國立中山大學 115 年 《普通生物及生化概論》

核心觀念

本題考查三種主要細胞連結（cell junctions）的構造與功能：

細胞連結	主要功能	主要構造
Tight junctions（緊密連結）	封閉細胞間隙，維持上皮屏障與細胞極性	Claudin、occludin 等膜蛋白
Desmosomes（橋粒）	提供強力的細胞間黏著，抵抗機械拉力	Cadherin、plakoglobin，連接 intermediate filaments
Gap junctions（間隙連結）	提供細胞間直接通道，進行電性與化學訊息傳遞	Connexin 組成 connexon

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解題方法

逐一判斷三個敘述：

1. 看 tight junctions 的分布是否正確。
2. 判斷 desmosomes 的功能究竟是「黏著」還是「形成通道」。
3. 判斷 gap junctions 是否參與細胞間通訊，以及是否存在於心肌。

只要判定各敘述為：

• (1) 正確
• (2) 錯誤
• (3) 正確

即可選出包含 (1)、(3) 的選項，即 (D)。

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選項分析

(1) Tight junctions are found in both intestinal epithelial cells and vascular endothelial cells of the blood-brain barrier.

正確。

腸道上皮細胞之間具有 tight junctions，可封閉細胞間隙，限制腸腔內物質直接從細胞間隙通過，維持腸道屏障。

血腦障壁（blood-brain barrier, BBB）的核心結構是腦部微血管內皮細胞。這些 endothelial cells 之間具有高度發達的 tight junctions，可降低細胞間隙通透性，限制離子、毒性物質與多數親水性分子進入腦組織。

因此，(1) 正確。

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(2) Desmosomes provide cytoplasmic channels and can be found in muscle fibers.

錯誤。

錯誤的關鍵在於「provide cytoplasmic channels」。

Desmosomes 的主要功能是細胞間機械性黏著，不是形成細胞質通道。其細胞膜上的 cadherin 類黏著蛋白與鄰近細胞連接，細胞內側則透過斑蛋白複合體連接 intermediate filaments，使組織能承受拉扯與剪力。

核心觀念

本題考查「溶小體儲積症（lysosomal storage disease）」的細胞器定位。

Tay-Sachs disease（泰－薩氏症）是常染色體隱性遺傳疾病，主要原因是溶小體酵素 β-hexosaminidase A（β-己糖胺苷酶 A）缺乏或活性不足。此酵素由 $\alpha$ 與 $\beta$ 次單元組成，其中常見致病基因為 HEXA 基因突變，導致 $\alpha$ 次單元異常。

β-hexosaminidase A 正常位於溶小體中，負責分解神經細胞膜上的複合醣脂，尤其是 GM2 ganglioside（GM2 神經節苷脂）。其關鍵反應可表示為：

$$\text{GM2 ganglioside} \xrightarrow[\text{GM2 activator protein}]{\beta\text{-hexosaminidase A}} \text{GM3 ganglioside}+\text{GalNAc}$$

其中 GalNAc 為 $N$-acetylgalactosamine（$N$-乙醯半乳糖胺）。

當 β-hexosaminidase A 缺乏時，GM2 無法在溶小體內正常分解，逐漸堆積於細胞內，特別是神經元，造成神經退化、肌張力異常、驚嚇反應增強及失明等症狀。

因此，本題的關鍵是：複合脂質無法被分解，造成細胞內堆積，代表溶小體分解功能異常。

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解題方法

遇到「細胞內堆積大量複合物」且涉及遺傳性代謝疾病時，應先判斷：

1. 堆積物是否為大分子或複合分子？
2. 問題是在合成、修飾、運輸，還是在分解？
3. 細胞中負責胞內大分子分解的細胞器為何？

溶小體內含多種酸性水解酵素，可分解：

• 蛋白質
• 核酸
• 多醣
• 脂質與醣脂

Tay-Sachs disease 的病理核心是 GM2 ganglioside 無法被溶小體酵素分解，因此涉及的細胞器是 lysosome（溶小體）。

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選項分析

(A) the endoplasmic reticulum（內質網）—錯誤

內質網主要負責：

• 粗糙內質網上的蛋白質合成與初步摺疊
• 脂質及膜成分的合成
• 部分蛋白質的運輸與品質管制

複合醣脂的合成起始階段可與內質網相關，但 Tay-Sachs disease 的問題不是 GM2 的合成過度，而是 GM2 在分解階段無法被清除。負責此分解步驟的是溶小體，而非內質網。

(B) the Golgi apparatus（高基氏體）—錯誤

高基氏體主要負責：

核心觀念

本題考查 組蛋白修飾（histone modification）與表觀遺傳調控（epigenetic regulation）。

真核細胞的 DNA 會纏繞在組蛋白八聚體上，形成核小體（nucleosome）。組蛋白的 N 端尾部含有許多可被修飾的胺基酸，例如 lysine（賴胺酸，K）、arginine（精胺酸，R）及 serine（絲胺酸，S）。常見修飾包括：

• 乙醯化（acetylation）：通常與染色質鬆開及基因活化有關。
• 甲基化（methylation）：作用取決於被修飾的胺基酸位置及甲基數目，可促進基因活化，也可造成基因抑制。
• 磷酸化（phosphorylation）：常參與染色質調控、DNA 損傷反應及細胞週期。
• 泛素化（ubiquitination）：可影響轉錄及 DNA 修復等過程。

組蛋白修飾通常不改變 DNA 的核苷酸序列，卻能改變染色質結構及轉錄因子接近 DNA 的程度，因此屬於表觀遺傳調控。

解題方法

本題問的是 NOT correct，因此須找出敘述過度絕對、與組蛋白修飾的基本機制不符者。

判斷重點如下：

1. 組蛋白修飾是否改變 DNA 的實際序列？
2. 該修飾對染色質及轉錄的作用是否固定？
3. 敘述中是否出現「always（總是）」「immediate（立即）」等過度絕對的字眼？

組蛋白甲基化的作用具有高度情境依賴性，不能一概視為基因活化。因此含有「always leads to activation」的選項 B 為錯誤敘述。

選項分析

(A) 正確

Histone modifications change gene expression patterns without altering the actual nucleotide sequence of the DNA.

組蛋白修飾可改變基因表現模式，但不會直接改變 DNA 的核苷酸排列。

例如，組蛋白尾部的乙醯化可使染色質較鬆散，增加 RNA polymerase II 及一般轉錄因子接近啟動子區域的機會；組蛋白去乙醯化則常使染色質變得較緊密，降低轉錄活性。

因此，組蛋白修飾改變的是：

• 染色質的緊密程度
• 轉錄因子的可接近性
• 基因的開啟或關閉狀態

而非 DNA 本身的鹼基序列。這正是「表觀遺傳」的核心概念，故 A 正確。

(B) 錯誤，為本題答案

The addition of methyl groups to histone tails always leads to the immediate activation of the nearby gene by opening the chromatin structure.

此敘述錯在 always（總是）、immediate（立即） 及將所有組蛋白甲基化都解釋為基因活化。

組蛋白甲基化的作用取決於：

• 被修飾的組蛋白位置
• 被修飾的胺基酸種類
• 甲基化程度：mono-, di-, tri-methylation
• 參與辨識的 reader proteins（讀取蛋白）
• 細胞類型及基因所在的染色質環境

典型例子如下：

• H3K4me3：H3 組蛋白第 4 位 lysine 的三甲基化，常見於活化基因的啟動子，通常與轉錄活性增加有關。
• H3K9me3：H3 組蛋白第 9 位 lysine 的三甲基化，常與異染色質（heterochromatin）及基因抑制有關。
• H3K27me3：H3 組蛋白第 27 位 lysine 的三甲基化，常由 Polycomb 複合體相關機制建立，通常與基因沉默有關。

組蛋白甲基化本身通常不會因為「加入甲基」就直接中和正電荷並打開染色質。甲基化主要是形成特定的辨識標記，讓具有相應結構的蛋白質結合，進而招募活化型或抑制型複合體。

因此，組蛋白甲基化可能活化基因，也可能抑制基因，並非一定會使鄰近基因立即活化。故 B 錯誤。

(C) 正確

核心觀念

本題考查雙醣（disaccharide）的形成，以及醣類形成糖苷鍵（glycosidic bond）時所發生的脫水縮合反應（dehydration synthesis）。

兩個單醣結合形成雙醣時：

• 兩個單醣先提供總分子量
• 形成糖苷鍵時脫去一分子水 $\ce{H2O}$
• 因此雙醣分子量為「兩個單醣分子量總和減去水的分子量」

Gentiobiose（龍膽二糖）是由兩個葡萄糖（glucose）以糖苷鍵連接形成的雙醣。

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解題方法

每個單醣的分子量為 $180$，兩個單醣的總分子量為：

$$180+180=360$$

形成雙醣時脫去一分子水：

$$\ce{H2O}=2(1)+16=18$$

因此 gentiobiose 的分子量為：

$$360-18=342$$

也可用分子式理解。葡萄糖的分子式為 $\ce{C6H12O6}$，兩個葡萄糖相加後再脫去一分子水：

$$2\ce{C6H12O6}-\ce{H2O} =\ce{C12H22O11}$$

其分子量為：

$$12(12)+22(1)+11(16) =144+22+176 =342$$

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選項分析

(A) 144

$144$ 是 $12$ 個碳原子的總質量：

核心觀念

本題考查循環系統中各類血管的功能與構造特徵。題幹關鍵描述包括：

• 內部壓力通常較低
• 將血液帶回心臟
• 含有防止血液逆流的瓣膜
• 管壁較薄
• 平滑肌與彈性組織較少

這些特徵整體上均符合 veins（靜脈）。

血液由心室射出後，經動脈、微血管，再由靜脈回到心房。相較於動脈，靜脈承受的血壓較低，因此管壁較薄、平滑肌與彈性纖維較少。靜脈內的瓣膜可配合骨骼肌收縮與呼吸運動，協助血液克服重力回流心臟。

