亞洲大學 113 年 《生物化學》

核心觀念

本題考查原核生物（prokaryote）的細胞構造與 ATP 生成位置。

原核生物沒有具膜胞器，因此不具有粒線體（mitochondria）。其細胞呼吸與氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）主要在細胞膜，也就是 plasma membrane 上進行。

在有氧呼吸過程中：

1. 電子傳遞鏈（electron transport chain, ETC）位於原核生物的 plasma membrane。
2. 電子經由電子傳遞鏈傳遞至最終電子受體，釋放的能量用來將 $\ce{H+}$ 泵至膜外。
3. 膜兩側形成質子電化學梯度（proton electrochemical gradient）。
4. $\ce{H+}$ 經由 ATP synthase 回流，驅動：

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

此過程稱為化學滲透作用（chemiosmosis），是氧化磷酸化生成 ATP 的關鍵步驟。

解題方法

判斷本題的關鍵有兩步：

第一步，確認題目問的是 prokaryotic。原核生物沒有 nucleus、mitochondria、Golgi apparatus 等膜性胞器。

第二步，找出原核生物進行電子傳遞鏈與 ATP 合成的位置。原核生物將相關蛋白質嵌入 plasma membrane，因此 ATP synthase 也位於 plasma membrane。

所以，能在原核生物中生成 ATP 的細胞構造是 plasma membrane。

選項分析

(A) Ribosomes（核糖體）

錯誤。

核心觀念

本題考查「酮體（ketone bodies）」的種類與脂肪酸代謝中的酮體生成（ketogenesis）。

酮體是肝臟粒線體在醣類不足、脂肪酸大量分解時，由乙醯輔酶 A（acetyl-CoA）生成的水溶性燃料，主要包括：

1. 乙醯乙酸（acetoacetate）
2. β-羥基丁酸（$\beta$-hydroxybutyrate$）
3. 丙酮（acetone）

其中，β-羥基丁酸雖然嚴格而言不含真正的 ketone 官能基，但在生理與代謝分類上仍被列為酮體。

解題方法

判斷選項是否為酮體，直接比對其是否屬於上述三種物質即可。

酮體生成途徑位於肝臟粒線體，關鍵反應如下：

1. 乙醯輔酶 A形成乙醯乙醯輔酶 A

兩分子乙醯輔酶 A經由 thiolase（硫解酶）縮合：

$$2\ \ce{Acetyl-CoA} \rightarrow \ce{Acetoacetyl-CoA} + \ce{CoA-SH}$$

2. 生成 HMG-CoA

$\ce{Acetoacetyl-CoA}$與另一分子乙醯輔酶 A結合，由 HMG-CoA synthase（HMG-CoA 合成酶）催化：

$$\ce{Acetoacetyl-CoA} + \ce{Acetyl-CoA} + \ce{H2O} \rightarrow \ce{HMG-CoA} + \ce{CoA-SH}$$

3. 生成乙醯乙酸

HMG-CoA lyase（HMG-CoA 裂解酶）將 HMG-CoA 分解為乙醯乙酸與乙醯輔酶 A：

$$\ce{HMG-CoA} \rightarrow \ce{Acetoacetate} + \ce{Acetyl-CoA}$$

4. 乙醯乙酸的兩種去向

乙醯乙酸可進行下列反應：

$$\ce{Acetoacetate} + \ce{NADH} + \ce{H+} \rightleftharpoons \ce{\beta-Hydroxybutyrate} + \ce{NAD+}$$

此反應由 $\beta

核心觀念

本題考查「內質網壓力（endoplasmic reticulum stress, ER stress）誘發程式性細胞死亡（programmed cell death, PCD）」的主要細胞器與凋亡機轉。

當錯誤摺疊蛋白在內質網中累積時，細胞會啟動未摺疊蛋白反應（unfolded protein response, UPR），主要感受器包括：

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

若 ER stress 持續且無法解除，UPR 會由保護性反應轉為促進凋亡的訊號，其中重要因子包括 CHOP（C/EBP homologous protein）、鈣離子失衡，以及 Bcl-2 family 蛋白調控。這些訊號會使粒線體（mitochondria）外膜通透性增加，釋放 cytochrome c（細胞色素 c），啟動內在性凋亡途徑（intrinsic apoptotic pathway）。

關鍵反應如下：

$$\text{ER stress} \rightarrow \text{CHOP、Ca}^{2+}\text{失衡、Bcl-2 family 調控} \rightarrow \text{粒線體外膜通透化}$$ $$\text{Cytochrome c 釋放} \rightarrow \text{Apaf-1 apoptosome} \rightarrow \text{caspase-9} \rightarrow \text{caspase-3、caspase-7} \rightarrow \text{細胞凋亡}$$

因此，本題所問「啟動程式性細胞死亡時的關鍵細胞器」是粒線體。

解題方法

判斷本題可從「ER stress 與哪一種凋亡途徑相連」切入。

ER stress 雖然起始於內質網，但持續的壓力會將死亡訊號傳遞至粒線體。粒線體負責決定內在性凋亡是否正式啟動，主要事件包括：

1. Bax、Bak 等促凋亡蛋白活化。
2. 粒線體外膜通透化（mitochondrial outer membrane permeabilization, MOMP）。
3. 釋放 cytochrome c。
4. cytochrome c 與 Apaf-1、ATP 組成 apoptosome。
5. 活化 initiator caspase-9。
6. 再活化 executioner caspase-3 與 caspase-7。

核心觀念

本題考查飽和偶數碳脂肪酸進行 $\beta$-oxidation（$\beta$-氧化）時，所需的循環次數。

Arachidic acid（花生酸、二十烷酸）為飽和脂肪酸，分子式可表示為 $\ce{C20:0}$，含有 20 個碳原子。$\beta$-氧化每完成一個循環，會：

1. 使脂肪醯基（fatty acyl group）縮短 2 個碳；
2. 產生 1 分子 acetyl-CoA（乙醯輔酶 A）；
3. 產生 1 分子 NADH；
4. 產生 1 分子 FADH$_2$。

當脂肪酸被分解至最後剩下 2 個碳的 acetyl-CoA 時，便不再需要進行下一個 $\beta$-氧化循環。

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解題方法

對於飽和、偶數碳脂肪酸，$\beta$-氧化循環次數公式為：

$$\text{循環次數}=\frac{n}{2}-1$$

其中 $n$ 代表脂肪酸的碳數。

本題為 $\ce{C20}$：

$$\text{循環次數}=\frac{20}{2}-1$$ $$=10-1=9$$

因此，飽和 arachidic acid 完全分解需要進行 9 個 $\beta$-氧化循環，最後產生 10 分子 acetyl-CoA。

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$\beta$-氧化的關鍵反應

每一輪 $\beta$-氧化包含四個主要反應：

1. 第一次氧化（oxidation）
   酵素：acyl-CoA dehydrogenase（脂肪醯輔酶 A 去氫酶）
   產物：trans-$\Delta^2$-enoyl-CoA
   輔酶：FAD 被還原為 FADH$_2$

2. 水合（hydration）
   酵素：enoyl-CoA hydratase（烯醯輔酶 A 水合酶）
   產物：$\ce{L-3-hydroxyacyl-CoA}$

3. 第二次氧化（oxidation）
   酵素：$\ce{L-3-hydroxyacyl-CoA}$ dehydrogenase（$\ce{L-3}$-羥基脂肪醯輔酶 A 去氫酶）
   產物：$\ce{3-ketoacyl-CoA}$

核心觀念

本題考查磷酸鹽緩衝系統（phosphate buffer system）與 Henderson–Hasselbalch equation（亨德森–哈塞爾巴爾赫方程式）。

