108 年 國立清華大學生命科學院聯招：分子與細胞生物研究所、分子醫學研究所、生物資訊與結構生物研究所、生物科技研究所、系統神經科學研究所丁組《細胞生物學》

此題考驗對細胞膜通透性的理解。細胞膜主要由脂質雙層構成，其通透性受分子大小、極性、帶電與否等因素影響。

解題思路：
細胞膜對小分子、非極性分子通透性最高。

1. 氧氣 (Oxygen, O₂)：是小分子、非極性分子，最容易穿過脂質雙層。
2. 水 (Water, H₂O)：是小分子，但具有極性，雖然可以透過脂質雙層，但速度不如氧氣。

此題考查細胞膜脂質雙層的結構特徵，特別是外層和內層脂質組成的差異性。

細胞膜的脂質雙層並非對稱分佈，外層 (extramembrane leaflet) 和內層 (cytosolic leaflet) 的磷脂種類和比例通常是不同的，這種不對稱性對細胞膜的功能至關重要。例如，帶有負電荷的磷脂（如磷脂醯絲胺酸 phosphatidylserine）通常位於細胞質側的內層，而膽固醇則在兩層都有分佈，但比例可能不同。

選項分析：
(A) 不對稱；即每個單層不同 (asymmetrical; i.e., different in each monolayer.)：這是正確的敘述。外層和內層的磷脂組成、膽固醇含量等可能不同。
(B) 每個單層都相同 (identical in each monolayer.)：這是錯誤的，與細胞膜結構事實不符。

此題考查細胞膜上脂質筏 (lipid rafts) 的組成成分。脂質筏是細胞膜上富含膽固醇 (cholesterol) 和鞘磷脂 (sphingolipids) 的區域，這些區域相對於周圍的脂質雙層更具流動性，且結構上更為穩定。

脂質筏的主要功能是作為細胞訊號傳遞、蛋白質運輸和細胞辨識的平台。

選項分析：
(A) 膽固醇 (cholesterol)：膽固醇是脂質筏的關鍵組成成分，它能與鞘磷脂相互作用，增加膜的穩定性和組織性。

此題考查生物如何適應低溫環境，特別是細胞膜脂質組成的變化。在低溫環境下，細胞膜需要保持足夠的流動性，以免變得過於僵硬而影響功能。

細胞膜的流動性主要取決於脂質的組成，特別是脂肪酸鏈的特性：

1. 脂肪酸鏈長度：較短的脂肪酸鏈會增加膜的流動性。
2. 脂肪酸鏈飽和度：不飽和脂肪酸（含有雙鍵）的脂肪酸鏈由於雙鍵造成的彎曲，會阻礙分子緊密堆積，從而增加膜的流動性。飽和脂肪酸則能緊密堆積，降低流動性。

此題考查細胞膜脂質分子在膜內的各種運動方式，以及哪種運動在熱力學上最不利。

細胞膜中的脂質分子並非靜止不動，而是具有一定的運動性，主要包括：

• 側向擴散 (Lateral diffusion)：脂質分子在同一單層內水平方向上的快速移動。這是最常見且最容易發生的運動。
• 旋轉 (Rotation)：脂質分子繞其長軸的旋轉。
• 脂肪酸鏈的擺動 (Flexion of fatty acid tails)：脂肪酸鏈的柔韌性運動。
• 橫向擴散/翻轉 (Transverse diffusion or flip-flop)：脂質分子從膜的一層移動到另一層。

熱力學角度來看，能量越低越穩定。脂質分子在膜內的運動，若需要克服能量障礙，則越不利。

選項分析：
(A) 側向擴散 (lateral diffusion)：脂質分子在同一層內的移動，不需要跨越極性頭部區域，能量障礙很小，非常容易發生。

此題考查天然不飽和脂肪酸的特性。不飽和脂肪酸是指其碳鏈中含有一個或多個雙鍵的脂肪酸。

選項分析：
(A) 高度分支 (are highly branched)：天然脂肪酸通常是直鏈的，高度分支的脂肪酸較少見。
(B) omega-3 脂肪酸 (are omega-3 fatty acids)：omega-3 脂肪酸是常見的不飽和脂肪酸，但並非所有天然不飽和脂肪酸都是 omega-3。還有 omega-6 等。