解題方法

本題適合採用「功能與構造配對」判斷：

1. 先抓最具辨識度的功能描述：carry blood toward the heart。
2. 將血液帶向心臟的是靜脈，而不是動脈。
3. 再以構造特徵驗證：靜脈低壓、管壁薄、平滑肌與彈性組織較少，且常具有瓣膜。
4. 因此答案為 Veins。

靜脈回流可用下列關係理解：

$$\text{Venous return} \rightarrow \text{right atrium}$$

靜脈本身的血壓不足以單獨有效推動血液回心，主要依賴：

• 骨骼肌幫浦（skeletal muscle pump）：骨骼肌收縮壓迫靜脈，瓣膜確保血液單向流向心臟。
• 呼吸幫浦（respiratory pump）：吸氣時胸腔壓力下降，促進腹部與下肢靜脈血液流向胸腔。
• 靜脈瓣膜（venous valves）：防止血液因重力向下回流。

選項分析

(A) Arteries（動脈）錯誤

動脈是將血液由心臟帶往周邊組織的血管，通常承受較高壓力。其管壁具有較厚的平滑肌層與較多彈性組織，可承受心室收縮所產生的壓力並維持血流。

動脈的典型特徵為：

• 血液離開心臟
• 壓力較高
• 管壁較厚
• 平滑肌與彈性組織較多
• 一般不具備如靜脈般的瓣膜

因此與題幹描述相反。

(B) Veins（靜脈）正確

靜脈將血液由周邊組織帶回心臟，通常處於低壓環境。為適應低壓血流，靜脈管壁比動脈薄，平滑肌與彈性組織較少，管腔通常較大。四肢靜脈常含有瓣膜，可防止血液逆流。

題幹的各項描述皆與靜脈相符，因此為正確答案。

(C) Capillaries（微血管）錯誤

核心觀念

本題考「光合作用（photosynthesis）的總體淨反應」，而不是只考光反應或暗反應其中一段。

光合作用可概括為：

$$6\ce{CO2}+6\ce{H2O}+\text{光能} \longrightarrow \ce{C6H12O6}+6\ce{O2}$$

因此，光合作用的淨產物是：

• 氧氣（$\ce{O2}$）
• 碳水化合物（carbohydrates）

故選 （E）Oxygen and carbohydrates。

解題方法

判斷「net effect」時，要將光合作用的兩大階段合併：

1. 光反應（light reactions）

• 發生於葉綠體的類囊體膜（thylakoid membrane）。
• 光系統 II（Photosystem II, PSII）吸收光能，使水分解：

$\ce{2H2O -> 4H+ + 4e- + O2}$

• 電子經由電子傳遞鏈傳遞至光系統 I（Photosystem I, PSI）。
• 形成 $\ce{ATP}$ 與 $\ce{NADPH}$。

2. Calvin cycle（卡爾文循環）

• 發生於葉綠體基質（stroma）。
• 酵素 Rubisco 將 $\ce{CO2}$ 固定至 ribulose-1,5-bisphosphate（RuBP）。
• 產生 3-phosphoglycerate（3-PGA），再利用光反應提供的 $\ce{ATP}$ 與 $\ce{NADPH}$ 還原成 glyceraldehyde-3-phosphate（G3P）。
• G3P 可合成葡萄糖、蔗糖與澱粉等碳水化合物。

合併兩階段後，$\ce{ATP}$ 與 $\ce{NADPH}$ 屬於中間產物，會在 Calvin cycle 中被消耗；真正的淨產物是氧氣與碳水化合物。

選項分析

（A）Carbon dioxide and carbohydrates

錯誤。$\ce{CO2}$ 是 Calvin cycle 的碳源與反應物。Rubisco 催化 $\ce{CO2}$ 與 RuBP 的羧化反應，使 $\ce{CO2}$ 被固定並轉變為有機碳，故 $\ce{CO2}$ 不是光合作用的淨產物。

核心觀念

本題考查肝細胞中各胞器的功能，以及藥物與毒物的解毒作用。

肝臟解毒主要依靠肝細胞內的藥物代謝酵素，尤其是位於平滑內質網（smooth endoplasmic reticulum, smooth ER）膜上的細胞色素 $P450$ 酵素系統（cytochrome $P450$ system）。因此，肝細胞的平滑內質網通常相當發達。

解毒作用常分為兩個階段：

1. 第一相反應（Phase I reaction）
   主要為氧化、還原或水解反應，其中最重要的是由 cytochrome $P450$ 催化的羥化與氧化反應。例如：

$\ce{RH + O2 + NADPH + H+ ->[cytochrome\ P450] ROH + H2O + NADP+}$

此反應可使脂溶性藥物或毒物增加極性，並提供後續接合反應所需的官能基。

2. 第二相反應（Phase II reaction）
   將藥物代謝物與葡萄糖醛酸、硫酸根、麩胱甘肽（glutathione）等分子接合，使其水溶性增加，最後經由尿液或膽汁排出。

本題問的是「主要參與解毒、因此在肝細胞中豐富的構造」，指向平滑內質網。

解題方法

判斷關鍵在於先辨認「解毒」的細胞功能，再配對負責的胞器：

• 肝臟需要大量代謝藥物與脂溶性毒物。
• 藥物代謝的重要酵素 cytochrome $P450$ 位於平滑內質網。
• 因此，具有強大解毒功能的肝細胞，其平滑內質網特別發達。

所以正確選項為 （B）smooth ER。

選項分析

（A）rough ER，粗糙內質網：錯誤

粗糙內質網表面附有核糖體，主要功能是合成：

• 分泌蛋白
• 膜蛋白
• 溶酶體蛋白
• 部分細胞器所需蛋白

例如抗體、分泌型酵素與膜受體的合成，都與粗糙內質網有關。雖然肝細胞也具有發達的粗糙內質網，以製造血漿蛋白與各種酵素，但「藥物與毒物的主要解毒作用」不是粗糙內質網的典型功能。

核心觀念

本題考查神經衝動在有髓鞘軸突中的傳導方式，即 saltatory conduction（跳躍式傳導）。

在有髓鞘神經元中，軸突外包覆著由 oligodendrocyte（少突膠細胞，位於中樞神經系統）或 Schwann cell（許旺細胞，位於周邊神經系統）形成的 myelin sheath（髓鞘）。髓鞘具有絕緣作用，可降低膜電容並提高膜電阻，使局部電流能快速通過髓鞘區域。

髓鞘之間未被包覆的間隙稱為 node of Ranvier（郎飛結）。電壓門控型 $\ce{Na+}$ channels（鈉離子通道）主要集中在郎飛結，因此 action potential（動作電位）主要在各個郎飛結處重新產生。

其傳導模式可概括為：

$$\text{Node of Ranvier}_1 \rightarrow \text{Node of Ranvier}_2 \rightarrow \text{Node of Ranvier}_3$$

因此，神經衝動在功能上像是由一個郎飛結「跳」到下一個郎飛結，稱為 saltatory conduction。

需要注意的是，動作電位並非真的在空間中消失後跳躍，而是：

1. 前一個郎飛結產生動作電位；
2. 局部電流快速通過髓鞘區域；
3. 使下一個郎飛結的膜電位達到 threshold（閾值）；
4. 下一個郎飛結再開啟電壓門控型 $\ce{Na+}$ channels，產生新的動作電位。

此機制能顯著提高傳導速度，並降低離子跨膜流動的範圍，使神經元不必在整段軸突膜上連續產生動作電位。

解題方法

判斷本題的關鍵是辨認 saltatory conduction 的定義：

動作電位在有髓鞘神經元的郎飛結之間呈現跳躍式傳導。

題幹選項中，只有選項 D 同時包含兩個必要條件：

• node of Ranvier
• myelinated neuron（有髓鞘神經元）

因此，正確答案為 D。

選項分析

(A) conduction of impulses across electrical synapses
「神經衝動通過 electrical synapses（電突觸）的傳導」

錯誤。電突觸是由 gap junctions（間隙連接） 直接連接相鄰細胞，離子電流可直接由一個細胞流入另一個細胞。這種傳遞稱為 electrical transmission（電性傳遞），並非 saltatory conduction。

Saltatory conduction 發生在單一神經元的有髓鞘軸突內，重點是郎飛結之間的傳導，不是突觸間的訊息傳遞。

(B) an action potential that skips the axon hillock in moving from the dendritic region to the axon terminal

核心觀念

本題考查真核細胞胞器的結構與功能，尤其是：

1. **內質網（endoplasmic reticulum, ER）**的膜性結構。
2. 蛋白質在內質網中的合成、折疊與品質管制。
3. **錯誤折疊蛋白（misfolded proteins）**累積所引發的內質網壓力（ER stress）與未折疊蛋白反應（unfolded protein response, UPR）。

