109 年 國立成功大學細胞生物與解剖研究所《細胞生物學》

本題主要在考察細胞週期各階段的定義以及在各階段中扮演重要角色的調控蛋白。細胞週期是一個嚴謹且受高度調控的過程，確保細胞能準確地複製其遺傳物質並分裂成兩個子細胞。

細胞週期階段 (Cell Cycle Phases)

細胞週期主要分為四個階段：G1期 (Gap 1 phase)、S期 (Synthesis phase)、G2期 (Gap 2 phase) 和 M期 (Mitotic phase)。其中，S期、G2期和M期通常被合稱為M期 (M phase)，而G1期則是一個獨立的階段。

1. G1期 (Gap 1 phase):

   • 定義: 這是細胞分裂後到 DNA 合成開始前的生長時期。在這個時期，細胞進行正常的代謝活動，合成蛋白質和 RNA，並增大體積。細胞會評估其生長環境和自身狀態，決定是否進入下一個階段。
   • 關鍵事件: 細胞生長、合成 RNA 和蛋白質、準備進入 S 期。
   • 調控蛋白:
     • Cyclins: 主要是 D 型 Cyclin (Cyclin D) 在 G1 期活躍，與 Cyclin-dependent kinases (CDKs) 形成複合體（如 Cyclin D-CDK4/6）。
     • CDKs: CDK4 和 CDK6 是 G1 期主要的 CDK 之一，它們與 Cyclin D 結合後，會磷酸化視網膜母細胞瘤蛋白 (Retinoblastoma protein, pRb)。
     • pRb (Retinoblastoma protein): 在 G1 期，pRb 通常處於未磷酸化狀態，它會與轉錄因子 E2F 結合，抑制 E2F 的活性，進而阻止細胞進入 S 期。當 CDK4/6 磷酸化 pRb 後，pRb 會釋放 E2F，使其能夠啟動 S 期相關基因（如 DNA 聚合酶、胸苷激酶等）的轉錄，推動細胞進入 S 期。
     • p53: 是一個重要的腫瘤抑制基因，在 DNA 受損時會誘導細胞週期停滯，允許 DNA 修復。如果損傷無法修復，p53 則可能誘導細胞凋亡。在 G1 期，p53 的作用是阻止細胞進入 S 期，直到 DNA 損傷修復。

2. S期 (Synthesis phase):

   • 定義: 這是細胞複製其 DNA 的時期。每個染色體都會被精確地複製，形成兩個姐妹染色分體 (sister chromatids)。
   • 關鍵事件: DNA 複製。
   • 調控蛋白:
     • Cyclins: 主要是 E 型 Cyclin (Cyclin E) 在 G1/S 過渡期活躍，與 CDK2 形成複合體 (Cyclin E-CDK2)。這個複合體進一步磷酸化 pRb，確保 E2F 的釋放，啟動 S 期。
     • CDKs: CDK2 在 S 期扮演重要角色，與 Cyclin E 和 Cyclin A 結合。Cyclin A-CDK2 複合體負責啟動 DNA 複製起始複合物 (ORC) 的一些組分，並促進 DNA 複製的進行。
     • PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen): 是一種 DNA 聚合酶的輔助因子，在 S 期 DNA 複製時大量表現。

3. G2期 (Gap 2 phase):

   • 定義: 這是 DNA 複製完成後到細胞分裂開始前的時期。細胞在此階段繼續生長，並合成 M 期所需的蛋白質，同時檢查 DNA 是否完整複製。
   • 關鍵事件: 細胞生長、合成 M 期蛋白質、DNA 檢查。

本題主要考察學生對粒線體的結構和功能的理解。粒線體是細胞內重要的胞器，負責細胞能量代謝和多種生理功能。

粒線體結構 (Schematic Structure of Mitochondria)

粒線體是一個雙層膜的胞器，其結構特徵與功能緊密相關：

1. 外膜 (Outer membrane): 是一層光滑的膜，含有孔蛋白 (porins)，允許小分子 (<5000 Da) 自由通過，具有一定的通透性。
2. 內膜 (Inner membrane): 緊密貼附在基質，但具有大量的摺疊，形成嵴 (cristae)。這些摺疊極大地增加了內膜的表面積，這對於電子傳遞鏈和 ATP 合成至關重要。內膜對大多數物質具有高度選擇性通透性，只允許特定離子和分子通過專門的轉運蛋白。內膜上附著有電子傳遞鏈複合物和 ATP 合成酶。
3. 膜間隙 (Intermembrane space): 位於外膜和內膜之間，其離子組成（尤其是 H+ 濃度）與細胞質不同，是質子梯度的形成區域。
4. 基質 (Matrix): 位於內膜內部，是一個濃稠的膠狀物質。其中含有粒線體的自身 DNA (mtDNA)、核糖體、多種酶（如參與克氏循環的酶、脂肪酸氧化酶）、離子和代謝中間產物。

