亞洲大學 109 年 《生物化學》

核心觀念

本題考查真核細胞胞器的功能分工，關鍵是辨認「細胞主要能量產生場所」。

真核細胞大部分 ATP（adenosine triphosphate，三磷酸腺苷）是在粒線體（mitochondria）中製造，主要透過細胞呼吸作用完成：

1. 檸檬酸循環（citric acid cycle／TCA cycle）
   位於粒線體基質（matrix），將 acetyl-CoA 氧化，產生 $\ce{NADH}$ 與 $\ce{FADH2}$。

2. 電子傳遞鏈（electron transport chain，ETC）
   位於粒線體內膜（inner mitochondrial membrane）。$\ce{NADH}$ 與 $\ce{FADH2}$ 將高能電子交給電子傳遞鏈，電子逐步傳遞至氧氣。

3. 氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）
   電子傳遞過程將 $\ce{H+}$ 泵入膜間腔，建立質子電化學梯度；$\ce{H+}$ 經由 ATP synthase 回流至基質，驅動：

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

在有氧條件下，氧氣是末端電子受體，最終形成水：

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

因此，粒線體是真核細胞進行有氧呼吸並大量產生 ATP 的主要胞器。

解題方法

題幹指出胞器具有功能區隔，並詢問「真核細胞的主要能量來源是哪一個胞器」。解題時直接將「能量來源」對應到「ATP 生成」：

• 少量 ATP 可在細胞質的糖解作用（glycolysis）中產生。
• 大量 ATP 則由粒線體的檸檬酸循環、電子傳遞鏈與氧化磷酸化產生。
• 其餘選項主要負責蛋白質與脂質加工、分泌運輸或細胞內消化，不是 ATP 的主要製造場所。

故正確選項為粒線體。

選項分析

(A) Endoplasmic reticulum（內質網）

內質網包括粗糙內質網（rough ER）與平滑內質網（smooth ER）：

核心觀念

本題考查「細胞器與其所含代謝酵素」的配對，重點是辨認粒線體（mitochondrion）與葉綠體（chloroplast）的功能分工。

粒線體主要負責：

• 檸檬酸循環（citric acid cycle, TCA cycle）
• 電子傳遞鏈（electron transport chain）
• 氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）

葉綠體則主要負責：

• 光合作用（photosynthesis）
• 二氧化碳固定（$\ce{CO2}$ fixation）
• Calvin cycle（卡爾文循環）

題幹未列出「this organelle」所指的細胞器；依選項組合與本題標準命題意圖，該細胞器應為粒線體。

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解題方法

先將各酵素所參與的代謝途徑與細胞內位置配對：

1. 若酵素參與 TCA cycle，通常位於粒線體基質（mitochondrial matrix）。
2. 若酵素參與電子傳遞鏈，通常位於粒線體內膜（inner mitochondrial membrane）。
3. 若酵素參與 Calvin cycle，則位於葉綠體基質（chloroplast stroma）。

因此，只要找出不屬於粒線體功能的酵素，即可判定答案。

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選項分析

(A) Rubisco

Rubisco 的全名為 ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase，即核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶／加氧酶。

它是 Calvin cycle 的關鍵酵素，催化二氧化碳固定反應：

$$\ce{RuBP + CO2 + H2O ->[Rubisco] 2\ 3-phosphoglycerate}$$

其中：

• $\ce{RuBP}$：ribulose-1,5-bisphosphate，核酮糖-1,5-二磷酸
• $\ce{3-phosphoglycerate}$：3-磷酸甘油酸

Rubisco 位於葉綠體基質，並非粒線體的典型酵素。因此本選項符合「NOT contained in this organelle」。

(A) 為正確答案。

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(B) Fumarase

Fumarase（延胡索酸酶）參與 TCA cycle，催化延胡索酸（fumarate）水合形成蘋果酸（malate）：

$$\ce{Fumarate + H2O <=>[Fumarase] L-malate}$$

在真核細胞中，TCA cycle 的大部分反應位於粒線體基質。Fumarase 是其中的成員，因此可存在於粒線體內。

核心觀念

PCR（polymerase chain reaction，聚合酶連鎖反應）利用反覆循環放大特定 DNA 片段。每一個 PCR cycle 的主要步驟如下：

1. Denaturation（變性）：通常加熱至約 $94\text{–}98^\circ\mathrm{C}$，使雙股 DNA 的氫鍵斷裂，分離成兩條單股模板。
2. Annealing（引子退火）：降溫使 primers（引子）與模板 DNA 的互補序列配對。
3. Elongation／Extension（延伸）：DNA polymerase（DNA 聚合酶）以引子 $3'$ 端為起點，依模板序列加入 dNTP，合成新的 DNA 股。

DNA polymerase 催化的是 DNA 鏈的延伸反應：

$$\text{DNA}_{n}+\text{dNTP} \longrightarrow \text{DNA}_{n+1}+\text{PP}_{i}$$

DNA 合成方向固定為 $5'\rightarrow3'$，因此 DNA polymerase 必須利用已與模板配對的 primer，從其自由的 $3'$-OH 端開始延長。PCR 中常使用耐熱的 Taq DNA polymerase（Taq DNA 聚合酶），以承受反覆高溫變性。

解題方法

判斷各步驟的主要功能：

• 分開雙股 DNA：Denaturation。
• 讓引子與模板互補配對：Annealing。
• 由 DNA polymerase 加入核苷酸、合成新股：Elongation。

題目問「哪一個步驟需要 DNA polymerase」，符合 DNA 聚合酶進行新股合成功能的步驟是 Elongation。

選項分析

(A) Denaturation（變性）—錯誤

核心觀念

PCR（polymerase chain reaction，聚合酶連鎖反應）利用反覆的溫度循環，使特定 DNA 片段大量擴增。每一個 PCR cycle 主要包含三個步驟：

1. Denaturation（變性）：以高溫使雙股 DNA 分離成兩條單股 DNA。
2. Annealing（引子退火／黏合）：降低溫度，使 primers（引子）依互補鹼基配對原則，結合至模板 DNA 的特定序列。
3. Elongation（延伸）：DNA polymerase（DNA 聚合酶）由引子的 $3'$ 端開始，依模板股序列合成新的 DNA 股。

本題所述「binding of a primer to a DNA strand」即為引子與模板 DNA 的互補配對及結合，發生在 Annealing 階段。

引子結合後，DNA polymerase 以引子的 $3'$-OH 作為延伸起點，依序加入 deoxyribonucleotides（去氧核苷三磷酸，dNTPs），形成新的 DNA 鏈。

解題方法

判斷 PCR 步驟時，直接將題幹動作對應至各階段的功能：

• 「分開雙股 DNA」→ Denaturation
• 「引子與模板 DNA 結合」→ Annealing
• 「DNA 聚合酶合成新股」→ Elongation

題幹的關鍵字是 primer binding。引子不是在變性時結合，也不是在延伸時才開始結合，而是在變性完成後、延伸開始前的低溫階段與模板 DNA 配對，因此答案為 Annealing。

選項分析

(A) Denaturation

錯誤。Denaturation 是高溫變性步驟，主要作用是破壞雙股 DNA 兩股之間的氫鍵，使雙股 DNA 變成單股模板。

核心觀念

本題考查「如何快速大量複製特定 DNA 片段」。能針對指定 DNA 序列進行體外大量擴增的方法，是 Polymerase chain reaction, PCR（聚合酶鏈鎖反應）。

PCR 利用兩條人工設計的 primers（引子），界定欲擴增的 DNA 區域，再配合耐熱 DNA polymerase，使目標片段經多個循環後呈指數增加。理想狀況下，每完成一個循環，DNA 數量約加倍：

$$N=N_0 \times 2^n$$

其中 $N_0$ 為起始 DNA 數量，$n$ 為 PCR 循環數。

解題方法

題幹關鍵字是：

• specific DNA sample：特定 DNA 樣本或特定 DNA 片段
• make copies：製造大量複本
• rapidly：快速進行

這些特徵直接對應 PCR。PCR 的每一循環包括三個主要步驟：

1. Denaturation（變性）
   高溫使雙股 DNA 的氫鍵斷裂，形成兩條單股 DNA。

2. Annealing（引子黏合）
   降低溫度，使 primers 與目標 DNA 的互補序列配對。兩條引子分別位於待擴增片段的兩端，決定擴增範圍。

3. Extension（延伸）
   耐熱 DNA polymerase，例如 Taq DNA polymerase，以引子提供的 $3'$ 端為起點，利用 dNTPs 合成互補 DNA 鏈。

此反應的核心反應可表示為：

$$\text{DNA template}+\text{primer}+\text{dNTPs} \xrightarrow{\text{Taq DNA polymerase}} \text{new DNA strand}$$

經過多次循環後，位於兩條 primers 之間的特定 DNA 片段會大量累積。

選項分析

(A) Edman degradation

核心觀念

細胞器（cellular organelles）具有不同的大小、密度與沉降速率，因此可利用離心力將其分離。最典型的方法是超速離心法（ultracentrifugation），常搭配：

• 差速離心（differential centrifugation）：依細胞器大小與沉降速度分批沉降。
• 密度梯度離心（density-gradient centrifugation）：依細胞器的浮力密度，在蔗糖或其他密度梯度中形成不同位置的條帶。

離心時，顆粒所受的沉降作用與其質量、密度、形狀及離心力有關。概念上可表示為：

$$F_c = m\omega^2 r$$

其中 $m$ 為顆粒質量，$\omega$ 為角速度，$r$ 為離旋轉軸的距離。超速離心機能產生極高離心力，使細胞器依特性分離。

解題方法

題目問的是「用於分離細胞器的方法」。判斷關鍵在於：

1. 細胞器是細胞內的次細胞結構。
2. 細胞器分離通常依靠物理性質，例如大小、密度與沉降速度。
3. 能產生高離心力並依上述性質分離細胞器的方法，就是 ultracentrifugation。

因此正確選項為 (C)。

選項分析

(A) Edman degradation

Edman degradation（Edman 降解法）用於分析蛋白質或胜肽的 N 端胺基酸序列。其基本概念是以 phenyl isothiocyanate（PITC）與蛋白質 N 端反應，逐一切下並鑑定 N 端胺基酸。

