亞洲大學 108 年 《生物化學》

核心觀念

本題考查 Chymotrypsin（胰凝乳蛋白酶） 的催化三聯體（catalytic triad）。

Chymotrypsin 是一種 serine protease（絲胺酸蛋白酶），其催化三聯體由下列三個胺基酸組成：

• Ser195：Serine（絲胺酸）
• His57：Histidine（組胺酸）
• Asp102：Aspartate（天門冬胺酸）

三者透過氫鍵與質子轉移互相協同，使 Ser 的羥基具有足夠反應性，攻擊受質蛋白質的胜肽鍵羰基，促進胜肽鍵水解。

解題方法

看到題目問 Chymotrypsin 的 catalytic triad，直接記憶固定組合：

$$\text{Asp102--His57--Ser195}$$

其基本作用機轉如下：

1. Asp102 透過氫鍵穩定並調整 His57。
2. His57 作為一般鹼，接受 Ser195 羥基上的質子。
3. Ser195 形成較具親核性的 $\ce{O^-}$，攻擊受質胜肽鍵的羰基碳。
4. 形成四面體中間體，並經由 oxyanion hole（氧陰離子洞）穩定帶負電的氧。
5. 胜肽鍵斷裂後，酵素與受質形成短暫的 acyl-enzyme intermediate（醯基酵素中間體）。
6. 水分子進行第二次親核攻擊，完成去醯化並釋放胜肽產物，使 Ser195 恢復原狀。

因此，催化三聯體成員是：

$$\boxed{\text{Ser--His--Asp}}$$

核心觀念：生物膜的基本特性

生物膜主要由 脂質（lipids） 與 膜蛋白（membrane proteins） 組成，形成具有以下特徵的結構：

1. 脂質雙層（lipid bilayer）
2. 膜蛋白鑲嵌其中
3. 膜結構具有不對稱性（asymmetry）
4. 膜具有流動性（fluidity）
5. 脂質與蛋白質主要以非共價作用力維持整體結構

膜脂質的疏水性脂肪酸尾端朝向雙層內部，親水性頭部朝向細胞質或細胞外液。這種排列主要由疏水作用驅動，並受到凡得瓦力、氫鍵及靜電作用等影響。

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解題方法

本題要求找出「不正確」的生物膜敘述。判斷時可依序檢查：

• 生物膜的主要組成是否正確；
• 膜內分子彼此的連接方式是共價鍵還是非共價作用力；
• 生物膜是否具有內外層差異；
• 膜是否能進行側向移動而具有流動性。

其中最關鍵的判斷點是：膜脂質與膜蛋白形成的是動態組裝體，主要依靠非共價作用力，而非以共價鍵彼此固定。

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選項分析

(A) Membranes consist mainly of lipids and proteins.

此敘述正確。

生物膜的主要成分為：

• 脂質：包括 phospholipids（磷脂質）、cholesterol（膽固醇）及 glycolipids（醣脂質）。
• 蛋白質：包括 integral membrane proteins（整合膜蛋白）與 peripheral membrane proteins（周邊膜蛋白）。

此外，膜表面常有醣鏈，形成 glycoproteins（醣蛋白）與 glycolipids（醣脂質），但膜的主要骨架仍是脂質雙層，並由膜蛋白執行多數功能。

膜蛋白可擔任：

• 離子通道
• 運輸蛋白
• 受體
• 酵素
• 細胞黏附分子
• 細胞骨架連接蛋白

因此，生物膜主要由脂質與蛋白質構成，正確。

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(B) The constituent protein and lipid molecules are held together by covalent bonds in the membrane.

此敘述錯誤，為本題答案。

膜中的脂質分子與蛋白質分子彼此主要透過非共價作用力結合，包括：

• 疏水作用
• 靜電作用
• 氫鍵
• 凡得瓦力

例如，整合膜蛋白的疏水性胺基酸側鏈會與磷脂質的脂肪酸尾端接觸，這種嵌入與穩定作用主要是疏水作用，並非蛋白質與磷脂質之間形成大量共價鍵。

共價鍵主要存在於單一分子內部，例如：

• 蛋白質中的 peptide bonds（肽鍵）
• 脂肪酸與甘油間的 ester bonds（酯鍵）
• 脂質分子內的磷酸酯鍵
• 蛋白質結構中的 disulfide bonds（二硫鍵）

核心觀念

本題考查動物細胞膜的膜流動性（membrane fluidity）調節。細胞膜主要由磷脂雙層、膽固醇、醣脂質與膜蛋白構成，其中膽固醇（cholesterol）是動物細胞膜中最重要的流動性調節分子。

膜流動性會影響：

• 膜蛋白的移動與功能
• 細胞膜的融合與囊泡運輸
• 物質穿膜運輸
• 細胞訊息傳遞
• 細胞膜的完整性與穩定性

膽固醇具有兩性結構：

• 極性羥基（$\ce{-OH}$）靠近磷脂的親水性頭部
• 四環甾體骨架與烴鏈插入磷脂的疏水區

因此，膽固醇可嵌入磷脂雙層，依溫度調節膜的流動性與穩定性。

解題方法

判斷關鍵在於辨認「能直接調節磷脂雙層流動性」的分子。

膽固醇具有溫度緩衝作用（temperature-buffering effect）：

• 在較高溫度下，膽固醇限制磷脂分子的過度移動，使膜不會過度流動。
• 在較低溫度下，膽固醇阻止磷脂脂肪酸鏈緊密排列，避免膜凝固，維持一定流動性。

因此，膽固醇可同時防止膜在高溫下過度鬆散，也可防止膜在低溫下過度僵硬，是動物細胞膜流動性的主要調節者。

選項分析

(A) Glycolipids（醣脂質）

醣脂質由脂質與醣基所組成，主要分布於細胞膜外側，功能包括：

• 參與細胞辨識
• 形成細胞表面抗原
• 協助細胞黏附
• 參與受體與訊息傳遞

醣脂質不是動物細胞膜流動性的主要調節分子，因此本選項錯誤。

(B) Fatty acid（脂肪酸）

脂肪酸鏈的結構確實會影響膜流動性：

核心觀念

本題考查核酸（nucleic acid）的基本結構、互補配對、雙股螺旋與超螺旋（supercoiling）等概念。

核酸由三部分組成：

1. 含氮鹼基（nitrogenous base）
2. 五碳糖（pentose sugar）
3. 磷酸基團（phosphate group）

核苷酸（nucleotide）彼此以磷酸二酯鍵（phosphodiester bond）連接，形成具有方向性的糖—磷酸骨架（sugar–phosphate backbone）。鹼基則排列在骨架內側，透過互補鹼基配對形成雙股結構。

DNA 常見的螺旋型態包括：

• B-DNA：生理條件下最常見的形式。
• A-DNA：較短、較寬，常見於低水分條件及 DNA–RNA 雜合雙股。
• Z-DNA：左手螺旋，糖—磷酸骨架呈現鋸齒狀。

因此，DNA 並非只能存在於單一固定的螺旋形式。

解題方法

題幹問的是 NOT correct，必須找出錯誤敘述。

判斷順序如下：

1. 檢查核酸的基本組成與骨架結構。
2. 檢查互補序列是否能形成雙股螺旋。
3. 檢查 DNA 是否具有構形變化能力。
4. 檢查雙股 DNA 是否能進一步形成超螺旋。

其中最關鍵的判斷點是：DNA 雖然具有穩定的雙股螺旋架構，但並不是僵硬且只有單一螺旋形式的分子。

選項分析

(A) A nucleic acid consists of four kinds of bases linked to a sugar–phosphate backbone.

此敘述在基礎生物化學的標準語境下為正確。

DNA 的四種主要鹼基為：

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

RNA 則以 Uracil（尿嘧啶，U）取代 Thymine。因此，DNA 與 RNA 各自具有四種主要鹼基，並連接於糖—磷酸骨架上。

核苷酸之間的連接方式為：

$$\text{3'-OH of one nucleotide}+\text{5'-phosphate of another nucleotide} \longrightarrow \text{phosphodiester bond}$$

因此，A 的核心概念正確。

(B) A pair of nucleic acid strands with complementary sequences can form a double-helical structure.

此敘述正確。

互補序列的兩條核酸股可透過鹼基配對形成雙股螺旋。DNA 中的配對規則為：

$$\mathrm{A=T}$$ $$\mathrm{G\equiv C}$$

其中 A 與 T 形成兩個氫鍵，G 與 C 形成三個氫鍵。鹼基配對的專一性，加上鹼基堆疊作用（base stacking），使雙股核酸結構具有穩定性。

核心觀念

本題考查蛋白質的**四級結構（quaternary structure）**及其穩定力量。

四級結構是指：由兩條以上已完成摺疊的多胜肽鏈（subunits，次單元）組合成具功能的完整蛋白質。各次單元之間主要靠下列非共價作用力維持：

• Electrostatic interaction（靜電作用）
• Hydrogen bonds，H-bonds（氫鍵）
• Van der Waals force（凡得瓦力）
• Hydrophobic interactions（疏水作用）

相較之下，Disulfide bond（雙硫鍵）是由兩個 cysteine（半胱胺酸）殘基氧化形成的共價鍵：

$$2\ \ce{R-SH ->[oxidation] R-S-S-R}$$

在基礎生化的蛋白質結構分類中，雙硫鍵主要被視為穩定**三級結構（tertiary structure）**的力量，而非四級結構的典型作用力。

解題方法

判斷本題可先依「作用力的種類」分類：

1. 靜電作用、氫鍵、凡得瓦力都屬於非共價作用力，能介導不同蛋白質次單元的結合。
2. 雙硫鍵屬於共價鍵，形成需要 cysteine 的巰基氧化。
3. 依一般考試教材對四級結構的標準定義，四級結構主要由次單元間的非共價作用力維持，因此雙硫鍵不是其典型穩定力量。

因此應選擇 Disulfide bond。

選項分析

(A) Electrostatic interaction

正確。靜電作用又稱 ionic interaction（離子作用）或 salt bridge（鹽橋），常發生於帶相反電荷的側鏈之間，例如：

• Lys、Arg 的正電荷側鏈
• Asp、Glu 的負電荷側鏈

核心觀念

本題考查蛋白質的**二級結構（secondary structure）**與纖維蛋白 **fibroin（絲心蛋白）**的結構特徵。

蛋白質二級結構主要由肽鏈骨架之間的氫鍵穩定，常見形式包括：

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

蠶絲的主要蛋白質為 fibroin，其胺基酸組成富含 **glycine（甘胺酸）**與 alanine（丙胺酸）。這些小型、非極性的胺基酸有利於多條胜肽鏈緊密排列，形成高度規則的 $\beta$-sheet 結構。相鄰胜肽鏈之間以肽鍵骨架的羰基與胺基形成氫鍵，使蠶絲具有高拉力與韌性。

解題方法

判斷本題可從「天然纖維蛋白的代表性二級結構」切入：

1. Silk（蠶絲）的主要蛋白質是 fibroin。
2. Fibroin 富含 glycine 與 alanine，能形成緊密排列的規則結構。
3. 蠶絲的結晶區主要由 $\beta$-sheet 組成。
4. 因此正確答案為 $\beta$-sheet。