內質網是由廣泛分布的膜性小管與囊狀構造組成的胞器，分為：

• 粗面內質網（rough ER, RER）：表面附著核糖體，負責分泌蛋白、膜蛋白及溶小體蛋白的合成與初步加工。
• 滑面內質網（smooth ER, SER）：參與脂質合成、解毒、鈣離子儲存等功能。

新生蛋白進入粗面內質網腔後，必須經過正確折疊、醣基化及二硫鍵形成等加工。若蛋白質無法正確折疊，便會被內質網品質管制系統辨識並處理。

解題方法

題幹提供兩個關鍵線索：

• 「由廣泛的膜性小管與囊狀結構組成」
• 「功能失常時，細胞內會累積錯誤折疊蛋白，並與神經退化疾病有關」

第一個線索直接對應內質網的典型形態。第二個線索則指向內質網的蛋白質折疊與品質管制功能。

當錯誤折疊蛋白在內質網腔內累積時，會造成 ER stress，並啟動 UPR。主要感受器包括：

• IRE1（inositol-requiring enzyme 1）
• PERK（protein kinase RNA-like ER kinase）
• ATF6（activating transcription factor 6）

其主要作用如下：

1. 暫時降低蛋白質進入內質網的量，減輕折疊負荷。
2. 增加分子伴護蛋白，例如 BiP/GRP78，協助蛋白質折疊。
3. 啟動 ER-associated degradation, ERAD，將錯誤折疊蛋白送出內質網，經泛素化後交由蛋白酶體分解。
4. 若壓力長期無法解除，會活化細胞凋亡途徑，例如 CHOP，造成細胞死亡。

神經細胞壽命長、蛋白質代謝負荷高，因此內質網壓力與蛋白質品質管制失常，和 Alzheimer’s disease（阿茲海默症）及 Parkinson’s disease（帕金森氏症）等神經退化疾病具有重要關聯。

選項分析

(A) ribosome（核糖體）錯誤

核糖體是由核糖體 RNA 與蛋白質組成的核糖核蛋白複合體，主要功能是依照 mRNA 序列進行蛋白質翻譯。

核糖體本身不是由膜性小管與囊狀結構組成，也不是負責細胞內錯誤折疊蛋白品質管制的主要膜性胞器。

核心觀念

本題考查典型細胞訊息傳遞（cell signaling pathway）的先後順序，核心流程為：

$$\text{訊號分子與受體結合} \rightarrow \text{蛋白激酶級聯反應} \rightarrow \text{轉錄因子活化並進入細胞核} \rightarrow \text{特定基因開始轉錄}$$

以生長因子（growth factor）作用於受體酪胺酸激酶（receptor tyrosine kinase, RTK）為例：

1. 生長因子與細胞膜上的 RTK 結合，使受體二聚化。
2. 受體彼此進行酪胺酸自體磷酸化（autophosphorylation）。
3. 接合蛋白 Grb2 招募 Sos，促使 Ras 由 Ras-GDP 轉換為 Ras-GTP。
4. Ras-GTP 啟動 Raf、MEK、ERK 所組成的 MAP kinase cascade。
5. ERK 磷酸化轉錄因子，使其活化；活化後的轉錄因子進入細胞核。
6. 轉錄因子結合目標基因的調控區域，啟動特定基因的轉錄。

因此，本題四個事件的正確順序為：

$$(2)\rightarrow(4)\rightarrow(1)\rightarrow(3)$$

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解題方法

判斷訊息傳遞順序時，依照「細胞外訊號 → 膜上受體 → 細胞內訊號級聯 → 核內轉錄調控」的方向排列：

• 事件（2）：生長因子先與受體結合，屬於訊號的起始。
• 事件（4）：受體活化後引發 kinase cascade，屬於細胞內訊號放大。
• 事件（1）：激酶級聯使轉錄因子活化，轉錄因子再移入細胞核。
• 事件（3）：轉錄因子在細胞核內作用，啟動特定基因轉錄。

所以正確順序是：

$$\boxed{(2)\rightarrow(4)\rightarrow(1)\rightarrow(3)}$$

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選項分析

（A）$(1)\rightarrow(2)\rightarrow(4)\rightarrow(3)$：錯誤

轉錄因子必須先被訊息傳遞路徑活化，才能移入細胞核。事件（1）不可能在生長因子與受體結合前發生，因此事件（1）與事件（2）的順序顛倒。

（B）$(2)\rightarrow(3)\rightarrow(1)\rightarrow(4)$：錯誤

核心觀念

本題考查 CRISPR-Cas9 基因編輯系統中各組成分子的功能分工。

Cas9 是具有核酸酶活性的蛋白質，能在特定基因位置造成 DNA 雙股斷裂（double-strand break, DSB）。其定位與辨識主要依靠：

1. guide RNA（gRNA，導引 RNA）：提供與目標 DNA 互補的序列，決定 Cas9 要切割的基因位置。
2. PAM（protospacer adjacent motif）：位於目標 DNA 序列旁的短 DNA 基序，是 Cas9 辨識與啟動 DNA 解鏈的重要必要條件。
3. tracrRNA（trans-activating CRISPR RNA）：與 crRNA 配對，形成穩定的 RNA 結構並與 Cas9 結合。

在實驗室常使用人工設計的 single-guide RNA（sgRNA），將 crRNA 與 tracrRNA 融合。題目以廣義的 guide RNA（gRNA）指稱負責引導 Cas9 尋找互補 DNA 序列的 RNA，因此答案為 C。

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解題方法

題幹的關鍵語句是：

“recognize and bind to a complementary DNA sequence”

能與目標 DNA 序列互補配對、決定 Cas9 靶向位置的分子，是 guide RNA（gRNA）。

CRISPR-Cas9 的基本作用流程如下：

$$\text{gRNA 與目標 DNA 互補配對} \rightarrow \text{Cas9 辨識附近 PAM} \rightarrow \text{DNA 解鏈} \rightarrow \text{Cas9 切割 DNA 雙股}$$

Cas9 通常在 PAM 上游的 protospacer 區域附近切割 DNA。Cas9 的兩個主要核酸酶結構域分別切割 DNA 的兩股，形成雙股斷裂，之後細胞可透過非同源性末端接合（NHEJ）或同源性導向修復（HDR）進行基因突變或精準編輯。

因此，題目問的是「負責辨識互補 DNA 序列並引導 Cas9」的分子，應選 gRNA。

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選項分析

(A) transfer RNA（tRNA，轉移 RNA）錯誤

tRNA 的主要功能是在蛋白質合成過程中攜帶特定胺基酸，並以反密碼子（anticodon）辨識 mRNA 上的密碼子（codon）。

其功能可表示為：

$$\text{tRNA-胺基酸} \rightarrow \text{依 mRNA 密碼子排列胺基酸}$$

tRNA 不負責引導 Cas9，也不是 CRISPR-Cas9 的靶向 RNA。

(B) DNA ligase（DNA 連接酶）錯誤

DNA ligase 的功能是催化 DNA 骨架中相鄰核苷酸之間磷酸二酯鍵的形成，修補 DNA 缺口或連接 DNA 片段。其作用屬於 DNA 修復與複製相關反應，不能辨識特定互補 DNA 序列，也不會引導 Cas9。

(C) guide RNA（gRNA，導引 RNA）正確

核心觀念

本題考查「腦部相關內分泌腺及其分泌的激素」。判斷重點是辨認各激素的主要分泌部位：

• 下視丘（hypothalamus）與腦下垂體（pituitary gland）位於腦部及其基底部，負責多種神經內分泌調控。
• 松果體（pineal gland）位於腦內，分泌褪黑激素。
• 甲狀腺（thyroid gland）位於頸部，不屬於腦部內分泌腺。

因此，找出由甲狀腺分泌的激素即可解題。

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解題方法

逐一確認各激素的分泌器官：

1. Vasopressin（加壓素、抗利尿激素，ADH）：由下視丘神經分泌細胞合成，再經軸突運送至腦下垂體後葉儲存與釋放。
2. Prolactin（泌乳素）：由腦下垂體前葉分泌。
3. Melatonin（褪黑激素）：由腦內的松果體分泌。
4. Oxytocin（催產素）：由下視丘合成，再由腦下垂體後葉釋放。
5. Calcitonin（降鈣素）：由甲狀腺濾泡旁細胞（parafollicular cells，C cells）分泌。

其中只有 calcitonin 的分泌腺體位於頸部的甲狀腺，因此不是腦部內分泌腺所分泌的激素。

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選項分析

(A) vasopressin：錯誤選項

Vasopressin 又稱 antidiuretic hormone（抗利尿激素，ADH），主要由下視丘的視上核（supraoptic nucleus）合成，經下視丘—腦下垂體軸突運送至腦下垂體後葉，最後由後葉釋放入血液。

其主要作用為：

• 增加腎臟集合管對水的通透性。
• 促進集合管上皮細胞插入 aquaporin-2（AQP2）。
• 增加水再吸收，降低尿量。
• 高濃度時可造成血管收縮。

因此，依考試對腦部神經內分泌系統的分類，vasopressin 屬於腦部相關內分泌系統產物。

(B) calcitonin：正確答案

Calcitonin（降鈣素）由甲狀腺的濾泡旁細胞，又稱 C cells，分泌。當血鈣濃度升高時，甲狀腺 C cells 釋放 calcitonin，使血鈣下降，主要機轉包括：

