# 臺大研究所考試 - 生物化學(A) 考試重點
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:::spoiler 目錄
[TOC]
:::

# 線上免費學習資源
- [莊榮輝教授的網頁](http://juang.bst.ntu.edu.tw/)
- https://www.khanacademy.org/science
- https://www.pearson.com/channels

# vitamin
<!--
* Thiamin(B1): Precursor of thiamine pyrophosphate (TPP), a coenzyme involved in decarboxylation reactions.
* Riboflavin: Precursor of flavin adenine dinucleotide (FAD) and flavin mononucleotide (FMN), coenzymes in redox reactions.
* Niacin: Precursor of nicotinamide adenine dinucleotide (NAD⁺) and NADP⁺, coenzymes in redox reactions.
* Biotin: Functions as a coenzyme for carboxylation reactions.
* Retinol: A form of vitamin A, primarily involved in vision and cellular differentiation, not as a coenzyme or precursor of one.
-->
## Vitamin B group
### Vitamin B1 (硫胺；thiamine pyrophosphate（TPP）)
- Decarboxylation
- 在 Pyruvate Decarboxylase 的反應中，TPP 作為輔酶，TPP的活性部位是其噻唑環（thiazole ring）上的C2碳原子，該碳原子位於硫和氮之間。
- 噻唑環的C2碳原子具有酸性，容易失去質子（去質子化），生成一個穩定的負電荷形式，即TPP的活性形式——亞胺鹽（ylide），ylide對pyruvate的carbonyl碳進行親核攻擊形成tetrahedral中間體，再進行脫羧反應釋放CO2，最終產生acetaldehyde。
- C2碳原子的核親電子性使其能夠與 Pyruvate 的羰基碳發生共價結合，形成一個不穩定的中間體，之後經過脫羧作用釋放二氧化碳，生成 hydroxyethyl-TPP
* TPP不具備的功能
* 不像FAD參與電子傳遞
* 不像NAD+參與氧化還原反應
* 不參與dehydrogenase反應中的雙鍵形成
* 不直接催化醇類氧化為醛類
* 重要應用
* 在酒精發酵中催化pyruvate轉化為acetaldehyde
* 在TCA循環中的α-ketoglutarate脫羧
* 在分支鏈氨基酸代謝中的α-keto acid脫羧
- transketolation

### Vitamin B2 (核黃素；FMN、FAD)
- TCA cycle
- ETC chain

### Vitamin B3 (菸鹼酸；NAD+/NADH、NADP+/NADPH)
- Dehydrogenase
- Alcohol dehydrogenase
- Glucose-6-phosphate dehydrogenase
- ...

### Vitamin B5 (泛酸；Pantothenic acid (CoA))
- TCA cycle
- $\beta$-oxidation
- chloesterol biosynthesis

### Vitamin B6 (Pyridoxine；Pyridoxal phosphate(PLP))
- amino acid metabolism
- Transamination：AST(GOT)、ALT(GPT)
- Deamination
- Decarboxylation
- Hormone, Neurotransmitter Biosynthesis
- serotonin、dopamine、epinephrine、norepinephrine、GABA
- Biosynthesis of Heme

### Vitamin B7 (Biotin)
- carboxylation
- Pyruvate carboxylase(Gluconeogensis)
- Acetyl-CoA carboxylase(Fatty acid synthesis)
- Propionyl-CoA carboxylase(Fatty acid reduction)
- Urea cycle：Carbamoyl phosphate synthetase I

> https://www.researchgate.net/profile/Janos-Zempleni/publication/23668389/figure/fig2/AS:669656385863685@1536669932455/Biotin-dependent-carboxylases-ACC-acetyl-CoA-carboxylase-PC-pyruvate-carboxylase.png

**Acetyl-CoA carboxylase (ACC)**
- 反應: Acetyl-CoA + HCO3- + ATP → Malonyl-CoA + ADP + Pi
- 途徑: 脂肪酸合成的第一步和限速步驟
- 位置: ACC1在細胞質，ACC2在粒線體外膜

**Pyruvate carboxylase (PC)**
- 反應: Pyruvate + HCO3- + ATP → Oxaloacetate + ADP + Pi
- 途徑: 糖質新生和TCA循環補充
- 位置: 肝臟和腎臟細胞的粒線體中

**Propionyl-CoA carboxylase (PCC)**
- 反應: Propionyl-CoA + HCO3- + ATP → Methylmalonyl-CoA + ADP + Pi
- 途徑: 奇數碳脂肪酸和支鏈胺基酸的代謝
- 位置: 粒線體基質

**3-Methylcrotonyl-CoA carboxylase (MCC)**
- 反應: 3-Methylcrotonyl-CoA + HCO3- + ATP → 3-Methylglutaconyl-CoA + ADP + Pi
- 途徑: 白胺酸代謝的第四步
- 位置: 粒線體

### Vitamin B9 (葉酸；Tetrahydrofolate)
- Purine C2 & C8 Carbon
- trans-methyl of amino acid
- DNA synthesis(dUMP --> dTMP)

### Vitamin B12 (鈷胺素)
- 促進紅血球的形成和再生，預防貧血

# Hill plot analysis:
- The Hill coefficient ($n_H$) is determined from the slope of the Hill plot at its steepest point.
- A Hill coefficient indicates the degree of cooperativity:
- $n_H=1$: No cooperativity (independent binding).
- $n_H > 1$: Positive cooperativity (binding of one ligand increases the affinity for subsequent ligands).
- $n_H < 1$: Negative cooperativity.

# Carotenoids in Photosynthesis
## 捕光作用
Carotenoids 作為輔助色素的功能包括：
- 吸收太陽光譜中的藍綠光區域(400-550 nm)
- 通過 singlet-singlet energy transfer 將吸收的能量傳遞給葉綠素
- 擴大可用於光合作用的光波長範圍

## 光保護
Carotenoids 通過多種機制保護光合生物：

**Triplet State 淬滅**
從葉綠素到 carotenoids 的 triplet-triplet energy transfer 提供重要的光保護。這種高能態轉移有助於防止光損傷。

**活性氧管理**
Carotenoids 通過以下方式防禦有害的活性氧(ROS)：
- 直接從 ROS 進行能量轉移
- 聚烯尾部的化學反應
- 保護細胞脂質結構

## Xanthophyll Cycle
這種保護機制包括：
- Violaxanthin、antheraxanthin 和 zeaxanthin 之間的酶促轉化
- 非光化學淬滅以消散過剩能量
- 減少到達光合作用反應中心的能量

## 結構功能
在紫色光合細菌和綠藻中，carotenoids 提供捕光複合物的結構穩定性。

## 訊號傳遞
Carotenoids 參與細胞信號傳導：
- 調節脫落酸(abscisic acid)的產生
- 控制植物生長發育
- 介導逆境反應

<!--
- Accessory Light-Harvesting:
- Function: Carotenoids absorb light energy, particularly in the blue and green regions of the visible spectrum, which chlorophylls do not efficiently capture.
- Benefit: This broadens the range of light wavelengths that can be utilized for photosynthesis, enhancing the plant's ability to convert light energy into chemical energy.
- Energy Transfer: The absorbed energy is transferred to chlorophyll a, the primary pigment involved in the light-dependent reactions of photosynthesis.
- Photoprotection from Reactive Oxygen Species (ROS):
- Function: During intense light conditions, excess energy can lead to the formation of reactive oxygen species (ROS), which are harmful to the photosynthetic apparatus.
- Protection Mechanism: Carotenoids quench triplet chlorophyll and singlet oxygen, thereby preventing the formation of ROS.
- Result: This photoprotective role safeguards the photosynthetic machinery from oxidative damage, ensuring the efficiency and longevity of the photosynthetic process.
-->

# Post-transcription modify
- N-linked glycosylation occurs at an Asparagine (N) residue in the consensus sequence N-X-S/T, where:
- N: Asparagine is the glycosylation site.
- X: Any amino acid except Proline.
- S/T: Serine or Threonine.

# 訊息傳遞
## AMPK
- 葡萄糖攝取與代謝：透過增加葡萄糖轉運蛋白（GLUT4）的表達和轉運到細胞膜上促進葡萄糖攝取。
- 脂肪酸氧化：透過抑制 Acetyl-CoA Carboxylase（ACC）(Acetyl-CoA --> Malonyl-CoA --> $\beta$-oxidation)，減少脂肪酸的合成並增加脂肪酸氧化。
- 抑制能量消耗過程： 抑制脂肪酸合成（透過抑制脂肪酸合成酶）。
- 抑制膽固醇合成（透過抑制 HMG-CoA 還原酶）。
- 抑制蛋白質合成（透過抑制 mTOR 路徑）。
## G-protein-coupled-receptor
### structure
- 7 trans membrane domains
- outter domain: receptor
- inner domain: react with G protein
- G protein
- compose of alpha, beta, gamma subdomain
- alpha domain can determine the function
- it can hydrolysis of GTP (activation). But inactivating the GDP.
- alpha domain is compose of Gs, Gi, Gq
- Gs, Gi: cyclic-AMP pathway (Regulate the adenylyl cyclase)
- Gs: activating the cAMP(by activating AC) <--> glucagon, beta-type adrenergics
- Gi: inactivating the cAMP <--> alpha 2-type adrenergics
- Gq: PIP2 pathway

# Metabolism
## Organ & metabolism

## TCA cycle 跟其它物質代謝的關係

## 各種物質代謝與各種膜運輸

# 能量
## Adenylate Energy Charge (AEC)
在細胞中，能量狀態常用的衡量方式是 **Adenylate Energy Charge (AEC)**，其公式為：

$$\text{Energy Charge} = \frac{[\text{ATP}] + 0.5[\text{ADP}]}{[\text{ATP}] + [\text{ADP}] + [\text{AMP}]}$$

在這個方程中，雖然 ATP 是細胞的主要能量貨幣，但當細胞能量下降時，ATP 的水準雖然會降低，但這種變化往往不如 AMP 來得明顯。原因如下：

1. **敏感性極高的 AMP 濃度：**
- 在正常情況下，細胞中 **AMP** 的濃度非常低，但當細胞能量處於缺乏狀態時，透過 **adenylate kinase** 的反應$(2 \text{ADP} \rightleftharpoons \text{ATP} + \text{AMP})$，AMP 的濃度會急劇上升。
- 因此，即使 ATP 與 ADP 的變化不大，AMP 的濃度卻能顯著反應出能量的變化，使其成為最敏感的能量狀態指標。

