113 年 國立清華大學分析與環境科學研究所《生物化學》

此題主要在探討質譜儀 (Mass Spectrometry, MS) 的兩種重要技術：基質輔助雷射游離飛行時間質譜儀 (MALDI-TOF MS) 與串聯質譜儀 (tandem MS/MS)，以及它們在生物樣品分析上的應用差異。

核心觀念：

• MALDI-TOF MS： 一種用於分析大分子（如蛋白質、胜肽）的質譜技術。其原理是將樣品與基質混合後，用雷射照射，使基質吸收能量而游離，同時將樣品分子也游離成帶電離子。這些離子在真空管中飛行，飛行時間 (Time of Flight, TOF) 與其質荷比 (m/z) 成正比。透過偵測離子的飛行時間，可以推算出樣品的分子量。
• Tandem MS/MS： 串聯質譜技術，通常涉及三個連續的質譜階段：
  1. MS1 (First Mass Analyzer)： 選擇特定質荷比 (m/z) 的母離子 (precursor ion)。
  2. CID (Collision-Induced Dissociation)： 將選定的母離子與惰性氣體碰撞，使其碎裂成子離子 (product ions)。
  3. MS2 (Second Mass Analyzer)： 分析這些子離子的質荷比 (m/z)。
     透過分析碎裂模式，可以推斷出母離子的結構。

應用差異分析：

1. MALDI-TOF MS 的應用：
   • 原理： 樣品與基質混合，雷射游離，離子進入飛行管，依質荷比分離，測量飛行時間。
   • 優點： 適合分析複雜混合物中的大分子，如蛋白質、胜肽、寡核苷酸。樣品製備相對簡單，可以處理較高濃度的樣品。
   • 生物樣品應用：
     • 蛋白質鑑定： 透過測量蛋白質的精確分子量，與資料庫比對，進行快速鑑定（如微生物鑑定）。
     • 胜肽質譜指紋圖譜 (Peptide Mass Fingerprinting, PMF)： 將蛋白質酶解後，測量其胜肽片段的分子量，形成獨特的質譜圖，用於鑑定蛋白質。

此題探討胰蛋白酶 (trypsin) 在細胞培養中用於貼附細胞株 (adherent cell lines) 分離時，是否會對細胞膜蛋白或細胞訊號傳遞造成損害，並要求設計實驗來驗證。

核心觀念：

• 貼附細胞培養 (Adherent Cell Culture)： 細胞附著在培養皿的表面生長，需要透過特定機制來維持細胞間和細胞與基質間的連結。
• 胰蛋白酶 (Trypsin)： 一種絲胺酸蛋白酶，能夠切割蛋白質。在細胞培養中，它被用來水解細胞外基質 (extracellular matrix) 中的蛋白質（如纖連蛋白、層黏蛋白）以及細胞間的黏附分子 (adhesion molecules)，從而使細胞從培養表面脫離。
• 細胞膜蛋白質 (Cell Membrane Proteins)： 位於細胞膜上，執行多種功能，包括訊號傳遞、物質運輸、細胞識別和黏附。
• 細胞訊號傳遞 (Cell Signaling)： 細胞接收、處理和響應外部或內部訊號的過程，通常涉及細胞膜受體、第二信使和下游激酶級聯反應。

胰蛋白酶處理是否會損害細胞膜蛋白或細胞訊號傳遞？

可能性： 是的，胰蛋白酶有潛力損害細胞膜蛋白和細胞訊號傳遞。

• 對細胞膜蛋白的損害：
  • 胰蛋白酶是一種蛋白酶，理論上可以切割細胞膜上的蛋白質，特別是那些暴露在細胞外側的結構。
  • 細胞間的黏附分子（如鈣黏蛋白 cadherins）和細胞與基質間的整合素 (integrins) 是胰蛋白酶的潛在切割標靶。這些蛋白質的破壞會影響細胞的完整性和連結。
  • 細胞膜上的受體蛋白也可能受到影響，儘管通常這些受體有較穩定的結構。
• 對細胞訊號傳遞的干擾：
  • 細胞黏附本身就是一個重要的訊號傳遞事件。當細胞與基質或細胞間的連結被胰蛋白酶破壞時，訊號傳遞路徑（如整合素訊號傳遞）會被中斷。
  • 細胞膜上的受體，如果被胰蛋白酶損壞或移除，將無法有效地接收外部訊號，導致訊號傳遞受阻。
  • 細胞在胰蛋白酶處理後，會經歷一個應激反應，這本身就可能激活或抑制某些訊號通路。

