115 年 國立成功大學細胞生物與解剖研究所《細胞生物學》

此部分為名詞解釋題，共計20個名詞，考生需從中選取15題作答，每題4分。以下提供部分常見且重要的細胞生物學名詞解釋，考生應依據考題要求，選擇15題進行詳細闡述。

名詞解釋範例 (僅列舉部分，實際作答需涵蓋15題)：

• Nucleolus (核仁)
  核仁是真核細胞核內的一個結構，主要由RNA和蛋白質組成。它是核糖體RNA (rRNA) 的合成以及核糖體亞單位組裝的主要場所。核仁的大小和數量會隨著細胞的代謝活性而變化，高度活躍的細胞通常有較大的核仁。
  【答案】核仁是位於真核細胞核內，負責 rRNA 合成及核糖體亞單位組裝的結構。

• Cell junctions (細胞連接)
  細胞連接是細胞膜上或細胞間的特殊結構，負責將細胞連接在一起，或在細胞之間建立溝通管道。主要有三種類型：緊密連接 (tight junctions)，負責阻止物質穿過細胞間隙；黏著連接 (adherens junctions, desmosomes)，提供細胞間的機械性連結；以及間隙連接 (gap junctions)，允許小分子物質在細胞間直接通過。
  【答案】細胞連接是細胞間或細胞與細胞外基質之間的結構，負責維持組織的完整性、細胞間的訊息傳遞及物質交換。主要類型包括緊密連接、黏著連接和間隙連接。

• Ribosome (核糖體)
  核糖體是細胞內負責蛋白質合成的細胞器。它由核糖體RNA (rRNA) 和蛋白質組成，分為兩個亞單位：大亞單位和小亞單位。核糖體可以附著在內質網上（形成粗糙內質網），或游離在細胞質中。在核糖體上，mRNA的遺傳密碼被翻譯成胺基酸序列，形成多肽鏈。
  【答案】核糖體是細胞質中負責蛋白質合成的分子機器，由 rRNA 與蛋白質組成，包含大、小兩個亞單位，負責將 mRNA 的訊息轉譯成蛋白質。

• DNA double helix (DNA雙股螺旋)
  DNA雙股螺旋是脫氧核糖核酸 (DNA) 的典型結構，由兩條反向平行的多核苷酸鏈組成，這兩條鏈通過鹼基配對（A與T，G與C）以氫鍵連接，並以螺旋狀盤繞。這種結構穩定且易於複製和轉錄。
  【答案】DNA雙股螺旋是 DNA 的主要結構形式，由兩條反向平行的多核苷酸鏈組成，通過鹼基配對（A-T, G-C）和氫鍵連接，並形成螺旋狀結構。

• Meiosis (減數分裂)
  減數分裂是一種特殊的細胞分裂方式，發生在生殖細胞的形成過程中。它包含兩次連續的分裂（減數第一次分裂和減數第二次分裂），將二倍體 (2n) 細胞的染色體数目減半，產生四個單倍體 (n) 的配子。減數第一次分裂中的同源染色體聯會和互換是遺傳多樣性的重要來源。
  【答案】減數分裂是生殖細胞形成過程中進行的特殊細胞分裂，經過兩次分裂將染色體数目減半，產生遺傳物質重組的單倍體配子。

• Mitochondria (粒線體)
  粒線體是真核細胞中主要的能量產生場所，負責細胞呼吸作用，將葡萄糖等有機物的能量轉化為ATP。粒線體具有雙層膜結構，內膜摺疊形成嵴 (cristae)，增加了表面積以容納更多的電子傳遞鏈和ATP合成酶。粒線體也參與細胞凋亡等重要生理過程。
  【答案】粒線體是真核細胞的能量工廠，主要功能是通過細胞呼吸作用產生 ATP，具有雙層膜結構，內膜形成嵴以增加反應表面積。

• Post-transcriptional modification (轉錄後修飾)
  轉錄後修飾是指在mRNA從DNA轉錄出來後，在細胞質中進行的一系列化學修飾，以提高mRNA的穩定性、運輸效率和翻譯效率。主要包括5'端加帽 (capping)、3'端加聚腺苷酸尾 (polyadenylation) 以及內含子剪接 (splicing)，移除非編碼區 (內含子) 並連接編碼區 (外顯子)。
  【答案】轉錄後修飾是指轉錄產生的 RNA 分子，在發揮功能前所經歷的一系列化學變化，例如 mRNA 的加帽、加尾和剪接，以提高其穩定性和翻譯效率。

