國立中興大學 112 年 《普通生物及生化概論》

核心觀念

本題考查胺基酸側鏈的化學性質，特別是側鏈是否含有可參與氫鍵的極性官能基。

氫鍵通常形成於：

• 氫鍵供體（donor）：與高電負度原子相連的氫，例如 $\ce{O-H}$、$\ce{N-H}$。
• 氫鍵受體（acceptor）：具有孤電子對的高電負度原子，例如氧、氮。

在標準胺基酸中，含有羥基（$-\ce{OH}$）、胺基（$-\ce{NH2}$）、羧基（$-\ce{COOH}$）或其他極性官能基的側鏈，較能與其他分子形成氫鍵。蘇胺酸（Threonine）的側鏈含有羥基，具備氫鍵供體與受體的功能。

解題方法

逐一觀察各胺基酸的側鏈結構：

• Leucine：$-\ce{CH2-CH(CH3)2}$
• Threonine：$-\ce{CH(OH)-CH3}$
• Alanine：$-\ce{CH3}$
• Glycine：$-\ce{H}$

判斷側鏈中是否含有氧、氮等高電負度原子，以及是否具有可參與氫鍵的氫。只有 Threonine 側鏈含有羥基 $-\ce{OH}$：

$$\ce{R-O-H \cdots O-R'}$$

其中羥基的 $\ce{O-H}$ 可作為氫鍵供體，氧原子的孤電子對可作為氫鍵受體，因此能與水、蛋白質主鏈或其他極性分子形成氫鍵。

選項分析

(A) Leucine

Leucine（白胺酸，亮氨酸）的側鏈為：

$$\ce{-CH2-CH(CH3)2}$$

核心觀念

本題考查胜肽的方向性、游離端基，以及各胺基酸側鏈官能基的辨認。

胜肽序列通常按照 N 端到 C 端書寫：

$$\mathrm{ALA-HIS-ARG-THR}$$

因此：

• ALA（alanine，丙胺酸）位於 N 端
• THR（threonine，蘇胺酸）位於 C 端
• 中間各胺基酸的 $\alpha$-胺基與相鄰胺基酸形成胜肽鍵

胜肽鍵可表示為：

$$\ce{-CO-NH-}$$

形成胜肽鍵時，前一個胺基酸的羧基與下一個胺基酸的 $\alpha$-胺基進行脫水縮合。因此，中間胺基酸的 $\alpha$-胺基已參與胜肽鍵，並非游離胺基。

解題方法

先依序列判斷端點：

$$\mathrm{ALA\ (N端)-HIS-ARG-THR\ (C端)}$$

N 端的 ALA 保有未參與胜肽鍵的 $\alpha$-胺基，形式可概念表示為：

$$\ce{H2N-ALA-HIS-ARG-THR-COOH}$$

所以題目所問的 free amino group（游離胺基）位於 ALA。

補充而言，C 端 THR 保有游離羧基；這與題目詢問的游離胺基不同。

選項分析

• (A) ALA：正確。
  ALA 位於 N 端，其 $\alpha$-胺基未與前一個胺基酸形成胜肽鍵，因此是整條 tetrapeptide 的游離胺基。

核心觀念

本題考查胺基酸（amino acid）的側鏈結構比較，重點是辨認 cysteine、homocysteine、serine 與 homoserine 之間的碳骨架差異。

四者結構可寫成：

• Cysteine（半胱胺酸）：$\ce{HOOC-CH(NH2)-CH2-SH}$
• Homocysteine（同半胱胺酸）：$\ce{HOOC-CH(NH2)-CH2-CH2-SH}$
• Serine（絲胺酸）：$\ce{HOOC-CH(NH2)-CH2-OH}$
• Homoserine（同絲胺酸）：$\ce{HOOC-CH(NH2)-CH2-CH2-OH}$

前綴 homo- 在此表示相較於原本的胺基酸，側鏈中多出一個 $\ce{-CH2-}$ 單位，使官能基與 $\alpha$-碳之間的距離增加。

解題方法

先比較 cysteine 與 homocysteine：

$$\ce{Cysteine: \ HOOC-CH(NH2)-CH2-SH}$$ $$\ce{Homocysteine: \ HOOC-CH(NH2)-CH2-CH2-SH}$$

可見 homocysteine 比 cysteine 多出一個 $\ce{-CH2-}$。

再比較 serine 與 homoserine：

$$\ce{Serine: \ HOOC-CH(NH2)-CH2-OH}$$ $$\ce{Homoserine: \ HOOC-CH(NH2)-CH2-CH2-OH}$$

同樣可見 homoserine 比 serine 多出一個 $\ce{-CH2-}$。

因此，題目所描述的共同變化是「多一個 methylene bridge（亞甲基橋）」，選擇 (B)。

核心觀念

本題考查胺基酸側鏈的化學性質，以及「保守性胺基酸置換」對蛋白質摺疊與功能的影響。

蛋白質結構主要受到下列作用力影響：

• 疏水性胺基酸聚集於蛋白質內部，形成疏水核心。
• 帶電側鏈形成離子鍵或鹽橋。
• 極性側鏈參與氫鍵。
• 芳香族側鏈可參與疏水作用與芳香環堆疊。
• 胺基酸側鏈的大小與形狀會影響局部空間配置。

若置換前後的胺基酸在大小、電荷、極性與疏水性方面相近，稱為保守性置換，通常較不易破壞蛋白質結構與功能。

解題方法

逐一比較每個置換前後的側鏈性質，重點觀察：

1. 電荷是否改變。
2. 極性與疏水性是否改變。
3. 側鏈大小與形狀是否相近。
4. 是否破壞疏水核心、鹽橋或氫鍵。

其中，最不具破壞性的置換，應同時保留原本側鏈的主要化學特徵，且結構大小差異小。

選項分析

(A) Glu changes to Gln

Glu（麩胺酸，glutamate）與 Gln（麩醯胺，glutamine）的側鏈大小相近，兩者皆具有含氧官能基。

但 Glu 的側鏈在生理 pH 下通常帶負電，結構為 $\ce{-CH2-CH2-COO^-}$；Gln 的側鏈為醯胺基，通常不帶電，結構為 $\ce{-CH2-CH2-CONH2}$。

因此，此置換會造成：

• 負電荷消失。
• 原本的鹽橋可能被破壞。
• 與其他帶電胺基酸的靜電作用減弱。

雖然這是相對保守的置換，但電荷改變仍可能影響蛋白質穩定性與功能，故不是最佳答案。

(B) Trp changes to Thr

Trp（色胺酸，tryptophan）是體積很大的芳香族胺基酸，側鏈含有吲哚環，主要具有疏水性，亦能參與芳香環堆疊。

Thr（蘇胺酸，threonine）側鏈較小，且含有羥基 $\ce{-OH}$，具有明顯極性。

此置換會造成：

• 大型芳香環消失。
• 疏水性降低。
• 側鏈體積大幅縮小。
• 原本的芳香環堆疊與疏水作用可能消失。
• 蛋白質內部若留下空腔，可能降低摺疊穩定性。

這屬於非保守性置換，對蛋白質結構與功能的影響通常較大。

核心觀念

本題考查維生素 C 在膠原蛋白（collagen）合成與成熟過程中的作用，以及缺乏時造成壞血病（scurvy）的機轉。

維生素 C 是下列兩類酵素的重要輔因子：

• Prolyl hydroxylase（脯胺酸羥化酶）
• Lysyl hydroxylase（離胺酸羥化酶）

這些酵素屬於 $\ce{Fe^{2+}}$ 依賴性的 hydroxylase，負責將膠原蛋白中的特定 proline（脯胺酸）與 lysine（離胺酸）殘基進行羥化，形成：

• Proline $\rightarrow$ hydroxyproline（羥脯胺酸）
• Lysine $\rightarrow$ hydroxylysine（羥離胺酸）

其中，羥脯胺酸對膠原蛋白三股螺旋（triple helix）的穩定性尤其重要；羥離胺酸則參與後續的醣基化與交聯反應。

解題方法

判斷本題的關鍵是辨認「維生素 C 缺乏時，哪一個膠原蛋白成熟步驟會受阻」。

膠原蛋白的主要成熟流程如下：

1. 核糖體合成膠原蛋白前驅物（preprocollagen）。
2. 進入內質網後，特定 proline 與 lysine 殘基接受羥化。
3. 維生素 C 維持 hydroxylase 中的鐵離子處於活性的 $\ce{Fe^{2+}}$ 狀態。
4. 羥化後的膠原蛋白形成穩定的三股螺旋，成為 procollagen。
5. 分泌至細胞外後，procollagen 被切除前肽。
6. Lysyl oxidase（離胺酸氧化酶）將部分 lysine 或 hydroxylysine 氧化成醛基，形成膠原蛋白間的共價交聯。

羥化反應可概念化表示為：

$$\text{Proline}+\ce{O2}+\text{2-oxoglutarate} \longrightarrow \text{Hydroxyproline}+\ce{CO2}+\text{succinate}$$

