115 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

胺基酸的共同骨架由中心的 $\alpha$-碳連接四個基團：胺基、羧基、氫原子及側鏈 $R$。不同胺基酸的差異主要在於側鏈 $R$。

在水溶液中，胺基酸常以兩性離子形式存在：

主鏈 $\alpha$-羧基的 $pK_a$ 約為 $2$–$3$，$\alpha$-胺基的 $pK_a$ 約為 $9$–$10$。實際數值會隨胺基酸種類與溶液環境而略有差異。題目所稱的 $pK$，在此是指酸解離常數的負對數 $pK_a$。

解題方法

$pI$（等電點）是胺基酸或蛋白質的平均淨電荷為零時的 pH。它與 $pK_a$ 的關係，來自各解離步驟的電荷變化：當 pH 依序跨過各個 $pK_a$，分子逐步失去質子並改變淨電荷。計算 $pI$ 時，取「淨電荷為零的型態」兩側的兩個 $pK_a$，再取平均：

若胺基酸有三個已知 $pK_a$，須先依解離順序列出各型態的淨電荷，再找出中性型態兩側的 $pK_a$。因此，不能一律將三個 $pK_a$ 中任選兩個平均。

• 不具可解離側鏈的胺基酸：中性型態通常位於主鏈羧基與主鏈胺基的兩次解離之間，$pI$ 取這兩個 $pK_a$ 的平均。
• 酸性側鏈胺基酸（如天門冬胺酸、麩胺酸）：中性型態夾在兩個較低的 $pK_a$ 之間，取最低的兩個 $pK_a$ 平均。

核心觀念

本題考查單醣在中性溶液中的環狀結構、葡萄糖與蛋白質的非酵素性糖化反應，以及糖化蛋白的臨床檢驗用途。D-glucose 是醛己糖，主要形成六員環的吡喃糖；D-fructose 是酮己糖，主要形成五員環的呋喃糖。兩者與蛋白質上的游離胺基反應，生成果糖胺類的早期糖化產物。

D-glucose 與 D-fructose 的中性溶液結構

中性水溶液中，葡萄糖主要以 D-glucopyranose（六員環）存在，並與少量開鏈型及異頭物互相轉換；果糖則有呋喃糖與吡喃糖等環狀形式。以下以常見的吡喃糖葡萄糖及呋喃糖果糖呈現。環狀結構中，異頭碳的構型以 $\alpha$、$\beta$ 區分。

D-glucopyranose（六員環；C1 為異頭碳）

 O
 / \
 C5—CH2OH ↑ C1—OH ↓（α）
 | |
 C4—OH ↓ C2—OH ↓
 \ /
 C3—OH ↑

β-D-glucopyranose 與上圖的差別：C1—OH 朝上（↑）。

D-fructofuranose（五員環；C2 為異頭碳）

 O
 / \
 C5—CH2OH ↑ C2—OH ↓（α）
 | | \
 C4—OH ↓ C1—CH2OH ↓
 \ /
 C3—OH ↑

β-D-fructofuranose 與上圖的差別：C2—OH 朝上（↑）。

葡萄糖與蛋白質形成果糖胺的反應步驟

1. 縮合形成席夫鹼：葡萄糖的開鏈醛基與蛋白質游離胺基反應，常見反應位點為血紅素等蛋白質的 N 端胺基或賴胺酸側鏈 $\varepsilon$-胺基，先形成可逆的亞胺（席夫鹼／醛亞胺），並脫去水。

核心觀念

維生素 A 的三種主要活性型態（vitamers）是視黃醇（retinol）、視黃醛（retinal，亦稱 retinaldehyde）與視黃酸（retinoic acid）。三者的差異在於末端官能基依序為醇、醛、羧酸；視黃醇可氧化成視黃醛，視黃醛再氧化成視黃酸。

三者的生理作用各有側重：視黃醇主要負責運輸與儲存；視黃醛是視覺色素的重要成分；視黃酸則主要調節基因表現、促進細胞生長與分化。視黃酸不能轉回視黃醛，因此不能取代視黃醛參與視覺循環。

解題方法

作答時先列出三種型態及其官能基，再分別說明功能，最後依序交代視覺循環中的光反應與色素再生。要特別指出，直接參與視覺的是11-cis-視黃醛，而不是視黃醇或視黃酸。

三種結構與活性特色

核心觀念

本題分兩部分：第一部分比較動物、植物與真菌細胞膜中的主要固醇；第二部分列舉由膽固醇衍生的化合物，並說明其生物功能。

固醇具有四個稠合環構成的類固醇骨架，通常帶有羥基與側鏈。不同生物的固醇主要依環上雙鍵位置、側鏈長度及側鏈上的甲基或雙鍵等結構差異區分。

解題方法

先記各類生物的代表固醇，再由膽固醇的主要代謝去向列出衍生物：

1. 動物以膽固醇為代表；植物以植物固醇為代表；真菌以麥角固醇為代表。
2. 膽固醇的主要衍生物可依功能分成膽汁酸、類固醇激素及維生素 D$_3$，各舉一類並說明作用。

動物、植物與真菌固醇的差異（5 分）

由膽固醇衍生的化合物及其功能（15 分）

核心觀念

本題考查兩部分：一是桑格定序如何利用 DNA 鏈延伸終止來讀取鹼基序列；二是新世代定序（next-generation sequencing, NGS）如何透過大量平行反應，提高定序通量並降低單位成本。

桑格定序的關鍵試劑是雙去氧核苷三磷酸（ddNTP）。一般去氧核苷三磷酸（dNTP）在糖的 $3'$ 碳上有羥基（$3'-OH），可與下一個核苷酸形成磷酸二酯鍵；ddNTP 缺少$3'-OH$，一旦被 DNA 聚合酶接入新生鏈，該鏈便無法再延長。

解題方法：桑格定序的原理與步驟

桑格定序以待測 DNA 為模板，從已知位置的引子開始合成互補鏈。反應中同時加入 dNTP 與少量帶有不同螢光標記的 ddNTP；當 ddNTP 隨機接入時，鏈延伸即終止。因此，反應會產生一系列長度不同、末端鹼基已知的 DNA 片段。

關鍵步驟如下：

1. 取得模板並結合引子：將待測 DNA 變性成單股，加入互補於已知區域的引子。
2. 進行鏈延伸與終止：加入 DNA 聚合酶、四種 dNTP，以及四種各帶不同螢光標記的 ddNTP。聚合酶由引子 $3'$ 端延伸；ddNTP 被接入後，該片段停止延長。
3. 依長度分離片段：以毛細管電泳分離產物，較短片段先通過檢測區。
4. 偵測螢光並判讀序列：雷射激發片段末端 ddNTP 的螢光，儀器依螢光顏色辨認末端鹼基。由短片段讀至長片段，可依序讀出新生鏈的 $5' \to 3'