們逐一分析選項：
(A) 丙胺酸 → 丙酮酸 (Alanine → Pyruvate)：這個反應是丙胺酸的脫胺反應，實際上是由丙胺酸轉胺酶（alanine aminotransferase, ALT，即 SGPT）催化的。丙胺酸將其胺基轉移到 α-酮戊二酸上，生成 α-酮丙酸（pyruvate），而 α-酮戊二酸則轉化為麩胺酸。反之，α-酮丙酸（pyruvate）與麩胺酸反應，生成丙胺酸。這個反應是典型的胺基轉移反應。

此題考查 Lesch-Nyhan 症候群的生化機制。Lesch-Nyhan 症候群是一種 X 染色體隱性遺傳疾病，其病因是次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶（hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase, HGPRT）的活性缺陷或缺乏。HGPRT 酶在嘌呤核苷酸的再利用途徑（salvage pathway）中扮演關鍵角色，它催化次黃嘌呤（hypoxanthine）和鳥嘌呤（guanine）與 PRPP 反應，生成 IMP 和 GMP。

當 HGPRT 缺乏時：

1. 嘌呤的再利用受阻：來自細胞內降解或飲食中的次黃嘌呤和鳥嘌呤無法有效轉化為 IMP 和 GMP。
2. PRPP 的消耗減少：由於 HGPRT 參與 PRPP 的利用，其缺乏會導致 PRPP 的消耗減少，進而可能導致 PRPP 的累積。
3. 從頭合成途徑的負回饋受影響：IMP 和 GMP 是嘌呤從頭合成途徑的終產物，它們通常會對途徑的起始酶（如 PRPP 胺基轉移酶）產生負回饋抑制。當 IMP 和 GMP 的合成減少時，這種負回饋作用就會減弱，導致嘌呤從頭合成途徑的活性增加。
4. 次黃嘌呤和鳥嘌呤的累積：由於再利用受阻，無法被 HGPRT 處理的次黃嘌呤和鳥嘌呤會在細胞內累積。

題目問的是「缺乏 HGPRT 酶會導致什麼」。根據上述機制，次黃嘌呤（hypoxanthine）無法被有效再利用，因此會在細胞內累積。

此題考查哪些胺基酸在代謝分解時，其碳骨架最終只能生成酮體（ketone bodies），而不能生成葡萄糖（glucogenic）。這類胺基酸被稱為「純酮源性胺基酸」（purely ketogenic amino acids）。

酮體（乙醯乙酸、β-羥丁酸、丙酮）是在肝臟中由乙醯輔酶 A（acetyl-CoA）合成的。當胺基酸的碳骨架分解產生的代謝中間產物最終進入乙醯輔酶 A 或乙醯乙酸，並且不能通過糖質新生途徑（gluconeogenesis）轉化為葡萄糖時，這些胺基酸就是純酮源性的。

以下是常見的純酮源性胺基酸：

• 亮氨酸 (Leucine)：其碳骨架最終分解為乙醯輔酶 A。
• 離胺酸 (Lysine)：其碳骨架最終分解為乙醯輔酶 A。

此題考查在生理條件下（中性 pH，約 7.4）氨（ammonia）的主要離子形式。

氨（NH3）是一個弱鹼。在水溶液中，它會與水分子反應，形成銨離子（NH4+）和氫氧根離子（OH-）：
NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH-

這個反應的平衡常數（Ka）與氨的 pKa 值相關。對於銨離子（NH4+），其 pKa 值約為 9.25。 pKa 是指當溶液中某物質的濃度與其共軛酸的濃度相等時的 pH 值。

pH 值與 pKa 值之間的關係由 Henderson-Hasselbalch 方程式描述：
pH = pKa + log([A-]/[HA])
其中 [A-] 是鹼的共軛鹼形式（NH3），[HA] 是其共軛酸形式（NH4+）。

核心觀念

酵素活性部位中的催化性胺基酸，必須維持特定的質子化狀態，才能完成催化反應。

本題給定：

• Arginine 的 $pK_a=2.9$
• Glutamate 的 $pK_a=9.1$

若兩者都參與催化，合理的活性狀態是：

• Arginine 需為去質子化型
• Glutamate 需為質子化型

因此，最佳 pH 應位於兩個 $pK_a$ 之間，使兩個催化殘基同時保有適當的離子化狀態。

解題方法

對酸鹼催化而言，最佳 pH 通常可估為兩個相關 $pK_a$ 的中間值：

代入本題數值：

在 pH 約為 $6.0$ 時：

• 對於 $pK_a=2.9$ 的 arginine，因為 $\mathrm{pH}>pK_a$，主要呈去質子化型。
• 對於 $pK_a=9.1$ 的 glutamate，因為 $\mathrm{pH}<pK_a$，主要呈質子化型。

