113 調查局特考三等 化學鑑識組 生物化學 考古題詳解

核心觀念

維生素 D₃（膽鈣化醇，cholecalciferol）本身是前驅物，須經連續羥化才形成主要活性荷爾蒙 1,25-二羥維生素 D₃，又稱 骨化三醇（calcitriol）。本題重點是掌握「皮膚合成與攝取 → 肝臟羥化 → 腎臟活化 → 分解代謝」的順序，並說明活性維生素 D 如何透過受體調節基因表現及維持鈣、磷恆定。

作答時應清楚區分：

• 非活化態：維生素 D₃、25-羥維生素 D₃（25(OH)D₃，骨化二醇／calcidiol）。其中血中 25(OH)D₃ 是評估維生素 D 儲存狀態的主要指標，也是腎臟活化的主要前驅物。
• 活化態：1,25-二羥維生素 D₃（1,25(OH)₂D₃，骨化三醇／calcitriol），是主要具荷爾蒙作用的活性形式。

解題方法

先依代謝發生的部位逐步敘述，再以活化態骨化三醇的作用對象分類生理功能。每項功能皆交代「作用器官、作用方式、整體生理結果」，並以經典的鈣磷恆定功能為主；免疫、細胞分化及肌肉作用則說明已知機制與證據界線。

（一）維生素 D₃ 的合成與代謝

1. 皮膚合成或飲食攝取

皮膚表皮中的 **7-去氫膽固醇（7-dehydrocholesterol）**受日光中的 UVB 照射後，轉變為前維生素 D₃（pre-vitamin D₃）；前維生素 D₃ 再經體溫促進的異構化，形成維生素 D₃（膽鈣化醇）。

維生素 D₃ 也可由食物或補充劑攝取。皮膚合成與腸道吸收的維生素 D₃ 進入血液後，主要與維生素 D 結合蛋白（DBP）運送。

2. 肝臟 25-羥化：形成非活化前驅物

維生素 D₃ 在肝臟經 25-羥化酶作用，主要由 CYP2R1 催化，形成 25(OH)D₃，又稱骨化二醇（calcidiol）。

25(OH)D₃ 是血中主要循環型維生素 D 代謝物，半衰期較長，反映人體維生素 D 的供應與儲存狀態。它仍不是主要的活性荷爾蒙，須再經下一步活化。

3. 腎臟 1α-羥化：形成活化荷爾蒙

25(OH)D₃ 到達腎臟近端腎小管後，由 1α-羥化酶 CYP27B1 催化，在第 1 位碳加上羥基，生成 1,25(OH)₂D₃（骨化三醇）。此步驟是形成主要活性形式的關鍵調控步驟。

其調控方向如下：

• 副甲狀腺素（PTH）上升、血磷偏低：促進 CYP27B1 活性，增加骨化三醇生成。
• FGF23 上升、骨化三醇增加：抑制腎臟 CYP27B1；FGF23 亦促進維生素 D 分解代謝。
• 骨化三醇增加：對 PTH 及自身生成途徑具有回饋調節作用，避免活性代謝物過量。

腎臟是循環中骨化三醇的重要來源；部分免疫細胞等腎外組織也可表現 CYP27B1，在局部將 25(OH)D 轉為骨化三醇，供局部訊息調控使用。

4. 分解代謝：降低活性並避免蓄積

**CYP24A1（24-羥化酶）**可作用於 25(OH)D₃ 與 1,25(OH)₂D₃，啟動後續氧化與分解途徑，最後形成活性低或無活性的代謝物，例如骨化三酸（calcitroic acid）並排出體外。骨化三醇可誘導 CYP24A1，形成負回饋，協助限制活性維生素 D 的濃度。

代謝流程可整理如下：

\text{皮膚 7-去氫膽固醇} \xrightarrow{\text{UVB、熱異構化}} \text{維生素 D}_3 \xrightarrow[\text{肝臟}]{\text{CYP2R1，25-羥化}} \text{25(OH)D}_3 \xrightarrow[\text{腎臟}]{\text{CYP27B1，1\alpha\text{-羥化}} \text{1,25(OH)}_2\text{D}_3

其中維生素 D₃ 與 25(OH)D₃ 為非活化前驅物，1,25(OH)₂D₃ 為主要活化態；CYP24A1 則參與其分解代謝。

（二）維生素 D₃ 的生理功能與作用機制

骨化三醇進入標的細胞後，與細胞內的**維生素 D 受體（VDR）**結合。VDR 與 **視黃酸 X 受體（RXR）**形成異源二聚體，結合 DNA 上的維生素 D 反應元件（VDRE），並募集共同活化或共同抑制因子，改變目標基因的轉錄。不同組織的受體、轉錄因子及共調節蛋白不同，因此會產生不同生理效應。

