亞洲大學 107 年 《生物化學》

核心觀念

本題考查離子化合物溶於水時的溶解機制，以及哪些因素有利於溶解。

氯化鈉溶於水可表示為：

$$\ce{NaCl(s) -> Na+(aq) + Cl-(aq)}$$

此過程涉及三個主要步驟：

1. 破壞 $\ce{NaCl}$ 晶格，使 $\ce{Na+}$ 與 $\ce{Cl-}$ 分離。
2. 水分子之間重新排列，形成可包圍離子的水合層。
3. 水分子與離子形成離子—偶極作用，使離子穩定存在於水溶液中。

整體溶解是否自發，取決於 Gibbs 自由能：

$$\Delta G=\Delta H-T\Delta S$$

其中，離子水合通常釋放能量，有利於降低 $\Delta H$；離子由規則晶格分散到溶液中，也通常使 $\Delta S$ 增加，有利於使 $\Delta G$ 降低。

解題方法

判斷各選項是否為「有利於 $\ce{NaCl}$ 溶解」的因素，重點在於：

• 是否能穩定溶液中的離子？
• 是否使溶解過程的能量更有利？
• 是否增加系統的熵？
• 是真正的驅動因素，還是溶解後才出現的結果？

其中，水合作用會以離子—偶極作用包圍並穩定 $\ce{Na+}$ 與 $\ce{Cl-}$，是溶解的重要有利因素，因此選 $\textbf{(C)}$。

選項分析

(A) Increase of osmotic pressure：錯誤

$\ce{NaCl}$ 溶於水後，溶液中的溶質粒子數增加，因此確實會使滲透壓上升。稀溶液可用下式表示：

$$\Pi=iMRT$$

其中 $i$ 為 van’t Hoff factor，$M$ 為莫耳濃度，$R$ 為氣體常數，$T$ 為絕對溫度。

但滲透壓上升是溶解後的結果，不是促進 $\ce{NaCl}$ 溶解的主要有利機制。此選項描述的是溶解造成的性質改變，而非溶解過程中穩定離子的因素。

(B) Decrease of entropy：錯誤

核心觀念

本題考查：

1. 氨氣溶於水後的酸鹼反應。
2. $\ce{NH3}$、$\ce{H2O}$ 與 $\ce{NH4+}$ 之間的分子間作用力。
3. 親水性作用與疏水性作用的判斷。

氨分子中的氮具有孤電子對，可接受水提供的質子，發生 Brønsted–Lowry 酸鹼反應：

$$\ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-}$$

其中：

• $\ce{NH3}$ 是鹼，可接受質子。
• $\ce{H2O}$ 是酸，可提供質子。
• $\ce{NH4+}$ 是共軛酸。
• $\ce{OH-}$ 是共軛鹼。

題目問的是「哪些作用力不利於 $\ce{NH4+}$ 的形成」。判斷重點在於：該作用力是否能穩定反應物、產物，或促進質子轉移與離子水合。

解題方法

逐一判斷各種作用力是否有助於：

1. $\ce{NH3}$ 接近水分子並接受質子。
2. 質子由水轉移至氨。
3. 生成的 $\ce{NH4+}$ 在水中被穩定水合。

$\ce{NH3}$ 是極性分子，氮具有孤電子對；$\ce{NH4+}$ 則是帶正電的離子。水分子具有極性，因此能以氫鍵及偶極相關作用力與氨、銨離子作用。相反地，疏水作用主要涉及非極性分子排斥水、彼此聚集，與極性的 $\ce{NH3}$ 及帶電的 $\ce{NH4+}$ 不相符。

因此，不利於銨離子形成的作用力是 Hydrophobic interaction（疏水作用）。

選項分析

(A) H-bonds（氫鍵）

氫鍵有利於此反應。

水分子的氫可與 $\ce{NH3}$ 氮上的孤電子對形成氫鍵：

$$\ce{H-O-H \bond{...} NH3}$$

這種氫鍵使水分子與氨分子以適當方向接近，有助於水的質子轉移至氮原子。生成 $\ce{NH4+}$ 後，銨離子也能與水分子形成多重氫鍵，使其在水中受到穩定的水合。

所以，氫鍵整體上有利於 $\ce{NH4+}$ 的形成，(A) 錯誤。

核心觀念

本題考查兩親性分子（amphipathic molecule）在水中形成微胞（micelle）的熱力學原因。

脂肪酸具有兩個性質不同的部分：

• 親水性羧基端（hydrophilic carboxyl group）：可與水作用。
• 疏水性烴鏈（hydrophobic hydrocarbon chain）：不易與水作用。

因此，脂肪酸溶於水時，會自發排列成烴鏈朝內、羧基朝外的球狀結構：

• 疏水性烴鏈集中於微胞內部。
• 親水性羧基暴露於水相。
• 水與疏水性烴鏈直接接觸的面積減少。

微胞形成的主要驅動力稱為疏水效應（hydrophobic effect），其本質包括降低水與油性區域的界面，以及增加水分子的熵。

解題方法

判斷此題可從「脂肪酸聚集後，系統的自由能是否下降」切入。熱力學關係為：

$$\Delta G = \Delta H - T\Delta S$$

當脂肪酸的疏水烴鏈分散在水中時，周圍水分子會被迫形成較有規則的排列，以減少與疏水表面的接觸，造成水分子的自由度下降、熵降低。

當脂肪酸聚集形成微胞時：

1. 疏水烴鏈彼此聚集。
2. 暴露在水中的疏水表面積減少。
3. 被迫有序排列的水分子減少。
4. 水分子的自由度增加，整體熵上升。
5. 系統自由能下降，微胞形成因而具有自發性。

因此，A、B、C 都是在描述微胞形成的相關因素，正確答案為 D。

選項分析

(A) Reduction of water-oil interface

正確。

脂肪酸的烴鏈具有類似油相的疏水性。當單個脂肪酸分散在水中時，會形成較大的水—油性區域接觸界面。

核心觀念

本題考查弱酸解離平衡與 Henderson–Hasselbalch equation（亨德森–哈塞爾巴爾赫方程式）。

醋酸的解離反應為：

$$\ce{CH3COOH <=> H+ + CH3COO-}$$

其中：

• $\ce{CH3COOH}$ 為共軛酸（conjugated acid）
• $\ce{CH3COO-}$ 為共軛鹼（conjugated base）

Henderson–Hasselbalch equation 為：

$$\mathrm{pH}=\mathrm{p}K_a+\log\frac{[\ce{CH3COO-}]}{[\ce{CH3COOH}]}$$

解題方法

題目給定：

$$\mathrm{p}K_a=4.76$$ $$\mathrm{pH}=5.76$$

代入公式：

$$5.76=4.76+\log\frac{[\ce{CH3COO-}]}{[\ce{CH3COOH}]}$$

因此：

$$1.00=\log\frac{[\ce{CH3COO-}]}{[\ce{CH3COOH}]}$$

取反對數：

$$\frac{[\ce{CH3COO-}]}{[\ce{CH3COOH}]}=10^1=10$$

所以共軛鹼與共軛酸的比例為：

$$\ce{CH3COO-}:\ce{CH3COOH}=10:1$$

核心觀念

本題考查胺基酸側鏈在生理 pH（約 7）下的酸鹼性與電荷狀態。

可電離側鏈依性質分為：

• 鹼性胺基酸：Arg（精胺酸）、His（組胺酸）、Lys（離胺酸）
• 酸性胺基酸：Asp（天門冬胺酸）、Glu（麩胺酸）
• 極性但不帶電胺基酸：Asn（天門冬醯胺）、Gln（麩醯胺）

鹼性胺基酸的側鏈可接受質子 $\ce{H+}$，形成帶正電的質子化型態：

$$\ce{R-NH2 + H+ <=> R-NH3+}$$

判斷電荷的基本原則是：

• 若 $pH < pK_a$，側鏈較容易質子化，帶正電。
• 若 $pH > pK_a$，側鏈較容易去質子化，正電比例下降。

三種鹼性胺基酸側鏈的典型 $pK_a$ 約為：

胺基酸	側鏈官能基	側鏈 $pK_a$	pH 7 的主要狀態
Lys	$\ce{-NH3+}$	約 10.5	帶正電
Arg	Guanidinium（胍基）	約 12.5	帶正電
His	Imidazole（咪唑基）	約 6.0	主要不帶電，但仍有部分質子化

其中 Lys 與 Arg 在 pH 7 時幾乎完全帶正電；His 的側鏈 $pK_a$ 接近 7，因此在 pH 7 時具有部分質子化、帶正電的比例。

解題方法

本題不需要計算，直接依照「胺基酸側鏈的酸鹼分類」判斷：

1. 找出能接受 $\ce{H+}$ 的鹼性側鏈。
2. 鹼性側鏈在 pH 7 下具有正電形式。
3. 對照選項，包含 Arg、His、Lys 的選項即為正確答案。

