110 調查局特考三等 化學鑑識組 生物化學 考古題詳解

110 年・調查局特考・三等・化學鑑識組
試題代碼 生物化學

第 一 題20 分

二維膠體電泳（2D gel electrophoresis）主要用途在於分析複雜蛋白質樣品，請說明其原理與步驟。

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核心觀念

二維膠體電泳（two-dimensional gel electrophoresis, 2D-GE）是利用蛋白質的兩種不同物理性質，依序進行分離：

  1. 第一維：等電點聚焦（isoelectric focusing, IEF）

依蛋白質的等電點（isoelectric point, pI）分離。蛋白質在具有固定 pH 梯度的膠條中移動，直到所在位置的 pH 等於其 pI，此時蛋白質淨電荷為零，停止移動並聚焦於該位置。

  1. 第二維：SDS-聚丙烯醯胺膠體電泳（SDS-PAGE）

依蛋白質分子量大小分離。SDS 使蛋白質變性，並以近似固定比例包覆蛋白質，使蛋白質的電荷量大致與其長度成正比，因此在相同電場下，主要依分子量差異分離；小分子蛋白質移動較快、距離較遠。

因此，2D-GE 可在同一個膠體上，以「等電點」與「分子量」兩個維度解析複雜蛋白質樣品，形成二維蛋白質斑點圖譜。

解題方法

本題應以「原理＋實驗流程＋各步驟作用」作答，完整說明下列邏輯：

蛋白質樣品⟶依 pI 分離⟶依分子量分離⟶染色與斑點分析\text{蛋白質樣品} \longrightarrow \text{依 pI 分離} \longrightarrow \text{依分子量分離} \longrightarrow \text{染色與斑點分析}

第一維解決蛋白質等電點不同所造成的分離；第二維再將第一維中位置相近、但分子量不同的蛋白質分開。兩種分離條件彼此具有互補性，故能大幅提高複雜蛋白質樣品的解析度。

實驗原理

一、等電點聚焦

蛋白質含有胺基、羧基及其他可解離基團，其淨電荷會隨 pH 改變：

  • 當環境 pH 小於蛋白質 pI 時，蛋白質通常帶正電。
  • 當環境 pH 大於蛋白質 pI 時，蛋白質通常帶負電。
  • 當環境 pH 等於蛋白質 pI 時，蛋白質淨電荷為零。

在固定 pH 梯度中施加電場後，蛋白質會朝與其電荷相反的電極移動。當蛋白質移動至：

pH=pI\mathrm{pH}=\mathrm{pI}

其淨電荷為零，電泳移動率降至接近零，因此集中在相應位置，這就是「聚焦」。

第一維通常使用狹長的 IEF 膠條，現代實驗多使用固定化 pH 梯度膠條（immobilized pH gradient strip, IPG strip）。

二、SDS-PAGE

第二維使用含 SDS 的聚丙烯醯胺膠。SDS 會破壞蛋白質的非共價作用力，使蛋白質大致展開；還原劑如 DTT 或 β\beta-mercaptoethanol 可切斷二硫鍵，使蛋白質次單元分離。

SDS 與蛋白質結合後，使其具有相近的負電荷／質量比例。在聚丙烯醯胺網狀結構中，蛋白質分離主要依分子量決定：

  • 分子量較小者，穿過膠孔較容易，移動較快。
  • 分子量較大者，受阻較大，移動較慢。

因此，蛋白質在第二維的垂直位置可用來估算分子量，通常以 kDa 表示。

實驗步驟

一、樣品萃取與前處理

先從細胞、組織、體液或其他生物材料中萃取蛋白質，並去除核酸、脂質、鹽類及其他會干擾電泳的物質。

樣品通常需：

  • 測定蛋白質濃度，以確保各組樣品上樣量一致。
  • 加入尿素（urea）及硫尿素（thiourea）以使蛋白質變性並增加溶解度。
  • 加入非離子型或兩性界面活性劑，例如 CHAPS，以溶解蛋白質並降低聚集。
  • 加入兩性電解質或適當緩衝系統，以協助建立穩定的 pH 環境。
  • 避免過量鹽分，因為高離子強度會造成 IEF 發熱、電流過大及聚焦不良。

