108 年 國立臺灣大學藥理學系研究所《細胞生物學（A）》

此題主要考查學生對細胞內重要膜狀胞器的結構與功能的理解，特別是蛋白質和脂質的合成、修飾與運輸途徑。

內質網 (Endoplasmic Reticulum, ER)

• 構造： 內質網是一個由膜構成的網狀結構，遍佈於細胞質中，與核膜相連。它可分為兩種類型：

  1. 粗糙內質網 (Rough ER, RER)： 表面附有核糖體，呈顆粒狀。
  2. 平滑內質網 (Smooth ER, SER)： 表面無核糖體，呈管狀或囊狀。

• 功能：

  1. 粗糙內質網 (RER)：
     • 蛋白質合成與修飾： 附著的核糖體合成的蛋白質會進入 RER 腔內，進行摺疊、醣基化 (glycosylation) 和其他後轉譯修飾 (post-translational modification)。
     • 蛋白質運輸： 合成後的蛋白質會被包裝成囊泡，運送到高基氏體或其他細胞位置。
     • 膜的合成： 參與合成內質網膜、核膜、高基氏體膜、溶酶體膜、細胞膜上的蛋白質和脂質。
  2. 平滑內質網 (SER)：
     • 脂質合成： 合成類固醇激素、磷脂質等脂質。
     • 解毒作用： 在肝細胞中，SER 含有豐富的解毒酶，能代謝藥物和有毒物質。
     • 鈣離子儲存： 在肌細胞中，SER (稱為肌漿網 sarcoplasmic reticulum) 負責儲存和釋放鈣離子，調控肌肉收縮。

此題考查學生對粒線體這個重要細胞器的結構及其在能量代謝中的關鍵角色的認識。

粒線體 (Mitochondria)

• 構造： 粒線體是雙層膜的細胞器，呈橢圓形，是細胞進行有氧呼吸的主要場所。

  1. 外膜 (Outer membrane)： 光滑，通透性較高，含有孔蛋白 (porins)，允許小分子 (<5000 Da) 通過。
  2. 內膜 (Inner membrane)： 內褶形成許多稱為「嵴」(cristae) 的結構，大大增加了膜的表面積。內膜對大多數物質是不通透的，需要特定的轉運蛋白。內膜上附著有電子傳遞鏈 (electron transport chain, ETC) 和 ATP 合酶 (ATP synthase)。
  3. 膜間隙 (Intermembrane space)： 位於外膜和內膜之間。
  4. 基質 (Matrix)： 位於內膜內部，富含多種酶、粒線體 DNA (mtDNA)、核糖體和 tRNA。

• 功能：

  1. 能量產生 (ATP 合成)： 粒線體是細胞的「發電廠」，主要功能是通過有氧呼吸產生 ATP。這個過程包括：
     • 克氏循環 (Citric Acid Cycle / Krebs Cycle)： 在基質中進行，將丙酮酸 (pyruvate) 氧化，產生 $CO_2$、少量 ATP (GTP) 和還原力 (NADH, $FADH_2$)。

此題考查學生對三種不同細胞死亡或生存調控機制的理解：細胞凋亡（程式性細胞死亡）、細胞壞死（非程式性細胞死亡）和細胞自噬（細胞生存機制，但也可導向死亡）。

1. 細胞凋亡 (Apoptosis)

• 定義： 細胞凋亡是一種主動的、程式性的細胞死亡過程，由細胞自身啟動並精確調控，以清除衰老、受損或不需要的細胞，對維持組織穩態至關重要。它通常不引起炎症反應。
• 特徵：
  • 細胞收縮： 細胞體積縮小。
  • 染色質濃縮 (Chromatin condensation)： DNA 發生凝聚。
  • 核碎裂 (Nuclear fragmentation)： 細胞核分裂成小塊。
  • 形成凋亡小體 (Apoptotic bodies)： 細胞膜內陷，形成包裹著細胞器和細胞核碎片的小囊泡。
  • 吞噬： 凋亡小體被巨噬細胞或其他鄰近細胞吞噬，避免內容物外洩。
  • 無炎症反應： 由於細胞內容物被完整包裹，通常不會引起炎症。
• 機制： 主要由一組稱為細胞凋亡蛋白酶 (caspases) 的蛋白質酶所介導。可分為內源性途徑（由細胞內損傷觸發，如 DNA 損傷、氧化壓力）和外源性途徑（由細胞外信號分子觸發，如死亡受體結合配體）。

2. 細胞壞死 (Necrosis)