兩個殘基都能維持催化所需的狀態，酵素活性因而達到最佳。

這也符合典型的鐘形 pH－活性曲線：pH 太低時，第一個殘基過度質子化；pH 太高時，第二個殘基過度去質子化。

選項分析

核心觀念

活化能是反應物到過渡態所需跨越的能量差。正反應與逆反應的起點不同，因此各自的活化能都要從該方向的反應物能階量到過渡態能階：

解題方法

圖中反應物能階低於生成物能階，曲線最高點代表過渡態。箭頭 1 從反應物能階指向過渡態，箭頭 2 從生成物能階指向過渡態；箭頭 3 表示生成物與較低參考能階之間的能量差，並未量到過渡態。

因此，正反應的活化能是箭頭 1，逆反應的活化能是箭頭 2。

選項分析

核心觀念

本題考查 Michaelis–Menten 酵素動力學：

其中：

• $v$：反應速率
• $V_{\max}$：酵素達飽和時的最大反應速率
• $[S]$：基質濃度
• $K_m$：反應速率達到 $V_{\max}$ 一半時的基質濃度

因此：

解題方法

由表中高基質濃度時的速率可見，反應速率約在 $210\sim215\ \mu\text{molar/min}$ 附近達到平台。因此可估計：

其一半為：

查表可得：

• $[S]=120$ 時，$v=87$
• $[S]=300$ 時，$v=110$

$105$ 位於 $87$ 與 $110$ 之間，使用線性內插估計其對應的基質濃度：

因此：

此題考查酶催化效率與反應能圖的關係。酶的催化效率越高，其降低反應活化能的能力就越強。活化能是從反應物到過渡態所需的能量，較低的活化能意味著反應更容易發生，速率更快。

在反應能圖中，活化能由反應物的能量水平到過渡態（最高能量點）的垂直距離表示。酶的催化作用就是通過降低這個活化能來加速反應。

圖 I, II, III, IV 都描繪了同一化學反應在不同催化劑（酶）作用下的反應能圖。我們需要比較哪個圖中，催化劑（酶）對活化能的降低效果最明顯。

• 圖 I：過渡態的能量相對較高，活化能較大。
• 圖 II：過渡態的能量比圖 I 更低，活化能較小。
• 圖 III：過渡態的能量比圖 I 和 II 更低，活化能最小。

核心觀念

本題考查酵素抑制作用中，反應速率與底物濃度的關係。

酵素反應遵循 Michaelis–Menten 方程式：

其中：

• $v$：初始反應速率
• $V_{\max}$：底物濃度足夠高時的最大反應速率
• $K_m$：反應速率達到 $V_{\max}/2$ 時的底物濃度，反映酵素對底物的表觀親和力
• $[S]$：底物濃度

各類抑制作用的主要變化如下：

解題方法

題目表示在加入固定濃度的 inhibitor 後，隨著底物濃度增加，反應速率依序為：

可觀察到兩項特徵：

1. 底物濃度增加時，反應速率逐漸上升。
2. 反應速率最後接近平台值 $150\ \mu\text{mol/min}$。

這代表當底物濃度很高時，底物可以逐漸排除 inhibitor 對酵素活性部位的競爭，使反應速率仍可接近原本的最大速率。因此，抑制劑主要造成達到半最大速率所需的底物濃度增加，也就是：

但最大反應速率維持不變：

這正是競爭性抑制的特徵。

競爭性抑制的速率方程式可寫成：

其中：

因為 $\alpha>1$，所以表觀 $K_m$ 增加；當 $[S]$ 足夠大時，$[S]\gg \alpha K_m$，反應速率仍可接近 $V_{\max}$。

