114 高普考高考二級 衛生技術 生物化學 考古題詳解

（一）酶原（zymogens）

核心觀念： 酶原又稱前酶，是以無活性或活性極低的前驅型態合成、儲存或運送的酵素。酶原本身已具有酵素的胺基酸序列，但其構形或活性部位尚未處於可有效催化的狀態；經特定蛋白酶切除一段胜肽後，構形改變而成為有活性的酵素。

解題方法： 作答時抓住「先以不活化型態存在，再經蛋白水解活化」兩個重點，並說明此機制的生理功能：避免酵素在合成或儲存位置就作用，造成組織自我消化或不必要的反應。

常見例子包括：

• 胃主細胞分泌的胃蛋白酶原（pepsinogen），在胃酸環境下轉變為胃蛋白酶（pepsin）。
• 胰臟分泌的胰蛋白酶原（trypsinogen），經腸激酶（enteropeptidase）切割後形成胰蛋白酶（trypsin）；胰蛋白酶也能活化其他胰臟酶原。
• 凝血系統中的多種凝血因子以酶原形式存在，活化後形成逐級放大的凝血級聯反應。

酶原活化通常涉及胜肽鍵的切割，屬於蛋白質的共價修飾，通常不可逆；因此，活化後的酵素須透過抑制劑、降解或其他調控機制終止其作用。

解題技巧： 不要只寫「酵素尚未活化」。要指出酶原是酵素的前驅物、活化常由蛋白水解引起，並交代其避免酵素過早作用的功能。可用「胰蛋白酶原—胰蛋白酶」作為代表例子。

（二）催化抗體（catalytic antibody）

核心觀念： 催化抗體又稱抗體酵素（abzyme），是具有催化能力的抗體。一般抗體會專一性結合抗原；催化抗體則除了結合目標分子，也能促進該分子的化學反應，使其轉變為產物。

解題方法： 作答時需說明其催化能力的來源。酵素通常藉由穩定反應的過渡態來降低活化能；若以過渡態類似物（transition-state analog）作為抗原誘發免疫反應，所得抗體的結合部位可偏好結合反應過渡態的特徵。當真正的底物進入該結合部位時，抗體可穩定反應過渡態，降低活化能，因而具有催化效果。

催化抗體可用於催化特定水解、氧化還原或其他化學反應，也可作為研究抗體結合與催化機制的工具。其催化效率與專一性通常不如天然酵素，反應能力會受抗體結構、底物結合及反應條件影響。

解題技巧： 關鍵不是「抗體能辨認抗原」而已，而是「抗體結合位點能穩定過渡態，進而降低活化能」。回答時避免將催化抗體描述成一般抗體與酵素的單純混合物。

（三）活性氧物質（reactive oxygen species, ROS）

核心觀念： 活性氧物質是由氧衍生、反應性較高的一群分子或自由基。ROS 並非單一物質，常見成員包括超氧陰離子自由基（$\mathrm{O_2^{\bullet-}}$）、過氧化氫（$\mathrm{H_2O_2}$）、羥自由基（$\mathrm{\bullet OH}$）及單態氧（$\mathrm{^1O_2}$）。其中過氧化氫本身不是自由基，但仍屬於 ROS。

解題方法： 可依「來源—作用—清除」的順序說明：

核心觀念

真核細胞的 tRNA 通常先由 RNA polymerase III 轉錄成前驅 tRNA（pre-tRNA），其序列常帶有 5′ 端前導序列、3′ 端尾端序列；部分 pre-tRNA 還含有內含子。這些序列須經切除、接合及化學修飾，形成可被胺醯化、參與蛋白質合成的成熟 tRNA。

解題方法：依「末端加工、內含子剪接、核苷修飾」作答

1. 切除 5′ 端前導序列 由 RNase P 切除 pre-tRNA 的 5′ leader，使 5′ 端成熟。RNase P 是含 RNA 與蛋白質成分的核糖核蛋白複合體。

2. 加工 3′ 端尾端序列 由 RNase Z（真核細胞中包括 ELAC2）等核酸酶切除 3′ trailer，形成適當的 3′ 端。

3. 添加 3′-CCA 序列 tRNA 的 3′ 端需具有 CCA，供胺基酸接到末端腺苷上。若 CCA 未由基因直接編碼，則由 CCA 加成酶在轉錄後添加。

核心觀念

本題考查血紅素（hemoglobin, Hb）的正向協同作用及 Perutz 提出的立體化學機制。血紅素由兩個 α 次單元與兩個 β 次單元組成，每個次單元各有一個血基質（heme）與一個氧結合位點。第一個氧分子結合後，會提高其餘位點的氧親和力，因此氧解離曲線呈 S 形；以 Hill 係數表示時，正向協同作用的 $n_H>1$。