磷酸鹽緩衝系統的主要共軛酸鹼對為：

• 酸型：$\ce{H2PO4^-}$
• 鹼型：$\ce{HPO4^{2-}}$

其解離反應為：

$$\ce{H2PO4^- <=> H+ + HPO4^{2-}}$$

此反應的 $pK_a=6.86$。緩衝液的有效範圍通常約為 $pK_a\pm1$，當酸型與鹼型濃度相近時，緩衝能力最大。

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解題方法

使用 Henderson–Hasselbalch equation：

$$\mathrm{pH}=pK_a+\log\left(\frac{[\text{鹼型}]}{[\text{酸型}]}\right)$$

本題中：

$$[\ce{HPO4^{2-}}]=0.05\ \mathrm{M}$$ $$[\ce{H2PO4^-}]=0.5\ \mathrm{M}$$

代入：

$$\mathrm{pH} =6.86+\log\left(\frac{0.05}{0.5}\right)$$

濃度比為：

$$\frac{0.05}{0.5}=0.1$$

而：

$$\log(0.1)=-1$$

因此：

$$\mathrm{pH}=6.86-1=5.86$$

所以混合液的 pH 為 $5.86$。

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選項分析

(A) 5.86：正確

由 Henderson–Hasselbalch equation 計算：

$$\mathrm{pH}=6.86+\log(0.1)=5.86$$

因此選項（A）正確。

(B) 6.86：錯誤

當酸型與鹼型濃度相等時：

$$\frac{[\ce{HPO4^{2-}}]}{[\ce{H2PO4^-}]}=1$$

此時：

核心觀念

本題考查 DNA 雙股螺旋的三種主要構型：A-DNA、B-DNA 與 Z-DNA，以及其螺旋旋向。

• A-DNA（A form）：右手螺旋（right-handed helix）
• B-DNA（B form）：右手螺旋，也是生理條件下最常見的 DNA 型態
• Z-DNA（Z form）：左手螺旋（left-handed helix）

DNA 螺旋的「左手」或「右手」是指沿著螺旋軸方向觀察雙股骨架的旋轉方向，與 DNA 是否由核苷酸組成無關，而是由糖—磷酸骨架的空間排列與鹼基構形所決定。

解題方法

判斷 DNA 螺旋旋向即可：

$$\text{A-DNA：右手螺旋}$$ $$\text{B-DNA：右手螺旋}$$ $$\text{Z-DNA：左手螺旋}$$

因此，題目問「Which form of DNA is left-handed?」，只有 Z form 符合。

Z-DNA 的名稱來自其糖—磷酸骨架呈現類似鋸齒狀（zigzag）的排列。其雙股螺旋方向與 A-DNA、B-DNA 相反，屬於左手螺旋。

選項分析

(A) A form

核心觀念

本題考查紅血球（red blood cells, RBCs）如何將組織代謝產生的二氧化碳 $\ce{CO2}$，轉換成血液中高度可溶的碳酸氫根離子 $\ce{HCO3^-}$，以利運送至肺部排出。

紅血球內的關鍵酵素為碳酸酐酶（carbonic anhydrase, CA），催化下列可逆反應：

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

其中：

• $\ce{CO2}$ 可由組織擴散進入紅血球。
• 碳酸酐酶加速 $\ce{CO2}$ 與 $\ce{H2O}$ 形成碳酸 $\ce{H2CO3}$。
• $\ce{H2CO3}$ 隨後解離成 $\ce{H+}$ 與 $\ce{HCO3^-}$。
• $\ce{HCO3^-}$ 是血液中運送二氧化碳的主要形式。

解題方法

題幹的關鍵描述是：

converting relatively insoluble $\ce{CO2}$ into the highly soluble anionic form bicarbonate ion ($\ce{HCO3^-}$)

也就是尋找「催化二氧化碳水合反應」的酵素。對應反應為：

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

能大幅加速此反應的酵素就是 carbonic anhydrase。碳酸酐酶主要存在於紅血球中，使二氧化碳能快速轉為 $\ce{HCO3^-}$，再由血漿運送。

在組織端，反應方向偏向生成 $\ce{HCO3^-}$：

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

產生的 $\ce{H+}$ 會被去氧血紅蛋白（deoxyhemoglobin）緩衝，而 $\ce{HCO3^-}$ 通常離開紅血球進入血漿，同時以氯離子 $\ce{Cl^-}$ 進入紅血球維持電中性，此現象稱為氯離子轉移（chloride shift）。

到達肺部後，反應方向反轉：

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

核心觀念

本題考查細胞訊息傳遞（signal transduction）中的「第二訊息傳遞者」（second messenger）。

第一訊息傳遞者通常是細胞外的訊號分子，例如 hormone、neurotransmitter 或 growth factor；它們與細胞膜上的 receptor 結合後，會啟動細胞內的訊息傳遞。由細胞內產生或釋放、負責放大訊號的分子，稱為第二訊息傳遞者，常見包括：

• $\ce{cAMP}$
• $\ce{cGMP}$
• $\ce{IP3}$
• $\ce{DAG}$
• $\ce{Ca^2+}$

其中，$\ce{Ca^2+}$ 是最普遍且最重要的第二訊息傳遞者之一，可調控 muscle contraction、secretion、metabolism、gene expression、fertilization 與 apoptosis 等生理作用。

解題方法

判斷此題的關鍵，在於辨認哪一種離子是教科書中公認的 intracellular second messenger。

細胞質中的游離 $\ce{Ca^2+}$ 濃度通常維持在極低程度；細胞外液、endoplasmic reticulum（內質網，ER）及 sarcoplasmic reticulum（肌漿網，SR）則具有較高的 $\ce{Ca^2+}$ 濃度。因此，當 receptor 被活化時，只要開啟 calcium channel，便能使大量 $\ce{Ca^2+}$ 快速進入細胞質，形成明顯且可放大的訊號。

典型的 G protein-coupled receptor（GPCR）途徑如下：

$$\text{Ligand} \rightarrow \text{GPCR} \rightarrow \text{G}_{q} \rightarrow \text{phospholipase C（PLC）}$$

PLC 會切割細胞膜上的 phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate（$\ce{PIP2}$）：

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

其中：

1. $\ce{IP3}$ 擴散至內質網，與 ER 上的 $\ce{IP3}$ receptor 結合，使 $\ce{Ca^2+}$ 從內質網釋放到細胞質。
2. $\ce{DAG}$ 留在細胞膜上，與 $\ce{Ca^2+}$ 共同活化 protein kinase C（PKC）。
3. $\ce{Ca^2+}$ 也可與 calmodulin（鈣調蛋白）結合，活化 calcium/calmodulin-dependent protein kinases，進一步改變酵素活性或基因表現。

此外，receptor-operated channel、voltage-gated calcium channel 及某些 receptor tyrosine kinase（RTK）所引發的訊號，也能造成細胞內 $\ce{Ca^2+}$ 濃度上升。

核心觀念

本題考查胺基酸的手性（chirality）與光學活性（optical activity）。

若分子具有手性中心，且不存在內部對稱面，通常會形成不能與自身完全重疊的鏡像異構物，稱為對映異構物（enantiomers）。這類化合物能使平面偏振光旋轉，因此具有光學活性。

對於一般 $\alpha$-胺基酸，$\alpha$-碳原子連接四個基團：

$$\ce{NH2},\quad \ce{COOH},\quad \ce{H},\quad \ce{R}$$

當這四個基團彼此不同時，$\alpha$-碳就是手性中心，胺基酸具有光學活性。

甘胺酸（Glycine）的側鏈 $R$ 為氫，因此其 $\alpha$-碳連接的是兩個相同的氫原子：

$$\ce{NH2-CH2-COOH}$$

由於沒有四個不同的基團，甘胺酸不具手性中心，也不具光學活性。

解題方法

判斷每個選項的 $\alpha$-碳是否連接四種不同的基團：

1. 若四個基團不同，具有手性中心，屬於光學活性胺基酸。
2. 若有兩個相同基團，沒有手性中心，不具光學活性。

本題不需要進行代謝途徑或化學反應計算，只需檢查各胺基酸的側鏈是否使 $\alpha$-碳具有四種不同的取代基。

選項分析

(A) Alanine（丙胺酸）

丙胺酸的結構為：

$$\ce{CH3-CH(NH2)-COOH}$$

其 $\alpha$-碳連接：

• $\ce{NH2}$
• $\ce{COOH}$
• $\ce{H}$
• $\ce{CH3}$

四個基團皆不同，因此具有手性中心與光學活性。

此選項錯誤。

(B) Glycine（甘胺酸）

甘胺酸的結構為：

$$\ce{NH2-CH2-COOH}$$

核心觀念

Calvin cycle（卡爾文循環）是植物及藻類在葉綠體基質中進行的碳同化途徑，將二氧化碳固定並轉換為醣類。此循環分為三個階段：

1. 碳固定（carbon fixation）
2. 還原反應（reduction）
3. 受體再生（regeneration of $\ce{CO2}$ acceptor）

Calvin cycle 的關鍵碳受體是 Ribulose-1,5-bisphosphate（RuBP，核酮糖-1,5-二磷酸）。負責將 $\ce{CO2}$ 加到 RuBP 上的酵素，就是 Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase，簡稱 Rubisco。