• Chromatin (染色質)
  染色質是細胞核內由DNA和蛋白質（主要是組蛋白）纏繞形成的複合物。在細胞分裂間期，染色質以鬆散的纖維狀存在；在細胞分裂時期，染色質會高度螺旋化，形成可見的染色體。染色質的結構會影響基因的表達。
  【答案】染色質是細胞核內由 DNA 和蛋白質（主要是組蛋白）組成的複合物，是染色體在間期時的鬆散形態，其結構影響基因的表達。

• Oxidative phosphorylation (氧化磷酸化)
  氧化磷酸化是細胞呼吸作用的最後一個階段，發生於粒線體內膜。在這個過程中，電子從NADH和FADH2傳遞給電子傳遞鏈，釋放的能量用於將質子 (H+) 泵入膜間隙，形成質子梯度。隨後，質子通過ATP合成酶順流而下，驅動ATP的合成。

1. 什麼是擴散作用與主動運輸？請舉例說明細胞如何利用這兩種方法在細胞膜上交換物質。(8%)

此題考查細胞膜運輸的兩種基本方式：擴散作用與主動運輸。重點在於比較兩者的機制、能量需求、以及在細胞物質交換中的應用。

差異比較：

2. 什麼是細胞週期？請解釋細胞週期的主要階段及其細胞週期檢查點的功能。(10%)

此題考查對細胞週期的理解，包括其階段劃分、各階段的特點以及細胞週期檢查點在維持細胞分裂準確性中的作用。

細胞週期 (Cell Cycle) 的定義：
細胞週期是指一個細胞從一次分裂完成到下一次分裂完成之間所經歷的一系列有序的事件。它包括細胞生長、DNA複製以及細胞分裂。細胞週期的調控對於確保遺傳物質的準確傳遞和維持組織的穩定性至關重要。

細胞週期的主要階段：
細胞週期主要分為兩個大階段：

1. 間期 (Interphase)： 佔據細胞週期的大部分時間，是細胞生長和準備分裂的階段。間期又可細分為三個亞期：

   • G1 期 (Gap 1 Phase)： 細胞從上一次分裂結束到 DNA 開始複製之間的時間。在此期間，細胞體積增大，合成蛋白質、RNA 和其他分子，為 DNA 複製做準備。細胞在此期也可能進入靜止期 (G0 期)，即暫時退出細胞週期，不再分裂。
   • S 期 (Synthesis Phase)： DNA 複製的時期。每個染色體都會複製其 DNA，形成兩個姐妹染色單體，它們通過著絲粒連接在一起。
   • G2 期 (Gap 2 Phase)： DNA 複製完成到細胞開始進入 M 期之前。細胞繼續生長，合成蛋白質，並檢查 DNA 是否複製正確，為進入有絲分裂做最後準備。

2. M 期 (Mitotic Phase)： 細胞分裂的時期，包括核分裂 (mitosis) 和細胞質分裂 (cytokinesis)。

   • 核分裂 (Mitosis)： 染色體在細胞中分離並分配到兩個子細胞中的過程。通常包括前期 (prophase)、前中期 (prometaphase)、中期 (metaphase)、後期 (anaphase) 和末期 (telophase) 等階段。

3. 細胞可透過膜泡將物質在胞器之間（例如：內質網、高爾基氏體、溶酶體）及與細胞表面之間進行轉運。請說明膜泡運輸的一般機制？其在胞吐作用、胞吞作用及胞內運輸中的作用為何？(10%)

此題考查細胞內膜系統中的物質運輸機制，特別是膜泡運輸 (vesicular transport)。重點在於理解膜泡的形成、運輸、融合過程，以及其在胞吐、胞吞和胞內不同胞器間運輸中的應用。

膜泡運輸的一般機制 (General Mechanism of Vesicular Transport)：

膜泡運輸是一種利用膜泡（vesicle）將物質從一個細胞區室（compartment）運送到另一個區室的過程。這個過程涉及以下幾個關鍵步驟：

1. 膜泡的形成 (Vesicle Formation)：

   • 在起始的細胞區室（如內質網或高爾基氏體順面）的細胞膜或胞器膜上，特定的蛋白質會募集到細胞質側，形成一層細胞質籠 (cytoplasmic coat)。這些蛋白質，如網膜蛋白 (clathrin, COP I, COP II) 和適配器蛋白 (adaptor proteins)，負責選擇性地將目標分子（如蛋白質、脂質）包入正在形成的膜泡中，並幫助彎曲細胞膜形成膜泡。
   • 例如，包被囊泡 (clathrin-coated vesicles) 在高爾基氏體和細胞膜之間參與運輸，COP I 囊泡負責高爾基氏體順面到逆面的運輸，COP II 囊泡負責內質網到高爾基氏體的運輸。
   • 形成後的膜泡從母體膜上「出芽」 (budding) 而脫離。