因此，本題答案為 Competitive inhibition。

選項分析

(A) Irreversible inhibition

核心觀念

β-胺基酸是指胺基位於羧基的 β-碳上，其基本骨架為：

判斷方法是：以羧基碳為第 1 位，鄰近的碳為 α-碳，再下一個碳為 β-碳。若胺基連接在 β-碳，即屬於 β-胺基酸或其衍生物。

解題方法

逐一從羧基或羧酸衍生物往外編號，確認胺基所在位置：

• 胺基在羧基相鄰碳上：α-胺基酸。
• 羧基與胺基之間隔著一個 $\mathrm{CH_2}$：β-胺基酸。

選項分析

1. 結構中的羧酸衍生物為：

   $\mathrm{R_2NHCO-CH(Ph)-CH_2-NHR_1}$

   胺基位於羧基衍生物的 β-碳上，因此是 β-胺基酸衍生物。

2. 羧基與含氮環之間隔著一個 $\mathrm{CH_2}$，環上的氮相當於位於 β-位置，因此屬於 β-胺基酸衍生物。

核心觀念

本題考查胺基酸的結構與物理化學性質，重點包括：

• α-碳的手性與天然胺基酸的立體構型
• 芳香族胺基酸對蛋白質 $280\ \text{nm}$ 紫外吸收的貢獻
• 胺基酸的兩性離子（zwitterion）形式
• 不對稱碳的定義
• 羧酸根的共振與負電荷離域

解題方法

逐一檢查各敘述是否符合胺基酸的基本結構與定義：

1. 判斷是否所有胺基酸皆具有手性 α-碳。
2. 判斷芳香族胺基酸對 $280\ \text{nm}$ 吸收的貢獻是否主要。
3. 依照 α-羧基與 α-胺基的 $pK_a$，判斷 pH 8 時的主要離子型態。
4. 對照不對稱碳的定義。
5. 以羧酸根的共振結構判斷負電荷分布。

選項分析

1. All amino acids contain a chiral α-carbon and only L-enantiomers are found.

錯誤。

大多數胺基酸的 α-碳連接四種不同的基團：

因此具有手性。但甘胺酸（glycine）的側鏈 $R=H$，其 α-碳實際上連接兩個氫原子，不具備四種不同取代基，因此是唯一沒有手性的標準胺基酸。

此外，生物體內蛋白質主要由 L-胺基酸組成，但自然界也存在 D-胺基酸，例如細菌細胞壁中的 D-alanine。因此「所有胺基酸」與「只有 L-enantiomers」皆不嚴謹。

2. Aromatic amino acids, i.e., tyrosine, tryptophan, and phenylalanine, account for most of the UV absorbance by protein in the region around 280 nm.

正確。

芳香族胺基酸的芳香環具有共軛 π 電子系統，能吸收紫外光。蛋白質在約 $280\ \text{nm}$ 的吸收，主要來自：

• 色胺酸（tryptophan，Trp）：貢獻最大
• 酪胺酸（tyrosine，Tyr）：貢獻次之
• 苯丙胺酸（phenylalanine，Phe）：吸收很弱，貢獻較小

因此，蛋白質在 $280\ \text{nm}$ 附近的吸收主要由 Trp 與 Tyr 決定，整體而言芳香族胺基酸是主要吸收來源。本敘述判定為正確。

3. An amino acid is a zwitterion at pH=8.

正確。

核心觀念

本題考的是胜肽在指定 pH 下，各可游離基團的酸鹼電荷總和。帶電側鏈主要包括：

• 鹼性殘基：賴胺酸（K）與精胺酸（R）各帶 $+1$；組胺酸（H）在本題採用的整數電荷近似下視為帶 $+1$。
• 酸性殘基：天門冬胺酸（D）與麩胺酸（E）各帶 $-1$。
• 其餘列出的殘基在此 pH 下視為不帶電。