蠶絲 fibroin 的 $\beta$-sheet 通常以**反平行排列（antiparallel arrangement）**為主。胜肽鏈彼此平行排列時，肽鏈骨架上的 $\ce{C=O}$ 與 $\ce{N-H}$ 基團可形成規則氫鍵網絡，這是其強度的重要來源。

選項分析

(A) $\alpha$-helix

錯誤。$\alpha$-helix 是同一條多肽鏈自行捲曲形成的螺旋結構，主要由同一條鏈內的氫鍵穩定。典型例子是 $\alpha$-keratin（$\alpha$-角蛋白），存在於毛髮、指甲與羊毛中。

核心觀念

本題考查酵素抑制劑的分類，以及青黴素（penicillin）的作用機轉。

青黴素屬於 $\beta$-lactam antibiotics（β-內醯胺類抗生素），其結構中的 β-內醯胺環可模擬細菌細胞壁前驅物的末端 D-Ala-D-Ala。青黴素會與細菌 transpeptidase（轉肽酶，又稱 penicillin-binding protein, PBP）的活性部位結合。

關鍵反應如下：

1. PBP 原本催化 peptidoglycan（肽聚糖）交聯反應。
2. PBP 活性部位的 serine（絲胺酸）殘基攻擊青黴素的 β-內醯胺環。
3. β-內醯胺環開裂，青黴素與酵素形成穩定的共價 acyl-enzyme complex（酰化酵素複合物）。
4. PBP 被永久性失活，無法完成肽聚糖鏈之間的 transpeptidation（轉肽反應）。
5. 細菌細胞壁無法正常交聯，最終造成細胞裂解。

因此，青黴素的抑制作用具有共價修飾與持久失活的特徵，屬於不可逆抑制。

解題方法

判斷本題的切入點是觀察抑制劑是否會與酵素形成共價鍵。

不可逆抑制劑（irreversible inhibitor）通常會以共價鍵修飾酵素的活性部位，使酵素永久失去活性。即使移除游離抑制劑，原本遭修飾的酵素仍不能恢復功能。

青黴素並非僅以弱作用力暫時佔據 PBP 的活性部位，而是使 β-內醯胺環開裂，並與 PBP 活性部位的 serine 形成共價鍵。因此其本質分類為：

$$\text{Penicillin}+\text{PBP} \longrightarrow \text{covalently acylated PBP}$$

被酰化的 PBP 無法繼續催化肽聚糖的轉肽反應，故判定為 irreversible inhibitor。

選項分析

(A) Competitive inhibition（競爭性抑制）

競爭性抑制劑通常與底物競爭同一個活性部位，但抑制劑與酵素之間多為可逆性的非共價結合。其典型動力學特徵為：

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

增加底物濃度可部分克服競爭性抑制。

核心觀念

1. 米氏動力學（Michaelis–Menten kinetics）的前提與特徵：

• 傳統米氏動力學描述單受質或多受質在特定條件下的酵素催化反應。其反應初速率（initial velocity, $v_0$）與受質濃度（$[\ce{S}]$）的關係呈現雙曲線曲線（hyperbolic curve）：
  $v_0 = \frac{V_{\max}[\ce{S}]}{K_m + [\ce{S}]}$
• 其基本假設包括：單一或各自獨立的活性中心、無次單元間的協同效應（cooperativity）、擬穩態假設（pseudo-steady-state assumption）等。

2. 異位調節（Allosteric regulation）：

• 異位酵素（allosteric enzymes）通常為寡聚體（oligomer，具多個次單元），具有多個受質結合位及調節位（allosteric site）。
• 異位酵素常展現協同效應（cooperativity），其 $v_0$ 對 $[\ce{S}]$ 的關係圖呈S 型曲線（乙狀曲線, sigmoidal curve），而非雙曲線，因而不遵循典型的米氏動力學方程式。其動力學通常需以 Hill 方程式或 MWC / KNF 模型來描述。

3. 多受質酵素反應（Bi-substrate reactions）：

• 許多涉及兩個受質的反應（如雙取代反應／乒乓反應、循序反應），在固定其中一種受質濃度時，對另一種受質仍會表現出符合米氏動力學的雙曲線動力學曲線，本質上仍屬於米氏動力學範疇。

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解題方法

• 本題切入點在於區分何種調控機轉會徹底打破米氏雙曲線特徵。
• 觀察各選項的反應機轉：
• (A)、(B)、(D) 皆為多受質（bisubstrate）酵素催化機轉的分類。這類反應在受質動力學上，當固定受質 $\ce{B}$ 時，初速率對受質 $\ce{A}$ 均符合雙曲線關係，適用廣義的米氏動力學分析（如 Lineweaver–Burk 雙倒數圖）。
• (C) 異位調節涉及結構協同變化，動力學呈現 S 型而非雙曲線，直接違反米氏方程式的描述。因此判定 (C) 不遵循米氏動力學。

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選項分析

• (A) Ping-pong reactions（乒乓反應 / 雙取代反應）：錯誤
• 又稱乒乓機轉（Ping-pong mechanism）。

核心觀念

本題測驗細胞生物學與生物化學的核心基礎：脂雙層（Lipid bilayer）的選擇性通透（Selective permeability）。

生物膜的核心骨架是由磷脂質所構成的疏水性脂雙層（Hydrophobic core）。物質能否透過**簡單擴散（Simple diffusion）**直接跨越細胞膜（即不需要通道蛋白 Channels 或轉運蛋白 Transporters 協助），主要取決於該分子的兩大理化性質：

1. 極性與電荷（Polarity and Charge）：非極性分子因親脂性高，極易溶入膜內而穿透；帶電荷的離子或高極性分子由於在水中擁有緊密的水合層（Hydration shell），要進入疏水性核心必須先脫去水分子（脫溶劑化，Dehydration），此過程伴隨極高的活化能（Free energy barrier），在熱力學上極不利。
2. 分子大小（Molecular size）：分子量越小，越容易擠過脂雙層中暫時產生的縫隙。

各類物質穿透純人工脂雙層（不含任何蛋白質）的相對通透度排序如下：
$\text{小型非極性分子} > \text{小型不帶電極性分子} > \text{大型不帶電極性分子} \gg \text{無機離子與帶電分子}$

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解題方法

題目詢問「何者最不可能在沒有轉運蛋白或通道蛋白的協助下跨越細胞膜（least likely to cross a cellular membrane without transporters or channels）」，即要求找出**對純脂雙層通透性最低（膜穿透率最差）**的物質類別。

解題切入點在於比較四個選項的「帶電狀態」與「極性大小」：

• 當分子帶有淨電荷（Net charge）時，離子與周圍水分子形成極強的離子－偶極（Ion-dipole）交互作用。若要穿過介電常數極低（$\varepsilon \approx 2$）的脂肪酸烴鏈核心，所需克服的靜電排斥與脫水能障極大，使得通透係數（Permeability coefficient, $P$）極低（通常小於 $10^{-12}\text{ cm/s}$）。
• 因此，任何「帶電離子」的通透度皆遠低於任何「不帶電」的有機或無機分子（無論大小）。

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選項分析

• (A) Inorganic ions（無機離子，如 $\ce{Na+}$, $\ce{K+}$, $\ce{Ca^2+}$, $\ce{Cl-}$）—— 【正確選項，通透度最低】
  無機離子雖然體積小，但帶有完整電荷，具極強的水合能（Hydration energy）。

核心觀念

本題測驗細胞訊息傳遞（Cell Signaling）中的**G蛋白偶聯受體路徑（GPCR Pathway）與常見的第二傳訊者（Second Messengers）**之定義與機轉：

1. 第二傳訊者（Second Messenger）：為細胞內小型、非蛋白質的水溶性分子或離子，用以放大並向下傳遞來自受體（第一傳訊者）的訊號。常見的第二傳訊者包含：環狀腺苷單磷酸（cyclic AMP, cAMP）、環狀鳥苷單磷酸（cyclic GMP, cGMP）、肌醇三磷酸（inositol 1,4,5-trisphosphate, $\ce{IP3}$）、二酸甘油酯（diacylglycerol, DAG）以及鈣離子（$\ce{Ca^2+}$）。鈉離子（$\ce{Na+}$）主要用於維持膜電位與次級主動運輸，非廣泛通用的第二傳訊者。
2. G蛋白（G-protein, 異源三聚體 GTP 結合蛋白）的活化與終止循環：

• 受體結合配體後活化，促使 $\ce{G_\alpha}$ 次單元釋放 GDP 並結合 GTP。
• 結合 GTP 的 $\ce{G_\alpha}$（或釋出的 $\ce{G_{\beta\gamma}}$ 二聚體）構形改變，進而結合下游效應蛋白（如腺苷酸環化酶 Adenylyl Cyclase 或磷脂酶 C Phospholipase C）傳遞訊號。
• $\ce{G_\alpha}$ 本身具內生性 GTP 水解酶活性（intrinsic GTPase activity），可將結合的 GTP 水解為 GDP，促使三聚體重新組合而回到不活化態（自發性復原／終止訊號）。

3. cAMP-PKA 訊息傳遞途徑：cAMP 結合至蛋白激酶 A（Protein Kinase A, PKA）的調節次單元（regulatory subunits），促使其釋出催化次單元（catalytic subunits），進而將目標蛋白質上的特定絲胺酸（Ser）或蘇胺酸（Thr）殘基磷酸化。

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解題方法

題目要求選出「不正確（NOT correct）」的敘述：

1. 先檢驗各選項在生化與細胞生物學上的基本名詞定義，特別是第二傳訊者（Second messenger）的名單。
2. 比對 G 蛋白的作用機制：活化態結合下游蛋白質、自帶 GTPase 活性自我終止。
3. 比對 cAMP 下游的作用機制：主要透過 PKA 進行蛋白質磷酸化瀑布反應。

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選項分析

• (A) 正確：
  當腺苷酸環化酶（Adenylyl Cyclase）合成 cAMP 後，cAMP 會異位活化（allosterically

核心觀念

本題考查 insulin（胰島素）受體的訊息傳遞與訊號終止機制。

Insulin receptor（胰島素受體）屬於 receptor tyrosine kinase, RTK（受體型酪胺酸激酶），是由兩個相同次單元組成的二聚體，結構通常表示為 $\alpha_2\beta_2$：

• $\alpha$ 次單元位於細胞外，負責結合 insulin。
• $\beta$ 次單元包含跨膜區域及細胞內的 tyrosine kinase domain（酪胺酸激酶區域）。

其基本訊息傳遞流程為：

$$\text{Insulin} \rightarrow \text{Insulin receptor} \rightarrow \text{受體自體磷酸化} \rightarrow \text{IRS 磷酸化} \rightarrow \text{PI3K} \rightarrow \text{PIP}_3 \rightarrow \text{Akt/PKB}$$

其中，胰島素促進葡萄糖攝取、糖原合成及脂肪合成等作用，主要與 **PI3K–Akt pathway（PI3K–Akt 路徑）**有關；而細胞生長與基因表現則可經由 **Ras–MAPK pathway（Ras–MAPK 路徑）**調控。

解題方法

判斷本題各選項是否正確時，依序檢查三個階段：

1. insulin receptor 的結構與胰島素結合方式。
2. 胰島素結合後，受體是否被活化並啟動 kinase cascade（激酶級聯反應）。
3. 胰島素訊號如何被終止。

前三個選項描述的是胰島素受體的活化過程；最後一個選項描述訊號終止機制。只要找出與已知生化機制不符者，即可作答。

選項分析

(A) The insulin receptor is a dimer that closes around a bound insulin molecule.