其核心反應為：

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

RuBP 含有 5 個碳，加入 1 個碳的 $\ce{CO2}$ 後形成不穩定的 6 碳中間物，隨即裂解為兩分子的 3-phosphoglycerate（3-PGA，3-磷酸甘油酸）。

Rubisco 也具有 oxygenase（加氧酶）活性，當它利用 $\ce{O2}$ 而非 $\ce{CO2}$ 時，會引發 photorespiration（光呼吸）。因此，Rubisco 是 Calvin cycle 中負責第一個決定性步驟的中央酵素。

解題方法

本題問的是「哪一種酵素是 Calvin cycle 的核心酵素」。切入點是辨認 Calvin cycle 的第一步：以 Rubisco 催化 $\ce{CO2}$ 固定至 RuBP。

Calvin cycle 的整體能量需求，主要由光反應提供：

• ATP：供應磷酸化及再生 RuBP 所需的能量
• NADPH：提供還原力，使 3-PGA 還原為 glyceraldehyde-3-phosphate（G3P）

但是 ATP 與 NADPH 是 Calvin cycle 的反應物或能量來源，不是負責碳固定的中央酵素。因此，直接催化 Calvin cycle 起始碳固定反應的 Rubisco 為正確答案。

選項分析

(A) ATP synthase

ATP synthase（ATP 合成酶）利用質子梯度合成 ATP。在光合作用中，光反應建立類囊體膜兩側的質子梯度，ATP synthase 依此催化：

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

核心觀念

本題考查胺基酸側鏈的**芳香性（aromaticity）**與其吸收紫外光（ultraviolet, UV）的能力。

具有芳香環的側鏈含有離域的 $\pi$ 電子，可在特定波長吸收 UV 光。蛋白質分析中最重要的芳香族胺基酸為：

• Phenylalanine（苯丙胺酸，Phe, F）：含 phenyl（苯基）
• Tyrosine（酪胺酸，Tyr, Y）：含 phenol（酚基）
• Tryptophan（色胺酸，Trp, W）：含 indole（吲哚環）

其中，蛋白質在 $280\ \mathrm{nm}$ 的 UV 吸收主要來自 Tryptophan 與 Tyrosine，Phenylalanine 的吸收能力較弱，但仍屬芳香族胺基酸。

芳香環的 $\pi$ 電子吸收 UV 光子後，由基態的 $\pi$ 軌域躍遷至較高能階的 $\pi^\ast$ 軌域：

$$\pi \rightarrow \pi^\ast$$

蛋白質 UV 吸光度可依 Beer–Lambert law 表示：

$$A=\varepsilon cl$$

其中：

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

解題方法

先逐一辨認各選項中的胺基酸側鏈，再判斷是否含有典型芳香環：

1. 找出含 benzene、phenol 或 indole 結構者。
2. 判斷其是否屬於蛋白質 UV 吸收中的典型芳香族胺基酸。
3. 含有 Phe、Tyr、Trp 三者的選項，即為標準答案。

典型芳香族胺基酸可直接記憶為：

$$\boxed{\text{Phe、Tyr、Trp}}$$

選項分析

(A) Aspartate, Glutamate and Histidine

• Aspartate（天門冬胺酸，Asp）：側鏈為 $\ce{-CH2-COO^-}$，屬酸性側鏈，不含芳香環。
• Glutamate（麩胺酸，Glu）：側鏈為 $\ce{-CH2-CH2-COO^-}$，屬酸性側鏈，不含芳香環。
• Histidine（組胺酸，His）：側鏈含 imidazole（咪唑環），其環具有芳香性；但在一般蛋白質 UV 光譜題中，His 並不列入主要的芳香族 UV 吸收胺基酸，對 $280\ \mathrm{nm}$ 吸收的貢獻也遠低於 Trp 與 Tyr。

因此此選項不符合本題所指的典型芳香族胺基酸組合，錯誤。

(B) Glycine, Serine and Threonine

核心觀念

本題考查大腸桿菌（E. coli）如何透過「轉錄層級調控」控制 $\beta$-galactosidase（$\beta$-半乳糖苷酶）的生成。

$\beta$-galactosidase 由 lacZ 基因編碼，主要功能是水解乳糖：

$$\text{Lactose}+\ce{H2O} \longrightarrow \text{Glucose}+\text{Galactose}$$

在 E. coli 中，lacZ 與 lacY、lacA 位於同一個 lac operon（乳糖操縱組），共同受同一啟動子調控，轉錄形成一條多順反子 mRNA。因此，細胞可以透過調節 lac operon 的轉錄，控制 $\beta$-galactosidase 的產生。

lac operon 的主要調控元件包括：

• Promoter（啟動子）：RNA polymerase 結合的位置。
• Operator（操縱子）：lac repressor 結合的位置。
• lacI 基因：編碼 lac repressor（乳糖阻遏蛋白）。
• lacZ、lacY、lacA：共同參與乳糖利用。

當沒有乳糖時，lac repressor 結合 operator，阻礙 RNA polymerase 進行轉錄，lacZ 表現量很低。

當乳糖存在時，乳糖衍生物 **allolactose（異乳糖）**與 lac repressor 結合，使其構形改變並離開 operator，lac operon 得以轉錄。

此外，當葡萄糖濃度低時，細胞內 cAMP 濃度升高，cAMP 與 **CAP／CRP（catabolite activator protein，分解代謝活化蛋白）**結合，促進 CAP 結合於 lac promoter 上游的 CAP site，增加 RNA polymerase 的結合與轉錄效率。

因此，lac operon 的最佳表現條件是：

$$\text{乳糖存在}+\text{葡萄糖缺乏}$$

此時可大量製造 $\beta$-galactosidase。

解題方法

判斷本題的關鍵，是先確認 $\beta$-galactosidase 對應的基因與調控系統：

$$\beta\text{-galactosidase} \longleftrightarrow lacZ \longleftrightarrow lac\ operon$$

題幹問的是控制其「production」的主要方式，且特別限定為 through transcriptional regulation。lacZ 並非單獨接受調控，而是與 lacY、lacA 一起排列在同一個操縱組內，受到共同的 promoter、operator、repressor 與 CAP-cAMP 系統調控。

所以最直接且最具代表性的答案是 operons（操縱組）。

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 RNA polymerase 辨認特定 promoter。不同的 $\sigma$ 因子可使細菌在不同環境下啟動不同類型的基因，例如：

• $\sigma^{70}$：一般生長狀態下的主要 $\sigma$ 因子。
• $\sigma^{32}$：熱休克反應。
• $\sigma^{54}$：氮代謝等特殊調控。
• $\sigma^{S}$：穩定期與一般壓力反應。

Alternative $\sigma$ factors 確實是細菌調控轉錄的重要機制，但它們主要負責大範圍的基因群調控，並不是 E. coli 控制 lacZ 生成的主要典型機制。

核心觀念

本題考查「轉甲基反應（transmethylation）」中的甲基供體來源。

在多數生化反應中，真正直接提供甲基 $\ce{-CH3}$ 的物質不是游離的 Methionine（甲硫胺酸、蛋胺酸），而是由 Methionine 活化形成的 S-adenosylmethionine, SAM（$S$-腺苷甲硫胺酸）。

SAM 的硫原子連接著具有高轉移活性的甲基，因此能將甲基轉移給多種受體，例如：

• DNA、RNA 或蛋白質
• Norepinephrine（正腎上腺素）
• Phosphatidylethanolamine（磷脂醯乙醇胺）
• Creatine（肌酸）合成途徑中的受體
• 藥物與其他小分子

因此，提供 SAM 碳骨架與甲基來源的胺基酸是 Methionine。

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關鍵反應與代謝位置

Methionine 先在 Methionine adenosyltransferase（甲硫胺酸腺苷轉移酶） 催化下，利用 ATP 形成 SAM：

$$\ce{Methionine + ATP -> SAM + PP_i + P_i}$$

其中 SAM 的甲基轉移給甲基受體：

$$\ce{SAM -> S-adenosylhomocysteine (SAH)}$$

接著，SAH 被 S-adenosylhomocysteine hydrolase（$S$-腺苷同半胱胺酸水解酶） 水解成 Homocysteine（同半胱胺酸）與 Adenosine（腺苷）：

$$\ce{SAH + H2O <=> Homocysteine + Adenosine}$$

Homocysteine 後續有兩條主要去路：

1. 再甲基化（remethylation）：重新生成 Methionine
2. 轉硫作用（transsulfuration）：經由 Cystathionine 生成 Cysteine