2. **啟動能量調控機制：**
- 當 AMP 水準上升時，會激活 **AMPK (AMP-activated protein kinase)**，這是一個重要的能量感應器，會啟動一系列反應來恢復細胞能量平衡，例如增加 ATP 的生成、減少能量消耗等。

# Carbohydrate

## Ketose vs. Aldose
### 環形結構判斷
- 利用半縮醛(Hemiacetal)與半縮酮(Hemiketal) 做判斷


1. 先畫出一號碳位置
2. 環形結構上 **兩個** $CH_2OH$ 一定是 Ketose
3. 一號碳有接上一個 $H$ 一定是 Aldose
4. 一號碳有接上一個 $CH_2OH$ 與 一個 $OH$ 與 一個 $O$ (因為是環所以另一邊一定是另一個R) 一定是 Ketose。
- 例外：lactone

## 異構物

- https://www.bu.edu/aldolase/biochemistry/html_docs/29_Carbohydrates_1.pdf
- https://www2.nsysu.edu.tw/Bio/images/commen/biomacro-FU1100306.pdf

graph TD;
醣類化合物異構物-->結構異構物;
醣類化合物異構物-->立體異構物;
立體異構物-->組態異構物
立體異構物-->構像異構物_椅型船型
組態異構物-->光學異構物
組態異構物-->順反異構物_cis/trans
光學異構物-->鏡像異構物_Enantiomers_D/L;
光學異構物-->非鏡像異構物;
非鏡像異構物-->差向異構物_Epimers;
非鏡像異構物-->首旋異構物_Enomers_alpha_beta;


## 結構異構物（Structural Isomers）
分子式相同，但原子連接順序或官能基位置不同。
### 官能基異構物
- **醛糖（Aldose）與酮糖（Ketose）**
- 醛糖：含有醛基（-CHO），如葡萄糖（Glucose）。
- 酮糖：含有酮基（C=O），如果糖（Fructose）。
- 例：葡萄糖（C₆H₁₂O₆，醛糖）與果糖（C₆H₁₂O₆，酮糖）互為結構異構物。

## 立體異構物（Stereoisomers）
分子式與原子連接順序相同，但三維空間排列不同。
### 鏡像異構物（Enantiomers）
- 具有 asymmetric carbon
- 最高編號碳的 OH 在右側 --> D
- 最高編號碳的 OH 在左側 --> L
- 互為鏡像且無法疊合
- 例：D-glucose 與 L-glucose

### 非鏡像異構物（Diastereomers）
- 差向異構物（Epimers）
- 僅一個手性碳的位向不同。
- 例：葡萄糖（C4-OH 向下）與半乳糖（C4-OH 向上）。
- 首旋異構物（Anomers）
- 在 anomeric carbon (半縮醛碳、半縮酮碳) 的構型上有差異。
- 在環狀結構中：
- α-anomer 的 OH 與官能基異側
- β-anomer 的 OH 與官能基同側


#### Anomers_Mutarotation

- 純α-或β-anomer溶解在水中時觀察到的旋光度變化現象
- 機制：通過開環-閉環互變異構(ring-chain tautomerism)實現α-和β-anomers之間的相互轉換。
- 當純的α-或β-anomer溶解在水中時，旋光度會隨時間變化，最終達到平衡。
- 平衡時，溶液中α-和β-anomers的比例固定，如葡萄糖為 36% α-D-葡萄糖 和 64% β-D-葡萄糖。

## 環狀結構異構
- **吡喃糖（Pyranose）與呋喃糖（Furanose）**
- 環的大小不同（六元環 vs. 五元環）。
- 例：葡萄糖在溶液中可形成(pyran)（六元）或呋喃環(furan)（五元）。
- Pyranose:葡萄糖(glucose)最常見的環狀形式
- Furanose:果糖(fructose)和核糖(ribose)常見的環狀形式
- 形成機制
- 兩種環狀結構都是通過分子內半縮醛或半縮酮反應形成的:
- Pyranose:C5位的羥基與C1位的醛基反應
- Furanose:C4位的羥基與C1位的醛基反應
- 環狀醣與直鏈醣之間存在化學平衡
- 環狀結構形成時會產生新的手性中心

## 取代基修飾異構物
通過取代基的不同形成異構物：
- **胺基糖（Amino Sugars）**
- 例：葡萄糖胺（C2-OH被-NH₂取代）與葡萄糖。
- **羧酸糖（Uronic Acids）**
- 例：葡萄糖醛酸（C6-CH₂OH被-COOH取代）與葡萄糖。

## 多醣的連接方式差異
雖非嚴格異構物，但多醣的糖苷鍵類型影響結構：
- **α-1,4 糖苷鍵**（如澱粉） vs. **β-1,4 糖苷鍵**（如纖維素）。

### 醣類異構物的分類表
| **分類** | **定義** | **例子** |
|-------------------------|----------------------------------------|-----------------------------------|
| **結構異構物** | 原子連接順序或官能基位置不同 | 葡萄糖（醛糖） vs. 果糖（酮糖） |
| **鏡像異構物** | 鏡像不可疊合 | D-葡萄糖 vs. L-葡萄糖 |
| **差向異構物** | 單一手性碳構型不同 | 葡萄糖（C4） vs. 半乳糖（C4） |
| **首旋異構物(anomers)** | 環狀結構中異頭碳的-OH方向不同 | α-D-葡萄糖 vs. β-D-葡萄糖 |
| **環狀結構異構** | 環的大小差異 | 吡喃葡萄糖 vs. 呋喃葡萄糖 |
| **官能基修飾異構物** | 取代基不同 | 葡萄糖 vs. 葡萄糖胺 |

## 蛋白質醣基化
### O-Linked(含有 -OH)
- Ser
- Thr
- 極少部分接在hydroxylysine、hydroxyproline
### N-Linked
- Asn
## Pathway

# Glucose matabolism overview

## 肝臟中 Glucose-6-phosphate
- 轉化為 Acetyl-CoA 用於脂肪酸合成：G6P經糖酵解和三羧酸循環（TCA cycle）生成乙醯輔酶A，進一步參與脂肪酸的生物合成。
- 參與戊糖磷酸途徑（PPP）生成NADPH和戊糖：NADPH用於還原生物合成，戊糖則用於核苷酸合成。
- 轉化為肝醣（Glycogen）儲存：G6P經異構化為G1P，進一步參與肝醣合成。
- 水解生成游離葡萄糖釋放至血液中：G6P在肝臟中被葡萄糖-6-磷酸酶催化生成游離葡萄糖，通過血液供應其他組織。
然而，G6P無法直接在肝臟中進行糖原分解（glycogenolysis）以外的其他代謝過程來釋放到血液中。

# Glycolysis
- 總共產生：**2ATP + 2NADH + 2Pyruvate** + 2H+ + 2H2O
- 投資期：-2ATP
- 產能期：+4ATP + 2NADH
- 糖解作用(glycolysis）中，下列那些酵素催化之反應可生成 ATP
1. phosphoglycerate kinase
2. pyruvate kinase
- 酵素調控點：
- 第一步：Hexokinase
- insulin +
- glucagon -
- 第三步：phosphofructokinase-1
- insulin +
- glucagon -
- 第十步：pyruvate kinase
- insulin +
- glucagon -


## 補充重點
- 當 glucose 結合至 hexokinase 時，酶會發生顯著的構象變化，這個現象符合 induced-fit 模型，使得活性位點「包覆」住 glucose，從而促進後續的磷酸化反應。
- 在 Step 6: Glyceraldehyde-3-phosphate Dehydrogenase (GAPDH)
$$Glyceraldehyde-3-phosphate (G3P) + NAD⁺ + Pi ⇌ 1,3-Bisphosphoglycerate + NADH + H⁺$$
- 只有這步有電子轉移
- hexokinase 需要有 $Mg^{2+}$ 才能活化。
- PFK-1
- 雖然由 phosphofructokinase-1 (PFK-1) 催化的 fructose 6-phosphate 轉換為 fructose-1,6-bisphosphate 的反應確實是 glycolysis 的關鍵、不可逆步驟（committed step），但其成為 committed step 的原因在於該反應受到嚴格調控且一旦進行便不可逆，而非因為它是 pathway 中最 strongly exergonic 的反應（實際上，pyruvate kinase 催化的反應 ΔG 更負）。

### 果糖（fructose）在肝臟代謝的特點使其容易轉化為脂肪的主要原因
* 果糖的代謝繞過了糖酵解途徑中的主要調控點磷酸果糖激酶-1（PFK-1）。
* 果糖代謝的關鍵特徵：
* 果糖幾乎完全在肝臟中代謝
* 果糖代謝不受胰島素或變構調節的控制
* 果糖通過 fructokinase 直接轉化為 fructose-1-phosphate

# Fermentation
## 酒精發酵

## 乳酸發酵

# Gluconeogenesis
- When glycolysis is turned on, gluconeogenesis
should be turned off


### 回饋調節機制

- 酵素比較：glycolysis, gluconeogenesis

| | 糖解作用 | 糖質新生 |
| ---------- | --------------- | ---------------------------------------------------- |
| 第一步酵素 | hexokinase | Glucode-6-phosphatase |
| 第三步酵素 | PFK-1 | Fructose-1,6-bisphosphatase |
| 第十步酵素 | pyruvate kinase | pyruvate carboxylase、phosphoenolpyruvate carboxylase |

### 花費能量
- pyruvate --> OAA ： 1ATP
- OAA --> PEP ： 1GTP
- 3-Phosphoglycerate --> 1,3-bisphosphoglycerate ： 1ATP

### 各種物質的糖質新生
- 必經過程：
OAA --> Malate (mitochondria)-->(cytosol) Malate --> OAA -`<PEP carboxykinase>`-> PEP --> (Reverse step of glycolysis)
- amino acid：
進入 TCA cycle 後轉成 OAA
- fatty acid：
$\beta$-oxidation --> acetyl-CoA --> TCA cycle --> OAA
- 部分胺基酸、膽固醇、單碳數脂肪酸 --> propionyl-CoA --> malonyl-CoA --> Succinyl-CoA --> OAA

