110 臺灣菸酒招考從業職 農化-食品 農化食品 (生物化學(含微生物學)) 考古題詳解

核心觀念

本題考查核酸的基本組成、DNA 雙股螺旋構型、基因重組所使用的核酸種類、反轉錄酶功能，以及 PCR 反應所需的基本分子材料。作答時應掌握：

1. 含氮鹼基依結構分為嘌呤與嘧啶。
2. DNA 與 RNA 的五碳糖差異在第 2' 碳位置。
3. B-DNA、A-DNA 為右旋，Z-DNA 為左旋。
4. 傳統基因重組以 DNA 為主要操作對象。
5. PCR 需有模板、引子、核苷酸、耐熱 DNA 聚合酶及適當反應環境。

解題方法

依序從「核酸組成 → 空間構型 → 基因工程材料 → 酵素功能 → DNA 擴增條件」作答。每一小題均以定義搭配功能說明，即可完整涵蓋配分重點。

（一）DNA 的鹼基種類與 DNA、RNA 的核醣差異【7 分】

1. DNA 的兩類含氮鹼基

DNA 的含氮鹼基依化學結構分為：

• 嘌呤（purines）：腺嘌呤（adenine，A）、鳥嘌呤（guanine，G）。
• 嘧啶（pyrimidines）：胞嘧啶（cytosine，C）、胸腺嘧啶（thymine，T）。

因此，DNA 是由嘌呤類與嘧啶類兩大類鹼基組成。

2. DNA 與 RNA 的核醣差異

• DNA 所含的糖為去氧核醣（deoxyribose）。
• RNA 所含的糖為核醣（ribose）。

兩者的關鍵差異在五碳糖的第 2' 碳：

• DNA 的 2' 碳接氫原子，結構為 $-H$。
• RNA 的 2' 碳接羥基，結構為 $-OH$。

因此，DNA 的糖比 RNA 少一個氧原子，這也是 DNA 名稱中「去氧」的由來。RNA 的 2'-OH 使其化學反應性較高，也較容易發生水解；DNA 則相對穩定，適合作為長期遺傳資訊的儲存分子。

**補充辨識：**DNA 使用胸腺嘧啶 T，RNA 通常使用尿嘧啶 U；此為鹼基差異，並非核醣差異。

（二）B-DNA、A-DNA 與 Z-DNA 的旋向【3 分】

DNA 構型	螺旋旋向
B-DNA	右旋式
A-DNA	右旋式
Z-DNA	左旋式

判斷重點

• B-DNA：細胞內最常見的 DNA 雙股螺旋形式，為右旋。
• A-DNA：較短、較寬的右旋螺旋，常見於低水分條件，也可見於 DNA-RNA 雜合雙股。
• Z-DNA：骨架呈現鋸齒狀外觀，為左旋螺旋。

**解題技巧：**直接記憶「A、B 右旋，Z 左旋」。Z-DNA 的「Z」可聯想到骨架呈鋸齒狀，並與一般右旋構型相反。

（三）基因重組主要選擇 DNA 的原因【5 分】

答案

在基因重組工程中，欲修改、剪切、接合及大量複製的核酸序列，主要選擇 DNA。

原因

1. DNA 是較穩定的遺傳物質

DNA 缺少 RNA 所具有的 2'-OH，因此不易發生鹼催化水解，適合長期保存及操作。

2. DNA 可形成穩定的雙股結構

DNA 雙股之間具有互補鹼基配對，可提高核酸分子的穩定性，也便於確認序列及進行複製。

3. 基因重組工具主要針對 DNA

限制酶可辨識特定 DNA 序列並進行切割；DNA 連接酶可將 DNA 片段接合；載體如質體可攜帶重組 DNA 進入宿主細胞，再利用宿主系統複製及表現。

4. DNA 適合利用 PCR 與定序技術分析

PCR、DNA 定序及分子選殖等常用技術，主要以 DNA 作為模板或操作材料。

5. RNA 通常需先轉換為 DNA

若研究對象原本是 RNA，例如 RNA 病毒的基因體，通常先利用反轉錄酶將 RNA 轉成互補 DNA（cDNA），再進行 PCR、選殖與後續基因重組操作。此類流程稱為反轉錄聚合酶鏈反應（RT-PCR）或反轉錄後選殖。