每條胜肽的 N 端約帶 $+1$、C 端約帶 $-1$，兩者互相抵銷。因此只需加總帶電側鏈。

解題方法

依題目選項所採用的整數電荷近似，逐條計算：

核心觀念

本題考察天然蛋白質的常見長度範圍，以及多肽鏈過短、過長時所面臨的結構與溶解性限制。

蛋白質必須同時具備：

1. 足夠的胺基酸數目，以形成穩定的三維折疊結構。
2. 良好的水溶性，避免疏水表面彼此黏附而聚集。
3. 可由細胞內的核糖體正常合成。

天然蛋白質常見長度約為 $100$ 至 $1000$ 個胺基酸殘基。這並非絕對界線，但能反映蛋白質穩定折疊與溶解性之間的平衡。

解題方法

逐項判斷五個敘述是否為多肽長度受到限制的合理原因：

• 過長：是否容易聚集、沉澱？
• 過短：是否能形成穩定的折疊結構？
• 合成與化學鍵：是否構成主要限制？

合理的敘述必須符合蛋白質結構生物學與細胞生物學的基本原理。

各敘述分析

1. Larger polypeptides are easier to non-specifically aggregate and precipitate in the solution.

正確。

多肽鏈越長，通常具有越多疏水性胺基酸與潛在的疏水表面。若折疊不完全、局部結構暴露，這些疏水區域會彼此接觸，形成非特異性聚集，進一步造成沉澱。

此外，大型蛋白質具有較多可能發生錯誤折疊的區域，因此折疊中間態與錯誤折疊產物增加，也會提高聚集風險。這是限制蛋白質無限制變大的重要因素。

2. Smaller polypeptides do not form stable folded structures.

正確。

蛋白質折疊的穩定性來自多種作用力，包括：

• 疏水作用
• 氫鍵
• 離子鍵與鹽橋
• 范德華力
• 二硫鍵等共價交聯

多肽太短時，能夠形成的疏水核心、二級結構與長程交互作用不足，折疊後所獲得的穩定化能量有限，難以形成穩定的球狀蛋白質結構。

許多短肽仍可形成局部的 $\alpha$-螺旋或 $\beta$-轉角，但不代表它們能形成具有完整疏水核心的穩定三維蛋白質。題目所指的「穩定 folded structures」是一般性敘述，因此此項成立。

3. Smaller polypeptides typically assemble into prion-like aggregates.

錯誤。

Prion-like aggregates（類朊病毒聚集體）通常與特定蛋白質的錯誤折疊、富含 $\beta$-結構及自我播種聚集有關，並不是小型多肽的典型命運。

核心觀念

本題考查三項蛋白質定序觀念：

1. 胺基酸組成分析：確認序列必須含有 Lys$_2$、Gly$_2$、Phe$_2$、His、Leu、Met，共 9 個胺基酸。
2. FDNB（Sanger reagent）定序法：FDNB會與胜肽鏈或片段的游離 N 端胺基反應；水解後可由 DNP-胺基酸判定該片段的 N 端胺基酸。
3. Pepsin 切割特異性：Pepsin主要在芳香族胺基酸 Phe、Tyr、Trp 的羧基端切割。本題只有 Phe 符合，因此可視為在 Phe 後切割。

解題方法

1. 由 FDNB 判定片段的 N 端

由題目可知：

• DNP-His 由五胜肽中回收，表示該五胜肽的 N 端為 His。
• DNP-Phe 由三胜肽中回收，表示該三胜肽的 N 端為 Phe。

因此，正確序列必須能形成：

• 以 His 開頭的五胜肽片段；
• 以 Phe 開頭的三胜肽片段。

選項中以 His 作為整條胜肽 N 端的有 A、B、C、E；D 的 N 端是 Gly，首先排除。

2. 利用 Pepsin 產物長度

Pepsin切割後產生：

• 二胜肽；
• 三胜肽；
• 四胜肽。

三者長度總和為：

因此，切割後的三個片段必須依序由二、三、四個胺基酸組成。

題目又指出四胜肽的組成為：

由於 Pepsin 在 Phe 後切割，四胜肽必須以 Phe 結尾。因此四胜肽序列只能合理排列為：

接著尋找各選項中是否存在此四胜肽，且整體可被 Phe 分割成二胜肽、三胜肽、四胜肽。

選項 C：

Pepsin切割後得到：

• $\mathrm{His-Leu-Phe}$：三胜肽；
• $\mathrm{Gly-Lys-Lys-Phe}$：四胜肽；
• $\mathrm{Met-Gly}$：二胜肽。

完全符合題目所述的二胜肽、三胜肽及四胜肽。

此外，C 的整體胺基酸組成為：

核心觀念

本題考「β-turn 的結構特徵」以及特定胺基酸在轉角中所扮演的角色。

β-turn 通常由連續 4 個胺基酸殘基組成，編號為第 1、2、3、4 位。第 1 位與第 4 位的主鏈羰基氧與醯胺氫可形成氫鍵，使多肽鏈方向急遽轉折。

Type II β-turn 的重要特徵是：

• 第 2 位常見 Pro，因為 Pro 的環狀結構有利於固定主鏈構形。
• 第 3 位通常為 Gly。
• 第 3 位主鏈常需採取較不利於一般胺基酸的正 $\phi$ 角；Gly 沒有側鏈，構形自由度最高，因此最適合位於此處。