此題考查內膜系統 (endomembrane system) 的組成。內膜系統是一組相互連接的細胞器，它們通過囊泡運輸 (vesicular transport) 相互交換物質，共同參與蛋白質和脂質的合成、修飾、運輸和分泌。

內膜系統的組成通常包括：

• 核膜 (Nuclear envelope)
• 內質網 (Endoplasmic reticulum, ER) (包括平滑內質網和粗糙內質網)
• 高基氏體 (Golgi complex)
• 溶體 (Lysosomes)
• 液泡 (Vacuoles) (在植物和真菌細胞中)
• 內吞體 (Endosomes)
• 質膜 (Plasma membrane) (通過內吞和外泌作用與內膜系統聯繫)

此題考查 LDL 受體介導的內吞作用 (LDL receptor-mediated endocytosis) 中的蛋白質功能，以及哪種蛋白質需要 GTP 參與。

LDL 受體介導的內吞作用是一個經典的網格蛋白介導的內吞 (clathrin-mediated endocytosis, CME) 過程。這個過程涉及多種蛋白質，其中一些需要 GTP 的水解來提供能量。

主要步驟和相關蛋白質：

1. 識別與結合：LDL 受體結合 LDL 顆粒。
2. 網格蛋白籠的形成：細胞質中的網格蛋白 (clathrin) 與適配器蛋白 (adaptor proteins) 如 AP-2 複合物結合，並招募到質膜上。AP-2 複合物負責將網格蛋白招募到質膜上，並連接網格蛋白籠與膜上的受體-配體複合物。
3. 囊泡的形成與出芽：隨著網格蛋白籠的組裝，質膜向內凹陷形成內吞小泡 (endocytic vesicle)。
4. 囊泡的收縮與脫離：當內吞小泡形成並準備從質膜脫離時，需要一種 GTPase 蛋白質來幫助其收縮和釋放。

核心觀念

本題考查腫瘤細胞常見的膜運輸與細胞代謝變化，尤其是：

• Caveolae（小窩）是細胞膜富含膽固醇與鞘脂的凹陷結構，主要由 caveolin 與 cavin 蛋白維持。
• Caveolae 可進行 caveolae-mediated endocytosis（小窩媒介的胞吞作用），參與特定受體、脂質與大分子的內化。
• Caveolin-1 在許多細胞中具有抑制增生、抑制轉移的腫瘤抑制功能。部分腫瘤細胞會降低 caveolin-1 表現，使小窩結構減少，因而抑制小窩媒介的胞吞作用。

因此，本題要找的是腫瘤細胞可能特別降低的細胞程序。

解題方法

逐一判斷各選項是否屬於腫瘤細胞為了快速增生、取得養分或適應氧化壓力而常增強的功能，再找出與腫瘤細胞失去 caveolae 結構及 caveolin-1 功能最直接相關的選項。

腫瘤細胞通常需要：

1. 增加膜蛋白與分泌蛋白的醣基化；
2. 增加 LDL 攝取及降解，以取得膽固醇；
3. 增強抗氧化能力；
4. 改變自噬，以適應營養缺乏；
5. 在部分腫瘤中降低 caveolin-1，造成 caveolae uptake 減弱。

其中最直接且具代表性的抑制現象是 caveolae uptake。

選項分析

(A) autophagy

自噬作用能分解受損蛋白質與胞器，提供胺基酸及脂肪酸，並協助細胞在缺氧或營養缺乏時存活。腫瘤細胞確實可能改變自噬活性，某些腫瘤在早期也可能因自噬缺陷而增加基因體不穩定性。