**解題技巧：**看到「基因重組、限制酶、載體、PCR」時，答案核心是 DNA。若題目特別指出 RNA 病毒或 mRNA，應補充「先反轉錄成 cDNA」。

（四）反轉錄酶的功能【4 分】

反轉錄酶（reverse transcriptase）是一種以 RNA 為模板合成 DNA 的酵素，主要功能如下：

核心觀念

本題整合細菌的細胞包膜構造、革蘭氏染色差異、毒力因子、嗜熱性適應，以及抗生素產生菌。解題時應掌握：

1. LPS 是革蘭氏陰性菌外膜的特有成分。
2. LPS 的毒性主要來自 Lipid A，屬於內毒素。
3. 線毛主要涉及附著、接合作用與移動；莢膜主要涉及抗吞噬與增加致病力。
4. 嗜熱菌必須同時維持蛋白質、細胞膜、核酸與細胞內代謝系統的高溫穩定性。
5. 常見抗生素產生者以真菌、放線菌及部分細菌為主。

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解題方法

本題各小題應依「構造 → 分布 → 功能或生理後果」的順序作答：

• LPS：先寫三部分構造，再指出位於革蘭氏陰性菌外膜。
• LPS 致病性：指出 Lipid A 釋出後引起宿主免疫反應。
• 線毛與莢膜：分別列出主要功能。
• 嗜熱菌：從蛋白質、細胞膜、核酸及修復系統分析。
• 抗生素產生菌：依微生物學上常見的抗生素來源判斷，並逐項排除干擾選項。

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（一）LPS 的構造及主要存在菌種

1. LPS 的三大構造

脂多醣體（Lipopolysaccharide, LPS）由外而內或由外膜向外可分為三部分：

（1）O-specific polysaccharide，O 抗原

位於最外側，由重複的寡醣單位組成，種類及排列差異很大，因此可造成不同菌株的血清型差異。

O 抗原可作為細菌表面抗原，也是宿主免疫辨識的重要對象。

（2）Core oligosaccharide，核心寡醣

連接 O 抗原與 Lipid A，通常含有較保守的醣類結構，部分革蘭氏陰性菌的核心區含有特殊醣類，例如 KDO（2-keto-3-deoxyoctonate）。

（3）Lipid A，脂質 A

位於最內側，嵌入革蘭氏陰性菌的外膜，是 LPS 的脂質部分，也是其內毒素活性的主要來源。

2. 主要存在於哪類細菌

LPS 是革蘭氏陰性菌外膜的特有構造，位於外膜的外側，因此主要存在於：

革蘭氏陰性菌（Gram-negative bacteria）

革蘭氏陽性菌沒有外膜，也沒有典型的 LPS；其細胞壁主要由厚層肽聚醣及磷壁酸組成。

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（二）LPS 釋出後對生物體的後果

LPS 的毒性主要來自 Lipid A，因此 LPS 又稱為革蘭氏陰性菌的內毒素（endotoxin）。

當細菌死亡、細胞裂解，或外膜出芽形成膜泡而使 LPS 進入宿主體內時，LPS 會被宿主的先天免疫系統辨識，主要經由 CD14、TLR4 等受體活化免疫細胞，促使巨噬細胞及其他細胞釋放：

