111 年 國立成功大學細胞生物與解剖研究所《細胞生物學》

本部分為名詞解釋題，總共列出12個詞彙，考生需從中任選10題作答，每題4分，總計40分。此處僅列出題幹，無標準答案。考生需依據細胞生物學的知識，對每個詞彙進行精確且具體的解釋。

以下提供幾個範例的解釋方向：

• Ribosome: 核糖體是細胞質中負責蛋白質合成的細胞器，由核糖體RNA (rRNA) 和蛋白質組成，分為大、小次單元。它能讀取mRNA上的遺傳密碼，並將胺基酸組合成多肽鏈。

• Apoptosis: 細胞凋亡是一種程序性細胞死亡，是維持組織穩態的重要生理過程。它涉及一系列細胞內事件，包括細胞收縮、染色質凝集、DNA斷裂，最終形成凋亡小體，被吞噬細胞清除，避免引起發炎反應。

• Chaperone protein: 輔助因子蛋白（或稱分子伴侶）是一類在細胞內協助其他蛋白質正確摺疊、組裝、運輸和降解的蛋白質。它們可以防止蛋白質在合成或壓力條件下發生錯誤摺疊，維持蛋白質的結構和功能。

• Chromatin: 染色質是位於真核細胞核內，由DNA與組蛋白（histone）等蛋白質緊密纏繞形成的複合物。它是染色體的主要組成成分，負責將極長的DNA分子壓縮，並在基因表現調控中扮演重要角色。

• DNA methylation: DNA甲基化是表觀遺傳調控的一種機制，指在DNA分子上，特別是胞嘧啶（cytosine）的第五個碳原子上，添加一個甲基基團（-CH3）。它通常發生在CpG dinucleotides，並與基因沉默有關。

此題考查細胞分裂中的「有絲分裂」（Mitosis）過程，要求考生詳細說明其各個階段的事件，特別是染色體的複製、分離與細胞的分裂。

有絲分裂是真核細胞進行無性生殖或生長、修復的方式，其結果是產生兩個與母細胞遺傳物質完全相同的子細胞。這個過程主要包含下列幾個階段：

1. 間期 (Interphase)
雖然間期不是有絲分裂本身，但它是細胞準備進入分裂的必要階段，包含三個時期：

• G1期 (Gap 1)：細胞生長，合成蛋白質和RNA，為DNA複製做準備。
• S期 (Synthesis)：DNA複製的時期。在S期結束時，每個染色體都包含兩個緊密結合的姊妹染色分體（sister chromatids）。
• G2期 (Gap 2)：細胞繼續生長，合成紡錘體所需的蛋白質，並檢查DNA複製的準確性。

2. 有絲分裂期 (M phase)
有絲分裂期又可細分為核分裂（Mitosis）和細胞質分裂（Cytokinesis）。核分裂包含以下階段：

• 前期 (Prophase)：

  • 染色質開始縮集，變得越來越短、粗，最終形成肉眼可見的染色體。
  • 每個染色體由兩個姊妹染色分體組成，透過著絲點（centromere）連接。
  • 核仁（nucleolus）消失。
  • 中心體（centrosome）開始向細胞兩極移動，並形成紡錘絲（spindle fibers），構成紡錘體（mitotic spindle）。

• 前中期 (Prometaphase)：

  • 核膜（nuclear envelope）破裂，細胞質與核內的染色體混合。
  • 紡錘絲開始附著在染色體著絲點上的動原體（kinetochore）上。
  • 染色體開始在細胞中央移動。

此題考查真核細胞的細胞骨架（Cytoskeleton）系統。考生需要闡述細胞骨架的主要組成成分，並詳細說明微絲（microfilaments）、中間絲（intermediate filaments）和微管（microtubules）的結構與功能。

細胞骨架是細胞質中一個動態的、由蛋白質纖維組成的網絡，它提供細胞結構支撐，維持細胞形態，並參與細胞運動、物質運輸、細胞分裂等重要過程。細胞骨架主要由三種蛋白質纖維構成：

1. 微絲 (Microfilaments)

• 結構: 主要由肌動蛋白（actin）單體聚合而成，形成雙股螺旋結構。微絲通常較細（直徑約7奈米），具有極性（-端和+端），可以在+端快速聚合，在-端快速解聚，使其具有動態不穩定性。
• 功能:
  • 維持細胞形狀: 在細胞皮質（cortex）形成網絡，支撐細胞膜，維持細胞形態。
  • 細胞運動: 參與細胞爬行運動（如變形蟲運動）、肌肉收縮（與肌球蛋白協同作用）。
  • 細胞質流動 (Cytoplasmic streaming)：在植物細胞和某些大型動物細胞中，協助胞器在細胞質中移動。
  • 細胞分裂: 在動物細胞中，形成收縮環，參與細胞質分裂。
  • 細胞內運輸: 協助胞器在細胞質中的移動。