它是蛋白質定序方法，不是依細胞器大小或密度進行分離的方法，因此錯誤。

(B) Polymerase chain reaction

核心觀念

蛋白質分離方法依據的物理化學性質不同：

• Hydrophobic interaction chromatography：依蛋白質表面疏水性差異分離。
• Affinity chromatography：依蛋白質與特定配體的專一性結合分離。
• Ion exchange chromatography：依蛋白質所帶電荷及等電點差異分離。
• Gel filtration chromatography：依蛋白質的大小、分子量及三維構形所造成的水動力體積差異分離。

本題關鍵在於「different molecular weight and configuration」，也就是蛋白質分子大小與構形不同。符合此原理的是 Gel filtration，又稱 size-exclusion chromatography（分子篩層析）。

解題方法

Gel filtration column 內填充具有許多孔洞的多孔性凝膠顆粒。蛋白質通過管柱時，依其能否進入凝膠孔洞而分離：

1. 大型蛋白質無法進入大部分孔洞，只能沿著顆粒外部空間前進，因此路徑較短，最先流出。
2. 中型蛋白質可進入部分孔洞，移動路徑較長，稍後流出。
3. 小型蛋白質可進入較多孔洞，滯留時間較長，最後流出。

因此，洗脫順序為：

$$\text{大分子蛋白質} \rightarrow \text{中分子蛋白質} \rightarrow \text{小分子蛋白質}$$

Gel filtration 實際上測量的是蛋白質的水動力體積（hydrodynamic volume），此體積同時受到分子量與形狀、構形影響。相同分子量但形狀較延長的蛋白質，水動力體積較大，進入凝膠孔洞的程度較低，通常會比緊密球狀蛋白質早流出。

常用的洗脫體積關係式為：

$$K_{\mathrm{av}}=\frac{V_e-V_0}{V_t-V_0}$$

其中：

• $V_e$：蛋白質的洗脫體積
• $V_0$：空隙體積（void volume），大型分子無法進入凝膠孔洞時的洗脫體積
• $V_t$：總床體積（total bed volume）
• $K_{\mathrm{av}}$：蛋白質進入凝膠孔洞程度的指標

分子越大，$V_e$越小；分子越小，$V_e$越大。

選項分析

(A) Hydrophobic interaction chromatography

錯誤。

此方法依據蛋白質表面的疏水性差異分離。高鹽環境會增強蛋白質疏水區域與固定相的作用，使蛋白質吸附於管柱；降低鹽濃度後，蛋白質依疏水作用強弱依序洗脫。

核心觀念

本題考查胺基酸側鏈（R group）的極性分類。

胺基酸的極性主要取決於側鏈是否含有能與水形成氫鍵或偶極作用的官能基：

• 極性側鏈（polar side chain）：通常含有 $\ce{-OH}$、$\ce{-SH}$、$\ce{-CONH2}$ 等官能基，能與水形成氫鍵。
• 非極性側鏈（nonpolar side chain）：多由烴鏈或芳香環組成，與水的作用較弱，常具有疏水性。

判斷時，重點是觀察胺基酸的側鏈，而非共同存在於所有胺基酸的 $\ce{-NH3+}$ 與 $\ce{-COO-}$ 主鏈。

解題方法

逐一觀察各選項的側鏈結構：

• 若側鏈含有能與水形成穩定氫鍵的極性官能基，歸類為 polar。
• 若側鏈主要由碳氫結構或芳香環構成，通常歸類為 nonpolar。

Ser（serine，絲胺酸）的側鏈為：

$$\ce{-CH2OH}$$

其中的羥基（hydroxyl group，$\ce{-OH}$）具有高度電負性的氧原子，可與水分子形成氫鍵，因此 Ser 是**未帶電但具極性（uncharged polar）**的胺基酸。

選項分析

(A) Phe

Phe 是 phenylalanine（苯丙胺酸），側鏈為：

$$\ce{-CH2-C6H5}$$

其側鏈含有苯環（phenyl group），主要由碳與氫組成，缺乏可與水形成氫鍵的極性官能基。因此 Phe 屬於非極性、芳香族胺基酸（nonpolar aromatic amino acid）。

本選項錯誤。

(B) Ser

Ser 是 serine（絲胺酸），側鏈為：

$$\ce{-CH2OH}$$

核心觀念

本題考查胺基酸側鏈的結構分類，尤其是「是否含有芳香性環狀結構（aromatic ring）」。

芳香環具有共軛 π 電子系統，符合芳香性條件，典型代表為苯環（benzene ring）。在標準胺基酸中：

• Phenylalanine（Phe，苯丙胺酸）含苯基。
• Tryptophan（Trp，色胺酸）含吲哚基。
• Tyrosine（Tyr，酪胺酸）含酚基，其苯環仍具芳香性。
• Methionine（Met，甲硫胺酸）含硫醚側鏈，不含芳香環。

題目中的「aromatic hydrocarbon」可理解為側鏈中含有由碳、氫構成的芳香性碳環結構；重點在於辨認是否具有芳香環，而不是是否含有硫、氧、氮等雜原子。

解題方法

先觀察各胺基酸的側鏈，再判斷是否存在芳香環：

1. 側鏈含有苯環或稠合芳香環者，屬於含芳香性結構。
2. 側鏈只有脂肪族碳鏈、硫醚、羥基等，且沒有芳香環者，不符合。
3. 逐一比較選項即可找出唯一不含芳香性環狀結構者。

相關側鏈如下：

$$\ce{Phe: -CH2-C6H5}$$ $$\ce{Met: -CH2-CH2-S-CH3}$$

Tyrosine 的側鏈為：

$$\ce{Tyr: -CH2-C6H4-OH}$$

Tryptophan 含有吲哚環（indole ring），由苯環與含氮五元環稠合而成。

選項分析

(A) Phe：Phenylalanine（苯丙胺酸）

Phe 的側鏈為：

$$\ce{-CH2-C6H5}$$

其中 $\ce{C6H5}$ 是 phenyl group（苯基），源自苯環 $\ce{C6H6}$ 去除一個氫原子後形成。苯環具有共軛 π 電子系統，因此 Phe 含有芳香性碳環。

核心觀念

本題考查免疫球蛋白（immunoglobulin, Ig）在**初次免疫反應（primary immune response）**中的出現順序。

初次接觸抗原時，初始 B 細胞（naïve B cell）先以膜表面 IgM 與 IgD 作為 B 細胞受體（B-cell receptor, BCR）。B 細胞受到抗原刺激並活化後，最先分泌的抗體類型是 IgM。

之後，在輔助型 T 細胞（helper T cell）及細胞激素參與下，B 細胞可發生類別轉換（class switching），由 IgM 轉換為 IgG、IgA 等抗體。此過程改變重鏈恆定區，但不改變抗原結合的可變區，因此抗原特異性大致維持不變。

解題方法

判斷關鍵在於題目中的：

first antibody to appear in the response to initial exposure

其中：

• initial exposure：指第一次接觸抗原，即初次免疫反應。
• first antibody to appear：指最早被大量分泌的抗體類型。

初次免疫反應的典型順序為：

$$\text{抗原刺激} \rightarrow \text{B 細胞活化} \rightarrow \text{IgM 分泌} \rightarrow \text{類別轉換} \rightarrow \text{IgG、IgA 等分泌}$$

因此第一個出現的分泌型抗體是 IgM。

核心觀念

本題考查鳥類主要免疫球蛋白（immunoglobulin, Ig）的種類。

免疫球蛋白是由 B 淋巴球分化形成的漿細胞（plasma cell）所分泌的抗體，主要功能是辨認抗原（antigen），並透過中和、凝集、調理作用及活化補體等方式參與體液性免疫。

哺乳類常以 IgG 作為血清中最主要的抗體；但鳥類的主要血清免疫球蛋白是 IgY。IgY 在功能上相當於哺乳類的 IgG，並可由母雞經卵黃傳遞給雛鳥，提供被動免疫。

解題方法

判斷本題的關鍵是先辨認「鳥類」與其特有的主要抗體：

• 鳥類血清中主要的免疫球蛋白：IgY
• IgY 的功能類似哺乳類的 IgG
• 母禽可將 IgY 累積於卵黃，傳遞給胚胎或雛鳥

因此題目問「What kind of immunoglobulin is the major antibody in birds?」時，應直接選擇 IgY。

選項分析

(A) IgG

IgG 是哺乳類血清中含量最高、最重要的免疫球蛋白，具有良好的組織分布能力，也可通過胎盤傳遞給胎兒。

鳥類並非以 IgG 作為主要抗體。鳥類的 IgY 在功能與演化上相當於哺乳類的 IgG，因此本選項錯誤。

(B) IgA

核心觀念

維生素依溶解性分為兩大類：

• 脂溶性維生素（fat-soluble vitamins）：Vitamin A、D、E、K
  需與膳食脂肪及膽汁酸共同形成微膠粒，才能有效吸收；吸收後可儲存於肝臟與脂肪組織，排出速度較慢，過量攝取較容易蓄積造成毒性。

• 水溶性維生素（water-soluble vitamins）：Vitamin B 群與 Vitamin C
  多數不會大量儲存於體內，過量部分通常由尿液排出；Vitamin B 群常作為輔酶或輔酶前驅物，參與能量代謝與各種氧化還原反應。

本題要求找出「不是脂溶性維生素」的選項，因此只要辨認各維生素所屬類別即可。

解題方法

直接套用脂溶性維生素的記憶組合：

$$\text{脂溶性維生素} = A、D、E、K$$

選項中包含 A、B、D、K，只有 Vitamin B 不在脂溶性維生素的集合內，因此為水溶性維生素，也是本題答案。

選項分析

(A) Vitamin A

Vitamin A 屬於脂溶性維生素，包含 retinol（視網膜醇）、retinal（視網膜醛）與 retinoic acid（視網膜酸）等活性形式，參與視覺循環、上皮細胞分化與基因表現調控。

Vitamin A 的吸收依賴膳食脂肪與膽汁酸，並可儲存於肝臟，因此屬於脂溶性維生素。本選項錯誤。

(B) Vitamin B

Vitamin B 代表一群水溶性維生素，包括 Vitamin B$_1$、B$_2$、B$_3$、B$_5$、B$_6$、B$_7$、B$_9$ 與 B$_{12}$。