2. 膜泡的運輸 (Vesicle Transport)：

   • 膜泡內部包裹著要運輸的貨物分子。
   • 膜泡的表面會暴露出一系列的識別標記，例如 Rab GTPases 蛋白質和 SNARE 蛋白質（v-SNARE 位於膜泡膜上，t-SNARE 位於目標膜上）。
   • 這些標記引導膜泡在細胞質中移動，通常藉助細胞骨架（如微管）和運動蛋白（如動力蛋白 kinesin, dynein）。

3. 膜泡的融合 (Vesicle Fusion)：

   • 當膜泡到達目標細胞區室的細胞膜或胞器膜時，膜泡上的 v-SNARE 蛋白會與目標膜上的 t-SNARE 蛋白相互作用，形成一個 SNARE 複合體。
   • 這個複合體的形成會拉近膜泡膜和目標膜，並引起膜的彎曲和融合。
   • 融合過程中，膜泡的膜與目標膜合併，將其內部的貨物分子釋放到目標區室中。

在胞吐、胞吞和胞內運輸中的作用：

• 胞吐作用 (Exocytosis)：
  • 定義： 細胞將大分子物質（如蛋白質、神經傳導物質、廢物）通過膜泡運送到細胞外。

4. G-蛋白偶聯受體 (GPCRs) 透過活化下游訊號傳遞途徑，引發多種細胞內反應。請以環腺苷酸 (cyclic AMP)、肌醇磷脂 (inositol phospholipid) 或其他途徑為例，說明 GPCRs 如何觸發第二信使來調節細胞活動。(12%)

此題考查細胞訊號傳遞中的一個重要受體家族：G 蛋白偶聯受體 (GPCRs)。重點在於理解 GPCRs 的結構、活化機制，以及其下游的 G 蛋白如何啟動不同的第二信使系統，進而調控細胞的各種生理活動。

G-蛋白偶聯受體 (GPCRs) 的概述：
GPCRs 是一類存在於細胞膜上的膜蛋白，它們具有七個跨膜結構域。當一個細胞外信號分子（配體，如激素、神經傳導物質）與 GPCR 結合時，受體會發生構象變化，進而活化細胞內的 G 蛋白。G 蛋白是一類由 α、β、γ 三個亞基組成的蛋白質，活化後會與效應分子（如腺苷酸環化酶、磷酸酯酶）相互作用，啟動下游的訊號傳遞級聯反應。

GPCRs 觸發第二信使調節細胞活動的例子：

1. 環腺苷酸 (cyclic AMP, cAMP) 途徑：
此途徑通常涉及 Gs 蛋白（刺激性 G 蛋白）或 Gi 蛋白（抑制性 G 蛋白）。

• 活化機制：

  • 當配體與一個能活化 Gs 蛋白的 GPCR 結合時，GPCR 的構象變化會促使 Gsα 亞基與 GTP 結合，使其從 Gsβγ 亞基上解離。
  • 活化的 Gsα-GTP 則會去活化另一種膜蛋白——腺苷酸環化酶 (adenylate cyclase)。
  • 腺苷酸環化酶催化 ATP 轉化為環腺苷酸 (cAMP)。cAMP 是一種重要的第二信使，它在細胞內擴散並結合到蛋白質激酶 A (Protein Kinase A, PKA) 的調節亞基上，導致 PKA 的催化亞基釋放並活化。

• 調節細胞活動：

  • 活化的 PKA 可以磷酸化細胞內的各種蛋白質，從而調控它們的活性。
  • 例如：
    • 在肝細胞中，PKA 磷酸化參與醣原分解的酶，促進葡萄糖的釋放。
    • 在心肌細胞中，PKA 磷酸化鈣離子通道，增加細胞對鈣離子的通透性，從而增強心肌收縮力。
    • PKA 也可以進入細胞核，磷酸化轉錄因子，影響特定基因的表達。

• 失活： cAMP 的訊號會被細胞內的磷酸二酯酶 (phosphodiesterase, PDE) 快速水解為 AMP，從而終止訊號。GTP 會被 GTP 酶水解為 GDP，使 Gsα 亞基重新與 Gsβγ 亞基結合，完成一個訊號週期。