若以 Henderson–Hasselbalch 概念估算 His 的質子化比例：

$$pH=pK_a+\log\frac{[\text{去質子化型}]}{[\text{質子化型}]}$$

當 His 的 $pK_a\approx 6.0$、$pH=7.0$：

$$\frac{[\text{去質子化型}]}{[\text{質子化型}]}=10^{7-6}=10$$

因此質子化比例約為：

核心觀念

本題考查胺基酸側鏈的「環狀結構」與「芳香性（aromaticity）」之區別。

• 具有環狀側鏈：側鏈中存在由原子閉合形成的環。
• 芳香性：環狀結構必須具有連續共軛的 $\pi$ 電子系統，且符合芳香環的電子結構條件。
• 「有環」不等於「具芳香性」。判斷時必須進一步檢查環是否為芳香環。

與本題相關的胺基酸如下：

• Pro（脯胺酸，Proline）：側鏈與 $\alpha$-胺基形成五元環，但為飽和環，非芳香性。
• His（組胺酸，Histidine）：側鏈含咪唑環（imidazole ring），具有連續共軛 $\pi$ 電子系統，屬於芳香性。
• Phe（苯丙胺酸，Phenylalanine）、Tyr（酪胺酸，Tyrosine）、Trp（色胺酸，Tryptophan）：均具有芳香環，因此屬於芳香族胺基酸。

因此，符合「非芳香但側鏈具有環狀結構」的胺基酸是 Pro，但選項中沒有單獨列出 Pro。

解題方法

先分成兩個判斷步驟：

1. 找出選項中的胺基酸是否具有側鏈環狀結構。
2. 判斷該環是否具芳香性。

本題關鍵分類如下：

胺基酸	側鏈環狀結構	芳香性
Phe	苯環	是
Tyr	苯環	是
Trp	吲哚環	是
His	咪唑環	是
Pro	五元環	否
Ser	無環	否
Thr	無環	否

只有 Pro 同時符合「有環」與「非芳香」兩項條件。由於各選項均未提供「Pro」單獨作答，故選 None of the above。

選項分析

核心觀念

本題考查胺基酸側鏈官能基的種類，以及蛋白質磷酸化（phosphorylation）的受質特性。

蛋白質激酶（protein kinase）通常將 ATP 的 $\gamma$-phosphate（末端磷酸基）轉移至胺基酸側鏈上的親核原子，形成磷酸酯鍵：

$$\ce{Protein-OH + ATP -> Protein-O-PO3^{2-} + ADP}$$

常見可接受磷酸化的胺基酸包括：

• Serine（絲胺酸，Ser，S）
• Threonine（蘇胺酸，Thr，T）
• Tyrosine（酪胺酸，Tyr，Y）

但題目進一步限定為「secondary hydroxyl group（二級羥基）」；因此必須精確判斷羥基所連接的碳原子屬於一級、二級，還是芳香族酚羥基。

解題方法

判斷每個選項的側鏈官能基，並確認：

1. 是否具有 $\ce{-OH}$ 羥基。
2. 羥基所連接的碳原子是否為二級碳。
3. 該官能基是否符合題目所稱的 secondary hydroxyl group。

二級醇的結構特徵是：

$$\ce{R-CH(OH)-R'}$$

也就是帶有 $\ce{-OH}$ 的碳，同時連接兩個其他碳原子。

Threonine 的側鏈為：

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

其中帶羥基的碳還連接胺基酸主鏈碳與 $\ce{CH3}$，因此屬於二級醇。

選項分析

(A) Serine

Serine（絲胺酸）的側鏈為：

$$\ce{-CH2OH}$$

羥基所在的碳只連接一個其他碳，因此屬於一級醇（primary alcohol），不是二級羥基。

Serine 確實是常見的蛋白質磷酸化位置，但不符合本題「secondary hydroxyl group」的限定。

錯誤。

(B) Threonine

Threonine（蘇胺酸）的側鏈為：

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

核心觀念

本題考查胺基酸側鏈的官能基辨識，尤其是含硫胺基酸中是否具有功能性硫氫基（sulfhydryl group，$\ce{-SH}$）。

硫氫基又稱硫醇基（thiol group），結構為：

$$\ce{-SH}$$

在標準胺基酸中，具有功能性硫氫基的是 Cysteine（半胱胺酸，Cys）。Cysteine 的側鏈為：

$$\ce{-CH2-SH}$$

其中的 $\ce{-SH}$ 可參與：

• 兩個 Cysteine 氧化形成二硫鍵（disulfide bond）
• 蛋白質結構穩定
• 酵素活性中心的親核反應
• 細胞氧化還原調控

二硫鍵形成時可表示為：

$$\ce{2 R-SH ->[氧化] R-S-S-R + 2H+ + 2e-}$$

解題方法

直接觀察各選項胺基酸的側鏈官能基，尋找是否含有游離的 $\ce{-SH}$：

• 含 $\ce{-SH}$：屬於 sulfhydryl group
• 含硫但沒有 $\ce{-SH}$：不能判定為具有功能性硫氫基
• $\ce{-OH}$：是羥基，不是硫氫基

因此，本題的判斷重點不是「是否含有硫元素」，而是「側鏈是否具有游離的 $\ce{-SH}$」。

選項分析

(A) Met：Methionine（甲硫胺酸）

Methionine 側鏈為：

$$\ce{-CH2-CH2-S-CH3}$$

其中硫原子夾在兩個碳基之間，形成硫醚（thioether），沒有 $\ce{-SH}$。

因此，Methionine 雖然含有硫元素，但不具有功能性 sulfhydryl group，故錯誤。

核心觀念

本題測驗蛋白質純化與分離技術（Protein purification and separation techniques）之基本原理，特別是**分子篩／膠體過濾層析法（Size exclusion chromatography, SEC / Gel filtration chromatography）**的分離機制。

膠體過濾層析管柱內填充具微孔結構（pores）的多孔性多醣顆粒（如 Sephadex、Sepharose、Bio-Gel 等）：

1. 大分子（Larger molecules）：體積超過凝膠顆粒的孔徑排除極限（exclusion limit），無法進入顆粒內部的網狀孔洞，只能沿著顆粒間的間隙（void volume, $V_0$）快速流出，路徑最短，故最先被沖提（eluted first）。
2. 小分子（Smaller molecules）：體積小於孔徑，可自由進出顆粒內部的多孔結構，在管柱內經歷的分佈體積較大、有效滯留路徑最長，故移動速度最慢，最後被沖提（eluted late）。

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解題方法

題目關鍵字為：

• "separation of protein molecules"（蛋白質分離）
• "smaller molecules being eluted out late"（較小分子較晚被沖提／洗脫出來）

由關鍵詞「沖提（eluted）」可知分離技術屬於管柱層析法（Column chromatography）；由「較小分子較晚流出（大分子先流出）」的特徵，直接對應膠體過濾層析法（Size exclusion / Gel filtration chromatography）。

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選項分析

• (A) SDS-PAGE（十二烷基硫酸鈉-聚丙烯醯胺凝膠電泳，SDS-polyacrylamide gel electrophoresis）：錯誤。
• 原理：蛋白質在陰離子界面活性劑 SDS 與還原劑的作用下變性並帶均勻負電荷（每克蛋白質約結合 $1.4\text{ g}$ SDS），在聚丙烯醯胺凝膠（polyacrylamide matrix）網孔中受電場驅動向正極泳動。
• 遷移特性：凝膠如分子篩阻礙泳動，小分子蛋白質受阻力較小、移動速度快（泳動距離遠、接近凝膠底部）；大分子受阻力大、移動速度慢（滯留在膠片上方）。

核心觀念

本題測驗「胺基酸側鏈特性與蛋白質二級結構傾向（Secondary Structure Propensity）」之關係：

1. $\alpha$-螺旋（$\alpha$-helix）的形成傾向：丙胺酸（Alanine, Ala, A）具有小的非極性甲基側鏈（$\ce{-CH3}$），立體障礙小，且不帶電荷、無分支，不會破壞胜肽骨架的氫鍵網絡，在所有 20 種標準胺基酸中擁有最高的 $\alpha$-螺旋形成傾向（highest $\alpha$-helix propensity）。
2. 胜肽長度與穩定度：標準 $\alpha$-螺旋每圈包含 3.6 個胺基酸殘基，螺旋螺距約為 $0.54\text{ nm}$。主鏈上的第 $i$ 位殘基羰基氧（$\ce{C=O}$）與第 $i+4$ 位殘基醯胺氫（$\ce{N-H}$）形成分子內氫鍵。一段 15 個殘基長度的多聚丙胺酸（polyalanine）約可形成 4 圈完整的螺旋（約含有 11 個主鏈氫鍵），在水溶液環境下足以形成熱力學上穩定的獨立 $\alpha$-螺旋結構。

