112 年 國立臺灣大學毒理學研究所《生命科學》

蛋白質的結構可以分為四個層次：初級結構 (primary structure)、次級結構 (secondary structure)、三級結構 (tertiary structure) 和四級結構 (quaternary structure)。

初級結構是指胺基酸在多肽鏈中排列的順序。
次級結構是指多肽鏈局部區域摺疊形成的規則結構，如 $\alpha$-螺旋 (alpha helix) 和 $\beta$-摺疊片 (beta pleated sheet)。
三級結構是指整個多肽鏈在次級結構的基礎上，進一步摺疊形成的三維空間結構。

主動運輸 (active transport) 是一種需要消耗能量（通常是 ATP）才能將物質跨膜運輸的過程。這個過程主要由細胞膜上的膜蛋白執行。

細胞膜的組成部分包括脂質雙層、蛋白質、碳水化合物等。
(A) 周邊蛋白 (peripheral proteins) 通常附著在膜的表面，參與信號傳導或作為酵素，但不直接參與跨膜運輸。

糖解作用 (glycolysis) 是葡萄糖分解為丙酮酸 (pyruvate) 的過程，發生在細胞質中。這個過程可以分為兩個階段：

1. 能量投資階段 (Energy Investment Phase)：在這個階段，細胞需要消耗 ATP 來活化葡萄糖分子，並將其分解為兩個三碳分子。具體來說，需要消耗 2 分子的 ATP（一步需要 ATP，另一步也需要 ATP）。
2. 能量收穫階段 (Energy Payoff Phase)：在這個階段，先前產生的三碳分子會進一步被氧化，產生 ATP 和 NADH。每經過這個階段的兩個三碳分子，可以淨生成 4 分子的 ATP 和 2 分子的 NADH。

因此，糖解作用的總體淨產物是：2 分子的丙酮酸、2 分子的 ATP 和 2 分子的 NADH。

轉錄因子 (transcription factors) 是一類能夠與 DNA 上的特定序列（如啟動子 promoter 或增強子 enhancer）結合的蛋白質，它們能夠調控基因的轉錄 (transcription) 速率。

轉錄因子的主要功能是：

• 結合 DNA：識別並結合基因調控區域的特定 DNA 序列。
• 調控轉錄：通過招募或抑制 RNA 聚合酶 (RNA polymerase) 的活性，來啟動、增強或抑制基因的轉錄。
• 響應信號：許多轉錄因子的活性會受到細胞內外信號的調控，從而使細胞能夠根據環境變化調節基因表達。

題目描述了兩個關鍵的細胞分裂特徵：

1. 細胞板 (cell plate) 的形成：細胞板是植物細胞在有絲分裂 (mitosis) 或減數分裂 (meiosis) 末期，於細胞赤道板位置形成的結構，最終會發育成新的細胞壁，將母細胞分隔成兩個子細胞。動物細胞則是在細胞赤道板位置形成「分裂溝」(cleavage furrow)，通過縊縮來實現細胞質分離。
2. 細胞核在細胞兩端重新形成：這表示細胞已經完成了染色體的分離，正進入末期 (telophase) 或細胞質分裂 (cytokinesis) 階段。

核型 (karyotype) 是指一個生物體細胞內的染色體組成，通常指的是在顯微鏡下觀察到的染色體圖像。一個標準的核型分析會將細胞內的染色體，按照大小、形狀和著絲點位置等特徵進行排序和配對。

核型分析可以揭示染色體的數目異常（如唐氏症的 21 號三體）和結構異常（如染色體片段的缺失、重複、倒位或易位）。

孟德爾的遺傳定律中的「分離定律」(Law of Segregation) 指的是，控制同一性狀的等位基因 (alleles) 在配子形成過程中會彼此分離，每個配子只攜帶其中一個等位基因。這個分離過程的細胞學基礎是減數分裂 (meiosis)。