• 抑制破骨細胞（osteoclast）活性，降低骨質分解。
• 減少骨骼釋放鈣離子。
• 促進鈣沉積於骨骼。

甲狀腺位於頸部，並非位於人腦內，因此 calcitonin 不是由腦部內分泌腺分泌的激素。

(C) prolactin：錯誤選項

Prolactin（泌乳素，PRL）由腦下垂體前葉的 lactotrophs（泌乳細胞）分泌，主要促進乳腺發育與乳汁生成。

核心觀念

本題考查呼吸調節、血液酸鹼平衡與負回饋（negative feedback）維持恆定的機制。

細胞呼吸產生的二氧化碳會參與下列平衡反應：

$$\ce{CO2 + H2O <=> H2CO3 <=> H+ + HCO3^-}$$

當呼吸過快（hyperventilation）時，肺部排出過多的 $\ce{CO2}$，使血液中的 $\ce{CO2}$ 分壓下降。依據上述平衡反應，反應向左移動，$\ce{H+}$ 濃度下降，血液 pH 上升，形成呼吸性鹼中毒（respiratory alkalosis）的傾向。

呼吸中樞位於腦幹，其中延髓（medulla oblongata）具有重要的呼吸調節功能。延髓相關的化學感受機制可感知 $\ce{CO2}$ 及其造成的酸鹼變化，並透過運動神經調節肋間肌（intercostal muscles）與橫膈膜（diaphragm）的活動，使呼吸速率下降，減少 $\ce{CO2}$ 的過度排出，將血液 pH 拉回正常範圍。

這是一個典型的負回饋：

$$\text{呼吸過快} \rightarrow \text{血液 }\ce{CO2}\text{ 下降} \rightarrow \text{血液 pH 上升} \rightarrow \text{延髓感知} \rightarrow \text{降低呼吸肌刺激} \rightarrow \text{呼吸速率下降}$$

解題方法

本題可依序檢查三個關鍵點：

1. 呼吸過快會使血液 $\ce{CO2}$ 增加還是減少？
2. $\ce{CO2}$ 改變會使血液 pH 上升還是下降？
3. 誰是主要的呼吸調節中樞？

快速呼吸會增加肺泡通氣量，因此排出更多 $\ce{CO2}$，答案必須是「$\ce{CO2}$ 下降、pH 上升」。在中樞位置方面，延髓是呼吸節律與化學調節的重要中樞，因此正確選項應選擇 medulla oblongata。

選項分析

(A) 錯誤

前半段「快速呼吸降低血液 $\ce{CO2}$，使血液 pH 上升」正確；但偵測與調節呼吸的主要中樞不是 frontal cortex（額葉皮質）。

額葉皮質可進行有意識的呼吸控制，例如暫時憋氣或主動調整呼吸，但不是維持血液 $\ce{CO2}$ 與 pH 恆定的主要自動調節中樞。因此此選項的感受器／控制中樞錯誤。

(B) 錯誤

核心觀念

本題考查減數分裂（meiosis）中造成遺傳變異的機制，尤其是：

1. 獨立分配（independent assortment）：同源染色體在減數分裂第一次分裂時，於中期 I 的排列方向具有隨機性，使父源與母源染色體以不同組合分配至配子。
2. 互換（crossing over）：同源染色體配對後，非姊妹染色分體之間交換相同位置的 DNA 片段，形成新的基因組合。

互換必須先有同源染色體彼此配對，並形成聯會（synapsis）。這些事件發生於減數分裂第一次前期（prophase I）。

在 prophase I 中：

• Leptotene（細線期）：染色體開始凝縮。
• Zygotene（偶線期）：同源染色體開始聯會，形成聯會複合體（synaptonemal complex）。
• Pachytene（粗線期）：同源染色體完成聯會，非姊妹染色分體進行 crossing over。
• Diplotene（雙線期）：聯會複合體解體，互換位置形成可見的交叉（chiasmata，交叉）。
• Diakinesis（終變期）：染色體高度凝縮，為進入 metaphase I 做準備。

因此，互換的實際 DNA 交換主要發生在 pachytene，而 pachytene 屬於 prophase I。

解題方法

判斷此題的關鍵，是確認 crossing over 所需的條件：

1. 染色體必須已複製，具有姊妹染色分體。
2. 同源染色體必須彼此配對並聯會。
3. 非姊妹染色分體之間進行 DNA 片段交換。

只有減數分裂第一次前期會出現同源染色體的聯會與互換。減數分裂第二次分裂不再有同源染色體配對，因此不會進行典型的 crossing over。

選項分析

(A) prophase I：正確

減數分裂第一次前期是同源染色體配對、聯會及互換發生的階段。互換主要在 pachytene 發生，並於 diplotene 可觀察到交叉（chiasmata）。

互換完成後，同源染色體上的等位基因組合可能被重新排列，增加配子的遺傳多樣性。因此本選項正確。

(B) prophase II：錯誤

核心觀念

腎臟（kidneys）的主要功能是維持內環境恆定（homeostasis），其中最核心的工作包括：

1. 過濾血液：腎絲球（glomerulus）將血液中的水分與小分子物質過濾形成原尿。
2. 腎小管再吸收：回收葡萄糖、胺基酸、水分及部分離子。
3. 腎小管分泌：將氫離子、鉀離子、藥物代謝物等排入腎小管液。
4. 形成尿液並排出代謝廢物：例如尿素（urea）、尿酸（uric acid）及肌酸酐（creatinine）。
5. 調節體液與酸鹼平衡：控制水分、電解質及血液酸鹼值。
6. 內分泌功能：分泌 erythropoietin（促紅血球生成素）並參與維生素 D 活化。

腎臟形成尿液的基本流程為：

$$\text{腎絲球過濾} \rightarrow \text{腎小管再吸收} \rightarrow \text{腎小管分泌} \rightarrow \text{尿液排出}$$

本題問的是腎臟在人體中的「主要功能」，應選擇最能概括其核心生理工作的敘述。

解題方法

先辨認各選項所描述的生理系統，再判斷其是否為腎臟的主要功能：

• 涉及尿液、血液過濾、代謝廢物排出者，屬於泌尿系統與腎臟功能。
• 紅血球生成、消化、體溫調節及能量產生，分別主要由其他器官或細胞構造負責。

因此，最完整且直接描述腎臟核心功能的選項為 (A)。

選項分析

(A) Filtration of blood and excretion of waste products

正確。腎臟透過腎元（nephron）中的腎絲球進行血液過濾，將小分子與水分形成濾液；之後經由近曲小管、亨利氏環、遠曲小管及集合管進行再吸收與分泌，最後形成尿液，排出尿素、尿酸及肌酸酐等代謝廢物。

其中：

• 腎絲球負責初步過濾。
• 腎小管負責選擇性再吸收與分泌。
• 集合管參與尿液濃縮及水分調節。

這正是腎臟最具代表性的主要功能。

(B) Production of red blood cells

錯誤。成人紅血球主要在紅骨髓（red bone marrow）中生成，過程稱為 erythropoiesis（紅血球生成）。

腎臟確實會分泌 erythropoietin，當腎臟感受到缺氧時，會增加 erythropoietin 分泌，刺激紅骨髓製造紅血球。因此腎臟是紅血球生成的調節者，不是紅血球的主要製造場所。

核心觀念

本題考查競爭性抑制（competitive inhibition）對 Michaelis–Menten enzyme kinetics 的影響。

正常反應為：

$$E+S \rightleftharpoons ES \rightarrow E+P$$

其中：

• $E$：游離酵素（free enzyme）
• $S$：受質（substrate）
• $ES$：酵素－受質複合體
• $V_{\max}$：受質濃度足夠高時的最大反應速率
• $K_m$：反應速率達到 $V_{\max}/2$ 時的受質濃度，反映達到半最大速率所需的受質量

競爭性抑制劑會與受質競爭酵素的活性部位：

$$E+I \rightleftharpoons EI$$

其中 $I$ 為抑制劑。由於受質與抑制劑通常不能同時占據同一個活性部位，因此抑制劑會降低受質與酵素結合的機會。

---

解題方法

競爭性抑制的關鍵是：

1. 抑制劑與受質競爭同一活性部位。
2. 增加受質濃度可以克服抑制作用。
3. 當受質濃度極高時，酵素的活性部位幾乎都被受質占據，因此仍可達到原本的最大反應速率。
4. 但要達到原本的半最大速率，需要更高濃度的受質。

競爭性抑制下的速率方程式可寫為：

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

其中：

$$\alpha=1+\frac{[I]}{K_i}$$

因為 $\alpha>1$，表觀 $K_m$ 變為：

$$K_{m,\mathrm{app}}=\alpha K_m$$

所以：

$$K_m \text{ 增加}, \qquad V_{\max} \text{ 不變}$$

因此正確答案為 (D)。

---

為什麼 $V_{\max}$ 不變？

$V_{\max}$ 是在受質濃度極高、酵素幾乎完全形成 $ES$ 複合體時所測得的最大速率。

在競爭性抑制中，只要提高 $[S]$，受質便能大量競爭並占據酵素活性部位，使抑制劑的影響被克服。因此：

$$V_{\max,\mathrm{competitive}}=V_{\max,\mathrm{正常}}$$

競爭性抑制劑不會永久破壞酵素，也不會降低酵素本身的催化能力。

---

為什麼 $K_m$ 增加？

在沒有抑制劑時，反應速率達到 $V_{\max}/2$ 所需的受質濃度為 $K_m$。

加入競爭性抑制劑後，部分酵素被暫時結合成無法與受質反應的 $EI$ 複合體，因此受質與酵素結合的有效機會降低。必須提高 $[S]$，才能使反應速率達到 $V_{\max}/2$。

