使葡萄糖經糖解作用（glycolysis）後的產物直接進入克氏循環（Krebs cycle，亦稱citric acid cycle 或TCA cycle）的關鍵酵素為何？

本題觀念：

有氧呼吸與代謝路徑的連結 (Aerobic Respiration and Metabolic Linkage)

本題主要測驗考生對於葡萄糖代謝路徑中，糖解作用（Glycolysis）與克氏循環（Krebs cycle / TCA cycle）之間關鍵連結步驟的理解。 糖解作用在細胞質中進行，將葡萄糖分解為丙酮酸（Pyruvate）。若要在有氧條件下進一步產生能量，丙酮酸必須進入粒線體，並經由**氧化脫羧反應（Oxidative Decarboxylation）**轉化為乙醯輔酶A（Acetyl-CoA），才能進入克氏循環。催化此一關鍵「橋樑」反應的酵素複合體即為答案。

選項分析

• A. succinate dehydrogenase complex (琥珀酸脫氫酶複合體)：

  • 錯誤。這是克氏循環中的第六步驟酵素，負責將琥珀酸（Succinate）氧化為富馬酸（Fumarate），同時還原 FAD 為 FADH₂。
  • 它也是電子傳遞鏈（ETC）中的 Complex II，是唯一結合在粒線體內膜上的克氏循環酵素，與糖解產物進入循環的「入口」無關。

• B. isocitrate dehydrogenase complex (異檸檬酸脫氫酶複合體)：

  • 錯誤。這是克氏循環中的第三步驟酵素，負責將異檸檬酸（Isocitrate）氧化脫羧成為 $\alpha$-酮戊二酸（$\alpha$-Ketoglutarate）。
  • 它是克氏循環的主要限速酵素（Rate-limiting enzyme），受 ATP 和 NADH 抑制，受 ADP 活化，但其作用發生在乙醯輔酶 A 進入循環之後。

• C. pyruvate dehydrogenase complex (丙酮酸脫氫酶複合體, PDC)：

  • 正確。糖解作用的終產物是丙酮酸（Pyruvate）。PDC 位於粒線體基質（mitochondrial matrix），負責催化以下不可逆反應： $Pyruvate + CoA + NAD^+ \rightarrow Acetyl\text{-}CoA + CO_2 + NADH + H^+$
  • 生成的 Acetyl-CoA 隨後與草醯乙酸（Oxaloacetate）結合形成檸檬酸，正式進入克氏循環。因此，PDC 是連接糖解作用與克氏循環的關鍵橋樑。

• D. malate dehydrogenase complex (蘋果酸脫氫酶複合體)：

  • 錯誤。這是克氏循環的最後一步驟酵素，負責將蘋果酸（L-Malate）氧化再生為草醯乙酸（Oxaloacetate），同時產生 NADH。它負責封閉循環，而非引入糖解產物。

答案解析

正確答案：C

1. 路徑順序：葡萄糖 (Glucose) $\rightarrow$ 糖解作用 $\rightarrow$ 丙酮酸 (Pyruvate)。
2. 關鍵連結：丙酮酸無法直接參與克氏循環，必須先轉化為二碳單位。
3. 酵素作用：Pyruvate Dehydrogenase Complex (PDC) 催化丙酮酸進行氧化脫羧，移除一個碳原子（形成 $CO_2$），並將剩餘的乙醯基連接到輔酶 A 上，形成 Acetyl-CoA。
4. 進入循環：Acetyl-CoA 是克氏循環的受質，與 Oxaloacetate 縮合。因此，PDC 是使糖解產物「準備好」並「引導」進入克氏循環的絕對關鍵酵素。

核心知識點

考生應熟記 Pyruvate Dehydrogenase Complex (PDC) 的相關重點，這是生化與國考的常考題：

1. 反應位置：真核生物在粒線體基質；原核生物在細胞質。
2. 所需輔酶 (Cofactors)：記憶口訣 "Tender Loving Care For Nancy"
   • TPP (Thiamine pyrophosphate, from Vit B1) - E1 酵素使用
   • Lipoic acid (硫辛酸) - E2 酵素使用
   • CoA (Coenzyme A, from Vit B5/Pantothenate) - E2 酵素使用
   • FAD (Flavin adenine dinucleotide, from Vit B2/Riboflavin) - E3 酵素使用
   • NAD⁺ (Nicotinamide adenine dinucleotide, from Vit B3/Niacin) - E3 酵素使用
3. 調控機制 (Regulation)：
   • 抑制：被產物 Acetyl-CoA、NADH、ATP 抑制（代表能量充足）。亦被 PDK (Pyruvate Dehydrogenase Kinase) 磷酸化而去活化。
   • 活化：被 CoA、NAD⁺、AMP、Ca²⁺ 活化（代表需要能量）。亦被 PDP (Pyruvate Dehydrogenase Phosphatase) 去磷酸化而活化。
4. 臨床相關：缺乏 PDC (或是缺乏維生素 B1) 會導致丙酮酸堆積，轉而生成乳酸（Lactate），引起乳酸酸中毒 (Lactic Acidosis) 及神經系統病變（如 Wernicke-Korsakoff syndrome）。

參考資料

1. Harper's Illustrated Biochemistry, 32nd Ed. Chapter 17: Glycolysis and the Oxidation of Pyruvate.
2. Lehninger Principles of Biochemistry, 8th Ed. Chapter 16: The Citric Acid Cycle.
3. Pyruvate dehydrogenase complex - Wikipedia
4. The TCA Cycle - TeachMePhysiology