減數分裂是一個連續的過程，包括減數第一次分裂 (Meiosis I) 和減數第二次分裂 (Meiosis II)。

• 減數第一次分裂 (Meiosis I)：
  • 前期 I (Prophase I)：同源染色體配對並發生遺傳物質交換 (crossing over)。
  • 中期 I (Metaphase I)：同源染色體對排列在赤道板上。
  • 後期 I (Anaphase I)：同源染色體分離，分別移向細胞的兩極。這一步是等位基因分離的關鍵。因為一條染色體上帶有一個等位基因，其同源染色體上帶有另一個等位基因，當同源染色體分離時，這兩個等位基因也就分離了。

染色體結構變異是指染色體在斷裂後，其片段的重新排列所造成的結構改變。

• 缺失 (Deletion)：染色體某一段發生斷裂並遺失。
• 重複 (Duplication)：染色體某一段發生斷裂後，在同源染色體上或非同源染色體上複製了一份。
• 倒位 (Inversion)：染色體某一段發生兩次斷裂，然後斷裂的片段在原來的染色體上以相反方向重新接合。
• 易位 (Translocation)：染色體發生斷裂，然後斷裂的片段連接到非同源染色體上。這可能是單向的（一個片段轉移到另一條染色體）或互惠的（兩條非同源染色體之間片段的交換）。

可變剪接 (Alternative RNA splicing) 是指一個基因轉錄出來的初級轉錄本 (primary transcript, pre-mRNA) 可以透過不同的剪接方式（例如，選擇性地保留或剔除某些外顯子 exon）產生多種不同的成熟 mRNA 分子。這些不同的 mRNA 分子在翻譯 (translation) 後，會產生結構和功能上有所差異的蛋白質。

可變剪接的主要意義在於：

• 擴展蛋白質的多樣性：一個基因可以編碼多種蛋白質，增加了蛋白質組 (proteome) 的複雜性，而不需要擁有數量龐大的基因。
• 產生不同大小的蛋白質：通過包含或排除不同的外顯子，可以產生不同長度（進而不同大小）的蛋白質。
• 調控基因表達：剪接過程本身也可以受到調控，影響特定蛋白質的產生。

可誘導型操縱子 (inducible operon) 和可阻遏型操縱子 (repressible operon) 是原核生物基因調控的兩種主要模式。

可阻遏型操縱子 (Repressible Operon)：
這類操縱子通常負責合成合成代謝所需的酶。在正常情況下（或當產物濃度低時），操縱子是活化的，RNA 聚合酶可以結合啟動子並進行轉錄。
當產物（終產物）濃度升高時，這些產物可以作為輔阻遏劑 (corepressor)，與一個阻遏蛋白 (repressor protein) 結合，形成一個活化的阻遏複合物 (active repressor complex)。這個活化的複合物會結合到操縱子的操縱區 (operator) 上，阻止 RNA 聚合酶結合到啟動子或移動通過，從而抑制轉錄。

DNA 微陣列 (DNA microarray)，也稱為 DNA 晶片，是一種用於同時檢測大量基因表達的技術。它由一個固體載體（如玻璃片）組成，上面固定了已知 DNA 片段（探針 probe），這些探針代表了基因組中的特定基因。

當將樣品（通常是反轉錄的 mRNA，即 cDNA）與微陣列雜交時，樣品中的 cDNA 會與微陣列上互補的探針結合。通過檢測結合的 cDNA 量，就可以推斷出對應基因的表達水平。

DNA 微陣列的優勢在於：

• 高通量 (High-throughput)：能夠同時分析成千上萬個基因的表達。

基因組大小 (genome size) 的差異受多種因素影響，包括編碼 DNA (coding DNA) 和非編碼 DNA (non-coding DNA) 的比例。

• 編碼 DNA：編碼蛋白質的基因序列。
• 非編碼 DNA：包括基因間區 (intergenic regions)、內含子 (introns)、重複序列 (repetitive sequences)、調控序列 (regulatory sequences) 等。在許多生物體中，非編碼 DNA 佔了基因組的很大一部分，並且其含量與基因組大小的差異有很大關係。

Drosophila melanogaster (果蠅) 的基因組相對較小且高度緻密，大部分基因組都被編碼區或調控序列佔據。

馬爾薩斯 (Thomas Malthus) 在其《人口論》(An Essay on the Principle of Population) 中指出，人口的增長趨勢是指數級的，而食物等資源的增長趨勢是算術級的。因此，人口的增長終將受到資源限制，導致競爭、疾病、戰爭等，造成人口與資源之間的「鬥爭」。

