111 年 國立成功大學生理學研究所《細胞生物學》

此題主要在探討細胞膜電位的產生機制。細胞膜電位的產生與離子跨膜移動有關，但離子濃度本身變化極小，主要體現在電荷分佈的不均。

核心觀念： 細胞膜電位（Membrane Potential）的形成主要來自於離子（如 Na$^+$、K$^+$、Cl$^-$ 等）透過離子通道的跨膜運輸，以及細胞膜內外帶電離子數量的差異，進而造成細胞膜兩側的電位差。

詳解：
該敘述是錯誤的。

細胞膜電位的產生，例如靜止膜電位（resting membrane potential），確實涉及離子（主要是 K$^+$）的跨膜移動。然而，這個移動並非「離子濃度幾乎不受影響」。儘管在短時間內，離子濃度變化確實很小，但膜電位的維持和建立，是依賴於離子透過離子通道（如鉀離子通道）進行選擇性擴散，從高濃度區域移動到低濃度區域。

此題在探討染色體在細胞中的可見性與光學顯微鏡的解析度之間的關係。

核心觀念： 染色體（Chromosome）是細胞核中由 DNA 和蛋白質（主要是組蛋白）組成的結構，攜帶遺傳訊息。光學顯微鏡（Light Microscopy）的解析度（resolution）是其分辨兩個相近物體之間最小距離的能力。

詳解：
該敘述是錯誤的。

DNA 雙股螺旋的寬度約為 2 奈米（nm），這確實遠小於光學顯微鏡的解析度極限（約 200 nm）。然而，染色體並非僅僅是單一的 DNA 雙股螺旋。染色體是由高度壓縮的 DNA 所組成。在細胞週期中，DNA 會與組蛋白結合形成核小體（nucleosome），然後進一步纏繞、摺疊，最終形成高度濃縮的染色體結構。在細胞分裂（尤其是中期）時，染色體會達到其最緊密的狀態，其寬度可以達到數百奈米，甚至微米級別。

雖然在細胞間期（interphase）時，遺傳物質以較鬆散的染色質（chromatin）形式存在，不易觀察，但即使是染色質，其結構也比單一的 DNA 雙股螺旋複雜得多，並且也並非完全無法在光學顯微鏡下觀察到，尤其是在染色後。

此題探討單株抗體（monoclonal antibody）的特異性，以及其與抗原（antigen）結合的原理。

核心觀念： 單株抗體是由單一 B 細胞株產生的抗體，因此所有抗體分子都具有相同的抗體可變區，能識別並結合到單一特定的抗原決定基（epitope）。抗原決定基是抗原分子上能被抗體識別並結合的特定區域。

詳解：
該敘述是正確的。

單株抗體的核心特點就是其高度的特異性。它是通過免疫動物（如小鼠）後，將產生抗體的 B 細胞與骨髓瘤細胞（myeloma cell）融合，形成雜交瘤細胞（hybridoma），然後篩選出能產生特定抗體的雜交瘤細胞株，並進行大量培養而獲得的。由於這些抗體來源於單一的 B 細胞克隆，它們的抗體可變區（variable region）序列是完全相同的。

此題探討人造奶油（Margarine）的製造過程，以及其中涉及的化學反應對脂肪酸飽和度的影響。

核心觀念： 植物油主要由不飽和脂肪酸組成，而人造奶油需要具有一定的固體或半固體狀態，這通常需要提高脂肪的飽和度。這個過程稱為氫化（hydrogenation）。

詳解：
人造奶油的製造過程是將液態的植物油轉化為半固態或固態的脂肪。這個過程主要是通過**氫化（hydrogenation）**來實現的。氫化是指在催化劑（如鎳）的存在下，將不飽和脂肪酸中的碳碳雙鍵（C=C）與氫氣（H$_2$）反應，生成碳碳單鍵（C-C），從而提高脂肪的飽和度。

• 從不飽和轉為飽和：
  植物油中富含不飽和脂肪酸，其特點是碳鏈中含有一個或多個碳碳雙鍵（C=C）。這些雙鍵使得脂肪酸在室溫下呈現液態。
  在氫化過程中，雙鍵會與氫氣反應，被「加氫」，從 C=C 轉變為 C-C 單鍵。
  $\text{R-CH=CH-R'} + \text{H}_2 \xrightarrow{\text{Catalyst}} \text{R-CH}_2\text{-CH}_2\text{-R'}$