1. 增加腸道鈣、磷吸收，維持礦物質供應

**作用部位：**小腸上皮，尤其是十二指腸及空腸。

核心觀念

蛋白質穿膜與膜蛋白形成，取決於胺基酸序列中的訊號序列、疏水性跨膜區段及其排列方式。這些序列特徵會引導蛋白質經由膜轉位系統進入膜內或跨越膜，並決定各區段位於膜的哪一側。

蛋白質的二級結構，是多肽主鏈局部排列形成的規則構造，主要包括 α 螺旋、β 摺板及轉角／迴圈。序列可用胺基酸的結構傾向與疏水性來推估二級結構；精確預測則須使用計算模型，並以實驗結果驗證。

解題方法：由訊號序列推導膜蛋白形成

以真核細胞的內膜系統為例，膜蛋白進入內質網膜後，可沿分泌途徑運送至高基氏體、細胞膜或其他胞器膜。題目雖以「轉譯後」描述穿膜，答題時應交代膜蛋白進入膜的主要機制，並區分共轉譯轉位與轉譯後轉位。

1. 辨認訊號序列 新生多肽的 N 端常有疏水性訊號胜肽。訊號辨識顆粒（signal recognition particle, SRP）辨認訊號胜肽與核糖體，使轉譯暫停，並將核糖體導向內質網膜上的 SRP 受體。

2. 接上轉位通道 核糖體與內質網膜上的 Sec61 轉位通道結合後，轉譯恢復進行，多肽鏈經通道進入內質網腔。這是典型的共轉譯轉位：多肽在合成時即穿過或進入膜系統。

3. 將疏水區段嵌入膜中 若多肽含有疏水性跨膜區段，該區段可作為訊號錨定序列或停止轉移序列。其離開通道後進入脂雙層，形成跨膜區。訊號錨定序列可決定蛋白質起始轉位及方向；停止轉移序列則使後續多肽不再繼續進入腔內，並使疏水區段留在膜中。

4. 形成單次或多次穿膜蛋白 單一跨膜區段通常形成單次穿膜蛋白。若序列含多組交替的起始轉位與停止轉移訊號，蛋白質可反覆進出轉位通道，形成多次穿膜蛋白。各跨膜區段的方向與帶電殘基分布共同影響膜拓樸；常見經驗法則是帶正電胺基酸較多的一側傾向朝向細胞質。

5. 轉譯後轉位的情形 某些蛋白質先在細胞質中合成，再由轉位機制送入膜或胞器。此時蛋白質須維持可轉位的構形，並依其訊號序列由相應的轉位系統辨認。典型分泌途徑膜蛋白則主要經由前述共轉譯方式進入內質網。訊號胜肽若被切除，通常不保留為成熟蛋白的跨膜區；訊號錨定或停止轉移區段則常保留在膜中。

解題方法：由胺基酸序列預測二級結構

核心觀念

本題比較的是兩種飲食下，身體如何供應能量：

• 一般澱粉飲食：攝取的澱粉經消化成葡萄糖，主要由葡萄糖氧化供能；胰島素作用較強，促進肝醣合成與脂肪合成，並抑制脂肪分解及酮體生成。
• 生酮飲食：大幅降低碳水化合物、提高脂肪比例，使胰島素下降、升糖素相對上升；肝臟增加脂肪酸氧化，並將乙醯輔酶 A 轉製成酮體，供腦部及其他組織利用。

酮體主要包括乙醯乙酸、β-羥丁酸及丙酮。丙酮多由呼氣排出；乙醯乙酸與 β-羥丁酸則可作為能量來源。紅血球沒有粒線體，不能利用脂肪酸或酮體氧化供能，仍須依賴葡萄糖進行糖解作用。

解題方法：由底物、荷爾蒙與能量路徑比較

一般攝取澱粉時

澱粉先被消化成葡萄糖，葡萄糖進入細胞後經糖解作用形成丙酮酸；丙酮酸進入粒線體轉成乙醯輔酶 A，再進入檸檬酸循環及電子傳遞鏈，產生 ATP。

$$\text{澱粉} \rightarrow \text{葡萄糖} \rightarrow \text{丙酮酸} \rightarrow \text{乙醯輔酶 A} \rightarrow \text{檸檬酸循環與氧化磷酸化} \rightarrow \text{ATP}$$

飯後胰島素上升，促進葡萄糖進入細胞、肝醣合成與脂肪合成。碳水化合物供應充足時，脂肪分解與肝臟酮體生成受到抑制。

生酮飲食時

碳水化合物供應降低後，胰島素下降、升糖素相對上升。肝醣逐漸耗減，脂肪組織釋出脂肪酸，脂肪酸進入肝臟粒線體進行 β 氧化，產生乙醯輔酶 A。當乙醯輔酶 A 生成量超過檸檬酸循環可利用的程度，肝臟便將其轉製為酮體，釋放至血液供其他組織利用。

$$\text{三酸甘油酯} \rightarrow \text{脂肪酸} \rightarrow \beta\text{ 氧化} \rightarrow \text{乙醯輔酶 A} \rightarrow \text{酮體} \rightarrow \text{周邊組織氧化供能}$$