此敘述正確。

Insulin receptor 是預先形成的二聚體，胰島素與細胞外的 $\alpha$ 次單元結合後，會誘發受體構形改變，使受體兩側的細胞內 $\beta$ 次單元靠近，促進其酪胺酸激酶活性。

「closes around」可理解為受體在結合胰島素後產生閉合或靠近的構形變化，並非指受體才在此時由兩個單體組合成二聚體。這種構形變化會使細胞內的 kinase domains 得以互相磷酸化。

(B) Insulin binding results activation of the insulin receptor.

此敘述正確。

Insulin 與受體結合後，會造成受體構形改變，使 $\beta$ 次單元細胞內的 tyrosine kinase domain 被活化。接著發生 receptor autophosphorylation（受體自體磷酸化）：

$$\text{Insulin binding} \rightarrow \text{受體構形改變} \rightarrow \text{Tyrosine kinase 活化} \rightarrow \text{受體酪胺酸殘基磷酸化}$$

受體磷酸化後，可進一步磷酸化 insulin receptor substrate（IRS，胰島素受體受質），使下游訊號傳遞得以開始。

核心觀念

本題考查 prion（普里昂／朊毒體） 的定義，以及其造成 mad cow disease（狂牛病，bovine spongiform encephalopathy, BSE）的致病機轉。

Prion 是具有感染性的錯誤折疊蛋白質，主要成分不是 DNA 或 RNA。 在哺乳類中，正常細胞型朊蛋白稱為 $PrP^C$（cellular prion protein），錯誤折疊且具致病性的形式稱為 $PrP^{Sc}$（scrapie-associated prion protein）。

$PrP^{Sc}$ 可誘導正常的 $PrP^C$ 改變三維構形，轉變為更多錯誤折疊的 $PrP^{Sc}$。此過程會使蛋白質的 $\beta$-sheet（β-摺板）比例增加，並造成：

• 蛋白質聚集與澱粉樣纖維形成
• 對蛋白酶分解較具抵抗性
• 神經細胞損傷與海綿狀腦病變
• 進行性神經退化症狀

其核心反應可概念化為：

$$PrP^C + PrP^{Sc} \longrightarrow 2PrP^{Sc}$$

此式表示 $PrP^{Sc}$ 作為構形轉換的模板，使正常 $PrP^C$ 轉變為致病型蛋白質。

解題方法

判斷本題的切入點是直接套用 prion 的定義：

Prion = proteinaceous infectious particle，即「具感染性的蛋白質性粒子」。

狂牛病屬於 transmissible spongiform encephalopathy（可傳播性海綿狀腦病），其病原不是傳統病毒、細菌，也不是核酸分子，而是錯誤折疊的朊蛋白。

核心觀念

本題考查細胞呼吸作用中「高能量分子」的判定，重點包括：

1. 高能量磷酸化合物：如 ATP，其磷酸酐鍵水解可釋放大量自由能。
2. 高能量還原當量：如 NADH、FADH₂，經由電子傳遞鏈氧化，將電子能量轉換成 ATP。
3. AMP 的能量狀態：AMP 僅含一個磷酸基，不屬於細胞呼吸中主要的高能量分子。

ATP、NADH 與 FADH₂ 都能直接或間接支援 ATP 合成；AMP 則是低磷酸化狀態的腺苷核苷酸。

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解題方法

判斷每個選項是否為高能量分子，可分成兩類：

1. 判斷是否具有高能量磷酸鍵

ATP 可進行水解反應：

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

其標準自由能變化約為：

$$\Delta G^{\circ\prime} \approx -30.5\ \mathrm{kJ/mol}$$

因此 ATP 是典型的高能量磷酸化合物。

AMP 的結構為腺苷與一個磷酸基相連，缺乏 ATP 中的高能量磷酸酐鍵，因此不是高能量磷酸化合物。

2. 判斷是否為可被氧化的高能量電子載體

NADH 與 FADH₂ 都是還原型電子載體，攜帶高能量電子進入電子傳遞鏈：

• NADH 將電子交給 Complex I（複合體 I，NADH dehydrogenase）。
• FADH₂ 的電子主要由 Complex II（複合體 II，succinate dehydrogenase） 接收。

電子沿著電子傳遞鏈傳遞至氧，最終形成水：

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

電子傳遞所釋放的能量用於將 $\ce{H+}$ 泵入膜間腔，建立質子電化學梯度，再由 ATP synthase（ATP 合成酶） 合成 ATP。

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選項分析

(A) ATP

ATP 是細胞最重要的能量貨幣，含有兩個高能量磷酸酐鍵：

$$\ce{ATP <=> ADP + Pi}$$

ATP 水解時可釋放自由能，驅動肌肉收縮、主動運輸、蛋白質合成及其他耗能反應。

在細胞呼吸中，ATP 可由下列兩種方式產生：

• Substrate-level phosphorylation（受質層級磷酸化）
• Oxidative phosphorylation（氧化磷酸化）

因此 ATP 屬於高能量分子，本選項正確描述高能量分子。

(B) AMP

AMP 是 adenosine monophosphate（腺苷一磷酸），僅含一個磷酸基：

$$\ce{AMP <=> Adenosine + Pi}$$

核心觀念

本題考查「第二訊息分子（second messenger）」的定義與細胞訊息傳遞機轉。

細胞外的第一訊息分子（first messenger），例如 peptide hormone、neurotransmitter 或某些生長因子，先與細胞膜上的受體結合，再透過細胞內的小分子傳遞訊息。這些在細胞內產生、負責放大與傳遞訊號的小分子，稱為第二訊息分子。

常見第二訊息分子包括：

• Cyclic AMP（cAMP）
• Inositol 1,4,5-trisphosphate（IP3）
• Diacylglycerol（DAG）
• $\ce{Ca^{2+}}$
• Cyclic GMP（cGMP）

本題要求找出「不是」第二訊息分子的選項。

解題方法

判斷關鍵在於：該物質是否為細胞內、由受體活化後產生或釋放的訊息傳遞小分子。

典型的細胞膜受體訊息傳遞途徑如下。

1. cAMP pathway

第一訊息分子與 G protein-coupled receptor（GPCR，G 蛋白偶聯受體）結合後，活化 heterotrimeric G protein。若活化的是 $G_s$，其 $\alpha$ 次單元會刺激 adenylyl cyclase（腺苷酸環化酶），使 ATP 轉變為 cAMP：

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

cAMP 再活化 protein kinase A（PKA），使下游蛋白質磷酸化，產生細胞反應。

2. IP3/DAG pathway

某些 GPCR 或 receptor tyrosine kinase 活化 phospholipase C（PLC，磷脂酶 C）後，PLC 水解細胞膜上的 phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate（PIP2）：

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

其中：

• IP3 進入細胞質，作用於內質網上的 IP3 receptor，促使 $\ce{Ca^{2+}}$ 釋放。
• DAG 留在細胞膜上，與 $\ce{Ca^{2+}}$ 一起活化 protein kinase C（PKC）。

因此 IP3 與 DAG 都是典型的第二訊息分子。

選項分析

(A) Estrogen

Estrogen（雌激素）是 steroid hormone（類固醇激素），主要由膽固醇衍生而來，具有脂溶性，可以穿過細胞膜。

其主要作用機轉是進入細胞後，與 intracellular estrogen receptor（細胞內雌激素受體）結合。

核心觀念

本題考查「調節葡萄糖攝取的訊息傳遞受體」。

在骨骼肌細胞與脂肪細胞中，胰島素（insulin）與細胞膜上的胰島素受體（insulin receptor）結合後，會促進葡萄糖轉運蛋白 GLUT4 移動至細胞膜，使細胞攝取更多葡萄糖。因此，與葡萄糖攝取調控最直接相關的受體是 insulin receptor。

胰島素受體屬於受體型酪胺酸激酶（receptor tyrosine kinase, RTK），其訊息傳遞主軸如下：

$$\text{Insulin} \rightarrow \text{Insulin receptor} \rightarrow \text{IRS} \rightarrow \text{PI3K} \rightarrow \text{PIP}_3 \rightarrow \text{Akt} \rightarrow \text{GLUT4 translocation} \rightarrow \text{glucose uptake}$$

其中：

• IRS（insulin receptor substrate）：胰島素受體受刺激後磷酸化的受體受質。
• PI3K（phosphoinositide 3-kinase）：將膜上的 PIP2 轉換成 PIP3。
• PIP3（phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate）：作為脂質訊息分子，協助 Akt 活化。
• Akt／PKB（protein kinase B）：促進 GLUT4 囊泡移動至細胞膜。
• GLUT4：主要存在於骨骼肌、心肌與脂肪細胞，負責胰島素刺激下的葡萄糖攝取。

此外，Akt 會磷酸化 AS160／TBC1D4，解除其對 Rab GTPase 的抑制，進而促進 GLUT4 囊泡與細胞膜融合。

解題方法

先辨認題幹的關鍵字：glucose uptake regulation（葡萄糖攝取調節）。

葡萄糖進入骨骼肌與脂肪細胞的經典調控方式，是胰島素刺激 GLUT4 移至細胞膜。題目詢問的是「哪一種 signal-transduction receptor involved in glucose uptake regulation」，因此直接尋找胰島素的受體即可。

胰島素受體活化的基本機轉為：

1. 胰島素與胰島素受體的細胞外部位結合。
2. 受體本身的酪胺酸激酶區域活化。
3. 受體彼此進行酪胺酸自體磷酸化（autophosphorylation）。
4. IRS 被磷酸化並招募 PI3K。
5. PI3K 使 PIP2 生成 PIP3。
6. PIP3 促進 PDK1 與 Akt 活化。
7. Akt 促進 GLUT4 囊泡移至細胞膜。
8. 細胞膜上的 GLUT4 增加，葡萄糖攝取量上升。

因此，正確選項為 Insulin receptor。

選項分析

(A) Sialic acid receptor

錯誤。

Sialic acid（唾液酸）是細胞表面醣鏈常見的末端糖類，相關受體多與細胞辨識、病原體附著、免疫反應或細胞交互作用有關。它不是生理學上調節骨骼肌與脂肪細胞 GLUT4 移動的經典受體。

本題的葡萄糖攝取調控核心是：

$$\text{Insulin receptor} \rightarrow \text{PI3K-Akt} \rightarrow \text{GLUT4}$$

而非 sialic acid receptor。

(B) $\beta$-Adrenergic receptor

錯誤。

核心觀念

本題考查 insulin（胰島素）受體的訊息傳遞與訊號終止機制。

Insulin receptor（胰島素受體）屬於 receptor tyrosine kinase, RTK（受體型酪胺酸激酶），是由兩個相同次單元組成的二聚體，結構通常表示為 $\alpha_2\beta_2$：

• $\alpha$ 次單元位於細胞外，負責結合 insulin。
• $\beta$ 次單元包含跨膜區域及細胞內的 tyrosine kinase domain（酪胺酸激酶區域）。

其基本訊息傳遞流程為：

$$\text{Insulin} \rightarrow \text{Insulin receptor} \rightarrow \text{受體自體磷酸化} \rightarrow \text{IRS 磷酸化} \rightarrow \text{PI3K} \rightarrow \text{PIP}_3 \rightarrow \text{Akt/PKB}$$

其中，胰島素促進葡萄糖攝取、糖原合成及脂肪合成等作用，主要與 **PI3K–Akt pathway（PI3K–Akt 路徑）**有關；而細胞生長與基因表現則可經由 **Ras–MAPK pathway（Ras–MAPK 路徑）**調控。

解題方法

判斷本題各選項是否正確時，依序檢查三個階段：

1. insulin receptor 的結構與胰島素結合方式。
2. 胰島素結合後，受體是否被活化並啟動 kinase cascade（激酶級聯反應）。
3. 胰島素訊號如何被終止。

前三個選項描述的是胰島素受體的活化過程；最後一個選項描述訊號終止機制。只要找出與已知生化機制不符者，即可作答。

選項分析

(A) The insulin receptor is a dimer that closes around a bound insulin molecule.