因此，本題在整條路徑中卡在：

$$\text{Methionine} \longrightarrow \text{SAM} \longrightarrow \text{甲基轉移}$$

雖然真正直接捐出甲基的是 SAM，但其來源胺基酸為 Methionine。

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解題方法

看到題幹中的關鍵詞 「donor of a methyl group in transmethylation reactions」，應立即聯想到：

$$\text{Methionine} \rightarrow \text{SAM} \rightarrow \text{甲基供體}$$

判斷重點如下：

• 若題目問「直接的甲基供體」，答案是 SAM。
• 若題目問「形成 SAM、作為甲基來源的胺基酸」，答案是 Methionine。

本題選項全部是胺基酸，因此應選擇能形成 SAM 的 Methionine。

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選項分析

(A) Aspartate（天門冬胺酸）

錯誤。

Aspartate 主要參與：

核心觀念

本題考查真核生物（eukaryotes）蛋白質合成的起始密碼子（start codon）。

在真核生物中，標準起始密碼子為：

$$\text{AUG}$$

AUG 位於 mRNA 上，與攜帶甲硫胺酸（methionine, Met）的起始 tRNA 配對，啟動核糖體進行翻譯（translation）。真核生物的起始 tRNA 攜帶的是 methionine；細菌則常使用 formylmethionine（fMet）。

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解題方法

判斷密碼子功能即可：

• 起始密碼子：AUG
• 終止密碼子（stop codons）：UAA、UAG、UGA

真核生物翻譯起始時，核糖體小次單位先與 mRNA 的 $5'$ 端結合，沿 mRNA 進行掃描，直到辨認適當位置的 AUG。此位置通常位於符合 Kozak consensus sequence（Kozak 共識序列） 的環境中，接著核糖體大次單位加入，開始延長多胜肽鏈。

翻譯流程可概括為：

$$\text{AUG 辨認} \longrightarrow \text{起始 tRNA 結合} \longrightarrow \text{核糖體組裝} \longrightarrow \text{多胜肽延長}$$

因此，看到「standard start codon」時，直接選擇 AUG。

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選項分析

(A) UAA：錯誤

核心觀念

本題考查嘌呤（purine）與嘧啶（pyrimidine）核苷酸的 de novo synthesis（從頭合成），以及胺基酸在含氮鹼基骨架形成中的供應角色。

重要胺基酸來源如下：

胺基酸	主要用途
Glutamine（麩醯胺）	提供醯胺氮
Aspartate（天門冬胺酸）	提供氮原子，並參與嘧啶環形成
Glycine（甘胺酸）	提供嘌呤環的部分碳、氮原子
Tyrosine（酪胺酸）	不直接參與嘌呤或嘧啶核苷酸的 de novo synthesis

因此，未被使用的是 Tyrosine。

解題方法

判斷方式是分別檢視兩條路徑的原料來源。

一、嘌呤核苷酸的從頭合成

嘌呤環是逐步組裝在 ribose-5-phosphate 上，主要原料包括：

• Glycine：提供嘌呤環的 $C_4$、$C_5$ 與 $N_7$
• Glutamine：提供醯胺氮
• Aspartate：提供 $N_1$
• $\ce{CO2}$：提供一個碳原子
• N$^{10}$-formyl-tetrahydrofolate：提供兩個一碳單位

關鍵路徑為：

$$\text{Ribose-5-phosphate} \rightarrow \text{PRPP} \rightarrow \text{IMP} \rightarrow \text{AMP 或 GMP}$$

其中，Glycine 在形成中間物 GAR（glycinamide ribonucleotide） 時被接入嘌呤前驅物；Glutamine 則在 FGAM synthetase 反應中提供醯胺氮。

二、嘧啶核苷酸的從頭合成

嘧啶環先在細胞質中形成，再與 ribose phosphate 結合。主要原料包括：

• Aspartate：提供嘧啶環的大部分原子
• Glutamine：提供 carbamoyl phosphate 的醯胺氮
• $\ce{CO2}$：提供 carbamoyl phosphate 的碳原子

哺乳類細胞的關鍵步驟為：

$$\ce{Glutamine + CO2 + 2ATP -> Carbamoyl\ phosphate}$$

此反應由 CPS II（carbamoyl phosphate synthetase II，氨甲醯磷酸合成酶 II） 催化。接著：

核心觀念

本題考查粒線體電子傳遞鏈（respiratory chain）各複合體的結構與功能。典型電子傳遞鏈位於粒線體內膜，電子依序經過：

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

其中，電子可由 NADH 或 FADH₂ 提供，最終將氧還原成水：

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

四個主要電子傳遞鏈複合體如下：

• Complex I：NADH:ubiquinone oxidoreductase，NADH 脫氫酶複合體
• Complex II：succinate dehydrogenase，琥珀酸脫氫酶
• Complex III：cytochrome $bc_1$ complex，細胞色素 $bc_1$ 複合體
• Complex IV：cytochrome $c$ oxidase，細胞色素 $c$ 氧化酶

在這些複合體中，Complex I 是體積最大、結構最複雜、次單元數最多者。

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解題方法

判斷「largest and most complicated」時，直接比較各複合體的結構規模與電子傳遞功能即可。

Complex I 接收 NADH 的電子，經由下列電子載體傳遞：

$$\ce{NADH -> FMN -> Fe-S\ centers -> CoQ}$$

其主要反應為：

$$\ce{NADH + H+ + CoQ -> NAD+ + CoQH2}$$

Complex I 同時利用電子傳遞所釋放的能量，將質子由粒線體基質泵送至膜間腔。每傳遞一對電子，約泵出 $4$ 個 $\ce{H+}$，建立質子電化學梯度，供 ATP synthase（Complex V）合成 ATP。

Complex I 在哺乳類粒線體中約含 45 個蛋白質次單元，具有：

• NADH 結合與氧化區域
• FMN（flavin mononucleotide，黃素單核苷酸）
• 多個鐵硫中心（Fe-S centers）
• Coenzyme Q（ubiquinone，泛醌）結合區
• 跨膜質子泵送模組

因此符合「最大且最複雜」的描述。

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選項分析

(A) Complex I——正確

Complex I 又稱 NADH dehydrogenase complex（NADH 脫氫酶複合體），是電子傳遞鏈中最大的複合體，含有最多的蛋白質次單元與多個電子傳遞中心。

電子路徑為：

$$\ce{NADH -> FMN -> Fe-S\ centers -> CoQ}$$

它也是重要的質子泵，每對電子約將 $4$ 個 $\ce{H+}$ 泵入膜間腔，對建立 proton-motive force（質子驅動力）具有關鍵作用。

因此本選項正確。

核心觀念

本題考查人體內游離胺基酸（free amino acid）含量的相對多寡，以及不同胺基酸在氮代謝中的主要功能。

在生理狀態下，Glutamine（麩醯胺酸）是人體內含量最豐富的游離胺基酸，尤其大量存在於：

• 骨骼肌細胞
• 血液
• 腸道細胞
• 免疫細胞

Glutamine 不僅是蛋白質合成原料，也是重要的氮運輸形式。組織可將有毒的氨 $\ce{NH3}$ 暫時固定成醯胺氮，形成 Glutamine，以便在血液中安全運送。

其合成反應為：

$$\ce{Glutamate + NH3 + ATP ->[Glutamine\ synthetase] Glutamine + ADP + Pi}$$

在腎臟與肝臟等組織中，Glutamine 又可被分解：

$$\ce{Glutamine + H2O ->[Glutaminase] Glutamate + NH4+}$$

釋出的 $\ce{NH4+}$ 可參與尿素生成或腎臟酸鹼平衡調節。

解題方法

判斷本題的關鍵是先確認「most abundant in the body」在生化考題中的通常意義。此處指的是人體內最豐富的游離胺基酸，不是比較某一種胺基酸在所有結構蛋白中的總殘基數。

解題切入點如下：

1. 人體需要將各組織產生的氨安全運輸。
2. Glutamine 可利用 Glutamine synthetase 將 $\ce{NH3}$ 固定在 Glutamate 上。
3. 骨骼肌能大量合成並儲存 Glutamine，因此 Glutamine 成為體內最豐富的游離胺基酸。
4. 四個選項中，符合此生理學與生化學特徵的是 Glutamine。