此反應需要 $\ce{Fe^{2+}}$；維生素 C 的作用是協助維持酵素鐵中心的還原態，使 hydroxylase 能持續作用。

因此，維生素 C 缺乏時，proline 與 lysine 羥化不足，膠原蛋白三股螺旋不穩定，結締組織強度下降，導致牙齦出血、皮下出血、傷口癒合不良等壞血病症狀。

選項分析

(A) it is involved in the formation of the proper $\beta$-sheet structure of collagen

錯誤。

膠原蛋白的特徵結構不是 $\beta$-sheet，而是由三條多肽鏈組成的三股螺旋（triple helix）。其基本重複序列常表示為：

$$\ce{Gly-X-Y}$$

核心觀念

球狀蛋白質（globular protein）的胺基酸側鏈會依化學性質呈現空間分布：

• 非極性、疏水性側鏈：傾向埋藏於蛋白質內部。
• 極性或帶電側鏈：傾向暴露於蛋白質表面，與水形成氫鍵、離子作用或水合層。

此分布主要由**疏水作用（hydrophobic effect）**所驅動。蛋白質摺疊時，疏水性側鏈聚集在內部，可減少其與水接觸；親水性側鏈則較常位於外部，與水分子作用以降低自由能。

解題方法

逐一判斷各胺基酸側鏈的極性與電荷：

1. 側鏈為非極性且不帶電，符合球狀蛋白質內部的典型特徵。
2. 側鏈若帶正電、帶負電或具有明顯極性，通常較適合位於蛋白質表面。
3. 選出最符合「疏水性內核」概念的胺基酸。

Isoleucine（異白胺酸）的側鏈為支鏈脂肪族烴基，屬於非極性、疏水性胺基酸，最適合埋藏在球狀蛋白質內部。

選項分析

(A) Isoleucine（異白胺酸）—正確

Isoleucine 的側鏈為：

$$-\ce{CH(CH3)CH2CH3}$$

此側鏈主要由碳與氫組成，不具可與水形成穩定氫鍵的官能基，也不帶電，因此具有高度疏水性。蛋白質摺疊後，Isoleucine 常與 Valine、Leucine、Methionine、Phenylalanine 等疏水性殘基共同形成蛋白質內部的疏水核心（hydrophobic core）。

(B) Arginine（精胺酸）—錯誤

Arginine 的側鏈末端為胍基（guanidinium group），在生理 pH 下通常帶正電。

核心觀念

蛋白質結構分為四個層次：

1. 一級結構（primary structure）：胺基酸排列順序，以胜肽鍵連接。
2. 二級結構（secondary structure）：局部構形，如 $\alpha$-helix 與 $\beta$-pleated sheet，主要由主鏈間氫鍵維持。
3. 三級結構（tertiary structure）：單一多胜肽鏈整體的三維摺疊，涉及疏水作用、氫鍵、離子鍵、凡得瓦力及雙硫鍵等。
4. 四級結構（quaternary structure）：由兩條以上多胜肽鏈組成的蛋白質中，各多胜肽次單元（subunit）彼此的數目、排列方式與相對方向。

因此，本題的關鍵在於辨認「多次單元蛋白質中，一條多胜肽鏈相對於另一條多胜肽鏈的空間排列」。

解題方法

先判斷題幹所描述的是哪一層蛋白質結構：

• 若描述單一多胜肽鏈的局部構形，屬於二級結構。
• 若描述單一多胜肽鏈的整體三維形狀，屬於三級結構。
• 若描述多條多胜肽鏈彼此的排列與相對方向，屬於四級結構。

題幹中的關鍵字是：

“the relative orientation of one polypeptide to another polypeptide in a multisubunit protein”

其中 “one polypeptide to another polypeptide” 表示多條多胜肽鏈之間的相對關係；“multisubunit protein” 表示由多個次單元組成。這正是四級結構的定義。

選項分析

(A) the overall shape of the polypeptide chain

錯誤。這描述的是單一多胜肽鏈的整體三維形狀，屬於三級結構（tertiary structure）。三級結構反映一條多胜肽鏈如何摺疊成特定形狀，例如酵素的活性部位形成，主要由疏水作用、氫鍵、離子作用及雙硫鍵等共同穩定。

(B) simple proteins with only one subunit

錯誤。只有一個多胜肽次單元的蛋白質不具有四級結構，因為沒有不同次單元可供排列。四級結構必須涉及至少兩條多胜肽鏈，例如：

核心觀念

本題考查血紅蛋白（hemoglobin, Hb）與肌紅蛋白（myoglobin, Mb）的結構及氧氣親和力，重點包括：

1. Hb 與 Mb 的四級結構差異。
2. 成人血紅蛋白（adult Hb，HbA）與胎兒血紅蛋白（fetal Hb，HbF）的氧氣親和力差異。
3. 2,3-BPG 對 Hb 氧氣結合的調節作用。
4. 氧解離曲線與 $P_{50}$ 的意義。

「氧氣親和力較高」代表在相同氧分壓下，蛋白質較容易結合氧氣；在氧解離曲線上表現為曲線左移，且 $P_{50}$ 較低。

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解題方法

先比較 HbA、HbF 與 Mb 的氧氣親和力，再檢查各蛋白質的結構。

1. HbA 與 HbF 的差異

成人 HbA 的組成為：

$$\mathrm{HbA}=\alpha_2\beta_2$$

胎兒 HbF 的組成為：

$$\mathrm{HbF}=\alpha_2\gamma_2$$

在去氧狀態下，2,3-BPG（2,3-bisphosphoglycerate）會結合 Hb 的中央空腔，穩定去氧型構形，使 Hb 較不易結合氧氣，因此 2,3-BPG 是 Hb 的負向調節因子，可視為 Hb 結合氧氣的 inhibitor。

成人 Hb 的 2,3-BPG 主要與 $\beta$ 鏈上的胺基酸殘基作用，其中包括帶正電的 His143。胎兒 Hb 使用 $\gamma$ 鏈取代 $\beta$ 鏈，$\gamma$ 鏈相對位置的 His143 易由 serine（Ser，絲胺酸）取代。Ser 不帶正電，因此 HbF 與 2,3-BPG 的作用較弱。

結果是：

• HbA 較容易受到 2,3-BPG 抑制。
• HbF 與 2,3-BPG 結合較弱。
• HbF 較不受 2,3-BPG 抑制。
• HbF 對氧氣的親和力高於 HbA。

因此：

$$\text{HbF 的氧氣親和力}>\text{HbA 的氧氣親和力}$$

這種差異有利於胎兒從母體血液中取得氧氣。

2. Hb 與 Mb 的比較

Mb 是單體蛋白，由一條多肽鏈及一個 heme（血基質）所組成，具有一個氧氣結合位點，氧氣親和力通常高於 Hb。

Hb 則是四聚體，具有四個 heme 及四個氧氣結合位點。Hb 的四個次單元之間會產生協同性（cooperativity）：一個氧氣分子結合後，會增加其他次單元結合氧氣的能力，因此 Hb 的氧解離曲線呈 S 形；Mb 的氧解離曲線則呈雙曲線。

典型親和力關係為：

$$\text{Mb}>\text{HbF}>\text{HbA}$$

因此，題目中的「成人 Hb 是否比 Mb 更緊密結合氧氣」應判斷為否。

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選項分析

(A) Adult Hb binds to oxygen more tightly than Mb binds.

錯誤。

Mb 是單體蛋白，對氧氣具有高親和力；成人 Hb 的氧氣親和力低於 Mb，才能在周邊組織釋放氧氣。

從 $P_{50}$ 判斷：

• $P_{50}$ 越低，代表氧氣親和力越高。
• Mb 的 $P_{50}$ 低於 Hb。
• 因此 Mb 比成人 Hb 更容易結合氧氣。

核心觀念

本題主要測驗細胞骨架（Cytoskeleton）中的**中間絲（Intermediate filaments, IFs）**及其相關基因突變所導致的遺傳性疾病，並延伸至常見人類單基因遺傳疾病的致病機制。

1. 角蛋白（Keratin）的功能與結構：Keratin 屬於細胞骨架中的中間絲蛋白，主要分佈於上皮組織（Epithelial tissues），負責提供細胞承受機械拉力（Mechanical stress）的強度。上皮角質形成細胞（Keratinocytes）主要表現 Keratin 5（$\text{K5}$）與 Keratin 14（$\text{K14}$）。若相關基因（如 KRT5、KRT14）發生突變，會破壞中間絲網絡的穩定性，造成皮膚脆弱易起水泡。
2. 常見遺傳疾病之致病蛋白：