## 升&降血糖 調節

## glycogen phosphorylase
- 升糖素透過cAMP-PKA信號路徑間接活化肝醣磷酸化酶，從而促進肝臟中的肝醣分解。
- 在 $\alpha$-(1-->4) 位剪切


## 肝臟與肌肉的肝醣
| **項目** | **Muscle** | **Liver** |
|----------------|---------------------------------|-----------------------------------|
| **酵素** | muscle glycogen phosphorylase | liver glycogen phosphorylase |
| **調控** | regulated allosterically and hormonely(腎上腺素...) | regulated by hormones and blood glucose |
| **異位調控** | allosteric regulation by AMP and ATP | - |
| **激素** | epinephrine | glucagon |
| **酵素活性** | 無 glucose-6-phosphatase | 有 glucose-6-phosphatase 可催化：<br>glucose-6-phosphate + H₂O → glucose + Pi |
| **註** | | phosphorylase **a** : active <br> phosphorylase **b** : inactive |

## Pentose Phosphate Pathway
https://www.sigmaaldrich.com/deepweb/assets/sigmaaldrich/marketing/global/documents/210/192/ee_minimap_22.pdf
- cytosol of liver and adipose cells
- Cells are provided with a constant supply of NADPH
- NADPH is used in cytosol for fatty acid synthesis
- This pathway also produces ribose-5-P
- To make DNA and RNA
- 當具有戊糖磷酸途徑的細胞需要更多的戊糖磷酸，但不需要額外的 NADPH 時：非氧化酶會從 fructose-6-phosphate和 glucono‐δ‑lactone 產生PP。

### 氧化部分流程

### 非氧化部分流程

## 補充：unclassicial Glucose metabolism - Entner-Doudoroff pathway

- 在某些哺乳動物與細菌中，葡萄糖分解可以透過非經典的糖解途徑進行
- 在 Entner‑Doudoroff pathway（ED途徑）中，6‑phosphogluconate 會先由 6‑phosphogluconate dehydratase 脫水形成 2‑keto‑3‑deoxy‑6‑phosphogluconate (KDPG)。
- 接著，KDPG 經由 KDPG aldolase 作用分裂，生成 pyruvate（丙酮酸）與 glyceraldehyde 3‑phosphate（G3P）。

### Glucose oxidase 測血糖

# TCA cycle
## 產生 (2個Pyruvate)
- 2 * 3 NADH = 2 * 3 * 2.5 = 15
- 2 * 1 FADH2 = 2 * 1 * 1.5 = 3
- 2 * 1 ATP =
- 一個NADH：10H+ out
- 每個 NADH 等於產生 2.5 ATP
- 一個FADH2：6+ out
- 每個 FADH2 等於產生 1.5 ATP

## Pyruvate Dehydrogenase Complex
### 結構
- pyruvate dehydrogenase complex (PDC) is formed from multiple copies of three enzymes:
- Pyruvate dehydrogenase (E1)
- Dihydrolipoamide acetyltransferase (E2)
- Dihydrolipoamide dehydrogenase (E3)



- Five coenzymes are required:
➔ Coenzyme A (CoA)
➔ Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) as electron carriers
➔ Flavin adenine dinucleotide (FAD) as electron carriers
➔ Thiamine pyrophosphate (TPP)
➔ Lipoate
- 催化反應時會打斷 lipoic acid 結構的**雙硫鍵**
- 產生 acetyl-CoA

### 補充 Enzymes commonly require lipoic acid as a cofactor
- Pyruvate dehydrogenase complex (converts pyruvate to acetyl-CoA)
- α-Ketoglutarate dehydrogenase complex (converts α-ketoglutarate to succinyl-CoA)
- Branched-chain α-keto acid dehydrogenase complex (in amino acid catabolism)
---
- These enzyme complexes share a similar overall mechanism, and all employ the same five cofactors:
* Thiamine pyrophosphate (TPP)
* FAD
* NAD⁺
* Coenzyme A
* Lipoic acid
---

## 主要速率調節酵素
- 內部調控(Internal regulation)
- Citrate synthase
- 被 ATP、NADH、succinyl CoA 所抑制，亦被其產物 citrate acid 所抑制
- Isocitrate dehydrogenase
- 被 ADP、NAD+ 活化
- 被 ATP、NADH 抑制
- α-ketoglutarate dehydrogenase
- 被 ADP、NAD+ 活化
- 被 ATP、NADH、succinyl CoA 抑制
- 外部調控
- pyruvate dehydrogenase complex

- Succinate dehydrogenase 是檸檬酸循環中唯一的膜結合酶(與電子傳遞鏈的共同酶)



## 酶的立體特異性(stereospecific)
- [不錯的解釋網站](https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Organic_Chemistry/Organic_Chemistry_(OpenStax)/29:_The_Organic_Chemistry_of_Metabolic_Pathways/29.07:_The_Citric_Acid_Cycle)

**1. Citrate synthase (檸檬酸合成酶)**

* **反應：** Acetyl-CoA + Oxaloacetate + H₂O → Citrate + CoA-SH
* **立體特異性：**
* 催化 Acetyl-CoA 的 methyl carbon 和 Oxaloacetate 的 carbonyl carbon 之間形成 C-C 鍵。
* 反應具有高度立體特異性，只產生 (*S*)-Citrate (Citrate 本身不是 chiral molecule，但在反應中其前驅物具有 stereochemistry 的概念)。
* Acetyl-CoA 的 methyl 上的 hydrogen atom 被移除時，是 pro-*R* hydrogen 被移除。

**2. Aconitase**

* **反應：** Citrate ⇌ *cis*-Aconitate ⇌ Isocitrate
* **立體特異性：**
* 催化 Citrate 的可逆 isomerization，經過中間產物 *cis*-Aconitate，形成 Isocitrate。
* 反應具有立體特異性，只產生 (2*R*,3*S*)-Isocitrate。
* 在從 Citrate 生成 *cis*-Aconitate 的過程中，移除的是 Citrate 的 pro-*R* carboxymethyl arm 上的 pro-*R* hydrogen 和 pro-*R* hydroxyl group。
* 在 *cis*-Aconitate 生成 Isocitrate 時，加成到 double bond 上的 H 是加到 *Re* face，而 OH group 加到 *Si* face。

**3. Isocitrate dehydrogenase (異檸檬酸脫氫酶)**

* **反應：** Isocitrate + NAD⁺ → α-Ketoglutarate + CO₂ + NADH
* **立體特異性：**
* 催化 Isocitrate 的 oxidative decarboxylation，生成 α-Ketoglutarate 和 NADH。
* 反應具有立體特異性，只作用於 (2*R*,3*S*)-Isocitrate。
* 生成的 NADH 中的 hydride 是來自 Isocitrate 的 C2 上的 pro-*R* hydrogen。

**4. α-Ketoglutarate dehydrogenase complex (α-酮戊二酸脫氫酶複合體)**

* **反應：** α-Ketoglutarate + NAD⁺ + CoA-SH → Succinyl-CoA + CO₂ + NADH
* **立體特異性：** 類似於 Pyruvate dehydrogenase complex，這個反應沒有直接的 stereospecificity 討論 (因為產生的 Succinyl-CoA 沒有 chiral center)，但它產生的 NADH 帶有來自 substrate 的 hydride。

**5. Succinyl-CoA synthetase (琥珀醯輔酶A合成酶)**

* **反應：** Succinyl-CoA + Pi + GDP (or ADP) ⇌ Succinate + CoA-SH + GTP (or ATP)
* 立體特異性：此反應不涉及建立或消除chiral center，因此不涉及 stereospecificity。

**6. Succinate dehydrogenase (琥珀酸脫氫酶)**

* **反應：** Succinate + FAD → Fumarate + FADH₂
* **立體特異性：**
* 催化 Succinate 的 dehydrogenation，生成 Fumarate。
* 反應具有高度立體特異性，只產生 *trans*-Fumarate (Fumarate)。
* 移除的兩個 hydrogen atoms 分別來自 Succinate 的兩個 methylene groups，且是 *anti*-elimination (一個 pro-*R* hydrogen 和一個 pro-*S* hydrogen)。

**7. Fumarase (延胡索酸酶)**

* **反應：** Fumarate + H₂O → L-Malate
* **立體特異性：**
* 催化 water 對 Fumarate 的 double bond 的 *trans*-addition。
* 反應具有高度立體特異性，只產生 ( *S* )-Malate (L-Malate)。
* OH⁻ 加到 *Re* face，H⁺ 加到 *Si* face。

**8. Malate dehydrogenase (蘋果酸脫氫酶)**

* **反應：** L-Malate + NAD⁺ → Oxaloacetate + NADH + H⁺
* **立體特異性：**
* 催化 L-Malate 的 oxidation，生成 Oxaloacetate。
* 反應具有立體特異性, 只作用在 (*S*)-Malate。
* 生成的 NADH 中的 hydride 是來自 L-Malate 的 C2 上的 pro-*R* hydrogen。

### 乙醛酸循環（glyoxylate cycle）
- 一種特殊的代謝途徑，相似於 TCA cycle
- 主要存在於植物、細菌、原生生物和真菌中
- 乙醛酸循環是三羧酸循環（TCA cycle）的一種變體，其核心功能是將 acetyl-CoA 轉化為 Succinate，用於**合成碳水化合物**。
- 在種子發芽過程中扮演關鍵角色，使植物能夠將儲存的脂質轉化為碳水化合物
- 允許植物將acetyl-CoA轉化為碳水化合物，使其能夠進行糖質新生
- 能夠將兩分子的acetyl-CoA轉化為一分子的malate，實現四碳二羧酸的淨合成
- 這個循環使用了TCA循環中的五種酶，包括：
- Citrate Synthase
- Pyruvate dehydrogenase
- Succinate dehydrogenase
- fumarase
- Malate dehydrogenase

兩個關鍵酶：
- Isocitrate lyase：將 Isocitrate 裂解為 glyoxylate 和 Succinate
- Malate synthase：催化 glyoxylate 與acetyl-CoA結合形成Malate