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解題方法

由胜肽的組成殘基與環境條件切入判斷：

1. 檢視胺基酸種類：序列由純丙胺酸構成（polyalanine）。依據經典生物化學（如 Lehninger Principles of Biochemistry），Alanine 是最能穩定 $\alpha$-螺旋的胺基酸（$\Delta\Delta G^\circ$ 傾向值最低）。
2. 檢視溶液條件：中性溶液（neutral solution, $\mathrm{pH} \approx 7$）下，丙胺酸側鏈為中性無電荷的甲基，不帶電荷排斥效應，疏水性甲基聚集進一步減少與水分子的不利接觸，促使主鏈醯胺基形成規律的內部氫鍵網絡。
3. 結構形態判定：15 個殘基的長度在水溶液中會自發捲曲成單分子 $\alpha$-螺旋結構。

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選項分析

• (A) $\alpha$-helix（正確）：Alanine 側鏈立體障礙小且不具電荷，是 $\alpha$-螺旋的最佳形成者（strongest $\alpha$-helix former）；長度 15 個殘基足以提供足夠的骨架內部氫鍵（$i \to i+4$ 氫鍵網絡）以穩定二級結構。

核心觀念

本題測驗蛋白質二級結構中 $\alpha$-螺旋（$\alpha$-helix） 的基本幾何結構參數。
在標準右手 $\alpha$-螺旋中：

1. 每圈殘基數（Residues per turn）：約為 $3.6$ 個胺基酸殘基（residues/turn）。
2. 重複單位／圈數（Repeats / Turns）：$\alpha$-螺旋為週期性的螺旋結構，其基本的空間重複單位（repeating unit）即為「一圈完整旋轉（turn）」。因此，一個由若干胺基酸構成的肽鏈所形成的重複單位數（圈數），計算公式為：

$$\text{圈數（重複數, repeats）} = \frac{\text{總殘基數（Total residues）}}{\text{每圈殘基數（Residues per turn）}}$$

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解題方法

題目給定胜肽多聚體總長度為 $18$ 個胺基酸殘基（18 residues），欲求形成 $\alpha$-helix 時預期的「repeats（重複單位／螺圈數）」：

1. 代入標準 $\alpha$-helix 參數，每 $1$ 個完整重複圈（turn）包含 $3.6$ 個殘基：

$$\text{Repeats} = \frac{18}{3.6} = 5$$

2. 計算結果恰為整數 $5$ 圈（5 turns / repeats）。

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核心觀念

本題考查蛋白質**次級結構（secondary structure）**中 $\beta$-sheet（$\beta$-摺板）的重複週期。

$\beta$-sheet 的主鏈具有鋸齒狀、交替排列的構形：

• 相鄰胺基酸的側鏈會交替指向摺板的兩側。
• 因此，每經過 2 個胺基酸殘基，主鏈的空間排列與側鏈方向會重複一次。
• 這個重複單位可視為 $\beta$-sheet 的一個 cycle repeat。

故：

$$1\text{ 個 cycle repeat}=2\text{ 個 residues}$$

解題方法

題目給予 $\beta$-sheet 長度為 18 個 residues，依每 2 個殘基形成一個重複週期：

$$\text{cycle repeats}=\frac{18\text{ residues}}{2\text{ residues/repeat}}$$ $$=9\text{ repeats}$$

因此正確答案為 9。

選項分析

核心觀念

本題考查蛋白質二級結構中的 $\beta$-turn（β-轉角），以及不同胺基酸殘基對轉角形成的偏好。

$\beta$-turn 通常由連續 4 個胺基酸殘基組成，編號為 $i$、$i+1$、$i+2$、$i+3$。其特徵是第 $i$ 個殘基的羰基氧與第 $i+3$ 個殘基的醯胺氫形成氫鍵，使多胜肽鏈急遽轉向。

常見的 type I 與 type II $\beta$-turn，其差異主要來自中間兩個殘基，尤其是 $\phi$（phi）與 $\psi$（psi）主鏈二面角的排列。

• Pro（脯胺酸）：環狀側鏈限制主鏈構形，常出現在 $\beta$-turn 的第 $i+1$ 位。
• Gly（甘胺酸）：側鏈只有氫原子，立體障礙最小，具有高度構形自由度，常出現在需要特殊二面角的第 $i+2$ 位，特別是 type II $\beta$-turn。

因此，Gly 與 Pro 都是 $\beta$-turn 中最常見、最具代表性的胺基酸殘基。

解題方法

判斷 $\beta$-turn 的偏好殘基，可掌握兩個結構因素：

1. 主鏈構形是否受到限制

• Pro 的側鏈與主鏈氮原子形成五元環，使其 $\phi$ 角受到限制。
• 這種固定的幾何形狀有利於多胜肽鏈產生急轉彎。

2. 是否需要特殊且不易容許的二面角

• Gly 的側鏈僅為氫原子，空間障礙極小。
• 因此可採用其他胺基酸較難容許的 $\phi$、$\psi$ 組合，特別適合 type II $\beta$-turn。

常見記憶方式為：

• Type I $\beta$-turn：Pro 常在 $i+1$ 位
• Type II $\beta$-turn：Gly 常在 $i+2$ 位

核心觀念

本題考查膠原蛋白（collagen）合成過程中所需的維生素輔因子。正確答案是維生素 C，即 Ascorbate（抗壞血酸）。

膠原蛋白形成的重要步驟，是在前膠原蛋白（procollagen）分子中進行脯胺酸（proline）與離胺酸（lysine）的羥化作用：

• Prolyl hydroxylase（脯胺酸羥化酶）：將 proline 羥化為 hydroxyproline。
• Lysyl hydroxylase（離胺酸羥化酶）：將 lysine 羥化為 hydroxylysine。

這兩種酵素皆需要 $\ce{Fe^{2+}}$ 作為催化中心的一部分，而 ascorbate 可維持鐵離子處於 $\ce{Fe^{2+}}$ 還原狀態，使羥化酵素能持續作用。

羥化反應可概念化表示為：

$$\text{Proline 或 lysine} + \ce{O2} + \alpha\text{-ketoglutarate} \rightarrow \text{Hydroxyproline 或 hydroxylysine} + \ce{CO2} + \text{succinate}$$

其中 ascorbate 的關鍵功能，是維持酵素活性所需的 $\ce{Fe^{2+}}$。Hydroxyproline 有助於膠原蛋白三股螺旋（triple helix）的穩定；hydroxylysine 則參與後續醣基化與交聯，因此維生素 C 缺乏會使膠原蛋白結構與結締組織強度下降。

解題方法

看到題幹中的「formation of collagen」，直接聯想到膠原蛋白合成中的 proline、lysine 羥化作用。

判斷鏈如下：

$$\text{Collagen formation} \rightarrow \text{proline/lysine hydroxylation} \rightarrow \text{prolyl/lysyl hydroxylase} \rightarrow \text{ascorbate}$$

因此答案為 Ascorbate。

核心觀念

本題考查 $\alpha$-helix（$\alpha$-螺旋）的「螺旋偶極矩」（helix dipole）與胺基酸側鏈電荷分布。

$\alpha$-helix 中，每個 peptide bond（肽鍵）的偶極方向大致一致排列，因此整條螺旋具有宏觀偶極：

• N-terminus（N 端）帶有部分正電性
• C-terminus（C 端）帶有部分負電性

因此，帶負電的胺基酸側鏈較適合出現在 $\alpha$-helix 的 N 端附近，可藉由靜電作用穩定 N 端的正電性；帶正電的胺基酸則較適合出現在 C 端附近。

酸性胺基酸的側鏈如下：

• Aspartate（Asp，D）：$\ce{-CH2-COO^-}$
• Glutamate（Glu，E）：$\ce{-CH2-CH2-COO^-}$

所以 N 端常偏好 D 或 E。

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解題方法

判斷此題可依序進行：

1. 確認題目問的是 $\alpha$-helix 的 N-terminus。
2. 記住 $\alpha$-helix 的偶極方向：N 端偏正、C 端偏負。
3. 依靜電相吸原理，N 端應偏好帶負電的胺基酸。
4. 在選項中找出酸性、帶負電的胺基酸：D、E。