但在已形成的腫瘤中，自噬往往可被重新啟動，以協助腫瘤細胞抵抗缺氧、營養不足及治療壓力。因此，自噬不是本題所要指出的典型、直接受抑制程序。

(B) N-linked glycosylation

N-linked glycosylation 是在內質網中將寡醣接到蛋白質天冬醯胺（Asn）側鏈上的修飾，之後還會在高基氏體中進一步加工。其基本反應可表示為：

腫瘤細胞常需要大量合成膜蛋白、受體及分泌蛋白，因此醣基化途徑通常會被重新調整或增強，而非普遍受到抑制。異常的 N-linked glycosylation 也常造成腫瘤細胞表面抗原及細胞黏附性改變。

(C) caveolae uptake

這是正確答案。

此題考查電子顯微鏡 (electron microscopy, EM) 的常用製備和成像技術。電子顯微鏡利用電子束來成像，提供比光學顯微鏡更高的解析度。

選項分析：
(A) 負染色 (Negative staining)：這是一種常用的電子顯微鏡技術，用於觀察病毒、蛋白質複合物等樣品。將樣品放置在電子致密的染色劑（如磷钨酸鹽）中，染色劑填充樣品周圍的空間，而樣品本身不被染色。這樣，樣品的輪廓在電子顯微鏡下會呈現為明亮的區域，背景是深色的。
(B) 腦電圖記錄 (Electroencephalogram (EEG) recording)：EEG 是一種測量腦部電活動的技術，與電子顯微鏡無關。
(C) 金屬影處理 (Metal shadowing)：這也是一種電子顯微鏡樣品製備技術，特別是用於觀察表面結構。

此題考查不同信號傳導通路中，蛋白質的泛素化 (ubiquitination) 和蛋白酶解修飾 (proteolytic modification) 的作用。這兩種修飾是蛋白質調控的重要機制，可以影響蛋白質的穩定性、活性、定位以及與其他分子的相互作用。

泛素化通常會導致蛋白質降解（通過蛋白酶體途徑），但也可能參與信號傳導、DNA 修復和蛋白質運輸等。蛋白酶解修飾則是指蛋白質被蛋白酶切割，產生具有不同功能的片段或啟動降解。

選項分析：
(A) MAPK 信號通路 (MAP kinase pathway)：MAPK 信號通路中的許多蛋白質（如激酶、轉錄因子）的穩定性和活性受到泛素化調控，例如通過降解來終止信號。
(B) Wnt 信號通路 (Wnt signaling pathway)：Wnt 信號通路的一個關鍵調控機制是 β-catenin 的降解。在沒有 Wnt 信號時，β-catenin 被泛素化並通過蛋白酶體途徑降解。Wnt 信號激活後，β-catenin 穩定並積累，啟動下游基因轉錄。因此，Wnt 信號通路強烈依賴於泛素化和蛋白酶解調控。
(C) Hedgehog 信號通路 (Hedgehog signaling pathway)：Hedgehog 蛋白本身需要進行一種特殊的脂質修飾和蛋白酶解切割才能發揮活性。

核心觀念

細胞骨架是細胞質內由蛋白質纖維構成的動態支架，主要包含三類纖維：

• 微管（microtubules）：由微管蛋白構成，參與細胞內運輸、紡錘體形成及纖毛與鞭毛的構造。
• 微絲（microfilaments）：主要由肌動蛋白構成，參與細胞形狀維持、細胞移動及胞質分裂。
• 中間絲（intermediate filaments）：由多種纖維蛋白構成，提供細胞機械強度，並協助固定細胞器。