• 囊腫性纖維化（Cystic fibrosis）：CFTR 基因突變，導致氯離子通道缺陷。
• 阿茲海默症（Alzheimer’s disease）：$\beta$-澱粉樣蛋白（$\text{A}\beta$）沉積與 Tau 蛋白過度磷酸化形成神經纖維纏結。
• 單純型表皮溶解水皰症（Epidermolysis bullosa simplex, EBS）：KRT5 或 KRT14 基因突變，屬典型的角蛋白疾病。
• 鐮刀型貧血（Sickle cell anemia）：血紅素 $\beta$ 鏈基因（HBB）突變（第 6 位胺基酸由 Glu 變異為 Val）。

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解題方法

由題幹關鍵字「caused by a genetic mutation in the keratin gene」出發：

1. 檢索四個選項對應之致病基因與缺陷蛋白質。
2. 判定何者與細胞結構蛋白（特別是 Keratin 中間絲）直接相關。
3. 比對醫學遺傳學與細胞生物學常考的遺傳疾病分類，確立選項對應性。

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選項分析

• (A) Cystic fibrosis（囊腫性纖維化）：

• 標準生化機制：此疾病是因位於第 7 號染色體的 CFTR（Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator）基因突變，最常見為第 508 位苯丙胺酸缺失（$\Delta\text{F508}$），導致 ATP-binding cassette（ABC）卡夾家族的氯離子/重碳酸根離子通道轉運異常，造成黏液分泌過於濃稠，影響呼吸道與消化系統。

• 官方判定依據：本題經考生試題疑義釋覆後，校方將本選項一併列入正確答案給分（詳見後文「爭議說明」）。

• (B) Alzheimer’s disease（阿茲海默症）：錯誤。

• 此病屬於神經退化性疾病，主要病理特徵為大腦皮質中由細胞外澱粉樣前驅蛋白（APP）被 $\beta$-與 $\gamma$-分泌酶異常剪切所形成的 $\beta$-澱粉樣蛋白（$\beta$-amyloid, $\text{A}\beta$）斑塊，以及細胞內 Tau 蛋白（微管相關蛋白，Microtubule-associated prote

核心觀念

本題考查 lactate dehydrogenase（LDH，乳酸脫氫酶）在糖解作用中的功能，以及其催化的可逆氧化還原反應。

LDH 催化下列可逆反應：

$$\ce{Pyruvate + NADH + H+ <=> Lactate + NAD+}$$

在缺氧或高強度運動時，電子傳遞鏈無法有效再生 $\ce{NAD+}$，因此 LDH 將 pyruvate（丙酮酸）還原成 lactate（乳酸），同時把 NADH 氧化成 $\ce{NAD+}$：

$$\ce{Pyruvate + NADH + H+ -> Lactate + NAD+}$$

再生的 $\ce{NAD+}$ 可使 glycolysis（糖解作用）中的 glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase 反應繼續進行，讓細胞在缺氧時仍能產生少量 ATP。

解題方法

判斷 LDH 的關鍵在於記住：

1. LDH 的受質是 pyruvate 或 lactate。
2. 它使用 NADH／$\ce{NAD+}$ 作為輔酶。
3. 無氧糖解時，主要方向是 pyruvate $\rightarrow$ lactate。
4. LDH 不負責分解 lactose（乳糖）或 glycogen（肝醣）。

因此，本題以「無氧代謝時丙酮酸轉為乳酸」作為主要判斷核心，選擇 (C)。

選項分析

(A) An enzyme that breaks down lactose in milk

錯誤。Lactose（乳糖）是由 glucose（葡萄糖）與 galactose（半乳糖）組成的雙醣，主要由 lactase（乳糖酶）水解：

$$\ce{Lactose + H2O -> Glucose + Galactose}$$

LDH 不分解乳糖，名稱中的 lactate 是「乳酸」，並不是 lactose（乳糖）。兩者字首相似，是本選項的主要陷阱。

(B) An enzyme that converts lactate to pyruvate during cellular respiration

就反應本身而言，LDH 確實能催化 lactate 氧化成 pyruvate：

$$\ce{Lactate + NAD+ -> Pyruvate + NADH + H+}$$

例如在肝臟中，乳酸可經 LDH 轉成丙酮酸，再進入 gluconeogenesis（糖質新生）或經 pyruvate dehydrogenase 轉成 acetyl-CoA，進入 citric acid cy

核心觀念

本題考查 Lineweaver–Burk plot（Lineweaver–Burk 雙倒數圖） 與 Michaelis–Menten 方程式。

Michaelis–Menten 方程式為：

$$v=\frac{V_{\max}[S]}{K_M+[S]}$$

取倒數後得到 Lineweaver–Burk 方程式：

$$\frac{1}{v} = \frac{K_M}{V_{\max}}\frac{1}{[S]} + \frac{1}{V_{\max}}$$

與直線方程式 $y=mx+b$ 比較：

• $y$ 軸截距：
  $b=\frac{1}{V_{\max}}$
• 斜率：
  $m=\frac{K_M}{V_{\max}}$

因此：

$$K_M=\frac{\text{斜率}}{\text{y-截距}}$$

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解題方法

題目給出：

• y-截距 $=1.23$
• 斜率 $=23.3$

代入公式：

$$K_M=\frac{23.3}{1.23}$$ $$K_M=18.943\ \mathrm{mM}$$

取適當有效位數：

$$K_M\approx18.9\ \mathrm{mM}$$

因此選擇 (C)。

補充而言，標準 Lineweaver–Burk 圖中，若縱軸單位為 $\mathrm{sec/mmole}$、橫軸為 $\mathrm{L/mmole}$，斜率的單位應為 $\mathrm{sec/L}$。題目將斜率標成 $\mathrm{L/sec}$，與標準單位不一致；

核心觀念

$K_M$ 是 Michaelis–Menten 酵素動力學中的重要參數，代表反應速率達到最大速率一半時所需的基質濃度：

$$v=\frac{V_{\max}[S]}{K_M+[S]}$$

當 $v=\frac{1}{2}V_{\max}$ 時：

$$\frac{1}{2}V_{\max} = \frac{V_{\max}[S]}{K_M+[S]}$$

約去 $V_{\max}$ 並整理可得：

$$[S]=K_M$$

因此，$K_M$ 可視為「達到半最大反應速率所需的基質濃度」。在相同酵素與實驗條件下，$K_M$ 越小，表示較低的基質濃度即可使酵素達到半最大速率，通常代表酵素對基質具有較高的表觀親和力；$K_M$ 越大，則通常代表表觀親和力較低。

對基本的兩步驟酵素反應：

$$\ce{E + S <=>[k_1][k_{-1}] ES ->[k_{cat}] E + P}$$

在 steady-state approximation（穩態近似）下：

$$K_M=\frac{k_{-1}+k_{cat}}{k_1}$$

因此，$K_M$ 不單純等於酵素與基質的解離常數 $K_D=\frac{k_{-1}}{k_1}$，但在許多基礎題與一般比較中，$K_M$ 可作為酵素對基質親和力的粗略指標。

解題方法

本題詢問 $K_M$ 的生化意義，直接從三個特徵判斷：

1. $K_M$ 是 Michaelis–Menten 方程式中的動力學參數。
2. $K_M$ 等於反應速率達到 $\frac{1}{2}V_{\max}$ 時的基質濃度。
3. 在相同條件下，$K_M$ 通常可粗略反映酵素與基質的表觀親和力。

四個選項中，只有選項 A 描述酵素與基質親和力的關係，其餘選項涉及的性質並非 $K_M$ 的定義或主要用途。

選項分析

(A) a rough measure of the affinity of the enzyme for the substrate

正確。

$K_M$ 是酵素對基質表觀親和力的粗略衡量方式。一般而言：

• $K_M$ 小：較低的基質濃度即可達到半最大速率，表示表觀親和力較高。
• $K_M$ 大：需要較高的基質濃度才能達到半最大速率，表示表觀親和力較低。

核心觀念

ATCase 是 aspartate transcarbamoylase（天門冬胺酸氨基甲醯轉移酶） 的縮寫，參與 嘧啶核苷酸從頭合成（de novo pyrimidine biosynthesis），催化其中的第一個受調控步驟，也是重要的承諾步驟（committed step）。

反應如下：

$$\ce{Carbamoyl\ phosphate + L-aspartate -> carbamoyl\ aspartate + Pi}$$

產物是 carbamoyl aspartate（氨基甲醯天門冬胺酸），不是 citrulline（瓜胺酸）。

在細菌中，尤其是經典研究的 E. coli，ATCase 受到異位調控：

• ATP：活化劑（positive allosteric effector）
• CTP：抑制劑（negative allosteric effector）

此調控可使嘧啶合成與細胞內嘌呤核苷酸的供應狀態相互配合。

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解題方法

本題可從三個關鍵字切入：

1. ATCase 的代謝途徑
2. ATCase 的實際催化反應
3. ATCase 的異位調控與分布

ATCase 不屬於 glycolysis（糖解作用），而是嘧啶合成途徑中的酵素。其反應物是 carbamoyl phosphate 與 aspartate，產物為 carbamoyl aspartate。因此先判斷反應式，再確認 ATP、CTP 的調控方向，即可選出正確答案。

嘧啶從頭合成的前段流程可整理如下：

1. Carbamoyl phosphate synthetase II（CPS II）
   形成 carbamoyl phosphate。
2. Aspartate transcarbamoylase（ATCase）
   將 carbamoyl phosphate 與 aspartate 合成 carbamoyl aspartate。
3. Dihydroorotase
   形成 dihydroorotate。
4. Dihydroorotate dehydrogenase
   形成 orotate。
5. 後續經 UMP synthase 形成 UMP，再生成 UDP、UTP 與 CTP。

因此，本題的核心定位是：ATCase 卡在「嘧啶從頭合成的第二步」，而不是糖解作用或尿素循環。

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選項分析

(A) ATCase is an enzyme involved in glycolysis.