• 定義： 細胞壞死是一種被動的、非程式性的細胞死亡形式，通常是由於嚴重的細胞外損傷（如創傷、缺氧、毒素、高溫）引起的。它是一種失控的死亡過程，常伴隨細胞腫脹和內容物釋放。
• 特徵：
  • 細胞腫脹： 細胞體積增大，膜完整性喪失。
  • 細胞器腫脹： 如粒線體腫脹。
  • 細胞膜破裂 (Plasma membrane rupture)： 細胞內容物（包括酶和蛋白質）釋放到細胞外。
  • 炎症反應： 釋放的細胞內容物會引起鄰近組織的炎症反應。
• 機制： 缺乏精確的調控，主要是細胞膜通透性改變，導致離子和水分進入細胞，最終細胞破裂。

3. 細胞自噬 (Autophagy)

• 定義： 細胞自噬是一種細胞自我分解的過程，細胞通過內體化的方式將細胞質成分（如受損的細胞器、長壽的蛋白質、病原體）包裹在雙層膜結構（自噬體 autophagosome）中，然後自噬體與溶酶體融合，內容物被降解。它主要是一種生存機制，用於在營養缺乏時提供能量和構建模塊，或清除細胞內的損傷物質。
• 與細胞死亡的關係：
  • 生存機制： 在應對壓力（如飢餓）時，細胞自噬可以幫助細胞維持生存。
  • 導向死亡： 在某些情況下，過度或失控的自噬也可能導致細胞死亡，這種情況稱為「自噬性細胞死亡」(autophagic cell death)。

此題包含兩個部分：細胞核的結構描述，以及細胞分裂（主要指有絲分裂 Mitosis）的過程。

細胞核結構 (Nuclear Structure)

細胞核是真核細胞中最重要的胞器之一，包含細胞的遺傳物質，並調控細胞的生長與繁殖。其主要結構包括：

1. 核膜 (Nuclear Envelope)：

   • 構造： 由雙層膜組成，內外膜之間有 20-40 nm 的核周隙 (perinuclear space)。外膜與粗糙內質網相連，表面可能附有核糖體。
   • 核孔複合物 (Nuclear Pore Complexes, NPCs)： 遍佈於核膜上，是蛋白質和 RNA 分子進出細胞核的通道。NPCs 是巨大的蛋白質結構，能選擇性地控制物質運輸。

2. 核仁 (Nucleolus)：

   • 構造： 細胞核內一個或多個較大的、無膜的結構。
   • 功能： 是核糖體 RNA (rRNA) 的合成和核糖體亞單位組裝的主要場所。

3. 染色質 (Chromatin)：

   • 構造： 由 DNA 與蛋白質（主要是組蛋白 histones）緊密纏繞形成的複合體。在細胞分裂間期，染色質以鬆散的纖維狀存在。
   • 功能： 攜帶遺傳信息，DNA 的複製和轉錄在此進行。

4. 核質 (Nucleoplasm)：

   • 構造： 細胞核內的膠狀物質，包含核仁、染色質、核糖核酸 (RNA) 和各種蛋白質。
   • 功能： 提供染色質和核仁的懸浮基質，並作為核內各種生化反應的介質。

細胞分裂的過程 (Process of Cell Division - Mitosis)

細胞分裂（主要指有絲分裂）是一個連續的過程，將一個母細胞的染色體精確地複製並平均分配到兩個子細胞中。它通常分為幾個階段：

1. 間期 (Interphase)：
   • 細胞生長和 DNA 複製的時期。
   • $G_1$ 期 (Gap 1)： 細胞生長，合成蛋白質和 RNA。

此題考查學生對細胞骨架這三大主要組成部分的知識。

細胞骨架是由蛋白質纖維組成的網絡，遍佈於細胞質中，為細胞提供結構支撐，維持細胞形態，參與細胞運動、物質運輸及細胞分裂等重要過程。主要有三大類別：

1. 微絲 (Microfilaments / Actin filaments)：

   • 組成： 主要由球狀肌動蛋白 (G-actin) 聚合形成雙螺旋狀的絲狀肌動蛋白 (F-actin) 組成。
   • 功能：
     • 維持細胞形態和提供機械強度。
     • 細胞運動（如變形蟲運動、細胞爬行）。
     • 肌肉收縮（與肌球蛋白 myosin 相互作用）。
     • 胞質分裂中的細胞質環。
     • 細胞內物質運輸（作為肌球蛋白運動的軌道）。
     • 細胞表面的微絨毛 (microvilli) 和皺褶的形成。

2. 微管 (Microtubules)：

   • 組成： 由異二聚體 $\alpha$-微管蛋白和 $\beta$-微管蛋白組成的管狀結構，呈中空圓柱狀。
   • 功能：
     • 維持細胞形態，抵抗壓縮力。