疏水性強的膜蛋白、極端酸鹼性蛋白質及低豐度蛋白質，通常需要較特殊的萃取及溶解條件。

二、第一維：IPG 膠條再水合

將含有蛋白質樣品的再水合溶液加入 IPG 膠條，使膠條充分吸收樣品並恢復膨潤。

此步驟需注意：

  • 樣品應均勻分布於膠條中。
  • 避免產生氣泡，以免造成電泳斑點變形。
  • 蛋白質上樣量需適當，過量會造成條紋化及斑點重疊。
  • IPG 膠條的 pH 範圍應依研究目的選擇，例如寬範圍適合初步分析，窄範圍則可提高特定 pH 區域的解析度。

三、第一維：等電點聚焦

將再水合後的 IPG 膠條置於 IEF 電泳槽中，施加逐步升高的電壓，使蛋白質沿 pH 梯度移動並聚焦。

蛋白質的移動方向取決於其淨電荷：

  • 帶正電時，向陰極方向移動。
  • 帶負電時，向陽極方向移動。
  • 到達自身 pI 時，停止移動並集中。
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第 二 題20 分

Pyruvate（丙酮酸）在醣類代謝途徑中有著非常重要的角色。請列出 Pyruvate 作為 substrate 的 4 個生化反應，包含催化反應的酵素、產物，以及反應的生理目的為何？

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核心觀念

本題考查丙酮酸（pyruvate）在醣類代謝中作為「反應物」時，能進入哪些重要代謝分支。答題時應掌握三個要素：

  1. 催化反應的酵素
  2. 丙酮酸轉變後的產物
  3. 該反應在人體中的生理目的

人體中丙酮酸主要位於醣解作用的交會點，可依細胞能量狀態、氧氣供應及組織需求，進入粒線體氧化、乳酸發酵、糖質新生或胺基酸代謝等途徑。

解題方法

以「丙酮酸的四條主要代謝去路」作為切入點，逐一列出：

  • 丙酮酸是否被消耗
  • 反應所需酵素與輔酶
  • 主要產物
  • 代謝上的功能

人體最具代表性的四個反應如下。

一、丙酮酸氧化脫羧形成乙醯輔酶 A

反應式

Pyruvate+CoA-SH+NAD+→Acetyl-CoA+CO2+NADH+H+\text{Pyruvate}+\text{CoA-SH}+\text{NAD}^{+} \rightarrow \text{Acetyl-CoA}+\text{CO}_{2}+\text{NADH}+\text{H}^{+}

酵素

丙酮酸去氫酶複合體（pyruvate dehydrogenase complex, PDC）。

PDC 包含三個主要酵素：

  • E1：pyruvate dehydrogenase
  • E2：dihydrolipoyl transacetylase
  • E3：dihydrolipoyl dehydrogenase

並使用五種重要輔酶：

  • TPP
  • lipoamide
  • CoA
  • FAD
  • NAD⁺

產物

乙醯輔酶 A（acetyl-CoA）、二氧化碳（CO₂）及 NADH。

生理目的

此反應將醣解作用產生的丙酮酸導入三羧酸循環，供後續氧化產生能量。

乙醯輔酶 A 可與草醯乙酸結合形成檸檬酸，進入三羧酸循環；同時產生的 NADH 可在線粒體電子傳遞鏈中氧化，促進 ATP 合成。

此反應具有下列特性：

  • 發生於粒線體基質
  • 為不可逆反應
  • 是醣類碳骨架進入三羧酸循環的重要步驟
  • 丙酮酸的三個碳中，有一個以 CO₂ 形式脫離

二、丙酮酸還原形成乳酸

反應式

Pyruvate+NADH+H+⇌Lactate+NAD+\text{Pyruvate}+\text{NADH}+\text{H}^{+} \rightleftharpoons \text{Lactate}+\text{NAD}^{+}