達爾文 (Charles Darwin) 在閱讀馬爾薩斯的論文後，深受啟發。他將馬爾薩斯關於人類社會的觀點，應用到了所有生物的生存競爭中。這促成了他自然選擇學說 (theory of natural selection) 的核心概念之一：生存鬥爭 (struggle for existence)。

在生存鬥爭中，由於個體之間存在變異 (variation)，某些具有有利變異的個體更有可能在競爭中生存下來並繁殖後代，將這些有利變異傳遞下去。這種累積的變異和選擇過程，最終導致生物的演化（即「後裔的修飾」Descent with modification）。

革蘭氏陽性菌 (Gram-positive bacteria) 和革蘭氏陰性菌 (Gram-negative bacteria) 的細胞壁結構是細菌分類的重要依據。

• 革蘭氏陽性菌的細胞壁：主要由一層厚厚的肽聚醣 (peptidoglycan) 組成。肽聚醣是一種由醣鏈（N-乙醯葡萄糖胺 NAG 和 N-乙醯胞壁酸 NAM 交替組成）和連接這些醣鏈的短肽鏈組成的複雜聚合物。它為細菌細胞提供了結構支撐，並決定了細菌的形狀。此外，革蘭氏陽性菌的細胞壁還含有磷壁酸 (teichoic acids) 和脂磷壁酸 (lipoteichoic acids)，但肽聚醣是其主要成分。

基礎代謝率 (Basal Metabolic Rate, BMR) 是指生物體在安靜、清醒、空腹且處於舒適溫度下的最低能量消耗速率。為了準確測量 BMR，需要確保動物處於一個能反映其基礎能量需求的狀態，避免受到其他生理活動的影響。

測量 BMR 的理想條件通常包括：

• 休息狀態 (Resting)：動物必須完全休息，沒有進行任何體力活動。
• 空腹 (Post-absorptive state)：動物在測量前需要禁食一段時間（通常是 12-14 小時），以確保消化和吸收食物所需的能量消耗已經停止。這稱為「空腹狀態」。
• 環境舒適：溫度、濕度等環境因素應保持在動物感覺舒適的範圍內，避免過冷或過熱引起額外的能量消耗。

核心觀念

本題考查胰島素、升糖素與甲狀腺素在能量代謝中的功能。

• 胰島素（insulin）：進食後增加，促進葡萄糖進入細胞，並促進肝醣合成、脂肪合成與蛋白質合成，屬於「儲存能量」的同化作用。
• 升糖素（glucagon）：血糖降低或需要動員肝醣時增加，促進肝醣分解與糖質新生，使血糖上升，屬於短期的能量動員作用。
• 甲狀腺素（thyroid hormone）：提高細胞的基礎代謝率與氧氣消耗，促進整體能量利用。因此，當人體需要提高整體代謝及能量消耗時，甲狀腺素的作用會增強。

解題方法

題幹問的是「當人體需要更多能量時，哪一項荷爾蒙作用會發生」。判斷重點在於區分：

1. 是要「儲存能量」；
2. 是要「短期釋放血糖」；
3. 還是要「提高整體代謝率」。

「需要更多能量」在本題中指人體整體代謝需求增加，因此應聯想到甲狀腺素提高基礎代謝率的功能。

甲狀腺素會促進細胞代謝，使營養物質被更快速地氧化，產生更多 ATP，故正確選項為 （E）。

選項分析

• （A）Blood insulin increases.
  錯誤。胰島素主要在血糖升高、進食後增加，作用是促進葡萄糖利用與能量儲存。當人體需要動員額外能量時，胰島素通常不會增加。

淋巴系統 (lymphatic system) 的主要功能之一是回收組織液 (interstitial fluid) 中多餘的水分、蛋白質和其他大分子，將其運回血液循環。毛細血管 (capillary) 的滲透性會讓一部分血漿中的水分和溶質滲出到組織間隙，形成組織液。大部分的組織液會被毛細血管重新吸收，但仍有一部分（約 2-4 升/天）需要通過淋巴管回收。