第 3 位相當於轉角中的第 $i+2$ 位，其主鏈構形通常需要較大的正 $\phi$ 角。Gly 的側鏈只有氫原子，最能容許這種構形。

解題方法

先判定題目所說的「第 3 位置」是 Type II β-turn 的第 3 個殘基，也就是 $i+2$ 位置。

Type II β-turn 的第 3 位需具備下列條件：

Gly 的側鏈為氫原子，立體障礙最小，能採取正 $\phi$ 角，因此是 Type II β-turn 第 3 位的典型胺基酸。

Pro 雖然常出現在 β-turn，但主要是在第 2 位，而不是第 3 位。Pro 的 $\phi$ 角受到環狀結構限制，通常不適合第 3 位所需的正 $\phi$ 角。

因此符合條件的胺基酸為：

選項分析

（A）1

選項 1 代表 Gly。

Gly 沒有真正的側鏈，構形自由度最大，能適應 Type II β-turn 第 3 位所需的正 $\phi$ 角，因此正確。

（B）1, 3

此選項包含 Gly 與 Pro。

核心觀念

本題考蛋白質自發摺疊的基本特徵：蛋白質在適當條件下，會沿著自由能有利的方向，從未摺疊構形集合逐步趨近天然構形。摺疊過程受能量地景引導，並非在所有可能構形中毫無方向地隨機搜尋。

摺疊過程可能出現疏水性塌縮、局部二級結構形成及中間態；錯誤摺疊也與某些人類疾病有關。

解題方法

逐項判斷敘述是否符合蛋白質摺疊的特徵：

• 未摺疊蛋白質可採取大量構形；朝天然態摺疊時，可選構形的整體範圍會逐漸縮小，因此「構形種類的範圍逐漸增加」不符合摺疊方向。
• 摺疊可能先形成局部二級結構，也可能先經疏水性塌縮形成緊密中間態。
• 摺疊異常或錯誤摺疊可能造成疾病。

因此，第 1、3 項為錯誤敘述，答案為 (A)。

選項分析

1. 可能是本質上隨機的過程：錯誤。
   蛋白質分子會有熱運動，構形變化具有隨機性；但摺疊整體受自由能地景引導，天然態通常是較穩定的低自由能狀態。摺疊不是在龐大的構形空間中毫無偏向地逐一搜尋。

2. 可能在人類某些疾病中出現缺陷：正確。
   蛋白質錯誤摺疊、聚集或無法維持正確構形，與多種人類疾病有關，因此本項不是錯誤敘述。

核心觀念

本題考查 Pauling 與 Corey 建構多肽結構模型時採用的幾何限制，以及蛋白質結構穩定作用。

肽鍵具有共振，使 C—N 鍵帶有部分雙鍵性，因此肽鍵附近的原子大致共平面，C—N 軸的旋轉受到限制。多肽主鏈較主要的旋轉自由度，來自 $N—C_{\alpha}$ 與 $C_{\alpha}—C$ 鍵，分別以 $\phi$ 與 $\psi$ 表示。

Pauling 與 Corey 的模型還遵循兩項重要幾何條件：鍵長與鍵角應接近小分子中相應的實測值；原子間距不可短於范德華半徑所允許的範圍。另一方面，主鏈肽基的 $C=O$ 與 $N—H$ 可形成氫鍵，這些非共價作用有助於穩定蛋白質的立體結構。

解題方法

逐項判斷敘述是否符合上述原則：

• 肽鍵平面性：正確。
• 肽鍵能否繞 C—N 軸自由旋轉：不能，旋轉受部分雙鍵性限制。
• 原子間距與范德華作用：須避免原子過度接近。
• 鍵長與鍵角：應符合相應化學鍵在小分子中的合理幾何值。
• 蛋白質一級結構：指胺基酸序列，各蛋白質的序列並非都相似。

核心觀念

本題比較肌紅蛋白（myoglobin, Mb）與血紅蛋白（hemoglobin, Hb）次單元的胺基酸序列、三級結構與氧結合協同性。

• 一級結構：蛋白質的胺基酸排列順序。Mb 與 Hb 次單元的序列不同。
• 三級結構：單一多胜肽鏈摺疊後的立體構形。Mb 與 Hb 次單元都具有相似的球蛋白摺疊結構。
• Hill 係數 $n_H$：描述氧結合的協同性。Mb 只有一個氧結合位點，氧結合不具協同性，$n_H \approx 1$；Hb 由四個次單元組成，次單元間的交互作用使氧結合具有正協同性，$n_H > 1$，常見數值約為 $2.8$。