實驗設計：

目標：設計實驗來評估胰蛋白酶處理對細胞膜蛋白完整性及細胞訊號傳遞的影響。

實驗設計架構：

1. 對照組與實驗組設定：

   • 組別 1 (對照組)： 未經胰蛋白酶處理的貼附細胞。
   • 組別 2 (實驗組)： 經過標準胰蛋白酶處理（例如，0.25% 胰蛋白酶，室溫或 37°C 孵育 5-10 分鐘）後用於傳代的細胞。
   • 組別 3 (低劑量/短時間胰蛋白酶處理)： 僅用較低濃度或較短時間的胰蛋白酶處理，觀察是否仍有影響。
   • 組別 4 (EDTA 處理)： 使用 EDTA (一種鈣離子螯合劑，用於破壞鈣依賴性黏附) 作為對照，以區分胰蛋白酶的酶活性與單純的離子螯合作用。

2. 評估指標 (Assay)：

   • A. 細胞膜蛋白完整性評估：
     • 西方墨點法 (Western Blotting)：
       • 方法： 分別收集未處理細胞、胰蛋白酶處理細胞（及 EDTA 處理細胞）的細胞裂解液。使用抗體針對已知的關鍵細胞膜蛋白（如整合素 $\alpha$V$\beta$3, E-cadherin, EGFR, Na+/K+-ATPase 等）進行西方墨點分析。
       • 預期結果： 如果胰蛋白酶損害了這些蛋白質，其在西方墨點上的訊號強度可能會顯著下降，或出現分子量變異（如果被切割）。
     • 流式細胞儀 (Flow Cytometry)：
       • 方法： 使用標記有螢光抗體的細胞進行分析。選擇能識別細胞膜表面蛋白的抗體。
       • 預期結果： 胰蛋白酶處理後，某些表面蛋白的螢光訊號強度可能下降，表明其被降解或從細胞表面脫落。
     • 細胞表面標記 (Cell Surface Labeling)：

此題考查兩種主要糖尿病（第一型與第二型糖尿病）的區別。

核心觀念：
糖尿病 (Diabetes Mellitus, DM) 是一組代謝性疾病，其特徵是血糖水平長期升高（高血糖）。這是由於胰島素分泌缺陷、胰島素作用缺陷或兩者兼有所致。

第一型糖尿病 (Type 1 Diabetes Mellitus, T1DM)：

• 病因： 是一種自體免疫疾病 (Autoimmune disease)。免疫系統錯誤地攻擊並破壞胰臟中的胰島 $\beta$ 細胞 (pancreatic $\beta$ cells)，這些細胞負責製造和分泌胰島素。
• 發病機制： 胰島 $\beta$ 細胞被破壞，導致身體絕對缺乏胰島素 (absolute insulin deficiency)。
• 發病年齡： 較常發生於兒童、青少年和年輕成人，但也可發生於任何年齡。過去稱為「青少年型糖尿病」或「胰島素依賴型糖尿病」。
• 臨床表現： 發病通常較為突然，症狀明顯，如多尿、多飲、多食、體重減輕。
• 治療： 必須終生注射胰島素，因為身體無法自行產生足夠的胰島素。
• 遺傳傾向： 具有一定的遺傳易感性，但不如第二型糖尿病明顯。