酵素

乳酸去氫酶（lactate dehydrogenase, LDH）。

產物

乳酸（lactate）及 NAD⁺。

生理目的

在缺氧、劇烈運動或粒線體氧化能力不足時，LDH 將丙酮酸還原成乳酸，同時把 NADH 氧化回 NAD⁺。

NAD⁺ 是醣解作用中 glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase 反應所必需的輔酶。藉由再生 NAD⁺，醣解作用得以持續進行，細胞仍可透過底物階層磷酸化產生少量 ATP。

此反應的重點是：

  • 不直接產生額外 ATP
  • 主要功能是再生 NAD⁺
  • 常見於骨骼肌快速運動時及缺氧組織
  • 乳酸可經血液運送至肝臟，再透過 Cori cycle 轉回葡萄糖

三、丙酮酸羧化形成草醯乙酸

反應式

Pyruvate+HCO3−+ATP→Oxaloacetate+ADP+Pi\text{Pyruvate}+\text{HCO}_{3}^{-}+\text{ATP} \rightarrow \text{Oxaloacetate}+\text{ADP}+\text{P}_{i}

酵素

丙酮酸羧化酶（pyruvate carboxylase, PC）。

輔酶

生物素（biotin）。

產物

草醯乙酸（oxaloacetate, OAA）。

生理目的

丙酮酸羧化反應具有兩項重要功能。

1. 供應糖質新生所需的中間產物

在肝臟及腎臟中，草醯乙酸可經由糖質新生途徑轉變為磷酸烯醇丙酮酸，最後合成葡萄糖。

由於草醯乙酸無法直接穿越粒線體內膜，實際上常先轉變成 malate 或 aspartate 運出粒線體，再重新形成草醯乙酸。

2. 補充三羧酸循環中間產物

三羧酸循環中間產物常被抽取用於胺基酸、血基質及其他生合成作用。丙酮酸羧化形成草醯乙酸，可補充循環中間物，此作用稱為補充反應（anaplerotic reaction）。

此反應的重點是：

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第 三 題20 分

生物體的基因經常發生變異，然而變異的結果是否會影響生物的性狀或生理功能則隨狀況而定。

（一）請定義 Point mutation。（5 分）

（二）請分析說明基因發生 point mutation 後是否會對生物體的性狀造成影響。可依據下列密碼表舉例說明造成不同影響的突變。（15 分）

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

🖼️ 本題原卷含圖表。基於試題來源之版權考量，本站不轉載原卷影像； 題目文字已完整轉錄，圖表請自行參閱考選部公告之試題原檔。

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核心觀念

本題考查基因突變的基本類型，以及單一核苷酸改變如何透過「密碼子—胺基酸—蛋白質功能」影響生物性狀。

遺傳訊息由 DNA 核苷酸序列儲存，轉錄形成 mRNA，再由 mRNA 密碼子決定蛋白質中的胺基酸。由於遺傳密碼具有「簡併性」，不同密碼子可能編碼相同胺基酸，因此單一鹼基改變不一定會改變蛋白質或表現型。

（一）Point mutation 的定義

Point mutation（點突變）是指基因或 DNA 序列中單一核苷酸，或單一鹼基對，發生改變的突變。

最常見的形式是單一核苷酸被另一種核苷酸取代，例如：

A→G,C→TA \rightarrow G,\qquad C \rightarrow T

廣義上，單一核苷酸的插入或缺失也可稱為點突變；但在分析密碼子及蛋白質胺基酸變化時，通常主要討論「單一鹼基取代」所造成的突變。

（二）Point mutation 對性狀的影響

解題方法

分析點突變的影響，可依序判斷：

  1. 改變的是密碼子的哪一個位置。
  2. 突變後密碼子是否仍編碼相同胺基酸。
  3. 是否改變為另一種胺基酸。
  4. 是否變成終止密碼子或破壞起始密碼子。
  5. 蛋白質結構、活性及生理功能是否因此受到影響。