選項分析

(A) Aspartate（天門冬胺酸）

Aspartate 是重要的代謝中間物，具有以下功能：

• 參與尿素循環，提供尿素中的一個氮。
• 參與嘌呤與嘧啶核苷酸合成。
• 可由 Oxaloacetate（草醯乙酸）經轉胺作用生成：

$$\ce{Oxaloacetate + Glutamate <=> Aspartate + alpha-ketoglutarate}$$

催化酵素為 Aspartate aminotransferase，AST。

雖然 Aspartate 具有重要代謝功能，但其體內游離含量並非四個選項中最高，因此錯誤。

核心觀念

本題考查胺基酸的：

• 酸鹼解離與 $pK_a$。
• 等電點（ isoelectric point, $pI$）的定義。
• 依胺基酸側鏈酸鹼性，選取包圍淨電荷為零之兩個 $pK_a$ 求平均。

等電點是分子平均淨電荷為零時的 pH。計算公式為：

$$pI=\frac{pK_{a1}+pK_{a2}}{2}$$

但所提供的 $pK_1=1.82$、$pK_2=9.17$、$pK_R=6.0$ 是 Histidine（組胺酸） 的數據，題目卻詢問 aspartic acid（天門冬胺酸）。因此，題目文字與數據不一致；在合理假設題目原意為詢問 Histidine 的等電點下作答。

解題方法

Histidine 含有三個可解離基團：

1. $\ce{-COOH}$：$pK_1=1.82$
2. $\ce{-NH3+}$：$pK_2=9.17$
3. 咪唑側鏈（imidazole side chain）：$pK_R=6.0$

隨 pH 上升，解離順序依 $pK_a$ 由小至大排列：

低 pH：淨電荷為 $+2$

羧基為 $\ce{-COOH}$，胺基為 $\ce{-NH3+}$，咪唑環也帶正電：

$$\text{淨電荷}=+2$$

通過 $pK_1=1.82$：淨電荷降為 $+1$

羧基失去質子：

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

此時：

$$\text{淨電荷}=+1$$

通過 $pK_R=6.0$：淨電荷降為 $0$

咪唑側鏈失去質子：

$$\ce{Imidazolium -> Imidazole + H^+}$$

此時分子主要呈現兩性離子型態，淨電荷為零。

通過 $pK_2=9.17$：淨電荷降為 $-1$

胺基失去質子：

$$\ce{-NH3+ -> -NH2 + H^+}$$

此時：

$$\text{淨電荷}=-1$$

因此，包圍淨電荷為零型態的兩個 $pK_a$ 是：

$$pK_R=6.0$$

與

$$pK_2=9.17$$

所以：

核心觀念

本題考查蛋白質的二級結構（secondary structure），重點是辨認各蛋白質主要由何種規則性局部結構所組成：

• $\alpha$-helix（$\alpha$-螺旋）
• $\beta$-sheet（$\beta$-摺板）
• collagen triple helix（膠原蛋白三股螺旋）

二級結構主要由蛋白質主鏈之間的氫鍵穩定。$\alpha$-螺旋是同一條多胜肽鏈內形成規則氫鍵的螺旋結構；膠原蛋白的三股螺旋則是三條多胜肽鏈共同纏繞形成，結構與典型 $\alpha$-helix 不同。

解題方法

題幹問「哪一種蛋白質的二級結構中沒有 $\alpha$-helices」，因此逐一判斷各選項是否含有典型 $\alpha$-helix：

1. Hemoglobin：以 $\alpha$-helix 為主。
2. Insulin：含有明顯的 $\alpha$-helix。
3. Chymotrypsin：以 $\beta$-sheet 為主，但仍含有部分 $\alpha$-helix。
4. Collagen：具有特殊的 collagen triple helix，不含典型 $\alpha$-helix。

因此，關鍵在於「主要由 $\beta$-sheet 組成」不等於「完全沒有 $\alpha$-helix」。Chymotrypsin 雖然以 $\beta$-sheet 為主，仍不能作為答案。

選項分析

(A) Hemoglobin

Hemoglobin（血紅蛋白）是由四個 globin subunits（球蛋白次單元）組成的四級結構蛋白，每個次單元皆以 $\alpha$-helices 為主要二級結構。

其多胜肽鏈會形成多段 $\alpha$-helix，並構成容納 heme（血基質）的疏水性口袋，使中心的 $\ce{Fe^{2+}}$ 能可逆結合 $\ce{O2}$。

因此 Hemoglobin 含有大量 $\alpha$-helices，本選項錯誤。

(B) Insulin

Insulin（胰島素）是由 A chain 與 B chain 透過二硫鍵連結形成的蛋白質。其結構中含有多段 $\alpha$-helix，並由二硫鍵協助穩定整體三維構形。

胰島素的二硫鍵來自 cysteine（半胱胺酸）殘基的氧化反應：

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

二硫鍵屬於三級或四級結構穩定因素，不代表胰島素缺乏二級結構中的 $\alpha$-helix。Insulin 含有 $\alpha$-helices，本選項錯誤。

(C) Chymotrypsin

核心觀念

本題考查蛋白質的**二級結構（secondary structure）**與類澱粉蛋白（amyloid）的結構特徵。

類澱粉蛋白是由錯誤折疊的蛋白質聚集形成之不溶性纖維，其最重要的結構特徵是大量肽鏈排列成高度規則的 β-片層（β-sheet）。這些 β-片層可沿纖維軸方向堆疊，形成所謂的 cross-β structure（交叉 β 結構），是 amyloid fibril（類澱粉纖維）的核心骨架。

蛋白質二級結構主要由胺基酸主鏈之間的氫鍵穩定，包括：

• α-Helix（α-螺旋）：主鏈內部形成規則氫鍵，使肽鏈呈螺旋狀。
• β-Sheet（β-片層）：延伸的肽鏈彼此以主鏈氫鍵連接，形成片層狀結構。
• β-Turns（β-轉角）：使肽鏈急遽改變方向的短小結構。
• Random Coil（隨機線圈）：缺乏明確規則性的構形區域。

解題方法

判斷 amyloid 的主要二級結構，直接掌握其結構關鍵字即可：

$$\text{Amyloid fibril} \longrightarrow \text{cross-}\beta\text{ structure} \longrightarrow \beta\text{-Sheet}$$

類澱粉形成過程中，原本正常蛋白質的構形改變，促使肽鏈暴露出容易彼此聚集的區域，並以 β-片層形式排列。大量 β-片層進一步聚集成長而不溶的纖維，因此其 principal secondary structure 為 β-sheet。

核心觀念

本題考的是 DNA 複製過程中的「DNA 拓撲結構調控」與各種複製相關酵素的功能。

DNA 雙股螺旋可用連結數（linking number, $Lk$）描述，其關係為：

$$Lk = Tw + Wr$$

其中：

• $Tw$（twist）：DNA 雙股螺旋本身的扭轉程度。
• $Wr$（writhe）：DNA 雙股螺旋在空間中的盤繞程度，也就是超螺旋（supercoiling）。

DNA helicase（DNA 解旋酶）在複製叉處分離兩條 DNA 股鏈時，會使複製叉前方的 DNA 產生越來越嚴重的正超螺旋（positive supercoiling）。若不加以解除，DNA 複製叉將難以繼續前進。

在細菌中，DNA gyrase（DNA 旋轉酶）屬於 type II topoisomerase（第二型拓撲異構酶），能利用 ATP 能量暫時切開 DNA 雙股，讓另一段 DNA 通過切口，再重新接合 DNA，因而降低 DNA 的連結數，直接引入負超螺旋（negative supercoils）。

因此，本題正確答案為 DNA gyrase。

解題方法

判斷重點是辨認「能改變 DNA 超螺旋狀態」的酵素。

各酵素功能可依序整理如下：

1. DNA helicase 打開 DNA 雙股。
2. DNA primase 合成 RNA primer。
3. DNA polymerase 延伸新生 DNA。
4. DNA ligase 封閉 DNA 骨架上的缺口。
5. DNA gyrase 調整 DNA 的拓撲結構，解除複製叉前方的正超螺旋，並引入負超螺旋。

題目問的是「introduce negative supercoils」，也就是「引入負超螺旋」，故必須選擇具有拓撲異構酶功能的 DNA gyrase，而不是單純參與 DNA 解旋、引子合成或缺口連接的酵素。

選項分析

(A) DNA ligase

DNA ligase（DNA 連接酶）的功能是封閉 DNA 骨架上的單股缺口（nick）。

在 DNA 複製時，DNA ligase 會將岡崎片段（Okazaki fragments）之間的缺口連接起來，使相鄰 DNA 片段之間形成完整的磷酸二酯鍵。其反應需要 ATP 或 $\ce{NAD+}$，依生物種類及酵素類型而異。