解題方法

依序比較「結構」與「功能」即可：

1. Mb 與 Hb 次單元的胺基酸序列並不相同，因此一級結構不同。
2. 兩者的多胜肽鏈摺疊相似，具有相近的三級結構。
3. Mb 的氧結合不具協同性；Hb 整體則因次單元間的交互作用而呈現正協同性，兩者的 Hill 係數不同。

因此，符合「三級結構相似、一級結構不同、Hill 係數不同」的是 (E)。

核心觀念

本題考胎兒血紅素（HbF）與成人血紅素對 2,3-二磷酸甘油酸（2,3-BPG）的親和力差異，以及 2,3-BPG 對血紅素氧結合的影響。

2,3-BPG 主要結合去氧血紅素，穩定低氧親和力的 T 態，使血紅素較容易釋放氧氣。HbF 對 2,3-BPG 的親和力較低，因此較少受到 T 態穩定作用，氧親和力較高，能從母體血液中取得氧氣。

解題方法

原頁第 23 題問「胎兒血紅素對 BPG 的親和力較低有何好處」，選項提到成人血紅素的構形、血基質可用量、游離 BPG 與胎兒肌紅蛋白；頁面未提供額外圖表或數據。判斷關鍵是：HbF 較少結合 2,3-BPG，故較不受 T 態穩定，能維持較高的氧親和力，有利於胎兒從母體取得氧氣。

選項分析

核心觀念

DNA 聚合酶合成 DNA 時，需要兩個條件：一段可供讀取的模板，以及帶有游離 $3'$-OH 的引子末端。聚合酶從引子的 $3'$-OH 加入核苷酸，使新鏈以 $5'\to3'$ 方向延長；同時沿模板以 $3'\to5'$ 方向讀取。

本題的單股 DNA 能在分子內折回，使自身形成「引子－模板」結構。這種結構稱為髮夾結構或自我引發結構。

解題方法

將序列由 $5'$ 端起編號：

第 $15$ 至 $17$ 個核苷酸是 $\mathrm{CCC}$；第 $24$ 至 $26$ 個核苷酸是末端 $\mathrm{GGG}$。兩段可互補配對：

• $\mathrm{C}_{15}$ 與 $\mathrm{G}_{26}$ 配對
• $\mathrm{C}_{16}$ 與 $\mathrm{G}_{25}$ 配對
• $\mathrm{C}_{17}$ 與 $\mathrm{G}_{24}$ 配對

中間第 $18$ 至 $23$ 個核苷酸 $\mathrm{ATCGAT}$ 形成髮夾的環部。

核心觀念

本題考查細菌的葉酸合成，以及磺胺類藥物如何藉由抑制葉酸生成，間接阻斷嘌呤合成。

對這類細菌而言，對氨基苯甲酸（p-aminobenzoate，PABA）是合成葉酸的原料。細菌的二氫蝶酸合成酶（dihydropteroate synthase，DHPS）會催化 PABA 與蝶啶中間物結合，形成二氫蝶酸，再經後續反應生成葉酸。磺胺嘧啶胺（sulfanilamide）的結構與 PABA 相似，會競爭 DHPS 的底物結合位置。[^1]

葉酸的活性形式四氫葉酸可攜帶一碳單位。嘌呤從頭合成途徑中，AICAR 必須接受由 $10$-甲醯四氫葉酸提供的甲醯基，生成 FAICAR，才能繼續形成 IMP。這一步受阻時，AICAR 會累積。[^2]

解題方法

看到「磺胺藥抑制生長」、「補充過量 PABA 可恢復」以及「AICAR 累積」，可依序追蹤三件事：

1. PABA 參與哪條合成途徑？
2. 磺胺藥競爭抑制的酵素會使哪種產物不足？
3. 哪個使用葉酸衍生物的代謝步驟會因此受阻？

這條因果鏈為：

分題詳解

(a) PABA 在這些細菌中的作用

PABA 是細菌合成葉酸的原料，經 DHPS 催化後進入葉酸生合成途徑。這些細菌需要從培養基取得 PABA，表示它們無法自行製造足量 PABA，或需依賴外源 PABA 才能維持正常生長。

(b) 為何加入磺胺嘧啶胺後 AICAR 會累積？

磺胺嘧啶胺會競爭 DHPS，使細菌合成葉酸的能力下降。葉酸衍生物不足時，$10$-甲醯四氫葉酸的供應也會受限。

在嘌呤從頭合成途徑中，AICAR 接受甲醯基後生成 FAICAR，這一步需要 $10$-甲醯四氫葉酸：

核心觀念

本題考查尿素循環與檸檬酸循環（又稱三羧酸循環、TCA 循環或 Krebs 循環）之間的代謝連結，以及尿素循環如何跨越粒線體與細胞質進行。

兩個循環的主要連結是天冬胺酸－精胺代琥珀酸穿梭（aspartate–argininosuccinate shunt），也稱 Krebs bicycle。尿素循環產生的延胡索酸可轉成蘋果酸與草醯乙酸；草醯乙酸再經轉胺作用形成天冬胺酸，回到尿素循環，提供尿素的第二個氮原子。Lehninger《生物化學原理》、NCBI Bookshelf：尿素循環