錯誤。

Glycolysis（糖解作用）是將 glucose（葡萄糖）分解成 pyruvate（丙酮酸）的代謝途徑，關鍵酵素包括：

• Hexokinase 或 glucokinase
• Phosphofructokinase-1（PFK-1）
• Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase
• Pyruvate kinase

ATCase 不參與葡萄糖分解，而是參與嘧啶核苷酸合成，故此敘述錯誤。

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(B) ATCase is allosterically regulated by ATP and CTP.

正確。

在經典的細菌 ATCase 系統中：

核心觀念

酵素催化主要依靠活性部位（active site）胺基酸側鏈提供下列功能：

1. 酸鹼催化（acid–base catalysis）
   側鏈接受或供給質子，例如：

• $\ce{Asp}$、$\ce{Glu}$：常作為酸或鹼
• $\ce{His}$：$pK_a$ 接近生理 pH，適合進行質子轉移
• $\ce{Lys}$、$\ce{Cys}$、$\ce{Tyr}$：在特定微環境中也可參與酸鹼催化

2. 共價催化（covalent catalysis）
   側鏈親核基團與受質形成暫時性共價鍵，例如：

• $\ce{-OH}$：Ser、Thr、Tyr
• $\ce{-SH}$：Cys
• $\ce{-NH2}$：Lys

3. 靜電作用與電荷穩定（electrostatic stabilization）
   帶電側鏈可穩定反應中形成的電荷、過渡態或帶電中間物，例如 Lys、Arg、Asp、Glu。

4. 氫鍵與受質定位（hydrogen bonding and substrate positioning）
   極性側鏈能與受質形成氫鍵，使受質採取適合反應的方向與構形。

因此，能直接參與催化的側鏈通常具有可電離、帶電、極性或具親核性的化學基團。

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解題方法

判斷各類胺基酸側鏈是否適合參與酵素催化，重點是觀察其是否具有能夠：

• 供給或接受質子；
• 形成或穩定電荷；
• 形成氫鍵；
• 作為親核基團攻擊受質；
• 穩定過渡態或反應中間物。

「Hydrocarbon side-chains」主要由碳與氫組成，例如 Ala、Val、Leu、Ile 等烷基側鏈。這些側鏈通常：

• 不帶電；
• 缺乏可供質子轉移的官能基；
• 缺乏可形成強氫鍵的原子；
• 不具明顯親核性。

它們仍可藉由疏水作用、凡得瓦力或芳香環的 $\pi$ interaction 協助受質結合與定位，但較少直接參與化學催化。因此最不可能直接涉及酵素催化的是烴類側鏈。

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選項分析

(A) Those with hydrophilic, neutral side-chains

親水且電中性的側鏈仍可能含有重要的極性官能基，例如：

• Ser、Thr、Tyr 的羥基 $\ce{-OH}$
• Asn、Gln 的醯胺基
• His 的咪唑基

核心觀念

本題考消化蛋白酶的「基質專一性」，也就是酵素辨認胜肽鏈中特定胺基酸側鏈，並切斷其鄰近的胜肽鍵。

• Chymotrypsin（胰凝乳蛋白酶）：偏好切割芳香族胺基酸之羧基端胜肽鍵，主要包括：

• Phenylalanine（苯丙胺酸，Phe）

• Tyrosine（酪胺酸，Tyr）

• Tryptophan（色胺酸，Trp）

• Trypsin（胰蛋白酶）：偏好切割帶正電、具鹼性側鏈胺基酸之羧基端胜肽鍵，主要包括：

• Lysine（離胺酸，Lys）

• Arginine（精胺酸，Arg）

兩者皆屬於 serine protease（絲胺酸蛋白酶），催化核心包含 Ser-His-Asp，差異主要在於酵素的 substrate-binding pocket（基質結合口袋）對側鏈的選擇性不同。

解題方法

先抓住題幹中的關鍵字：primary difference。比較 chymotrypsin 與 trypsin 時，最重要的差異是「切割位置所偏好的胺基酸種類」。

判斷步驟如下：

1. Chymotrypsin 辨認體積較大、疏水性的芳香族側鏈。
2. Trypsin 辨認帶正電的鹼性側鏈。
3. 因此，正確敘述應同時符合：

• Chymotrypsin → aromatic side chains
• Trypsin → basic side chains

此敘述即為選項（C）。

在消化流程中，胰臟先分泌無活性的酵素原：

$$\text{trypsinogen} \xrightarrow{\text{enteropeptidase}} \text{trypsin}$$

活化後的 trypsin 會進一步活化其他胰蛋白酶原，包括：

$$\text{chymotrypsinogen} \xrightarrow{\text{trypsin}} \text{chymotrypsin}$$

兩者在小腸內共同參與蛋白質分解，但切割專一性不同。

選項分析

(A) 錯誤

Chymotrypsin cleaves peptide bonds between amino acids with basic side chains, while trypsin cleaves peptide bonds between amino acids with acidic side chains.

此選項將兩種酵素的專一性混淆：

• Chymotrypsin 主要切割芳香族胺基酸附近的胜肽鍵，不是鹼性側鏈。
• Trypsin 主要切割 Lys 與 Arg 附近的胜肽鍵，不是酸性側鏈。
• Aspartate（天冬胺酸，Asp）與 glutamate（麩胺酸，Glu）屬酸性胺基酸，並非 trypsin 的主要辨認對象。

因此本選項前後皆不正確。

(B) 錯誤

核心觀念

本題考查三類重要膜脂質的「化學骨架、兩親性與細胞內分布」：

• Phospholipids（磷脂質）：含有磷酸基團，常見的 glycerophospholipid（甘油磷脂）以 glycerol（甘油）為骨架；也有以 sphingosine（鞘氨醇）為骨架的 sphingomyelin（鞘磷脂）。
• Sphingolipids（鞘脂質）：以 sphingosine（鞘氨醇）或相關 sphingoid base（鞘氨醇鹼）為骨架，不以 glycerol 為共同骨架。
• Cholesterol（膽固醇）：屬於 sterol（固醇），由四個融合的碳環、烴鏈及一個 hydroxyl group（羥基）構成。

三者皆具有：

1. 親水區域：可與水或磷脂質頭部相互作用。
2. 疏水區域：可插入膜的疏水核心。

因此，三者皆屬於 amphipathic molecules（兩親性分子），能參與生物膜的形成與穩定。

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解題方法

判斷此題最有效的方法，是依序檢查三個共同敘述：

1. 是否三者都具有親水與疏水區域？
2. 是否三者都有 glycerol backbone？
3. 是否三者都主要集中在 plasma membrane？
4. 三者的基本化學結構是否相似？

只要找出一個能同時適用於 phospholipids、sphingolipids 與 cholesterol 的正確敘述，即可判定答案。

其中，「兩親性」是三類膜脂質共同具備的功能性特徵；「甘油骨架」則不是三者共有的結構。

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選項分析

(A) All three are amphipathic molecules.

正確。

三者皆同時具有親水與疏水部分：

• Phospholipids：具有親水性的 phosphate-containing head group（含磷酸基團頭部），以及疏水性的 fatty acid tails（脂肪酸尾部）。
• Sphingolipids：具有親水性的極性頭部，以及由 sphingosine 與 fatty acid 組成的疏水區域。
• Cholesterol：具有一個帶羥基的親水端，但 steroid rings（類固醇環）與 hydrocarbon tail（烴鏈）大多為疏水性。

因此，三者皆可排列於脂質雙層中，親水部分朝向水相，疏水部分朝向膜內部。

故 (A) 正確。

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(B) All three contain a glycerol backbone.

