115 年 國立臺灣大學漁業科學研究所《生物化學（B）》

米氏方程是描述酵素催化反應速率與受質濃度之間關係的數學模型。其核心在於闡述酵素與受質結合後，形成酵素-受質複合物，進而催化生成產物的過程。

米氏方程 (Michaelis-Menten Equation) 的意義：

米氏方程的數學形式為：
$v_0 = \frac{V_{max}[S]}{K_m + [S]}$
其中：

• $v_0$ 代表初始反應速率 (initial reaction velocity)。
• $[S]$ 代表受質濃度 (substrate concentration)。
• $V_{max}$ 代表當酵素被受質飽和時的最高反應速率。
• $K_m$ 代表米氏常數 (Michaelis constant)，是酵素與受質之間親和力的一種度量。

此方程的意義在於：

1. 描述反應速率與受質濃度的關係： 當受質濃度 $[S]$ 相對較低時，反應速率 $v_0$ 大約與 $[S]$ 成正比，即 $v_0 \approx \frac{V_{max}}{K_m}[S]$。此時，反應速率受受質濃度影響顯著。
2. 飽和現象： 隨著 $[S]$ 的增加，反應速率的增長趨於緩和。當 $[S]$ 遠大於 $K_m$ 時，分母中的 $[S]$ 遠大於 $K_m$，方程近似為 $v_0 \approx \frac{V_{max}[S]}{[S]} = V_{max}$。此時，酵素已接近飽和，反應速率達到最大值 $V_{max}$，不再隨 $[S]$ 的增加而顯著提高。
3. 酵素動力學的基礎： 米氏方程是理解酵素催化機制和調控的基礎，廣泛應用於研究酵素活性、抑制劑的影響以及藥物設計。

Km 與 Vmax 的角色：

• $V_{max}$ (最大反應速率)：
  • 意義： $V_{max}$ 代表在特定酵素濃度下，當所有酵素的活性位點都被受質飽和時，反應所能達到的理論最高速率。

α-螺旋 (α-helix) 和 β-摺疊 (β-sheet) 是蛋白質二級結構 (secondary structure) 的兩種主要形式，它們的形成都依賴於多肽鏈骨架原子（羰基氧和亞胺基氫）之間的氫鍵。然而，這兩種結構在氫鍵的排列方式以及對蛋白質整體功能影響上存在顯著差異。

氫鍵排列的差異：

1. α-螺旋：

   • 氫鍵形成方式： 在 α-螺旋結構中，氫鍵是鏈內 (intrachain) 形成的，即同一條多肽鏈上的胺基酸殘基之間形成氫鍵。
   • 氫鍵方向： 氫鍵通常發生在第 $i$ 個胺基酸殘基的羰基氧 (C=O) 與第 $i+4$ 個胺基酸殘基的亞胺基氫 (N-H) 之間。
   • 排列特徵： 氫鍵幾乎與多肽鏈軸平行，形成一個螺旋狀結構。每個螺旋約有 3.6 個胺基酸殘基。
   • 骨架角度： 羰基和亞胺基的原子在空間上排列緊密，形成一個穩定的螺旋。

2. β-摺疊：

   • 氫鍵形成方式： 在 β-摺疊結構中，氫鍵可以形成於鏈內 (intrachain)，但更常見的是形成於鏈間 (interchain)，即不同多肽鏈（或同一多肽鏈的不同區域）之間。
   • 氫鍵方向： 氫鍵是多肽骨架的羰基氧 (C=O) 與亞胺基氫 (N-H) 之間，但這些原子並非平行於多肽鏈軸。
   • 排列特徵： 形成 β-摺疊的各段多肽鏈（稱為 β-鏈或 β-股）可以平行或反平行地排列。
     • 反平行 β-摺疊： 相鄰的 β-鏈方向相反。氫鍵形成時，一個羰基氧與另一個亞胺基氫之間形成氫鍵，這兩個鍵相對而言是近乎垂直於 β-鏈軸的。這種結構較為穩定。
     • 平行 β-摺疊： 相鄰的 β-鏈方向相同。氫鍵形成時，一個羰基氧與另一個亞胺基氫之間形成氫鍵，但氫鍵鍵角較大，結構相對不那麼穩定。
   • 骨架角度： β-鏈並非完全伸展，而是略微彎曲，呈現「摺疊」狀，這使得羰基氧和亞胺基氫能夠有效地形成氫鍵。