因此選擇（A）。

$\alpha$-helix 的主鏈氫鍵是第 $i$ 個胺基酸的羰基氧，與第 $i+4$ 個胺基酸的主鏈 N–H 形成：

$$\ce{C=O_{i} \cdots H-N_{i+4}}$$

許多肽鍵偶極沿螺旋軸排列，累積後形成 N 端偏正、C 端偏負的整體效應。D、E 的羧酸根負電荷可與 N 端的部分正電性產生有利的靜電穩定作用。

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選項分析

(A) D or E——正確

D（Asp）與 E（Glu）屬於酸性胺基酸，在生理 pH 下側鏈羧基通常解離為負電：

核心觀念

本題考查蛋白質的二級結構（secondary structure），以及人體毛髮主要蛋白質角蛋白（keratin）的結構特徵。

蛋白質二級結構是指多胜肽主鏈局部排列形成的規則構形，主要由主鏈之間的氫鍵穩定，包括：

• $\alpha$-helix（$\alpha$-螺旋）
• $\beta$-sheet（$\beta$-摺板）
• $\beta$-turns（$\beta$-轉角）
• Random coils（隨機線圈）

人類毛髮的主要成分是硬角蛋白（hard keratin）。角蛋白分子中的多胜肽鏈主要採取 $\alpha$-helix 結構，多條角蛋白鏈再纏繞形成較大的纖維構造。

解題方法

判斷毛髮的二級結構時，先辨認毛髮的主要蛋白質：

$$\text{Human hair} \longrightarrow \text{keratin（角蛋白）}$$

角蛋白的典型二級結構為 $\alpha$-helix。其結構由同一條多胜肽主鏈內的氫鍵穩定，常見形式是第 $i$ 個胺基酸殘基的羰基氧，與第 $i+4$ 個胺基酸殘基的胺基氫形成氫鍵。

角蛋白分子中的半胱胺酸（cysteine）還可形成二硫鍵：

$$2\ce{R-SH} \longrightarrow \ce{R-S-S-R} + 2\ce{H+} + 2\ce{e-}$$

二硫鍵會影響毛髮的強度、捲曲程度與耐久性，但二硫鍵屬於蛋白質較高層次結構的穩定因素，不能因此將毛髮的二級結構判定為其他選項。題目所問的核心仍是角蛋白主鏈的主要局部構形。

選項分析

(A) $\alpha$-helix：正確

核心觀念

本題考查蛋白質的二級結構（secondary structure），以及蜘蛛絲主要結構蛋白 spidroin（蜘蛛絲蛋白） 的分子排列。

蛋白質二級結構主要由胜肽骨架之間的氫鍵穩定，包括：

• $\alpha$-helix（$\alpha$-螺旋）
• $\beta$-sheet（$\beta$-摺板）
• $\beta$-turn（$\beta$-轉角）
• Random coil（隨機線圈）

蜘蛛絲的高強度與高韌性，主要來自 spidroin 中高度規則排列的 $\beta$-sheet nanocrystals（$\beta$-摺板奈米晶體）。其中，胜肽骨架的羰基與胺基之間形成大量氫鍵，使蛋白質鏈排列成穩定的摺板結構。

蜘蛛絲蛋白常含有富含 alanine（丙胺酸）的重複序列，這些區域容易形成緊密排列的 $\beta$-sheet，提供蜘蛛絲主要的拉伸強度。

解題方法

看到題目詢問「蜘蛛絲由哪一種蛋白質二級結構構成」，應直接聯想到：

$$\text{Spider silk} \longrightarrow \text{spidroin} \longrightarrow \beta\text{-sheet}$$

判斷依據如下：

1. 蜘蛛絲需要具備高抗拉強度。
2. 規則排列的 $\beta$-sheet 可藉由大量骨架氫鍵形成緊密結構。
3. spidroin 中的 polyalanine（多丙胺酸）區段會形成 $\beta$-sheet 奈米晶體。
4. 這些奈米晶體分散於較具彈性的非晶區域，共同造成蜘蛛絲兼具強度與延展性。

因此，本題的標準答案是 $\beta$-sheet。

選項分析

(A) $\alpha$-helix

$\alpha$-helix 是由同一條多胜肽鏈內的氫鍵穩定形成的螺旋結構，典型特徵是每一圈約含 $3.6$ 個胺基酸。

核心觀念

本題考查「蛋白質折疊（protein folding）」所涉及的蛋白質種類與功能。

新生多胜肽鏈由核糖體合成後，必須經由正確的三維折疊，形成具有生物活性的天然構形（native conformation）。蛋白質折疊主要受到胺基酸序列所決定，並由疏水作用、氫鍵、離子鍵及二硫鍵等交互作用共同穩定。

部分蛋白質可自行折疊；但在細胞內，許多新生蛋白質或受損蛋白質需要分子伴護蛋白協助，以避免錯誤折疊與聚集。參與此過程的主要蛋白質包括：

• Chaperone proteins（分子伴護蛋白）：與未折疊或部分折疊的蛋白質結合，協助其維持適當狀態，防止疏水區域彼此聚集。
• Chaperonins（伴護素）：屬於特殊型態的分子伴護蛋白，通常形成桶狀複合體，提供隔離的折疊腔室，使蛋白質在適當環境中完成折疊，常需 ATP 參與。

典型例子包括細菌的 GroEL/GroES 系統，以及真核細胞中的 Hsp60。其作用位置是在「新生多胜肽鏈形成後、取得正確三維構形」這一步驟。

解題方法

判斷選項是否為蛋白質折疊相關蛋白質，應檢查該蛋白質的主要生物功能：

1. 是否專門協助其他蛋白質折疊？
2. 是否能防止未折疊蛋白質聚集？
3. 是否提供蛋白質折疊所需的隔離環境？

符合上述功能者，即屬於 protein folding 的關鍵蛋白質。只有 Chaperonins and chaperone proteins 符合。

選項分析

(A) Ribonuclease A（核糖核酸酶 A）

Ribonuclease A 是催化 RNA 水解的酵素，可切斷 RNA 中的磷酸二酯鍵，使 RNA 分解。

它在蛋白質結構研究史上非常重要。Anfinsen 的實驗顯示，變性後的 Ribonuclease A 在適當條件下能依靠自身胺基酸序列重新折疊，恢復酵素活性，證明蛋白質的天然構形主要由其胺基酸序列決定。

但 Ribonuclease A 本身並不是協助其他蛋白質折疊的分子伴護蛋白，因此不是本題所問的答案。

判定：錯誤。

核心觀念

本題考查「蛋白質變性（protein denaturation）」與「可逆性變性（reversible denaturation）」的區別。

蛋白質變性是指蛋白質的天然三維構形遭到破壞，使其失去正常功能，但通常不涉及胜肽鍵的大量斷裂。因此，若變性劑移除後，蛋白質仍能依據原有的胺基酸序列重新摺疊並恢復活性，即稱為可逆性變性。

蛋白質構形主要由下列作用力維持：

• 氫鍵（hydrogen bonds）
• 離子作用與鹽橋（ionic interactions、salt bridges）
• 疏水作用（hydrophobic interactions）
• 范德華力（van der Waals forces）
• 二硫鍵（disulfide bonds）

其中，尿素（urea，$\ce{CO(NH2)2}$）與胍鹽（guanidinium，例如 guanidinium chloride）是經典的可逆性蛋白質變性劑。它們主要破壞蛋白質的非共價作用力；移除變性劑後，在適當條件下蛋白質可重新摺疊。

解題方法

判斷本題的關鍵，是找出「主要破壞非共價作用力，且移除後容易恢復天然構形」的變性劑。

尿素與胍鹽的作用包括：

1. 干擾蛋白質內部及蛋白質與水之間的氫鍵。
2. 削弱疏水作用，使原本埋藏於蛋白質內部的疏水性胺基酸暴露。
3. 干擾帶電基團之間的靜電作用。
4. 通常不直接破壞蛋白質的胜肽骨架。

因此，若蛋白質尚未聚集、沉澱，也未發生共價鍵修飾，移除尿素或胍鹽後可重新摺疊，恢復天然構形與生物活性。

相較之下，強酸、強鹼及有機溶劑雖然也能造成蛋白質變性，但在題目的一般分類中，較容易伴隨沉澱、聚集或化學修飾，故不列為典型的可逆性變性劑。

選項分析

(A) Acid or alkaline

核心觀念

蛋白質三級結構（protein tertiary structure）是指單一多胜肽鏈在三維空間中的整體摺疊構形。其形成與穩定主要依靠胺基酸側鏈之間的多種作用力，包括：

• 疏水作用（hydrophobic interaction）
• 靜電作用（electrostatic interaction）
• 氫鍵（hydrogen bonds）
• 范德華力（van der Waals forces）
• 部分蛋白質中的二硫鍵（disulfide bond）