DNA ligase 主要負責 DNA 片段的連接，不會藉由切開並重新排列 DNA 雙股來改變 $Lk$，因此不能引入負超螺旋。

故 (A) 錯誤。

核心觀念

蛋白質的三維構形（protein conformation）主要由胺基酸側鏈之間的非共價作用力共同維持，包括：

• 疏水交互作用（hydrophobic interactions）
• 氫鍵（hydrogen bonds）
• 范德華力（van der Waals forces）
• 離子作用／鹽橋（ionic interactions／salt bridges）

其中，對多數可溶性球狀蛋白質而言，疏水交互作用是維持蛋白質折疊構形的主要決定因素。其核心機制是：非極性側鏈在水溶液中傾向聚集於蛋白質內部，減少與水接觸，使蛋白質形成較穩定的疏水核心（hydrophobic core）。

蛋白質折疊是否有利，可用自由能變化表示：

$$\Delta G_{\text{folding}}=\Delta H-T\Delta S$$

疏水側鏈聚集會釋放原先包圍非極性表面的有序水分子，使水分子的熵增加，形成有利於折疊的疏水效應（hydrophobic effect）。

解題方法

判斷此題的關鍵在於區分：

1. 促使蛋白質形成穩定折疊構形的主要驅動力
2. 在特定位置進一步穩定構形的局部作用力

疏水交互作用會促使非極性胺基酸側鏈埋入蛋白質內部，形成整體性的疏水核心，因此是蛋白質折疊與構形維持的主要因素。

氫鍵、范德華力及二硫鍵則多半負責局部或特定區域的穩定：

• 氫鍵穩定 $\alpha$-螺旋與 $\beta$-摺板。
• 范德華力協助緊密堆積的側鏈彼此配合。
• 二硫鍵固定特定半胱胺酸殘基之間的相對位置。

因此，最佳答案為 (D) Hydrophobic interactions。

選項分析

(A) van der Waals forces（范德華力）

范德華力是原子或分子因瞬時偶極所產生的弱吸引力。單一范德華力很弱，但大量原子彼此緊密接觸時，總效應可協助蛋白質維持精確的三維排列。

然而，范德華力通常不是蛋白質構形形成與維持的主要決定因素，因此不是本題最佳答案。

(B) Disulfide bond（二硫鍵）

核心觀念

本題考查核苷酸合成的兩條主要途徑：

1. 從頭合成途徑（de novo synthesis）
   由小分子前驅物逐步合成嘌呤或嘧啶，再形成核苷酸。

2. 補救途徑（salvage pathway）
   回收細胞內已形成的嘌呤、嘧啶鹼基或核苷，重新合成核苷酸，減少能量與原料消耗。

補救途徑的核心概念是：

$$\text{preformed base or nucleoside} \longrightarrow \text{nucleotide}$$

其中嘌呤補救途徑常利用活化的核糖供體 $\ce{PRPP}$（5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate）：

$$\text{purine base}+\ce{PRPP} \longrightarrow \text{purine nucleotide}+\ce{PP_i}$$

---

解題方法

判斷本題的關鍵在於辨認「salvage」的意義。Salvage 即「回收、再利用」，因此它不是從小分子前驅物重新建立完整的鹼基，而是直接利用已經存在的鹼基或核苷，將其轉變為核苷酸。

嘌呤補救途徑的重要反應包括：

$$\text{Hypoxanthine}+\ce{PRPP} \xrightarrow{\text{HGPRT}} \text{IMP}+\ce{PP_i}$$ $$\text{Guanine}+\ce{PRPP} \xrightarrow{\text{HGPRT}} \text{GMP}+\ce{PP_i}$$ $$\text{Adenine}+\ce{PRPP} \xrightarrow{\text{APRT}} \text{AMP}+\ce{PP_i}$$

其中：

• HGPRT：hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase，次黃嘌呤－鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶
• APRT：adenine phosphoribosyltransferase，腺嘌呤磷酸核糖轉移酶

嘧啶也具有補救途徑，例如：

$$\text{Thymidine} \xrightarrow{\text{thymidine kinase}} \text{TMP}$$ $$\text{Uridine} \xrightarrow{\text{uridine-cytidine kinase}} \text{UMP}$$

因此，補救途徑的主要功能就是利用已形成的 purines and pyrimidines，重新製造 nucleotides。

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選項分析

(A) Utilize preformed purines and pyrimidines for nucleotide synthesis

核心觀念

本題考查蛋白質摺疊（protein folding）過程中的分子伴護蛋白（molecular chaperones），尤其是其中的伴護蛋白體（chaperonins）。

新生多胜肽鏈由核糖體合成後，必須經由適當的三維摺疊，形成具有功能的天然構形（native conformation）。摺疊中間物常暴露疏水性胺基酸殘基，容易彼此聚集，形成無功能的蛋白質聚集體。

Chaperonins 的主要功能包括：

• 暫時結合未完全摺疊或錯誤摺疊的多胜肽。
• 遮蔽暴露的疏水性區域，避免多胜肽彼此聚集。
• 提供適合摺疊的隔離空間，使多胜肽能重新摺疊。
• 利用 ATP 水解所伴隨的構形變化，協助多胜肽逐步形成正確的天然構形。

典型例子為細菌的 GroEL-GroES 系統：

• GroEL：由兩個七聚體環組成的筒狀蛋白質。
• GroES：頂端的帽狀蛋白質，協助封閉摺疊腔室。
• ATP：提供 GroEL 構形變化所需的能量。

因此，題幹所描述的「協助將摺疊中間物導向完整摺疊構形」正是 chaperonins 的功能。

解題方法

本題可採「功能對應法」：

1. 先辨認題幹的關鍵字：
   「intermediate polypeptides」、「folding」、「fully folded structures」。
2. 判斷題目在問蛋白質摺疊的協助者，而非一般代謝酵素。
3. 將各選項的主要功能與蛋白質摺疊進行配對。
4. 只有 chaperonins 直接負責協助未完全摺疊多胜肽形成正確構形。

需注意，chaperonins 並不是蛋白質本身的序列模板，也不會把胺基酸排列成新的序列；蛋白質最終構形的主要資訊仍儲存在其胺基酸序列中。Chaperonins 的角色是提供有利環境，降低錯誤聚集與錯誤摺疊的機會。

選項分析

(A) Kinases（激酶）—錯誤

Kinases 的主要功能是催化磷酸基團轉移，通常將 ATP 的磷酸基團轉移至受質，例如蛋白質、醣類或脂質：

$$\text{Protein-OH} + \text{ATP} \rightarrow \text{Protein-OPO}_3^{2-} + \text{ADP}$$

蛋白質激酶（protein kinase）會磷酸化特定蛋白質上的絲胺酸（Ser）、蘇胺酸（Thr）或酪胺酸（Tyr）殘基，參與訊息傳遞與活性調控。

Kinases 的核心作用是磷酸化，不是協助摺疊中間物形成完整蛋白質構形，因此不符合題意。

(B) Ligases（連接酶）—錯誤

核心觀念

本題考查 purine（嘌呤）分解代謝的最終產物。

在人體中，adenine（腺嘌呤）與 guanine（鳥嘌呤）等 purine 鹼基，經過一連串分解反應，最後形成 uric acid（尿酸），化學式為 $\ce{C5H4N4O3}$。

人體缺乏可將尿酸繼續分解為 allantoin（尿囊素）的有效 uricase（尿酸酶），因此尿酸是人體 purine catabolism 的終產物。

解題方法：沿著嘌呤分解路徑判斷

Adenine 分解路徑

Adenine 來源的 AMP 可依序分解：

$$\text{AMP} \rightarrow \text{adenosine} \rightarrow \text{inosine} \rightarrow \text{hypoxanthine} \rightarrow \text{xanthine} \rightarrow \text{uric acid}$$

關鍵酵素包括：

• 5′-nucleotidase（5′-核苷酸酶）：AMP $\rightarrow$ adenosine
• adenosine deaminase（腺苷脫胺酶）：adenosine $\rightarrow$ inosine
• purine nucleoside phosphorylase, PNP（嘌呤核苷磷酸化酶）：inosine $\rightarrow$ hypoxanthine
• xanthine oxidoreductase（黃嘌呤氧化還原酶）：
• hypoxanthine $\rightarrow$ xanthine
• xanthine $\rightarrow$ uric acid

Guanine 分解路徑

Guanine 來源的 GMP 可依序分解：

$$\text{GMP} \rightarrow \text{guanosine} \rightarrow \text{guanine} \rightarrow \text{xanthine} \rightarrow \text{uric acid}$$