2. 中間絲 (Intermediate Filaments)

• 結構: 由多種蛋白質（如角蛋白Keratin、波形蛋白Vimentin、神經絲Neurofilaments、核纖層Lamins等）構成，結構比微絲和微管更為粗大（直徑約8-12奈米），且結構穩定，無極性。它們通常形成堅韌的繩索狀結構，相互纏繞。
• 功能:
  • 機械強度: 提供細胞和組織卓越的機械強度和抵抗拉伸的能力，防止細胞被拉扯破裂。

此題考查細胞膜上的「膜運輸蛋白」（Membrane Transport Proteins）。考生需要定義膜運輸蛋白，並著重闡述其結構、原理及通道蛋白（channels）與載體蛋白（transporters）兩大類型的作用機制。

膜運輸蛋白是嵌入或附著於細胞膜上的蛋白質，負責調控物質進出細胞的過程。它們提供了除了單純擴散（simple diffusion）之外，更具選擇性和效率的跨膜運輸途徑。膜運輸蛋白主要分為兩大類：離子通道（Ion Channels）和載體蛋白（Transporters）。

1. 膜運輸蛋白的結構與原理

• 結構: 大部分膜運輸蛋白是整合性膜蛋白（integral membrane proteins），它們具有疏水性的跨膜結構域，能夠嵌入脂質雙層。許多運輸蛋白由多個跨膜α螺旋構成，形成一個孔道或一個能夠改變構象的結構。
• 原理: 運輸蛋白的作用原理是基於物質的濃度梯度或電化學梯度（對於離子），或藉助能量（ATP水解或另一種物質的梯度）來推動物質跨膜。它們提供了一個水性的通道或一個能夠結合特定溶質的位點，從而實現跨膜運輸。

2. 離子通道 (Ion Channels)

• 結構: 通常由數個跨膜蛋白質亞基組成，圍繞中央形成一個親水性的離子通道。這些通道具有選擇性，只允許特定大小和電荷的離子通過。
• 原理與機制:
  • 擴散性運輸 (Facilitated diffusion)：離子通道允許離子順著其電化學梯度快速通過膜，無需消耗額外能量。
  • 門控機制 (Gating)：大多數離子通道具有門（gate），可以打開或關閉，調節離子的通過。門控的類型包括：
    • 電壓門控 (Voltage-gated)：對膜電位的變化敏感，如神經細胞的鈉離子通道。
    • 配體門控 (Ligand-gated)：需要與特定分子（配體）結合後才能打開，如神經遞質受體。
    • 機械門控 (Mechanically-gated)：對機械力（如拉伸）敏感。

好的，這題是關於「即時反轉錄聚合酶鏈式反應 (RT-PCR)」的原理及其與一般 PCR 的差異。這題主要考驗你對分子生物學中核酸檢測技術的理解，特別是 RNA 的偵測與放大。

解題過程

什麼是 RT-PCR？

RT-PCR (Real-time Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction) 是一種結合了反轉錄 (Reverse Transcription, RT) 和即時聚合酶鏈式反應 (Real-time PCR, qPCR) 的分子生物學技術。它的主要目的是偵測和定量 RNA 分子，特別是當目標 RNA 的量非常少時。

RT-PCR 的原理：

RT-PCR 的原理可以分為兩個主要步驟：

1. 反轉錄 (Reverse Transcription, RT)：
   • 為什麼要反轉錄？ PCR 技術是針對 DNA 設計的，它能夠將特定的 DNA 片段進行指數級的放大。然而，COVID-19 的病原體是冠狀病毒，其遺傳物質是 RNA。因此，在進行 PCR 放大之前，必須將 RNA 轉化為 DNA。
   • 如何進行？ 這個步驟利用一種稱為「反轉錄酶 (Reverse Transcriptase)」的酵素。反轉錄酶是一種從 RNA 模板合成互補 DNA (complementary DNA, cDNA) 的酵素。
   • 具體過程：
     • 首先，需要一個引子 (primer) 來結合到目標 RNA 分子上。引子可以是隨機引子 (random primers)、寡聚(dT)引子 (oligo(dT) primers) 或特異性引子 (gene-specific primers)。
     • 反轉錄酶以引子為起始點，利用 RNA 分子作為模板，合成一條與 RNA 互補的 DNA 鏈，這條 DNA 鏈稱為 cDNA。
     • 如果使用寡聚(dT)引子，它會結合到 RNA 的 poly(A) 尾上，合成所有 mRNA 的 cDNA。