一分子的乙醯輔酶A（acetyl-CoA）經檸檬酸循環（citric acid cycle）代謝後，會產生多少分子的GTP/ATP與FADH 2？

本題觀念：

本題考查核心生化代謝途徑——檸檬酸循環 (Citric Acid Cycle / Krebs Cycle / TCA Cycle) 的計量化學 (Stoichiometry)。考生需熟記每一分子乙醯輔酶A (Acetyl-CoA) 進入循環後，經過一輪代謝所生成的直接產物數量，特別是高能磷酸分子 (GTP/ATP) 與還原輔酶 (NADH, FADH$_2$)。

選項分析

題目問的是「一分子」乙醯輔酶A經檸檬酸循環代謝後的產物。

• (A) 1與1：正確。

  • GTP/ATP：在琥珀醯輔酶A (Succinyl-CoA) 轉化為琥珀酸 (Succinate) 的步驟中，由琥珀醯輔酶A合成酶 (Succinyl-CoA synthetase) 催化，發生受質階層磷酸化 (Substrate-level phosphorylation)，直接生成 1 分子 GTP (或 ATP，視生物體與組織而定，兩者能量等價)。
  • FADH$_2$：在琥珀酸 (Succinate) 氧化為延胡索酸 (Fumarate) 的步驟中，由琥珀酸去氫酶 (Succinate dehydrogenase) 催化，將 FAD 還原生成 1 分子 FADH$_2$。
  • 因此，GTP/ATP 為 1 分子，FADH$_2$ 為 1 分子。

• (B) 1與2：錯誤。GTP/ATP 數量正確，但 FADH$_2$ 僅產生 1 分子，而非 2 分子。

• (C) 2與1：錯誤。FADH$_2$ 數量正確，但 GTP/ATP 僅產生 1 分子，而非 2 分子。

• (D) 2與2：錯誤。兩者數量皆錯誤。

答案解析

檸檬酸循環發生於粒線體基質 (Mitochondrial matrix)，一輪循環的詳細產物生成步驟如下：

1. 輸入：1 分子 Acetyl-CoA (2碳) 與 1 分子草醯乙酸 (Oxaloacetate, 4碳) 縮合。
2. NADH 生成步驟 (共 3 處)：
   • 異檸檬酸 (Isocitrate) $\rightarrow$ $\alpha$-酮戊二酸 ($\alpha$-Ketoglutarate)
   • $\alpha$-酮戊二酸 ($\alpha$-Ketoglutarate) $\rightarrow$ 琥珀醯輔酶A (Succinyl-CoA)
   • 蘋果酸 (Malate) $\rightarrow$ 草醯乙酸 (Oxaloacetate)
   • 共產生 3 分子 NADH。
3. GTP/ATP 生成步驟 (共 1 處)：
   • 琥珀醯輔酶A (Succinyl-CoA) $\rightarrow$ 琥珀酸 (Succinate)
   • 此步驟釋放高能硫酯鍵的能量，驅動 GDP 磷酸化為 GTP (或 ADP 為 ATP)。
   • 共產生 1 分子 GTP/ATP。
4. FADH$_2$ 生成步驟 (共 1 處)：
   • 琥珀酸 (Succinate) $\rightarrow$ 延胡索酸 (Fumarate)
   • 此步驟由位於粒線體內膜的琥珀酸去氫酶 (Complex II) 催化，直接將電子傳遞給 FAD。
   • 共產生 1 分子 FADH$_2$。
5. CO$_2$ 釋放 (共 2 處)：
   • 兩次脫羧反應共釋放 2 分子 CO$_2$。

總結一輪循環產物： $1 \text{ Acetyl-CoA} \rightarrow 2 \text{ CO}_2 + 3 \text{ NADH} + 1 \text{ FADH}_2 + 1 \text{ GTP/ATP}$

故正確答案為 (A)。

核心知識點

醫檢師考生應掌握以下代謝計量關鍵：

1. 單輪產物：記住口訣「3N、1F、1G」(3 NADH, 1 FADH$_2$, 1 GTP)。
2. 葡萄糖全氧化：若題目改問「一分子葡萄糖」，則需將上述數字乘以 2 (因為 1 Glucose $\rightarrow$ 2 Pyruvate $\rightarrow$ 2 Acetyl-CoA)，即 2 GTP, 6 NADH, 2 FADH$_2$ (僅指 TCA 循環部分)。
3. 能量換算 (ATP Yield)：
   • NADH 約產生 2.5 ATP。
   • FADH$_2$ 約產生 1.5 ATP。
   • 若問總 ATP 產量 (含電子傳遞鏈)，1 Acetyl-CoA 約可產生 10 ATP (舊制算法為 12 ATP，現行生化教科書多採 10 ATP)。
4. 關鍵酵素：
   • 生成 GTP 的酵素：Succinyl-CoA synthetase。
   • 生成 FADH$_2$ 的酵素：Succinate dehydrogenase (唯一結合在粒線體內膜的 TCA 酵素，也是電子傳遞鏈的 Complex II)。

參考資料

1. PubChem (NIH). Citric Acid Cycle Pathway. National Library of Medicine. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/pathway/SMP0000057
2. Khan Academy. The citric acid cycle. https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/pyruvate-oxidation-and-the-citric-acid-cycle/a/the-citric-acid-cycle
3. Wikipedia. Citric acid cycle. https://en.wikipedia.org/wiki/Citric_acid_cycle