結構對蛋白質功能的影響：

NADH 和 FADH2 是細胞呼吸作用中，從葡萄糖等有機物分解過程中產生的兩種重要的還原型輔酶。它們將高能電子傳遞給電子傳遞鏈 (electron transport chain, ETC)，最終驅動質子泵將質子 (H+) 泵入粒線體膜間隙，建立質子梯度，進而通過 ATP 合成酶 (ATP synthase) 產生 ATP。NADH 和 FADH2 產生的 ATP 數量不同的原因，在於它們進入電子傳遞鏈的位置不同。

關鍵差異：進入電子傳遞鏈的位置

1. NADH：
   • 來源： NADH 主要來自細胞質中的糖解作用 (glycolysis) 和粒線體基質中的檸檬酸循環 (citric acid cycle) 以及丙酮酸氧化脫羧反應。
   • 進入位置： NADH 在將電子傳遞給電子傳遞鏈時，是將其電子傳遞給電子傳遞鏈的 第一個複合物（複合物 I, NADH 脫氫酶 Complex I）。
   • 質子泵送： 當 NADH 將電子傳遞給複合物 I 後，複合物 I 會將電子傳遞給下游的電子載體，同時，複合物 I 會將質子 (H+) 從粒線體基質泵入膜間隙。之後，電子會經過複合物 III (Cytobc1 complex) 和複合物 IV (Cytochrome c oxidase)，這兩個複合物也會進行質子泵送。

核心觀念

本題測驗糖解作用（Glycolysis）的不可逆調節步驟與速率限制步驟（Rate-limiting step / Committed step）。

在糖解作用的十個酵素催化步驟中，有三個步驟具有高度負的自由能變化（$\Delta G \ll 0$），在生理條件下屬於不可逆反應（Irreversible reactions），分別由下列三個異位酵素（Allosteric enzymes）催化：

1. Hexokinase（催化 Glucose $\rightarrow$ Glucose-6-phosphate）
2. Phosphofructokinase-1 (PFK-1)（催化 Fructose-6-phosphate $\rightarrow$ Fructose-1,6-bisphosphate）
3. Pyruvate kinase（催化 Phosphoenolpyruvate $\rightarrow$ Pyruvate）

在這三個不可逆步驟中，由 PFK-1 催化的步驟是整個糖解作用最關鍵的速率決定步驟（Rate-limiting step），同時也是將受質「鎖定」在糖解路徑的承諾步驟（Committed step）。

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解題方法

1. 鎖定代謝途徑：題幹選項均涉及醣類代謝（糖解作用及其後續厭氧乳酸發酵）。
2. 區分可逆與不可逆反應：
   • 排除在糖解作用或發酵作用中屬於自由能變化接近零（$\Delta G \approx 0$）的可逆反應步驟。
3. 區分調控步驟與主要速率限制步驟：
   • 糖解作用的不可逆步驟有第 1、3、10 步；其中「主要速率決定／限制步驟」為第 3 步（PFK-1 催化的反應）。比對各選項對應的反應物與產物即可得出正確解答。

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選項分析

• A. Glucose $\rightarrow$ Glucose-6-phosphate：錯誤
  • 催化酵素：Hexokinase（或肝細胞中的 Glucokinase）。
  • 分析：此步驟消耗一分子 ATP，熱力學上屬於不可逆步驟，主要作用是將葡萄糖磷酸化，使其帶負電荷而無法自由穿透細胞膜（Trap in cell）。但 Glucose-6-phosphate 還可分流至肝醣合成（Glycogenesis）或五碳糖磷酸途徑（Pentose Phosphate Pathway），因此並非糖解作用專屬的承諾步驟，亦非主要的總速率限制步驟。