本題列出的前三者都參與三級結構的形成與穩定，因此應選「All of the above」。

解題方法

判斷此題的關鍵，是確認各選項所描述的作用力是否能促進蛋白質多胜肽鏈摺疊成特定的三級構形。

在水溶液中，蛋白質通常會將疏水性側鏈埋藏於分子內部，將親水性或帶電側鏈暴露於水相。摺疊後，側鏈彼此之間形成氫鍵與靜電作用，進一步穩定特定構形。

其中：

• 疏水作用通常是蛋白質摺疊最重要的主要驅動因素。
• 氫鍵與靜電作用則協助決定摺疊後的精確排列，並穩定三級結構。
• 若含有半胱胺酸（cysteine），其側鏈可形成二硫鍵，但本題沒有列出此選項。

因此，三個個別作用力皆與三級結構有關，答案為全選。

選項分析

(A) Hydrophobic interaction

正確。

疏水性胺基酸側鏈，例如 valine、leucine、isoleucine、phenylalanine 等，會傾向聚集於蛋白質內部，避免與水接觸。這種疏水性側鏈向內、親水性側鏈向外的摺疊，能降低疏水表面暴露於水的程度。

核心觀念

本題考查酵素（enzyme）的基本特性：

1. 絕大多數酵素是蛋白質，少數催化性 RNA 稱為核酶（ribozyme）。
2. 酵素透過穩定過渡態（transition state）降低活化能（activation energy, $E_a$），加快反應速率。
3. 酵素不會改變反應的自由能變化 $\Delta G$、平衡常數 $K_{\mathrm{eq}}$，也不會改變反應平衡的位置。
4. 酵素可同時加速正向與逆向反應，因此不能說酵素「偏好生成物」或「促使平衡往生成物方向移動」。

解題方法

先判斷各敘述是否符合酵素的三項核心定義：

• 組成：多數為蛋白質。
• 作用機制：降低活化能、加快反應速率。
• 平衡影響：不改變反應的平衡方向與平衡位置。

本題中，只有「Enzymes favor the formation of products」違反酵素不改變化學平衡的原則，因此選 $B$。

選項分析

(A) Most enzymes are proteins.

正確。大多數酵素由蛋白質構成，其特定的三維結構形成活性部位（active site），可與受質（substrate）形成酵素—受質複合體（enzyme–substrate complex）。

少數 RNA 也具有催化功能，例如核糖體中的部分 rRNA 可催化胜肽鍵形成，這類 RNA 酵素稱為核酶。因此題目使用「most」而非「all」，敘述正確。

(B) Enzymes favor the formation of products.

錯誤。酵素能降低正向反應與逆向反應的活化能，使反應更快達到平衡，但不會改變平衡位置。

對於可逆反應：

核心觀念

本題考查酵素的三項基本特性：

1. 受質專一性（substrate specificity）
2. 活性部位（active site）與受質的結合
3. 酵素對過渡態（transition state）的穩定作用

酵素反應可概括為：

$$\ce{E + S <=> ES -> E + P}$$

其中：

• $\ce{E}$：酵素（enzyme）
• $\ce{S}$：受質（substrate）
• $\ce{ES}$：酵素—受質複合體
• $\ce{P}$：產物（product）

酵素的主要功能不是改變反應的自由能變化 $\Delta G$，也不是改變平衡常數，而是降低活化能 $E_a$，使反應速率加快。酵素活性部位會以氫鍵、離子作用、疏水作用及凡得瓦力等非共價作用力辨認受質，並特別穩定反應過程中的過渡態。

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解題方法

本題是單選題，可依序檢查各敘述是否符合酵素的基本原理：

• 是否符合酵素的受質專一性？
• 酵素是否必然對受質的結合力大於對產物的結合力？
• 酵素活性部位是否完全不與產物結合？

其中第一項是酵素的標準特性；後兩項則混淆了「酵素與受質的辨認」以及「酵素對過渡態的高親和力」。

酵素最理想的設計，是對過渡態具有很高的親和力，而不是單純對受質或產物具有最高親和力。若酵素對受質結合得過度穩定，反而可能使受質難以轉變成過渡態，降低催化效率。

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選項分析

(A) An enzyme has specificity toward its substrates.

正確。

酵素通常對受質具有專一性。活性部位的形狀、電荷分布、極性及疏水性，會選擇性地辨認特定受質。此概念可由「鎖鑰模型（lock-and-key model）」及「誘導契合模型（induced-fit model）」說明。

以 hexokinase（己糖激酶） 為例，它主要催化葡萄糖或其他特定己糖的磷酸化反應：

$$\ce{Glucose + ATP ->[hexokinase] Glucose-6-phosphate + ADP}$$

酵素的活性部位必須同時適合受質的結構與反應所需的官能基排列，因此不是所有分子都能與該酵素有效結合並進行反應。

「專一性」不一定表示只能辨認單一分子。有些酵素可辨認結構相近的一群受質，但仍具有明確的選擇範圍，因此 (A) 的敘述成立。

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(B) An enzyme binds to the substrate better than the product.

錯誤。

核心觀念

本題考查酵素的「底物結合特異性」與「過渡態穩定化」概念。

酵素催化反應可簡化表示為：

$$\ce{E + S <=> ES -> EP -> E + P}$$

其中：

• $E$：酵素（enzyme）
• $S$：底物（substrate）
• $ES$：酵素－底物複合體
• $P$：產物（product）
• $TS^\ddagger$：過渡態（transition state）

酵素的主要功能不是單純讓底物更容易與自己結合，而是降低反應的活化自由能 $\Delta G^\ddagger$。酵素活性部位通常對反應的過渡態具有最高的互補性，因此對過渡態的結合與穩定作用最強。

$$\Delta G^\ddagger_{\text{enzyme}} < \Delta G^\ddagger_{\text{uncatalyzed}}$$

酵素降低的是活化能，不會改變整體反應的標準自由能變化 $\Delta G^\circ$，也不會改變反應平衡常數。

必須嚴格區分：

• 過渡態（transition state）：活化能最高、壽命極短的瞬間構形。
• 反應中間物（reaction intermediate）：位於兩個過渡態之間、具有相對可辨識結構的反應物種。

因此，「reaction intermediate」不等同於「transition state」。

解題方法

判斷此題的關鍵，是找出酵素親和力最高的對象。

酵素活性部位經由氫鍵、離子作用、疏水作用及凡得瓦力等非共價作用，選擇性地穩定反應過渡態。過渡態被穩定後，反應所需的活化自由能下降，反應速率因而提高。

標準觀念是：

$$\text{酵素對過渡態的親和力} > \text{酵素對底物的親和力}$$

題目提供的三個對象是 substrate、reaction intermediate 與 product，並未列出 transition state。由於反應中間物不是過渡態，不能把「reaction intermediate」直接視為酵素親和力最高的對象，因此三個選項均不符合標準答案，應選 None of the above。

選項分析

（A）The substrate

錯誤。

核心觀念

酵素降低反應活化能的本質，是在反應物轉變為產物的過程中，穩定反應的過渡態（transition state），使反應走一條活化能較低的替代路徑。

反應速率主要取決於活化自由能 $\Delta G^{\ddagger}$：

$$\Delta G^{\ddagger}=G_{\text{transition state}}-G_{\text{reactant}}$$

酵素可藉由活性部位（active site）的胺基酸側鏈，提供適當的空間排列、電荷環境、氫鍵、疏水作用與酸鹼催化，使過渡態受到較強的穩定作用。因此，酵素降低的是 $\Delta G^{\ddagger}$，並不改變整體反應的標準自由能變化 $\Delta G$，也不改變反應平衡常數。

一般反應模式可表示為：

$$\ce{E + S <=> ES ->[enzyme catalysis] ES^{\ddagger} -> EP -> E + P}$$

其中：

• $\ce{E}$：酵素（enzyme）
• $\ce{S}$：受質（substrate）
• $\ce{ES}$：酵素—受質複合體
• $\ce{ES^{\ddagger}}$：接近過渡態的複合體
• $\ce{EP}$：酵素—產物複合體
• $\ce{P}$：產物（product）

本題沒有指定特定代謝途徑或酵素，考的是酵素催化的一般原理，關鍵步驟是「受質經由過渡態轉變為產物」這一步。

解題方法

判斷各選項時，應先抓住一個原則：

酵素不是單純把受質抓得越緊越好，而是要優先穩定反應過渡態。

若酵素對基態受質結合得過於牢固，受質反而不易離開原本的穩定狀態，轉變成過渡態所需的能量可能上升。因此，正確敘述必須涉及活性部位對過渡態的互補與穩定。

選項分析

(A) By lowering the entropy

錯誤。

「降低熵」並不是酵素降低活化能的正確總結。酵素確實可能透過固定受質的位置與方向，減少受質彼此碰撞時的無效排列，使反應具有較有利的幾何構型；此作用可降低反應所需的熵成本。