第二型糖尿病 (Type 2 Diabetes Mellitus, T2DM)：

• 病因： 是由胰島素抵抗 (insulin resistance) 和隨後胰島 $\beta$ 細胞功能逐漸下降所致。
  • 胰島素抵抗： 身體組織（主要是肝臟、肌肉和脂肪細胞）對胰島素的反應變得不敏感，無法有效地利用血糖。
  • 胰島素分泌缺陷： 隨著時間推移，胰島 $\beta$ 細胞無法分泌足夠的胰島素來克服胰島素抵抗，導致血糖升高。
• 發病機制： 身體存在相對胰島素不足 (relative insulin deficiency)，即胰島素分泌量不足以應對胰島素抵抗。
• 發病年齡： 較常發生於 40 歲以上成人，但近年來發病年齡有年輕化趨勢，與肥胖和生活方式有關。過去稱為「成人發病型糖尿病」或「非胰島素依賴型糖尿病」。
• 臨床表現： 發病通常較為隱匿，早期症狀可能不明顯，常在健康檢查或出現併發症時才被發現。
• 治療： 初期可透過飲食控制、運動和口服降血糖藥物治療。部分患者後期可能需要注射胰島素。
• 遺傳傾向： 遺傳因素佔有重要地位，與家族史密切相關。
• 危險因子： 肥胖、缺乏運動、不良飲食習慣、家族史、高齡、妊娠糖尿病史等。

主要區別總結表：

此題詢問「胜肽指紋圖譜 (Peptide Fingerprinting)」在質譜分析中的定義，以及它如何在蛋白質體學 (Proteomics) 中用於蛋白質鑑定。

核心觀念：

• 蛋白質體學 (Proteomics)： 研究生物體內所有蛋白質的結構、功能、相互作用、修飾及其在不同條件下的變化。
• 質譜儀 (Mass Spectrometry, MS)： 一種強大的分析工具，可以測量離子的質荷比 (m/z)，進而推斷分子的質量和結構。
• 胜肽 (Peptide)： 由胺基酸通過胜肽鍵連接而成的短鏈。蛋白質通常由數十到數千個胺基酸組成，而胜肽通常是數個到數十個胺基酸的片段。

胜肽指紋圖譜 (Peptide Fingerprinting) 的定義：

胜肽指紋圖譜是一種利用質譜儀，特別是 MALDI-TOF MS 或 ESI-MS，來測量一個蛋白質經過特定酶（最常用的是胰蛋白酶，Trypsin）消化後所產生的一組胜肽片段的精確分子量。

這個「分子量列表」就像是該蛋白質獨特的「指紋」。因為：

1. 蛋白質序列是獨一無二的： 不同的蛋白質具有不同的胺基酸序列。
2. 酶切位點是特定的： 胰蛋白酶主要切割離胺酸 (Lys, K) 和精胺酸 (Arg, R) 殘基的羧基端（除非其後是脯胺酸 P）。
3. 產生特定胜肽片段： 根據蛋白質的胺基酸序列和酶切位點，酶消化會產生一系列特定長度和序列的胜肽片段。
4. 分子量是獨特的： 每個胺基酸都有其特定的分子量，因此每個胜肽片段的分子量也是獨一無二的。

因此，將蛋白質酶解後，測量所有主要胜肽片段的精確分子量，就可以得到一個「胜肽質量列表」，這個列表對於該特定蛋白質來說是高度特異性的。

在蛋白質體學中用於蛋白質鑑定 (Protein Identification)：

胜肽指紋圖譜是蛋白質鑑定的一種經典且有效的方法，尤其適合用於：

1. 純化蛋白質的鑑定： 當你從樣品中分離出一個純的蛋白質（例如，透過膠體電泳分離後，從凝膠條帶中回收），但不知道它是什麼蛋白質時，可以使用此方法。
2. 確認已知蛋白質： 用於確認某個蛋白質是否確實是你預期的蛋白質。

應用步驟：

1. 蛋白質純化與酶解：
   • 從樣品中分離（例如，透過 SDS-PAGE 膠體電泳）並回收目標蛋白質。
   • 將回收的蛋白質在溶液中用胰蛋白酶（或其他特定蛋白酶）進行消化，將長鏈蛋白質切割成一系列較短的胜肽片段。