此題考查學生對細胞黏附分子，特別是 Cadherin 的結構與功能的理解。

Cadherin 的功能

Cadherin 是一類重要的細胞黏附分子，它們是鈣離子依賴性的跨膜糖蛋白，主要參與細胞與細胞之間的黏附，在組織形成、維持組織結構穩定性以及細胞間信號傳導中發揮關鍵作用。

• 結構特點：

  • 胞外域 (Extracellular domain)： 包含多個保守的富含鈣離子的重複序列，這些序列的構象需要鈣離子穩定，是 Cadherin 進行細胞黏附的關鍵。其 N-端有一個保守的「EC repeats」區域，這是與其他 Cadherin 分子結合的位點。
  • 跨膜域 (Transmembrane domain)： 穿過細胞膜。
  • 胞內域 (Intracellular domain)： 與細胞骨架（主要是肌動蛋白微絲）以及細胞信號傳導分子（如 catenins）結合。

• 主要功能：

  1. 細胞-細胞黏附 (Cell-cell adhesion)： Cadherin 通過其胞外域的 EC repeats 區域，在鈣離子存在下，與鄰近細胞上的相同或相似類型的 Cadherin 分子進行同源性黏附 (homophilic adhesion)，將細胞連接在一起，形成穩定的細胞間連接。
  2. 維持組織結構 (Tissue integrity)： Cadherin 的穩定黏附作用是維持組織結構完整性和形態的基礎。例如，上皮細胞之間的緊密連接 (tight junctions) 和黏附連接 (adherens junctions) 就依賴於 Cadherin 的作用。

此題考查學生對已分化神經元細胞的結構特徵的掌握，並要求通過簡圖來呈現。

完全分化的神經元細胞特徵

神經元細胞是一種高度特化的細胞，用於接收、處理和傳遞電化學信號。完全分化的神經元具有獨特的形態學特徵，以適應其功能。

簡圖說明：

(請想像以下文字描述的結構，這是一個簡化的圖示)

此題考查學生對細胞生物學中定位技術的理解，特別是如何確定細胞內蛋白質的位置。

實驗方法：
檢測細胞內蛋白質位置最常用且有效的實驗方法是 免疫螢光染色 (Immunofluorescence Staining, IF) 或 免疫金標記 (Immunogold Labeling)，其中免疫螢光染色更為常見於一般細胞生物學實驗室。

免疫螢光染色 (Immunofluorescence Staining, IF) 的基本原理：

免疫螢光染色是一種利用抗體來特異性地識別和標記細胞內目標蛋白質，然後通過螢光顯微鏡觀察其位置的技術。

1. 樣品製備：

   • 通常需要將細胞固定 (fixation) 在載玻片上，以保持細胞結構的完整性。常用的固定劑有甲醛 (formaldehyde) 或多聚甲醛 (paraformaldehyde)。
   • 為了讓抗體能進入細胞內部，通常需要對細胞膜進行透化 (permeabilization) 處理，常用 Triton X-100 等去污劑。

2. 抗體結合 (Antibody Binding)：

   • 一級抗體 (Primary Antibody)： 使用對目標蛋白質具有高度特異性的單株或多株抗體（稱為一級抗體）。該抗體會與細胞內的目標蛋白質結合。
   • 二級抗體 (Secondary Antibody)： 使用一種螢光標記的抗體（稱為二級抗體），這種二級抗體能夠識別並結合一級抗體（例如，如果一級抗體是來自兔子的，則使用標記的抗抗兔 IgG 抗體）。

此題考查學生對兩種重要幹細胞類型的定義和特點的理解。

1. 胚胎幹細胞 (Embryonic Stem Cells, ESCs)

• 定義： 胚胎幹細胞是從早期胚胎（通常是囊胚期 blastocyst 的內細胞團 inner cell mass）分離出來的多能性幹細胞。
• 特點：
  • 多能性 (Pluripotency)： 能夠分化成體內所有類型的細胞，包括生殖細胞和所有三胚層（外胚層、中胚層、內胚層）衍生的細胞。
  • 自我更新能力 (Self-renewal)： 在體外培養條件下，可以無限增殖而不喪失其多能性。
  • 來源： 傳統上來自早期胚胎，因此其獲取涉及倫理爭議。

2. 誘導性多能幹細胞 (Induced Pluripotent Stem Cells, iPS cells)

• 定義： 誘導性多能幹細胞是由體細胞（如皮膚細胞、血細胞）經過重編程 (reprogramming) 技術誘導而來的多能性幹細胞。
• 特點：