## 生物學意義

**在植物中**：
- 存在於特殊的過氧化物體（glyoxysomes）中
- 使種子能夠在發芽過程中利用脂質作為能量來源

**在微生物中**：
- 當缺乏葡萄糖等簡單糖類時，能夠利用乙酸鹽等二碳化合物作為碳源
- 在某些致病真菌中，可能與其致病性有關

## 獨特性
與動物的主要區別在於：
- 動物（除了線蟲胚胎發育早期外）通常缺乏這個循環[1]
- 這個循環允許生物體將脂肪轉化為葡萄糖，這是動物所不能實現的過程

### ATP citrate lyase (ACYL)

1. **反應方程式**


這個反應在**細胞質**中由 **ATP citrate lyase** 催化，將來自粒線體(經由檸檬酸穿梭)的 citrate「切開」生成細胞質中的 acetyl-CoA 與 oxaloacetate (OAA)。

2. **(1) ATP citrate lyase**
- 如同反應式所示，能夠將 citrate 分解為 acetyl-CoA 與 OAA 的關鍵酵素確實是 **ATP citrate lyase**。

3. **(2) 產生的 acetyl-CoA 為脂質合成（脂肪酸合成）的起始原料**
- 在脂肪酸生合成過程中，細胞質中的 acetyl-CoA 是關鍵起始物。由於 acetyl-CoA 大多在粒線體生成（例如：丙酮酸去羧作用、β-氧化等），需先與 oxaloacetate 結合為 citrate，運出粒線體到細胞質後，再由 ATP citrate lyase 釋放出 acetyl-CoA。

4. **oxaloacetate 提供間接產生 NADPH 的路徑**
- 細胞質中的 OAA 可以先被 **malate dehydrogenase** 還原成 malate（消耗 NADH），再經由 **malic enzyme** (又稱 NADP⁺-dependent malic enzyme) 把 malate 氧化脫羧生成 pyruvate，同時產生 **NADPH**。
- NADPH 對於脂肪酸合成至關重要，因此 OAA 在此路徑中扮演「間接提供 NADPH」的角色。

# Electron transport chain
- 一個NADH：10H+ out
- 每個 NADH 等於產生 2.5 ATP
- 一個FADH2：6+ out
- 每個 FADH2 等於產生 1.5 ATP


## Uncoupler & inhibitors & toxin
解偶聯劑（uncouplers）和抑制劑（inhibitors）對ATP合成的影響機制不同，以下是兩者的作用原理及例子：

### **解偶聯劑（Uncouplers）**
解偶聯劑是一類化合物，通過擾亂內線粒體膜上的質子梯度來干擾ATP的合成，但不直接影響電子傳遞鏈或ATP合酶（F1F0-ATPase）。其主要作用是讓質子繞過ATP合酶，直接回到基質中，從而**解除電子傳遞與ATP合成之間的緊密耦合**。這會導致：
- 電子傳遞鏈持續運行，氧氣消耗增加。
- 質子動力勢（proton motive force）被耗散，能量以熱的形式釋放，而非用於ATP合成。
**例子：**
- **2,4-二硝基苯酚（2,4-DNP）**：一種經典的解偶聯劑，可將質子從 inner mambrane 運回 matrix。
- **FCCP（碳氰化-p-三氟甲氧基苯肼）**：一種強效解偶聯劑。

### **抑制劑（Inhibitors）**
抑制劑則直接作用於電子傳遞鏈或ATP合酶，阻止其正常功能。例如：
- **寡黴素（Oligomycin）**：一種多酮類抗生素，通過結合ATP合酶的F0亞基，阻止質子通道的運作，從而抑制氧化磷酸化中的ADP轉化為ATP。
- 導致電子傳遞鏈中的電子流減緩，但並未完全停止。

### **兩者的區別**
| 特性 | 解偶聯劑 | 抑制劑 |
|--------------------------|----------------------------------|----------------------------------|
| 作用機制 | 擾亂質子梯度 | 阻止ATP合酶或電子傳遞鏈運作 |
| 對電子傳遞鏈的影響 | 不直接影響 | 減少或停止電子流 |
| ATP合成 | 停止（因質子梯度被破壞） | 停止（因質子無法通過ATP合酶） |
| 能量釋放形式 | 熱 | 無 |

### toxin
- cyanide：氰化物主要是通過抑制細胞色素c氧化酶（複合物IV）來發揮毒性作用，而不是與細胞色素C結合。

## Malate–aspartate shuttle（常見於肝臟與心肌）

### 作用
- 將細胞質中的 NADH 送到粒線體基質內。

### 具體步驟：
- 過程中，利用細胞質 NADH 將 oxaloacetate 轉換成 malate；malate 進入基質後，再轉換回 oxaloacetate，同時將 NAD⁺ 還原成 NADH。
- 結果：產生粒線體 NADH，供給電子傳遞鏈的 complexI 使用。
- **是可逆（reversible）的，可以在雙向運作**

## Glycerophosphate shuttle

### 作用
- 在 glycerol phosphate shuttle 中，細胞質 NADH 使 dihydroxyacetone phosphate (DHAP) 還原為 glycerol 3-phosphate。
- 進入粒線體後，粒線體 glycerol-3-phosphate dehydrogenase 將 glycerol 3-phosphate 氧化回 DHAP，同時將 FAD 還原為 FADH₂。
- 相對Malate–aspartate shuttle，glycerol phosphate shuttle 在生理條件下基本上不可逆（irreversible）的。
- 雖然 ATP 產量較低，但 **glycerophosphate shuttle** 基本上是不可逆的
- 即使在細胞中 NADH 水平相對 NAD⁺ 很低時，該 shuttle 仍能有效運作
- 相對Malate–aspartate shuttle，glycerol phosphate shuttle 在生理條件下被視為基本上不可逆（irreversible）的。

## 各物質的穿膜機制
- Pyruvate is imported into the mitochondrial matrix by the mitochondrial pyruvate carrier.
- Malate is shuttled via the dicarboxylate carrier.
- Citrate is exchanged with malate through the citrate–malate antiporter.
- Phosphate is transported by the phosphate carrier.

## ATP-ADP translocase

### 機制
- ATP-ADP translocase（又稱 adenine nucleotide translocator）負責交換：將線粒體基質內生成的 ATP 交換至細胞質，同時將細胞質中的 ADP 轉運至基質，穿越內線粒體膜（inner mitochondrial membrane）。
- **該過程並不伴隨質子（proton）的共同運輸**

## 總共能量生成

### 1. Glycolysis
- 淨產生 ATP：2 ATP
（投資 2 ATP、產出 4 ATP，淨得 2 ATP）
- NADH：2
- Pyruvate：2

### 2. Pyruvate oxidation
- 1 分子葡萄糖在糖解後生成 2 分子丙酮酸，經丙酮酸去氫酶複合體 (PDH complex) 反應：
- **ATP：0**
- **NADH：2**（每個丙酮酸產 1 分子 NADH × 2）

### 3. TCA Cycle
- 2 分子丙酮酸都轉成 acetyl-CoA 之後，TCA 需「轉兩圈」：
- **1 回合 TCA 產物：** 3 NADH + 1 FADH₂ + 1 GTP(≈1 ATP)
- **2 回合合計：**
- **NADH：6**
- **FADH₂：2**
- **ATP (GTP)：2**
### 4. 小結：不含電子傳遞鏈的累計

| 來源 | ATP (直接) | NADH | FADH₂ |
|-------------|-----------|------|-------|
| 糖解(Glycolysis) | 2 | 2 | 0 |
| PDH | 0 | 2 | 0 |
| TCA | 2 | 6 | 2 |
| **合計** | **4** | **10** | **2** |

### ETC & OP.
- **經典教科書的 P/O ratio：**
- 1 NADH 約生成 3 ATP
- 1 FADH₂ 約生成 2 ATP
- **NADH (10 個) →** 10 × 3 = 30 ATP
- **FADH₂ (2 個) →** 2 × 2 = 4 ATP

### 全程總 ATP 估算
1. **從「磷酸化層級(直接)」取得：**
- 糖解 + TCA = 4 ATP
2. **從「電子傳遞鏈/氧化磷酸化」取得：**
- 來自 10 NADH + 2 FADH₂ = 30 + 4 = 34 ATP
3. **合計：**

$$4+34(\text{氧化磷酸化})=38\text{ATP}$$

### final
- **糖解 (Glycolysis)**：2 ATP、2 NADH
- **PDH**：0 ATP、2 NADH
- **TCA**：2 ATP、6 NADH、2 FADH₂
- **最後合計約 38 ATP**（以 3/2 的經典換算）。

> 實際細胞中若使用 **malate-aspartate shuttle**（常見於肝臟與心肌），較易達到理論上的 38 ATP；若使用 **glycerol-3-phosphate shuttle**（如骨骼肌），NADH 電子送進粒線體時的 P/O ratio 可能較低，可能算到 36 ATP 甚至更少。

# Cori cycle
- 在骨骼肌進行劇烈運動時，無氧糖解產生乳酸。
- 乳酸經血液運送至肝臟，肝臟利用糖質新生 (gluconeogenesis) 將乳酸轉化為葡萄糖。
- 再將葡萄糖釋放回血液供應肌肉使用。

# substrate-level phosphorylation
- 指高能磷酸化合物藉轉移磷酸基團給 ADP 而形成 ATP 的機制
- 受質階層磷酸化可分別在細胞質及粒線體中進行，氧化磷酸化在粒線體中進行
- 
- 

# Lipid metabolism

## 激素調控

## β-Oxidation:
- https://hackmd.io/@lhm0929/ByzhwlJHF

> https://www.nature.com/articles/onc2009160


> https://chem.libretexts.org/Courses%2FFullerton_College%2FIntroductory_Biochemistry%2F15%253A_Lipids%2F15.10%253A_Lipid_Details%2F15.10.01%253A_Fatty_Acid_Oxidation


The process involves four key steps:

1. FAD-Coupled Oxidation (First Oxidation):
- Enzyme: **Acyl-CoA dehydrogenase**
- Reaction: The fatty acyl-CoA undergoes oxidation, where FAD (flavin adenine dinucleotide) is reduced to FADH₂. This step forms a trans-Δ²-enoyl-CoA, introducing a double bond between the α and β carbon atoms.

2. Hydration:
- Enzyme: **Enoyl-CoA hydratase**
- Reaction: Water is added across the double bond of the trans-Δ²-enoyl-CoA, resulting in the formation of L-β-hydroxyacyl-CoA.