如果與毛細血管床相關的淋巴管發生阻塞 (blocked)，淋巴液的回收功能將受損。

克隆選擇 (Clonal selection) 是免疫學中的一個核心概念，用來解釋適應性免疫 (adaptive immunity) 的產生機制，特別是 B 細胞 (B cells) 和 T 細胞 (T cells) 如何對抗特定的抗原 (antigen)。

其基本原理是：

1. 多樣性：免疫系統在發育過程中，通過基因重排 (gene rearrangement) 等機制，產生了數量龐大的 B 細胞和 T 細胞群體，每個細胞表面都攜帶獨特的抗原受體（BCR 或 TCR）。
2. 選擇：當一個特定的抗原進入體內時，它只能與那些表面攜帶能識別該抗原的受體的細胞（B細胞或T細胞）結合。

動物體內含氮廢物 (nitrogenous wastes) 的主要來源是蛋白質 (proteins) 和核酸 (nucleic acids) 的分解代謝 (catabolism)。

• 蛋白質的分解代謝：蛋白質由胺基酸組成。胺基酸的代謝過程中，胺基 (amino group, -NH$_2$) 會被移除，形成氨 (ammonia, NH$_3$)。氨是一種有毒物質，在肝臟中會被轉化為尿素 (urea) 或在某些動物中轉化為尿酸 (uric acid)，這些是主要的含氮排泄物。
• 核酸的分解代謝：核酸（DNA 和 RNA）由核苷酸組成。核苷酸中的含氮鹼基 (nitrogenous bases) 在分解代謝時，其含氮部分也會產生含氮廢物，如氨、尿素或尿酸。

生物組織的層級 (levels of biological organization) 是從微觀到宏觀，由小到大排列的。題目要求的是從「最廣泛/包容性最大」(most inclusive) 到「最狹窄/包容性最小」(least inclusive) 的順序。

以下是常見的生物組織層級，由小到大排列：

1. 個體 (Individual)：單一生物體。
2. 族群 (Population)：同一物種在同一時間、同一地點生活的一群個體。
3. 群落 (Community)：在同一地點生活的所有不同物種的族群的集合。
4. 生態系 (Ecosystem)：群落及其非生物環境（如陽光、空氣、水、土壤）的總和。
5. 生物圈 (Biosphere)：地球上所有生態系的總和，即所有有生命存在的部分。

適應性免疫 (Adaptive immunity)，又稱為後天免疫或獲得性免疫，是脊椎動物特有的一種免疫機制。它具有高度的特異性，能夠識別和記憶特定的病原體或外來物質（抗原），並在再次接觸時產生更強烈、更快速的免疫反應。

適應性免疫的主要特點包括：

1. 特異性 (Specificity)：免疫系統能夠精確識別特定的抗原，並針對該抗原產生反應。
2. 多樣性 (Diversity)：免疫系統能夠識別數以百萬計的不同抗原。
3. 記憶性 (Memory)：在初次接觸抗原後，免疫系統會產生記憶細胞，當再次接觸相同的抗原時，能夠迅速啟動二次免疫反應，反應強度和速度都遠超初次反應。

內共生說 (Endosymbiosis)，或稱內共生假說，是一種關於真核細胞（Eukaryotic cell）起源的理論。該理論認為，某些細胞器，特別是粒線體 (mitochondria) 和葉綠體 (chloroplasts)，最初是獨立生活的原核生物（如細菌），它們被更大的宿主細胞吞噬，但沒有被消化，而是與宿主細胞形成了共生關係。

根據內共生說：

• 粒線體：是由一種好氧的變形桿菌 (alpha-proteobacterium) 被吞噬而來。
• 葉綠體：是由一種藍綠菌 (cyanobacterium) 被吞噬而來。

核心觀念

遺傳漂變（genetic drift）是族群中等位基因頻率因有限個體的隨機抽樣而逐代改變的現象。即使沒有自然選擇，下一代個體形成時的抽樣也可能使等位基因頻率偏離上一代；族群越小，這種隨機波動越明顯。