其中許多 B 群維生素會轉變為輔酶，例如：

• Vitamin B$_1$：形成 thiamine pyrophosphate（TPP），參與丙酮酸去氫酶反應。
• Vitamin B$_2$：形成 FAD、FMN，參與電子傳遞與氧化還原反應。

核心觀念

本題考查脂溶性維生素在血液凝固中的作用。四種選項中，與凝血調控直接相關的是 Vitamin K（維生素 K）。

維生素 K 的主要功能，是作為肝臟中 γ-glutamyl carboxylase（γ-麩胺醯羧化酶） 的輔因子，使特定凝血蛋白上的 glutamate（麩胺酸，Glu）殘基進行 γ-羧化，形成 γ-carboxyglutamate，Gla（γ-羧基麩胺酸）：

$$\text{Glu residue} \xrightarrow[\ce{CO2}]{\text{Vitamin K-dependent } \gamma\text{-glutamyl carboxylase}} \text{Gla residue}$$

Gla 殘基能夠結合 $\ce{Ca^{2+}}$，協助凝血因子附著於血小板磷脂膜，使凝血反應得以有效進行。

需要維生素 K 參與活化的主要凝血因子包括：

• Factor II（凝血因子 II，prothrombin，凝血酶原）
• Factor VII（凝血因子 VII）
• Factor IX（凝血因子 IX）
• Factor X（凝血因子 X）

此外，抗凝血蛋白 Protein C 與 Protein S 也需要維生素 K 進行羧化，因此維生素 K 同時參與凝血與抗凝血系統的調控。

解題方法

判斷本題的切入點是先辨認「blood clotting（血液凝固）」所需的維生素。

凝血因子在肝臟合成後，必須經過維生素 K 依賴性的 γ-羧化，才能具備結合 $\ce{Ca^{2+}}$ 與磷脂膜的能力。凝血途徑中的關鍵反應可概括為：

$$\text{Vitamin K hydroquinone} \longrightarrow \text{Vitamin K epoxide}$$

在羧化反應中，還原型維生素 K，即 vitamin K hydroquinone（維生素 K 氫醌），被氧化成 vitamin K epoxide（維生素 K 環氧化物）。接著由 vitamin K epoxide reductase，VKOR（維生素 K 環氧化物還原酶） 回收再生具有活性的維生素 K。

$$\text{Vitamin K epoxide} \xrightarrow{\text{VKOR}} \text{Vitamin K hydroquinone}$$

因此，若缺乏維生素 K，凝血因子雖然仍可合成，但無法正常進行 γ-羧化，導致凝血功能下降、出血傾向增加。

選項分析

(A) Vitamin A

Vitamin A（維生素 A）主要參與：

核心觀念

本題考查細胞內三大類 RNA 的相對含量與功能：

• rRNA（ribosomal RNA，核糖體 RNA）：構成核糖體的主要結構，並參與蛋白質合成。
• tRNA（transfer RNA，轉運 RNA）：攜帶胺基酸，依據反密碼子辨認 mRNA 上的密碼子。
• mRNA（messenger RNA，信使 RNA）：將 DNA 的遺傳訊息傳遞至核糖體，作為蛋白質合成的模板。

以細菌等原核細胞為例，細胞總 RNA 中通常約有：

$$\text{rRNA} \approx 80\%、\quad \text{tRNA} \approx 15\%、\quad \text{mRNA} \approx 5\%$$

因此，三者之中 mRNA 的含量最低。

解題方法

判斷此題的關鍵，是比較各類 RNA 在細胞中的穩定性、功能及數量：

1. 核糖體是細胞內大量存在的蛋白質合成機器，因此構成核糖體的 rRNA 含量最高。
2. tRNA 需要持續供應胺基酸至核糖體，種類雖多但結構穩定，細胞內含量也相當高。
3. mRNA 只在特定基因表現時產生，主要負責短時間傳遞遺傳訊息，完成任務後通常會被核糖核酸酶（RNase）快速分解，因此總量最低。

所以答案為 Messenger RNA。

選項分析

(A) Transfer RNA

tRNA 負責將胺基酸帶到核糖體。其 $3'$ 端具有胺基酸附著位置，通常以 CCA 序列結尾；胺基酸由相對應的 aminoacyl-tRNA synthetase（胺醯-tRNA 合成酶）接到 tRNA 上。

tRNA 需反覆參與蛋白質合成，且具有穩定的二級與三級結構，因此在細胞中的含量高於 mRNA。本選項錯誤。

(B) Messenger RNA

核心觀念

本題考查不同種類 RNA 的典型長度與功能。在原核生物中，核糖體由兩個次單位組成：

• 30S 小次單位：主要含 16S rRNA
• 50S 大次單位：主要含 23S rRNA 與 5S rRNA

各類 RNA 的典型大小如下：

RNA 類型	主要功能	典型長度
Transfer RNA（tRNA，轉移 RNA）	攜帶胺基酸並辨認 mRNA 密碼子	約 70–90 個核苷酸
Messenger RNA（mRNA，信使 RNA）	攜帶蛋白質合成所需的遺傳訊息	數百至數千個核苷酸
30S rRNA	原核生物 16S rRNA，參與小次單位組成	約 1,500 個核苷酸
50S rRNA	主要指 23S rRNA 與 5S rRNA	23S 約 2,900 個核苷酸；5S 約 120 個核苷酸

因此，四個選項中最小的是 tRNA。

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解題方法

先依 RNA 的功能判斷其訊息量與結構複雜度：

1. mRNA 必須攜帶一段完整蛋白質的胺基酸序列資訊，長度通常較長。
2. rRNA 是核糖體的結構與催化核心，必須形成複雜的三維結構，因此通常含有大量核苷酸。
3. tRNA 的功能是攜帶單一胺基酸，並以 anticodon（反密碼子）辨認 mRNA 上的 codon（密碼子），所需資訊量最少，通常只有約 70–90 個核苷酸。

典型大小關係可整理為：

$$\text{tRNA} < \text{mRNA} < \text{30S rRNA} < \text{50S rRNA}$$

其中 mRNA 長度變異很大，但在一般生物化學考試的比較中，tRNA 仍是最小者。

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選項分析

(A) Transfer RNA

正確。

tRNA（轉移 RNA）通常約含 70–90 個核苷酸，具有典型的 cloverleaf structure（寄葉結構）。其主要功能包括：

• 在 $3'$-端的 amino acid attachment site（胺基酸接合位點）接受特定胺基酸。
• 以 anticodon（反密碼子）與 mRNA 上互補的 codon（密碼子）配對。
• 將正確胺基酸送至核糖體，參與蛋白質合成。

由於 tRNA 只需完成「攜帶一個胺基酸」與「辨認一個密碼子」的任務，長度約 70–90 個核苷酸，四者中最小。

(B) Messenger RNA

錯誤。

核心觀念

本題考查 DNA 複製時的拓撲結構調控，以及各種 DNA 複製相關酵素的功能。

DNA 雙股螺旋被解開時，複製叉前方的 DNA 會因扭轉張力增加而形成正超螺旋（positive supercoils）。若不及時解除，會阻礙 DNA helicase（DNA 解旋酶）持續分離雙股。

負責調節 DNA 超螺旋的酵素是 DNA gyrase（DNA 旋轉酶），屬於細菌的 type II topoisomerase（第二型拓撲異構酶）。DNA gyrase 可利用 ATP，暫時切開 DNA 雙股，讓另一段 DNA 通過切口，再重新接合，藉此降低 DNA 的 linking number：

$$\Delta Lk=-2$$

因此能將負超螺旋（negative supercoils）導入 DNA，同時解除複製叉前方累積的正超螺旋。

解題方法

判斷關鍵在題幹中的兩個訊息：

1. introduce negative supercoils：導入負超螺旋。
2. during DNA replication：發生於 DNA 複製過程。

DNA 複製相關酵素可依功能區分：

• 解開 DNA：DNA helicase
• 合成 RNA 引子：DNA primase
• 連接 DNA 片段：DNA ligase
• 改變 DNA 拓撲結構、解除超螺旋：DNA gyrase

其中只有 DNA gyrase 能直接改變 DNA 的超螺旋狀態，因此選擇 (A)。

選項分析

(A) DNA gyrase

正確。

DNA gyrase 是細菌特有的重要拓撲異構酶，屬於 type II topoisomerase。其主要功能包括：

• 在 DNA 複製叉前方解除正超螺旋；
• 將負超螺旋導入 DNA；
• 透過暫時性 DNA 雙股切割與重新接合，改變 DNA 的拓撲結構；
• 反應需要 ATP。

其基本機轉可概括為：

1. DNA gyrase 與 DNA 結合；
2. 暫時切開一段 DNA 雙股；
3. 讓另一段 DNA 雙股穿過切口；
4. 重新接合原先切開的 DNA；
5. 使 DNA 的 linking number 降低，產生負超螺旋。

因此本選項符合題目所描述的功能。

(B) DNA primase

錯誤。

核心觀念

DNA replication（DNA 複製）必須由一段短的 RNA primer（RNA 引子）開始。原因是 DNA polymerase（DNA 聚合酶）不能從零開始合成新的核酸鏈，只能將核苷酸接到既有的 $3'$-OH 末端，因此需要 RNA primer 提供起始位置。

負責合成 RNA primer 的酵素是 DNA primase（DNA 引發酶）。Primase 屬於 RNA polymerase（RNA 聚合酶）類型，可依據 DNA 模板，以核糖核苷三磷酸作為原料，進行不需既有 $3'$-OH 的 de novo synthesis（從頭合成）。

DNA 複製的關鍵順序可概括為：

1. DNA helicase 解開雙股 DNA。
2. DNA primase 合成 RNA primer。
3. DNA polymerase 從 primer 的 $3'$-OH 端延伸 DNA。
4. DNA ligase 封合 DNA 片段之間的缺口。

其中，RNA primer 位於「DNA 解開之後、DNA 鏈延伸之前」這個步驟。

解題方法

題幹直接問：「哪一種酵素可以催化 RNA primer 的合成？」

判斷重點是辨認各酵素在 DNA replication 中的功能：

• 能合成 RNA primer 的酵素：DNA primase。
• 能延伸 DNA、但不能自行起始的酵素：DNA polymerase。
• 能解開 DNA 雙股的酵素：DNA helicase。
• 能連接 DNA 片段的酵素：DNA ligase。
• 能降低 DNA 超螺旋張力的酵素：DNA gyrase。