此題探討細胞訊號傳遞（cell signaling）過程中，不同類型反應所需時間的差異，以及其根本原因。

核心觀念： 細胞訊號傳遞是細胞接收、處理並響應環境或內部訊號的過程。這個過程可以通過兩種主要途徑實現：1. 快速的蛋白質功能調節；2. 較慢的基因表達調控。

詳解：
細胞對訊號的響應速度取決於響應機制所需的分子步驟和過程。

1. 蛋白質功能調節（毫秒至秒）：
   當訊號分子（如激素、生長因子）與細胞表面的受體結合後，會引發細胞內一系列的蛋白質級聯反應。這些反應通常涉及：

   • 蛋白質的磷酸化/去磷酸化： 透過激酶（kinases）和磷酸酶（phosphatases）對目標蛋白質進行可逆的化學修飾，從而改變其活性、結構或定位。這個過程非常快速，因為它只需要少數幾步酶促反應。
   • 蛋白質構象的改變： 訊號傳遞中的中間產物（如 G 蛋白）會發生構象變化，進而激活下游的蛋白質。
   • 蛋白質的局部化改變： 某些蛋白質可能在細胞內移動到特定的位置，以與其他分子相互作用。
     這些過程，如磷酸化、構象改變、離子通道開放等，都可以在極短的時間內完成，通常在毫秒到數秒之間。這使得細胞能夠對環境變化做出快速反應，例如肌肉收縮、神經傳導等。

2. 基因表達調控（分鐘至小時）：
   當細胞需要產生全新的蛋白質或改變蛋白質的合成量時，就需要啟動基因表達的過程。這個過程比蛋白質功能調節慢得多，因為它涉及多個複雜的步驟：

   • 訊號傳遞到細胞核： 訊號通路必須將訊息傳遞到細胞核。

此題要求描述哺乳動物細胞膜的結構與功能。

核心觀念： 細胞膜（Cell Membrane），也稱為質膜（Plasma Membrane），是包圍細胞的邊界結構，由磷脂雙分子層、蛋白質、膽固醇和醣類組成，具有選擇性通透性，在細胞內外物質交換、訊號傳遞等方面扮演關鍵角色。

詳解：

結構 (Structure)：

哺乳動物細胞膜的結構主要遵循流體鑲嵌模型（Fluid Mosaic Model），其主要組成成分包括：

1. 磷脂雙分子層 (Phospholipid Bilayer)：

   • 組成： 細胞膜的基本骨架是由磷脂分子構成的雙層結構。每個磷脂分子都有一個親水的頭部（含有磷酸基團）和兩個疏水的尾部（脂肪酸鏈）。
   • 排列： 親水頭部朝向細胞內外的水性環境，疏水尾部則朝向內部，形成一個疏水的屏障。
   • 特性： 磷脂雙分子層具有流動性，磷脂分子可以在層內橫向移動，這使得細胞膜具有流動性。

2. 蛋白質 (Proteins)：

   • 種類： 膜蛋白質是細胞膜功能的主要執行者，種類繁多。
   • 整合蛋白 (Integral Proteins)： 這些蛋白質部分或完全嵌入磷脂雙分子層中。它們通常具有疏水區域與磷脂尾部相互作用，以及親水區域暴露在細胞膜外側或內側。許多整合蛋白是跨膜蛋白（transmembrane proteins），貫穿整個膜。
   • 周邊蛋白 (Peripheral Proteins)： 這些蛋白質附著在磷脂雙分子層的表面，通常通過離子鍵或氫鍵與整合蛋白或磷脂頭部結合。
   • 脂錨定蛋白 (Lipid-anchored Proteins)： 這些蛋白質通過共價鍵與脂質分子相連，並被錨定在細胞膜表面。

3. 膽固醇 (Cholesterol)：

   • 位置： 膽固醇分子嵌入在磷脂雙分子層之間。
   • 作用： 膽固醇在維持細胞膜的流動性方面起著雙重作用。在較高溫度下，它能限制磷脂分子的移動，降低膜的流動性；在較低溫度下，它能阻止磷脂分子緊密堆積，增加膜的流動性。它還能增強細胞膜的穩定性和機械強度。

4. 醣類 (Carbohydrates)：

   • 形式： 醣類通常以醣蛋白（glycoproteins）或醣脂（glycolipids）的形式存在，附著在細胞膜的外表面。

此題要求完整描述一種 G 蛋白偶聯受體（GPCR）下游的訊號傳遞途徑。

核心觀念： G 蛋白偶聯受體（GPCRs）是一類細胞膜受體，它們通過激活細胞內的 G 蛋白來傳遞訊號。G 蛋白是一類異三聚體蛋白質，由 $\alpha$、$\beta$、$\gamma$ 三個亞基組成。GPCRs 的下游訊號傳遞途徑多樣，最常見的途徑涉及腺苷酸環化酶（adenylyl cyclase）或磷脂酶 C（phospholipase C）的激活。