此題要求描述含氮分子及其在氮循環 (Nitrogen Cycle) 中的主要路徑。

核心觀念：
氮循環是自然界中氮元素從大氣、土壤、生物體之間循環轉換的過程。氮是構成核酸 (DNA, RNA) 和蛋白質的重要元素，對所有生命至關重要。

主要的含氮分子 (N-containing Molecules)：

1. 氮氣 (Dinitrogen, $N_2$)： 大氣中最豐富的氮形式 (約 78%)，化學性質穩定，大多數生物無法直接利用。
2. 銨離子 (Ammonium ion, $NH_4^+$)： 許多微生物可以利用，是植物吸收氮的兩種主要形式之一。
3. 氨 (Ammonia, $NH_3$)： 氣體形式，在水中與銨離子形成平衡。
4. 亞硝酸根離子 (Nitrite ion, $NO_2^-$)： 中間產物，對許多生物有毒。
5. 硝酸根離子 (Nitrate ion, $NO_3^-$)： 植物吸收氮的主要形式之一，也是某些微生物的電子受體。
6. 有機氮化合物 (Organic Nitrogen Compounds)：
   • 胺基酸 (Amino Acids)： 蛋白質的組成單元。
   • 核苷酸 (Nucleotides)： DNA 和 RNA 的組成單元。
   • 尿素 (Urea)： 哺乳動物排泄氮的主要形式。
   • 尿酸 (Uric Acid)： 某些動物（如鳥類、爬蟲類）排泄氮的主要形式。
   • 幾丁質 (Chitin)： 節肢動物外骨骼和真菌細胞壁的成分。

氮循環的主要路徑 (Pathways in Nitrogen Cycle)：

氮循環是一個複雜的過程，涉及多種微生物的催化作用。主要步驟包括：

1. 氮固定 (Nitrogen Fixation)：

   • 過程： 將大氣中穩定存在的氮氣 ($N_2$) 轉化為生物可利用的含氮化合物，主要是氨 ($NH_3$) 或銨離子 ($NH_4^+$)。
   • 機制： 主要由具有固氮酶 (Nitrogenase) 的固氮細菌（如根瘤菌 Rhizobium、固氮藍綠菌 Nostoc）完成。固氮酶是一種對氧氣敏感的酶，需要在無氧或低氧環境下工作。
   • 反應式簡化： $N_2 + 8e^- + 8H^+ + 16ATP \rightarrow 2NH_3 + H_2 + 16ADP + 16P_i$
   • 生物固氮： 根瘤菌與豆科植物共生，為植物提供氮。
   • 非生物固氮： 閃電和工業過程（如哈柏法製造氨）也能固定氮氣，但量遠少於生物固氮。

2. 氨化作用 (Ammonification) / 腐生作用 (Decomposition)：

   • 過程： 當動植物死亡或排泄廢物時，其體內的有機氮化合物（蛋白質、核酸等）被腐生細菌和真菌分解，釋放出氨 ($NH_3$) 或銨離子 ($NH_4^+$)。
   • 機制： 透過水解蛋白質、核酸等有機大分子。

此題探討兩種重要的細胞質質子 the glycerol phosphate shuttle 和 malate-aspartate shuttle 在細胞能量轉移中的作用機制，以及它們在細胞中的角色。

核心觀念：

• 細胞呼吸 (Cellular Respiration)： 細胞將葡萄糖等有機物分解，產生 ATP (能量貨幣) 的過程。
• 細胞質 (Cytoplasm)： 發生糖解作用 (Glycolysis) 的場所，糖解作用產生少量 ATP 和 NADH。
• 粒線體 (Mitochondria)： 細胞呼吸的場所，特別是檸檬酸循環 (Citric Acid Cycle) 和氧化磷酸化 (Oxidative Phosphorylation) 發生在這裡，是產生大量 ATP 的地方。
• NADH： 一種還原輔酶，攜帶高能電子。在細胞呼吸中，NADH 在粒線體基質中會將電子傳遞給電子傳遞鏈 (Electron Transport Chain, ETC)，從而驅動 ATP 的合成。
• 粒線體內膜： 氧化磷酸化發生的關鍵場所，對離子和分子具有高度選擇性通透性。