關鍵酵素包括：

• 5′-nucleotidase：GMP $\rightarrow$ guanosine
• PNP：guanosine $\rightarrow$ guanine
• guanine deaminase（鳥嘌呤脫胺酶）：guanine $\rightarrow$ xanthine

核心觀念

本題考「蛋白質水解酵素」的分類與作用。蛋白質由胺基酸透過**胜肽鍵（peptide bond）**連接而成，胜肽鍵本質上是羧基與胺基縮合形成的醯胺鍵：

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

水解時，酵素利用水分子切斷胜肽鍵，使蛋白質或多胜肽分解成較短的胜肽，最終可形成游離胺基酸。能催化此類反應的酵素統稱為 Proteases（蛋白酶） 或 Peptidases（胜肽酶）。

一般可分為：

• Endopeptidases（內肽酶）：切斷蛋白質鏈內部的特定胜肽鍵，例如 Trypsin（胰蛋白酶）偏好切割 Lysine（離胺酸）或 Arginine（精胺酸）羧基側的胜肽鍵。
• Exopeptidases（外肽酶）：從蛋白質或胜肽末端逐一切除胺基酸，例如 Aminopeptidase（胺基肽酶）與 Carboxypeptidase（羧基肽酶）。

因此，題幹所述「hydrolyze particular peptide bonds of the protein」正是 Proteases 的功能。

解題方法

判斷關鍵在於辨認受水解的化學鍵種類：

1. 題目指出受作用的鍵是蛋白質中的胜肽鍵。
2. 胜肽鍵屬於蛋白質主鏈的醯胺鍵。
3. 專門催化蛋白質或胜肽中胜肽鍵水解的酵素為 Proteases。
4. 若題目問「特定胜肽鍵」，還可聯想到不同蛋白酶具有不同的基質專一性。

整體反應可概念化表示為：

$$\ce{Protein-(CO-NH)-Protein + H2O ->[Protease] Protein-COOH + H2N-Protein}$$

在生理環境中，蛋白質消化的路徑通常是：

$$\text{Protein} \xrightarrow{\text{Pepsin（胃蛋白酶）}} \text{大胜肽} \xrightarrow{\text{Trypsin、Chymotrypsin}} \text{小胜肽} \xrightarrow{\text{Peptidases}} \text{胺基酸}$$

本題所問的是這條路徑中「切斷胜肽鍵」的酵素類別，因此答案為 Proteases。

選項分析

(A) Hexokinase（己糖激酶）

Hexokinase 催化葡萄糖等己糖的磷酸化，利用 ATP 將磷酸基轉移至葡萄糖：

核心觀念

本題考察酵素抑制作用在 Lineweaver–Burk plot（雙倒數圖）上的判讀。

Lineweaver–Burk 方程式為：

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

其中：

• $y$ 軸截距為 $\frac{1}{V_{\max}}$
• $x$ 軸截距為 $-\frac{1}{K_m}$
• 斜率為 $\frac{K_m}{V_{\max}}$

圖中加入抑制劑後，$y$ 軸截距增加，表示 $\frac{1}{V_{\max}}$ 增加，因此 $V_{\max}$ 降低；但兩條線的 $x$ 軸截距相同，表示 $K_m$ 不變。

這正是典型的 noncompetitive inhibition（非競爭性抑制）。

解題方法

觀察圖中的兩條線：

• S only：未加入抑制劑
• S + I：加入抑制劑

兩條線具有相同的 $x$ 軸截距：

$$-\frac{1}{K_m}$$

所以加入抑制劑後，$K_m$ 沒有改變。

但 S + I 的 $y$ 軸截距較高：

$$\frac{1}{V_{\max,\mathrm{app}}} > \frac{1}{V_{\max}}$$

因此：

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

抑制劑不影響底物與酵素的表觀親和力，卻降低最大反應速率，判定為非競爭性抑制。

選項分析

(A) Competitive inhibition（競爭性抑制）錯誤。
競爭性抑制劑與底物競爭活性部位，會使表觀 $K_m$ 增加，但 $V_{\max}$ 不變。

核心觀念

本題考查「紫外線造成的 DNA 損傷類型」。

太陽光中的紫外線，尤其是 UV-B，會被 DNA 鹼基吸收。當 DNA 同一股上相鄰的嘧啶鹼基（pyrimidines）吸收紫外線能量後，會在兩個鹼基之間形成異常共價鍵，稱為嘧啶二聚化（pyrimidine dimerization）。

最典型的產物是：

• 環丁烷嘧啶二聚體（cyclobutane pyrimidine dimer, CPD）
• $6$-$4$ 光產物（6-4 photoproduct）

其中最常見的是相鄰兩個胸腺嘧啶（thymine）形成胸腺嘧啶二聚體（thymine dimer）。

此損傷會使 DNA 雙股螺旋局部變形，阻礙 DNA polymerase（DNA 聚合酶）進行複製，也會干擾 RNA polymerase（RNA 聚合酶）進行轉錄。細胞主要透過 nucleotide excision repair, NER（核苷酸切除修復）移除受損片段；部分生物也具有 photolyase（光裂合酶），可利用可見光能量直接分解嘧啶二聚體。

解題方法

看到題幹關鍵字「UV radiation from sunlight」，直接連結：

$$\text{UV radiation} \longrightarrow \text{相鄰嘧啶鹼基形成共價二聚體}$$

嘧啶鹼基包括 cytosine（胞嘧啶，C）與 thymine（胸腺嘧啶，T）。紫外線造成的典型 DNA 損傷不是鹼基脫胺、嘌呤／嘧啶脫落，也不是烷化，而是相鄰嘧啶鹼基之間形成共價連結。

因此正確選項為 Pyrimidine dimerization。

選項分析

(A) Cytosine deamination

錯誤。

Cytosine deamination（胞嘧啶脫胺）是胞嘧啶水解脫去胺基的反應：

$$\text{Cytosine} + \ce{H2O} \longrightarrow \text{Uracil} + \ce{NH3}$$

產生的 uracil（尿嘧啶）會與 adenine（腺嘌呤）配對，若未修復，複製後可能造成 $\ce{C:G -> T:A}$ 的鹼基替換。

此反應主要屬於自發性水解性 DNA 損傷，不是太陽紫外線造成的典型損傷。胞嘧啶脫胺的修復通常由 uracil-DNA glycosylase（尿嘧啶 DNA 糖苷酶）辨識並啟動 base excision repair, BER（鹼基切除修復）。

(B) Depyrimidinations

錯誤。

Depyrimidination（脫嘧啶化）是 DNA 中嘧啶鹼基與去氧核糖之間的 $N$-糖苷鍵被水解，使鹼基從 DNA 骨架脫落，形成 apyrimidinic site（無嘧啶位點），屬於 AP site（無鹼基位點）的一種。

核心觀念

本題考查酵素抑制作用的分類，以及 Methotrexate（甲氨蝶呤，MTX）抑制核苷酸合成的機轉。

葉酸（folate）代謝中，dihydrofolate reductase（DHFR，二氫葉酸還原酶）催化下列反應：

$$\ce{DHF + NADPH + H+ ->[DHFR] THF + NADP+}$$

其中：

• $\ce{DHF}$：dihydrofolate（二氫葉酸）
• $\ce{THF}$：tetrahydrofolate（四氫葉酸）
• $\ce{NADPH}$：提供還原力

THF 是一碳單位代謝的重要輔酶，參與：

• 嘌呤（purine）合成
• thymidylate（胸腺嘧啶核苷酸，$\ce{dTMP}$）合成
• DNA 與 RNA 前驅物生成

MTX 的結構與葉酸相似，能與 DHFR 的活性部位結合，競爭性阻礙 $\ce{DHF}$ 結合。因此，MTX 是典型的 competitive inhibitor（競爭型抑制劑）。

解題方法

判斷酵素抑制類型時，先確認抑制劑的結合位置與底物的關係。

本題的關鍵線索是：

Methotrexate is structurally similar to folate.