因此，點突變對性狀的影響可分為下列幾種情況。

1. 同義突變或沉默突變（silent mutation）

突變後密碼子改變，但所編碼的胺基酸不變。這是因為遺傳密碼具有簡併性，尤其密碼子的第三個鹼基常具有較大的容許性。

例如依題圖密碼表：

UUU→UUCUUU \rightarrow UUC

原本 UUUUUU 與突變後的 UUCUUC 都編碼 phenylalanine（Phe，苯丙胺酸）。

因此：

  • mRNA 密碼子改變；
  • 胺基酸序列不變；
  • 蛋白質通常不受明顯影響；
  • 生物性狀通常不變。

此類突變稱為 silent mutation 或 synonymous mutation。

2. 錯義突變（missense mutation）

突變後密碼子改變，導致所編碼的胺基酸改變。

例如：

UUU→UCUUUU \rightarrow UCU

依題圖密碼表：

  • UUUUUU 編碼 Phe；
  • UCUUCU 編碼 serine（Ser，絲胺酸）。

因此胺基酸由 Phe 改為 Ser，屬於 missense mutation。

其影響程度取決於：

  • 新、舊胺基酸的化學性質是否相近；
  • 突變位置是否位於活性中心、受體結合區或結構關鍵區；
  • 是否影響蛋白質摺疊、穩定性或細胞定位。

若新舊胺基酸性質相近，可能屬於保守性錯義突變，蛋白質功能影響較小；若性質差異很大，則可能造成蛋白質功能顯著降低或喪失。

例如：

AAA→AGAAAA \rightarrow AGA

AAAAAA 編碼 Lys，AGAAGA 編碼 Arg。Lys 與 Arg 均帶正電，功能影響可能較小。

相對地：

UUU→UCUUUU \rightarrow UCU

Phe 為疏水性胺基酸，Ser 為極性胺基酸，化學性質差異較大，較可能影響蛋白質結構或功能。

3. 無義突變（nonsense mutation）

突變使原本編碼胺基酸的密碼子變成終止密碼子，包括：

UAA,UAG,UGAUAA,\quad UAG,\quad UGA

例如：

UAU→UAAUAU \rightarrow UAA

依題圖密碼表：

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第 四 題20 分

脂肪酸的氧化作用是人體主要的能量來源之一。

（一）請說明脂肪酸的 β\beta-oxidation（β\beta-氧化作用）的 4 個反應（可繪圖協助說明）。（10 分）

（二）請計算一分子的硬脂酸（Stearic acid，18 碳）完全氧化成二氧化碳所釋放的能量，可用來合成幾個 ATP 分子。以 NADH+H+=2.5\mathrm{NADH}+\mathrm{H}^+=2.5 個 ATP、FADH2=1.5\mathrm{FADH}_2=1.5 個 ATP 計算。（10 分）

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核心觀念

本題考查：

  1. 脂肪酸在粒線體內進行 β\beta-氧化的四個固定反應。
  2. 脂肪酸碳鏈長度與 β\beta-氧化循環次數、乙醯輔酶 A 數量的關係。
  3. NADH、FADH2_2、GTP 透過電子傳遞鏈及檸檬酸循環換算 ATP。
  4. 脂肪酸活化為脂醯輔酶 A 時需消耗 22 個 ATP 當量。

硬脂酸為飽和偶數碳脂肪酸，分子式可表示為 C18:0\mathrm{C}_{18:0}。

（一）β\beta-氧化的四個反應

β\beta-氧化主要在線粒體基質中進行。長鏈脂肪酸先被活化成脂醯輔酶 A（fatty acyl-CoA），再經由肉鹼穿梭系統進入粒線體基質。

每一輪循環會：

  • 切下 11 個乙醯輔酶 A；
  • 產生 11 個 NADH；
  • 產生 11 個 FADH2_2；
  • 使脂醯輔酶 A 的碳鏈縮短 22 個碳。

設原本的脂醯輔酶 A 為 R−CO−SCoA\mathrm{R{-}CO{-}SCoA}，四個反應如下。

1. 第一次去氫：形成反式烯醯輔酶 A

酵素為 acyl-CoA dehydrogenase，輔酶為 FAD。

R−CH2−CH2−CO−SCoA⟶R−CH=CH−CO−SCoA\mathrm{R{-}CH_2{-}CH_2{-}CO{-}SCoA} \longrightarrow \mathrm{R{-}CH{=}CH{-}CO{-}SCoA}