問題： 糖解作用產生的 NADH 位於細胞質中，但電子傳遞鏈位於粒線體內膜上。細胞質 NADH 如何將其高能電子傳遞到粒線體內，以供氧化磷酸化產生 ATP？

這就是 NADH 穿梭系統 (NADH Shuttle Systems) 的作用。細胞質中的 NADH 無法直接穿過粒線體內膜，因此需要這些穿梭系統來將電子「運送」進粒線體。

1. 甘油磷酸穿梭系統 (Glycerol Phosphate Shuttle)：

• 作用機制：

  1. 在細胞質中，細胞質甘油-3-磷酸脫氫酶 (cytosolic glycerol-3-phosphate dehydrogenase, cGDH) 將細胞質 NADH 的電子轉移給二羥丙酮磷酸 (dihydroxyacetone phosphate, DHAP)，將 DHAP 還原成甘油-3-磷酸 (glycerol-3-phosphate)，同時 NADH 被氧化成 $NAD^+$。
     • 反應： $DHAP + NADH + H^+ \xrightarrow{cGDH} Glycerol-3-Phosphate + NAD^+$
  2. 甘油-3-磷酸是一種小分子，可以穿過粒線體外膜，並進入粒線體內膜與外膜之間的膜間隙 (intermembrane space)。
  3. 在粒線體內膜的粒線體甘油-3-磷酸脫氫酶 (mitochondrial glycerol-3-phosphate dehydrogenase, mGDH) 催化甘油-3-磷酸的氧化，將其轉化回 DHAP，同時將電子傳遞給粒線體內膜上的 FAD 輔酶，形成 FADH$_2$。
     • 反應： $Glycerol-3-Phosphate + FAD \xrightarrow{mGDH} DHAP + FADH_2$
  4. FADH$_2$ 將電子直接傳遞給電子傳遞鏈中的 複合物 II (Complex II)。

• 能量產出：

  • 由於電子是通過 FADH$_2$ 進入電子傳遞鏈（位於 NADH 進入點的下方），通過甘油磷酸穿梭產生的 ATP 量較少。
  • 每個葡萄糖分子通過此穿梭系統，大約產生 1.5 個 ATP (相較於馬尿酸天冬胺酸穿梭系統產生的約 2.5 個 ATP)。

• 細胞中的角色：

  • 主要存在於肌肉細胞和脂肪細胞中。
  • 在這些細胞中，它提供了一種快速將細胞質 NADH 的電子轉運到粒線體的方法，儘管 ATP 產率較低。

2. 馬尿酸-天冬胺酸穿梭系統 (Malate-Aspartate Shuttle)：

• 作用機制：
  1. 在細胞質中，細胞質蘋果酸脫氫酶 (cytosolic malate dehydrogenase, cMDH) 將細胞質 NADH 的電子轉移給草醯乙酸 (oxaloacetate, OAA)，將 OAA 還原成蘋果酸 (malate)，同時 NADH 被氧化成 $NAD^+$。

此題主要考查芳香族胺基酸 (Aromatic Amino Acids, AAA) 的生物合成途徑，以及該途徑中的關鍵中間代謝物，並詢問除了 AAA 外，此途徑還能合成哪些重要的生物活性或營養分子。

核心觀念：

• 芳香族胺基酸 (AAA)： 指的是苯丙胺酸 (Phenylalanine, Phe)、酪胺酸 (Tyrosine, Tyr) 和色胺酸 (Tryptophan, Trp)。它們的共同特徵是分子結構中含有苯環或類似的芳香環。
• 生物合成途徑 (Biosynthesis Pathway)： 生物體內合成複雜分子的化學反應序列。
• 代謝中間物 (Metabolic Intermediate)： 參與代謝途徑的分子，既不是起始物也不是最終產物。
• 分岔點 (Branch Point)： 一個代謝中間物，可以被轉化為兩種或多種不同的終產物，從而分向不同的代謝途徑。
• 生物活性分子 (Bioactive Molecules)： 對生物體具有特定生理功能的分子，包括維生素、激素、神經傳導物質等。