因此，正確選項為 DNA primase。

選項分析

(A) DNA gyrase

DNA gyrase（DNA 旋轉酶）是細菌的 type II topoisomerase（第二型拓撲異構酶），可利用 ATP 暫時切開並重新連接 DNA，將負超螺旋導入 DNA，以解除 DNA 複製前方因解旋所累積的 torsion

核心觀念

本題考查粒線體內膜上的電子傳遞鏈（respiratory chain）與質子梯度建立機制。

電子傳遞鏈主要包含：

1. Complex I（NADH dehydrogenase，NADH 脫氫酶）
2. Complex II（succinate dehydrogenase，琥珀酸脫氫酶）
3. Complex III（cytochrome $bc_1$ complex，細胞色素 $bc_1$ 複合體）
4. Complex IV（cytochrome $c$ oxidase，細胞色素 $c$ 氧化酶）

電子由 NADH 或 FADH$_2$ 提供，依序經過電子傳遞鏈，最後交給氧形成水：

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

電子傳遞所釋放的能量，會被部分複合體用來將 $\ce{H+}$ 從粒線體基質（matrix）主動運送至膜間腔（intermembrane space），形成電化學質子梯度（electrochemical proton gradient）。

此梯度包含兩部分：

• 膜兩側的質子濃度差，記為 $\Delta pH$
• 膜電位差，記為 $\Delta \psi$

質子經由 ATP synthase 回流至基質，驅動：

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

因此，能直接增強質子梯度的複合體是 Complex I、Complex III 與 Complex IV；Complex II 不會直接抽送質子。

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解題方法

判斷各複合體是否能直接增強電化學質子梯度，只需確認該複合體是否具有「跨粒線體內膜抽送 $\ce{H+}$」的功能。

電子傳遞鏈中的質子抽送位置如下：

$$\text{Complex I} \longrightarrow \text{Complex III} \longrightarrow \text{Complex IV}$$

這三個複合體利用電子傳遞釋放的能量，將 $\ce{H+}$ 由基質側移至膜間腔側。

Complex II 的主要反應為：

$$\ce{Succinate + Q -> Fumarate + QH2}$$

其中：

• Succinate（琥珀酸）被氧化為 fumarate（延胡索酸）
• 電子經由 FAD、鐵硫蛋白（iron-sulfur proteins）傳給 ubiquinone（輔酶 Q，記為 Q）
• Q 被還原為 ubiquinol（輔酶 QH$_2$，記為 QH$_2$）

Complex II 雖然能將電子送入電子傳遞鏈，但本身不跨膜抽送質子。因此，本題所問「不能直接增強電化學質子梯度」的答案為 Complex II。

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選項分析

(A) Complex I

核心觀念

呼吸鏈位於粒線體內膜，電子依序經過：

$$\text{NADH} \rightarrow \text{Complex I} \rightarrow \text{Coenzyme Q} \rightarrow \text{Complex III} \rightarrow \text{Cytochrome } c \rightarrow \text{Complex IV} \rightarrow \ce{O2}$$

其中，$\ce{FADH2}$ 的電子由 Complex II 進入呼吸鏈：

$$\ce{FADH2} \rightarrow \text{Complex II} \rightarrow \text{Coenzyme Q}$$

四個主要複合體的功能如下：

• Complex I（NADH dehydrogenase，NADH 脫氫酶）：接收 NADH 電子，將電子傳給 Coenzyme Q，並將質子泵入膜間腔。
• Complex II（succinate dehydrogenase，琥珀酸脫氫酶）：催化琥珀酸氧化為 fumarate（延胡索酸），將電子交給 FAD、再傳給 Coenzyme Q；本身不泵出質子。
• Complex III（cytochrome $bc_1$ complex，細胞色素 $bc_1$ 複合體）：將電子由 Coenzyme Q 傳給 cytochrome $c$，並泵出質子。
• Complex IV（cytochrome c oxidase，細胞色素 $c$ 氧化酶）：接收 cytochrome $c$ 的電子，將氧氣還原成水，並泵出質子。

氰化物 $\ce{CN^-}$ 是典型的呼吸鏈抑制劑，會抑制 Complex IV。

解題方法

判斷此題的關鍵，是找出呼吸鏈中「直接與氧氣反應」的步驟。

Complex IV 的核心反應可概念化表示為：

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

電子由 cytochrome $c$ 傳入 Complex IV 後，經過其中的 heme $a$、heme $a_3$ 及 copper center（尤其是 $\ce{Cu_B}$），最後將 $\ce{O2}$ 還原為水。

$\ce{CN^-}$ 會與 Complex IV 的末端金屬中心，主要是 heme $a_3$–$\ce{Cu_B}$ center 結合，使電子無法傳給氧氣。因此：

1. 氧氣無法被還原成水。
2. 電子無法繼續通過呼吸鏈。
3. Complex IV 上游的電子傳遞受阻。
4. 質子梯度逐漸無法維持。
5. ATP synthase（ATP 合成酶）缺乏足夠的質子動力，氧化磷酸化停止。

核心觀念

本題考的是「氮代謝（nitrogen metabolism）」中，負責集中處理胺基酸分解所產生之氨，並將其轉換為可排出的含氮產物之主要代謝途徑。

胺基酸分解後，胺基通常先集中到 $\ce{L-glutamate}$，再經由 glutamate dehydrogenase（麩胺酸脫氫酶）進行氧化性去胺基作用，產生 $\ce{NH4+}$。游離氨具有毒性，尤其對中樞神經系統危險，因此在肝臟中主要經由 urea cycle（尿素循環）轉換成尿素（urea），再由腎臟排出。

尿素循環的總反應可概略表示為：

$$\ce{NH4+ + HCO3^- + Aspartate + 3 ATP -> Urea + Fumarate + 2 ADP + AMP + 2 Pi}$$

尿素中的兩個氮原子來源為：

1. 一個來自游離氨 $\ce{NH4+}$
2. 一個來自 aspartate（天門冬胺酸）

解題方法

判斷「氮代謝的中央途徑」時，先看各循環的主要功能：

• 是否直接處理胺基酸分解產生的氮？
• 是否能將有毒的氨轉化為可排出的含氮物？
• 是否是動物體內氮排除的核心路徑？

符合上述條件的是 urea cycle。其關鍵反應依序如下：

1. 形成 carbamoyl phosphate（氨甲醯磷酸）

在粒線體中，$\ce{NH4+}$ 與 $\ce{HCO3^-}$ 消耗 $2$ 個 ATP，由 carbamoyl phosphate synthetase I（CPS I，氨甲醯磷酸合成酶 I）催化：

$\ce{NH4+ + HCO3^- + 2 ATP -> Carbamoyl\ phosphate}$

2. 形成 citrulline（瓜胺酸）

Carbamoyl phosphate 將氨甲醯基轉移給 ornithine（鳥胺酸），由 ornithine transcarbamylase（OTC，鳥胺酸轉氨甲醯酶）催化：

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

Citrulline 隨後由粒線體輸送至細胞質。

3. 形成 argininosuccinate（精胺基琥珀酸）

Citrulline 與 aspartate 結合，消耗 ATP，由 argininosuccinate synthetase（精胺基琥珀酸合成酶）催化：

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

4. 分解 argininosuccinate

Argininosuccinate lyase（精胺基琥珀酸裂解酶）將其分解為 arginine（精胺酸）與 fumarate（延胡索酸）：

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

5. 生成 urea 並再生 ornithine

Arginase（精胺酸酶）水解 arginine，產生 urea 與 ornithine：

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

Ornithine 回到粒線體，進入下一輪循環。

因此，本題所問的 central pathway 是指動物氮代謝中，負責氮排除與尿素生成的核心路徑，答案為 urea cycle。

選項分析

(A) Citric acid cycle（檸檬酸循環）

核心觀念

本題考查荷爾蒙受體的訊息傳遞分類，重點是區分：

• Insulin（胰島素）：主要經由 receptor tyrosine kinase, RTK（受體型酪胺酸激酶） 傳遞訊息。
• Glucagon（升糖素）與 epinephrine（腎上腺素）：主要經由 G protein–coupled receptor（G 蛋白偶聯受體），活化 adenylate cyclase，增加 $cAMP$。
• 許多神經傳導物質與荷爾蒙：可經由 $Ca^{2+}$ 作為第二訊息傳遞物。
• 真正位於胰島素受體下游的細胞內訊息分子包括 PIP3 與 Akt，但本題選項未列出，因此命題重點是辨認胰島素受體屬於 RTK 系統。

解題方法

判斷胰島素訊息傳遞時，先確認其受體種類：

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

詳細機轉如下：

1. 胰島素與細胞膜上的 insulin receptor（胰島素受體） 結合。
2. 胰島素受體本身具有 tyrosine kinase（酪胺酸激酶） 活性，受體彼此進行酪胺酸殘基的自體磷酸化。
3. 受體磷酸化後，招募並磷酸化 IRS（insulin receptor substrate，胰島素受體受質）。
4. 磷酸化 IRS 活化 PI3K（phosphoinositide 3-kinase，磷脂醯肌醇-3-激酶）。
5. PI3K 將膜上的 $\ce{PIP2}$ 轉換成 $\ce{PIP3}$：

$$\ce{PIP2 ->[PI3K] PIP3}$$

6. $\ce{PIP3}$ 招募並活化 PDK1 與 Akt/PKB，進一步促進葡萄糖轉運蛋白 GLUT4 移至細胞膜，增加葡萄糖攝取。

因此，依本題選項的命題分類，胰島素反應應選 receptor tyrosine kinases。

選項分析

(A) Cyclic AMP

錯誤。$cAMP$ 是典型的第二訊息傳遞物，通常由 G protein–coupled receptor 活化 adenylate cyclase（腺苷酸環化酶） 後生成：