此敘述正確。

Insulin receptor 是預先形成的二聚體，胰島素與細胞外的 $\alpha$ 次單元結合後，會誘發受體構形改變，使受體兩側的細胞內 $\beta$ 次單元靠近，促進其酪胺酸激酶活性。

「closes around」可理解為受體在結合胰島素後產生閉合或靠近的構形變化，並非指受體才在此時由兩個單體組合成二聚體。這種構形變化會使細胞內的 kinase domains 得以互相磷酸化。

(B) Insulin binding results activation of the insulin receptor.

此敘述正確。

Insulin 與受體結合後，會造成受體構形改變，使 $\beta$ 次單元細胞內的 tyrosine kinase domain 被活化。接著發生 receptor autophosphorylation（受體自體磷酸化）：

$$\text{Insulin binding} \rightarrow \text{受體構形改變} \rightarrow \text{Tyrosine kinase 活化} \rightarrow \text{受體酪胺酸殘基磷酸化}$$

受體磷酸化後，可進一步磷酸化 insulin receptor substrate（IRS，胰島素受體受質），使下游訊號傳遞得以開始。

核心觀念

本題考查 肌動蛋白（actin）與肌凝蛋白（myosin）的分子馬達作用機轉，以及肌肉收縮的「滑動肌絲模型（sliding filament model）」。

關鍵概念如下：

1. **Actin filament（肌動蛋白絲）**具有極性，分為 plus end（正端）與 minus end（負端），可由 G-actin 自我組裝成 F-actin，並呈現動態性的聚合與解聚。
2. **Myosin（肌凝蛋白）**是以 ATP 為能量的分子馬達，肌凝蛋白頭部會沿著 actin filament 移動。
3. 肌肉收縮時，actin filament 與 myosin filament 彼此滑動，但肌絲本身長度大致不變。
4. Myosin ATPase cycle 中，$\ce{ATP}$ 水解產生 $\ce{ADP}$ 與 $\ce{Pi}$；其中 $\ce{Pi}$ 的釋放會啟動 power stroke（動力衝程）。

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解題方法

判斷本題的重點是區分：

• 「哪一個蛋白質是主動的分子馬達？」
• 「哪一個蛋白質是被馬達牽引而移動？」
• 「相對運動的描述」與「分子機轉的描述」是否相同？

在分子機轉上，myosin head 是 ATP 驅動的馬達，會反覆進行：

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

並沿著 actin filament 前進。因此，若選項將 actin 說成主動沿著 myosin 移動，便與典型的 myosin motor 機轉不符。

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Myosin ATPase cycle

1. ATP binding：解除接合

$\ce{ATP}$ 結合至 myosin，使 myosin head 與 actin 分離。

2. ATP hydrolysis：肌凝蛋白頭部被「上弦」

$\ce{ATP}$ 水解為 $\ce{ADP + Pi}$，使 myosin head 進入高能量、預備動力衝程的構形。

3. Actin binding：重新接合

Myosin head 與 actin 的下一個結合位置接觸。

4. Pi release：啟動 power stroke

$\ce{Pi}$ 釋放使 myosin head 發生構形改變，拉動 actin filament，形成 power stroke。

5. ADP release：完成一個循環

$\ce{ADP}$ 釋放後，myosin 處於緊密結合狀態；下一個 $\ce{ATP}$ 結合後，重新與 actin 分離。

因此，本題中「$\ce{Pi}$ 釋放會觸發 myosin power stroke」是正確敘述。

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選項分析

(A) Actin is a polar, self-assembling, dynamic polymer.

正確。

核心觀念

本題考查真核細胞纖毛（cilia）與鞭毛（flagella）的微管骨架結構，稱為軸絲（axoneme）。

典型運動型纖毛與鞭毛的軸絲具有：

• 外圍 9 組微管 двой聯體（nine outer microtubule doublets）
• 中央 1 組微管對（central pair）

因此結構表示為：

$$9+2$$

每一組外圍微管雙聯體由：

• 完整的 A 微管（A tubule）
• 不完整的 B 微管（B tubule）

所組成。外圍雙聯體之間具有動力蛋白（dynein）臂，藉由 ATP 水解產生滑動力，使纖毛或鞭毛彎曲而運動。

解題方法

看到題幹中的關鍵字 cilia、flagella、axoneme，直接聯想到真核細胞運動型纖毛與鞭毛的經典微管排列：

$$9 \text{ 個外圍微管雙聯體}+2 \text{ 個中央微管}$$

所以排列為：

$$9+2$$

此題不涉及微管聚合、ATP 水解或訊息傳遞途徑的計算，判斷重點是辨認軸絲的標準結構。

選項分析

(A) 8+1 array：錯誤

核心觀念

本題測驗細胞代謝中**異化作用（Catabolism）與同化合成作用（Anabolism）所使用的還原當量（Reducing equivalents）**之功能劃分。

在生物體內：

1. $\ce{NAD+/NADH}$ 主要負責異化作用（氧化分解）：胞內維持高 $\ce{[NAD+] / [NADH]}$ 比值（約 $> 100$），提供強大的熱力學驅動力，促使代謝物（如葡萄糖、脂肪酸）脫氫氧化，並將電子送入粒線體電子傳遞鏈以產生 $\ce{ATP}$。
2. $\ce{NADP+/NADPH}$ 主要負責**同化合成（還原性生物合成，Reductive biosynthesis）**與抗氧化防禦：胞內維持高 $\ce{[NADPH] / [NADP+]}$ 比值（約 $> 50$），提供充足且高還原電位的電子供體，直接驅動脂肪酸合成（Fatty acid synthesis）、膽固醇合成（Cholesterol synthesis）及核苷酸還原等同化途徑。

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解題方法

1. 鎖定關鍵字：題目詢問的是「還原性生物合成反應（reductive biosynthesis reactions）」的主要「電子提供者（major electron donor）」。
2. 區分代號與用途：

• 細胞為了同時進行「能量產生（異化）」與「物質合成（同化）」，演化出兩套獨立調控的吡啶核苷酸池（Pyridine nucleotide pools）。
• 還原性合成需要消耗高能電子以將前驅物還原（例如：脂肪酸合成中，$\beta$-酮基需經還原酶還原為羥基，再脫水、還原為飽和烷鏈），其專一性輔酶即為 $\ce{NADPH}$。

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選項分析

• (A) $\ce{ATP}$（三磷酸腺苷）：錯誤。
  $\ce{ATP}$ 是細胞主要的「自由能貨幣（Energy currency）」，透過水解磷酸酐鍵（Phosphoanhydride bond）提供化學反應所需的吉布斯自由能（$\Delta G$），其作用為高能磷酸基團的轉移者，並非「電子提供者（Electron donor）」。

• (B) $\ce{NADH}$（還原醯胺腺嘌呤二核苷酸）：錯誤。
  $\ce{NADH}$ 雖為高能電子的載體，但在生理條件下主要來自糖解作用（Glycolysis）、丙酮酸去氫酶複合體（PDH complex）與檸檬酸循環（TCA cycle），其命運是將電子傳遞給粒線體內膜的電子傳遞鏈複合

核心觀念

本題測驗生物能學（Bioenergetics）中最基礎且核心的概念——生物體內自由能的通用貨幣（universal currency of free energy）。
在生物化學（依據經典教科書 Lehninger Principles of Biochemistry 及 Stryer Biochemistry）中：

1. 熱力學偶聯（Thermodynamic Coupling）：細胞內許多合成與運動等吸能反應（endergonic reaction, $\Delta G > 0$）無法自發進行，必須與放能反應（exergonic reaction, $\Delta G < 0$）偶聯，使總自由能變化 $\Delta G_{\text{total}} < 0$。
2. 高能磷酸基團轉移（Phosphoryl-group Transfer）：三磷酸腺苷（Adenosine Triphosphate, $\ce{ATP}$）的水解反應：
   $\ce{ATP + H2O -> ADP + Pi}$
   其標準自由能變化量 $\Delta G'^{\circ} \approx -30.5\text{ kJ/mol}$（$-7.3\text{ kcal/mol}$），生理狀態下的實際自由能變化量（$\Delta G_{\text{p}}$）更高達 $-50 \sim -65\text{ kJ/mol}$。$\ce{ATP}$ 具備適中的高磷酸基團轉移位能（intermediate phosphoryl-group transfer potential），居於代謝鏈中能量供受的中樞位置，充當所有生物化學反應的直接能量載體，因此被生物化學界公認為生命系統的「能量通用貨幣」（universal energy currency）。

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解題方法

題目關鍵字為 "universal currency of free energy"（自由能的通用貨幣）。
解題時應區分「化學自由能的直接載體／貨幣」與「氧化還原過程中的電子載體（reducing equivalents/electron carriers）」：

1. 能量貨幣（Energy Currency）：指能直接水解並提供高能磷酸基團，驅動機械功、主動運輸或化學合成的分子，此角色專屬於 $\ce{ATP}$。
2. 電子載體／還原力（Electron Carriers / Reducing Equivalents）：如 $\ce{NADH}$、$\ce{NADPH}$、$\ce{FADH2}$，它們攜帶的是高能電子（還原當量），主要參與氧化還原代謝或電子傳遞鏈以間接生成 $\ce{ATP}$，並非自由能的直接通用交易單位。

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選項分析

• (A) ATP（正確）：
  $\ce{ATP}$（Adenosine triphosphate）分子含有兩個高能磷酸酐鍵（phosphoanhydride bonds）。

核心觀念

本題測驗 DNA 表觀遺傳學（Epigenetics）與原核生物限制修飾系統（Restriction-Modification System）中「DNA 甲基化（DNA Methylation）」的生化修飾位點。