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】（在此處想像一個粒線體的示意圖，包含上述結構）

粒線體功能 (Detail Functions of Mitochondria)

粒線體具有多種關鍵功能，以下描述至少兩項詳細功能：

1. ATP 的產生 (ATP Production via Oxidative Phosphorylation):
   • 詳細描述: 這是粒線體最核心的功能，即透過氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 的過程產生細胞絕大多數的 ATP。這個過程主要發生在粒線體內膜上，包含兩個主要步驟：
     • 電子傳遞鏈 (Electron Transport Chain, ETC): 來自葡萄糖（經糖解和丙酮酸氧化）和脂肪酸（經 $\beta$-氧化）的電子載體 (NADH 和 FADH2) 將高能電子傳遞給內膜上的一系列蛋白質複合物 (Complex I-IV)。在電子傳遞過程中，能量被釋放出來，用於將質子 (H+) 從基質泵送到膜間隙，從而建立起一個跨越內膜的質子梯度（膜電位和化學梯度，即質子動力勢, proton-motive force）。氧是最終的電子接受者，與電子和質子結合形成水。

本題主要考察細胞膜的主要組成成分及其結構特徵。細胞膜是細胞的邊界，具有選擇性通透性，並參與細胞識別、信號傳導等多種功能。

細胞膜主要組成成分 (Major Composition of Cell Membrane)

細胞膜主要由三類大分子組成：脂質 (lipids)、蛋白質 (proteins) 和碳水化合物 (carbohydrates)。其中，脂質和蛋白質是構成細胞膜結構和功能的基本單元，碳水化合物則主要與蛋白質或脂質結合，位於細胞膜的外表面。

1. 脂質 (Lipids): 佔細胞膜總重量的約 20-80%，其中磷脂 (phospholipids) 是最主要的成分。

   • 磷脂 (Phospholipids): 磷脂分子具有兩親性 (amphipathic) 特徵，即同時具有親水頭部 (hydrophilic head) 和疏水尾部 (hydrophobic tail)。
     • 親水頭部: 通常包含磷酸基團，並可能連接一個帶電荷或極性的基團（如膽鹼、乙醇胺、絲氨酸、肌醇等）。
     • 疏水尾部: 由兩條脂肪酸鏈組成，其中一條通常是飽和的，另一條是不飽和的（含有雙鍵），這使得細胞膜具有一定的流動性。
     • 雙層結構: 在水性環境中，磷脂分子會自發地排列成雙層結構 (lipid bilayer)，親水頭部朝向細胞內外兩側的水環境，疏水尾部則相對聚集在雙層的中間，形成一個疏水的屏障。這是細胞膜結構的基礎。
   • 膽固醇 (Cholesterol): 在動物細胞膜中含量較高，也是一種兩親性分子。膽固醇的疏水環狀結構嵌入磷脂雙層的疏水區域，而其親水的 -OH 基團則靠近磷脂的親水頭部。膽固醇的作用是調節膜的流動性：在較高溫度下，它會限制磷脂分子的運動，降低膜的流動性；在較低溫度下，它會插入磷脂分子之間，阻止磷脂緊密堆積，防止膜變得過於僵硬，從而維持膜的流動性。
   • 醣脂 (Glycolipids): 是由脂質（通常是神經鞘脂質）與碳水化合物鏈連接而成的分子。它們主要位於細胞膜的外表面，參與細胞識別、細胞間的相互作用和信號傳導。

2. 蛋白質 (Proteins): 佔細胞膜總重量的約 20-70%，負責細胞膜的大部分功能。

   • 整合蛋白 (Integral proteins): 這些蛋白質嵌入或穿過脂質雙層。

本題旨在考察學生對細胞骨架主要組成成分及其功能的理解。細胞骨架是真核細胞內一個動態的蛋白質纖維網絡，對於維持細胞形態、運動和物質運輸至關重要。

細胞骨架主要結構 (Major Structures of Cytoskeleton)

細胞骨架主要由三種類型的蛋白質絲狀結構組成，它們在直徑、組成和功能上有所不同：

1. 微絲 (Microfilaments, MF) / 肌動蛋白絲 (Actin filaments):