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

核心觀念

本題考查胺基酸側鏈在生理 pH（pH 7.4）下的酸鹼解離狀態，以及胺基酸依側鏈電荷所作的分類。

判斷原則是比較環境 pH 與側鏈 $\mathrm{p}K_a$：

• 若 $pH > \mathrm{p}K_a$，酸性基團傾向失去 $\ce{H+}$，帶負電。
• 若 $pH < \mathrm{p}K_a$，鹼性基團傾向結合 $\ce{H+}$，帶正電。
• 側鏈 $\mathrm{p}K_a$ 遠離 pH 7.4 的胺基酸，通常在此 pH 下維持主要形式。

帶負電的典型酸性胺基酸為：

• Asp（天冬胺酸，aspartate）
• Glu（麩胺酸，glutamate）

兩者的側鏈均含有羧基，於 pH 7.4 時主要解離為羧酸根：

$$\ce{-COOH <=> -COO^- + H^+}$$

解題方法

先辨認各選項中的胺基酸類型，再判斷其側鏈在 pH 7.4 的電荷。

Asp 與 Glu 的側鏈 $\mathrm{p}K_a$ 約為 3.9 和 4.1。由於：

$$pH 7.4 \gg \mathrm{p}K_a$$

依 Henderson–Hasselbalch 方程式：

$$pH = \mathrm{p}K_a + \log\frac{[\ce{A^-}]}{[\ce{HA}]}$$

可知其側鏈幾乎完全失去質子，形成：

$$\ce{-CH2-COO^-}$$

因此 Asp、Glu 的側鏈在 pH 7.4 帶負電。

若討論游離胺基酸，$\alpha$-胺基在 pH 7.4 多以 $\ce{-NH3+}$ 存在，$\alpha$-羧基則以 $\ce{-COO^-}$ 存在；Asp、Glu 的側鏈再額外提供一個負電荷。因此其主要淨電荷約為 $-1$。

選項分析

(A) Phe, Tyr, Trp

• Phe（苯丙胺酸，phenylalanine）：苯環側鏈不易在 pH 7.4 解離，側鏈為中性。
• Tyr（酪胺酸，tyrosine）：具有酚基，側鏈 $\mathrm{p}K_a$ 約 10.1。因為 $7.4 < 10.1$，酚基主要維持 $\ce{-OH}$，不帶負電。
• Trp（色胺酸，tryptophan）：吲哚環上的氮不會在 pH 7.4 以主要比例形成負電，側鏈視為中性。

核心觀念

本題考查胺基酸碳骨架分解後的代謝分類：

• 生糖性胺基酸（glucogenic amino acids）：分解產物可轉變為丙酮酸（pyruvate）或三羧酸循環（TCA cycle）中間物，進入糖質新生作用（gluconeogenesis）合成葡萄糖。
• 生酮性胺基酸（ketogenic amino acids）：分解產物為乙醯輔酶 A（acetyl-CoA）或乙醯乙酸（acetoacetate），可生成酮體，但不能提供糖質新生所需的淨碳骨架。
• 兼具生糖性與生酮性：碳骨架分解後同時產生生糖性與生酮性產物。

本題問的是「NOT glucogenic amino acids」，也就是找出不具生糖性的胺基酸。

解題方法

判斷各胺基酸的主要分解終產物：

• 進入丙酮酸、$\alpha$-酮戊二酸（$\alpha$-ketoglutarate）、琥珀醯輔酶 A（succinyl-CoA）、延胡索酸（fumarate）或草醯乙酸（oxaloacetate）者，屬於生糖性。
• 只分解為乙醯輔酶 A或乙醯乙酸者，屬於純生酮性。

人體中只有兩種胺基酸是純生酮性胺基酸：

$$\text{Leucine（Leu）與 Lysine（Lys）}$$

因此本題答案為選項（A）。

選項分析

（A）Leu、Lys —— 正確，為 NOT glucogenic

1. Leucine（亮胺酸，Leu）

Leucine 的碳骨架經分解後形成：

$$\text{Leucine} \rightarrow \text{isovaleryl-CoA} \rightarrow \text{3-methylcrotonyl-CoA} \rightarrow \text{3-methylglutaconyl-CoA} \rightarrow \text{HMG-CoA} \rightarrow \text{acetoacetate}+\text{acetyl-CoA}$$

關鍵酵素包括：

• branched-chain aminotransferase（支鏈胺基酸轉胺酶）
• branched-chain $\alpha$-keto acid dehydrogenase complex
• HMG-CoA lyase（HMG-CoA 裂解酶）

Leucine 最終產生乙醯乙酸與乙醯輔酶 A，兩者均屬生酮性產物，不能轉換成可供糖質新生的淨草醯乙酸，因此 Leucine 是純生酮性胺基酸。

2. Lysine（離胺酸，Lys）

Lysine 主要經 saccharopine pathway（糖精鹼途徑）分解：

$$\text{Lysine} \rightarrow \text{saccharopine} \rightarrow \alpha\text{-aminoadipate} \rightarrow \alpha\text{-ketoadipate} \rightarrow \text{glutaryl-CoA} \rightarrow \text{acetoacetyl-CoA} \rightarrow \text{acetyl-CoA}$$

其碳骨架最終形成乙醯輔酶 A或乙醯乙醯輔酶 A，屬於生酮性產物，不能形成糖質新生的淨碳來源。

Lysine 也是純生酮性胺基酸。

因此（A）正是題目所要求的「不是生糖性胺基酸」。

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（B）Ala、Gly —— 錯誤，均為生糖性

1. Alanine（丙胺酸，Ala）

Alanine 經 alanine aminotransferase（丙胺酸轉胺酶，ALT）進行轉胺反應：

$$\text{Alanine}+\alpha\text{-ketoglutarate} \rightleftharpoons \text{Pyruvate}+\text{Glutamate}$$

產生的丙酮酸可經 pyruvate carboxylase（丙酮酸羧化酶）轉化為草醯乙酸：

$$\text{Pyruvate} \rightarrow \text{Oxaloacetate} \rightarrow \text{PEP} \rightarrow \text{Glucose}$$

因此 Alanine 是典型的生糖性胺基酸。

2. Glycine（甘胺酸，Gly）

核心觀念

本題考查蛋白質三級結構（protein tertiary structure）的形成與穩定作用力。

蛋白質三級結構是指單一多胜肽鏈在三維空間中的整體摺疊，主要由胺基酸側鏈（R group）之間的作用力所維持，包括：

• 疏水作用（hydrophobic interaction）
• 氫鍵（hydrogen bonds）
• 范德華力（van der Waals forces）
• 靜電作用（electrostatic interactions）
• 離子鍵／鹽橋（ionic bonds、salt bridges）
• 部分蛋白質中的二硫鍵（disulfide bonds）

其中，離子鍵本質上就是帶正、負電荷側鏈之間的靜電吸引，例如 $\ce{-NH3+}$ 與 $\ce{-COO-}$ 形成鹽橋。

解題方法

逐一判斷各選項是否屬於能促進或穩定蛋白質三級結構的作用力：

1. 若屬於胺基酸側鏈間的非共價作用力，通常可參與三級結構形成。
2. 若是共價交聯，例如二硫鍵，也可穩定三級結構。
3. 注意「electrostatic interaction」與「ionic bonds」在本題中高度重疊，因為離子鍵是靜電作用的一種。

因此，依據標準生物化學定義，選項 A～D 均可參與蛋白質三級結構的形成或穩定，題目本身具有選項重複與敘述不嚴謹的問題。

選項分析

(A) Van der Waals force（范德華力）

核心觀念

本題考查「兩性離子（zwitterion）」的定義，以及常用生物化學緩衝劑的結構特徵。

兩性離子是指同一個分子內同時具有正電荷與負電荷，但整體電荷可為零的物種。例如胺基酸在生理 pH 下常呈現：

$$\ce{^{+}NH3-CHR-COO^{-}}$$

形成兩性離子的必要條件，是分子內同時具有：

• 可接受質子的鹼性基團，如胺基 $\ce{-NH2}$
• 可失去質子的酸性基團，如羧酸基 $\ce{-COOH}$ 或磺酸基 $\ce{-SO3H}$

Good’s buffers（Good 緩衝劑）常具有「質子化胺基」與「去質子化磺酸基」，因此以兩性離子形式存在，且具有良好的水溶性與生物相容性。

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解題方法

判斷每個選項是否具有兩性離子形式，可依序檢查：

1. 分子內是否同時存在酸性基團與鹼性基團。
2. 酸性基團是否可失去質子形成負電荷。
3. 鹼性基團是否可接受質子形成正電荷。
4. 正、負電荷是否位於同一個分子內。

若只是由陽離子與陰離子組成的鹽類，但正、負電荷分屬不同離子，則不稱為兩性離子。

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選項分析

(A) Potassium chloride（$\ce{KCl}$）

$\ce{KCl}$ 在水中解離為：

$$\ce{KCl -> K+ + Cl-}$$

$\ce{K+}$ 與 $\ce{Cl-}$ 是兩個分開存在的離子，並非同一分子內同時帶有正、負電荷。

因此，$\ce{KCl}$ 沒有兩性離子形式，也不是緩衝劑。$\ce{KCl}$ 溶液通常接近中性，因為 $\ce{K+}$ 與 $\ce{Cl-}$ 分別來自強鹼 $\ce{KOH}$ 與強酸 $\ce{HCl}$，幾乎不發生水解。

本選項為正確答案。

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(B) TES

TES 的全名為 N-tris[hydroxymethyl]methyl-2-aminoethane sulfonate，分子中含有：

• 胺基：可接受質子
  $\ce{-NH2 + H+ <=> -NH3+}$
• 磺酸基：容易失去質子
  $\ce{-SO3H -> -SO3- + H+}$

因此，TES 可形成：

$$\ce{R-NH3+ \ ... \ CH2CH2-SO3-}$$

分子內同時具有 $\ce{NH3+}$ 與 $\ce{SO3-}$，屬於兩性離子。TES 也是常見的 Good’s buffer，可用於一定範圍的生化緩衝系統。

核心觀念

本題考查鐮刀型紅血球疾病（sickle-cell disease, SCD）的分子病因，以及血紅蛋白 $\beta$-鏈（$\beta$-globin chain）的單一胺基酸置換。