1. 芳香族胺基酸 (Phe, Tyr, Trp) 的生物合成途徑：

芳香族胺基酸的生物合成主要通過一條共同的途徑，稱為莽草酸途徑 (Shikimate Pathway)。這條途徑存在於植物、細菌、真菌和某些寄生蟲中，但動物缺乏此途徑，因此 Phe 和 Trp 是動物的必需胺基酸，而 Tyr 可以由 Phe 轉化而來。

莽草酸途徑 (Shikimate Pathway)：

• 起始物： 途徑的起始物是來自磷酸烯醇丙酮酸 (Phosphoenolpyruvate, PEP)（來自糖解作用）和赤蘚醇四磷酸 (Erythrose 4-phosphate, E4P)（來自戊糖磷酸途徑）。
• 主要階段：
  1. PEP 和 E4P 縮合，經過一系列酶促反應，最終形成莽草酸 (Shikimic acid)。
  2. 莽草酸進一步轉化，形成預苯酸 (Prephenate)。
  3. 預苯酸是一個關鍵的分岔點。
• 分岔與 AAA 合成：
  • 苯丙胺酸 (Phe) 和酪胺酸 (Tyr)： 預苯酸 (Prephenate) 可以被轉化為苯丙胺酸和酪胺酸。
    • 一種酶 (Prephenate dehydrogenase) 將預苯酸氧化脫羧，生成對羥基苯丙酮酸 (p-hydroxyphenylpyruvate)，然後通過轉氨基反應形成酪胺酸 (Tyrosine, Tyr)。
    • 另一種酶 (Phenylalanine-tyrosine lyase) 催化預苯酸脫水，生成苯丙酮酸 (phenylpyruvate)，然後通過轉氨基反應形成苯丙胺酸 (Phenylalanine, Phe)。
    • Phe 和 Tyr 的合成在植物和微生物中是獨立的，但動物可以將 Phe 轉化為 Tyr。
  • 色胺酸 (Trp)： 色胺酸的合成途徑與 Phe/Tyr 的合成途徑在預苯酸之後分開，但它們共用莽草酸途徑的前半部分。色胺酸的合成涉及一個共振結構的芳香環（吲哚環），其合成途徑更為複雜，並涉及鄰氨基苯甲酸 (Anthranilate) 和3-(2-羧基苯乙烯基)-3-去氧莽草酸 (3-deoxy-D-arabino-heptulosonate 7-phosphate, DAHP) 等中間物。嚴格來說，色胺酸的合成與莽草酸途徑的後半部分（從預苯酸開始）有所不同，但它被認為是「芳香族胺基酸合成途徑」的一部分，因為它與 Phe/Tyr 共用早期的幾個酶和中間產物。

2. 關鍵中間分子作為分岔點：

此題分為兩部分：第一部分詢問戊糖磷酸途徑 (Pentose Phosphate Pathway, PPP) 的生物學意義；第二部分要求描述 Cori 循環 (Cori Cycle) 的工作機制。

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第一部分：戊糖磷酸途徑 (Pentose Phosphate Pathway, PPP) 的生物學意義

戊糖磷酸途徑，也稱為磷酸葡萄糖酸旁路 (Hexose Monophosphate Shunt, HMP Shunt)，是葡萄糖代謝的一條獨立途徑，與糖解作用和檸檬酸循環平行進行。它發生在細胞質中，其主要生物學意義在於提供兩種關鍵的產物：