產物為 trans-Δ2\Delta^2-enoyl-CoA，並生成：

FAD⟶FADH2\mathrm{FAD \longrightarrow FADH_2}

此反應在 α\alpha 碳與 β\beta 碳之間形成反式雙鍵。

2. 水合反應：形成 β\beta-羥基脂醯輔酶 A

酵素為 enoyl-CoA hydratase，加入水分子。

R−CH=CH−CO−SCoA+H2O⟶R−CH(OH)−CH2−CO−SCoA\mathrm{R{-}CH{=}CH{-}CO{-}SCoA} + \mathrm{H_2O} \longrightarrow \mathrm{R{-}CH(OH){-}CH_2{-}CO{-}SCoA}

產物為 L\mathrm{L}-β\beta-hydroxyacyl-CoA。

水合後，羥基位於 β\beta 碳，因此稱為 β\beta-羥基脂醯輔酶 A。

3. 第二次去氫：形成 β\beta-酮脂醯輔酶 A

酵素為 β\beta-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase，輔酶為 NAD+^+。

R−CH(OH)−CH2−CO−SCoA+NAD+⟶R−CO−CH2−CO−SCoA+NADH+H+\mathrm{R{-}CH(OH){-}CH_2{-}CO{-}SCoA} + \mathrm{NAD^+} \longrightarrow \mathrm{R{-}CO{-}CH_2{-}CO{-}SCoA} + \mathrm{NADH} + \mathrm{H^+}

產物為 β\beta-ketoacyl-CoA。

此步驟將 β\beta 碳上的次級醇氧化成酮基，形成 β\beta-酮基結構。

4. 硫解：釋放乙醯輔酶 A

酵素為 thiolase，加入另一分子輔酶 A。

R−CO−CH2−CO−SCoA+CoA−SH⟶R−CO−SCoA+CH3CO−SCoA\mathrm{R{-}CO{-}CH_2{-}CO{-}SCoA} + \mathrm{CoA{-}SH} \longrightarrow \mathrm{R{-}CO{-}SCoA} + \mathrm{CH_3CO{-}SCoA}

產物為：

  • 縮短 22 個碳的脂醯輔酶 A；
  • 11 個乙醯輔酶 A。

新生成的短鏈脂醯輔酶 A 會進入下一輪 β\beta-氧化。

（二）硬脂酸完全氧化所生成的 ATP

1. 計算 β\beta-氧化循環次數

對於含有 nn 個碳的偶數碳飽和脂肪酸：

循環次數=n2−1\text{循環次數}=\frac{n}{2}-1

硬脂酸含有 1818 個碳：

循環次數=182−1=9−1=8\text{循環次數} = \frac{18}{2}-1 = 9-1 = 8

因此，硬脂酸進行 88 輪 β\beta-氧化。

2. 計算產生的乙醯輔酶 A

乙醯輔酶 A 數量為：

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第 五 題20 分

請敘述下列名詞之意涵：（每小題 5 分，共 20 分）

（一）Catabolism

（二）Post-transcriptional modification

（三）Polysome（polyribosome）

（四）Substrate-level phosphorylation

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核心觀念

本題考查生物化學與分子生物學中的四個基本名詞，答題時應掌握各名詞的「定義、作用、典型例子，以及與相近概念的區別」。

（一）Catabolism

核心觀念

Catabolism（分解代謝）是指細胞將複雜的大分子或營養物質分解成較簡單分子，並在過程中釋放能量的代謝反應總稱。

其主要特徵如下：

  1. 通常涉及氧化反應。
  2. 反應物由大分子變成小分子，例如：
  • 蛋白質分解為胺基酸；
  • 多醣分解為單醣；
  • 三酸甘油酯分解為甘油與脂肪酸。
  1. 所釋放的能量可被儲存於 ATP，或還原型電子攜帶體 NADH、FADH2_2 中。
  2. 多數分解代謝途徑具有匯聚性，許多不同營養物質最後匯入少數共同代謝中間物，例如 acetyl-CoA、pyruvate 或 citric acid cycle 的中間產物。