但從熱力學而言，單純降低系統熵並不代表反應更容易進行，且「降低熵」不是酵素催化的核心機制。真正關鍵是活性部位對過渡態的穩定作用。

(B) By binding to the substrate firmly

錯誤。

核心觀念

本題考查可逆性酵素抑制（reversible enzyme inhibition）中，抑制劑（inhibitor）與酵素（enzyme）及酵素—受質複合體（enzyme–substrate complex, ES）的結合對象。

基本反應為：

$$\ce{E + S <=> ES -> E + P}$$

其中：

• $\ce{E}$：游離酵素（free enzyme）
• $\ce{S}$：受質（substrate）
• $\ce{ES}$：酵素—受質複合體
• $\ce{P}$：產物（product）

三種典型抑制機制如下：

抑制類型	抑制劑結合對象	主要特徵
Competitive inhibition 競爭性抑制	游離酵素 $\ce{E}$，通常占據 active site	與受質競爭
Uncompetitive inhibition 反競爭性抑制	僅 $\ce{ES}$	只與酵素—受質複合體結合
Noncompetitive inhibition 非競爭性抑制	$\ce{E}$ 與 $\ce{ES}$ 均可結合	不必占據 active site

競爭性抑制的速率式為：

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

其中競爭性抑制會使表觀 $K_m$ 增加，但 $V_{\max}$ 不變。

反競爭性抑制會同時降低表觀 $K_m$ 與 $V_{\max}$：

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

非競爭性抑制在純粹的經典定義下，抑制劑對 $\ce{E}$ 與 $\ce{ES}$ 的親和力相同，因此 $V_{\max}$ 降低，而 $K_m$ 不變。

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解題方法

本題不需計算，直接依照「抑制劑結合對象」判斷。

判斷順序如下：

1. 只與游離酵素的 active site 結合：競爭性抑制。
2. 只與 $\ce{ES}$ 結合：反競爭性抑制。
3. 同時可與 $\ce{E}$ 和 $\ce{ES}$ 結合：非競爭性抑制。

將題目三個敘述逐一比對即可。

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選項分析

(A) If the inhibitor binds to the active site, it is a competitive inhibitor.

正確。

競爭性抑制劑通常與受質競爭酵素的 active site。由於抑制劑與受質爭奪同一結合位置，受質濃度提高時，可降低抑制作用。

在標準可逆性抑制的分類中，抑制劑若占據受質的活性部位，即判定為 competitive inhibitor。

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核心觀念

本題考查符合 Michaelis–Menten kinetics（米氏動力學） 的酵素，在不同基質濃度下的初始反應速率。

其基本反應機轉為：

$$\ce{E + S <=> ES -> E + P}$$

其中：

• $\ce{E}$：游離酵素
• $\ce{S}$：基質
• $\ce{ES}$：酵素—基質複合體
• $\ce{P}$：產物
• $V_{\max}$：酵素被基質完全飽和時的最大初始速率
• $K_m$：使反應速率達到 $0.5V_{\max}$ 時的基質濃度

Michaelis–Menten 方程式為：

$$v_0=\frac{V_{\max}[S]}{K_m+[S]}$$

其中 $v_0$ 表示初始速度，$[S]$ 表示基質濃度。

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解題方法

題目指出基質濃度是其 $K_m$ 的兩倍，因此：

$$[S]=2K_m$$

代入 Michaelis–Menten 方程式：

$$v_0=\frac{V_{\max}(2K_m)}{K_m+2K_m}$$

整理分母：

$$v_0=\frac{2K_mV_{\max}}{3K_m}$$

約去 $K_m$：

$$v_0=\frac{2}{3}V_{\max}$$

換算為小數：

$$v_0\approx 0.667V_{\max}$$

因此正確答案為選項 B。

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選項分析

(A) $0.5V_{\max}$：錯誤

當基質濃度為 $K_m$ 時，反應速率才是：

$$v_0=\frac{V_{\max}K_m}{K_m+K_m} =\frac{1}{2}V_{\max}$$

本題的基質濃度是 $2K_m$，不是 $K_m$，所以速率會高於 $0.5V_{\max}$。

(B) $0.667V_{\max}$：正確

代入 $[S]=2K_m$：

核心觀念

本題考查 Michaelis–Menten enzyme kinetics（米氏酵素動力學）。

酵素反應速率可由 Michaelis–Menten equation（米氏方程式）表示：

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

其中：

• $v$：當下的反應速率
• $V_{\max}$：酵素達到飽和時的最大反應速率
• $[S]$：substrate（受質）濃度
• $K_m$：Michaelis constant（米氏常數），代表反應速率達到 $\frac{1}{2}V_{\max}$ 時的受質濃度

本題未涉及特定代謝途徑或反應機轉，重點在於將 $V_{\max}$、$K_m$ 與 $[S]$ 代入米氏方程式。

解題方法

題目給定：

$$V_{\max}=10\ \text{units}$$ $$K_m=8\ \text{mM}$$ $$[S]=4\ \text{mM}$$

代入公式：

$$v=\frac{(10)(4)}{8+4}$$

先計算分母：

$$8+4=12$$

因此：

$$v=\frac{40}{12}=3.33\ \text{units}$$

所以酵素催化反應的速率為 $3.33$ units。

選項分析

核心觀念

本題考查不同抑制作用對 Michaelis–Menten 動力學參數 $K_m$ 與 $V_{\max}$ 的影響。

$K_m$ 可視為酵素反應速率達到最大速率一半時所需的底物濃度：

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

在經典定義中，$K_m$ 反映酵素對底物的表觀親和力；$K_m$ 增加表示達到相同反應速率需要較高底物濃度，$K_m$ 減少則表示表觀親和力增加。

題目問的是哪一種抑制劑對酵素 $K_m$ 的影響最小。關鍵在於判斷哪一種抑制作用使 $K_m$ 維持不變。

解題方法

各類抑制作用的表觀參數如下：

抑制類型	抑制劑結合位置	$K_m$ 的變化	$V_{\max}$ 的變化
Competitive	只與游離酵素 $E$ 結合	增加	不變
Uncompetitive	只與酵素－底物複合體 $ES$ 結合	減少	減少
Mixed type	可與 $E$ 及 $ES$ 結合，但親和力不同	增加或減少	減少
Pure noncompetitive	與 $E$ 及 $ES$ 等親和力結合	不變	減少

純粹的 noncompetitive inhibition 是 mixed inhibition 的特殊情況。若抑制劑對 $E$ 與 $ES$ 的結合親和力相同，則：

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

但因為部分酵素被抑制劑封存為無催化活性的複合體，故：

$$V_{\max,\mathrm{app}}<V_{\max}$$

因此，對 $K_m$ 幾乎沒有影響的是 Noncompetitive inhibitor。

選項分析

(A) Competitive

Competitive inhibitor（競爭型抑制劑）與底物競爭酵素的活性位：

$$E+I\rightleftharpoons EI$$

底物與抑制劑競爭同一結合位置，因此提高底物濃度可以克服抑制作用。

其動力學結果為：

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

其中 $\alpha>1$，所以表觀 $K_m$ 增加；$V_{\max}$ 維持不變。

因此會明顯影響 $K_m$，不是本題答案。

(B) Uncompetitive

Uncompetitive inhibitor（反競爭型抑制劑）只與酵素－底物複合體結合：

$$ES+I\rightleftharpoons ESI$$

抑制劑必須等底物先與酵素結合後才可作用。其結果為：

核心觀念

本題考查酵素抑制作用對 Michaelis–Menten 動力學參數的影響，重點是判斷哪一類抑制劑對 $V_{\max}$ 的影響最小。

$V_{\max}$ 是在受質濃度足夠高、酵素完全被受質占據時的最大反應速率。各類抑制作用的關鍵差異，在於抑制劑是否能與游離酵素 $E$、酵素—受質複合體 $ES$ 結合。

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解題方法

直接比較各類抑制作用下的表觀 $V_{\max}$：

• Competitive inhibition：抑制劑只與游離酵素 $E$ 結合。
• Uncompetitive inhibition：抑制劑只與 $ES$ 結合。
• Mixed inhibition：抑制劑可與 $E$ 及 $ES$ 結合，但親和力不同。
• Pure noncompetitive inhibition：抑制劑可同等地與 $E$ 及 $ES$ 結合。

競爭型抑制的速率方程式為：

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

其中 $\alpha=1+\frac{[I]}{K_i}$。由此可見，抑制劑只會使表觀 $K_m$ 增加，$V_{\max}$ 不變。當 $[S]$ 足夠高時，受質可排除抑制劑的競爭，反應仍可達到原本的最大速率。