1. 真核生物（Eukaryotes）：

• 最普遍且具生物調控意義的甲基化修飾發生在胞嘧啶（Cytosine, $\ce{C}$）的第 5 號碳原子（C-5），生成 5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine, $\ce{5mC}$）。
• 此反應由 DNA 甲基轉移酶（DNA methyltransferase, DNMT）催化，甲基供體通常為 $S$-腺苷甲硫胺酸（$S$-adenosylmethionine, SAM）。真核生物的甲基化主要集中於 CpG 島（CpG islands），常伴隨轉錄抑制（Transcriptional repression）。

2. 原核生物（Prokaryotes，如大腸桿菌 $\textit{Escherichia coli}$）：

• 原核生物主要利用甲基化區分自身 DNA 與外來病毒噬菌體 DNA（限制修飾系統）。
• 除了可以修飾胞嘧啶形成 5-甲基胞嘧啶（$\ce{5mC}$）或 $N^4$-甲基胞嘧啶（$N^4$-methylcytosine, $\ce{N^4mC}$）之外，更常見修飾腺嘌呤（Adenine, $\ce{A}$）的第 6 號氮原子（N-6），生成 $N^6$-甲基腺嘌呤（$N^6$-methyladenine, $\ce{N^6mA}$）。例如大腸桿菌中的 Dam 甲基轉移酶（DNA adenine methyltransferase）能特異性甲基化 $\ce{5'-GATC-3'}$ 序列中的腺嘌呤，參與錯配修復（Mismatch repair）與 DNA 複製起始之調控。

綜合真核生物與原核生物的生命界，生理條件下能被特異性酵素修飾形成甲基化鹼基的 DNA 主要鹼基為 腺嘌呤（Adenine） 與 胞嘧啶（Cytosine）。

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解題方法

1. 判斷生物學修飾範圍：
   題目詢問「DNA 的哪些鹼基可以被甲基化？（Which bases of DNA can be methylated?）」，未限定真核或原核，因此必須從整體生物學常見的 Enzymatic methylation 現象來判斷。
2. 歸納已知甲基化產物：

• 胞嘧啶（Cytosine）$\rightarrow$ 形成 5-甲基胞嘧啶（$\ce{5mC}$）或 $N^4$-甲基胞嘧啶（$\ce{N^4mC}$）。
• 腺嘌呤（Adenine）$\rightarrow$ 形成 $N^6$-甲基腺嘌呤（$\ce{N^6mA}$）。
• 胸腺嘧啶（Thymine）本身結構即為「5-甲基尿嘧啶（5-methyluracil）」，其甲基是在 dUMP 經胸苷酸合成酶（Thymidylate synthase）轉化為 dTMP 時就已存在，而非 DNA 鏈上額外進行的生理性酵素甲基化修飾標記。

核心觀念

本題考查流感病毒抗病毒藥物的作用標的，以及 neuraminidase（神經胺酸酶）抑制劑所模擬的天然受質。

流感病毒表面的 hemagglutinin（HA，血凝素） 會先辨識宿主細胞膜上糖蛋白或糖脂末端的 sialic acid（唾液酸、神經胺酸），協助病毒附著與進入細胞。

病毒完成複製後，病毒表面的 neuraminidase（NA，神經胺酸酶） 會催化切除病毒顆粒與宿主細胞表面之間的末端 sialic acid，使新生病毒釋放並感染其他細胞。

Oseltamivir（Tamiflu）是 neuraminidase inhibitor，結構與 sialic acid 及其酵素反應過渡狀態相似，能競爭性占據 neuraminidase 的活性部位，阻止 sialic acid 被切除。

關鍵反應可概念化表示為：

$$\text{病毒表面醣鏈--sialic acid} \xrightarrow{\text{neuraminidase}} \text{病毒釋放}+\text{游離 sialic acid}$$

Oseltamivir 介入的是這條路徑中 neuraminidase 催化切除 sialic acid 的步驟。

解題方法

題幹已明確指出 Oseltamivir 是 neuraminidase inhibitor。判斷此類抑制劑模擬何種分子時，直接找出 neuraminidase 的天然受質即可。

1. neuraminidase 的天然受質是病毒或宿主細胞表面醣鏈上的末端 sialic acid。
2. Oseltamivir 模擬 sialic acid 受質及其催化過渡狀態。
3. 因此它可與 neuraminidase 活性部位結合，抑制酵素切割反應。
4. 正確答案為 sialic acid。

選項分析

核心觀念

本題考查每 1 分子葡萄糖（glucose）進行一次糖解作用（glycolysis）後，ATP 的「淨產量（net gain）」。

糖解作用在細胞質中進行，可分為：

1. 能量投資期：消耗 ATP。
2. 能量回收期：產生 ATP 與 NADH。

題目問的是淨 ATP，不是總生成 ATP，因此必須使用：

$$\text{淨 ATP}=\text{生成 ATP 總數}-\text{消耗 ATP 總數}$$

解題方法

以 1 分子葡萄糖進行糖解作用計算。

一、能量投資期：消耗 2 個 ATP

葡萄糖先後經過兩次磷酸化反應：

$$\ce{Glucose + ATP ->[Hexokinase/Glucokinase] Glucose-6-phosphate + ADP}$$ $$\ce{Fructose-6-phosphate + ATP ->[PFK-1] Fructose-1,6-bisphosphate + ADP}$$

因此，前半段共消耗：

$$2\ \text{個 ATP}$$

其中第二步由 phosphofructokinase-1（PFK-1，磷酸果糖激酶-1）催化，是糖解作用的重要速率限制步驟。

二、能量回收期：產生 4 個 ATP

fructose-1,6-bisphosphate（果糖-1,6-二磷酸）經 aldolase（醛縮酶）切成兩個三碳分子：

• glyceraldehyde-3-phosphate，G3P（甘油醛-3-磷酸）
• dihydroxyacetone phosphate，DHAP（二羥基丙酮磷酸）

DHAP 再由 triose phosphate isomerase（磷酸丙糖異構酶）轉為 G3P。因此，一分子葡萄糖最後會產生 2 分子 G3P。

每一分子 G3P 在後續反應中各產生 2 個 ATP：

第一次底物階層磷酸化（substrate-level phosphorylation）：

$$\ce{1,3-Bisphosphoglycerate + ADP ->[Phosphoglycerate kinase] 3-Phosphoglycerate + ATP}$$

第二次底物階層磷酸化：

$$\ce{Phosphoenolpyruvate + ADP ->[Pyruvate kinase] Pyruvate + ATP}$$

因為每個反應對應 2 分子 G3P，所以：

$$2\ \text{個 ATP} \times 2=4\ \text{個 ATP}$$

核心觀念

本題考查 糖解作用（glycolysis） 的最終產物與代謝位置。

糖解作用是在細胞質中，將一分子葡萄糖（glucose）分解成兩分子丙酮酸（pyruvate）的代謝途徑，共包含 10 個酵素催化反應。其總反應可表示為：

$$\ce{Glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ -> 2 Pyruvate + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O}$$

因此，糖解作用的直接最終產物是 丙酮酸（pyruvate）。

糖解作用的最後一步由 丙酮酸激酶（pyruvate kinase） 催化：

$$\ce{Phosphoenolpyruvate + ADP -> Pyruvate + ATP}$$

其中，磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenolpyruvate, PEP）經由底物層級磷酸化（substrate-level phosphorylation）形成丙酮酸，並產生 ATP。

解題方法

判斷代謝途徑的最終產物時，先確認題目問的是哪一條途徑：

1. Glycolysis（糖解作用）從 glucose 開始。
2. 經過一系列中間物反應後，最終形成 pyruvate。
3. Pyruvate 後續可依細胞環境進入不同代謝途徑：

• 有氧條件下，進入粒線體並轉換成 acetyl CoA。
• 缺氧時，動物細胞可進行乳酸發酵形成 lactate。
• 酵母菌等微生物可進行酒精發酵形成 ethanol。

題目問的是 glycolysis 本身的最終產物，因此應選擇 pyruvate，而非其後續代謝產物。

選項分析

(A) Pyruvate（丙酮酸）— 正確

Pyruvate 是糖解作用的最終產物。

一分子 glucose 經糖解作用後，產生：

• 2 分子 pyruvate
• 淨產生 2 分子 ATP
• 產生 2 分子 NADH

糖解作用的最後反應為 PEP 轉換成 pyruvate，因此本選項正確。

(B) Ethanol（乙醇）— 錯誤

Ethanol 是 酒精發酵（alcoholic fermentation） 的產物，不是糖解作用本身的最終產物。

糖解作用先產生 pyruvate，接著在酵母菌等生物中進行酒精發酵：

第一步由 丙酮酸脫羧酶（pyruvate decarboxylase） 催化：

核心觀念

本題考查三羧酸循環（tricarboxylic acid cycle, TCA cycle），又稱檸檬酸循環（citric acid cycle）或 Krebs cycle 在細胞中的主要進行位置。

在真核細胞中，TCA cycle 的主要反應場所是粒線體基質（mitochondrial matrix）。其功能是將乙醯輔酶 A（acetyl-CoA）的乙醯基氧化，產生還原型電子載體 NADH 與 FADH₂，供電子傳遞鏈進行氧化磷酸化，以合成 ATP。

TCA cycle 的主要反應順序如下：

$$\text{Acetyl-CoA} \rightarrow \text{Citrate} \rightarrow \text{Isocitrate} \rightarrow \alpha\text{-Ketoglutarate} \rightarrow \text{Succinyl-CoA} \rightarrow \text{Succinate} \rightarrow \text{Fumarate} \rightarrow \text{Malate} \rightarrow \text{Oxaloacetate}$$

關鍵酵素包括：

• Citrate synthase（檸檬酸合成酶）
• Aconitase（順烏頭酸酶）
• Isocitrate dehydrogenase（異檸檬酸去氫酶）
• $\alpha$-Ketoglutarate dehydrogenase complex（$\alpha$-酮戊二酸去氫酶複合體）
• Succinyl-CoA synthetase（琥珀醯輔酶 A 合成酶）
• Succinate dehydrogenase（琥珀酸去氫酶）
• Fumarase（延胡索酸酶）
• Malate dehydrogenase（蘋果酸去氫酶）

其中 Succinate dehydrogenase 是例外，嵌在粒線體內膜（inner mitochondrial membrane）上；其餘 TCA cycle 酵素主要位於粒線體基質。

解題方法

判斷代謝途徑的位置時，可先辨認其主要功能：

TCA cycle 是有氧呼吸的重要核心途徑，負責接收來自醣類、脂質與胺基酸分解產生的 acetyl-CoA，並進行氧化代謝。在真核細胞中，acetyl-CoA 進入粒線體後，於粒線體基質中與 oxaloacetate 結合，由 citrate synthase 催化形成 citrate，正式進入 TCA cycle。

核心觀念

本題考查粒線體電子傳遞鏈（respiratory chain）各複合體是否具有「質子幫浦」（proton pump）功能，以及電子傳遞與氧化磷酸化的關係。

電子傳遞鏈位於粒線體內膜，主要電子流向為：

$$\ce{NADH -> Complex I -> CoQ -> Complex III -> cytochrome c -> Complex IV -> O2}$$