核心觀念

本題考查電子傳遞鏈（electron transport chain, ETC）的「最終電子受體」（final electron acceptor）。

在真核細胞粒線體內膜上，電子由還原型電子載體 $\ce{NADH}$ 或 $\ce{FADH2}$ 提供，依序經過多個電子傳遞成分，最後由氧分子 $\ce{O2}$ 接受電子並與質子結合形成水。此步驟發生於第四複合體（Complex IV，cytochrome c oxidase；細胞色素 $c$ 氧化酶）。

關鍵總反應為：

$$\ce{O2 + 4e^- + 4H+ -> 2H2O}$$

因此，$\ce{O2}$ 是有氧呼吸電子傳遞鏈的最終電子受體。

解題方法

判斷「final electron acceptor」時，應沿著電子傳遞方向尋找最後接收電子的分子：

$$\ce{NADH -> Complex I -> CoQ -> Complex III -> Cytochrome c -> Complex IV -> O2}$$ $$\ce{FADH2 -> Complex II -> CoQ -> Complex III -> Cytochrome c -> Complex IV -> O2}$$

其中：

• $\ce{NADH}$ 與 $\ce{FADH2}$ 是電子的起始供體。
• Coenzyme Q（輔酶 Q，ubiquinone）與 cytochrome c（細胞色素 $c$）負責在複合體之間傳遞電子。
• Complex IV 將電子交給 $\ce{O2}$。
• $\ce{O2}$ 被還原成 $\ce{H2O}$，因此是最後的電子受體。

電子傳遞過程釋放的能量會驅動 Complex I、III、IV 將 $\ce{H+}$ 泵入粒線體膜間腔，建立質子梯度，再由 ATP synthase（ATP 合成酶）利用此梯度合成 ATP。

選項分析

(A) Cytochrome C

錯誤。Cytochrome c（細胞色素 $c$）是位於粒線體內膜膜間腔側的可溶性電子傳遞蛋白，負責將電子由 Complex III 傳給 Complex IV：

$$\ce{Complex III -> Cytochrome c -> Complex IV}$$

它是電子傳遞中間體，不是整條電子傳遞鏈的最終電子受體。

(B) Coenzyme A

核心觀念

本題考查肌肉細胞中「肝醣分解（glycogenolysis）」的腎上腺素訊息傳遞路徑。

典型機轉如下：

$$\text{Epinephrine（腎上腺素）} \rightarrow \beta\text{-adrenergic receptor} \rightarrow G_s\text{ protein} \rightarrow \text{adenylate cyclase} \rightarrow \text{cAMP} \rightarrow \text{protein kinase A（PKA）}$$

接著：

$$\text{PKA} \rightarrow \text{phosphorylase kinase} \rightarrow \text{glycogen phosphorylase} \rightarrow \text{glycogen breakdown}$$

其中，$G_s$ 為異源三聚體 G 蛋白，包含 $\alpha_s$、$\beta$、$\gamma$ 三個次單元。腎上腺素與 $\beta$-adrenergic receptor 結合後，受體促使 $\alpha_s$ 次單元將 GDP 置換為 GTP，使 $G_s$ 被活化。

解題方法

題目問的是：

hormone binding 之後，肝醣分解所發生的第一個事件為何？

應依照訊息傳遞的先後順序判斷：

1. 荷爾蒙與細胞膜上的 $\beta$-adrenergic receptor 結合。
2. 受體活化 $G_s$ protein。
3. 活化的 $G_s$ 刺激 adenylate cyclase。
4. adenylate cyclase 將 ATP 轉換為 cAMP，使細胞質中的 cAMP 濃度上升。
5. cAMP 活化 PKA。
6. PKA 磷酸化 phosphorylase kinase。
7. phosphorylase kinase 活化 glycogen phosphorylase，開始切割肝醣。

因此，在所有選項中，最先發生的是 $G_s$ protein 被活化。

選項分析

(A) cytoplasmic cAMP levels rise

錯誤。$G_s$ 被活化後，才會刺激 adenylate cyclase。adenylate cyclase 活化後，才將 ATP 轉換成 cAMP，使細胞質中的 cAMP 濃度上升。因此 cAMP 上升不是第一事件。

反應為：

$$\ce{ATP ->[adenylate\ cyclase] cAMP + PP_i}$$

核心觀念

本題考查 E. coli DNA polymerase I（大腸桿菌 DNA 聚合酶 I，Pol I）的三種酵素活性：

1. $5' \to 3'$ DNA polymerase activity
   依照模板股合成新的 DNA，延伸方向固定為 $5' \to 3'$。

2. $3' \to 5'$ exonuclease activity
   具校對功能，可移除新生 DNA 股 $3'$ 端的錯誤核苷酸。

3. $5' \to 3'$ exonuclease activity
   可移除位於 DNA 缺口或切口前方的核苷酸，參與 nick translation（缺口平移）。

Pol I 不具有 $3' \to 5'$ DNA polymerase activity。DNA 聚合反應的化學方向不能倒轉為 $3' \to 5'$。

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解題方法

判斷此題的關鍵，是分辨：

• DNA polymerase（DNA 聚合酶）：負責合成 DNA。
• Exonuclease（外切核酸酶）：負責從 DNA 的末端移除核苷酸。

DNA 聚合酶利用新生 DNA 股末端的 $3'$-OH，攻擊進入的 $dNTP$ 之 $\alpha$-phosphate，形成新的磷酸二酯鍵：

$$\text{DNA}_{n}\text{-}3'\text{-OH} + dNTP \longrightarrow \text{DNA}_{n+1} + PP_i$$

因此，新核苷酸只能接到 DNA 的 $3'$ 端，新股的延伸方向必定是：

$$5' \to 3'$$

雖然模板股在複製時是 $3' \to 5'$ 方向被讀取，但這不代表 DNA 聚合酶具有 $3' \to 5'$ 合成能力。題目將「模板讀取方向」與「新股合成方向」混淆，正是主要陷阱。

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E. coli DNA polymerase I 的功能

Pol I 是由 polA 基因編碼的多功能酵素，具有：

• $5' \to 3'$ DNA polymerase
• $3' \to 5'$ exonuclease
• $5' \to 3'$ exonuclease

其中：

$5' \to 3'$ DNA polymerase activity

負責以單股 DNA 為模板，從既有 primer 的 $3'$-OH 開始合成 DNA。DNA 聚合酶無法從零開始合成 DNA，必須先有 primer。

$3' \to 5'$ exonuclease activity

負責校對新合成 DNA 的 $3'$ 端。若末端核苷酸錯配，Pol I 可將其移除，再繼續進行正確合成，因此此活性與 proofreading（校對）有關。

$5' \to 3'$ exonuclease activity

可移除位於聚合酶前方、DNA 缺口 $5'$ 端的核苷酸。Pol I 一邊移除前方核苷酸，一邊在後方補上新核苷酸，形成 nick translation。

此功能在 DNA 修補及移除 RNA primer 後的缺口填補中十分重要。

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選項分析

(A) $5' \to 3'$ DNA polymerase activity

正確敘述。

核心觀念

本題考查聚合酶連鎖反應（polymerase chain reaction, PCR）的基本反應組成與機轉。

PCR利用耐熱型DNA聚合酶，在體外反覆進行三個步驟，使特定DNA片段呈指數倍增：

1. 變性（denaturation）：雙股DNA分離成兩條單股模板。
2. 引子黏合（primer annealing）：短鏈DNA引子與模板上的互補序列配對。
3. 延伸（extension）：DNA polymerase以引子的3′-OH端為起點，加入dNTP合成新生DNA鏈。

典型PCR反應需要：

• DNA模板
• 一對引子（forward primer與reverse primer）
• 耐熱型DNA polymerase，例如Taq polymerase
• 四種去氧核苷三磷酸（dNTP）
• Mg²⁺、適當緩衝液及水

Reverse transcriptase（反轉錄酶）並非一般PCR的必要成分。

解題方法

判斷各選項是否為PCR核心反應所必需，可依序檢查：

1. 是否提供DNA合成的模板？
2. 是否提供DNA合成的起始位置？
3. 是否催化DNA鏈延伸？
4. 是否提供合成DNA所需的核苷酸原料？
5. 是否屬於RNA先轉換為DNA時才需要的特殊酵素？

PCR本身是「DNA擴增」反應，不包含RNA轉換成DNA的步驟。因此，負責反轉錄的Reverse transcriptase不屬於一般PCR必要成分，答案為（E）。

選項分析

（A）Double-stranded DNA template

正確，屬於典型PCR所需的模板。

PCR擴增的是DNA片段。雙股DNA經變性後，兩條單股DNA各自作為模板，供引子黏合及DNA polymerase延伸。經過多個循環後，目標片段數量大幅增加。

嚴格而言，某些PCR也可使用單股DNA作為模板；但本題所描述的是標準PCR的典型組成，因此將double-stranded DNA template視為必要模板。