   • 結構: 直徑約 7 nm，是由肌動蛋白 (actin) 單體聚合而成的一種雙螺旋結構的纖維。肌動蛋白單體有兩種形式：G-actin (球狀單體) 和 F-actin (纖維狀聚合物)。微絲具有極性，一端為正極 (+ end)，另一端為負極 (- end)，聚合和解聚速率不同。
   • 分佈: 廣泛存在於細胞質中，尤其集中在細胞皮層 (cell cortex) 下，形成細胞的骨架結構。
   • 功能:
     • 維持細胞形態與支撐: 尤其是在細胞邊緣，微絲網絡支撐細胞的形狀，並參與形成細胞的各種突起，如微絨毛 (microvilli)。
     • 細胞運動 (Cell movement):
       • 阿米巴運動 (Amoeboid movement): 通過肌動蛋白的聚合和解聚，以及與運動蛋白（如肌球蛋白 myosin）的協同作用，使細胞能夠延展細胞質，形成葉足 (pseudopods)，推動細胞向前移動。
       • 細胞爬行 (Cell crawling): 在細胞爬行過程中，肌動蛋白聚合在細胞前端形成新的附著點，而後端的肌球蛋白則提供收縮力，拉動細胞體移動。
     • 肌肉收縮 (Muscle contraction): 在肌肉細胞中，肌動蛋白絲與肌球蛋白絲相互滑動，產生收縮力。
     • 細胞質流動 (Cytoplasmic streaming): 在某些細胞（如植物細胞、大型真菌）中，微絲網絡和肌球蛋白參與驅動細胞質的流動，運輸胞質中的物質。
     • 細胞分裂 (Cell division): 在細胞質分裂 (cytokinesis) 過程中，肌動蛋白絲和肌球蛋白形成收縮環 (contractile ring)，在細胞赤道板處收縮，將細胞質缢裂成兩個子細胞。
     • 胞內運輸: 參與某些細胞器的運輸。

2. 中間絲 (Intermediate filaments, IF):

   • 結構: 直徑約 8-12 nm，是細胞骨架中直徑居中的纖維。它們是由多種類型的蛋白質聚合而成，這些蛋白質具有一個共同的中心 $\alpha$-螺旋結構域，但末端序列差異很大，導致中間絲的種類非常多樣。與微絲和微管不同，中間絲的結構相對穩定，不易解聚，且沒有明顯的極性。它們通常以繩索狀的纖維束形式存在。
   • 分佈: 分布於細胞質中，並延伸到細胞核周圍。
   • 功能:
     • 機械強度和抗張力 (Mechanical strength and tension resistance): 這是中間絲最主要的功能。

本題主要考察微小 RNA (miRNA) 在基因表達調控中的作用機制。miRNA 是一類內源性的、非編碼的短 RNA 分子，在轉錄後水平調控基因表達。

miRNA 調控基因表達的機制

miRNA 調控基因表達主要通過與靶 mRNA 分子結合，進而抑制蛋白質的合成。這個過程涉及幾個關鍵步驟和分子：

1. miRNA 的生成 (Biogenesis of miRNA):

   • miRNA 的基因在細胞核內由 RNA 聚合酶 II (或 III) 轉錄，生成長鏈的初級轉錄物 (pri-miRNA)。
   • Pri-miRNA 在細胞核內經過一系列加工，由酶複合物 Drosha-DGCR8 (Pasha) 進行剪切，形成一個稱為莖環結構的短前體 miRNA (pre-miRNA)。
   • Pre-miRNA 被輸出到細胞質。
   • 在細胞質中，Dicer 酶（一種 RNase III 核酸酶）會進一步剪切 pre-miRNA，生成一個約 20-25 個核苷酸對的雙鏈 miRNA 複合物 (miRNA duplex)。

2. miRNA-誘導沉默複合物 (RISC) 的形成與靶向 (RISC Formation and Targeting):

   • miRNA duplex 中的一條鏈（通常是較不穩定的那條鏈，稱為 passenger strand 或 star strand）會被降解，而另一條鏈（稱為 guide strand）則與一個蛋白質複合物結合，形成 RNA 誘導沉默複合物 (RNA-induced silencing complex, RISC)。RISC 的核心組分是 Argonaute (Ago) 蛋白。
   • RISC 複合物攜帶 guide strand miRNA，並在細胞質中尋找與其 guide strand 序列互補的靶 mRNA 分子。

3. 靶向機制與基因表達抑制 (Targeting Mechanism and Gene Expression Inhibition):

   • miRNA-RISC 複合物主要通過兩種方式調控靶 mRNA 的表達：