以二倍體族群為例，若某等位基因在目前族群的頻率為 $p$，另一等位基因頻率為 $q=1-p$，有效族群大小為 $N_e$，則下一代等位基因頻率 $p'$ 的期望值與變異數為：

$$E[p']=p$$ $$\operatorname{Var}(p')=\frac{pq}{2N_e}$$

這表示在許多個獨立族群中，頻率變化的平均值為零；但單一族群仍會因隨機抽樣而上下波動。這種波動可能使等位基因最終固定，頻率成為 $1$，或喪失，頻率成為 $0$。

對中性等位基因而言，若其初始頻率為 $p_0$，最終固定的機率為 $p_0$，喪失的機率為 $1-p_0$。族群內的異合度則會因漂變逐代降低；在有效族群大小固定時：

$$H_t=H_0\left(1-\frac{1}{2N_e}\right)^t$$

其中 $H_0$ 是初始異合度，$H_t$ 是經過 $t$ 代後的預期異合度。

解題方法

負回饋 (Negative feedback)，也稱為負回饋機制或負回饋調節，是一種在生物體內或系統中用來維持穩定的調節機制。其基本原理是：當某個生理參數（如體溫、血糖濃度、激素水平）偏離其設定點 (set point) 時，系統會產生一個反應，這個反應會抑制或減緩最初導致該偏離的變化。

負回饋的作用是將系統拉回到其穩定的平衡狀態。

負回饋的組成部分通常包括：

1. 感測器 (Sensor/Receptor)：監測生理參數的變化。
2. 調控中心 (Control Center)：比較感測器的輸入與設定點，並決定是否需要發出反應。

選擇性通透性 (Selective permeability)，也稱為半透性 (semipermeability)，是指細胞膜或某些人工膜允許某些物質（分子或離子）通過，而阻止其他物質通過的性質。

這是一個細胞膜維持細胞內外環境穩定的關鍵特性。

選擇性通透性是通過細胞膜的結構實現的：

1. 脂質雙層 (Lipid bilayer)：脂質雙層主要允許小分子、非極性分子（如氧氣 O$_2$、二氧化碳 CO$_2$、脂溶性分子）自由通過。帶電的離子和極性大分子（如葡萄糖、胺基酸）則難以通過。

當一個正在細胞分裂期的細胞（例如，處於有絲分裂中期 Mitosis M phase）與一個剛分裂完成（處於間期 Interphase）的細胞融合時，融合後的細胞會表現出特殊的行為，主要是因為細胞週期調控機制被破壞。

融合後細胞的變化：
融合後的細胞，如果其中一個細胞處於分裂期（M期），而另一個細胞處於間期（Interphase），則該融合細胞會被誘導進入分裂期。具體來說：

1. 染色體凝集 (Chromosome condensation)：間期細胞中的染色質（未凝集的 DNA）會被分裂期細胞中的細胞週期蛋白（cyclins）和細胞週期蛋白依賴性激酶（CDKs）誘導而開始凝集，形成可見的染色體。
2. 核膜解體 (Nuclear envelope breakdown)：分裂期細胞中的 MPF (Maturation-Promoting Factor) 等關鍵因子會促進核膜的解體，為染色體移動做準備。
3. 紡錘體形成 (Spindle formation)：雖然間期細胞本身沒有紡錘體，但分裂期細胞的紡錘體結構會擴散並「感染」到融合細胞的其他部分，誘導間期細胞的染色體也參與紡錘體的形成和排列。
4. 染色體排列與分離：最終，融合細胞的所有染色體（來自兩個親代細胞）會排列在赤道板上，然後進行分離。

粒線體 (mitochondria) 和葉綠體 (chloroplasts) 都是真核細胞中的重要胞器，它們都擁有自己的 DNA 和核糖體，並且都通過細胞內共生說 (endosymbiosis) 演化而來。兩者在能量轉換過程中都涉及電子傳遞鏈 (ETC)，但它們的目的、能量來源、最終產物以及電子來源有所不同。

相同點 (Similarities):