3. NAD⁺-Coupled Oxidation (Second Oxidation):
- Enzyme: **L-Hydroxyacyl-CoA dehydrogenase**
- Reaction: The hydroxyl group on the β-carbon is oxidized to a keto group, converting L-β-hydroxyacyl-CoA into β-ketoacyl-CoA. During this step, NAD⁺ is reduced to NADH + H⁺.

4. Thiolytic Cleavage:
- Enzyme: **Thiolase**
- Reaction: A molecule of Coenzyme A (CoA) attacks the β-ketoacyl-CoA, resulting in the cleavage of the bond between the α and β carbons. This produces acetyl-CoA and a fatty acyl-CoA that is shortened by two carbon atoms, ready to enter another cycle of β-oxidation.

### 過氧化酶體中的 $\beta$-oxidation

在 **β oxidation**（β 氧化）過程中，脂肪酸被分解成較短的 acyl-CoA 分子，並最終生成 **acetyl-CoA**。這個過程在 **peroxisomes**（過氧化物酶體）和 **mitochondria**（粒線體）中均可進行，但兩者之間存在關鍵差異。

1. **過氧化物酶體中的β氧化：**
- 在 **peroxisomes** 中，第一步由 **acyl-CoA oxidase** 催化，此反應將 acyl-CoA oxidase 氧化成 trans-Δ²-enoyl-CoA。
- 此時，電子從脂肪酸轉移給氧分子（O₂），直接生成 **H₂O₂**（過氧化氫）。
- 過氧化物酶體中會存在 **catalase**（過氧化氫酶）將 H₂O₂ 進一步分解成水（H₂O）和氧（O₂），以防止細胞受到 H₂O₂ 的氧化傷害。

2. **粒線體中的β氧化：**
- 在 **mitochondria** 中，β氧化的第一步由 **acyl-CoA dehydrogenase** 催化。
- 這個反應中，FAD 被還原成 **FADH₂**（還原型黃素腺嘌呤二核苷酸），並將電子傳遞給電子傳遞鏈，而非直接生成 H₂O₂。
- 因此，粒線體在進行β氧化時不會產生 H₂O₂ 作為副產物。

### 奇數碳數脂肪酸
- 最後產生 **Propionyl-CoA**
- Propionyl-CoA 分解進入TCA cycle

### 不飽和脂肪酸
- 單個分解
- 

- 多個組合起一起分解
- 最後產生 **Acetyl-CoA**
- 

### 能量生成
- 能量生成比較：
- 碳數越多能量越多
- 雙鍵越多能量越少
- 偶數碳數 = $n$
- 循環次數：$\frac{n}{2}-1$
- 共生成：
- $\frac{n}{2}-1$ 個 $FADH_2$
- $\frac{n}{2}-1$ 個 $NADH$
- $\frac{n}{2}$ 個 $Acetyl-CoA$
- Acetyl-CoA 會進行 TCA cycle 再走 ETC，總共生成 10個 ATP。
- 奇數碳數 = $m$
- 循環次數：$\frac{m-3}{2}$
- 共生成：
- $\frac{m-3}{2}$ 個 $FADH_2$
- $\frac{m-3}{2}$ 個 $NADH$
- $1$ 個 $Propionyl-CoA (3C)$
- Propionyl-CoA 轉換為 Succinyl-CoA 後，再轉換成 OAA，最後走糖質新生，因此奇數碳的脂肪酸通常認為是生糖性的脂肪酸。
- 從三羧酸循環（TCA cycle）開始，經過電子傳遞鏈（ETC），一個乙醯輔酶A（Acetyl-CoA）可以生成**10個ATP**。以下是詳細的ATP計算過程：
1. TCA循環中的產物
每分解一個乙醯輔酶A，TCA循環會產生：
- **3個NADH**：每個NADH在電子傳遞鏈中產生2.5個ATP。
- **1個FADH2**：每個FADH2在電子傳遞鏈中產生1.5個ATP。
- **1個GTP**：等價於1個ATP。
2. ATP計算
- 從NADH：$$ 3 \times 2.5 = 7.5 \, \text{ATP} $$
- 從FADH2：$$ 1 \times 1.5 = 1.5 \, \text{ATP} $$
- 從GTP：$$ 1 \, \text{ATP} $$

總計：
$$
7.5 + 1.5 + 1 = 10 \, \text{ATP}
$$

## $\alpha$-oxidation

- 發生在過氧化物酶體中的次要氧化途徑
- 用於：**支鏈脂肪酸**。

**過程:**
1. 脂肪酸被活化，形成 fatty acyl-CoA。
2. Fatty acyl-CoA 被 phytanoyl-CoA dioxygenase 氧化，形成 2-hydroxyphytanoyl-CoA。
3. 2-hydroxyphytanoyl-CoA 被 2-hydroxyphytanoyl-CoA lyase 裂解，產生 pristanal 和 formyl-CoA。
4. Pristanal 被氧化成 pristanic acid。
5. Pristanic acid 隨後可以進行 beta-oxidation。

**意義:**

- 能夠分解含有 methyl group 的脂肪酸,這些脂肪酸無法直接進行 beta-oxidation。
- 對於 **phytanic acid** 和 **pristanic acid**(這兩個要記) 等支鏈脂肪酸的代謝至關重要。
- 有助於膽汁酸的合成。

## $\omega$-oxidation

- 發生在肝臟和腎臟的平滑內質網中的替代性脂肪酸氧化途徑
- 用於：中鏈脂肪酸的代謝

**步驟:**
1. **Hydroxylation:** Cytochrome P450 monooxygenases在omega碳上引入hydroxyl group，形成hydroxy fatty acid。
2. **Oxidation:** Alcohol dehydrogenase將hydroxyl group氧化成aldehyde。
3. **Oxidation:** Aldehyde dehydrogenase將aldehyde進一步氧化成carboxylic acid。

**意義:**

- 作為beta-oxidation的替代途徑，特別是在beta-oxidation受損時。
- 在飢餓和糖尿病狀態下，可以從succinyl-CoA形成glucose。
- 在蜜蜂中用於產生pheromones，在高等植物中用於生產biopolyesters。

<!--
Citations:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Alpha_oxidation
[2] https://microbenotes.com/omega-oxidation-%CF%89-oxidation-of-fatty-acid/
[3] https://microbenotes.com/alpha-oxidation/
[4] https://byjus.com/neet/omega-oxidation-of-fatty-acids/
[5] https://www.aatbio.com/resources/faq-frequently-asked-questions/what-are-the-differences-between-alpha-and-beta-oxidation
[6] https://allen.in/neet/biology/omega-oxidation-of-fatty-acids
[7] https://byjus.com/neet/alpha-oxidation-of-fatty-acids/
[8] https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3832743/
-->

## Synthesis of glycerolipids in eukaryotes begins
- Glycerol-3-phosphate dehydrogenase 有兩種 isoform，其中一種位於細胞質，利用 NAD⁺ 作為氧化還原反應的輔因子。
- Glycerol phosphate shuttle 的功能即是將細胞質的 NADH（電子）透過 glycerol-3-phosphate dehydrogenase 系統轉移到粒線體內。
- 細胞質型GPDH
- 位於細胞質中
- 使用NAD+/NADH作為輔酶
- 催化 DHAP 還原為G-3-P
- 粒線體型GPDH (FAD-dependent mitochondrial enzyme)
- 粒線體 isoform 固定在 inner mitochondrial membrane 上，面向膜間腔（intermembrane space）。
- 是一個依賴FAD的脫氫酶
- 將G-3-P氧化為 DHAP
- 電子傳遞功能
- 這兩種酶通過甘油磷酸穿梭系統共同作用：
- 將細胞質中的NADH還原當量傳遞到線粒體
- 在粒線體中粒線體型 glycerol-3-phosphate dehydrogenase 使用 FAD 作為輔因子，把電子傳給 coenzyme Q。


# Ketone Bodies
## ketogensis

## ketone 分解
- 肝臟細胞缺乏β-ketoacyl-CoA transferase
- 缺乏β-ketoacyl-CoA transferase 是為了防止酮體的合成和分解形成無用循環
- 缺乏β-ketoacyl-CoA transferase 使得肝臟能夠將合成的酮體輸送到其他需要能量的組織，而不會自身消耗這些酮體
- 其他組織(如大腦)具有β-ketoacyl-CoA transferase，可以利用酮體作為能量來源


## 生成酮體的情況
- 酮體（如Ethyl acetoacetate、β-hydroxybutyrate和aceton）主要在肝臟的粒線體中生成，當身體處於以下情況時，酮體的生成會增加：
1. **飢餓**：當血液中葡萄糖水平低下或細胞中的碳水化合物儲備（如糖原）耗竭時，身體會啟動生酮作用，以利用脂肪酸作為能量來源，從而增加酮體的生成。
2. **糖尿病**：特別是在未經治療的第一型糖尿病中，由於胰島素缺乏，身體無法有效利用葡萄糖，導致脂肪分解加快，酮體生成增多，可能引發酮酸中毒。
3. **攝取短鏈脂肪酸**：短鏈脂肪酸可迅速被肝臟代謝，轉化為乙醯輔酶A，進一步參與生酮作用，增加酮體的生成。

## Properties of fatty acid
- Fatty acids are hydrophobic.
- Fatty acids are not soluble in blood, the cytosol, or any other water solution.
- Fatty acids are transported in the blood by albumin.
- Fatty acids bind to a hydrophobic binding pocket of albumin.
- The released fatty acid is taken up by muscle and liver.
# Lipid Biosynthesis
## 脂肪酸合成與糖解作用調控
- glycolysis 確實會通過產生 pyruvate 進而生成 acetyl CoA，而 acetyl CoA 是脂肪酸合成的起始原料。
- 但脂肪酸合成的原料供給並不是 唯一 限制三酸甘油酯 (TAG) 合成的因素。
TAG 的合成需要持續供應G-3-P，而這些細胞中的 G-3-P 主要透過還原 glycolysis 中的 DHAP 來產生。
## citrate–malate–pyruvate shuttle
- 

**Acetyl-CoA carboxylase (ACC)**
- 反應: Acetyl-CoA + HCO3- + ATP → Malonyl-CoA + ADP + Pi
- 途徑: 脂肪酸合成的 **第一步和速率決定步驟**
- 位置: ACC1在細胞質，ACC2在粒線體外膜
- 調控：Malonyl-CoA is both：
1. An intermediate in the de novo synthesis of **long-chain fatty acids**
2. An inhibitor of carnitine palmitoyltransferase (CPT1), the enzyme that controls the transfer of long-chain fatty acyl CoA into mitochondria