正常血紅蛋白（hemoglobin A, HbA）由 $\alpha_2\beta_2$ 四條多胜肽鏈組成。SCD 的主要原因是 $\beta$-globin 基因發生錯義突變（missense mutation），使 $\beta$-鏈第 6 個胺基酸由帶負電、親水性的麩胺酸（glutamic acid, Glu）變成疏水性的纈胺酸（valine, Val）：

$$\text{Glu} \rightarrow \text{Val}$$

此異常血紅蛋白稱為 HbS（hemoglobin S）。

解題方法

判斷本題的關鍵是直接辨認 SCD 的經典突變：

$$\beta\text{-globin 第 6 位：Glu} \rightarrow \text{Val}$$

在基因層次，正常 $\beta$-globin 的編碼序列可由 GAG 突變為 GTG；轉錄成 mRNA 後，則相當於由 GAG 變為 GUG，導致胺基酸由 Glu 變成 Val。

這個胺基酸置換改變血紅蛋白表面的化學性質：

1. Glu 的側鏈含有羧基，在生理 pH 下多呈負電，具有親水性。
2. Val 的側鏈為疏水性異丁基，無法提供原本的負電荷。
3. 在低氧狀態下，去氧 HbS 分子彼此聚合，形成細長的血紅蛋白纖維。
4. 紅血球因而變成鐮刀狀，造成微血管阻塞（vaso-occlusion）、組織缺氧與慢性溶血（hemolysis）。

核心觀念

本題考查粒線體電子傳遞鏈中，NADH 將電子傳遞給泛醌（ubiquinone, UQ）的機轉，主要涉及呼吸複合體 I（Complex I），即 NADH:ubiquinone oxidoreductase。

電子傳遞方向如下：

$$\ce{NADH -> FMN -> Fe-S\ clusters -> UQ -> UQH2}$$

其中：

• NADH 將電子交給複合體 I 的 FMN（flavin mononucleotide，黃素單核苷酸）。
• 電子再經過多個鐵硫中心（iron-sulfur clusters, Fe-S clusters）逐步傳遞。
• 最後 UQ 接受電子與質子，還原成泛醇（ubiquinol, $\ce{UQH2}$）。

總反應可概念化表示為：

$$\ce{NADH + H+ + UQ -> NAD+ + UQH2}$$

複合體 I 中的鐵硫中心含有鐵原子，可透過鐵的氧化態變化進行單電子轉移：

$$\ce{Fe^{3+} + e^- <=> Fe^{2+}}$$

因此，鐵是協助 NADH 電子傳遞至 UQ 的關鍵離子。

解題方法

題幹的關鍵字是「extracting electrons from NADH to ubiquinone」以及「respiratory complexes」。

判斷步驟如下：

1. NADH 的電子進入電子傳遞鏈，首先由呼吸複合體 I 接收。
2. 複合體 I 內含 FMN 與多個 Fe-S clusters。
3. Fe-S clusters 中的鐵可反覆進行 $\ce{Fe^{3+}/Fe^{2+}}$ 氧化還原，負責接力傳遞電子。
4. 電子最後傳給 UQ，使 $\ce{UQ}$ 還原為 $\ce{UQH2}$。
5. 因此選擇 Iron（鐵）。

此題不是在問維持膜電位的主要陽離子，也不是在問抗氧化酵素所需的金屬，而是在問呼吸複合體中直接參與電子轉移的金屬元素。

選項分析

(A) Calcium（鈣）

核心觀念

本題考查細胞呼吸各階段的 ATP 產量，以及「底物層級磷酸化」與「氧化磷酸化」的差異。

葡萄糖完全氧化的主要流程如下：

$$\text{Glycolysis（糖解作用）} \rightarrow \text{Pyruvate oxidation（丙酮酸氧化）} \rightarrow \text{TCA cycle（三羧酸循環）} \rightarrow \text{Oxidative phosphorylation（氧化磷酸化）}$$

ATP 生成方式有兩種：

1. 底物層級磷酸化（substrate-level phosphorylation）
   高能磷酸基直接由代謝中間物轉移給 ADP，形成 ATP。

2. 氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）
   NADH 與 FADH₂ 將電子交給電子傳遞鏈，利用電子傳遞所建立的質子電化學梯度，驅動 ATP synthase（ATP 合成酶）合成 ATP。

其中，氧化磷酸化能將大量 NADH、FADH₂ 所攜帶的還原能轉換為 ATP，因此產量最高。

解題方法

判斷各選項的 ATP 產量即可。以 1 分子葡萄糖完全氧化為例：

代謝過程	ATP 直接產量	主要能量產物
Fermentation 發酵	0	再生 NAD⁺
Glycolysis 糖解作用	淨得 2 ATP	2 NADH
TCA cycle 三羧酸循環	2 GTP，功能上相當於 2 ATP	6 NADH、2 FADH₂
Oxidative phosphorylation 氧化磷酸化	約 26–28 ATP	消耗 NADH、FADH₂

真核細胞中，1 分子葡萄糖完全氧化的總 ATP 產量通常約為：

$$30\sim32\ \text{ATP}$$

其中大部分 ATP 來自氧化磷酸化，因此正確答案為 (D)。

氧化磷酸化的關鍵機轉

氧化磷酸化發生於粒線體內膜，包含兩個彼此連結的部分：

1. 電子傳遞鏈

NADH 將電子交給 Complex I，FADH₂ 通常經由 Complex II 將電子送入電子傳遞鏈。電子依序經過：

$$\text{Complex I} \rightarrow \text{Coenzyme Q} \rightarrow \text{Complex III} \rightarrow \text{Cytochrome c} \rightarrow \text{Complex IV}$$

Complex I、Complex III 與 Complex IV 將 $\ce{H+}$ 從粒線體基質泵入膜間腔，形成質子梯度。

在有氧呼吸中，$\ce{O2}$ 是最終電子受體，於 Complex IV 被還原形成水：

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

2. 化學滲透與 ATP 合成

膜間腔中的 $\ce{H+}$ 沿著電化學梯度經由 ATP synthase 回到粒線體基質，所釋放的能量驅動：

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

因此，氧化磷酸化能大量利用 NADH 與 FADH₂ 的能量，產生遠多於糖解作用與三羧酸循環的 ATP。

選項分析

(A) Fermentation（發酵）

錯誤。

發酵的主要功能不是大量製造 ATP，而是在缺乏氧氣時再生 NAD⁺，使糖解作用能夠繼續進行。

例如乳酸發酵：

核心觀念

本題考查 pH 的定義與 $\ce{H+}$ 濃度的關係：

$$\mathrm{pH}=-\log[\ce{H+}]$$

由於對數函數是遞增函數，$\mathrm{pH}$ 與 $\ce{H+}$ 濃度呈反向關係：

• $\ce{H+}$ 濃度越高，pH 越低，溶液越酸。
• $\ce{H+}$ 濃度越低，pH 越高，溶液越偏鹼性。

因此，本題只要找出 $\ce{H+}$ 濃度最小的選項即可。

解題方法

逐一計算各選項的 pH：

(A)

$$\mathrm{pH}=-\log(1.3\times10^{-4})$$ $$=-\left(\log1.3-4\right) \approx 3.89$$

(B)

$$\mathrm{pH}=-\log(4.2\times10^{-3})$$ $$=-\left(\log4.2-3\right) \approx 2.38$$

(C)

$$\mathrm{pH}=-\log(2.1\times10^{-10})$$ $$=-\left(\log2.1-10\right) \approx 9.68$$

(D)

$$\mathrm{pH}=-\log(3.5\times10^{-6})$$ $$=-\left(\log3.5-6\right) \approx 5.46$$

比較結果：

$$9.68>5.46>3.89>2.38$$

因此 pH 最高的是 $\ce{H+}$ 濃度最低的選項 (C)。

選項分析

核心觀念

本題考查弱酸與其共軛鹼所形成緩衝系統的關係，使用 Henderson–Hasselbalch equation（亨德森–哈塞爾巴爾赫方程式）：

$$\mathrm{pH=p}K_a+\log\frac{[\ce{A^-}]}{[\ce{HA}]}$$

對甲酸而言：

• $\ce{HCOOH}$：formic acid（甲酸），弱酸
• $\ce{HCOO^-}$：formate ion（甲酸根），甲酸的共軛鹼
• $\ce{HCOOK}$：potassium formate（甲酸鉀），溶於水後解離產生 $\ce{HCOO^-}$

甲酸的解離反應為：

$$\ce{HCOOH <=> H+ + HCOO^-}$$

因此，題目所求的「甲酸鉀對甲酸的莫耳比」，就是：

$$\frac{[\ce{HCOO^-}]}{[\ce{HCOOH}]}$$

解題方法

將題目條件代入 Henderson–Hasselbalch equation：

$$\mathrm{pH=p}K_a+\log\frac{[\ce{HCOO^-}]}{[\ce{HCOOH}]}$$

題目給定：

$$\mathrm{pH=3.744}$$ $$\mathrm{p}K_a=3.744$$

所以：

$$3.744=3.744+\log\frac{[\ce{HCOO^-}]}{[\ce{HCOOH}]}$$

兩邊相減：

$$\log\frac{[\ce{HCOO^-}]}{[\ce{HCOOH}]}=0$$

因為：

$$\log 1=0$$

因此：

$$\frac{[\ce{HCOO^-}]}{[\ce{HCOOH}]}=1$$

甲酸鉀提供 $\ce{HCOO^-}$，故：

核心觀念

本題考 蛋白質的醣基化（glycosylation）類型與胺基酸辨識。

**O-linked glycosylation（O-連結醣基化）**是指醣鏈接到胺基酸側鏈的氧原子，主要發生在具有羥基（$-\ce{OH}$）的胺基酸：

• Ser（絲胺酸，serine）
• Thr（蘇胺酸，threonine）

醣通常透過氧原子形成糖苷鍵，例如黏液型醣基化常將 **N-acetylgalactosamine（GalNAc）**接到 Ser 或 Thr 的羥基上：

$$\text{Ser/Thr}-\ce{OH}+\text{糖} \longrightarrow \text{Ser/Thr}-\ce{O}-\text{糖}$$