由 $\ce{FADH2}$ 提供的電子則經由 Complex II 進入：

$$\ce{FADH2 -> Complex II -> CoQ}$$

其中，Complex I、Complex III 與 Complex IV 會將質子由粒線體基質（matrix）泵至膜間腔（intermembrane space），建立質子電化學梯度，供 ATP synthase（Complex V）合成 ATP。

Complex II 雖然參與電子傳遞，卻不會將質子泵過內膜，因此是本題的關鍵。

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解題方法

判斷各複合體是否為質子幫浦即可：

• Complex I：會泵出質子。
• Complex II：不會泵出質子。
• Complex III：透過 Q cycle 泵出質子。
• Complex IV：會泵出質子，並將氧還原成水。

因此，標準電子傳遞鏈中「不是質子幫浦」的是 Complex II。

質子泵浦的總體效果可表示為：

$$\ce{NADH + H+ + 1/2O2 -> NAD+ + H2O}$$

電子傳遞所釋放的能量被 Complex I、III、IV 捕捉，用來把 $\ce{H+}$ 移至膜間腔。

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選項分析

(A) Complex I：錯誤

Complex I 又稱 NADH dehydrogenase complex（NADH 脫氫酶複合體），接受 NADH 的電子，將電子傳給 ubiquinone，亦稱 coenzyme Q（輔酶 Q）。

反應可簡化為：

$$\ce{NADH + H+ + Q -> NAD+ + QH2}$$

Complex I 利用電子傳遞釋放的能量，約將 $4$ 個 $\ce{H+}$ 由基質泵至膜間腔，因此是質子幫浦。

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(B) Complex II：正確

Complex II 又稱 succinate dehydrogenase（琥珀酸脫氫酶），同時也是檸檬酸循環中的 succinate dehydrogenase。

它催化：

$$\ce{Succinate -> Fumarate}$$

並將電子經由 FAD、鐵硫中心（Fe-S centers）傳給 ubiquinone：

核心觀念

本題考查粒線體電子傳遞鏈（electron transport chain, ETC）各複合體的功能與抑制劑。

電子傳遞鏈位於粒線體內膜，主要由下列複合體構成：

1. Complex I：NADH dehydrogenase complex
2. Complex II：Succinate dehydrogenase complex
3. Complex III：Cytochrome $bc_1$ complex
4. Complex IV：Cytochrome c oxidase
5. Complex V：ATP synthase

Rotenone（魚藤酮）與 Amytal（阿米妥）皆會抑制 Complex I，因此正確答案為 (A)。

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解題方法

判斷粒線體電子傳遞鏈抑制劑時，先將藥物或毒物與其作用位置配對：

• Rotenone、Amytal $\rightarrow$ Complex I
• Malonate $\rightarrow$ Complex II
• Antimycin A $\rightarrow$ Complex III
• Cyanide、carbon monoxide、azide $\rightarrow$ Complex IV
• Oligomycin $\rightarrow$ Complex V

Complex I 的正式名稱為 NADH:ubiquinone oxidoreductase，又稱 NADH dehydrogenase。其主要反應為：

$$\ce{NADH + H+ + Q -> NAD+ + QH2}$$

其中：

• NADH 將電子交給 Complex I；
• 電子依序通過 FMN 與 iron-sulfur centers（鐵硫中心）；
• 最後傳給 ubiquinone（泛醌，$Q$），形成 ubiquinol（泛醇，$QH_2$）；
• Complex I 同時將質子由粒線體基質泵入膜間隙，建立質子電化學梯度。

Rotenone 與 Amytal 主要阻斷 Complex I 中電子由鐵硫中心傳遞至 ubiquinone 的步驟，使 NADH 的電子無法順利進入後續電子傳遞鏈。

結果包括：

• NADH 氧化受阻，$[\ce{NADH}]$ 上升；
• $[\ce{NAD+}]$ 相對下降；
• ubiquinone 還原受阻；
• Complex I 的質子泵功能下降；
• 電子傳遞速率降低；
• 氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）產生的 ATP 減少。

但由於 Complex II 可將來自 succinate 的電子直接送入 ubiquinone，因此 Complex I 被抑制時，Complex II 所提供的電子仍可經由 Complex III 與 Complex IV 傳遞。

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選項分析

(A) Complex I

正確。

核心觀念

本題考查糖質新生（gluconeogenesis）由 2 分子丙酮酸（pyruvate）合成 1 分子葡萄糖（glucose）時的能量消耗。

糖質新生並非糖解作用（glycolysis）的完全逆反應，因為糖解作用有 3 個不可逆步驟，必須利用特定的繞道反應（bypass reactions）克服：

1. 丙酮酸激酶（pyruvate kinase）反應的逆向繞道
2. 磷酸果糖激酶-1（PFK-1）反應的逆向繞道
3. 己糖激酶／葡萄糖激酶（hexokinase／glucokinase）反應的逆向繞道

其中需要消耗高能磷酸鍵的反應共有：

• $4$ 個 ATP
• $2$ 個 GTP

生化學計算通常將 $1$ 個 GTP 視為與 $1$ 個 ATP 等值的高能磷酸核苷酸，因此總能量成本為 $6$ 個 ATP equivalents。

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解題方法

糖質新生由 2 分子丙酮酸開始，關鍵能量消耗如下。

1. 丙酮酸轉換為磷酸烯醇丙酮酸

第一步由丙酮酸羧化酶（pyruvate carboxylase）催化：

$$\ce{Pyruvate + HCO3^- + ATP -> Oxaloacetate + ADP + Pi}$$

每 1 分子丙酮酸消耗 1 個 ATP。由於合成 1 分子葡萄糖需要 2 分子丙酮酸，因此：

$$2 \times 1 = 2\ \text{ATP}$$

接著，草醯乙酸（oxaloacetate）由磷酸烯醇丙酮酸羧激酶（phosphoenolpyruvate carboxykinase, PEPCK）轉為磷酸烯醇丙酮酸（phosphoenolpyruvate, PEP）：

$$\ce{Oxaloacetate + GTP -> PEP + GDP + CO2}$$

每 1 分子丙酮酸再消耗 1 個 GTP，因此：

$$2 \times 1 = 2\ \text{GTP}$$

2. 由 3-磷酸甘油酸形成 1,3-雙磷酸甘油酸

核心觀念

本題測驗五碳糖磷酸途徑（Pentose Phosphate Pathway, PPP），又稱己糖磷酸單途徑（Hexose Monophosphate Shunt, HMP 分流）的速率決定步驟（rate-limiting step）及其異位調節（allosteric regulation）機轉。

1. PPP 的生理功能：

• 產生 $\ce{NADPH}$：提供脂質合成（脂肪酸、膽固醇等）的還原力，以及維持細胞內麩胱甘肽（glutathione）處於還原態以抗氧化。
• 產生核糖-5-磷酸（Ribose 5-phosphate, R5P）：提供核苷酸與核酸合成所需。

2. 限速酵素與調節位點：

• 氧化階段（oxidative phase）的第一步不可逆反應由**葡萄糖-6-磷酸去氫酶（Glucose-6-phosphate dehydrogenase, G6PD）**催化：
  $\ce{Glucose-6-phosphate + NADP+ -> 6-Phosphoglucono-$\delta$-lactone + NADPH + H+}$
• G6PD 的活性受細胞質中 $\ce{[NADP+] / [NADPH]}$ 濃度比值的高度異位調節。當細胞大量消耗 $\ce{NADPH}$ 進行生合成或抗氧化時，$\ce{NADP+}$ 濃度上升，直接作為 G6PD 的受質與強力活化因子，大幅加速 PPP 的代謝速率；反之，$\ce{NADPH}$ 則為競爭性抑制劑。

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解題方法

1. 辨識代謝路徑主要調控點：

• 尋找五碳糖磷酸途徑的關鍵管制酵素（committed step / rate-limiting step），即 G6PD。

2. 檢視該酵素的輔酶與受質需求：

• G6PD 專一性利用 $\ce{NADP+}$ 作為電子接受者（輔酶），絕非利用 $\ce{NAD+}$。
• 細胞內反應速率由可用受質濃度決定。在生理狀態下，細胞質內 $\ce{[NADPH]}$ 通常遠高於 $\ce{[NADP+]}$，因此低濃度的 $\ce{NADP+}$ 是促使 G6PD 啟動的關鍵限制因子。

核心觀念

本題測驗「荷爾蒙對肝臟與骨骼肌中肝醣代謝（Glycogen Metabolism）之調節機轉」。
主要調控途徑圍繞在兩大限速酵素的共價修飾（可逆磷酸化）：

1. 肝醣磷解酶（Glycogen Phosphorylase）：負責肝醣分解（Glycogenolysis）。當被磷酸化為 $a$ 型（Active form）時活性上升。
2. 肝醣合成酶（Glycogen Synthase）：負責肝醣合成（Glycogenesis）。當被去磷酸化為 $a$ 型（Active form）時活性上升；被磷酸化為 $b$ 型（Inactive form）時活性下降。

調節此過程的三大關鍵荷爾蒙及其訊息傳遞路徑如下：

• 胰島素（Insulin）：進食後由胰臟 $\beta$ 細胞分泌，促進「肝醣合成」，抑制「肝醣分解」。經由受體酪胺酸激酶（Receptor Tyrosine Kinase, RTK）路徑，活化磷酸蛋白磷酸酶-1（Protein Phosphatase 1, PP1）使關鍵酵素去磷酸化，同時活化磷酸二酯酶（Phosphodiesterase, PDE）降解 $\ce{cAMP}$。
• 升糖素（Glucagon）：空腹禁食時由胰臟 $\alpha$ 細胞分泌（主要作用於肝臟），促進「肝醣分解」，抑制「肝醣合成」。經由 G 蛋白偶聯受體（GPCR, $\ce{G_{\alpha s}}$）活化腺苷酸環化酶（Adenylyl Cyclase），使細胞內 $\ce{cAMP}$ 增加，活化蛋白激酶 A（Protein Kinase A, PKA），促進關鍵酵素磷酸化。
• 腎上腺素（Epinephrine）：面臨壓力或應激反應（Fight-or-Flight）時由腎上腺髓質分泌（作用於骨骼肌與肝臟）。在骨骼肌藉由 $\beta_2$-腎上腺素受體活化 $\ce{cAMP-PKA}$ 級聯反應；在肝臟可經由 $\beta_2$ 受體或 $\alpha_1$-受體（結合 $\ce{G_{\alpha q}}$ 活化 $\ce{IP3/DAG/Ca^2+}$ 路徑）促進肝醣分解，迅速提供葡萄糖或 ATP。

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解題方法

本題問何者能「調節（regulate）」肝醣代謝。「調節」一詞包含正向促進（合成）與負向動員（分解）。

1. 檢視選項 (A) Insulin：具促合成功能，參與肝醣代謝調節。
2. 檢視選項 (B) Epinephrine：具應激分解功能，參與肝醣代謝調節。
3. 檢視選項 (C) Glucagon：具空腹分解功能，參與肝醣代謝調節。
4. 既然 (A)、(B)、(C) 皆為生理上調控肝醣代謝的核心荷爾蒙，故應選 (D) All of the above。