因此，對 $V_{\max}$ 影響最小的是 Competitive inhibitor。

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選項分析

(A) Competitive：正確

Competitive inhibitor（競爭型抑制劑）與受質競爭游離酵素的活性部位：

$$E+I\rightleftharpoons EI$$

由於抑制劑與受質競爭同一結合位置，提高 $[S]$ 即可減少抑制劑的影響。因此：

• 表觀 $K_m$ 增加
• $V_{\max}$ 不變
• Lineweaver–Burk plot 中，各直線在 $y$ 軸具有相同截距

這是四個選項中對 $V_{\max}$ 影響最小的情況。

(B) Uncompetitive：錯誤

Uncompetitive inhibitor（反競爭型抑制劑）只與酵素—受質複合體結合：

$$ES+I\rightleftharpoons ESI$$

抑制劑會將 $ES$ 捕捉成無法產生產物的 $ESI$，即使提高受質濃度，也不能解除抑制。因此：

核心觀念

本題考查蛋白質水解後，胺基酸側鏈官能基是否會發生改變，以及胺基酸定量分析中的「低估」現象。

Asparagine（天門冬醯胺，Asn，單字母代號 N）與 Glutamine（麩醯胺，Gln，單字母代號 Q）的側鏈分別含有醯胺基：

• Asn：$\ce{-CH2-CONH2}$
• Gln：$\ce{-CH2-CH2-CONH2}$

在強鹼水解條件下，醯胺側鏈會發生水解與去醯胺化（deamidation），分別轉變為羧酸：

$$\ce{Asn ->[OH^-] Asp + NH3}$$ $$\ce{Gln ->[OH^-] Glu + NH3}$$

因此，原本存在於蛋白質中的 Asn 與 Gln 會被轉換成 Asp 與 Glu。進行胺基酸組成分析時，無法完整測得原始的 Asn、Gln 含量，故 N 與 Q 會被低估。

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解題方法

先將選項中的單字母胺基酸代號換成完整名稱：

代號	胺基酸
D	Aspartate，天門冬胺酸
E	Glutamate，麩胺酸
N	Asparagine，天門冬醯胺
Q	Glutamine，麩醯胺

接著辨認側鏈結構：

• N、Q 含有醯胺基 $\ce{-CONH2}$，在強鹼中會水解。
• D、E 本身已是羧酸型側鏈，不會再經由上述反應轉換成其他選項中的胺基酸。

所以：

$$\ce{N -> D}$$ $$\ce{Q -> E}$$

核心觀念

本題考查 DNA、RNA 中含氮鹼基（nitrogenous bases）的分類：

• Purines（嘌呤）：Adenine（腺嘌呤，A）、Guanine（鳥嘌呤，G）
• Pyrimidines（嘧啶）：Cytosine（胞嘧啶，C）、Thymine（胸腺嘧啶，T）

「Nucleoside（核苷）」由含氮鹼基與五碳糖組成；題目選項以 A、G、C、T 代表其所含的含氮鹼基。判斷兩者是否皆為 purines，即可解題。

解題方法

逐一辨認選項中的兩個鹼基：

$$\text{Purines} = \text{Adenine (A)} + \text{Guanine (G)}$$ $$\text{Pyrimidines} = \text{Cytosine (C)} + \text{Thymine (T)}$$

題目要求「contain both purines」，意思是該選項中的兩個鹼基都必須屬於 purine。因此只需尋找同時由 A 與 G 組成的選項。

選項分析

(A) C, T

核心觀念

本題考核「核苷（nucleoside）」在 DNA 與 RNA 中的分布。

核苷由含氮鹼基與五碳糖組成，不含磷酸；若再接上磷酸，則稱為核苷酸（nucleotide）。

RNA 的主要核苷為：

• Uridine（尿苷）：含 uracil（尿嘧啶，U）
• Cytidine（胞苷）：含 cytosine（胞嘧啶，C）
• Guanosine（鳥苷）：含 guanine（鳥嘌呤，G）
• Adenosine（腺苷）：含 adenine（腺嘌呤，A）

DNA 的特徵性鹼基為 thymine（胸腺嘧啶，T），其相應核苷為 thymidine（胸腺苷，嚴格而言通常指 deoxythymidine）。

RNA 一般使用 uracil 取代 thymine，因此 thymidine 並非 RNA 的常見核苷。不過部分 RNA，尤其是 tRNA，會在轉錄後修飾形成少量的 ribothymidine，也稱為 5-methyluridine（5-甲基尿苷），因此可說 thymidine 類核苷在 RNA 中很少見。

解題方法

先辨認各選項所代表的含氮鹼基，再比較其在 RNA 中是否為主要成分。

RNA 的基本鹼基組成為：

$$A,\ U,\ C,\ G$$

其中 thymine 通常不屬於 RNA 的基本鹼基。RNA 的某些鹼基可經由轉錄後修飾形成稀有鹼基，例如 uridine 可被甲基化形成 ribothymidine：

核心觀念

DNA 與 RNA 的基本差異，主要由其中的五碳糖決定：

• DNA 含有 deoxyribose（去氧核糖）
• RNA 含有 ribose（核糖）

兩者的差異位於糖的 $2'$ 碳：

• 核糖在 $2'$ 碳具有羥基 $-\ce{OH}$
• 去氧核糖在 $2'$ 碳僅具有氫 $-\ce{H}$

因此，核苷酸的組成可表示為：

$$\text{Nucleotide}=\text{含氮鹼基}+\text{五碳糖}+\text{磷酸基}$$

其中，五碳糖是判定該核酸屬於 DNA 或 RNA 的關鍵部分。

解題方法

判斷本題應先找出 DNA 與 RNA 的定義性差異，再逐一比對選項。

DNA 與 RNA 都具有：

• 含氮鹼基
• 五碳糖
• 磷酸基

含氮鹼基可分為 purines（嘌呤）與 pyrimidines（嘧啶），但這兩類鹼基都能出現在 DNA 與 RNA 中，因此不能用來區分兩者。

真正的區別是：

$$\text{DNA} \longrightarrow \text{deoxyribose}$$ $$\text{RNA} \longrightarrow \text{ribose}$$

題目選項中以 Ribose 代表五碳糖，因此正確答案為 (C)。

選項分析

(A) Purines

錯誤。

Purines（嘌呤）是雙環含氮鹼基，包括：

• Adenine（腺嘌呤，A）
• Guanine（鳥嘌呤，G）

Adenine 與 guanine 同時存在於 DNA 和 RNA 中。例如：

• DNA：A、G、C、T
• RNA：A、G、C、U

因此，purines 並不能決定核酸是 DNA 還是 RNA。

(B) Pyrimidines

錯誤。

Pyrimidines（嘧啶）是單環含氮鹼基，包括：

• Cytosine（胞嘧啶，C）：DNA 與 RNA 皆有
• Thymine（胸腺嘧啶，T）：主要出現在 DNA
• Uracil（尿嘧啶，U）：主要出現在 RNA

雖然 thymine 與 uracil 常可協助辨識 DNA 和 RNA，但本題問的是 nucleotide 的哪一個部分「決定」其屬於 DNA 或 RNA。生化定義上，DNA 與 RNA 的根本差異在於五碳糖，而非含氮鹼基本身。

核心觀念

本題考查 ATP（adenosine triphosphate，三磷酸腺苷）的高能磷酸鍵來源，以及細胞如何以 ATP、ADP、AMP 的比例表示整體能量狀態。

ATP 的結構由三部分組成：

• Adenine（腺嘌呤）：屬於 purine（嘌呤）
• Ribose（核糖）
• 三個磷酸基團：$\alpha$、$\beta$、$\gamma$ phosphate

ATP 的能量主要與磷酸基團之間的 phosphoanhydride bonds（磷酸酐鍵） 有關，特別是：

• $\alpha$ 與 $\beta$ 磷酸之間的磷酸酐鍵
• $\beta$ 與 $\gamma$ 磷酸之間的磷酸酐鍵

ATP 水解時，常見反應為：

$$\ce{ATP + H2O -> ADP + Pi}$$

此反應具有負的 Gibbs free energy，能釋放可供細胞利用的自由能。

解題方法

判斷 ATP 哪一部分貢獻其 energy charge（能量電荷），關鍵在於先確認 energy charge 的定義：

$$\text{Energy charge} = \frac{[\ce{ATP}] + \frac{1}{2}[\ce{ADP}]} {[\ce{ATP}] + [\ce{ADP}] + [\ce{AMP}]}$$