解題方法：先按細胞區室定位，再追蹤兩個循環的交會點

1. 尿素循環分布於粒線體與細胞質

在肝細胞中，尿素循環的前兩步位於粒線體基質，後三步主要位於細胞質：

瓜胺酸由粒線體輸出至細胞質；鳥胺酸則回到粒線體，供循環再用。鳥胺酸與瓜胺酸的跨膜交換需依靠粒線體載體。NCBI Bookshelf：粒線體鳥胺酸載體

2. 尿素循環將氮送入尿素，並產生延胡索酸

尿素的兩個氮原子來源不同：

• 一個來自游離氨，經 CPS I 進入氨甲醯磷酸。
• 另一個來自天冬胺酸，在 ASS1 反應中併入精胺代琥珀酸，最後進入尿素。

ASS1 之後，ASL 將精胺代琥珀酸裂解為精胺酸與延胡索酸。這個延胡索酸是尿素循環與檸檬酸循環的主要代謝連結點。

3. 延胡索酸經代謝轉回天冬胺酸

延胡索酸可依序轉變為蘋果酸、草醯乙酸，再由轉胺作用形成天冬胺酸：

核心觀念

本題考的是細胞呼吸如何依能量轉換逐步將葡萄糖中的化學能轉存為 ATP。依熱力學第一定律，能量不會憑空產生或消失，只會由一種形式轉成另一種形式。

葡萄糖氧化時釋出的能量，主要經過三種轉換：

1. 轉存於 ATP 與還原型輔酶 NADH、FADH₂。
2. 轉為粒線體內膜兩側的質子電化學梯度。
3. 一部分以熱散失。

細胞呼吸的整體反應可概括為：

其中葡萄糖被氧化，氧氣被還原。葡萄糖所含的化學自由能，部分保存在 ATP 中供細胞做功，其餘則散失為熱。

解題方法

依題目列出的三個階段，追蹤能量「從哪裡來、轉存在哪裡、如何用來合成 ATP」：

1. 乙醯輔酶 A 的生成：葡萄糖先經糖解作用形成丙酮酸，再將丙酮酸轉為乙醯輔酶 A。
2. 乙醯輔酶 A 的氧化：乙醯基進入檸檬酸循環，最終氧化為二氧化碳。
3. ATP 的生成：NADH 與 FADH₂將高能電子交給電子傳遞鏈，建立質子梯度，再由 ATP 合成酶合成 ATP。

這種分階段追蹤法，能分清楚哪些反應直接產生 ATP，哪些反應先把能量存入電子載體或質子梯度。

第一階段：乙醯輔酶 A 的生成

此階段包含糖解作用與丙酮酸氧化。

糖解作用

每分子葡萄糖經糖解作用生成 2 分子丙酮酸，淨產生：

• 2 分子 ATP：透過受質層級磷酸化直接合成。
• 2 分子 NADH：葡萄糖氧化釋出的電子與能量轉存於 NADH。

因此，葡萄糖的化學能一部分直接轉為 ATP，一部分暫存為 NADH，其餘仍保留在丙酮酸中。

丙酮酸氧化

每分子葡萄糖產生的 2 分子丙酮酸，經氧化脫羧後生成 2 分子乙醯輔酶 A、2 分子二氧化碳與 2 分子 NADH。此反應不直接合成 ATP。

乙醯輔酶 A 的乙醯基以高能硫酯鍵連接輔酶 A，這讓乙醯基能進入檸檬酸循環並參與後續反應。

第一階段每分子葡萄糖的總產物為 2 分子乙醯輔酶 A、2 分子 ATP、4 分子 NADH 與 2 分子二氧化碳。能量分別保留在 ATP、NADH、乙醯輔酶 A，以及尚未完全氧化的中間產物中。

第二階段：乙醯輔酶 A 的氧化

核心觀念

「無效循環」（futile cycle）是指兩條方向相反的代謝途徑同時運作，使代謝物反覆轉換後回到原狀，沒有淨產物生成，卻消耗能量。這種循環常由一條耗能的合成反應與一條水解反應組成，淨結果是消耗 ATP，並以熱的形式散失能量。