1. 電子傳遞鏈 (ETC)：兩者都包含一個或多個電子傳遞鏈，這些鏈由一系列的電子載體蛋白質複合物組成，能夠將電子從高能級傳遞到低能級。
2. 質子梯度 (Proton gradient)：電子傳遞過程中釋放的能量被用來將質子 (H$^+$) 泵送到膜的另一側，建立質子濃度梯度。
3. ATP 合成 (ATP synthesis)：質子通過 ATP 合成酶 (ATP synthase) 順濃度梯度回流，利用質子動能驅動 ADP 和無機磷酸 (Pi) 合成 ATP。這個過程稱為化學滲透 (chemiosmosis)。
4. 膜結構：ETC 和 ATP 合成酶都位於各自的內膜上（粒線體的內膜，葉綠體的類囊體膜 thylakoid membrane）。
5. 光合作用中心/光系統 (Photosystems in chloroplasts)：葉綠體的光系統 I (PSI) 和光系統 II (PSII) 包含光收集複合物 (light-harvesting complex, LHC)，負責吸收光能。粒線體沒有直接的光收集系統，但其 ETC 的起始點（如複合體 I）接收來自 NADH 和 FADH$_2$ 的高能電子。

不同點 (Differences):

特徵	粒線體 (Mitochondria)	葉綠體 (Chloroplasts)
主要功能	細胞呼吸 (Cellular respiration)，釋放能量	光合作用 (Photosynthesis)，固定能量

神經訊息在神經系統中的傳遞之所以能維持單一方向性，主要是由以下兩個關鍵的結構和功能特性所決定的：

1. 神經元的結構與突觸 (Synapse) 的極性：
   • 單向傳導：神經衝動 (nerve impulse) 或動作電位 (action potential) 在神經元上的傳導是雙向的，但訊息從一個神經元傳遞到另一個神經元（或到效應器）的過程，只能在突觸處發生，且是單向的。
   • 突觸結構：突觸由突觸前膜 (presynaptic membrane)、突觸間隙 (synaptic cleft) 和突觸後膜 (postsynaptic membrane) 組成。
   • 訊息傳遞方式：當動作電位傳遞到突觸前神經元的軸突末梢 (axon terminal) 時，會觸發儲存在突觸小泡 (synaptic vesicles) 中的神經傳導物質 (neurotransmitters) 釋放到突觸間隙。這些神經傳導物質擴散到突觸後膜，並與突觸後膜上的特定受體 (receptors) 結合。這種結合會引起突觸後膜的離子通道開放或關閉，從而產生突觸後電位 (postsynaptic potential)，影響下一個神經元的興奮或抑制。
   • 極性原因：
     • 神經傳導物質只儲存在突觸前神經元的軸突末梢。
     • 受體只存在於突觸後膜。
     • 因此，訊息只能從突觸前神經元傳遞到突觸後神經元，方向是固定的。

多重受精 (polyspermy) 是指一個卵細胞 (egg cell) 被多個精子 (sperm) 同時受精的現象。在大多數動物中，多重受精是不利的，因為這會導致受精卵擁有異常數目的染色體，從而無法正常發育。因此，細胞進化出了兩種主要的機制來防止多重受精：快速阻斷 (fast block) 和後期阻斷 (slow block)。

1. 快速阻斷 (Fast Block)：電位阻斷 (Electrical Block)

• 運作原理：快速阻斷是一種電生理學的機制，發生在精子與卵細胞膜接觸的極短時間內（幾秒到幾分鐘）。
• 機制：
  • 當第一個精子成功穿透卵細胞的卵丘細胞 (corona radiata) 和透明帶 (zona pellucida)，並與卵細胞膜 (oocyte plasma membrane) 結合時，精子會將其頭部內的細胞核注入卵細胞。
  • 精子的注入會導致卵細胞膜的去極化 (depolarization)。這是因為精子可能攜帶了某些離子（如 Na$^+$）進入卵細胞，或者改變了卵細胞膜上離子的通透性。
  • 卵細胞膜的去極化會產生一個動作電位。這個電位變化會改變卵細胞膜周圍的電場。
  • 這個電場的變化會迅速阻止其他精子與卵細胞膜的結合，或阻止其他精子進一步穿透卵細胞膜。
• 有效性：快速阻斷是一種暫時性的阻斷，可以在數分鐘內失效。

2. 後期阻斷 (Slow Block)：生理學阻斷 (Biochemical Block)

• 運作原理：後期阻斷是一種生化學的機制，發生在精子與卵細胞融合之後，並且需要細胞內鈣離子 (Ca$^{2+}$) 的釋放。
• 機制：