核心觀念

中心法則描述遺傳訊息的主要流向：DNA 經複製產生 DNA、經轉錄產生 RNA，再由 RNA 經轉譯產生蛋白質。DNA 複製、轉錄與轉譯的基本化學原理，在真核生物和原核生物中大致相同；主要差異來自細胞構造、酵素種類、RNA 加工方式、基因組織及基因表現調控。

比較時，可依序掌握三個問題：在哪裡進行、使用哪些主要元件、產物是否還須加工。

解題方法

按「複製 → 轉錄 → 轉譯」整理，再比較真核與原核在每一階段的起始位置、主要酵素、產物處理和兩階段能否同步進行。作答時先交代兩者共通原理，再集中說明差異，避免把特定例外誤寫成通則。

一、DNA 複製

共同原理

DNA 複製皆為半保留複製：親代雙股 DNA 分開後，各自作為模板合成新股。DNA 聚合酶只能沿新股的 $5' \to 3'$ 方向延伸，因此以 $3' \to 5'$ 方向讀取模板；領先股連續合成，落後股則以岡崎片段不連續合成，最後由 DNA 連接酶接合。兩者皆須有引子提供可延伸的 $3'$ 端。

主要差異

比較項目	真核生物	原核生物
主要位置	細胞核；粒線體與葉綠體也有各自的 DNA 複製	細胞質的核區
染色體與起始點	線性染色體；每條染色體有多個複製起始點，以加速複製	多數為環狀染色體，通常有單一主要複製起始點
DNA 包裝	DNA 與組蛋白形成染色質，複製時須協調核小體拆解及重組裝	不具真核式核小體包裝
末端處理	線性染色體有末端複製問題；端粒酶可在特定細胞中延長端粒	環狀染色體通常沒有染色體末端問題
代表性 DNA 聚合酶	複製主要由 DNA 聚合酶 $\alpha$、$\delta$、$\varepsilon$ 等分工完成	大腸桿菌以 DNA 聚合酶 III 負責主要複製，DNA 聚合酶 I 可移除 RNA 引子並補上 DNA

二、DNA 轉錄成 RNA

共同原理

RNA 聚合酶以 DNA 一股為模板，依鹼基互補原則合成 RNA。RNA 鏈以 $5' \to 3'$ 方向延伸，並以尿嘧啶（U）取代胸腺嘧啶（T）。轉錄由啟動子開始，經延長後於終止訊號處結束。

主要差異

比較項目	真核生物	原核生物
主要位置	細胞核；成熟 mRNA 輸出細胞核後才進入轉譯	細胞質核區；轉錄與轉譯可同時進行
RNA 聚合酶	有多種 RNA 聚合酶；RNA 聚合酶 II 主要合成 mRNA，RNA 聚合酶 I、III 主要合成特定 rRNA、tRNA 等	通常由一種主要 RNA 聚合酶負責多類 RNA 的合成，並藉由不同 $\sigma$ 因子辨識不同啟動子
起始調控	常須轉錄因子協助辨識啟動子，並受染色質狀態及遠端調控元件影響	$\sigma$ 因子協助 RNA 聚合酶辨識啟動子；

核心觀念

化學滲透（chemiosmosis）是指電子傳遞所釋出的能量，先用來在膜兩側建立質子電化學梯度，再由質子沿梯度通過 ATP 合成酶回流，驅動 ATP 合成。此機制說明氧化作用與磷酸化作用如何藉由跨膜質子梯度相連結。

在線粒體中，電子傳遞鏈位於粒線體內膜。NADH 與 FADH$_2$提供高能電子，電子依序經由電子傳遞鏈傳遞，最後交給氧，生成水。電子傳遞釋出的自由能用以將 H$^+$由基質泵至膜間腔，使內膜兩側形成質子動力勢（proton-motive force）。

解題方法：依序說明「電子流、質子梯度、ATP 合成」

1. 電子傳遞與質子泵送 NADH 的電子進入複合體 I，FADH$_2$的電子經複合體 II 進入電子傳遞鏈。電子依序經泛醌、複合體 III、細胞色素 c 與複合體 IV 傳遞，最後由氧接受電子並與 H$^+$結合形成水。複合體 I、III、IV 利用電子傳遞釋出的能量將 H$^+$由基質泵入膜間腔；複合體 II 不泵送質子。

2. 形成質子電化學梯度 質子被泵送後，膜間腔的 H$^+$濃度較高、pH 較低，且相對帶正電；基質的 H$^+$濃度較低、相對帶負電。因此跨內膜同時存在濃度差與電位差，合稱質子動力勢。可用下式表示其所儲存的能量： $\Delta p=\Delta\psi-\frac{2.303RT}{F}\Delta pH$ 其中 $\Delta\psi$為膜電位差，$\Delta pH$為兩側 pH 差，$R$為氣體常數、$T$為絕對溫度、$F$為法拉第常數。質子沿其電化學梯度回到基質時，可釋出自由能。