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核心觀念

本題測驗粒線體內「脂肪酸 $\beta$-氧化作用」（Fatty Acid $\beta$-Oxidation）的產物，以及其與「脂肪酸生合成」（Fatty Acid Synthesis）在輔酶（Coenzyme）使用上的本質差異。

偶數碳飽和脂肪酸進入粒線體基質後，每進行一輪（Cycle）$\beta$-氧化，會依序歷經四個酵素催化步驟：

1. 第一次脫氫（Oxidation/Dehydrogenation）：由醯基輔酶A脫氫酶（Acyl-CoA dehydrogenase）催化，受質脫氫並將電子傳給輔酶 $\ce{FAD}$，生成 $\ce{FADH2}$ 與 $\text{trans-}\Delta^2\text{-enoyl-CoA}$。
2. 水合反應（Hydration）：由烯醯基輔酶A水合酶（Enoyl-CoA hydratase）催化，於雙鍵處加水生成 $\ce{L-\beta-hydroxyacyl-CoA}$。
3. 第二次脫氫（Oxidation/Dehydrogenation）：由 $\beta$-羥醯基輔酶A脫氫酶（$\beta$-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase）催化，受質再次脫氫並將電子傳給輔酶 $\ce{NAD+}$，生成 $\ce{NADH} + \ce{H+}$ 與 $\beta\text{-ketoacyl-CoA}$。
4. 硫解反應（Thiolysis/Cleavage）：由硫解酶（$\beta$-ketothiolase）催化，引入一分子游離輔酶A（$\ce{CoASH}$），裂解出兩碳單位的乙醯輔酶A（$\ce{Acetyl-CoA}$），並留下縮短兩個碳的醯基輔酶A（Acyl-CoA）。

整體而言，脂肪酸分解（異化作用）是將還原態的電子轉移給 $\ce{NAD+}$ 與 $\ce{FAD}$，以產出 ATP；而 $\ce{NADPH}$ 則是同化合成途徑（如脂肪酸合成、固醇類合成）所消耗的還原劑。

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解題方法

從細胞代謝策略的切入點進行判斷：

• 異化路徑（Catabolism）：目的為分解大分子釋出能量，氧化碳鏈並收集高能電子，因此利用氧化態輔酶 $\ce{NAD+}$ 與 $\ce{FAD}$ 作為電子受體，反應產物必然伴隨還原態的 $\ce{NADH}$、$\ce{FADH2}$，以及碳鏈裂解生成的代謝單元 $\ce{Acetyl-CoA}$。
• 同化路徑（Anabolism）：需要還原力驅動合成，其輔酶主要為 $\ce{NADPH}$（通常由五碳糖磷酸途徑或蘋果酸酵素生成）。

核心觀念

本題考查脂肪酸的氧化、合成位置、碳骨架與葡萄糖生成的關係，以及脂肪酸合成中 acyl carrier protein（ACP，醯基載體蛋白） 的功能。

判斷重點如下：

1. 飽和偶數碳脂肪酸可經由 $\beta$-oxidation（$\beta$-氧化）產生 acetyl-CoA、NADH 與 FADH$_2$。
2. 動物無法將一般偶數碳脂肪酸的碳骨架直接轉成葡萄糖。
3. 動物的 de novo fatty acid synthesis（脂肪酸新生合成）主要在細胞質進行。
4. 脂肪酸合成的中間物以硫酯鍵共價連接於 ACP 的 sulfhydryl group（巰基）。

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解題方法

先判斷數值計算的選項，再利用脂肪酸代謝的基本場所與機轉判斷其餘敘述。

Palmitate（棕櫚酸）為 16 個碳的飽和脂肪酸：

$$\ce{CH3(CH2)14COOH}$$

對於含有 $n$ 個碳的偶數碳飽和脂肪酸：

• $\beta$-氧化輪數：

$$\frac{n}{2}-1$$

• 產生的 acetyl-CoA 數量：

$$\frac{n}{2}$$

因此 palmitate 的代謝結果為：

• $\beta$-氧化進行 $16/2-1=7$ 輪
• 產生 $8$ 分子 acetyl-CoA
• 產生 $7$ 分子 NADH
• 產生 $7$ 分子 FADH$_2$

採用現代常用的 P/O ratio：

• 1 NADH $\rightarrow 2.5$ ATP
• 1 FADH$_2$ $\rightarrow 1.5$ ATP
• 1 acetyl-CoA 完成一次 TCA cycle $\rightarrow 10$ ATP
• palmitate 活化為 palmitoyl-CoA 需消耗 2 個 ATP equivalent

計算如下：

$$7(2.5)+7(1.5)+8(10)-2$$ $$=17.5+10.5+80-2$$ $$=106\ \text{ATP}$$

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選項分析

(A) The complete oxidation of palmitate yields 106 molecules of ATP.

正確。

Palmitate 經由下列過程完全氧化：

1. 脂肪酸活化為 palmitoyl-CoA，消耗 2 個 ATP equivalent。
2. 經 7 輪 $\beta$-氧化，產生 7 NADH、7 FADH$_2$ 與 8 acetyl-CoA。
3. 8 個 acetyl-CoA 分別進入 TCA cycle。
4. NADH 與 FADH$_2$ 將電子送入 electron transport chain（電子傳遞鏈）產生 ATP。

總 ATP 為：

$$7(2.5)+7(1.5)+8(10)-2=106$$

所以此敘述正確。

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(B) Animals can convert fatty acids into glucose directly.

錯誤，這是本題答案。

一般偶數碳脂肪酸經 $\beta$-氧化後，產物是 acetyl-CoA。Acetyl-CoA 雖可進入 TCA cycle，卻不能在動物體內產生「淨增加」的 gluconeogenic carbon（糖質新生碳源），原因如下：

1. Acetyl-CoA 由 pyruvate 經 pyruvate dehydrogenase（PDH，丙酮酸去氫酶）形成；PDH 反應為不可逆反應，因此 acetyl-CoA 不能直接逆轉回 pyruvate。
2. Acetyl-CoA 進入 TCA cycle 後，兩個碳最終以 $\ce{CO2}$ 形式釋放。
3. TCA cycle 中雖然會短暫形成 oxaloacetate（草醯乙酸）等中間物，但 acetyl-CoA 本身沒有造成 TCA cycle 中間物的淨累積，因此不能直接供應 gluconeogenesis（糖質新生）。

因此，動物不能將一般偶數碳脂肪酸直接轉成葡萄糖。

需注意兩項相關例外：

核心觀念

本題考查脂蛋白受體與膽固醇恆定的關係，關鍵在於辨認哪一種受體負責將循環中的膽固醇主要載體送入細胞，進而調節細胞內膽固醇濃度。

**LDL receptor（LDL receptor, LDLR；低密度脂蛋白受體）**可辨認 LDL 表面的 Apolipoprotein B-100（ApoB-100），促進 LDL 被肝細胞及周邊細胞攝取。LDL 內含大量膽固醇酯，是血液中膽固醇輸送至組織的重要脂蛋白。

LDLR 所參與的調控機轉如下：

1. LDL 與細胞膜上的 LDLR 結合。
2. 藉由 clathrin-coated pit 進行受體媒介的胞吞作用。
3. LDL 進入 endosome 後，LDLR 與 LDL 分離並回收至細胞膜。
4. LDL 送至 lysosome 分解，釋放 free cholesterol（游離膽固醇）。
5. 細胞內膽固醇升高後，抑制膽固醇合成及 LDLR 表現。

其中，膽固醇降低時會促使 **SREBP-2（sterol regulatory element-binding protein 2）**活化，增加下列基因的轉錄：

• LDL receptor：增加 LDL 攝取
• HMG-CoA reductase（3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase）：增加膽固醇合成

膽固醇升高時，SREBP-2 留在 endoplasmic reticulum，無法進入細胞核，因此 LDLR 與 HMG-CoA reductase 的表現下降，形成負回饋調節。

膽固醇合成的關鍵步驟為：

$$\ce{HMG-CoA ->[HMG-CoA\ reductase] Mevalonate}$$

因此，LDLR 同時影響「血中 LDL 清除」與「細胞內膽固醇合成的負回饋」，是控制膽固醇代謝的核心受體。

解題方法

本題可採「脂蛋白功能定位」判斷：

1. 先辨認膽固醇主要由哪一種脂蛋白攜帶。
2. 再找出負責攝取該脂蛋白的受體。
3. 判斷該受體是否直接參與膽固醇恆定調控。

血液中，LDL 是將膽固醇由肝臟運送至周邊組織的主要脂蛋白；細胞透過 LDLR 攝取 LDL。當 LDLR 功能下降時，血中 LDL 無法有效被肝臟清除，會造成 plasma LDL-cholesterol 上升，並增加動脈粥樣硬化風險。

LDLR 的調控可整理為：

$$\text{細胞內膽固醇下降} \rightarrow \text{SREBP-2 活化} \rightarrow \text{LDLR 增加} \rightarrow \text{LDL 攝取增加}$$ $$\text{細胞內膽固醇上升} \rightarrow \text{SREBP-2 受抑制} \rightarrow \text{LDLR 與 HMG-CoA reductase 減少}$$

題目問的是「在控制膽固醇代謝中扮演關鍵角色的受體」，因此答案是 LDL receptor。

選項分析

(A) VLDL receptor

錯誤。

VLDL receptor（VLDLR；極低密度脂蛋白受體）主要存在於脂肪組織、骨骼肌及心肌，負責攝取含有 ApoE 的 triglyceride-rich lipoproteins，例如 VLDL 與 β-VLDL。

VLDL 的主要功能是將肝臟合成的三酸甘油酯運送至周邊組織。VLDL 經由 **lipoprotein lipase（LPL；脂蛋白脂解酶）**水解後，形成 IDL：

$$\text{VLDL} \xrightarrow{\text{LPL}} \text{IDL} \rightarrow \text{LDL}$$

VLDLR 的重點在於三酸甘油酯豐富脂蛋白的攝取，並非調節細胞膽固醇恆定的主要受體。

核心觀念

本題考查「荷爾蒙的化學分類與前驅物來源」。

荷爾蒙依化學性質可分為：

1. 類固醇荷爾蒙（steroid hormones）
   共同前驅物是膽固醇（cholesterol），包括：

• 黃體酮（progesterone）
• 雄性素（androgens）
• 雌性素（estrogens）
• 皮質醇（cortisol）
• 醛固酮（aldosterone）