「同工酵素」(Isoenzymes)，也稱為「同功異構酶」(isozymes)，是指在同一生物體內，能夠催化相同化學反應，但其蛋白質結構（胺基酸序列）不同，因此在物理化學性質（如電荷、溶解度、熱穩定性）和酶動力學特性（如 $K_m$ 值、最佳 pH、對抑制劑的敏感性）上存在差異的一組酵素。

概念解釋：

• 催化相同反應： 同工酵素的核心特徵是它們催化的是同一種化學反應，作用於相同的受質，生成相同的產物。
• 結構不同： 儘管催化相同反應，同工酵素的蛋白質結構並不完全相同。這種結構差異通常源於它們由不同的基因編碼，或者是由相同的基因通過選擇性剪接 (alternative splicing) 或翻譯後修飾 (post-translational modification) 產生的不同亞型。
• 性質差異： 結構上的細微差異會導致同工酵素在多方面表現出不同。例如：
  • 酶動力學： 不同同工酵素對受質的親和力 ($K_m$) 可能不同，這意味著它們在不同的受質濃度下具有不同的活性。
  • 調控： 它們可能對不同的變構調節劑（activators or inhibitors）敏感，或者對 pH、溫度等環境因素的敏感性不同。
  • 組織特異性： 不同的同工酵素可能在不同的組織或細胞器中表達，或者在發育的不同階段表達。
  • 亞細胞定位： 同工酵素可能位於細胞的不同位置，如細胞質、粒線體、細胞核等。

在代謝調控中的重要性 (舉例)：

同工酵素在代謝調控中的重要性體現在它們能夠使細胞在不同的生理條件下，對同一條代謝途徑進行更精細、更具特異性的調控，從而適應不同的組織需求或環境變化。

舉例：乳酸脫氫酶 (Lactate Dehydrogenase, LDH)

乳酸脫氫酶 (LDH) 是同工酵素的一個經典例子。LDH 催化丙酮酸 (pyruvate) 可逆轉化為乳酸 (lactate)，同時氧化 NADH 為 NAD+。在哺乳動物中，LDH 主要由兩種亞基組成：H 亞基 (heart-type) 和 M 亞基 (muscle-type)。這兩種亞基可以組合形成五種不同的同工酵素：

• LDH-1 (H4)：主要存在於心肌。

轉氨作用 (Transamination) 是一種重要的生化反應，在氨基酸代謝中扮演核心角色。它指的是一個胺基酸的胺基 (-NH2) 轉移到另一個 α-酮酸 (α-keto acid) 的 α-碳原子上，從而形成一個新的胺基酸和一個新的 α-酮酸。

生化意義：

1. 胺基酸的合成與分解： 轉氨作用是胺基酸合成和分解的關鍵步驟。

   • 合成： 通過將一個現有的胺基酸的胺基轉移到一個 α-酮酸上，可以從非必需胺基酸的前體（α-酮酸）合成新的胺基酸。
   • 分解： 在胺基酸分解代謝時，其胺基會通過轉氨作用轉移到 α-酮酸上，生成新的 α-酮酸（成為碳骨架，可進入能量代謝途徑）和一個新的胺基酸。

2. 胺基的轉移： 該反應使得胺基可以在不同的分子之間進行轉移，這對於構建不同的胺基酸分子至關重要。

3. 輔酶 PLP 的作用： 轉氨作用通常需要輔酶 吡哆醛磷酸 (Pyridoxal Phosphate, PLP)，它是維生素 B6 的活性形式。PLP 在反應機制中起著至關重要的作用，它首先與胺基酸的胺基形成一個亞胺 (imine) 鍵，然後促進胺基的轉移。