因此，O-linked glycosylation 的關鍵在於胺基酸側鏈必須提供可接受醣基的氧原子。

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解題方法

看到題幹中的兩個關鍵字即可直接判斷：

1. O-linked：醣連接到氧原子。
2. oxygen atom of these amino acids：尋找側鏈含有羥基氧原子的胺基酸。

在標準蛋白質胺基酸中，Ser 與 Thr 的側鏈具有羥基：

Ser（絲胺酸）

$$\ce{-CH2-OH}$$

Thr（蘇胺酸）

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

兩者的羥基氧均可作為 O-linked glycosylation 的連接位置，所以正確答案為 Ser、Thr。

此題考的是醣基化發生位置的基本辨識，不需要進行計算，也不需要延伸判斷疾病名稱。

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選項分析

(A) Asn, Asp

錯誤。

• **Asn（天門冬醯胺，asparagine）**的側鏈含有醯胺基 $\ce{-CONH2}$。
• Asn 是 **N-linked glycosylation（N-連結醣基化）**的主要受體，醣鏈接到醯胺基的氮原子。
• N-linked glycosylation 常見共識序列為：

$$\ce{Asn-X-Ser/Thr}$$

其中 $X$ 通常不是 Pro。

**Asp（天門冬胺酸，aspartate）**的側鏈為羧酸根，並非典型 O-linked glycosylation 的主要受體。

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(B) Gly, Ala

錯誤。

• **Gly（甘胺酸，glycine）**側鏈只有氫原子：

$$\ce{-H}$$

• **Ala（丙胺酸，alanine）**側鏈為甲基：

$$\ce{-CH3}$$

兩者均沒有可供醣基化連接的側鏈羥基氧，因此不是本題所指的主要胺基酸。

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(C) Lys, Arg

錯誤。

核心觀念

本題考查真核生物蛋白質合成（translation）的起始密碼子（start codon）與終止密碼子（stop codon）。

在真核生物中，標準起始密碼子為：

$$\text{AUG}$$

AUG 位於 mRNA 上，負責指定第一個胺基酸甲硫胺酸（methionine, Met）。翻譯起始時，起始型 tRNA（initiator tRNA）攜帶甲硫胺酸，形成 $\text{Met-tRNA}_i$，並與 AUG 進行互補配對，啟動蛋白質合成。

真核生物的起始密碼子通常位於適合的 Kozak consensus sequence 中，有助於核糖體辨識正確的翻譯起始位置。

解題方法

判斷此題的關鍵是區分：

• AUG：起始密碼子
• UAG、UGA、UAA：終止密碼子

真核生物翻譯起始時，核糖體先在 mRNA 上尋找適當的 AUG。起始型 $\text{Met-tRNA}_i$ 的反密碼子與 AUG 配對，接著大、小核糖體次單元組合，進入延長階段。

蛋白質合成的基本流程可概括為：

$$\text{mRNA 上的 AUG} \rightarrow \text{Met-tRNA}_i\text{ 配對} \rightarrow \text{翻譯起始} \rightarrow \text{多肽鏈延長}$$

因此，正確答案為 AUG。

選項分析

核心觀念

本題考查蛋白質的**四級結構（quaternary structure）**及其穩定作用力。

蛋白質四級結構是指由兩條以上已具有三級結構的多胜肽鏈（subunits，次單元）組合而成的空間排列。例如血紅蛋白（hemoglobin）由兩條 $\alpha$ 鏈與兩條 $\beta$ 鏈組成。

不同次單元之間主要可由下列作用力維持：

• 靜電作用（electrostatic interaction）：帶相反電荷的胺基酸側鏈彼此吸引，例如 $\ce{NH3+}$ 與 $\ce{COO-}$ 形成鹽橋（salt bridge）。
• 范德華力（Van der Waals force）：原子彼此非常接近時，因瞬時偶極所產生的微弱吸引力。
• 氫鍵（hydrogen bond）：如 $\ce{N-H}$ 與 $\ce{O}$ 之間形成的定向作用力。
• 此外，疏水作用（hydrophobic interaction）也是蛋白質次單元結合的重要力量；部分蛋白質還可透過次單元間的二硫鍵（disulfide bond）增加穩定性。

因此，四級結構並非只靠單一種類的作用力，而是多種非共價作用力共同維持。

解題方法

判斷此題的關鍵，是確認各選項是否能發生於不同蛋白質次單元之間。

四級結構的形成可視為：

$$\text{多胜肽次單元} \longrightarrow \text{次單元間的非共價作用力} \longrightarrow \text{穩定的四級結構}$$

靜電作用、范德華力與氫鍵都能發生在不同次單元的胺基酸側鏈或主鏈之間，因此三者均可維持四級結構。既然 (A)、(B)、(C) 都正確，綜合選項應選 (D)。

選項分析

(A) Electrostatic interaction（靜電作用）—正確

不同次單元上的帶電胺基酸側鏈可形成吸引力。例如：

核心觀念

本題考查含氮鹼基（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）、Uracil（尿嘧啶，U）

嘌呤具有由一個六員環與一個五員環融合而成的雙環結構；嘧啶則只有一個六員環。

嚴格而言，**nucleoside（核苷）**是「含氮鹼基＋五碳糖」，例如：

• Adenine＋ribose $\rightarrow$ adenosine（腺苷）
• Guanine＋ribose $\rightarrow$ guanosine（鳥苷）
• Cytosine＋ribose $\rightarrow$ cytidine（胞苷）
• Uracil＋ribose $\rightarrow$ uridine（尿苷）
• Thymine＋deoxyribose $\rightarrow$ thymidine（胸腺苷）

本題選項以 A、G、C、T、U 表示其對應的含氮鹼基，實際判斷重點是辨認哪些鹼基屬於 purine。

解題方法

直接依照嘌呤與嘧啶的分類判斷：

$$\text{Purines}=\{\text{Adenine (A)},\text{Guanine (G)}\}$$

因此，凡是只包含 A 與 G 的選項，即符合題意。

核心觀念

本題考查「含有自身 DNA 的細胞胞器」。

真核細胞中，DNA 主要位於：

• 細胞核（nucleus）：儲存大部分核基因組。
• 粒線體（mitochondria）：具有粒線體 DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）。
• 葉綠體（chloroplast）：植物與藻類的葉綠體含有葉綠體 DNA（chloroplast DNA, cpDNA）。

**溶小體（lysosome）**則是由單層膜包圍的消化胞器，內含酸性水解酵素，不具有自己的 DNA。

溶小體中的主要酵素包括：

• Protease（蛋白酶）
• Nuclease（核酸酶）
• Lipase（脂肪酶）
• Glycosidase（醣苷酶）
• Phosphatase（磷酸酶）

其功能是在酸性環境中分解蛋白質、核酸、脂質與多醣等物質，而非儲存遺傳物質。

解題方法

判斷各選項是否含有 DNA，重點在於辨識其是否具有「自身的遺傳物質」。

真核細胞中，具有自身 DNA 的胞器包括細胞核、粒線體與葉綠體。此特徵也支持粒線體與葉綠體源自古代被吞噬的細菌，稱為內共生學說（endosymbiotic theory）。

相較之下，溶小體的主要任務是細胞內消化，不具有基因組，也不能自行進行 DNA 複製、轉錄與翻譯。

因此，沒有自身 DNA 的胞器即為 Lysosome。

選項分析

(A) Nucleus（細胞核）—錯誤選項

細胞核含有真核細胞大部分的核 DNA，DNA 以染色質（chromatin）的形式存在，並與 histone（組蛋白）結合形成染色體。

細胞核中的 DNA 可進行：

• DNA replication（DNA 複製）
• Transcription（轉錄）
• RNA processing（RNA 加工）

因此細胞核確實含有 DNA。

(B) Chloroplast（葉綠體）—錯誤選項

葉綠體存在於植物細胞與藻類細胞中，具有自己的環狀 DNA，並含有部分蛋白質合成所需的核糖體與相關因子。

核心觀念

本題考查真核細胞胞器的膜構造。所謂「雙層膜」（double membrane），是指胞器外圍具有兩層彼此分隔的磷脂雙層，並形成膜間腔（intermembrane space）。

具有雙層膜的典型胞器包括：

• 細胞核（nucleus）
• 粒線體（mitochondrion）
• 葉綠體（chloroplast）

因此本題三個個別選項皆正確，綜合選項應選 All of the above。

解題方法

採用「逐一辨認胞器膜系統」的方法：

1. 判斷細胞核是否具有核膜。
2. 判斷葉綠體是否具有外膜與內膜。
3. 判斷粒線體是否具有外膜與內膜。
4. 若三者皆符合，選擇涵蓋全部正確敘述的選項。

細胞核、粒線體與葉綠體均具雙層膜，且粒線體與葉綠體的雙層膜構造也支持內共生學說（endosymbiotic theory）：它們的祖先與具有膜的細菌形成共生關係，因而保留雙層膜、環狀 DNA 及部分類似細菌的核糖體。

選項分析

(A) Nucleus

正確。細胞核外圍由核膜（nuclear envelope）包圍，核膜由：

• 外核膜（outer nuclear membrane）
• 內核膜（inner nuclear membrane）
• 兩者之間的核膜腔（perinuclear space）

所組成，因此屬於雙層膜構造。外核膜與粗糙內質網相連，且外核膜表面可附著核糖體。

核膜上具有核孔複合體（nuclear pore complex），負責 RNA、蛋白質及其他分子進出細胞核；核孔並不代表核膜只有一層。

(B) Chloroplast

正確。葉綠體由外膜與內膜構成雙層膜包被，內部另具有類囊體膜（thylakoid membrane），類囊體堆疊形成基粒（granum），基粒之間由基粒間片層（stroma lamella）連接。

需要區分：

• 外膜與內膜：構成葉綠體的雙層包被膜。
• 類囊體膜：位於葉綠體內部，負責光反應。

核心觀念

本題考查「蛋白質錯誤折疊（protein misfolding）」與疾病形成的關係。

蛋白質由胺基酸序列決定其三度空間結構。若蛋白質因胺基酸突變、細胞環境改變或清除機制失常，未能形成正常構形，便可能暴露疏水區域並彼此聚集，形成不溶性纖維或沉積物，進而造成細胞毒性與組織傷害。

典型的錯誤折疊疾病包括：

• Creutzfeldt-Jakob disease：prion protein（PrP）錯誤折疊。
• Alzheimer’s disease：amyloid-$\beta$（$A\beta$）與 tau 蛋白異常聚集。
• Parkinson’s disease：$\alpha$-synuclein 錯誤折疊並形成 Lewy bodies。