錯誤。

並非三者皆含有 glycerol backbone。

• 多數 glycerophospholipids（甘油磷脂） 具有 glycerol 骨架，其基本結構可概念化為：

$\text{glycerol} + 2\text{ fatty acids} + \text{phosphate-containing head group}$

• Sphingolipids 以 sphingosine 為骨架，不以 glycerol 為骨架。

核心觀念

本題考查 triacylglycerol（三酸甘油酯，TAG）與 lipase（脂肪酶）的分類、功能及代謝角色。

1. Triacylglycerol

Triacylglycerol 是由一分子 glycerol（甘油）與三分子 fatty acid（脂肪酸）形成的中性脂質：

$$\text{Glycerol} + 3\text{ fatty acids} \rightarrow \text{Triacylglycerol} + 3\ce{H2O}$$

其三個羥基與脂肪酸的羧基形成三個 ester bonds（酯鍵）。Triacylglycerol 是人體脂肪組織中儲存能量的主要形式，也是 body fat（體脂肪）的主要成分。

2. Lipase

Lipase 是一類酵素，功能是水解脂質中的酯鍵。以 triacylglycerol lipase 為例，可催化：

$$\text{Triacylglycerol} \rightarrow \text{Diacylglycerol} + \text{Fatty acid}$$

後續可繼續生成 monoacylglycerol，最後分解為 glycerol 與 fatty acids。

代表性脂肪酶包括：

• Pancreatic lipase（胰脂肪酶）：在小腸分解膳食中的 triacylglycerol。
• Hormone-sensitive lipase, HSL（荷爾蒙敏感性脂肪酶）：參與脂肪細胞中儲存脂肪的動員。
• Lipoprotein lipase, LPL（脂蛋白脂肪酶）：水解血液中 chylomicron（乳糜微粒）及 VLDL（極低密度脂蛋白）內的 triacylglycerol。

此外，lipase 家族中的某些成員直接參與訊息傳遞。例如：

• Phospholipase C, PLC（磷脂酶 C） 水解膜上的 phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate，產生 DAG 與 IP₃：

$$\ce{PIP2 ->[PLC] DAG + IP3}$$

其中：

• DAG（diacylglycerol，二酸甘油酯） 留在細胞膜，可活化 protein kinase C, PKC（蛋白質激酶 C）。
• IP₃（inositol 1,4,5-trisphosphate，肌醇三磷酸） 擴散至細胞質，促使 endoplasmic reticulum（內質網）釋放 $\ce{Ca^{2+}}$。

因此，某些 lipase 確實可能參與 signal transduction（訊息傳遞）。

解題方法

本題可採取「先辨識分子類別，再判斷主要功能」的方法：

1. 判斷 triacylglycerol 是脂質還是酵素。
2. 判斷 lipase 是酵素還是脂質。
3. 比較兩者是否屬於細胞膜主要成分。
4. 判斷兩者主要參與脂質代謝或醣類代謝。
5. 留意選項中的關鍵字，例如「main constituents」及「might be involved」。

Triacylglycerol 的主要角色是能量儲存；lipase 的主要角色是水解脂質。若選項同時描述兩者，必須分別檢查對兩者的敘述是否成立。

選項分析

(A) Triacylglycerol is a type of enzyme, while lipase is a type of lipid.

錯誤。

核心觀念

本題考查脂肪酸的結構與熔點（melting point）之關係，主要取決於：

1. 碳鏈長度
2. 雙鍵數目
3. 雙鍵幾何構型，尤其是 cis（順式）或 trans（反式）

脂肪酸分子間主要藉由凡得瓦力（van der Waals force）排列。碳鏈越長，分子間接觸面積越大，凡得瓦力越強，熔點通常越高。

雙鍵會造成碳鏈彎曲，尤其是 cis 雙鍵形成明顯的「折彎」（kink），使脂肪酸分子難以緊密排列，分子間作用力減弱，因此熔點降低。雙鍵數目越多，通常降低熔點的效果越明顯。

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解題方法

先比較各選項的：

• 總碳數
• 飽和或不飽和
• 雙鍵數目

將結構整理如下：

選項	總碳數	雙鍵數	結構特徵
(A)	12	0	飽和脂肪酸
(B)	22	0	飽和脂肪酸，碳鏈很長
(C)	16	1	單元不飽和脂肪酸
(D)	20	5	多元不飽和脂肪酸

判斷順序為：

$$\text{雙鍵數目增加、碳鏈彎曲程度增加} \Longrightarrow \text{分子排列變鬆散} \Longrightarrow \text{分子間作用力下降} \Longrightarrow \text{熔點降低}$$

因此，雖然選項（D）的碳鏈比（A）、（C）長，但它含有 5 個雙鍵，結構最彎曲、最不易緊密排列，熔點最低。

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選項分析

（A）$\ce{CH3(CH2)10COOH}$

此分子沒有雙鍵，屬於飽和脂肪酸，總共有 12 個碳原子。

飽和直鏈脂肪酸可排列得相當緊密，分子間凡得瓦力較強。雖然碳鏈比（B）短，熔點會低於（B），但其分子仍能規則排列，因此不會是四者中最低者。

判斷：錯誤。

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（B）$\ce{CH3(CH2)20COOH}$

核心觀念

Acetylcholine receptor（AChR，乙醯膽鹼受體）分為兩大類：

1. Nicotinic acetylcholine receptor（nAChR，菸鹼型受體）

• 屬於 配體門控離子通道（ligand-gated ion channel）。
• 乙醯膽鹼（$\ce{ACh}$）與受體結合後，直接開啟陽離子通道，使 $\ce{Na+}$ 內流、$\ce{K+}$ 外流，造成膜去極化。
• 主要存在於神經肌肉接點及部分神經突觸。

2. Muscarinic acetylcholine receptor（mAChR，毒蕈鹼型受體）

• 屬於 G-protein coupled receptor（GPCR，G 蛋白偶聯受體）。
• 不直接形成離子通道，而是透過異源三聚體 G 蛋白啟動細胞內訊息傳遞。

因此，「AChR」若泛指所有乙醯膽鹼受體，題目資訊並不完整；若依本題單選題的命題意圖，通常是指 nicotinic AChR，答案為離子通道型受體。

解題方法

判斷受體類型的關鍵，是看乙醯膽鹼與受體結合後，訊息是否：

• 直接開啟離子通道：屬於 ion channel receptor。
• 透過 G 蛋白傳遞：屬於 GPCR。
• 啟動受體本身的酵素活性或酵素結合功能：屬於 enzyme-linked receptor。
• 進入細胞內調控基因轉錄：屬於 nuclear receptor。

本題選項中，若考的是神經肌肉接點上的 AChR，乙醯膽鹼結合 nAChR 後會直接打開陽離子通道：

$$\ce{ACh + nAChR -> nAChR\ channel\ opening}$$

隨後：

$$\ce{Na+}\ influx > \ce{K+}\ efflux$$

造成終板電位（end-plate potential）與肌細胞膜去極化，進一步引發動作電位及肌肉收縮。因此其受體分類是 ion channel receptor。

受體機轉與訊息傳遞位置

Nicotinic AChR：離子通道型受體

nAChR 是由五個次單元組成的跨膜蛋白複合體，乙醯膽鹼與受體胞外區域結合後，使通道構形改變並開啟。

其路徑可表示為：

$$\ce{ACh -> nAChR\ opening -> Na+\ influx -> membrane\ depolarization}$$

在神經肌肉接點，去極化會活化鄰近電壓門控 $\ce{Na+}$ 通道，產生肌細胞動作電位，接著促使肌漿網釋放 $\ce{Ca^{2+}}$，啟動肌肉收縮。nAChR 位於這條路徑的最前端受體步驟，負責將乙醯膽鹼訊號直接轉為膜電位變化。

Muscarinic AChR：G 蛋白偶聯受體

mAChR 則透過 G 蛋白傳遞訊息，依受體亞型分為兩種主要路徑：

• M1、M3、M5：偶聯 $\ce{Gq}$

$\ce{ACh -> mAChR -> Gq -> PLC-beta -> PIP2 -> IP3 + DAG}$

其中，$\ce{IP3}$ 促使內質網釋放 $\ce{Ca^{2+}}$；

核心觀念

GPCR 訊息傳遞可分為三個功能層次：

1. 受體（receptor）：位於細胞膜上的 G protein-coupled receptor，接受細胞外配體。
2. 轉導器（transducer）：異源三聚體 G protein，由 $\alpha$、$\beta$、$\gamma$ 三個次單元組成，將已活化 GPCR 的訊號傳遞給下游效應蛋白。
3. 效應器（effector）：受 G protein 調控的蛋白質，例如 adenylate cyclase（腺苷酸環化酶）、phospholipase C-β（磷脂酶 C-β）及部分離子通道。

因此，題目問 transducer 的功能，重點在於辨認「負責連接活化受體與下游效應器」的角色。

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GPCR 訊息傳遞機轉

以典型的異源三聚體 G protein 為例：

1. 細胞外配體與 GPCR 結合，使 GPCR 發生構形改變。
2. 活化的 GPCR 促進 G protein $\alpha$ 次單元上的 GDP 與 GTP 交換。此時 GPCR 具有 guanine nucleotide exchange factor（GEF，鳥嘌呤核苷酸交換因子）的功能。
3. $\alpha$ 次單元結合 GTP 後，與 $\beta\gamma$ 複合體分離，或改變其與效應器的交互作用。
4. 活化的 G protein 次單元調控下游效應器，例如：

• $G_s\alpha$ 活化 adenylate cyclase，使 ATP 轉換為 cAMP。
• $G_i\alpha$ 抑制 adenylate cyclase。
• $G_q\alpha$ 活化 phospholipase C-β，使 PIP$_2$ 分解為 IP$_3$ 與 DAG。
• 部分 $\beta\gamma$ 複合體可直接調控離子通道。

5. $\alpha$ 次單元本身具有 GTPase 活性，將 GTP 水解為 GDP，終止訊號並回復至非活化狀態。

本題所問的 transducer 正是第 3 步至第 4 步之間的 G protein：它把 GPCR 的構形變化轉換成效應器可辨識的細胞內訊號。

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選項分析

(A) G protein binds to extracellular ligands and triggers a conformational change in the GPCR.