• 腫瘤壞死因子 $\alpha$（TNF-$\alpha$）
• 白血球介素-1（IL-1）
• 白血球介素-6（IL-6）
• 其他發炎介質

因此可能造成：

1. 發燒及全身性發炎反應。
2. 血管擴張、血壓下降與休克。
3. 微血管凝血、瀰漫性血管內凝血（DIC）。
4. 嚴重時造成敗血症、敗血性休克，甚至死亡。

解題技巧

看到「LPS」應立即聯想到：

Lipid A → 內毒素 → 發炎細胞激素 → 發燒、休克、DIC

不要將 LPS 誤寫成細菌主動分泌的外毒素。LPS 是細胞外膜成分，通常在細胞裂解或外膜釋出時造成毒性。

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（三）線毛與莢膜的功能

1. 線毛（Pilus）

線毛是細菌表面的蛋白質絲狀構造，主要由 pilin 蛋白組成。不同類型線毛具有不同功能。

（1）附著作用

普通線毛或菌毛可使細菌附著於：

• 宿主細胞表面
• 黏膜
• 食品或其他固體表面
• 生物材料表面

附著是細菌建立感染與形成生物膜的重要第一步。

（2）接合作用

性線毛（sex pilus）可與另一個細菌細胞接觸，形成接合橋，協助質體或其他遺傳物質由供體細胞傳遞至受體細胞，稱為細菌接合（conjugation）。

此機制可使抗藥性基因在細菌間傳播。

（3）移動作用

第四型線毛（type IV pilus）可藉由伸長、附著與收縮，使細菌在固體表面產生抽動式移動（twitching motility）。

2. 莢膜（Capsule）

莢膜位於細菌細胞壁外側，通常由多醣組成，少數細菌則由多肽組成。

主要功能包括：

（1）抗吞噬

莢膜可阻礙吞噬細胞辨識與吞噬，降低細菌被白血球清除的機會，因此是重要的抗吞噬及致病因子。

（2）防止乾燥

莢膜具有保水作用，可減少細胞失水，增加細菌對乾燥環境的耐受性。

（3）促進附著及生物膜形成

莢膜可增加細菌黏附於組織或其他表面的能力，並協助形成生物膜。

（4）降低有害物質傷害

莢膜可形成保護層，降低部分抗體、補體及有害物質直接接觸細胞膜的機會。

解題技巧

• 「線毛」關鍵字：附著、接合、移動。
• 「莢膜」關鍵字：抗吞噬、防乾燥、附著、生物膜、增加毒力。
• 不要將莢膜與鞭毛混淆；鞭毛主要負責游動，線毛則以附著、接合或表面移動為主。

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（四）嗜熱菌能在高溫環境生長的原因

嗜熱菌並非單純「耐熱」，而是其整套細胞結構與代謝系統都適合在高溫下維持功能。主要原因如下：

1. 蛋白質與酵素具有較高熱穩定性

嗜熱菌的蛋白質通常具有較緊密的立體結構，並增加下列穩定作用：

• 疏水性作用
• 離子鍵及鹽橋
• 氫鍵
• 蛋白質內部的緊密堆疊

因此高溫下較不易變性，酵素仍能維持催化能力。

2. 具有耐高溫的分子伴侶

核心觀念

本題整合考查：

1. 氧氣在血液與肌肉中的運輸形式。
2. 醣解作用、檸檬酸循環與氧氣的直接、間接關係。
3. 電子傳遞鏈中氧氣的最終電子受體角色。
4. 葡萄糖完全氧化時，ATP 產量為 30 或 32 分子的原因。
5. 脂肪酸氧化與氧氣、電子傳遞鏈之間的關係。

本題採現代生物能量學的 ATP 估算值：

• $1$ 分子 NADH 約產生 $2.5$ 分子 ATP。
• $1$ 分子 FADH$_2$ 約產生 $1.5$ 分子 ATP。

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解題方法

判斷氧氣作用時，應區分「直接參與反應」與「維持氧化代謝所需的電子再生」：

• 醣解作用本身不直接消耗 $\text{O}_2$。
• 檸檬酸循環本身也不直接使用 $\text{O}_2$ 作為反應物。
• 但兩者產生的 NADH、FADH$_2$ 必須交由電子傳遞鏈氧化，而電子傳遞鏈需要 $\text{O}_2$ 作為最終電子受體。
• 因此，缺氧時會先影響 NAD$^+$、FAD 等氧化型輔酶的再生，進而抑制有氧代謝。