4. 反應的平衡性： 大多數轉氨作用反應都是可逆的，反應的進行方向取決於受質（胺基酸和 α-酮酸）的濃度以及產物（新的胺基酸和 α-酮酸）的濃度。這使得細胞能夠根據需要靈活地合成或分解胺基酸。

在氮代謝中的角色：

氮代謝是生物體處理和利用含氮化合物（主要是氨基酸和核酸）的過程。轉氨作用在氮代謝中具有以下幾個關鍵角色：

β-氧化 (β-oxidation) 是脂肪酸代謝分解的主要途徑，發生在粒線體基質和過氧化物酶體中。其目的是將長鏈脂肪酸逐步縮短，並在此過程中產生能量。每一輪的 β-氧化循環會將脂肪酸的碳鏈縮短兩個碳原子，並產生特定的分子。

每一輪 β-氧化產生的分子：

每一輪的 β-氧化循環包含四個連續的反應：

1. 氧化 (Oxidation)： 脂肪酸的 α-碳和 β-碳之間形成一個雙鍵，產生一個 不飽和脂肪醯輔酶 A (enoyl-CoA)。此反應由 脂肪醯輔酶 A 脫氫酶 (acyl-CoA dehydrogenase) 催化。

   • 對於短鏈 (SCAD)、中鏈 (MCAD) 和長鏈 (LCAD) 脂肪酸，此反應會產生 FADH2。FADH2 會將電子傳遞給電子傳遞鏈，產生 ATP。

2. 水合 (Hydration)： 在雙鍵上加入一分子水，形成一個 β-羥基脂肪醯輔酶 A (β-hydroxyacyl-CoA)。此反應由 烯oyl輔酶 A 水合酶 (enoyl-CoA hydratase) 催化。

3. 氧化 (Oxidation)： β-碳上的羥基被氧化成酮基，產生一個 β-酮醯輔酶 A (β-ketoacyl-CoA)。此反應由 β-羥基脂肪醯輔酶 A 脫氫酶 (β-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase) 催化。

   • 此反應會產生 NADH。NADH 會將電子傳遞給電子傳遞鏈，產生 ATP。

4. 硫解 (Thiolysis)： 該 β-酮醯輔酶 A 分子被輔酶 A (CoA) 分解，生成一個碳鏈縮短兩個碳原子的 新的脂肪醯輔酶 A（稱為截短的脂肪酸）和一分子 乙醯輔酶 A (acetyl-CoA)。此反應由 β-酮硫解酶 (β-ketoacyl-CoA thiolase) 催化。

總結每一輪 β-氧化產生的分子：

• 1 分子 FADH2
• 1 分子 NADH
• 1 分子 乙醯輔酶 A (acetyl-CoA)
• 1 分子 截短的脂肪酸 (較短的脂肪醯輔酶 A)

這些分子如何進一步參與能量代謝：

這是一道關於核酸鹼基（嘌呤和嘧啶）合成途徑差異的題目。核酸的組成單元是核苷酸，而核苷酸由鹼基、五碳糖（核糖或脫氧核糖）和磷酸組成。嘌呤和嘧啶是兩種主要的含氮鹼基。它們的合成途徑在結構構建的順序上存在顯著差異。

我們來分析這兩種鹼基的合成：

• 嘌呤 (Purine) 的合成：

  • 嘌呤（如腺嘌呤 Adenine, A 和鳥嘌呤 Guanine, G）的結構是雙環系統，由一個五元環和一個六元環稠合而成。
  • 嘌呤的合成是從一個簡單的前體分子（如 5-磷酸核糖-1-焦磷酸, PRPP）開始，逐步在 PRPP 的核糖環上 逐步構建出完整的雙環結構。
  • 換句話說，先在現有的核糖-磷酸骨架上「從頭開始」合成出嘌呤的環系。
  • 這個過程被稱為 從頭合成 (de novo synthesis)。