（B）Primer

正確，PCR需要引子。

DNA polymerase不能從完全沒有末端的單股模板直接開始合成，必須先有一段具備3′-OH端的引子作為起點。標準PCR通常需要兩條引子：

• Forward primer
• Reverse primer

兩條引子分別界定待擴增DNA片段的兩端，也決定PCR產物的長度與專一性。

（C）DNA polymerase

正確，PCR需要DNA polymerase。

核心觀念

本題考查以紫外光吸光度定量蛋白質的原理。蛋白質溶液在約 $280\ \mathrm{nm}$ 的吸光度，主要來自具有芳香環的胺基酸殘基，尤其是：

• Tryptophan（色胺酸，Trp，W）：對 $280\ \mathrm{nm}$ 吸收最強
• Tyrosine（酪胺酸，Tyr，Y）：吸收次強
• Phenylalanine（苯丙胺酸，Phe，F）：吸收較弱

這些胺基酸含有共軛的芳香環，其 $\pi$ 電子可吸收紫外光，使蛋白質在 $280\ \mathrm{nm}$ 附近具有顯著吸光度。

蛋白質定量可依據 Beer–Lambert law：

$$A=\varepsilon c l$$

其中：

• $A$：吸光度
• $\varepsilon$：莫耳吸光係數
• $c$：蛋白質濃度
• $l$：光徑長度

蛋白質中芳香族胺基酸的 $\varepsilon$ 值較大，因此可藉由測量 $A_{280}$ 估算蛋白質濃度。

解題方法

題幹的關鍵字是：

detecting their absorbance at ~280 nm
large absorptivity of the ____ amino acids

約 $280\ \mathrm{nm}$ 是蛋白質芳香族胺基酸側鏈的特徵吸收區。判斷流程如下：

1. 找出吸收波長：題目指定約 $280\ \mathrm{nm}$。
2. 判斷主要發色團：芳香環中的共軛 $\pi$ 電子。
3. 對應胺基酸類別：aromatic amino acids（芳香族胺基酸）。
4. 選出 (B) aromatic。

需注意，蛋白質骨架中的 peptide bond（胜肽鍵）主要在約 $214\ \mathrm{nm}$ 附近吸收，因此不是 $280\ \mathrm{nm}$ 定量法的主要來源。

選項分析

(A) anionic

錯誤。

Anionic amino acids（陰離子性胺基酸）通常指在特定 pH 下帶負電的胺基酸，例如：

• Aspartate（天冬胺酸，Asp）
• Glutamate（麩胺酸，Glu）

其側鏈含有羧酸基，在生理 pH 下常以 $\ce{-COO^-}$ 形式存在，但「帶負電」本身不是造成 $280\ \mathrm{nm}$ 強吸收的結構特徵。Asp 和 Glu 並非蛋白質在 $280\ \mathrm{nm}$ 吸收的主要來源。

(B) aromatic

正確。

核心觀念

本題考查「表觀遺傳修飾（epigenetic modification）」的種類，以及修飾發生在 DNA 或組蛋白（histone）上的差異。

表觀遺傳是指不改變 DNA 鹼基序列，卻能穩定影響基因表現的調控機制。DNA 上最主要、最典型的表觀遺傳修飾是 DNA methylation（DNA 甲基化），通常發生在 CpG dinucleotide 的胞嘧啶（cytosine）上：

$$\text{Cytosine} \longrightarrow \text{5-methylcytosine}$$

反應由 DNA methyltransferase（DNA 甲基轉移酶，DNMT）催化，甲基供體為 S-adenosylmethionine（SAM）：

$$\text{SAM}+\text{Cytosine} \longrightarrow \text{S-adenosylhomocysteine}+\text{5-methylcytosine}$$

啟動子區域若有大量 CpG methylation，通常會抑制轉錄，機制包括：

• 阻礙 transcription factor（轉錄因子）結合 DNA。
• 招募 methyl-CpG-binding proteins。
• 進一步招募 histone deacetylase（HDAC）及其他染色質壓縮蛋白。
• 使染色質形成較緊密的 heterochromatin（異染色質）。

DNA 甲基化也可由 TET enzymes（Ten-eleven translocation enzymes）氧化 5-methylcytosine，形成 5-hydroxymethylcytosine 等中間物，參與主動去甲基化。

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解題方法

題幹問的是：

What is the major epigenetic modification on DNA?

關鍵字是 on DNA，表示要找「直接發生在 DNA 分子上的主要表觀遺傳修飾」。

判斷方式如下：

1. 先區分修飾標的：DNA 或蛋白質。
2. DNA 最經典的表觀遺傳修飾是 methylation。
3. Acetylation、phosphorylation、ubiquitination 多數是在組蛋白或其他蛋白質上進行。
4. 因此選擇 (A) Methylation。

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選項分析

(A) Methylation：正確

DNA methylation（DNA 甲基化）是 DNA 上最主要的表觀遺傳修飾。真核生物中最常見的形式是 CpG 位點胞嘧啶的 5-position 加上甲基，生成 5-methylcytosine。

催化酵素包括：

• DNMT1：主要負責維持既有的 DNA 甲基化模式。
• DNMT3A、DNMT3B：主要負責建立新的 DNA 甲基化模式。

DNA 甲基化通常與基因轉錄抑制、X chromosome inactivation（X 染色體不活化）、genomic imprinting（基因組銘印）及轉位子沉默有關。

(B) Phosphorylation：錯誤

核心觀念

本題考「單醣的羰基位置與分類」。

• 酮糖（ketose）：羰基為酮基，通常位於第 2 碳，結構常為
  $\ce{CH2OH-(C=O)-(CHOH)_{n}-CH2OH}$。
• 醛糖（aldose）：羰基為醛基，位於分子末端第 1 碳，結構起始為 $\ce{CHO}$。
• 己糖（hexose）：分子共有 6 個碳原子。

因此，**酮己糖（ketohexose）**必須同時具備：

1. 共有 6 個碳；
2. 羰基是酮基；
3. 羰基位於鏈內部，通常是第 2 碳；
4. 兩端通常各為 $\ce{CH2OH}$。

解題方法

先看最上方的官能基：

• 若最上方直接寫 $\ce{CHO}$，表示末端醛基，屬於醛糖。
• 若最上方為 $\ce{CH2OH}$，下一個碳出現 $\ce{C=O}$，表示羰基位於鏈內部，屬於酮糖。

再計算碳數。結構①由上至下為：

$\ce{CH2OH}$、$\ce{C=O}$、三個 $\ce{CHOH}$ 碳、最下方 $\ce{CH2OH}$，共 6 個碳，且第 2 碳為酮基，因此是酮己糖。

選項分析

核心觀念

本題考查「檸檬酸循環（citric acid cycle／TCA cycle／Krebs cycle）的整體速率調控」。

檸檬酸循環主要受細胞能量狀態與還原狀態調節：

• 高濃度 ATP：代表能量充足，抑制循環相關酵素。
• 高濃度 NADH：代表還原力充足，抑制需要氧化 NADH 的脫氫反應。
• 高濃度 citrate（檸檬酸）：代表循環中間物與能量供應充足，可產生回饋抑制。
• 高濃度 $\ce{Ca^{2+}}$：在動物細胞，特別是肌肉細胞中，通常活化檸檬酸循環相關酵素，以增加 ATP 生成。

檸檬酸循環的主要調控位置包括：

1. 丙酮酸去氫酶複合體（pyruvate dehydrogenase complex, PDH）
2. 檸檬酸合成酶（citrate synthase）
3. 異檸檬酸去氫酶（isocitrate dehydrogenase, IDH）
4. $\alpha$-酮戊二酸去氫酶複合體（$\alpha$-ketoglutarate dehydrogenase complex）

其中，IDH 與 $\alpha$-酮戊二酸去氫酶會產生 NADH：

$$\ce{Isocitrate + NAD+ ->[\text{isocitrate dehydrogenase}] \alpha-Ketoglutarate + CO2 + NADH}$$ $$\ce{\alpha-Ketoglutarate + NAD+ + CoA ->[\alpha-KGDH] Succinyl-CoA + CO2 + NADH}$$

因此，NADH 大量累積時，會抑制這些氧化反應，使檸檬酸循環整體速率下降。

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解題方法

題幹問的是：

Which of the following would NOT decrease activity of the citric acid cycle overall?