MTX 與底物具有結構相似性，能進入 DHFR 的活性部位，與底物競爭結合。當提高底物 $\ce{DHF}$ 濃度時，可在一定程度上排除 MTX 的抑制，符合競爭型抑制的特徵。

競爭型抑制的反應速率可表示為：

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

其中：

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

競爭型抑制的動力學結果為：

• 表觀 $K_m$ 增加
• $V_{\max}$ 不變
• 增加底物濃度可減弱抑制作用

因此，本題的正確分類是 competitive inhibition。

MTX 所作用的代謝步驟

葉酸代謝與核苷酸合成的關係可簡化表示如下：

$$\ce{DHF ->[DHFR] THF -> 一碳單位轉移反應 -> Purine\ nucleotide,\ dTMP}$$

MTX 抑制的是：

$$\ce{DHF ->[DHFR] THF}$$

當 DHFR 被抑制時，細胞內 THF 減少，造成：

核心觀念

本題考的是「突變（mutation）」依影響層級所作的分類，關鍵在於辨認突變涉及的 DNA 範圍。

題幹中的 interchange of large segments of chromosomal DNA 指「染色體 DNA 大片段之間的交換」。這屬於染色體結構變異（chromosomal structural variation），其中典型型態為 易位（translocation）。

易位是指一段染色體 DNA 從原本位置移至另一條染色體，常涉及非同源染色體（nonhomologous chromosomes）之間的片段交換。若兩條染色體互相交換片段，稱為互惠性易位（reciprocal translocation）。

易位可能造成：

• 基因位置改變，形成位置效應（position effect）
• 基因被切斷，導致基因失活
• 染色體融合或基因融合
• 減數分裂時染色體配對異常，影響配子形成
• 在某些情況下導致腫瘤相關基因活化

因此，題目所描述的「大片段染色體 DNA 互換」對應 Translocation。

解題方法

判斷本題可依「突變影響的尺度」切入：

1. 若只改變單一鹼基，屬於 base substitution。
2. 若插入或刪除的鹼基數不是 3 的倍數，造成閱讀框改變，屬於 frameshift mutation。
3. 若單一鹼基替換使密碼子變成終止密碼子，屬於 nonsense mutation。
4. 若涉及染色體大片段的移動或交換，屬於 translocation。

題幹明確指出 large segments of chromosomal DNA，表示突變層級已達染色體結構，而非單一鹼基或單一密碼子，因此選擇 (A)。

選項分析

(A) Translocation：正確

Translocation（易位）是染色體大片段轉移至另一染色體位置，常見於非同源染色體之間。互惠性易位涉及兩條染色體交換大片段，完全符合題幹所說的「interchange of large segments of chromosomal DNA」。

(B) Base substitution：錯誤

核心觀念

本題考查動物細胞不同細胞膜的脂質組成，尤其是 cholesterol（膽固醇）在各種生物膜中的分布。

膽固醇是動物細胞膜的重要脂質成分，具有下列作用：

• 調節膜的流動性與穩定性
• 降低膜對小分子與離子的通透性
• 在高溫時限制磷脂的過度運動
• 在低溫時避免磷脂排列過度緊密
• 參與 lipid rafts（脂筏）形成

細胞膜中的膽固醇含量並不一致。一般而言，plasma membrane（細胞膜）膽固醇含量最高；ER membrane（內質網膜）與 Golgi apparatus membrane（高基氏體膜）也含有膽固醇。相較之下，inner mitochondrial membrane（粒線體內膜）膽固醇含量極低，通常視為不含或幾乎不含膽固醇的膜。

粒線體內膜富含 cardiolipin（心磷脂），這種特殊磷脂有助於維持電子傳遞鏈與 ATP synthase（ATP 合成酶）的結構及功能，是其膜脂質組成的重要特色。

解題方法

判斷本題的切入點是比較各細胞膜的膽固醇分布：

1. 動物細胞的 plasma membrane、ER membrane 與 Golgi apparatus membrane 均含有膽固醇。
2. Inner mitochondrial membrane 的膽固醇含量極低，主要特徵脂質為 cardiolipin。
3. 因此，題目所問「不含膽固醇的膜」選擇粒線體內膜。

本題不涉及代謝途徑、酵素反應或計算，重點是記憶不同胞器膜的脂質特性。

選項分析

(A) Inner mitochondrial membrane

正確。

粒線體內膜的膽固醇含量極低，教科書與考試分類中通常視為不含膽固醇。其膜中特別富含 cardiolipin，並具有高度蛋白質含量，以容納 electron transport chain（電子傳遞鏈）與 ATP synthase。

粒線體內膜的主要功能包括：

• 建立質子梯度
• 進行 oxidative phosphorylation（氧化磷酸化）
• 提供電子傳遞鏈複合體運作的膜環境

核心觀念

本題考查 酵素（enzyme）、輔因子（cofactor）與輔酶（coenzyme） 的定義及其在催化反應中的角色。

• 酵素：多數為蛋白質，能降低反應的活化能，但不改變反應平衡。
• 輔因子：酵素催化所需的非蛋白質成分，常見為金屬離子或有機化合物。
• 輔酶：屬於有機性的輔因子，常在反應中攜帶電子、氫原子或特定化學基團。
• 全酵素（holoenzyme）：具有催化活性的完整酵素。
• 酵素蛋白（apoenzyme）：僅含蛋白質部分，缺少必要輔因子時通常沒有活性。

輔因子在反應中可直接參與化學轉換，但在一個完整催化循環後通常會被再生，因此不屬於淨消耗的反應物。

解題方法

判斷本題的關鍵是檢查每個選項是否符合輔因子與輔酶的標準定義。

其中最需要注意的是 “Every enzyme”。只要找到不符合「每一個」的反例，即可判定該敘述錯誤。許多酵素只需要蛋白質本身即可完成催化，不需要額外的輔因子，因此不能說每個酵素都需要輔因子。

選項分析

(A) Cofactors commonly are metal ions or organic compounds.

此敘述正確。

輔因子主要可分為：

1. 無機輔因子：常見為金屬離子，例如 $\ce{Mg^{2+}}$、$\ce{Zn^{2+}}$、$\ce{Fe^{2+}}$、$\ce{Cu^{2+}}$。
2. 有機輔因子：即輔酶，例如 NAD$^+$、FAD、coenzyme A（輔酶 A）及 thiamine pyrophosphate（TPP，硫胺素焦磷酸）。

例如 kinases（激酶）常需要 $\ce{Mg^{2+}}$ 協助穩定 ATP 的磷酸基；carbonic anhydrase（碳酸酐酶）則需要 $\ce{Zn^{2+}}$ 參與催化。

因此，輔因子常見的確是金屬離子或有機化合物。

(B) Cofactors participate in a reaction but are not consumed.

此敘述正確。

輔因子可在反應過程中暫時接受或提供電子、氫原子、磷酸基或其他化學基團，但在後續反應中會恢復原本狀態，因此在整體反應中不會被淨消耗。

以 NAD$^+$ 為例，在氧化還原反應中：

$$\ce{NAD+ + 2H+ + 2e- <=> NADH + H+}$$

NAD$^+$ 可接受電子而形成 NADH；在另一個反應中，NADH 又可被氧化回 NAD$^+$。因此 NAD$^+$ 參與反應，但本身在催化循環中會再生。

金屬離子也常扮演穩定電荷、定位受質或促進酸鹼催化的角色，並不會在每次反應後永久消失。

核心觀念

本題考查糖解作用（glycolysis）的最終產物，以及丙酮酸在有氧條件下的後續代謝命運。

糖解作用發生於細胞質，將 1 分子葡萄糖（glucose）分解成 2 分子丙酮酸（pyruvate），整條途徑共有 10 個酵素催化步驟：

$$\ce{Glucose ->[glycolysis] 2 Pyruvate}$$

糖解作用的淨反應為：

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

因此，糖解作用本身的終產物是丙酮酸（pyruvate）。

在有氧細胞中，丙酮酸接著進入粒線體，經由丙酮酸脫氫酶複合體（pyruvate dehydrogenase complex, PDH complex）進行氧化脫羧，生成乙醯輔酶 A（acetyl-CoA），再進入檸檬酸循環（citric acid cycle）。但乙醯輔酶 A 是糖解作用之後的產物，不是糖解作用本身的終產物。

解題方法

判斷本題的關鍵是先界定題目所問的代謝階段：

1. 葡萄糖先在細胞質中進行糖解作用。
2. 糖解作用的碳骨架變化為：
   $\ce{6-carbon glucose -> 2 x 3-carbon pyruvate}$
3. 有氧條件下，丙酮酸才進一步經 PDH complex 轉換成乙醯輔酶 A：
   $\ce{Pyruvate ->[PDH complex] Acetyl-CoA}$

題目問的是「the end product of glycolysis」，所以答案必須是糖解作用直接形成的產物，而非後續有氧代謝的產物。

選項分析

(A) Lactate（乳酸）

錯誤。乳酸是在缺氧或細胞無法有效利用氧氣時，由乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase, LDH）將丙酮酸還原形成：