Sickle-cell disease 雖然也與蛋白質結構異常有關，但其主要機轉是突變後的 hemoglobin S（HbS）在缺氧狀態下彼此聚合，並非典型的蛋白質錯誤折疊疾病。

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解題方法

逐一判斷各疾病的致病蛋白，並區分：

1. 蛋白質是否因構形錯誤而失去正常折疊。
2. 是否因蛋白質聚集形成纖維或沉積物。
3. 疾病的主要機轉是否為「錯誤折疊」，還是「突變蛋白在特定條件下聚合」。

其中，若題目問「NOT caused by misfolded protein」，應尋找不是以錯誤折疊或異常蛋白聚集為主要致病原因的選項。

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選項分析

(A) Sickle-cell disease（鐮刀型紅血球疾病）

此病由 $\beta$-globin 基因突變造成。正常 hemoglobin A 的 $\beta$-globin 第 6 號胺基酸為 glutamic acid；鐮刀型紅血球疾病中，該位置由 valine 取代：

$$\text{Glu}6 \rightarrow \text{Val}6$$

形成 hemoglobin S（HbS）。

在低氧狀態下，HbS 分子之間會透過暴露出的疏水區域互相聚合，形成長鏈狀纖維，使紅血球變成鐮刀形，造成：

• 紅血球變形，通過微血管受阻。
• 溶血性貧血。
• 組織缺氧與疼痛危象。

其關鍵機轉是「突變 HbS 的去氧聚合（deoxy-HbS polymerization）」，而不是蛋白質未能正確折疊所造成的典型 misfolding disease。因此本選項是正確答案。

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(B) Creutzfeldt-Jakob disease（庫賈氏病）

此病屬於 transmissible spongiform encephalopathy（可傳播性海綿狀腦病），主要涉及 prion protein（PrP）。

正常型 prion protein 稱為 $\mathrm{PrP^C}$，富含 $\alpha$-helix；錯誤折疊後形成病理型 $\mathrm{PrP^{Sc}}$，具有較多 $\beta$-sheet 結構。

病理型 $\mathrm{PrP^{Sc}}$ 可誘導正常 $\mathrm{PrP^C}$ 轉變成更多 $\mathrm{PrP^{Sc}}$，形成類似自我擴增的蛋白質聚集反應：

核心觀念

本題考查 transcription（轉錄） 的基本條件與酵素。轉錄是以 DNA 的一股作為模板，合成互補 RNA 的過程：

$$\text{DNA template strand} \xrightarrow{\text{DNA-dependent RNA polymerase}} \text{RNA}$$

RNA 合成具有以下特徵：

1. 需要 DNA 模板股，依鹼基互補配對決定 RNA 序列。
2. 催化酵素是 DNA-dependent RNA polymerase（DNA 依賴性 RNA 聚合酶）。
3. RNA polymerase 可在沒有 primer（引子）的情況下，直接以第一個核糖核苷三磷酸開始合成 RNA，此作用稱為 de novo synthesis（從頭合成）。
4. RNA 合成方向為 $5' \to 3'$，RNA polymerase 讀取 DNA 模板股的方向為 $3' \to 5'$。
5. RNA 中的鹼基配對為 $\ce{A-U}$、$\ce{G-C}$；DNA 模板上的 adenine（A）在 RNA 中配對 uracil（U）。

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解題方法

本題問的是「哪一項描述不正確」，應逐項比對轉錄的必要條件與反應機制。

判斷關鍵在於：

• DNA-dependent RNA polymerase 是否需要 DNA 模板？
• RNA 合成是否需要 primer？
• RNA polymerase 是否只使用 DNA 的一股作為模板？

DNA 聚合酶合成 DNA 時需要 primer 提供自由的 $3'-\ce{OH}$；但 RNA polymerase 能夠直接加入第一個核糖核苷三磷酸，因此 RNA 合成不需要預先存在的 primer。因此，聲稱 DNA 模板與 primer 都是 RNA 合成必要條件的選項不正確。

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選項分析

(A) RNA is initially synthesized using a DNA template in transcription.

此敘述正確。

在 transcription（轉錄）中，RNA 是以 DNA 的一股作為模板合成。RNA polymerase 依據 DNA 模板股的鹼基序列，加入互補的 ribonucleoside triphosphates（核糖核苷三磷酸），包括 ATP、GTP、CTP 與 UTP。

例如 DNA 模板股為：

$$3'-\ce{TACG}-5'$$

所合成的 RNA 為：

$$5'-\ce{AUGC}-3'$$

因此，RNA 起初確實是利用 DNA 模板合成。

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(B) Both DNA template and primer are required in RNA synthesis.

此敘述不正確，為本題答案。

RNA synthesis（RNA 合成）需要 DNA 模板，但不需要 primer。RNA polymerase 能進行 de novo RNA synthesis（RNA 從頭合成），直接將第一個核糖核苷三磷酸放置於起始位置，再接續加入後續核苷酸。

反應可概念化表示為：

$$\ce{NTP + NTP -> dinucleotide + PP_i}$$

後續反應則為：

$$\ce{RNA_{n} + NTP -> RNA_{n+1} + PP_i}$$

核心觀念

本題考查原核生物的轉錄調控方式，以及 E. coli（大腸桿菌）$\beta$-galactosidase（β-半乳糖苷酶）由哪一種基因調控架構控制。

$\beta$-galactosidase 由 lacZ 基因編碼，lacZ 與 lacY、lacA 位於同一個 lac operon（乳糖操縱組）。當細胞需要利用乳糖時，lac operon 被啟動，產生多順反子 mRNA，進而合成 β-半乳糖苷酶。

lac operon 的主要調控機制包括：

1. 負調控：無乳糖時，LacI repressor（LacI 阻遏蛋白）結合 operator（操縱子），阻止 RNA polymerase 轉錄。
2. 誘導作用：有乳糖時，乳糖代謝形成的 allolactose（異乳糖）與 LacI 結合，使阻遏蛋白離開 operator。
3. 正調控與分解代謝抑制：葡萄糖濃度低時，cAMP 上升，形成 CAP–cAMP 複合體並結合 promoter 附近的 CAP site，促進轉錄。

因此，控制 β-半乳糖苷酶產生的核心架構是 lac operon。

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解題方法

先辨認題目中的關鍵產物：$\beta$-galactosidase 是 E. coli 的 lacZ 基因產物。

再判斷 lacZ 的基因排列與調控方式：

$$lacI \rightarrow lacP-lacO-lacZ-lacY-lacA$$

其中：

• $lacP$：promoter（啟動子），RNA polymerase 結合處
• $lacO$：operator（操縱子），LacI repressor 結合處
• $lacZ$：編碼 β-半乳糖苷酶
• $lacY$：編碼 permease（乳糖通透酶）
• $lacA$：編碼 transacetylase（轉乙醯酶）

由於多個功能相關基因共用同一個 promoter，並受到同一組調控序列控制，這種結構就是 operon（操縱組）。所以正確選項為 (C)。

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選項分析

(A) Alternative $\sigma$ factors（替代性 $\sigma$ 因子）—錯誤

$\sigma$ factor（$\sigma$ 因子）負責協助 bacterial RNA polymerase（細菌 RNA 聚合酶）辨識特定 promoter。不同的替代性 $\sigma$ 因子可使 RNA polymerase 轉而辨識不同類型的基因，例如：

• $\sigma^{70}$：一般生長狀態下的主要 $\sigma$ 因子
• $\sigma^{32}$：熱休克反應
• $\sigma^{54}$：氮代謝相關基因
• $\sigma^{38}$：靜止期與壓力反應

替代性 $\sigma$ 因子主要調控一群具有特定 promoter 特徵的基因。lacZ 的主要調控並非依靠替代性 $\sigma$ 因子，而是由 lac promoter、operator、LacI repressor 與 CAP–cAMP 系統調節，因此本選項錯誤。

(B) Enhancers（增強子）—錯誤

核心觀念

本題考查「重組 DNA（recombinant DNA）」的形成步驟，以及各種 DNA 相關酵素的功能。

重組 DNA 的核心是：將來源不同的 DNA 片段切開，再把目標片段接入載體（vector）中，形成新的 DNA 分子。基本反應包括：

1. 限制性內切酶（restriction endonuclease）切割 DNA
2. DNA ligase（DNA 連接酶）連接 DNA 片段
3. 若目標基因量不足，可先利用 PCR 擴增，使用 Taq DNA polymerase

因此，直接形成重組 DNA 的關鍵反應是「切割」與「連接」。

解題方法

判斷每個選項是否直接參與重組 DNA 製作：

• 能切出特定 DNA 片段者，屬於重組 DNA 製作的重要酵素。
• 能將 DNA 片段以磷酸二酯鍵連接者，屬於形成重組 DNA 的必要酵素。
• 能擴增 DNA 者，可作為取得大量目標基因的前置工具。
• 只負責調整 DNA 拓撲結構、解除超螺旋者，不負責切割或連接 DNA 片段。

DNA gyrase 的主要功能是解除 DNA 超螺旋，並非重組 DNA 形成所需的切割或接合反應，因此為本題答案。

選項分析

(A) Restriction endonucleases（限制性內切酶）

限制性內切酶能辨識特定的迴文序列（palindromic sequence），並在特定位點切割雙股 DNA。例如 EcoRI 可辨識：

$$5'-\mathrm{GAATTC}-3'$$

切割後可形成：

• 黏性末端（sticky ends）
• 平端（blunt ends）

黏性末端能藉由互補鹼基配對，使外源 DNA 片段與載體 DNA 對接，便於後續連接。因此限制性內切酶是形成傳統重組 DNA 的重要酵素。

(B) DNA ligase（DNA 連接酶）

DNA ligase 負責將 DNA 片段連接起來，催化相鄰核苷酸之間形成磷酸二酯鍵：

$$\text{3'-OH}+\text{5'-phosphate} \longrightarrow \text{phosphodiester bond}$$

在重組 DNA 製作中，DNA ligase 將外源 DNA 插入片段與載體 DNA 連接，形成完整且穩定的重組 DNA 分子。常用的 T4 DNA ligase 可連接黏性末端及平端 DNA。

因此此選項為需要的酵素。

(C) Taq DNA polymerase（Taq DNA 聚合酶）