## Malonyl-CoA：

### 生化特性與合成
Malonyl-CoA 是 malonic acid 的coenzyme A衍生物，主要由 acetyl-CoA carboxylase將 acetyl-CoA 進行羧化作用而形成。

### 主要功能
1. 脂肪酸代謝調控：
- Malonyl-CoA在哺乳動物代謝中扮演關鍵調控角色，協調脂肪酸的合成與氧化。它可被fatty acid synthase (FASN)用於合成長鏈脂肪酸，或用於脂肪酸的鏈延長。

2. 脂肪酸氧化抑制：
- Malonyl-CoA是carnitine palmitoyltransferase 1 (CPT1)的變構抑制劑，可抑制長鏈脂肪酸的粒線體β-氧化。這種調控確保脂肪酸的合成與氧化不會同時進行。

### 調控機制
當glucagon訊號觸發AMPK磷酸化時會：
- 抑制acetyl-CoA carboxylases活性
- 活化malonyl-CoA decarboxylase
這導致Malonyl-CoA濃度下降，停止脂肪酸合成並活化CPT1與酮體生成。
---
- **Malonyl-CoA 是抑制脂肪酸降解的關鍵分子，因為它會抑制脂肪酸進入粒線體（抑制肉毒鹼轉運酶I, CPT I）。**
- 正確。Malonyl-CoA 是脂肪酸生合成的中間產物，同時也是調控點之一，可避免合成與分解同時進行。它透過抑制 CPT I（carnitine palmitoyltransferase I）阻止脂肪酸進入粒線體 β-氧化路徑，因而抑制脂肪酸分解。
- **胰島素（insulin）訊號會去磷酸化 Acetyl-CoA carboxylase 以合成 Malonyl-CoA。**
- 正確。胰島素具有**促進**脂肪酸合成的作用，會活化磷酸酶（Protein Phosphatase），去磷酸化 Acetyl-CoA carboxylase (ACC)，使 ACC 活性上升，進而生成更多 Malonyl-CoA。這也是在高能量狀態下（餐後）促進脂肪酸合成的機制。
- **脂肪酸合成最主要的速率限制步驟（rate-limiting step）公認是 Acetyl-CoA carboxylase** 催化的「Acetyl-CoA → Malonyl-CoA」步驟。Fatty acid synthase 將 malonyl-CoA 與 acetyl-CoA 進行聚合，長出脂肪酸鏈，但這步驟並非生合成路徑中限速最關鍵的一步。

<!--
Citations:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Malonyl-CoA
[2] https://www.nature.com/articles/s41929-024-01139-y
[3] https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.10.28.514148v1.full
[4] https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6347522/
[5] https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3366419/
[6] https://academic.oup.com/cardiovascres/article/73/2/278/486306?login=false
[7] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30201289/
[8] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35643281/
[9] https://academic.oup.com/nutritionreviews/article-abstract/38/1/25/1806755?login=false
[10] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/874089/
[11] https://www.age.mpg.de/366376/230810_pm_metabolism_meets_signallingtransferred
-->
---


- Elongation of fatty acids

- Acyl-CoA
- https://www.creative-proteomics.com/blog/index.php/what-is-acyl-coas-metabolism/

## PCSK9（Proprotein Convertase Subtilisin/Kexin Type 9）
- 是一種在肝臟中合成並分泌的蛋白質
- 主要功能是與 LDL receptor（低密度脂蛋白受體）結合，促進受體進入溶酶體（lysosome）降解。這個過程降低了細胞表面可回收利用的 LDL receptor 數量，進而導致血液中低密度脂蛋白（LDL）的濃度上升。
- 現今臨床上使用的 PCSK9 抑制劑，如 Alirocumab 和 Evolocumab，都是單株抗體（monoclonal antibodies），它們通過結合 PCSK9，阻止其與 LDL receptor 的相互作用，使 LDL receptor 能夠循環回到細胞表面，從而增加 LDL 的清除率。

# cholesterol biosynthesis

## Mevalonate Pathway


**Explanation:**

1. **Isopentenyl Pyrophosphate (IPP) Requirement for Cholesterol:**

Cholesterol is synthesized via the mevalonate pathway, where multiple five‐carbon units (isoprene units) are condensed to form the 30‐carbon precursor squalene, which is subsequently cyclized and modified to yield cholesterol. The key five‐carbon building block is isopentenyl pyrophosphate (IPP).

In this pathway:
- One molecule of dimethylallyl pyrophosphate (DMAPP) (which is an isomer of IPP) combines with one molecule of IPP to form geranyl pyrophosphate (a 10‐carbon unit).
- Addition of another IPP molecule yields farnesyl pyrophosphate (FPP, 15 carbons).
- Two molecules of FPP then condense to form squalene (30 carbons), which is further processed into cholesterol.

Effectively, for the construction of FPP one needs three “IPP units” (two actual IPP molecules plus one that exists as DMAPP but is derived from IPP). Since cholesterol is derived from two FPP molecules, a total of 6 IPP (or IPP equivalents) are required per cholesterol molecule.

2. **Acetyl-CoA Requirement for Each IPP:**

The biosynthesis of IPP from acetyl-CoA proceeds via the mevalonate pathway. The initial steps involve:
- **Condensation:** Two molecules of acetyl-CoA condense to form acetoacetyl-CoA.
- **Addition:** A third acetyl-CoA combines with acetoacetyl-CoA to form HMG-CoA.
- **Reduction and Phosphorylation:** HMG-CoA is then reduced to mevalonate, which undergoes further phosphorylation and decarboxylation steps to yield IPP.

Thus, each molecule of IPP requires **3 molecules of acetyl-CoA**.

**Conclusion:**
- 1 molecule of cholesterol requires **6 molecules of IPP**.
- Each molecule of IPP requires **3 molecules of acetyl-CoA**.
### 調控機制
- 膽固醇合成的調控同時包含轉錄調控和共價調控。
- 轉錄調控 (Transcriptional regulation): 影響 HMG-CoA Reductase 基因的 mRNA 轉錄量。
- 細胞內膽固醇含量高時，會抑制 SREBP-2 的活化，進而減少 HMG-CoA 還原酶基因的轉錄，降低酶的合成量。這是 **長期調控機制*。
- 共價調控 (Covalent regulation): 主要通過 **磷酸化** 和 **去磷酸化** 來調節 HMG-CoA 還原酶的活性。
- 磷酸化 (Phosphorylation): 由 AMP 活化蛋白激酶 (AMPK) 催化，通常在細胞能量低時發生。磷酸化會抑制 HMG-CoA 還原酶的活性。
- 去磷酸化 (Dephosphorylation): 由蛋白質磷酸酶催化，通常在細胞能量充足時發生。去磷酸化會活化 HMG-CoA 還原酶的活性。

- 膽固醇合成同時對胰島素和升糖素敏感，但反應相反。
- 胰島素 (Insulin)：通常**促進膽固醇生合成**。胰島素訊號可以導致 HMG-CoA Reductase 的去磷酸化（活化），並可能增加 SREBP-2 的活化，進而增加酶的合成。
- 胰島素 --> 促進血糖回收(降血糖) --> Acetyl-CoA 上升 --> HMG-CoA 上升 --> 膽固醇上升
- 升糖素 (Glucagon)：通常抑制膽固醇生物合成。升糖素訊號可以通過增加細胞內 cAMP 水平，活化 AMPK，導致 HMG-CoA 還原酶的磷酸化（抑制）。

- 膽固醇生物合成的調控也包括關鍵酶的蛋白酶解 (proteolysis) 速率的變化。
- HMG-CoA 還原酶的蛋白酶解調控：當細胞內膽固醇含量過高時，會觸發 HMG-CoA 還原酶的 ER 膜錨定域的構象變化，使其更容易被蛋白酶識別和降解。這是一種長期調控機制，可以減少酶的總量，從而降低膽固醇的合成能力。

## lipoprotein

# Amino acid
https://www.jpt.com/support-contact/resources/amino-acids/

## A280
- 波長：280nm 的 UV light
- 具有吸光特性的 aa. (Aromatic)：Trp、Tyr、Phe
- 吸收度大到小：Trp > Tyr > Phe

## 分類


### Acidic
- Asp(D)
- Glu(E)

### Amide
- Asn(N)
- Gln(Q)

### Base
- Arg (R)
- Lys(K)
- His(H)


## 胺基酸們的特性
- Histidine：側鏈含有咪唑基團，其 pKa 值約為 6.023，但總體來看此胺基酸的 pKa 為 7.6 這個數值非常接近生理pH值。由於這個特性，His 的質子化狀態對微環境的pH變化特別敏感，使其能夠在酶催化反應中扮演重要角色，可以作為質子供體或受體 (111年, 26題)
- Lysine：能夠與 Aspartate 與 Glutamate 形成鹽橋。這是因為 Lysine 側鏈末端含有一個正電荷的氨基（-NH₃⁺），可以與 Glutamate 側鏈上帶負電荷的羧基（-COO⁻）形成離子鍵（鹽橋）。這種相互作用在蛋白質的三級結構穩定性中扮演重要角色。 (111年, 27題)

## pka

## Dihedral angle
- $C \alpha$ --> 連接 *R* group 的碳
---
- $C \alpha$- $CO$ ($\psi$ (psi) angle)
- $C \alpha$- $N$ ($\phi$ (phi) angle)

> http://www.bioinf.org.uk/teaching/bioc0008/page03.html

## Amino acid metabolism
### Catabolism overview

### Amino acid & TCA cycle

### Common Reaction

### The glutamate dehydrogenase reaction
### The Glutamate Synthase reaction
### Transsulfuration pathway
### The allosteric regulation of glutamine synthetase activity by feedback inhibition
### Transamination


### Treatment of Lyphoma & Leukemia
- Asparaginase 治療白血病的原理：
* 正常細胞可以通過 Asparaginase(ASNS) 自行合成 Asparagine
* 白血病細胞缺乏 Asparaginase 的表達，無法自行合成 Asparagine
* 白血病細胞必須依賴血液循環中的 Asparagine 來維持生長
* Used to treat：
- childhood leukemia acute lymphoblastic leukemia (ALL)
- acute myeloid leukemia (AML)
- non-Hodgkin's lymphoma


## Urea Cycle
> https://microbenotes.com/urea-cycle-enzymes-and-steps/


# Peptide chain
## Sequencing
- Chymotrypsin Digestion :
- cleaves at the carboxyl side of **aromatic residues (phenylalanine, tryptophan, tyrosine)**.
- For example, if an aromatic residue is at position 6, cleavage after that residue would yield a 6‑mer (residues 1–6) and a 3‑mer (residues 7–9).
- Trypsin Digestion :
- cleaves at the carboxyl side of **lysine (K) or arginine (R)**.
- Cyanogen Bromide :
- cleaves at methionine (M) residues.
- Chirality :
- Almost all proteinogenic amino acids have one chiral center **except for isoleucine and threonine**, which have two.