錯誤。

細胞外配體是先與 GPCR 結合，才使 GPCR 發生構形改變。G protein 位於細胞質側，不負責辨認細胞外配體，也不是啟動 GPCR 構形改變的主要分子。

正確順序為：

$$\text{extracellular ligand} \rightarrow \text{GPCR} \rightarrow \text{G protein}$$

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(B) G protein catalyzes the conversion of GTP to GDP, which in turn activates downstream eff

核心觀念

本題考查胰島素（insulin）在血糖調節中的作用，包括：

1. 胰島素受體（insulin receptor）的訊息傳遞。
2. 骨骼肌與脂肪細胞的葡萄糖轉運蛋白 GLUT4（glucose transporter 4）移位。
3. 肝臟與肌肉的肝醣合成（glycogenesis）。
4. 胰島素與升血糖激素胰高血糖素（glucagon）在肝醣代謝上的拮抗作用。

胰島素由胰臟 $\beta$ 細胞分泌，主要在血糖升高時作用，使血糖下降。其整體效果為：

• 增加骨骼肌與脂肪細胞的葡萄糖攝取。
• 促進肝臟與肌肉合成肝醣。
• 抑制肝醣分解與糖質新生。
• 促進脂肪合成，抑制脂肪分解。

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解題方法

判斷本題可分成兩個層次：

第一，確認胰島素的總體功能：胰島素是「降血糖、促進儲存」的激素，因此會促進葡萄糖進入細胞，並促進肝醣合成。

第二，核對每個選項中的：

• 作用細胞是否正確；
• GLUT4 的分布是否正確；
• 肝醣合成酵素與肝醣分解酵素是否混淆；
• 胰島素與 glucagon 的作用方向是否顛倒。

胰島素受體本身是受體酪胺酸激酶（receptor tyrosine kinase, RTK）。胰島素結合後，啟動：

$$\text{Insulin receptor} \rightarrow \text{IRS} \rightarrow \text{PI3K} \rightarrow \text{PIP}_3 \rightarrow \text{Akt/PKB}$$

在骨骼肌與脂肪細胞中，Akt 會促進含 GLUT4 的囊泡移動至細胞膜，使葡萄糖進入細胞增加。

同時，Akt 會抑制 glycogen synthase kinase 3（GSK3），使 glycogen synthase（肝醣合成酶）較容易維持去磷酸化的活化狀態，促進肝醣合成。

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選項分析

(A) Insulin binds to its receptor on liver and muscle cells, which activates a signaling cascade that leads to the activation of glucose transporters (GLUT4) and enzymes involved in glycogen synthesis.

此選項是本題命題預期的正確答案。

胰島素與細胞膜上的 insulin receptor 結合後，可經由 IRS–PI3K–Akt 訊息傳遞路徑：

• 促進骨骼肌細胞膜上的 GLUT4 移位，增加葡萄糖攝取；
• 促進 glycogen synthase 活化；
• 抑制 glycogen phosphorylase，降低肝醣分解；
• 促進肝醣合成。

不過，嚴格依據生理學，需注意一個細節：肝細胞主要使用 GLUT2，而不是 GLUT4。GLUT4 主要存在於骨骼肌與脂肪細胞，且受胰島素調控；肝細胞的 GLUT2 為胰島素非依賴型葡萄糖轉運蛋白。

因此，若以最嚴謹的分子生理學表述，選項將 GLUT4 同時寫成肝臟與肌肉的葡萄糖轉運蛋白並不精確。然而本題將「胰島素促進葡萄糖利用與肝醣合成」作為主要考點，依一般升學考試的簡化命題方式，(A) 為預期答案。

(B) Insulin activates glycogen phosphorylase, which breaks down glycogen into glucose and promotes its uptake by cells.

錯誤。

Glycogen phosphorylase（肝醣磷酸化酶）催化肝醣分解，將肝醣末端的葡萄糖殘基以磷酸解作用移除，產生 glucose-1-phosphate：

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

接著由 phosphoglucomutase 將其轉換成 glucose-6-phosphate：

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

胰島素並不會活化 glycogen phosphorylase，反而會抑制肝醣分解、促進 glycogen synthase。

核心觀念

本題考查 Ras 蛋白（Ras protein）與癌基因（oncogene）的關係，以及其在細胞增生訊息傳遞中的角色。

Ras 是一種小型單體 GTPase（small monomeric GTP-binding protein），由 **RAS proto-oncogene（Ras 原癌基因）**所編碼，位於細胞膜內側，負責將細胞外生長訊號傳遞至細胞核。

其基本循環如下：

1. 生長因子與受體型酪胺酸激酶（receptor tyrosine kinase, RTK）結合。
2. RTK 自體磷酸化，並招募接頭蛋白 Grb2。
3. Grb2 招募 SOS（Son of Sevenless），使 Ras 釋放 GDP 並結合 GTP。
4. Ras-GTP 活化下游的 Raf（MAPKKK）。
5. Raf 磷酸化 MEK（MAPKK），MEK 再磷酸化 ERK（MAPK）。
6. ERK 進入細胞核，調控轉錄因子，促進細胞週期與增殖。

Ras 的活化與失活可表示為：

$$\text{Ras-GDP} \xrightarrow{\text{SOS／GEF}} \text{Ras-GTP}$$ $$\text{Ras-GTP} \xrightarrow{\text{Ras intrinsic GTPase + GAP}} \text{Ras-GDP}$$

正常情況下，Ras-GTP 只短暫存在；若 Ras 發生突變而降低 GTP 水解能力，便會持續維持活化狀態，長期刺激細胞增殖，增加癌症發生機率。

解題方法

判斷本題的關鍵在於區分：

• 原癌基因（proto-oncogene）：正常時促進細胞生長與分裂；若發生「功能獲得型突變」（gain-of-function mutation），可轉變為癌基因。
• 腫瘤抑制基因（tumor suppressor gene）：抑制細胞增殖、促進 DNA 修復或誘導細胞凋亡；若失去功能，可能導致癌症。

Ras 的正常功能是傳遞生長訊號，因此它屬於 原癌基因相關蛋白，而不是腫瘤抑制蛋白或 DNA 修復蛋白。Ras 基因突變後，常因 GTPase 活性降低而持續處於 Ras-GTP 狀態，形成具致癌性的 Ras。

因此正確敘述為 (B)。

選項分析

(A) It is a tumor suppressor gene that helps prevent the development of cancer.

錯誤。Ras 並非腫瘤抑制基因，而是原癌基因（proto-oncogene）。

腫瘤抑制基因的代表包括：

• TP53：感測 DNA 損傷，促進細胞週期停滯、DNA 修復或細胞凋亡。
• RB1：抑制由 G1 期進入 S 期。
• BRCA1／BRCA2：參與 DNA 雙股斷裂修復。

Ras 的主要功能是傳遞促進生長的訊號；當 Ras 發生活化型突變時，反而會促進癌症形成。

(B) It is a proto-oncogene that can become mutated and promote cancer development.

正確。RAS 基因正常時屬於原癌基因，所編碼的 Ras 蛋白參與生長因子訊息傳遞。

常見致癌突變位於：

核心觀念

本題考查粒線體 $\ce{F1F0}$-ATP synthase（$\ce{F1F0}$ ATPase）的構造、功能與氧化磷酸化機轉。

粒線體內膜上的電子傳遞鏈（electron transport chain, ETC）將電子由 $\ce{NADH}$ 或 $\ce{FADH2}$ 傳遞至 $\ce{O2}$，並利用釋放的能量將 $\ce{H+}$ 由基質（matrix）泵至膜間腔（intermembrane space），形成質子電化學梯度，也就是質子驅動力（proton motive force, PMF）。

$\ce{H+}$ 順著電化學梯度經由 $\ce{F0}$ 部分回流至基質，促使轉子旋轉，帶動 $\ce{F1}$ 部分的構形變化，催化下列反應：

$$\ce{ADP + Pi -> ATP}$$

其中，$\ce{F1}$ 是催化 ATP 合成的部分，$\ce{F0}$ 則是質子通道與旋轉馬達。

解題方法

判斷本題可分成三步：

1. 確認 $\ce{F1}$ 與 $\ce{F0}$ 的功能分工。
2. 確認電子傳遞鏈所形成的能量形式。
3. 確認粒線體內膜與外膜的位置。

核心對應如下：

結構或機制	主要功能
$\ce{F1}$	催化 $\ce{ADP + Pi -> ATP}$
$\ce{F0}$	提供 $\ce{H+}$ 通道並驅動旋轉
電子傳遞鏈	建立質子驅動力
粒線體內膜	電子傳遞鏈與 ATP synthase 所在位置

因此，只有正確描述 $\ce{F1}$ 催化 ATP 合成者可選。

選項分析

(A) The $\ce{F1}$ subunit is responsible for catalyzing ATP synthesis using ADP as the precursor.