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（一）氧氣在血液與橫紋肌肉細胞中的攜帶蛋白

解題重點

氧氣在不同部位由不同蛋白攜帶：

1. 血液中：血紅蛋白（hemoglobin, Hb）

血紅蛋白存在於紅血球內，可與氧氣可逆性結合，形成氧合血紅蛋白：

$\text{Hb}+\text{O}_2 \rightleftharpoons \text{HbO}_2$

每一個血紅蛋白分子含有四個血基質（heme），理論上可攜帶四個氧氣分子。

2. 橫紋肌肉細胞中：肌紅蛋白（myoglobin, Mb）

肌紅蛋白存在於肌肉細胞內，具有儲存及協助氧氣擴散的功能，對肌肉細胞內氧氣供應尤其重要。

答案

血液中由**血紅蛋白（hemoglobin）攜帶；橫紋肌肉細胞中由肌紅蛋白（myoglobin）**攜帶。

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（二）氧氣對醣解作用與檸檬酸循環的影響

1. 對醣解作用的影響

醣解作用在細胞質中進行，將一分子葡萄糖分解為兩分子丙酮酸：

$$\text{Glucose}+2\text{ADP}+2\text{P}_{i}+2\text{NAD}^{+} \rightarrow 2\text{Pyruvate}+2\text{ATP}+2\text{NADH}+2\text{H}^{+}+2\text{H}_2\text{O}$$

醣解作用不直接消耗氧氣，所以在缺氧時仍可進行。然而，醣解作用中的 NAD$^+$ 會被還原成 NADH；若沒有氧氣維持電子傳遞鏈運作，NADH 無法有效再氧化為 NAD$^+$。

此時細胞可利用乳酸發酵再生 NAD$^+$：

$$\text{Pyruvate}+\text{NADH}+\text{H}^{+} \rightarrow \text{Lactate}+\text{NAD}^{+}$$

因此：

• 有氧時：丙酮酸可進入粒線體，進行完整氧化。
• 缺氧時：醣解仍可短暫進行，但主要依賴乳酸發酵，ATP 產量只有每分子葡萄糖淨得 $2$ ATP。

2. 對檸檬酸循環的影響

檸檬酸循環本身也不直接消耗氧氣，但會產生大量 NADH 與 FADH$_2$：

每一分子乙醯輔酶 A 進入檸檬酸循環可產生：

• $3$ NADH
• $1$ FADH$_2$
• $1$ GTP
• $2$ CO$_2$

葡萄糖產生的兩分子乙醯輔酶 A，總共可產生：

• $6$ NADH
• $2$ FADH$_2$
• $2$ GTP

當缺氧時，電子傳遞鏈無法順利氧化 NADH 與 FADH$_2$，造成 NADH、FADH$_2$ 堆積，NAD$^+$、FAD 減少，檸檬酸循環因而受到抑制，無法正常持續。

答案

氧氣不直接參與醣解作用與檸檬酸循環，但氧氣是電子傳遞鏈的最終電子受體。氧氣充足時，NADH 與 FADH$_2$ 可被氧化，持續再生 NAD$^+$ 與 FAD，使醣解作用及檸檬酸循環得以順利進行；缺氧時，NADH、FADH$_2$ 堆積，氧化型輔酶不足，檸檬酸循環明顯受抑制，醣解則轉向乳酸發酵以維持 NAD$^+$ 再生。

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（三）氧氣在電子傳遞鏈中的角色

核心觀念

氧氣位於電子傳遞鏈的末端，是最終電子受體（final electron acceptor）。

電子由 NADH、FADH$_2$ 提供，依序經過電子傳遞鏈中的各個電子傳遞複合體，電子傳遞所釋放的能量用於將氫離子由粒線體基質泵入膜間腔，建立質子濃度梯度。

最後，氧氣接受電子及氫離子，形成水：

$\text{O}_2+4e^-+4\text{H}^{+}\rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$