2. 胜肽／蛋白質荷爾蒙（peptide or protein hormones）
   由胺基酸組成，經核糖體合成，包括：

• 胰島素（insulin）
• 升糖素（glucagon）
• 生長激素（growth hormone）

因此，本題要找的是「不是由膽固醇衍生」的荷爾蒙。

類固醇荷爾蒙的合成路徑

膽固醇先進入粒線體，經由膽固醇側鏈裂解酶（cholesterol side-chain cleavage enzyme，簡稱 CYP11A1 或 P450scc）催化，形成孕烯醇酮（pregnenolone）：

$$\text{Cholesterol} \xrightarrow{\text{CYP11A1/P450scc}} \text{Pregnenolone}$$

孕烯醇酮是多種類固醇荷爾蒙的共同中間物，後續可形成黃體酮、雄性素及雌性素。

典型路徑如下：

$$\text{Pregnenolone} \xrightarrow{\text{3}\beta\text{-HSD}} \text{Progesterone}$$

雄性素路徑可經由：

$$\text{Pregnenolone} \rightarrow \text{17}\alpha\text{-Hydroxypregnenolone} \rightarrow \text{DHEA} \rightarrow \text{Androstenedione} \rightarrow \text{Testosterone}$$

雌性素則由雄性素經芳香化酶（aromatase，CYP19A1）催化形成：

$$\text{Testosterone} \xrightarrow{\text{Aromatase/CYP19A1}} \text{Estradiol}$$

因此，progesterone、androgens 與 estrogens 均屬膽固醇衍生物。

解題方法

判斷此題最快的方法是先辨認荷爾蒙種類：

• 若屬於類固醇荷爾蒙，其碳骨架來自膽固醇。
• 若屬於胜肽或蛋白質荷爾蒙，則由胺基酸經基因轉錄、翻譯而來，不是膽固醇衍生物。

四個選項中，progesterone、androgens、estrogens 都是類固醇荷爾蒙；insulin 是蛋白質荷爾蒙，因此選擇 insulin。

選項分析

(A) Insulin

正確答案。

胰島素是由胰臟 $\beta$ 細胞合成的蛋白質荷爾蒙，合成過程為：

核心觀念

本題考查 cytochrome P450（細胞色素 P450，CYP）單加氧酶系統的分布、反應機轉與代謝功能。

Cytochrome P450 是含有血基質（heme）的單加氧酶，主要參與：

• 類固醇（steroids）羥基化
• 藥物與外源性化合物的氧化
• 脂肪酸與維生素 D 等物質的代謝
• 乙醇等化合物的氧化代謝

其基本反應為：

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

其中：

• $\ce{RH}$：待氧化的受質
• $\ce{ROH}$：羥基化產物
• $\ce{NADPH}$：提供電子
• $\ce{O2}$：提供氧原子
• 一個氧原子加到受質上，另一個氧原子被還原成 $\ce{H2O}$

電子通常由 NADPH-cytochrome P450 reductase 傳遞。此還原酶含有 FAD 與 FMN，電子流向為：

$$\ce{NADPH -> FAD -> FMN -> P450-Fe^{3+}}$$

P450 的血基質鐵由 $\ce{Fe^{3+}}$ 還原成 $\ce{Fe^{2+}}$ 後與 $\ce{O2}$ 結合，經過氧活化，形成具有高度反應性的氧化物種，完成受質的羥基化。

解題方法

本題的選項分別描述 cytochrome P450 的三個典型特徵：

1. 是否利用 $\ce{NADPH}$ 與 $\ce{O2}$ 進行羥基化反應
2. 是否主要分布於肝臟與小腸的 smooth endoplasmic reticulum（平滑內質網）
3. 是否參與乙醇代謝

三項皆符合 cytochrome P450 的生化特性，因此應選擇涵蓋全部正確敘述的選項。

選項分析

(A) 正確

Steroids 可由 cytochrome P450 monooxygenases 進行羥基化，且反應需要 $\ce{NADPH}$ 與 $\ce{O2}$。

典型反應可表示為：

$$\ce{Steroid-H + O2 + NADPH + H+ -> Steroid-OH + H2O + NADP+}$$

在類固醇生成與代謝中，P450 酵素可催化特定位點的羥基化。例如：

• CYP17A1：參與類固醇生成中的 $17\alpha$-hydroxylation 與 $17,20$-lyase 反應
• CYP21A2：催化 $21$-hydroxylation
• CYP11A1：參與膽固醇側鏈切割，形成 pregnenolone
• CYP11B1：參與 cortisol 生成
• CYP11B2：參與 aldosterone 生成

因此 (A) 正確。

核心觀念

本題考查尿素循環（urea cycle，又稱 ornithine cycle）的反應物、產物，以及其與胺基酸代謝的連結。

尿素循環的主要功能，是將有毒的氨 $\ce{NH3}$ 轉變為尿素，主要在肝臟進行。尿素中的兩個氮來源分別是：

1. 游離氨 $\ce{NH3}$
2. Aspartate（天門冬胺酸）的胺基

尿素循環的核心中間物依序為：

$$\text{Ornithine} \rightarrow \text{Citrulline} \rightarrow \text{Argininosuccinate} \rightarrow \text{Arginine} \rightarrow \text{Ornithine}$$

其中 Argininosuccinate（精胺基琥珀酸）裂解時會產生 Fumarate（延胡索酸），因此 Fumarate 也是尿素循環的重要連結物。

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解題方法

判斷本題最快的方法，是將每個選項對照尿素循環的反應位置：

1. 是否為尿素循環的直接中間物？
2. 是否直接提供尿素的氮原子？
3. 是否為循環反應所產生的產物？
4. 若不是直接成分，是否只是上游代謝的間接關聯物？

尿素循環的關鍵反應如下：

1. 形成 Carbamoyl phosphate

粒線體內，氨與碳酸氫根形成 Carbamoyl phosphate（氨甲醯磷酸）：

$$\ce{NH3 + HCO3^- + 2ATP -> Carbamoyl\ phosphate}$$

酵素為 Carbamoyl phosphate synthetase I（CPS I），其活性需要 N-acetylglutamate（N-乙醯麩胺酸）活化。

2. 形成 Citrulline

$$\ce{Carbamoyl\ phosphate + Ornithine -> Citrulline}$$

酵素為 Ornithine transcarbamylase（OTC）。

3. 形成 Argininosuccinate

Citrulline 與 Aspartate 結合：

$$\ce{Citrulline + Aspartate + ATP -> Argininosuccinate}$$

酵素為 Argininosuccinate synthetase。

此步驟中的 Aspartate 提供尿素的第二個氮原子。

4. 產生 Arginine 與 Fumarate

$$\ce{Argininosuccinate -> Arginine + Fumarate}$$

酵素為 Argininosuccinate lyase。

5. 產生尿素並再生 Ornithine

$$\ce{Arginine + H2O -> Ornithine + Urea}$$

酵素為 Arginase。Ornithine 隨後回到粒線體，重新進入循環。

因此，Ornithine、Aspartate 與 Fumarate 都能在尿素循環中找到明確位置；Glutamate 則不是尿素循環的直接中間物。

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選項分析

(A) Glutamate（麩胺酸）

Glutamate 不是尿素循環的直接中間物，也不直接參與上述五個核心反應，因此是本題答案。

核心觀念

本題考查 aminotransferase（胺基轉移酶）所需的輔酶。

Aminotransferase 催化胺基酸與 $\alpha$-keto acid（$\alpha$-酮酸）之間的胺基轉移，典型反應為：

$$\ce{Amino\ acid + \alpha-ketoglutarate <=>[\text{aminotransferase}] \alpha-keto\ acid + glutamate}$$

其必要輔酶為 pyridoxal phosphate, PLP（磷酸吡哆醛），即維生素 B6 的活性形式。

PLP 的醛基可與胺基酸的 $\alpha$-amino group 形成 Schiff base（席夫鹼），暫時承接胺基，使胺基能夠轉移至另一個 $\alpha$-keto acid。反應過程中，PLP 與其還原型胺基承接形式 pyridoxamine phosphate, PMP（磷酸吡哆胺） 相互轉換。

解題方法

判斷胺基轉移反應的輔酶時，直接抓住「胺基轉移」與「維生素 B6」的對應關係：

• 胺基轉移酶：需要 PLP
• PLP：維生素 B6 的磷酸化衍生物
• PLP：透過形成 Schiff base 暫時攜帶胺基

以 alanine aminotransferase（ALT）為例：

$$\ce{L-alanine + \alpha-ketoglutarate <=>[ALT] pyruvate + L-glutamate}$$

反應可分為兩個半反應：

$$\ce{L-alanine + Enzyme-PLP <=> pyruvate + Enzyme-PMP}$$ $$\ce{Enzyme-PMP + \alpha-ketoglutarate <=> glutamate + Enzyme-PLP}$$

因此，能直接支援胺基暫時轉移的輔酶是 pyridoxal phosphate。

反應機轉重點

1. PLP 先與酵素活性中心的 lysine（離胺酸）形成 internal aldimine（內部醛亞胺）。
2. 胺基酸進入活性中心後，取代 lysine，與 PLP 形成 external aldimine（外部醛亞胺）。
3. PLP 的共軛系統可穩定反應中間產物，使胺基酸的 $\alpha$-carbon bond 能夠進行重排。
4. 胺基酸被轉換成相應的 $\alpha$-keto acid，PLP 則轉為 PMP。
5. PMP 將胺基轉移給另一個 $\alpha$-keto acid，重新生成胺基酸，並使酵素恢復為 PLP 型態。

核心觀念

本題考的是 DNA 合成所需的輔酶與一碳單位代謝。DNA 合成需要製造嘌呤鹼基及胸腺嘧啶核苷酸，其中葉酸的活性型態 tetrahydrofolate（THF，四氫葉酸）及其衍生物，負責攜帶並轉移一碳單位。

最關鍵的反應是胸腺嘧啶核苷酸的合成：

$$\text{dUMP} \xrightarrow{\text{thymidylate synthase}} \text{dTMP}$$

此反應需要 $N^5,N^{10}$-methylene-THF 提供甲基。一碳單位轉移後，$N^5,N^{10}$-methylene-THF 被氧化成 dihydrofolate（DHF），再由 dihydrofolate reductase（DHFR，二氫葉酸還原酶）利用 NADPH 還原回 THF。

$$\text{DHF} \xrightarrow{\text{DHFR}} \text{THF}$$

此外，嘌呤環合成也需要 $10$-formyl-THF 提供甲醯基。因此，葉酸代謝是 DNA 合成的重要基礎。

解題方法

判斷各選項是否直接參與 DNA 前驅物的合成：

1. DNA 合成需要 dATP、dGTP、dCTP、dTTP。
2. dTTP 的前驅物 dUMP 必須先轉變成 dTMP。
3. dUMP 至 dTMP 的 thymidylate synthase 反應需要葉酸衍生物提供一碳單位。
4. 因此，與 DNA 合成直接相關的輔酶為 folic acid 的活性衍生物 THF。

選項分析

(A) Folic acid

正確。Folic acid（葉酸，維生素 B9）在細胞內轉變為 THF，形成不同的一碳攜帶型態：

• $N^5,N^{10}$-methylene-THF：參與 dUMP 合成 dTMP。
• $10$-formyl-THF：參與嘌呤環合成。

若葉酸缺乏，dTMP 及嘌呤合成受阻，DNA 複製與細胞分裂均會受到影響，並造成 megaloblastic anemia（巨幼紅血球性貧血）。

(B) Biotin