根據琥珀酸（succinate）的化學結構式（如圖所示），下列何者最可能為琥珀酸去氫酶（succinate dehydrogenase）作用於琥珀酸的競爭型抑制劑（competitive inhibitor）？

本題觀念：

本題考查生物化學中三羧酸循環 (TCA cycle) 的關鍵酵素——琥珀酸去氫酶 (Succinate Dehydrogenase, SDH) 及其競爭型抑制劑 (Competitive Inhibitor) 的結構與機制。

核心機制：

• 琥珀酸去氫酶 (SDH)：負責催化琥珀酸 (Succinate) 氧化生成富馬酸 (Fumarate)，同時將 FAD 還原為 FADH2。這是 TCA 循環中唯一結合在粒線體內膜上的酵素（亦即電子傳遞鏈的 Complex II）。
• 競爭型抑制：抑制劑與受質 (Substrate) 的化學結構非常相似，因此會競爭酵素的活化位 (Active site)。抑制劑結合後，因結構差異無法進行後續催化反應，從而阻斷酵素活性。

影像分析：

• 題目圖片 (Substrate)：

  • 結構：顯示一個二羧酸分子，中間有兩個亞甲基 (-CH2-CH2-)。
  • 鑑定：這是 琥珀酸 (Succinate)，化學式為 $^{-}OOC-CH_2-CH_2-COO^{-}$。

• 選項圖片解析：

  • 選項 A：
    • 結構：顯示一個二羧酸分子，中間只有一個亞甲基 (-CH2-)。
    • 鑑定：這是 丙二酸 (Malonate)。
  • 選項 B：
    • 結構：四碳二羧酸，其中一個碳是酮基 (C=O)。
    • 鑑定：這是 草醯乙酸 (Oxaloacetate)。
  • 選項 C：
    • 結構：三碳酮酸。
    • 鑑定：這是 丙酮酸 (Pyruvate)。
  • 選項 D：
    • 結構：含有輔酶 A (CoA) 的硫酯鍵結構。
    • 鑑定：這是 琥珀醯輔酶 A (Succinyl-CoA)。

選項分析

• 選項 A (丙二酸 Malonate)：正確答案。

  • 結構相似性：丙二酸與琥珀酸都帶有兩個帶負電的羧基 ($COO^-$)，且分子大小相近。琥珀酸主要骨架有兩個碳 ($CH_2-CH_2$)，而丙二酸只有一個碳 ($CH_2$)。
  • 抑制機制：丙二酸能完美嵌入琥珀酸去氫酶的活化位（因為羧基間距相似），但由於缺乏兩個相鄰的亞甲基，無法發生去氫反應（無法形成雙鍵），因此「卡住」了酵素，是教科書中最經典的 SDH 競爭型抑制劑。

• 選項 B (草醯乙酸 Oxaloacetate)：

  • 雖然草醯乙酸也是 SDH 的強力抑制劑（在活體內有調控作用），但它主要是作為 TCA 循環的中間產物或產物抑制。在考試與基礎生化教學中，當題目問及「結構相似的競爭型抑制劑」時，丙二酸是定義上的標準答案。

• 選項 C (丙酮酸 Pyruvate)：

  • 結構上是單羧酸，與琥珀酸的雙羧酸結構差異較大，不是 SDH 的主要競爭型抑制劑。

• 選項 D (琥珀醯輔酶 A Succinyl-CoA)：

  • 這是琥珀酸的前驅物（在 Succinyl-CoA synthetase 作用下生成琥珀酸）。它是受質的前一步驟產物，而非抑制劑。

答案解析

琥珀酸 (Succinate) 的結構特徵是兩個羧基中間隔著兩個亞甲基 ($CH_2-CH_2$)。琥珀酸去氫酶的作用是在這兩個碳之間移除氫原子形成雙鍵。

丙二酸 (Malonate, 選項 A) 的結構是兩個羧基中間隔著一個亞甲基 ($CH_2$)。這種結構上的高度相似性（Structural Analog）使其能與酵素的活化位結合，但因碳鏈長度不足，無法進行脫氫反應。因此，丙二酸會與琥珀酸競爭酵素結合位，增加 $K_m$ 值但不改變 $V_{max}$，符合競爭型抑制劑的動力學特徵。

因此，最可能的競爭型抑制劑為 A (丙二酸)。

核心知識點

1. 經典考點：Succinate Dehydrogenase 的競爭型抑制劑 = Malonate (丙二酸)。
2. 酵素動力學：競爭型抑制劑 (Competitive Inhibitor) 特徵為：
   • 結構類似受質。
   • 與受質競爭活化位 (Active site)。
   • $V_{max}$ 不變（受質濃度夠高可克服抑制）。
   • $K_m$ 上升（親和力看似下降）。
3. Complex II：SDH 是電子傳遞鏈中唯一不具備質子泵 (Proton pump) 功能的複合體，直接將電子傳遞給 CoQ。

參考資料

1. Lehninger Principles of Biochemistry, "Citric Acid Cycle", Enzyme Inhibition sections.
2. Harper's Illustrated Biochemistry, "Biologic Oxidation".