典型途徑包括糖解作用、脂肪酸 β-氧化、檸檬酸循環及電子傳遞鏈。

解題方法

判斷 Catabolism 時，抓住「分解」與「釋放能量」兩個關鍵：

Complex molecules⟶Simple molecules+Energy\text{Complex molecules} \longrightarrow \text{Simple molecules}+\text{Energy}

例如葡萄糖經糖解作用形成丙酮酸：

Glucose⟶2 Pyruvate\text{Glucose} \longrightarrow 2\text{ Pyruvate}

同時產生 ATP 與 NADH。此即分解代謝的典型表現。

與相近概念區別

Anabolism（合成代謝）則是由小分子合成大分子，通常需要消耗 ATP 或其他能量：

Simple molecules+Energy⟶Complex molecules\text{Simple molecules}+\text{Energy} \longrightarrow \text{Complex molecules}

因此，Catabolism 與 Anabolism 共同構成細胞的 metabolism（代謝）。

解題技巧

看到「分解、氧化、產生 ATP、NADH、FADH2_2」時，通常是在描述 Catabolism；看到「合成、還原、消耗 ATP、形成大分子」則多屬 Anabolism。

（二）Post-transcriptional modification

核心觀念

Post-transcriptional modification（轉錄後修飾）是指 DNA 上的基因轉錄形成初級 RNA 後，RNA 在成為成熟、具有功能的 RNA 之前所進行的加工與化學修飾。

在真核生物的 pre-mRNA 中，主要包括：

  1. 5′ cap 添加 在 mRNA 的 5′ 端加上 7-methylguanosine cap，通常以 5′5′–5′5′ 三磷酸鍵連接。其功能包括：
  • 保護 mRNA 免受 5′ 外切核酸酶分解；
  • 協助 mRNA 輸出至細胞質；
  • 參與核糖體辨認與翻譯起始。
  1. 3′ poly(A) tail 添加 在 mRNA 的 3′ 端加入多個 adenine 殘基。其功能包括：
  • 增加 mRNA 穩定性；
  • 協助核輸出；
  • 促進翻譯效率。

  1. RNA splicing（RNA 剪接） 移除 introns，並將 exons 接合形成成熟 mRNA。若採用不同的剪接方式，則可產生不同蛋白質，此稱為 alternative splicing（選擇性剪接）。

  2. RNA editing（RNA 編輯） 某些 RNA 的鹼基在轉錄後會被改變，例如特定鹼基的去胺基化或插入、刪除核苷酸。

此外，tRNA 與 rRNA 也會經歷切割、鹼基修飾及核苷酸加工等轉錄後修飾。

解題方法

答題時先指出「發生在轉錄完成後、翻譯前」，再列出 5′ cap、poly(A) tail 與 splicing 三項主要加工，並補充其功能，即可完整呈現概念。

真核 mRNA 的典型加工流程可表示為：

pre-mRNA⟶5′ capping⟶splicing⟶3′ polyadenylation⟶mature mRNA\text{pre-mRNA} \longrightarrow \text{5′ capping} \longrightarrow \text{splicing} \longrightarrow \text{3′ polyadenylation} \longrightarrow \text{mature mRNA}

常見陷阱

Post-transcriptional modification 不等同於蛋白質的 post-translational modification（轉譯後修飾）。前者作用對象是 RNA，後者作用對象是蛋白質，例如蛋白質的磷酸化、醣基化或切割。

解題技巧

記憶真核 mRNA 三大加工項目：

  • 5′ 端加 cap；
  • 中間剪接 intron；
  • 3′ 端加 poly(A) tail。

（三）Polysome（polyribosome）

核心觀念

Polysome 或 polyribosome（多核糖體）是指多個核糖體同時結合在同一條 mRNA 上，沿著 mRNA 依序進行翻譯的結構。

其基本構造為：

One mRNA+Multiple ribosomes⟶Polysome\text{One mRNA}+\text{Multiple ribosomes} \longrightarrow \text{Polysome}
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