• 嘧啶 (Pyrimidine) 的合成：

  • 嘧啶（如胞嘧啶 Cytosine, C、胸腺嘧啶 Thymine, T 和尿嘧啶 Uracil, U）的結構是單環系統（一個六元環）。

光合作用的光反應 (light reactions) 是將光能轉化為化學能（ATP 和 NADPH）的過程，主要發生在植物和藻類的葉綠體類囊體膜 (thylakoid membrane) 上。Z-圖 (Z-scheme) 是描述光反應中電子傳遞鏈能量變化的模型，因為電子在通過一系列光系統和電子載體時，其能量水平呈現出類似英文字母「Z」的形狀。

Z-圖 (Z-scheme) 的解釋：

Z-圖展示了電子從水分子（低能量狀態）開始，經過兩個光系統（光系統 II, PSII；光系統 I, PSI）和一系列電子載體的傳遞，最終被 NADP+ 接受，形成 NADPH（高能量狀態）的過程。這個過程中，電子能量的變化可以分為幾個階段：

1. 水的光解與光系統 II (PSII)：

   • 電子傳遞從 光系統 II (PSII) 開始。PSII 捕捉光能，激發其反應中心葉綠素 a (P680) 中的電子。
   • 被激發的電子能量水平顯著升高。
   • 水分子 (H2O) 的角色： PSII 的反應中心 P680 失去電子後，需要補充電子以恢復其還原態。這個電子來源是 水分子。水分子在一個稱為 水光解複合物 (oxygen-evolving complex) 的催化下被氧化，釋放出：
     • 電子 (e-)： 這些電子補充 P680 失去的電子。
     • 質子 (H+)： 這些質子釋放到類囊體腔 (thylakoid lumen) 中，有助於建立質子梯度。
     • 氧氣 (O2)： 作為副產物釋放。
   • 因此，水是光反應中 電子和質子的最終來源，也是 氧氣的來源。

2. 質體醌 (Plastoquinone, PQ) 和細胞色素 b6f 複合物 (Cytochrome b6f complex)：

   • PSII 釋放的高能電子，通過一系列電子載體，包括質體醌 (PQ) 和細胞色素 b6f 複合物。
   • 質子泵送： 在從 PSII 到細胞色素 b6f 複合物的過程中，質體醌會將類囊體腔的質子帶到膜間隙，然後從膜間隙將質子（連同來自水光解的質子）泵入類囊體腔。細胞色素 b6f 複合物也參與質子泵送，將質子從基質 (stroma) 泵入類囊體腔。

環腺苷酸 (cyclic adenosine monophosphate, cAMP) 是一種重要的第二信使分子 (second messenger)，它在細胞內傳遞來自細胞外信號（如激素）的訊息，並啟動細胞內的一系列反應。

cAMP 的作用機制：

cAMP 的作用機制通常涉及以下幾個關鍵步驟：

1. 信號接收：

   • 許多激素（例如腎上腺素、升糖素、促甲狀腺激素、促腎上腺皮質激素等）不能直接進入細胞，它們與細胞膜上的 G蛋白偶聯受體 (G protein-coupled receptor, GPCR) 結合。
   • 受體與激素結合後，會構象變化，進而激活細胞膜上的 G蛋白。

2. G蛋白激活與腺苷酸環化酶 (Adenylyl Cyclase, AC) 的激活：

   • G蛋白通常由 α、β、γ 三個亞基組成。激活的 G蛋白 (通常是 Gs 蛋白) 會將其 GTP 結合的 α 亞基與 βγ 亞基分離。
   • Gα 亞基（與 GTP 結合）會移動並激活細胞膜上的 腺苷酸環化酶 (AC)。

3. cAMP 的合成：

   • 腺苷酸環化酶 (AC) 是一種酶，它催化細胞質中的 ATP 分子發生環化反應，去除兩個磷酸基團，形成 環腺苷酸 (cAMP)。
   • AC 的激活是 cAMP 合成增加的關鍵。