詳解：

這裡我們描述一種常見的 GPCR 下游訊號傳遞途徑：通過激活 G$_s$ 蛋白，進而激活腺苷酸環化酶，增加細胞內 cAMP 水平。

步驟：

1. 訊號分子結合受體：
   一個細胞外的訊號分子（如激素、神經傳導物質）與其細胞膜上的特定 G 蛋白偶聯受體（GPCR）結合。

2. GPCR 構象改變與 G 蛋白激活：
   訊號分子與 GPCR 結合後，會引起 GPCR 的構象改變。這個改變使得 GPCR 能夠與細胞質中的一個處於非活性狀態的異三聚體 G 蛋白（G$_s$ 蛋白）相互作用。

   • 非活性 G 蛋白狀態： 在非活性狀態下，G$_\alpha$ 亞基與 GDP 結合，並且 G$_\alpha$、G$_\beta$、G$_\gamma$ 三個亞基緊密結合在一起。
   • 激活過程： GPCR 作為一個鳥苷酸交換因子（guanine nucleotide exchange factor, GEF），促進 G$_\alpha$ 亞基釋放 GDP，並與細胞質中的 GTP 結合。GTP 的結合會引起 G$_\alpha$ 亞基構象改變，使其與 G$_\beta\gamma$ 亞基複合物分離。

3. G$_\alpha$-GTP 激活效應器 (Adenylyl Cyclase)：
   被 GTP 結合並分離出來的 G$_\alpha$ 亞基（G$_\alpha$-GTP）現在處於活性狀態。它會從 GPCR 上脫離，並移動到細胞膜上尋找並激活其下游的效應器蛋白質——腺苷酸環化酶（adenylyl cyclase）。

   • 腺苷酸環化酶是一個膜結合酶，它的功能是將細胞質中的 ATP 轉化為環腺苷酸（cyclic AMP, cAMP）。

4. cAMP 濃度升高與效應器激活：
   被激活的腺苷酸環化酶會催化 ATP 產生大量的 cAMP。cAMP 是一種重要的第二信使（second messenger），它在細胞質中擴散，並激活下游的細胞內效應器。

此題要求簡要描述八種細胞器的主要功能。

核心觀念： 細胞器是真核細胞內具有特定結構和功能的膜包裹或非膜包裹的組分。了解它們各自的主要職責是細胞生物學的基礎。

詳解：

a. Nucleus (細胞核)：
細胞核是真核細胞的遺傳信息中心。其主要功能包括：

• 儲存和保護遺傳物質： 攜帶細胞的 DNA，並將其組織成染色體。
• DNA 複製： 在細胞分裂前進行 DNA 的精確複製。
• 轉錄： 合成各種 RNA 分子（mRNA, tRNA, rRNA 等），是基因表達的第一步。
• 核仁 (Nucleolus)： 位於細胞核內，負責核糖體 RNA (rRNA) 的合成和核糖體亞基的組裝。

【答案】儲存和保護 DNA，進行 DNA 複製和 RNA 轉錄，是基因表達的調控中心。

b. Mitochondria (粒線體)：
粒線體是細胞的「能量工廠」。其主要功能是：

• 細胞呼吸與 ATP 生成： 通過氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）過程，將葡萄糖、脂肪酸等營養物質的化學能轉化為 ATP，為細胞活動提供能量。
• 調節細胞凋亡： 參與啟動程序性細胞死亡（apoptosis）的過程。
• 產生熱能： 在特定情況下（如棕色脂肪組織），可以通過解偶聯磷酸化產生熱量。
• 參與鈣離子穩態： 儲存和釋放鈣離子，影響細胞內鈣信號。

【答案】通過細胞呼吸產生細胞主要能量貨幣 ATP；參與細胞凋亡的啟動。

c. Ribosome (核糖體)：
核糖體是蛋白質合成的場所。其主要功能是：

• 蛋白質轉譯： 讀取 mRNA 上的遺傳密碼，並將氨基酸按照 mRNA 的序列組裝成多肽鏈。
• 結構： 由核糖體 RNA (rRNA) 和蛋白質組成，分為大亞基和小亞基。

【答案】根據 mRNA 的指令合成蛋白質。

d. Endosome (內吞體)：
內吞體是細胞通過內吞作用（endocytosis）將細胞外物質或膜成分運入細胞後形成的膜狀囊泡。其主要功能包括：

• 物質分選和運輸： 內吞體會經歷一系列的成熟過程（早期內吞體、晚期內吞體），在此過程中，內吞的物質被分選，並被導向細胞的不同目的地，如溶酶體降解、細胞膜回收、或通過細胞極性運輸（transcytosis）。
• 受體回收： 某些細胞表面受體在被內吞後，會被運送到內吞體，然後被回收回細胞膜表面，以便重複使用。

【答案】接收通過內吞作用進入細胞的物質和膜成分，並將其分選、運輸至溶酶體或其他目的地。

e. Lysosome (溶酶體)：
溶酶體是細胞內的「消化中心」。其主要功能是：