關鍵字是 NOT decrease，意思是要找「不會降低檸檬酸循環整體活性」的因素。

判斷方法是檢查各物質代表的細胞代謝狀態：

• citrate、NADH、ATP 高：通常表示能量或代謝產物累積，會抑制循環。
• $\ce{Ca^{2+}}$ 高：通常表示細胞收縮或能量需求增加，會活化循環以增加 ATP 產生。

因此，唯一不會降低，反而會促進檸檬酸循環的是高濃度 $\ce{Ca^{2+}}$。

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選項分析

(A) High concentration of citrate

高濃度 citrate 通常表示檸檬酸循環中間物已經累積，且細胞具有充足的碳源與能量供應。

citrate 可對代謝產生回饋抑制，例如：

• 抑制檸檬酸合成酶（citrate synthase），降低 $\ce{oxaloacetate}$ 與 $\ce{acetyl-CoA}$ 生成 citrate 的速率。
• 在細胞質中抑制磷酸果糖激酶-1（phosphofructokinase-1, PFK-1），減少糖解作用供應丙酮酸，間接降低進入檸檬酸循環的 $\ce{acetyl-CoA}$。

因此，高濃度 citrate 會使檸檬酸循環整體通量下降。此選項所述會降低活性，並非答案。

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(B) High concentration of NADH

核心觀念

本題考查血漿脂蛋白（lipoproteins）的密度排序。脂蛋白主要由三酸甘油酯（TAG）、膽固醇、膽固醇酯、磷脂與蛋白質構成；其中蛋白質密度較高，而脂質密度較低。因此：

• 蛋白質比例越高，脂蛋白密度越高。
• TAG 含量越高，脂蛋白密度越低。

各類脂蛋白由高至低的標準密度排序為：

$$\text{HDL} > \text{LDL} > \text{IDL} > \text{VLDL} > \text{chylomicrons}$$

因此正確答案為 (D)。

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解題方法

可掌握兩項判斷原則：

1. 蛋白質比例越高，密度越高
2. 脂質，特別是 TAG，比例越高，密度越低

各脂蛋白的特性如下：

脂蛋白	主要功能	蛋白質比例	相對密度
HDL	將周邊膽固醇逆向運回肝臟	最高	最高
LDL	將膽固醇輸送至周邊組織	次高	次高
IDL	VLDL 代謝後的中間型態	中等	中等
VLDL	將肝臟製造的 TAG 輸送至周邊組織	較低	較低
Chylomicrons	將飲食脂質由腸道運送至組織	最低	最低

VLDL 在血液中受到脂蛋白脂酶（lipoprotein lipase, LPL）作用，逐步移除 TAG，形成 IDL；IDL 再經肝脂酶（hepatic lipase, HL）作用，進一步轉變為 LDL。沿著此過程，TAG 減少、蛋白質比例提高，密度也逐步上升：

$$\text{VLDL} \xrightarrow[\text{移除 TAG}]{\text{LPL}} \text{IDL} \xrightarrow[\text{進一步移除 TAG}]{\text{HL}} \text{LDL}$$

因此：

$$\text{VLDL} < \text{IDL} < \text{LDL}$$

HDL 的蛋白質比例最高，密度也最高；乳糜微粒（chylomicrons）的 TAG 含量最高，密度最低。

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選項分析

(A) chylomicrons > VLDL > IDL > LDL > HDL

錯誤。此選項將整體密度順序幾乎完全倒置。Chylomicrons 的 TAG 含量最高、蛋白質比例最低，密度應最低；HDL 的蛋白質比例最高，密度應最高。

正確方向應為：

$$\text{HDL} > \text{LDL} > \text{IDL} > \text{VLDL} > \text{chylomicrons}$$

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(B) chylomicrons > HDL > LDL > IDL > VLDL

核心觀念

本題考察胺基酸側鏈結構對蛋白質主鏈構形自由度的影響，重點是主鏈二面角 $\phi$ 與 $\psi$。

蛋白質主鏈的構形主要由三個二面角描述：

• $\phi$：$N-C_{\alpha}$ 鍵的旋轉角
• $\psi$：$C_{\alpha}-C'$ 鍵的旋轉角
• $\omega$：胜肽鍵 $C'-N$ 的旋轉角，因具有部分雙鍵性，通常受到高度限制

其中，**脯胺酸 Pro（proline）**的側鏈與主鏈胺基氮形成環狀結構，使 $N-C_{\alpha}$ 鍵的旋轉受到嚴重限制；**甘胺酸 Gly（glycine）**的側鏈只有一個氫原子，立體障礙最小，因此主鏈構形自由度最大、最不受限制。

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解題方法

直接比較各胺基酸的側鏈結構：

1. 若側鏈與主鏈形成環狀結構，會限制主鏈二面角，構形最受限。
2. 若側鏈最小、立體障礙最低，主鏈可採取的構形最多，構形最不受限。

Pro 的側鏈為：

$$\ce{-(CH2)3-NH-}$$

它與 $\alpha$-碳及主鏈氮共同形成五元吡咯烷環（pyrrolidine ring）。因此，Pro 的 $\phi$ 角受到顯著限制，常被稱為蛋白質中的「構形破壞者」或「螺旋終止者」。

Gly 的側鏈為氫：

$$\ce{H2N-CH2-COOH}$$

由於 Gly 沒有具有體積的碳側鏈，$C_{\alpha}$ 周圍的立體障礙最小，主鏈可採取的 $\phi$、$\psi$ 組合最多。因此在標準胺基酸中，Gly 通常被視為構形最不受限制者。

所以：

$$\text{most restricted}=\text{Pro},\qquad \text{least restricted}=\text{Gly}$$

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選項分析

(A) Ala, Pro

核心觀念

本題考查肝細胞在高能量狀態下，如何透過變構調節控制糖解作用的限速步驟。

PFK-1（phosphofructokinase-1，磷酸果糖激酶-1）催化糖解作用的關鍵反應：

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

此反應由 fructose-6-phosphate（F6P，果糖-6-磷酸）生成 fructose-1,6-bisphosphate（F1,6BP，果糖-1,6-二磷酸），是糖解作用的重要承諾步驟與主要調控點。

PFK-1 的調控如下：

• 活化物：AMP、ADP、fructose-2,6-bisphosphate（F-2,6-BP）
• 抑制物：ATP、citrate（檸檬酸）
• F-2,6-BP 的作用：提高 PFK-1 對 F6P 的親和力，降低 ATP 對 PFK-1 的抑制，因此能強力促進糖解作用。

肝細胞中的 F-2,6-BP 由雙功能酵素 PFK-2/FBPase-2 調節：

• PFK-2 活性增加：$\ce{F6P -> F-2,6-BP}$，促進糖解作用
• FBPase-2 活性增加：$\ce{F-2,6-BP -> F6P}$，抑制糖解作用

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解題方法

題幹已指出「高能量條件」且 PFK-1 活性顯著降低。高能量狀態代表 ATP 充足，粒線體代謝旺盛，citrate 濃度也常升高；這些訊號會抑制 PFK-1，使細胞降低葡萄糖分解。

因此，應尋找能直接抵銷 ATP、citrate 抑制作用，並重新活化 PFK-1 的物質。

F-2,6-BP 是 PFK-1 的強力變構活化物，能：

1. 增加 PFK-1 對 F6P 的親和力；
2. 促進 PFK-1 由低活性構形轉為高活性構形；
3. 減弱 ATP 對 PFK-1 的變構抑制；
4. 使 $\ce{F6P -> F1,6BP}$ 反應恢復，重新啟動糖解作用。

所以最有效的選項是 （B）Fructose-2,6-bisphosphate。

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選項分析

（A）Citrate

錯誤。Citrate 是高能量狀態的重要訊號，會抑制 PFK-1，使 PFK-1 對 F6P 的親和力下降，進一步降低糖解作用速率。

核心觀念

藥物代謝通常分為兩個階段：

• Phase I 反應（第一相反應）：以氧化、還原及水解為主，目的是在藥物分子上引入或暴露極性官能基，例如 $\ce{-OH}$、$\ce{-NH2}$、$\ce{-SH}$ 或 $\ce{-COOH}$，使藥物稍具水溶性，並為後續結合反應準備位置。
• Phase II 反應（第二相反應）：將藥物或其 Phase I 代謝物與內生性極性分子結合，例如 glucuronic acid、sulfate、glutathione 或 acetyl group，使產物通常更具水溶性，便於排出。

本題已明確指出「impaired Phase I metabolism」，因此應選擇屬於第一相反應的選項。

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解題方法

先辨認各反應所屬的代謝階段：

1. Phase I：氧化、還原、水解。
2. Phase II：葡萄糖醛酸化、硫酸化、穀胱甘肽結合、乙醯化等結合反應。

其中，最重要的 Phase I 藥物代謝酵素系統是 cytochrome P450（細胞色素 P450）。P450 可催化藥物的 hydroxylation（羥基化），典型反應如下：

$$\ce{RH + O2 + NADPH + H+ -> ROH + H2O + NADP+}$$

其中：

• $\ce{RH}$：原始藥物
• $\ce{ROH}$：羥基化後的代謝物
• NADPH：提供還原力
• cytochrome P450：含 heme 的單加氧酶（monooxygenase）

因此，Phase I 受損時，最直接符合題意的是 cytochrome P450 所催化的 hydroxylation。

藥物代謝能力下降後，藥物可能在體內累積，造成血中濃度升高及 drug toxicity（藥物毒性）。

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選項分析

(A) Hydroxylation by cytochrome P450

正確。

Cytochrome P450 是肝臟藥物代謝最重要的 Phase I 酵素系統，主要進行氧化反應，包括：

• hydroxylation（羥基化）
• dealkylation（去烷基化）
• deamination（去胺化）
• epoxidation（環氧化）

其中 hydroxylation 是典型的第一相氧化反應，可在藥物分子上加入 $\ce{-OH}$，增加極性並暴露後續結合反應所需的官能基。

因此，本題官方答案為 A。

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(B) Glucuronidation by UDP-glucuronyltransferase

錯誤。

Glucuronidation（葡萄糖醛酸化）屬於 Phase II 結合反應，由 UDP-glucuronosyltransferase，常縮寫為 UGT，所催化。

UGT 會將 UDP-glucuronic acid 上的 glucuronic acid 轉移至藥物或代謝物，例如含有 $\ce{-OH}$、$\ce{-COOH}$、$\ce{-NH2}$ 或 $\ce{-SH}$ 的分子，形成 glucuronide。此反應通常可大幅增加水溶性，促進尿液或膽汁排泄。