本題重點是辨認兩個方向相反、能互相抵銷的反應，接著相加消去共同的中間代謝物，找出循環的淨反應與能量代價。

解題方法：糖解作用與糖質新生的例子

糖解作用中的磷酸果糖激酶 1（PFK-1）催化：

糖質新生中的果糖-1,6-二磷酸酶（FBPase-1）催化反方向的水解：

將兩式相加，果糖-6-磷酸與果糖-1,6-二磷酸互相消去，得到淨反應：

因此，若 PFK-1 與 FBPase-1 同時高度活化，碳骨架只是在兩種果糖磷酸間循環，沒有淨生成或消耗，卻持續消耗 ATP；這就是醣類代謝中的無效循環。

核心觀念

檸檬酸循環（citric acid cycle，又稱三羧酸循環）是細胞代謝的核心樞紐，具有分解代謝與合成代謝兼具的兩重角色：

• **分解代謝：**氧化乙醯輔酶 A，產生二氧化碳，並將能量轉存為 NADH、FADH₂，供電子傳遞鏈進行氧化磷酸化、合成 ATP。
• **合成代謝：**提供多種生合成前驅物，例如檸檬酸可供脂肪酸與膽固醇合成；α-酮戊二酸可轉為麩胺酸及其他胺基酸；琥珀醯輔酶 A 可用於血基質合成；草醯乙酸可供天門冬胺酸及糖質新生使用。

因此，循環中間物一旦被取用於生合成，就必須透過補充反應（anaplerotic reactions）補回，才能維持循環運作。

解題方法

題目要從檸檬酸循環的生理角色，推論其酵素缺陷為何罕見。切入點是判斷：循環受阻會同時影響哪些重要功能。

核心觀念

粒線體基質中的乙醯輔酶 A（acetyl-CoA）無法直接穿越粒線體內膜，因此細胞以檸檬酸穿梭將乙醯基運送至細胞質。這條路徑同時連結粒線體代謝與細胞質脂肪酸合成。

解題方法

1. 在粒線體基質形成檸檬酸
   乙醯輔酶 A 與草醯乙酸（oxaloacetate, OAA）經檸檬酸合成酶催化，形成檸檬酸：

   $\text{acetyl-CoA}+\text{OAA}+\text{H}_2\text{O}\rightarrow\text{citrate}+\text{CoA-SH}$

2. 檸檬酸移至細胞質
   檸檬酸透過粒線體內膜上的三羧酸轉運蛋白輸出至細胞質，常與蘋果酸反向交換。被運送的是檸檬酸，乙醯輔酶 A 本身不穿越內膜。

3. 在細胞質再生乙醯輔酶 A
   細胞質中的 ATP-檸檬酸裂解酶（ATP-citrate lyase）利用 ATP 與 CoA-SH，將檸檬酸裂解為乙醯輔酶 A 和草醯乙酸：

核心觀念

本題考查瘦素受體如何把細胞外的瘦素訊號轉成細胞內訊號，重點是 JAK2–STAT3 訊息傳遞路徑。瘦素受體長型（LEPRb，也稱 Ob-Rb）屬於第一型細胞激素受體，本身沒有內在酪胺酸激酶活性；它必須依靠與受體內側結合的 JAK2 啟動訊號。瘦素訊號傳遞綜述

解題方法

依序交代「配體結合 → 激酶活化 → 受體磷酸化 → 訊號蛋白活化 → 細胞反應 → 負回饋」，即可完整描述級聯反應：

1. 瘦素結合受體：瘦素與細胞膜上的 LEPRb 胞外區結合，使受體構形改變，活化與受體內側相連的 JAK2。
2. JAK2 活化並磷酸化受體：JAK2 相互磷酸化而活化，接著磷酸化受體胞內區的酪胺酸殘基，包括 Tyr985、Tyr1077 與 Tyr1138。
3. 活化 STAT3：磷酸化的 Tyr1138 招募 STAT3；JAK2 再磷酸化 STAT3。磷酸化 STAT3 形成二聚體，移入細胞核並調節目標基因轉錄。
4. 產生生理效應：在下視丘，STAT3 訊號促進抑制食慾的 POMC 表現，並抑制促進食慾的神經肽表現，降低食慾、協助調節能量平衡。
5. 負回饋抑制：STAT3 也促進 SOCS3 表現。SOCS3 回頭抑制受體相關的 JAK2 訊號，使瘦素反應受到調節，避免訊號持續過強。

可用下列流程記憶：