正確。

$\ce{F1}$ 部分具有催化活性，尤其是 $\beta$ 亞基（$\beta$ subunit）含有 ATP 合成的催化位點。其反應物為 $\ce{ADP}$ 與無機磷酸（$\ce{Pi}$），生成 ATP：

$$\ce{ADP + Pi -> ATP}$$

嚴格而言，ATP 並非只由 ADP 單獨形成，而是由 $\ce{ADP}$ 和 $\ce{Pi}$ 共同參與反應；但選項以「ADP 作為前驅物」描述 $\ce{F1}$ 催化 ATP 合成的功能，概念正確。

(B) ATP synthesis is driven by the electron motive force generated by the electron transport chain.

錯誤。

核心觀念

本題考查細胞訊息傳遞中的「第一訊息傳遞者（first messenger）」與「第二訊息傳遞者（second messenger）」之區別。

• 第一訊息傳遞者：位於細胞外，通常是荷爾蒙或神經傳導物質，與細胞膜受體結合。
• 第二訊息傳遞者：由細胞內訊息傳遞路徑產生，負責將細胞膜受體收到的訊號放大並傳遞至細胞內，例如：
• cyclic AMP（cAMP）
• inositol 1,4,5-trisphosphate（IP₃，三磷酸肌醇）
• diacylglycerol（DAG，二醯甘油）
• $\ce{Ca^{2+}}$

本題選項中，只有 inositol triphosphate 所指的 IP₃ 是典型的第二訊息傳遞者。

解題方法

先判斷各選項是「細胞外與受體結合的訊號分子」，還是「細胞內產生的訊號分子」。

IP₃ 的典型產生路徑如下：

$$\text{Ligand} \rightarrow \text{GPCR} \rightarrow \text{G}_{q} \rightarrow \text{phospholipase C-}\beta$$

活化的 phospholipase C-$\beta$（PLC-$\beta$）會將細胞膜上的 phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate（$\ce{PIP2}$）水解為：

$$\ce{PIP2 ->[PLC-\beta] DAG + IP3}$$

其中：

1. DAG 留在細胞膜上，活化 protein kinase C（PKC）。
2. IP₃ 擴散至細胞質，與內質網上的 IP₃ receptor 結合，促使內質網釋放 $\ce{Ca^{2+}}$。
3. $\ce{Ca^{2+}}$ 再與 calmodulin 等蛋白質作用，啟動下游反應。

因此，IP₃ 是在細胞內由 $\ce{PIP2}$ 分解產生的訊號分子，符合第二訊息傳遞者的定義。

選項分析

(A) Epinephrine

Epinephrine（腎上腺素）是由腎上腺髓質分泌的荷爾蒙，位於細胞外，與 adrenergic receptor（腎上腺素能受體）結合，因此屬於 第一訊息傳遞者，不是第二訊息傳遞者。

例如，腎上腺素與 $\beta$-adrenergic receptor 結合後，可透過：

核心觀念

本題考的是 nuclear receptor（核受體） 的定位與訊息傳遞功能。

核受體是一類位於細胞內的 ligand-activated transcription factor（配體活化型轉錄因子），主要接受脂溶性訊號分子，例如：

• Steroid hormones（類固醇激素）：cortisol、aldosterone、estrogen、testosterone
• Thyroid hormones（甲狀腺激素）
• Retinoic acid（視黃酸）
• Vitamin D 衍生物

此類分子可穿過細胞膜，進入細胞質或細胞核，與核受體結合。受體活化後會結合 DNA 上特定的 hormone response element, HRE（荷爾蒙反應元件），並藉由招募 coactivator（共活化因子）或 corepressor（共抑制因子）調節特定基因的轉錄。

基本機轉可表示為：

$$\text{脂溶性激素} \rightarrow \text{穿過細胞膜} \rightarrow \text{結合核受體}$$ $$\text{核受體–激素複合體} \rightarrow \text{結合 HRE} \rightarrow \text{調節基因轉錄}$$

因此，核受體的核心功能是將細胞外脂溶性訊號轉換成 基因表現的改變，作用通常較慢，但持續時間較長。

解題方法

判斷本題可抓住兩個關鍵字：

1. nuclear receptor：核受體屬於細胞內受體及轉錄因子。
2. steroid hormones：類固醇激素具有脂溶性，可穿膜並與細胞內受體結合。

選項中若同時出現「steroid hormones」「nucleus」「transcription of specific genes」，即符合核受體的典型功能。

選項分析

(A) To bind to steroid hormones in the nucleus and promote the transcription of specific genes

正確。核受體可在細胞核內與類固醇激素結合，形成活化的受體複合體，接著辨認 DNA 上的 HRE，調節特定基因的轉錄。

嚴格而言，部分核受體在未結合配體時位於細胞質，與激素結合後才移入細胞核；另有部分核受體原本即位於細胞核。因此選項將其概括為在細胞核中結合類固醇激素，符合本題考試層次下的標準描述。

「promote」代表促進轉錄，是最典型的作用。不過核受體也能在某些情況下抑制轉錄，因此完整表述應是「調節特定基因的轉錄」。

(B) To bind to specific neurotransmitters and initiate a signaling cascade

錯誤。神經傳導物質通常作用於細胞膜上的 neurotransmitter receptor（神經傳導物質受體），例如：

核心觀念

本題考查「醣苷鍵（glycosidic bond）」的定義，以及如何區分醣苷鍵、磷酸酯鍵與單醣本身的環化結構。

醣類在環化後，原本直鏈型的羰基碳會成為異頭碳（anomeric carbon）：

• Aldose（醛糖）：異頭碳通常是 $\ce{C1}$
• Ketose（酮糖）：異頭碳通常是 $\ce{C2}$

當異頭碳上的半縮醛或半縮酮羥基 $\ce{-OH}$ 被另一個基團取代，形成：

$$\text{異頭碳}-\ce{O}-\text{R}$$

即為 O-glycosidic bond（氧型醣苷鍵）。若連接的是氮或硫，也可形成 N-glycosidic bond 或 S-glycosidic bond。

判斷重點是：

是否有「異頭碳」參與與另一個基團的鍵結。

單純的單醣、磷酸化單醣，以及胺基取代單醣，若異頭碳仍保有 $\ce{-OH}$，就不代表已形成醣苷鍵。

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解題方法

逐一檢查每個選項是否具備下列條件：

1. 找出該分子的異頭碳。
2. 判斷異頭碳上的 $\ce{-OH}$ 是否被取代。
3. 若異頭碳與 $\ce{-OR}$、$\ce{-NR}$ 或 $\ce{-SR}$ 形成鍵，則含有醣苷鍵。
4. 若只是一般羥基被磷酸化，則形成的是磷酸酯鍵，不是醣苷鍵。

其中，名稱中的：

• -oside 通常表示異頭碳已形成醣苷，且不再是自由半縮醛。
• -phosphate 或 bisphosphate 表示形成磷酸酯鍵，不能直接判定為醣苷鍵。

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選項分析

(A) $\beta$-D-galactosamine

Galactosamine（半乳糖胺）是 galactose（半乳糖）的胺基糖衍生物，通常是 $\ce{C2}$ 的羥基被胺基取代：

$$\ce{-OH -> -NH2}$$

這個取代發生在 $\ce{C2}$，而不是異頭碳 $\ce{C1}$。

異頭碳仍保有半縮醛羥基，並未與另一個基團形成 $\ce{C-O-R}$、$\ce{C-N-R}$ 或 $\ce{C-S-R}$ 型連結。因此它本身不含醣苷鍵。

錯誤。

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(B) methyl-$\beta$-D-glucoside

Methyl-$\beta$-D-glucoside（甲基-$\beta$-D-葡萄糖苷）是由 $\beta$-D-glucose 的異頭碳與 methanol（甲醇）反應形成：

$$\text{D-glucose anomeric } \ce{-OH} + \ce{CH3OH} \longrightarrow \text{methyl glucoside} + \ce{H2O}$$

葡萄糖的異頭碳為 $\ce{C1}$。其 $\ce{C1-OH}$ 被 $\ce{-OCH3}$ 取代，形成：

$$\ce{C1-O-CH3}$$

此時異頭碳同時連接兩個氧原子，屬於 acetal（縮醛） 結構；對醛糖而言，這就是醣苷結構。

名稱中的 glucoside 也直接表示葡萄糖已形成醣苷。$\beta$ 則表示異頭碳的構型，並不影響其屬於醣苷鍵。

正確。

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(C) 2-deoxy-$\alpha$-D-ribose