三類纖維在細胞中分布與功能彼此協調，形成互相連結的細胞骨架網絡。

解題方法

判斷各選項是否屬於細胞骨架的三大纖維系統即可。題目問的是細胞骨架由哪些結構形成，因此需選出微管、微絲及中間絲；肌肉中的粗肌絲與細胞外基質的膠原纖維不屬於這三類。

選項分析

核心觀念

本題考查蛋白質的 N-連結醣基化（N-linked glycosylation）及其生物功能。它是指寡醣鏈連接到蛋白質中天冬醯胺（Asn）側鏈的氮原子上，通常發生在符合序列基序 $Asn-X-Ser/Thr$ 的位置，其中 $X$ 不為脯胺酸。

N-連結醣基化在內質網開始，之後醣鏈會在高基氏體進一步修飾。醣鏈除了影響蛋白質的成熟與穩定，也能參與細胞辨識及免疫辨識。因此本題列出的五項功能皆成立。

解題方法

判斷各選項時，可依醣鏈所在位置與作用分成兩類：

1. 內質網中的蛋白質成熟與品質管制：醣鏈參與折疊監控，也能促進正確的二硫鍵形成與重排。
2. 成熟醣蛋白的穩定與辨識：醣鏈可減少蛋白質受蛋白酶分解，並參與細胞間黏附及抗原辨識。

依此逐項判斷，(A) 至 (E) 都是 N-連結醣基化的功能。

選項分析

• (A) 監控蛋白質折疊與品質管制：正確。
  內質網中的醣蛋白會進入鈣聯蛋白（calnexin）與鈣網蛋白（calreticulin）協助的折疊循環。

此題考查 Ran 蛋白在核運輸中的作用，以及與 GTP/GDP 轉換相關的蛋白質。Ran 是一個小 GTPase，其 GTP/GDP 結合狀態決定了它在細胞核和細胞質中的定位，並驅動核運輸。

Ran 的活性受到兩種蛋白質的調控：

1. Ran 核質異構酶 (Ran-GTPase Activating Protein, Ran-GAP)：存在於細胞質中，促進 Ran 結合的 GTP 水解為 GDP。
2. Ran 鳥苷酸交換因子 (Ran-Guanine nucleotide Exchange Factor, Ran-GEF)：主要存在於細胞核中，促進 Ran 結合的 GDP 替換為 GTP。

核運輸受體 (Importins 和 Exportins) 負責將蛋白質運入或運出細胞核。它們與 Ran-GTP 或 Ran-GDP 的結合狀態有關，從而調控其運輸能力。

選項分析：
(A) 輸出蛋白 (Exportin)：是一種核輸出受體，它與 Ran-GTP 結合，並將其目標分子一同運出細胞核。它本身不直接催化 GTP/GDP 轉換，但其功能依賴於 Ran 的 GTP 結合狀態。
(B) 輸入蛋白 (Importin)：是一種核輸入受體，它與 Ran-GDP 結合，並在細胞質中與目標分子結合，進入細胞核後，Ran-GDP 替換為 Ran-GTP，導致 Importin 釋放目標分子。它本身不直接催化 GTP/GDP 轉換，但其功能依賴於 Ran 的 GDP 結合狀態。

此題考查信號轉導 (signal transduction) 的主要特徵。信號轉導是指細胞接收外界或內部信號，並將這些信號傳遞到細胞內部，最終引起細胞響應的過程。

信號轉導的主要特徵包括：
(A) 特異性 (Specificity)：信號分子（配體）與其受體之間通常具有高度的特異性，就像鑰匙與鎖一樣，確保只有特定的信號才能被細胞識別和響應。
(B) 放大 (Amplification)：一個信號分子可以激活多個下游分子，而這些分子又可以激活更多分子，導致信號在傳遞過程中被放大，即使最初的信號很微弱，也能引起細胞的顯著響應。例如，通過酶級聯反應。

此題考查共轉譯醣基化 (cotranslational glycosylation) 與蛋白質摺疊的關係。共轉譯醣基化是指蛋白質在合成過程中（即在核醣體上合成多肽鏈時）就發生醣基化修飾。