# Protein

## Bohr effect

- Bohr effect 的核心概念：
- 當血液酸度（[H⁺] 增高、pH 降低）時，血紅蛋白對 O₂ 的親和力下降，使血紅蛋白更容易釋放氧。
- CO₂ 濃度升高時，會透過產生 H⁺（以及形成 carbamino adduct）使血紅蛋白偏向較低親和力的 T-state（脫氧型）。因此氧結合親和力下降。
- 碳酸酐酶催化反應：CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃（再解離成 H⁺ + HCO₃⁻），主要形成「碳酸氫鹽 (bicarbonate, HCO₃⁻)」。
- **胺基端與 CO₂ 形成 carbamino-hemoglobin 後，會穩定血紅蛋白的 T-state（低氧親和力狀態）**，因此對 O₂ 的結合親和力會**下降**。

## Hemoglobin (Hb) 與 Myoglobin (Mb) 的比較：

| 比較項目 | Hemoglobin (Hb) | Myoglobin (Mb) |
|:----------------------------------------|:----------------------------------------------|:-----------------------------------------------|
| 氧合曲線 | 呈 S 型（sigmoidal） | 呈雙曲線（hyperbolic） |
| 協同作用 | 有協同作用（cooperativity） | 無協同作用 |
| 氧的親和力 | 與 Mb 相比，親和力較低 | 與 Hb 相比，親和力較高 |
| Fe²⁺ 結合 | 與 Fe²⁺（血紅素上的 heme）結合 | 與 Fe²⁺（肌紅素上的 heme）結合 |
| pH 對結合的影響 | 受 pH 顯著影響（Bohr 效應） | 幾乎不受 pH 顯著影響 |

## Membrane Proteins
1. **整合膜蛋白（Integral Membrane Proteins）**
- **結合方式**：通過 **疏水作用力** 與膜結合，其跨膜結構域（如α螺旋或β桶）嵌入脂雙層的疏水核心。
- **結構特點**：
- 可能單次或多次跨膜（如G蛋白偶聯受體有7次跨膜）。
- 常見 α-helix 跨膜，但某些通道蛋白（如孔蛋白）使用 β-sheet 結構。

- **定位**：部分或完全嵌入膜中，可能暴露於膜兩側。
2. **外周膜蛋白（Peripheral Membrane Proteins）**
- **結合方式**：通過 **親水作用力**（如離子鍵、氫鍵）與膜表面結合，通常不穿透脂雙層。
- 例如：與脂質頭部（如帶電磷脂）或整合膜蛋白的極性區域相互作用。
- **結構特點**：
- 無跨膜結構域，結構可能包含 α-helix、β-sheet 或混合構型。
- **定位**：僅附著於膜的一側（細胞質側或胞外側）。
* 通過較弱的相互作用如靜電鍵和氫鍵與磷脂極性頭基或其他蛋白質結合
* 可以通過溫和的方法從膜上分離
*
鬆散地結合在膜表面上

## Some Common Conjugated Proteins

## Post-Translational Modifications, PTMs

| **Name** | **Nonprotein Part** | **Amino Acid Side Chain Modified** | **Examples** |
|------------------------|----------------------|--------------------------------|-----------------------------------------------|
| Phosphorylation | –PO₃²⁻ | Ser, Thr, Tyr | Hormone receptors, regulatory enzymes |
| Acetylation | –CH₂COO⁻ | Lys | Histones, metabolic enzymes |
| Methylation | –CH₃ | Lys, Arg | Histones |
| Acylation | Palmitic acid | Cys | G-protein-coupled receptors |
| Prenylation | Prenyl group | Cys | Ras p21 |
| ADP-ribosylation | ADP-ribose | His, Arg | G proteins, eukaryotic elongation factors |
| Adenylylation | AMP | Tyr | Glutamine synthetase |

### PAPS

PAPS (3'-Phosphoadenosine-5'-phosphosulfate) 是硫酸化反應中最重要的輔酶，在生物體內扮演著關鍵角色。

## PAPS 的生合成
PAPS 的合成需要兩個 ATP 依賴性步驟：

1. **第一步反應**：
- ATP sulfurylase 催化 ATP 與硫酸根離子（SO4²⁻）反應
- 生成 APS (adenosine 5'-phosphosulfate) 和焦磷酸

2. **第二步反應**：
- APS kinase 催化 APS 的磷酸化
- 將 ATP 的磷酸基轉移到 APS 的 3' 位置
- 最終生成 PAPS 和 ADP

## 細胞內分布與運輸

PAPS 的代謝在細胞質和質體中都有進行：

- **質體途徑**：
主要負責 PAPS 的合成，含有 ATPS 和 APK 酶

- **細胞質途徑**：
主要進行硫酸化反應，由 sulfotransferase (SOT) 催化

- **運輸系統**：
PAPST1 轉運蛋白負責將 PAPS 從質體輸出到細胞質，同時將 PAP 運回質體進行降解

## 調控機制

PAPS 代謝的調控涉及多個層面：

- **酶活性調控**：通過氧化還原狀態調節
- **基因表達調控**：響應硫營養狀態
- **蛋白質穩定性**：PAPSS1 和 PAPSS2 具有不同的穩定性

當 PAPS 代謝失調時，可能導致骨發育異常、雄激素過量等疾病

## Molecular chaperones

分子伴侶是一類特殊的蛋白質，能夠幫助其他蛋白質正確摺疊成其功能性的三維結構。它們透過結合部分折疊或未折疊的多肽並防止可能導致錯誤折疊或聚集的錯誤相互作用。它們不提供能量、不作為單體的載體、不直接展開和重新折疊蛋白質、也不運輸 rRNA。

# Nucleotides
## Purine Structure

- 嘌呤(purine)是一種雜環芳香族有機化合物，由兩個環結構融合而成：
* 一個六元的嘧啶環(pyrimidine ring)
* 一個五元的咪唑環(imidazole ring)
* 這兩個環的融合形成了嘌呤的基本結構特徵：
* 含有9個原子的雙環系統
* 包含5個碳原子和4個氮原子
* 氮原子位於1、3、7和9號位置
- N1 from Asp.
- N-3, N-9 from Glu.
- C-4, C-5, N-7 from Gly.
- C-6 from CO2
- C-2, C-8 from THF - one carbon unit


## Purine Synthesis(The de novo pathway)


## Purine Catabolism

## Pyrimidines Structure
- 嘧啶的結構上包含：
- amide nitrogen of glutamate
- aspartic acid
- CO2 的 carbon



## Pyrimidine Synthesis

### Thymidylate synthase

## Pyrimidine Catabolism(degradation)

## RNA


## aminotransferase
### 結構特點
- 轉胺酶是一種蛋白質酶，能夠催化胺基的轉移反應
- 含有輔酶 Pyridoxal Phosphate (AKA. Vitamin B6)，可與胺基酸的α-胺基形成 Schiff base

### Glutamate alanine aminotransferase

### 生化功能
- Ping-Pong–type mechanism
- 催化胺基酸的α-胺基轉移到 α-Keto acid 上
$$
\text{amino acid}_1 + \text{keto acid}_2 \xrightarrow{}\text{keto acid}_1 + \text{amino acid}_2$$

- Double-Displacement bisubstrate mechanism
- Glutamate:aspartate aminotransferase

## 代謝路徑
- 在 Glucose-Alanine 循環中發揮重要作用：
- 將肌肉中的 Pyruvate 轉化為 Alanine
- Alanine 經血液運送至肝臟進行糖質新生
- 在肝臟中，ALT 可將 Alanine 代謝為 Glucose，參與血糖調節

<!--
Citations:
[1] https://www.hanspub.org/journal/paperinformation?paperid=26895
[2] https://www.tma.tw/ltk/107620704.pdf
[3] https://www2.nsysu.edu.tw/Bio/images/commen/prot10103.pdf
[4] https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E8%B0%B7%E4%B8%99%E8%BD%AC%E6%B0%A8%E9%85%B6
[5] https://hub.tmu.edu.tw/zh/projects/study-of-the-molecular-mechanism-underlying-psat1-induced-cancer--2
[6] https://347.com.tw/files/attachfile/handouts/1526/108%E7%94%9F%E7%89%A9%E5%8C%96%E5%AD%B8_%E6%95%99%E6%9D%90%E9%A0%90%E8%A6%BD.pdf
[7] https://www.easywin.com.tw/data/License/Past_exam/TH/101_2%E7%94%9F%E7%90%86.pdf
[8] https://www.tafm.org.tw/ehc-tafm/s/viewDocument?documentId=a1c4cdb26f264ba7b046320db8a61be9
[9] https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E8%BD%AC%E6%B0%A8%E9%85%B6
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## DNA
### DNA Synthesis

### thymidylate synthase reaction

### dNTP metabolism

### DNA Polymerase

# 硝化作用
* 硝化細菌通過氨氮(NH4+)氧化成硝酸鹽(NO3-)來獲取其化學能。
* 氨氧化菌(如Nitrosomonas)首先將氨氮氧化成亞硝酸鹽(NO2-)
* 亞硝酸鹽氧化菌(如Nitrobacter)再將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽(NO3-)
* 在高等植物中,硝酸還原酶(nitrate reductase)位於細胞質中，而亞硝酸還原酶(nitrite reductase)則位於葉綠體中。亞硝酸根必須從細胞質運輸到葉綠體,這個運輸過程通常是由CLC家族的蛋白質來介導的。
* 這種細胞器定位的安排對於植物的氮代謝非常重要，因為:
* 亞硝酸根在葉綠體中被還原為銨離子
* 這個位置有助於將產生的銨離子直接整合到氨基酸合成途徑中