1. 還原力 (Reducing Power) - NADPH：

   • 重要性： PPP 是細胞內 NADPH 的主要來源。NADPH 是一種重要的還原劑，在細胞質中參與多種合成代謝和抗氧化防禦過程。
   • 應用：
     • 脂肪酸合成 (Fatty Acid Synthesis)： 在肝臟、脂肪組織和乳腺中，NADPH 是合成脂肪酸所需的還原力。
     • 類固醇合成 (Steroid Synthesis)： 合成膽固醇及其衍生物需要 NADPH。
     • 核苷酸合成 (Nucleotide Synthesis)： 合成核糖-5-磷酸，這是 DNA 和 RNA 的前體。
     • 胺基酸的合成與代謝： 某些胺基酸的合成和氨基的轉移也需要 NADPH。
     • 抗氧化防禦： NADPH 在維持細胞還原狀態方面至關重要。它參與還原型穀胱甘肽 (reduced glutathione, GSH) 的再生，而 GSH 是穀胱甘肽過氧化物酶 (glutathione peroxidase) 的輔因子，後者能清除有害的過氧化氫 ($H_2O_2$) 和其他活性氧物種 (ROS)。例如，紅血球細胞特別依賴 PPP 來產生 NADPH，以保護其細胞膜免受氧化損傷。

2. 核糖-5-磷酸 (Ribose-5-phosphate)：

   • 重要性： PPP 產生核糖-5-磷酸，這是合成核苷酸 (nucleotides) 的關鍵前體，進而用於合成核酸 (nucleic acids)，即 DNA 和 RNA。
   • 應用： 所有需要合成 DNA 或 RNA 的細胞（快速分裂的細胞尤其需要）都依賴 PPP 提供核糖-5-磷酸。

PPP 的兩個階段：

PPP 分為兩個階段：

• 氧化階段 (Oxidative Phase)：

  • 不可逆反應。
  • 將葡萄糖-6-磷酸 (glucose-6-phosphate) 轉化為核酮糖-5-磷酸 (ribulose-5-phosphate)，在此過程中產生 NADPH。
  • 每分子葡萄糖-6-磷酸經過氧化階段，產生 2 分子 NADPH 和 1 分子核酮糖-5-磷酸。
  • 關鍵酶：葡萄糖-6-磷酸脫氫酶 (glucose-6-phosphate dehydrogenase, G6PD) 是限速酶。

• 非氧化階段 (Non-oxidative Phase)：

  • 可逆反應。
  • 將核酮糖-5-磷酸（可異構化為核糖-5-磷酸）轉化為其他醣類磷酸酯，如果糖-6-磷酸 (fructose-6-phosphate) 和**甘油醛-3-磷酸 (glyceraldehyd

核心觀念

本題要求比較細胞內藥物分子數與蛋白質分子數：

$$\text{藥物／蛋白質分子數比} = \frac{N_{\text{drug}}}{N_{\text{protein}}}$$

需使用：

• 球體體積：$V=\frac{4}{3}\pi r^3$
• 質量：$m=\rho V$
• 莫耳數：$n=\frac{m}{M}$
• 分子數：$N=nN_A$

題目未提供細胞中蛋白質所占比例，因此採用題目給定密度估算：細胞質質量皆視為平均分子量為 $53\ \mathrm{kDa}$ 的蛋白質。

解題方法

1. 計算細胞體積

細胞直徑為 $10\ \mu\mathrm{m}$，因此半徑為：

$$r=5\ \mu\mathrm{m}$$

球體體積：

$$V=\frac{4}{3}\pi(5)^3 \approx 523.6\ \mu\mathrm{m}^3$$

因為：

$$1\ \mu\mathrm{m}=10^{-4}\ \mathrm{cm}$$

所以：

$$1\ \mu\mathrm{m}^3=10^{-12}\ \mathrm{cm}^3$$

細胞體積為：

$$V=523.6\times10^{-12} =5.236\times10^{-10}\ \mathrm{cm}^3$$

2. 計算細胞質質量

細胞質密度為 $1\ \mathrm{g/cm^3}$：

$$m=\rho V =(1)(5.236\times10^{-10}) =5.236\times10^{-10}\ \mathrm{g}$$

3. 計算蛋白質分子數

平均蛋白質分子量為：

$$53\ \mathrm{kDa}=53,000\ \mathrm{g/mol}$$

蛋白質莫耳數：

$$n_{\text{protein}} = \frac{5.236\times10^{-10}}{53,000} \approx 9.88\times10^{-15}\ \mathrm{mol}$$