此題考查體液內吞 (fluid-phase endocytosis) 的機制，以及是否需要運輸信號。

體液內吞（也稱為吞飲 pinocytosis）是一種細胞獲取細胞外液體及其溶解物質的過程。在這個過程中，細胞膜向內凹陷形成囊泡，將細胞外液體及其中的小分子一起攝入細胞內。體液內吞是一種非特異性的內吞形式，它不需要細胞表面有特定的受體來識別和結合細胞外物質。囊泡中的物質主要是隨同被攝取的細胞外液體一起進入的。

此題考查溶體 (lysosomes) 的功能，特別是其在自噬 (autophagy) 中的作用。

溶體是細胞內含有多種酸性水解酶（如蛋白酶、核酸酶、脂酶、醣苷酶等）的單層膜細胞器。它們的主要功能是降解細胞內不需要的或受損的細胞器、大分子物質以及吞噬進來的外來物質（如細菌）。

此題考查過氧化物酶體 (peroxisomes) 的來源和增殖方式。

過氧化物酶體是一種單層膜結構的細胞器，它通過兩種主要途徑產生和增殖：

1. 二分裂 (fission)：現有的過氧化物酶體通過二分裂的方式進行增殖，這與粒線體和葉綠體的增殖方式類似。

此題考查細胞膜上蛋白質的移動性。

根據流體鑲嵌模型 (fluid mosaic model)，細胞膜是由磷脂雙層構成的流動性基質，其中嵌入或附著著各種蛋白質。膜上的蛋白質並非固定不動，而是具有一定的移動性，可以進行側向擴散。這種移動性對於細胞膜的許多功能至關重要，例如信號傳導、細胞黏附、物質運輸等。

然而，有些膜蛋白的移動性可能受到限制。例如：

• 與細胞骨架（如肌動蛋白絲）結合的蛋白質，其移動性會被約束。
• 嵌入細胞外基質 (ECM) 的蛋白質，也會被固定。

此題考查反式脂肪酸 (trans fatty acids) 對細胞膜的影響，特別是對膜轉變溫度 (membrane transition temperature) 和膜流動性 (membrane fluidity) 的作用。

背景知識：

• 脂肪酸的結構：脂肪酸是長鏈烴基，末端帶有羧基。飽和脂肪酸的烴基是全飽和的。不飽和脂肪酸含有一或多個碳-碳雙鍵。
• 雙鍵的構型：雙鍵可以是以順式 (cis) 或反式 (trans) 構型存在。天然存在的不飽和脂肪酸絕大多數是順式構型，這使得脂肪酸鏈彎曲。反式脂肪酸的雙鍵接近飽和脂肪酸的直線構型。
• 膜流動性：細胞膜的流動性是指膜脂質分子和蛋白質在膜平面上移動的難易程度。高流動性意味著分子容易移動。
• 膜轉變溫度 (Tm)：是指細胞膜從凝膠狀 (gel phase, 低溫，低流動性) 轉變為液態晶體狀 (liquid crystalline phase, 高溫，高流動性) 的溫度。Tm 越高，維持液態晶體相所需的溫度越高。

反式脂肪酸對細胞膜的影響：

1. 結構影響：反式脂肪酸的雙鍵構型使其碳鏈接近直線，不像順式雙鍵那樣彎曲。這使得反式脂肪酸能夠像飽和脂肪酸一樣，更容易地緊密堆積在一起。

此題考查細胞外基質 (Extracellular Matrix, ECM) 的組成和功能。ECM 是動物細胞外的一種複雜的蛋白質和多醣網絡，為細胞提供結構支撐、調節細胞行為（如增殖、遷移、分化）並影響組織的物理特性。

(1) ECM 的全名
ECM 的全名是 Extracellular Matrix。

(2) 蛋白質介導的連接中的主要蛋白質
ECM 的結構和功能是通過多種蛋白質協同作用實現的，這些蛋白質可以分為結構纖維、水合基質成分和黏附分子。

(i) 結構纖維 (structural fiber)：
結構纖維提供 ECM 的強度和彈性。主要的結構纖維是 膠原蛋白 (collagen)。膠原蛋白是細胞外基質中最豐富的蛋白質，形成強韌的纖維，提供組織的抗拉強度。另一種重要的結構蛋白是 彈性蛋白 (elastin)，它賦予組織彈性，使其能夠在拉伸後恢復原狀。