# 酵素

## Covalent Catalysis(共價催化)

- 共價催化多以 PING-PONG 動力學機制進行催化



## Catalysis model

- $ΔG_{uncat}$：指未經 stickase 催化時，**基質從基態到過渡態所需克服的自由能障礙**，即未催化反應的活化自由能。
- $ΔG_{cat}$：指在 stickase 催化下，**基質從基態到過渡態的活化自由能**。由於 stickase 與過渡態具有互補性，能大幅降低此障礙。
- $ΔG_M$：指**未催化反應與催化反應在過渡態能量之差（即 $ΔG_{uncat}$ 與 $ΔG_{cat}$ 的差）**，主要源自 stickase 與棒之間的「磁力作用」所提供的結合能。

## 酵素動力學

### Michaelis–Menten Equation

在一定酵素濃度下，**substrate 濃度(只有substrate！)** 對反應速率的影響。其常見形式如下：

$$v = \frac{V_{\max} \,[S]}{K_{M} + [S]}$$

其中：
- $v$：反應速率（reaction velocity）
- $[S]$：基質濃度（substrate concentration）
- $V_{\max}$：最大反應速率（maximum reaction velocity）
- $K_{M}$：米氏常數（Michaelis constant），即當反應速率為 $V_{\max}$ 的一半時的底物濃度

#### 方程推導

1. **基本反應機制**
最簡化的酵素反應可表示為：
$$E + S \xrightarrow[k_{-1}]{k_{1}} ES \xrightarrow {k_{2}} E + P$$
- $E$：酵素（enzyme）
- $S$：基質（substrate）
- $ES$：酵素-基質複合物
- $P$：產物（product）
- $k_{1}$、$k_{-1}$：ES 與 E、S 互相結合與解離的反應速率常數
- $k_{2}$：ES 轉化為產物 P 的反應速率常數（又常記為 $k_{\text{cat}}$ )

2. Steady-State assumption
在經典的 Michaelis–Menten 推導中，假設 ES 的濃度在初始反應階段很快達到一個近似穩定值，不再隨時間劇烈變化。此時可將 $(\frac{d[ES]}{dt} \approx 0)$，從而導出底物消耗速率與 ES 濃度之間的關係。

3. 最大反應速率 $(V_{\max})$
當酵素完全被底物飽和（即所有酵素都以 ES 形式存在）時，反應速率達到最大值 $(V_{\max})$。數學上，
$$V_{\max} = k_{2} [E]_{\text{total}}$$

其中 $$[E]_{\text{total}}$$ 為總酵素濃度。
4. 米氏常數 $K_{M}$
$$K_{M} = \frac{k_{-1} + k_{2}}{k_{1}}$$
從定義上看，$K_{M}$ 反應了酵素與基質之間的親和力，數值越小表示酵素對基質的親和力越高。
同時，在實驗上也常用操作定義：「當反應速率為 $V_{\max}/2$ 時的基質濃度即為 $K_{M}$」。

5. 最終得到的 Michaelis–Menten 方程
透過上述假設與推導，最終可以得到：
$$v = \frac{V_{\max}\,[S]}{K_{M} + [S]}$$
由此可得知，當 $[S]$ 遠大於 $K_{M}$ 時，$[S] \gg K_{M}$，反應速率趨近於 $V_{\max}$。反之，當 $([S])$ 遠小於 $(K_{M})$ 時，$([S] \ll K_{M})$，反應速率與底物濃度幾乎成正比。

#### 實際應用

- 預測反應速率：可根據已知的 $K_{M}$ 與 $V_{\max}$ 來預測在各種基質濃度下的反應速率。
- 評估酵素特性：
- $K_{M}$ 能反映酵素與底物之間的親和程度
- $k_{\text{cat}} / K_{M}$（催化效率）則常被用作比較不同酵素或不同 substrate 的催化效率。
- 藥物設計與抑制機制

### 重要觀念
- $K_M$ 越大，親和力越小。
反之，$K_M$ 越小，則表示它要接近 Vmax 所需的基質濃度越低，催化反應越容易進行。
- $K_M$ 的單位應為濃度（mol/L），而非moles⁻¹
- $K_M$ 不等於酶-受質複合物解離到 E+P 的解離常數
- 當 $k_{-1} >> k_2$，$K_M$ 近似於 E+S 的解離常數 $k_d$
- $K_M$ 值會隨著不同的受質而改變，**不是恆定的**

### Lineweaver–Burk Equation
以線性回歸的方式更加便利地估計 $(V_{\max})$ 以及 $(K_{M})$ 等酵素動力學參數。

#### Michaelis–Menten 方程

首先，Michaelis–Menten 方程為：
$$v = \frac{V_{\max}\,[S]}{K_{M} + [S]}$$

#### 將 Michaelis–Menten 方程轉化為倒數形式

Lineweaver 與 Burk 將上述方程兩邊同時取倒數，得到：
$$\frac{1}{v} = \frac{K_{M} + [S]}{V_{\max}\,[S]}$$

再進一步分解，可以寫成：
$$\frac{1}{v} = \frac{K_{M}}{V_{\max}} \cdot \frac{1}{[S]} + \frac{1}{V_{\max}}$$

此即 **Lineweaver–Burk 方程**，其標準形式為：

$$\frac{1}{v}
= \frac{K_{M}}{V_{\max}} \cdot \frac{1}{[S]} + \frac{1}{V_{\max}}$$

#### 雙倒數作圖（Lineweaver–Burk Plot）

1. **橫軸**：$(\frac{1}{[S]})$（底物濃度的倒數）
2. **縱軸**：$(\frac{1}{v})$（反應速率的倒數）

在此二維座標上，Lineweaver–Burk 方程呈現一條直線：
$$y = m x + b$$
對應關係：
- $y = \frac{1}{v}$
- $x = \frac{1}{[S]}$
- $m = \frac{K_{M}}{V_{\max}}$（斜率）
- $b = \frac{1}{V_{\max}}$（截距）

由此可快速推得：
- **縱軸截距** $(=\frac{1}{V_{\max}})$
- **橫軸截距** $(= -\frac{1}{K_{M}})$
- **斜率** $(= \frac{K_{M}}{V_{\max}})$

## 各種抑制劑

- 把 Enzyme 想像成椅子，人想像成受質。

### 競爭性抑制
就像兩個人搶同一張椅子：
- 抑制劑和受質互相競爭酵素的活性位置
- Vmax不變：只要受質夠多，最終還是能坐滿所有椅子(受質 >> 抑制劑，則抑制劑可以被忽略。)
- Km增加：需要更多受質才能達到一半的反應速率，就像需要更多人排隊才能確保坐到位子。

### 非競爭性抑制
像是把部分椅子直接鎖住：
- 抑制劑結合在其他位置，使部分酵素失去功能
- Vmax降低：因為可用的椅子變少了。
- Km不變：未被鎖住的椅子還是一樣好坐。

### 反競爭性抑制
像是等人坐下後才能鎖住椅子：
- 抑制劑只與酵素-受質複合物結合
- Vmax降低：因為部分已結合的複合物被凍結
- Km降低：看起來酵素對受質的親和力反而增加，就像椅子更容易被坐上

### 重要特徵
- 競爭性抑制可以通過增加底物濃度來克服
- 非競爭性抑制無法通過增加底物來克服
- 反競爭性抑制會產生看似矛盾的現象：活性降低但親和力增加


## 別構酶 (Allosteric enzyme) regulation

- Homotropic interactions：A物質會影響其他和A物質相同的異位效應物連接，幾乎都是正向異位效應
- Heterotropic interactions：A物質影響不同異位效應物的連接，則稱為，可為正向也可為負向的


## Monod-Wyman-Changeux model

## 調節酶 (Regulatory Enzyme)
* 由多個亞基組成
* 具有多個活性位點和調節位點
* 表現出協同作用
* 反饋抑制：終產物可以作為別構抑制劑
* 受質濃度與反應速率的關係呈S形曲線，與非調節酶的雙曲線圖形不同
* 一個位點的底物結合會影響其他位點對底物的親和力
* 可被別構激活劑激活
* 這提供了對酶活性的精確調控
* 調節酶必須具有複雜的四級結構和多個調節位點才能實現其調控功能，因此單體酶with單一活性位點的描述與調節酶的基本特性相矛盾

## Enzyme Co-factor

## mutase
- isomerase 是子集合
- 常見的mutase
### 定義和功能
Mutase是一種異構酶類別的酶,它催化同一分子內功能基團從一個位置轉移到另一個位置。
- Mutase催化分子內基團的轉移，分子內部結構的重排
### 常見類型
- Phosphoglycerate mutase (PGM)：
在糖解中將 3-phosphoglycerate 轉化為 2-phosphoglycerate。
- Methylmalonyl-CoA mutase (MUT)：
在propanyl acid代謝中將 L-Methylmalonyl-CoA 異構化為 Succinyl-CoA。
- Bisphosphoglycerate mutase (BPGM)：
在 Red blood cell 中催化 2,3-diphosphoglycerate 的合成。

### isomerase

# Biotech
## 端粒/端粒酶

## 胚胎細胞的特徵
- 胚胎細胞確實具有高水平的端粒酶活性和較長的端粒
- 端粒酶在胚胎發育過程中是活躍的，這使得細胞能夠持續增殖

## 為什麼其他選項不正確
- 端粒酶不是DNA外切酶，而是一種RNA依賴的DNA聚合酶，負責合成端粒DNA
- 端粒酶不是RNA聚合酶，而是一種特殊的反轉錄酶
- 癌細胞通常具有高水平的端粒酶活性（85-95%的癌症中都有端粒酶活性），但端粒通常較短
- 體細胞中的端粒酶活性很低或缺失，且端粒會隨著細胞分裂逐漸縮短

## 關鍵特徵
端粒酶活性與細胞類型和生命階段密切相關：
- 在胚胎發育期間活躍
- 在大多數體細胞中缺乏或極低
- 在癌細胞中異常活化

## Sanger 定序
* 使用缺乏3'-OH基團的雙脫氧核苷酸作為鏈終止子
* 當雙脫氧核苷酸被整合到DNA鏈中時,DNA合成就會終止
* 通過螢光標記可以識別每個終止位置的核苷酸類型