核心觀念

本題考查紅血球專屬的糖解分流途徑——Rapoport-Luebering 循環（Rapoport-Luebering shunt / glycolytic bypass）及其產物 2,3-雙磷酸甘油酸（2,3-bisphosphoglycerate, $\ce{2,3-BPG}$）的合成、降解代謝機轉與生理功能。

1. 合成與降解途徑：
   在成熟紅血球中，糖解作用的中間產物 1,3-雙磷酸甘油酸（$\ce{1,3-BPG}$）可被雙磷酸甘油酸變位酶（bisphosphoglycerate mutase, BPGM）催化分子內磷酸基轉移，生成 $\ce{2,3-BPG}$。接著，同一雙功能酵素所具備的2,3-雙磷酸甘油酸磷酸水解酶（2,3-bisphosphoglycerate phosphatase）活性，會催化水解反應，將 $\ce{2,3-BPG}$ 水解去磷酸化生成 3-磷酸甘油酸（$\ce{3-phosphoglycerate, 3-PG}$）並釋放無機磷酸（$\ce{P_i}$）。此步驟由**磷酸酶（phosphatase）**而非激酶（kinase）催化。
2. 酵素分類（EC Classification）：
   變位酶（mutase）催化分子內官能基（如磷酸基）的轉移，在國際酵素學分類上屬於異構酶類（Isomerases, EC 5）。
3. 血紅素異位調節：
   $\ce{2,3-BPG}$ 為血紅素（hemoglobin, Hb）的負向異位調節物（negative allosteric effector），能結合並穩定去氧態 T-state（脫氧血紅素），降低血紅素對氧的親和力，促使氧氣釋放（unloading）至周邊周邊組織。

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解題方法

本題要求選出關於 $\ce{2,3-BPG}$ 敘述「錯誤（EXCEPT）」的選項。
解題切入點在於區分「激酶（kinase）」與「磷酸酶（phosphatase）」的反應本質：

• 激酶（Kinase）：催化高能磷酸基（通常來自 $\ce{ATP}$ 或轉移給 $\ce{ADP}$）的轉移反應。
• 磷酸酶（Phosphatase）：利用水分子直接水解切除磷酸酯鍵，釋出無機磷酸（$\ce{P_i}$）。

在 Rapoport-Luebering 循環中，$\ce{2,3-BPG}$ 轉變為 $\ce{3-PG}$ 是不可逆的水解去磷酸化反應：

$$\ce{2,3-Bisphosphoglycerate + H2O -> 3-Phosphoglycerate + P_i}$$

核心觀念

本題考查糖解作用（glycolysis）中，哪一個酵素會形成「混合酸酐」（mixed anhydride）。

混合酸酐是指兩種不同酸所形成的酸酐。在糖解作用中，最重要的是羧酸與磷酸形成的混合酸酐，亦稱為「醯基磷酸」（acyl phosphate）：

$$\ce{R-CO-O-PO3^{2-}}$$

糖解作用中具有此高能鍵的關鍵中間物是 1,3-bisphosphoglycerate（1,3-二磷酸甘油酸，1,3-BPG）。其第 1 碳上的羧基與磷酸形成醯基磷酸混合酸酐。

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解題方法

先定位糖解作用中各選項所催化的反應，再判斷哪一步會產生 1,3-BPG。

糖解作用相關步驟如下：

$$\text{Glyceraldehyde-3-phosphate} \overset{\text{GAPDH}}{\longrightarrow} \text{1,3-bisphosphoglycerate}$$

完整反應為：

$$\ce{Glyceraldehyde-3-phosphate + Pi + NAD+ -> 1,3-bisphosphoglycerate + NADH + H+}$$

其中：

• glyceraldehyde-3-phosphate（甘油醛-3-磷酸，G3P）先被氧化。
• 無機磷酸 $\ce{Pi}$ 被加入反應。
• 產物 1,3-BPG 含有高能量的醯基磷酸混合酸酐鍵。
• 此反應由 **glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase（GAPDH，甘油醛-3-磷酸去氫酶）**催化。

其機轉可概括為：

1. GAPDH 活性中心的 cysteine（半胱胺酸）與 G3P 的醛基形成共價中間物。
2. G3P 被氧化，並將電子轉移給 $\ce{NAD+}$，生成 $\ce{NADH}$。
3. 形成高能量的酵素—硫酯（thioester）中間物。
4. 無機磷酸攻擊硫酯中間物，生成 1,3-BPG。
5. 1,3-BPG 的第 1 碳形成羧酸—磷酸混合酸酐。

因此，產生混合酸酐的酵素是 GAPDH。

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選項分析

(A) Enolase

Enolase（烯醇化酶）催化糖解作用第 9 步：

$$\ce{2-Phosphoglycerate -> Phosphoenolpyruvate + H2O}$$

此反應是脫水反應，移除一分子水，將 2-phosphoglycerate 轉變為 phosphoenolpyruvate（PEP）。

PEP 含有高能量的烯醇磷酸鍵，但不是羧酸與磷酸形成的混合酸酐。因此錯誤。

(B) Phosphofructokinase

Phosphofructokinase（磷酸果糖激酶，PFK-1）催化糖解作用第 3 步：

$$\ce{Fructose-6-phosphate + ATP -> Fructose-1,6-bisphosphate + ADP}$$

核心觀念

本題測驗粒線體內丙酮酸去氫酶複合體（Pyruvate Dehydrogenase Complex, 簡稱 PDH complex）催化「丙酮酸氧化去羧作用」（pyruvate oxidative decarboxylation）之五步驟催化機轉，以及其所依賴的 5 種輔酶（coenzymes）與 3 種酵素次單元（$E_1$、$E_2$、$E_3$）的參與先後次序。

丙酮酸去氫酶複合體的淨反應式為：
$\ce{Pyruvate + CoA-SH + NAD+ -> Acetyl-CoA + CO2 + NADH + H+}$

此巨型複合體由三種酵素組成，共依賴五種輔酶依序接力傳遞受質與電子：

1. $E_1$：丙酮酸去氫酶（Pyruvate dehydrogenase）

• 結合輔基：TPP（Thiamine pyrophosphate，維生素 $\ce{B1}$ 衍生物）。

2. $E_2$：二氫硫辛酸乙醯轉移酶（Dihydrolipoyl transacetylase）

• 共價結合輔基：Lipoate / Lipoamide（硫辛酸／硫辛醯胺）。
• 短暫結合之受質輔酶：$\ce{CoA-SH}$（Coenzyme A，含泛酸/維生素 $\ce{B5}$）。

3. $E_3$：二氫硫辛酸去氫酶（Dihydrolipoyl dehydrogenase）

• 結合輔基：[FAD]（Flavin adenine dinucleotide，維生素 $\ce{B2}$ 衍生物）。
• 最終電子受體輔酶：$\ce{NAD+}$（Nicotinamide adenine dinucleotide，維生素 $\ce{B3}$ 衍生物）。

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解題方法

根據 Lehninger 生物化學所述之標準五步驟催化機轉，追蹤各輔酶參與的先後順序：

1. 第一步（$E_1$ 催化，參與輔酶：TPP）
   丙酮酸（pyruvate）之 C-2 受到 TPP 的碳陰離子親核攻擊，發生去羧反應釋出 $\ce{CO2}$，生成羥乙基-TPP（hydroxyethyl-TPP）。
   $\rightarrow$ 第一個參與：C. TPP

2. 第二步（$E_1$ 與 $E_2$ 共同參與，參與輔酶：Lipoate / lipoamide）
   $E_1$ 催化羥乙基氧化成乙醯基，並轉移至 $E_2$ 上的氧化態硫辛醯胺（oxidized lipoamide）之雙硫鍵上，雙硫鍵被還原形成高能硫酯鍵：乙醯硫辛醯胺（acetyllipoamide）。
   $\rightarrow$ 第二個參與：D. Lipoate (lipoamide)

3. 第三步（$E_2$ 催化，參與輔酶：$\ce{CoA-SH}$）
   $E_2$ 將乙醯基從乙醯硫辛醯胺轉移給輔酶 A（$\ce{CoA-SH}$），釋出產物乙醯輔酶 A（Acetyl-$\ce{CoA}$），此時硫辛醯胺轉變為完全還原態的二氫硫辛醯胺（dihydrolipoamide, 具兩個 $\ce{-SH}$ 基）。
   $\rightarrow$ 第三個參與：B. $\ce{CoA-SH}$

4. 第四步（$E_3$ 催化，參與輔酶：[FAD]）
   $E_3$ 利用其緊密結合的輔基 [FAD]，將還原態的二氫硫辛醯胺重新氧化為具雙硫鍵的硫辛醯胺（再生 $E_2$ 活性），同時兩顆電子與兩個質子轉移至 FAD，形成 $\ce{FADH2}$。