4. cAMP 激活蛋白激酶 A (Protein Kinase A, PKA)：

   • 細胞質中存在一種稱為 蛋白激酶 A (PKA) 的酶。PKA 在沒有 cAMP 時，通常與兩個調節亞基 (regulatory subunits, R) 結合，處於失活狀態。
   • 當細胞內 cAMP 濃度升高時，cAMP 分子會結合到 PKA 的調節亞基上。
   • cAMP 的結合導致調節亞基構象變化，從而釋放出兩個活化的催化亞基 (catalytic subunits, C)。

5. PKA 的催化作用與下游效應：

   • 活化的 PKA 催化亞基具有激酶活性，能夠將 ATP 的末端磷酸基團轉移到其 靶蛋白 上的特定絲胺酸 (serine) 或蘇胺酸 (threonine) 殘基上，進行 磷酸化 (phosphorylation)。
   • 這種磷酸化作用會改變靶蛋白的活性、空間構象或與其他分子的結合能力，從而啟動或抑制一系列下游的細胞反應。

活性氧 (Reactive Oxygen Species, ROS) 是指一群化學活性極強的含氧分子，它們通常具有未配對的電子，因此非常不穩定，容易與細胞內的生物分子（如 DNA、蛋白質、脂質）發生反應，造成氧化損傷。

活性氧 (ROS) 的生成來源：

ROS 的生成主要有兩種途徑：

1. 內源性來源 (Endogenous Sources)：

   • 粒線體電子傳遞鏈 (Mitochondrial Electron Transport Chain, ETC)： 這是細胞內 ROS 最主要的來源。在 ETC 中，電子在傳遞過程中，偶爾會提前洩漏，與氧氣 (O2) 分子結合，產生超氧陰離子自由基 (superoxide radical, O2•−)。
     $O_2 + e^- \rightarrow O_2^{•−}$
   • 過氧化物酶體 (Peroxisomes)： 參與脂肪酸的 β-氧化和一些解毒反應，也會產生少量 ROS。
   • 細胞質酶： 如黃嘌呤氧化酶 (xanthine oxidase)、單胺氧化酶 (monoamine oxidase)、細胞色素 P450 酶系等，在代謝過程中也會產生 ROS。
   • 免疫細胞： 如巨噬細胞和中性粒細胞，在吞噬病原體時，會通過 NADPH 氧化酶 (NADPH oxidase) 產生大量的 ROS（稱為呼吸爆發，respiratory burst），用於殺滅病原體。
   • 其他： 某些金屬離子（如 Fe2+、Cu+）在存在氧氣時，可以催化產生羥基自由基 (•OH)。

2. 外源性來源 (Exogenous Sources)：

   • 環境污染物： 如空氣污染物、殺蟲劑、某些藥物（如化療藥物）。
   • 輻射： 如紫外線 (UV)、X 射線等，可以通過水的光解產生羥基自由基。
   • 吸煙： 香煙煙霧中含有大量的 ROS 和前體物質。
   • 炎症反應： 炎症過程中，免疫細胞釋放的 ROS 也可能造成周圍組織的損傷。

細胞如何透過抗氧化系統維持氧化還原平衡：

細胞擁有一套複雜的抗氧化防禦系統，以應對 ROS 的生成，維持細胞內的氧化還原平衡（redox balance）。這些系統包括酶性抗氧化劑和非酶性抗氧化劑。

A. 酶性抗氧化系統：

1. 超氧化物歧化酶 (Superoxide Dismutase, SOD)：
   • 作用： SOD 是最早也是最重要的抗氧化酶之一。它催化將兩個超氧陰離子自由基 (O2•−) 轉化為一分子氧氣 (O2) 和一分子過氧化氫 (H2O2)。
     $2O_2^{•−} + 2H^+ \xrightarrow{SOD} H_2O_2 + O_2$
   • 分類： 有幾種類型的 SOD，如 SOD1 (細胞質，含銅和鋅 Cu/Zn-SOD)，SOD2 (粒線體，含錳 Mn-SOD)，SOD3 (細胞外，含銅和鋅 Cu/Zn-SOD)。