營養 - 酵素學基礎考古題解析 - 民國115年

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：三碳分子，含一個酮基 (C=O) 與一個羧基。
  - 鑑定：這是 丙酮酸 (Pyruvate)。
- 選項 C：
  - 結構：四碳骨架兩端羧基，其中一端透過硫酯鍵接 CoA。
  - 鑑定：這是 琥珀醯輔酶 A (Succinyl-CoA)。
- 選項 D：
  - 結構：四碳二羧酸，C2 位帶一個羥基 (OH)。
  - 鑑定：這是 蘋果酸 (L-Malate)。

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 (丙酮酸 Pyruvate)：
- 結構為三碳單羧酸，與琥珀酸的四碳雙羧酸結構差異大，不是 SDH 的競爭型抑制劑。屬於糖解作用末端產物，會進入 TCA 循環之前由 PDH 轉成 acetyl-CoA。
選項 C (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 + GTP）。它是 SDH 受質的前一步代謝物，並非抑制劑。
選項 D (蘋果酸 L-Malate)：
- 為 TCA 循環中 fumarate 之後的下一步代謝物，由 fumarase 催化加水形成。雖然也是四碳二羧酸，但碳骨架含羥基（–OH），與琥珀酸（–CH₂–CH₂–）結構不同，不是 SDH 的主要競爭型抑制劑。

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

經典考點：Succinate Dehydrogenase 的競爭型抑制劑 = Malonate (丙二酸)。
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）。
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

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

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）？

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