Perutz 以血紅素的 **T 態（tense，低氧親和力）**與 **R 態（relaxed，高氧親和力）**解釋此現象：去氧血紅素主要處於 T 態，氧合會促進向 R 態轉換，而兩種構形的平衡轉移使氧結合呈現協同性。

（一）Perutz 如何以協同作用解釋氧結合

1. 去氧狀態：T 態穩定。 去氧時，血基質中的二價鐵 $Fe^{2+}$ 為五配位、高自旋，並略微偏離卟啉環平面。T 態的次單元界面由鹽橋等作用穩定，這些結構限制血基質與蛋白質的構形變化，使氧親和力較低。

2. 氧結合引發血基質局部變化。 氧分子與血基質鐵結合後，鐵由五配位轉為六配位、由高自旋轉為低自旋，並移入卟啉環平面。此位移牽動與鐵配位的近端組胺酸（proximal histidine，His F8）及其所連接的 F 螺旋。

3. 局部變化傳遞至次單元界面。 His F8 與 F 螺旋的移動，促使 αβ 次單元間的界面構形改變，並削弱或破壞 T 態所特有的鹽橋，使血紅素的四級結構由 T 態轉向 R 態。R 態不受相同程度的構形限制，氧親和力較高。

4. 後續氧分子較容易結合。 第一個氧分子結合不只佔據一個位點，也促進整個血紅素朝高親和力的 R 態轉移；因此剩餘血基質更容易結合氧。這種配體結合與構形平衡彼此影響，形成正向協同作用。

簡言之，Perutz 的機制是：氧結合使鐵移入卟啉平面，透過近端組胺酸與 F 螺旋傳遞至次單元界面，促進 T→R 轉換，進而提高其他位點的氧親和力。

（二）Barrick 等人如何以實驗檢驗 Perutz 假說

核心觀念

本題考查氰化物如何阻斷粒線體的能量生成，以及亞硝酸鈉如何藉由形成高鐵血紅素（methemoglobin）捕捉氰離子，降低其對呼吸鏈的抑制。

氰化物的主要作用標的是粒線體內膜上的細胞色素 c 氧化酶（cytochrome c oxidase，呼吸鏈複合體 IV）。該酵素含有血基質與銅中心；氰離子會與其中的金屬中心結合，抑制電子傳遞至氧，也使氧無法有效作為末端電子受體被還原。

亞硝酸鈉的解毒原理則是氧化血紅素中的二價鐵，使部分血紅素成為三價鐵的高鐵血紅素。高鐵血紅素可與氰離子結合，形成氰高鐵血紅素（cyanmethemoglobin），使氰離子離開細胞色素氧化酶，減輕粒線體呼吸鏈受到的抑制。

（一）氰化物對人類具有高毒性的原因

1. 阻斷細胞利用氧

細胞色素 c 氧化酶是粒線體電子傳遞鏈的末端酵素，負責將電子傳給氧，使氧還原為水。氰離子與酵素中的金屬中心結合後，會抑制此步驟，使電子傳遞受阻，氧化磷酸化效率大幅下降。

因此，氰化物造成的主要問題不是氧氣無法進入血液或組織，而是細胞無法正常利用已送達的氧，稱為組織性缺氧（histotoxic hypoxia）。

2. 能量生成迅速衰竭

電子傳遞鏈受阻後，質子梯度無法正常建立，ATP 合成酶製造 ATP 的能力隨之下降。細胞為維持能量供應，轉而增加無氧糖解，乳酸生成增加，可造成乳酸性酸中毒。

3. 心臟與中樞神經系統容易快速受損

心肌與腦組織對氧化代謝及 ATP 的需求高，能量生成突然受阻時，容易迅速出現意識改變、抽搐、心律不整、低血壓、呼吸衰竭，嚴重時可死亡。氰化物作用快速，正是其急性毒性特別高的重要原因。

（二）亞硝酸鈉為何可作為氰化物中毒的解毒劑

1. 將血紅素氧化為高鐵血紅素