因為題目問的是 Phase I 反應，所以 B 不符合。

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核心觀念

本題考查氨態氮 $\ce{NH4+}$ 的同化，以及其進入胺基酸代謝的先後順序，核心反應包括：

1. **Glutamate dehydrogenase（麩胺酸去氫酶，GDH）**將 $\ce{NH4+}$ 加入 $\alpha$-ketoglutarate，形成 glutamate。
2. **Aspartate aminotransferase（天門冬胺酸轉胺酶，AST）**將 glutamate 的胺基轉移給 oxaloacetate，形成 aspartate。

關鍵反應如下：

$$\alpha\text{-ketoglutarate}+\ce{NH4+}+\ce{NAD(P)H} \rightleftharpoons \text{glutamate}+\ce{NAD(P)+}+\ce{H2O}$$

接著進行轉胺反應：

$$\text{glutamate}+\text{oxaloacetate} \rightleftharpoons \alpha\text{-ketoglutarate}+\text{aspartate}$$

因此，外加的 $\ce{^{15}NH4+}$ 會先被固定在 glutamate 的胺基上，再經由 AST 將標記氮轉移至 aspartate。

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解題方法

題幹提供兩個重要的時間資訊：

• $\ce{^{15}N}$ 先出現在 glutamate
• 之後才出現在 aspartate

先找出能直接將 $\ce{NH4+}$ 轉變成 glutamate 的反應。符合者為 GDH 催化的還原胺化作用：

$$\ce{NH4+}+\alpha\text{-ketoglutarate} \longrightarrow \text{glutamate}$$

接著，glutamate 可透過 AST 與 oxaloacetate 進行轉胺：

$$\text{glutamate}+\text{oxaloacetate} \longrightarrow \text{aspartate}+\alpha\text{-ketoglutarate}$$

這正好符合「先 glutamate、後 aspartate」的標記順序，因此選 (B)。

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選項分析

(A) $\ce{^{15}NH4+}$ → glutamine → glutamate → aspartate

此路徑在生化上並非完全不存在。$\ce{NH4+}$ 可由 **glutamine synthetase（麩醯胺酸合成酶，GS）**固定至 glutamate，形成 glutamine：

$$\text{glutamate}+\ce{NH4+}+\ce{ATP} \longrightarrow \text{glutamine}+\ce{ADP}+\ce{Pi}$$

glutamine 再由 **glutaminase（麩醯胺酸酶）**水解為 glutamate。

但本題觀察到標記氮最先出現在 glutamate，選項卻指定必須先經過 glutamine。若主要路徑是此反應，標記應先進入 glutamine，再經 glutaminase 產生標記 glutamate。此外，題幹要辨識的是 $\ce{NH4+}$ 直接形成 glutamate，再經轉胺形成 aspartate 的路徑，因此本選項不是最佳答案。

(B) $\ce{^{15}NH4+}$ → glutamate → aspartate

正確。

第一步由 GDH 催化 $\alpha$-ketoglutarate 的還原胺化，將 $\ce{^{15}N}$ 固定在 glutamate：

$$\alpha\text{-ketoglutarate}+\ce{^{15}NH4+} \longrightarrow {}^{15}\text{N-glutamate}$$

第二步由 AST 進行轉胺反應：

$${}^{15}\text{N-glutamate}+\text{oxaloacetate} \longrightarrow \alpha\text{-ketoglutarate}+{}^{15}\text{N-aspartate}$$

因此標記氮的順序為：

核心觀念

本題考查花生四烯酸（arachidonic acid, AA）轉換為前列腺素（prostaglandins, PGs）與血栓素（thromboxanes, TXs）的代謝途徑。

細胞膜磷脂受刺激後，經由 phospholipase A₂ 釋放花生四烯酸，接著由 cyclooxygenase（COX，環氧化酶）催化形成前列腺素類的共同前驅物：

$$\text{Arachidonic acid} \xrightarrow{\text{COX}} \text{PGG}_2 \xrightarrow{\text{peroxidase activity}} \text{PGH}_2$$

PGH₂ 是多種前列腺素與血栓素的共同中間物，後續可分別形成：

• $\text{PGH}_2 \rightarrow \text{PGE}_2,\text{ PGD}_2,\text{ PGF}_{2\alpha}$
• $\text{PGH}_2 \rightarrow \text{PGI}_2$（prostacyclin，前列環素）
• $\text{PGH}_2 \rightarrow \text{TXA}_2$（thromboxane A₂，血栓素 A₂）

因此，負責將花生四烯酸導入 prostaglandin 與 thromboxane 合成途徑的主要酵素是 cyclooxygenase。

解題方法

判斷關鍵在於辨認花生四烯酸的兩條主要氧化代謝路徑：

1. Cyclooxygenase pathway

花生四烯酸經 COX 形成 $\text{PGG}_2$ 與 $\text{PGH}_2$，再生成 prostaglandins、prostacyclin 與 thromboxanes。

2. Lipoxygenase pathway

花生四烯酸經 lipoxygenase 形成 hydroperoxyeicosatetraenoic acids（HPETEs），進一步產生 leukotrienes 等脂質介質。

題幹明確詢問 prostaglandins 與 thromboxanes，因此應選擇參與 COX pathway 的酵素。

選項分析

(A) Lipoxygenase

錯誤。

Lipoxygenase（脂氧合酶）會在花生四烯酸特定位點加入氧，形成 HPETEs，並參與 leukotrienes 的合成，例如：

$$\text{Arachidonic acid} \xrightarrow{\text{5-lipoxygenase}} \text{5-HPETE} \rightarrow \text{Leukotriene A}_4$$

其主要產物是 leukotrienes、lipoxins 等，不是 prostaglandins 與 thromboxanes。

(B) Cyclooxygenase

正確。

Cyclooxygenase 又稱 prostaglandin-endoperoxide synthase，主要包括 COX-1 與 COX-2。它催化花生四烯酸形成 $\text{PGG}_2$，再形成 $\text{PGH}_2$：

核心觀念

本題考查壓力反應的兩條主要生理路徑：

1. 短期壓力反應：交感—腎上腺髓質系統（SAM axis）

• 下視丘（hypothalamus）啟動交感神經系統。
• 交感神經節前神經元釋放 acetylcholine（ACh）。
• ACh 刺激腎上腺髓質（adrenal medulla）的嗜鉻細胞（chromaffin cells）。
• 嗜鉻細胞迅速分泌 epinephrine（腎上腺素）與 norepinephrine（正腎上腺素）。
• 造成心跳加快、血壓上升、支氣管擴張及肝醣分解增加等「戰或逃」反應。

2. 長期壓力反應：下視丘—腦下垂體—腎上腺皮質軸（HPA axis）

• 下視丘分泌 corticotropin-releasing hormone（CRH）。
• CRH 經由下視丘—腦下垂體門脈系統送至腦下垂體前葉（anterior pituitary）。
• 前葉分泌 adrenocorticotropic hormone（ACTH）。
• ACTH 刺激腎上腺皮質（adrenal cortex）分泌 glucocorticoids（糖皮質激素），主要是 cortisol（皮質醇）。
• Cortisol 維持長時間壓力下的血糖與能量供應，並調節免疫與發炎反應。

本題的正確選項完整描述了 HPA axis 的主要流程，因此答案為 C。

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解題方法

先辨認題幹中的兩個關鍵詞：

• rapid、fight-or-flight：指交感神經—腎上腺髓質系統，主要產物是 epinephrine 與 norepinephrine。
• long-term stress、glucocorticoids：指 HPA axis，路徑為：

$$\text{Hypothalamus} \xrightarrow{\text{CRH}} \text{Anterior pituitary} \xrightarrow{\text{ACTH}} \text{Adrenal cortex} \xrightarrow{} \text{Glucocorticoids}$$

其中 ACTH 作用於腎上腺皮質細胞的 melanocortin 2 receptor（MC2R），啟動 G protein—adenylyl cyclase—cAMP—protein kinase A（PKA）訊息傳遞，促進膽固醇運送至粒線體。膽固醇經 CYP11A1（cholesterol desmolase）轉化為 pregnenolone，再經多種 hydroxylase 合成 cortisol。

因此，凡是把：

• CRH 直接作用於腎上腺髓質；
• ACTH 說成分泌 epinephrine；
• glucocorticoids 或 mineralocorticoids 說成由腎上腺髓質分泌；

均屬於器官位置或激素功能的混淆。

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選項分析

(A) 錯誤

The hypothalamus releases corticotropin-releasing hormone (CRH) directly into the bloodstream to stimulate the adrenal medulla to secrete glucocorticoids.

錯誤有三處：

1. CRH 並非直接大量釋放到一般全身血液中，而是釋放至下視丘—腦下垂體門脈系統。
2. CRH 的主要標的為腦下垂體前葉，不是腎上腺髓質。
3. Glucocorticoids 由腎上腺皮質分泌，不是腎上腺髓質。

正確路徑應為：

$$\text{CRH} \rightarrow \text{Anterior pituitary} \rightarrow \text{ACTH} \rightarrow \text{Adrenal cortex} \rightarrow \text{Cortisol}$$

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(B) 錯誤

The adrenal medulla secretes glucocorticoids and mineralocorticoids, which produce rapid “fight-or-flight” responses.

腎上腺分為兩個功能不同的區域：

• 腎上腺髓質（adrenal medulla）：分泌 catecholamines，主要為 epinephrine 與 norepinephrine。
• 腎上腺皮質（adrenal cortex）：分泌 steroid hormones，包括 glucocorticoids、mineralocorticoids 與 adrenal androgens。

其中：