建立的質子梯度再驅動 ATP 合成酶，使 ADP 與無機磷酸合成 ATP：

$\text{ADP}+\text{P}_{i}\rightarrow \text{ATP}$

答案

氧氣是電子傳遞鏈的最終電子受體，接受電子及氫離子形成水。氧氣存在時，電子傳遞可以持續，並建立質子電化學梯度，驅動氧化磷酸化作用合成大量 ATP。

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（四）葡萄糖產生 30 或 32 個 ATP 的差異

解題推導

一分子葡萄糖完全氧化時，各階段產生的還原型輔酶如下：

（一）菌落形成單位（CFU）與最確數法（MPN）

核心觀念

此小題考查食品微生物檢驗中「活菌數」的估算方法，以及兩者在操作原理、結果表示與適用情況上的差異。

1. 菌落形成單位（CFU）

將食品檢體作適當倍數的系列稀釋，取定量稀釋液接種於固體培養基，經適當溫度與時間培養後，計算所形成的菌落數，再換算原始檢體中的活菌數。

基本計算式為：

$$\text{CFU/g或mL} = \frac{\text{菌落數} \times \text{稀釋倍數}}{\text{接種體積}}$$

例如，接種 $0.1\ \text{mL}$ 的 $10^{-4}$ 稀釋液，培養後有 85 個菌落：

$$\text{CFU/mL} = \frac{85 \times 10^4}{0.1} = 8.5\times10^6$$

CFU 並不一定代表單一細胞，因為細胞群、菌鏈或菌團也可能共同形成一個菌落。因此，CFU 的意義是「具有形成菌落能力的單位數」。

2. 最確數法（MPN）

將檢體作連續稀釋，分別接種於多支液體培養管中，培養後依據各管是否出現生長、產氣、酸生成或其他陽性反應，記錄各稀釋階段的陽性管數，再利用 MPN 統計表或機率模型，估算檢體中微生物的最可能數目。

結果通常表示為：

$$\text{MPN/g或mL}$$

MPN 是根據微生物在各管中「有或無」的分布機率進行統計估算，並非直接數出菌落數。

3. 兩種方法的差異

比較項目	CFU	MPN
培養基形式	固體培養基	液體培養基
判定方式	直接計算菌落	依陽性管數進行統計估算
結果性質	較直接、精確度通常較高	屬於機率估計值
適用情況	菌數較多、檢體可均勻塗布或傾注	菌數很低、檢體混濁或不易直接計數
主要限制	受菌落重疊、菌團及培養條件影響	信賴區間較寬，操作管數與稀釋設計會影響結果
常見單位	CFU/g、CFU/mL	MPN/g、MPN/mL

解題技巧

看到「固體培養基上形成並計算菌落」即判斷為 CFU；看到「多支液體培養管、陽性管數、統計表或最可能數目」即判斷為 MPN。兩者皆主要估算具有生長能力的微生物，不等同於檢體中所有微生物的總細胞數。

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（二）微生物領域配對

核心觀念

本題依研究對象與研究目的判斷微生物學的分支：

• 免疫學：研究免疫反應、抗體、免疫細胞及病原體與宿主防禦。
• 微生物遺傳學：研究微生物的基因、突變、遺傳與基因表現。
• 分子生物學：研究 DNA、RNA、蛋白質及其分子機制。
• 病毒學：研究病毒的構造、複製、傳播及所引起的疾病。
• 生物技術：利用生物或其成分製造產品、處理污染或進行工業應用。

配對答案

（1）研究伊波拉出血熱的病媒介

答案：（d）病毒學

伊波拉病毒屬於病毒，研究其傳播、感染、宿主及疾病流行特性，最直接的研究領域是病毒學。若進一步探討宿主免疫反應，也會涉及免疫學，但本題核心是病毒性疾病及其傳播。

（2）研究以細菌製造醫用蛋白質

答案：（b）微生物遺傳學、（c）分子生物學、（e）生物技術

• （b）正確：需研究外源基因導入細菌、基因調控及遺傳表現。
• （c）正確：需分析 DNA 重組、轉錄、轉譯及蛋白質表現機制。
• （e）正確：以細菌作為生產平台製造醫用蛋白質，屬於生物技術的應用。

（3）研究愛滋病毒的症狀

答案：（a）免疫學、（d）病毒學