此公式反映 adenylate pool（腺苷酸庫）中磷酸化程度：

• ATP 含有兩個高能磷酸酐鍵，代表高度磷酸化狀態
• ADP 含有一個磷酸酐鍵，故計為 $\frac{1}{2}$
• AMP 不含磷酸酐鍵，故計為 $0$

因此，energy charge 的本質是由 磷酸基團之間的磷酸酐鍵與磷酸化程度 所決定，而不是由含氮鹼基或核糖本身直接決定。

選項分析

(A) Purines

錯誤。

ATP 中的 adenine（腺嘌呤）確實屬於 purine，但 purine 只是含氮鹼基，主要功能是作為核苷酸的結構組成部分。

核心觀念

本題考查含氮鹼基的分類：

• Purine（嘌呤）：由一個六員環與一個五員環融合而成，代表性鹼基為 Adenine（腺嘌呤，A） 與 Guanine（鳥嘌呤，G）。
• Pyrimidine（嘧啶）：只有一個六員含氮環，代表性鹼基為 Cytosine（胞嘧啶，C）、Thymine（胸腺嘧啶，T）與 Uracil（尿嘧啶，U）。

DNA 與 RNA 中的鹼基分類如下：

類別	鹼基
Purine	Adenine、Guanine
Pyrimidine	Cytosine、Thymine、Uracil

此外，**Inosine（肌苷）**嚴格來說是核苷（nucleoside），由 Hypoxanthine（次黃嘌呤）與 Ribose（核糖）組成；其含氮鹼基部分 Hypoxanthine 屬於 purine。

解題方法

先判斷各選項是：

1. 直接列出的含氮鹼基；
2. 還是由鹼基與糖組成的核苷。

再依照環狀結構分類：

• 具有嘌呤雙環骨架者，歸為 purine。
• 具有嘧啶單環骨架者，歸為 pyrimidine。

本題不需要計算，也不涉及嘌呤合成或分解途徑；關鍵在於辨認 Cytosine 的分類，以及理解 Inosine 雖是核苷，但其鹼基部分屬於 purine。

選項分析

(A) Adenine

Adenine（腺嘌呤）是典型的 purine base（嘌呤鹼基），具有嘌呤雙環結構。

在核苷酸中：

• Adenine 加 Ribose 形成 Adenosine（腺苷）。
• Adenosine 再接上磷酸基團，可形成 AMP、ADP、ATP。

因此，Adenine 是 purine，選項正確但不是題目所求。

(B) Cytosine

Cytosine（胞嘧啶）是 pyrimidine base（嘧啶鹼基），只有一個六員含氮環，並非嘌呤。

在核酸中：

核心觀念

本題考查核酸鹼基配對的穩定性，主要比較：

1. 氫鍵數目
2. 鹼基配對的幾何形狀與配對精確度
3. 鹼基堆疊作用（base stacking）

在一般生理條件與標準 Watson–Crick 配對中：

• $\ce{G}$ 與 $\ce{C}$ 形成 3 條氫鍵
• $\ce{A}$ 與 $\ce{T}$ 形成 2 條氫鍵

因此，GC 配對通常比 AT 配對穩定。若以 DNA 的去氧核苷酸表示，$\ce{dC}$ 與 $\ce{dG}$ 即代表胞嘧啶與鳥嘌呤的配對。

解題方法

先判斷各選項是否屬於標準 Watson–Crick 配對，再比較氫鍵數目與配對穩定性。

標準配對如下：

$$\ce{G \bond{...} C}$$

形成 3 條氫鍵：

• $\ce{G}$ 的 $\ce{N-H}$ 作為氫鍵供體，與 $\ce{C}$ 的 $\ce{N}$ 配對
• $\ce{G}$ 的羰基氧 $\ce{O}$ 作為受體，與 $\ce{C}$ 的胺基 $\ce{N-H}$ 配對
• $\ce{C}$ 的另一個 $\ce{N-H}$ 與 $\ce{G}$ 的環氮配對

相較之下：

$$\ce{A \bond{...} T}$$

僅形成 2 條氫鍵。因此在其他條件相近時，GC 配對具有較高的熱穩定性與解鏈溫度。

選項分析

(A) dC, dG

正確。

$\ce{dC}$ 與 $\ce{dG}$ 分別為 deoxycytidine 與 deoxyguanosine 的鹼基配對形式，對應 DNA 中的 C–G 配對。C–G 配對形成 3 條氫鍵，且具有穩定的 Watson–Crick 幾何構型。

因此，$\ce{dC}$–$\ce{dG}$ 配對比一般 AT 配對穩定。

(B) dA, dT

錯誤。

核心觀念

本題考查核酸的單股結構、互補鹼基配對與 hairpin structure（髮夾結構）。

Hairpin structure 是指單股核酸內部存在一段具有反向互補性的序列，使同一條核酸鏈自行摺疊，並透過分子內鹼基配對形成：

• stem（莖部）：由互補鹼基配對形成雙股區域。
• loop（環部）：無法配對的未配對區域。

RNA 的鹼基配對主要為：

$$\ce{A-U}$$ $$\ce{G-C}$$

部分情況下也可形成較弱的 wobble pair（搖擺配對）：

$$\ce{G-U}$$

形成髮夾結構的關鍵，不是核酸一定要是 DNA 或 RNA，而是必須有：

1. 單股區域可自由摺疊。
2. 同一分子內具有反向互補序列。
3. 互補鹼基能形成穩定的分子內氫鍵。

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解題方法

判斷髮夾結構時，先看核酸是否具有能夠自行摺疊的單股區域。

雙股核酸的兩條鏈已經彼此配對，分子內可供自行配對的空間較少；單股核酸則能將自身摺回，使序列中的互補鹼基互相配對。因此，髮夾結構最常見於：

• ssRNA（單股 RNA）
• mRNA（信使 RNA）
• 具有反向重複序列的單股核酸

本題詢問的是「哪一種分子最可能形成」，在選項中最直接符合條件的是 ssRNA。

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選項分析

(A) dsDNA

dsDNA 是 double-stranded DNA（雙股 DNA），兩條 DNA 鏈已透過互補鹼基配對形成雙股螺旋：

$$\ce{A-T}$$ $$\ce{G-C}$$

由於 dsDNA 的鹼基大多已參與兩條鏈之間的配對，通常不會像單股 RNA 一樣自由摺疊形成典型髮夾結構。

若 DNA 局部解旋、產生單股區域，該區域仍可形成髮夾；但就完整的 dsDNA 而言，並非最典型答案。

因此 (A) 錯誤。

(B) mRNA

mRNA 是 messenger RNA（信使 RNA），本質上通常為單股 RNA，因此能透過分子內鹼基配對形成莖環結構。許多 mRNA 的 5′ untranslated region（5′ 非轉譯區）、coding region（編碼區）及 3′ untranslated region（3′ 非轉譯區）都可能具有二級結構。

例如，mRNA 的髮夾結構可能影響：

核心觀念

本題考查 DNA 雙股螺旋的熔解溫度（melting temperature, $T_m$）。$T_m$ 定義為 DNA 雙股螺旋約有一半解離成兩條單股 DNA 時的溫度。

DNA 變性時，主要破壞的是：

• 鹼基之間的氫鍵作用
• 相鄰鹼基的堆疊作用（base stacking）
• 雙股骨架間的靜電穩定作用

並非 DNA 共價骨架被切斷。影響 $T_m$ 的因素包括 DNA 長度、GC 含量、鹽濃度及 DNA 濃度等。

解題方法

逐一檢查各選項是否會改變 DNA 雙股螺旋的穩定性：

1. DNA 越穩定，必須提高越多溫度才能使其解離，因此 $T_m$ 越高。
2. GC 鹼基對的穩定性通常高於 AT 鹼基對，因此 GC 含量增加會提高 $T_m$。
3. 鹽離子可屏蔽 DNA 磷酸骨架的負電荷，降低雙股 DNA 之間的靜電排斥，因此鹽濃度增加會提高 $T_m$。
4. DNA 長度改變會影響雙股螺旋的整體穩定性，尤其對短 DNA 或寡核苷酸更明顯。

對短寡核苷酸，常用粗略估算式：

$$T_m \approx 2(A+T)+4(G+C)$$

此式顯示 $G+C$ 數量增加時，$T_m$ 會升高；但實際計算還需考慮鹽濃度、DNA 濃度、序列排列及鄰近鹼基堆疊效應。

選項分析

(A) Nucleotide length

正確。DNA 鏈長會影響雙股螺旋的穩定性。一般而言，DNA 越長，雙股之間的鹼基堆疊作用與總體穩定性越強，因此 $T_m$ 通常越高。

長度效應在短寡核苷酸中特別明顯；當 DNA 已經很長時，$T_m$ 對長度的增加不再呈現簡單的線性關係，還會受到序列組成與離子環境影響。

(B) C, G content