使用阿伏加德羅常數 $N_A=6\times10^{23}$：

$$N_{\text{protein}} = (9.88\times10^{-15})(6\times10^{23}) \approx 5.93\times10^9$$

因此，一個細胞約含：

$$5.93\times10^9$$

個平均分子量為 $53\ \mathrm{kDa}$ 的蛋白質分子。

4. 計算藥物分子數

藥物濃度為：

$$1\ \mathrm{mM}=1\times10^{-3}\ \mathrm{mol/L}$$

細胞體積換算成公升：

$$1\ \mathrm{cm^3}=10^{-3}\ \mathrm{L}$$

此題要求繪製四種胺基酸的分子結構圖：L-離胺酸 (L-Lysine)、L-異白胺酸 (L-Isoleucine)、酪胺酸 (Tyrosine) 和半胱胺酸 (Cysteine)。

核心觀念：
胺基酸是蛋白質的基本組成單位。它們都具有一個中心碳原子 (alpha-carbon, $\alpha$-carbon)，連接四個不同的基團：

1. 一個胺基 (-$NH_2$)
2. 一個羧基 (-COOH)
3. 一個氫原子 (-H)
4. 一個側鏈 (R-group)，這個側鏈的結構決定了胺基酸的種類和性質。

「L-」前綴表示胺基酸的立體化學構型，是生物體內蛋白質的主要胺基酸構型。

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1. L-離胺酸 (L-Lysine)

• R-group： 含有一個帶正電的 $\epsilon$-胺基。
• 結構特徵： 在 $\alpha$-碳的側鏈上，有一個四個碳原子的鏈，末端有一個額外的胺基。
• 結構圖：
  • 中心 $\alpha$-碳。
  • 連接一個 -H。
  • 連接一個 -COOH。
  • 連接一個 -$NH_2$ ($\alpha$-胺基)。
  • 連接側鏈：-$(CH_2)_4$- $NH_2$ ($\epsilon$-胺基)。
  • 在生理 pH 下，$\alpha$-胺基和 $\epsilon$-胺基都會質子化，帶正電。

\documentclass{article}
\usepackage{chemfig}
\begin{document}
\chemfig{
    H_2N - \charge{90=\,{}-CH(-[2]COOH)-[6]H}{*6(------)} % alpha carbon and its attachments
    -[:90]H % alpha carbon
    -[:0](-[2]NH_2) % alpha amino group
    -[:0](-[6]COOH) % carboxyl group
    -[:-90](-[4](-[2]NH_2)-[::-90](-[2]H)-[0](-[6]H)-[2](-[6]H)-[4](-[6]H)) % side chain with epsilon amino group
}
\end{document}

簡化表示：

$$\begin{array}{c} \quad NH_3^+ \\ \quad | \\ H_3N^+ - CH - COOH \\ \quad | \\ (CH_2)_4 - NH_3^+ \end{array}$$

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2. L-異白胺酸 (L-Isoleucine)

• R-group： 支鏈烷基，帶有第二個手性中心。
• 結構特徵： 是一個支鏈的五碳胺基酸（包含 $\alpha$-碳）。側鏈是 -CH($CH_3$)-$CH_2$-$CH_3$ 的變體。
• 結構圖：
  • 中心 $\alpha$-碳。
  • 連接一個 -H。
  • 連接一個 -COOH。
  • 連接一個 -$NH_2$ ($\alpha$-胺基)。
  • 連接側鏈：-CH($CH_3$)-$CH_2$-$CH_3$ (注意：此側鏈碳原子也是一個手性中心，異白胺酸是其特定立體異構體)。

\documentclass{article}
\usepackage{chemfig}
\begin{document}
\chemfig{
    H_2N - \charge{90=\,{}-CH(-[2]COOH)-[6]H}{*6(------)} % alpha carbon and its attachments
    -[:90]H % alpha carbon
    -[:0](-[2]NH_2) % alpha amino group
    -[:0](-[6]COOH) % carboxyl group
    -[:-90](-[2]CH_3)(-[4]CH_2CH_3) % side chain: -CH(CH3)-CH2-CH3
}
\end{document}

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