(ii) 水合基質成分 (components of hydrated matrix)：
水合基質負責填充結構纖維之間的空間，並為細胞提供濕潤的微環境，同時參與信號傳遞。主要的基質成分是 蛋白聚醣 (proteoglycans)。蛋白聚醣是由核心蛋白質與共價連接的醣胺聚醣 (glycosaminoglycans, GAGs) 組成。GAGs 是長鏈的重複醣單位，帶有負電荷，能夠結合大量水分子，形成凝膠狀的基質。例如，硫酸軟骨素 (chondroitin sulfate) 和硫酸乙醯肝素 (heparan sulfate)。另外，纖連蛋白 (fibronectin) 和 層黏蛋白 (laminin) 等醣蛋白也參與基質的形成和組織。

此題要求根據提供的資訊，推論血管加壓素 (Vasopressin, VP) 受體的性質。

已知資訊：

1. VP 是一種胜肽激素，有兩種不同的 GPCRs（G 蛋白偶聯受體）。
2. VP 受體 A (VPRA) 存在於周邊血管。
3. VP 受體 B (VPRB) 存在於腎臟細胞。
4. VP 導致周邊血管收縮。
5. VP 刺激腎臟細胞的水分運輸。

推論：

從上述資訊，我們可以推斷 VP 受體 A 和 VP 受體 B 是兩種不同的受體，它們介導 VP 在不同組織中的不同生理效應。

1. VPRA 的功能：VPRA 位於周邊血管，並且 VP 作用於周邊血管會引起血管收縮。因此，我們可以推斷 VPRA 介導血管收縮。
2. VPRB 的功能：VPRB 位於腎臟細胞，並且 VP 作用於腎臟會刺激水分運輸。因此，我們可以推斷 VPRB 介導腎臟細胞的水分運輸。
3. 受體的特異性：VPRA 和 VPRB 是不同的 GPCRs，它們對 VP 的響應可能在結合親和力或下游信號通路方面有所不同，從而導致在不同組織中產生不同的生理效應。

此題考查線粒體蛋白質的定址機制，特別是從細胞質合成後如何精確地運輸到線粒體基質。

線粒體蛋白質的定址是一個複雜但高度精確的過程，主要涉及以下幾個步驟：

1. 合成前信號的識別：

   • 大多數線粒體蛋白質是在細胞質的游離核醣體上合成的。
   • 這些蛋白質的 N-端通常包含一個 線粒體導向信號序列 (Mitochondrial Targeting Signal, MTS)，也稱為信號肽。這個序列通常富含鹼性氨基酸（如離氨酸、精氨酸）和疏水性氨基酸，形成一個兩性 α-螺旋結構。

2. 轉運複合物的招募：

   • 當合成的蛋白質（帶有 MTS）抵達線粒體外膜時，它會被 外膜轉運複合物 (TOM complex, Translocase of the Outer Membrane) 識別並結合。TOM 複合物是一個蛋白質通道，允許蛋白質通過外膜。
   • MTS 會被 TOM 複合物中的信號識別肽結合蛋白 (TOM20, TOM22) 識別。

3. 通過外膜：

   • 蛋白質通過 TOM 複合物進入外膜間隙 (intermembrane space)。

4. 通過內膜並進入基質：

   • 如果蛋白質的最終目的地是線粒體基質，它需要進一步穿過線粒體內膜。
   • 這一步由 內膜轉運複合物 (TIM complex, Translocase of the Inner Membrane) 完成，特別是 TIM23 複合物。
   • TIM23 複合物在內膜上形成一個通道，允許蛋白質從外膜間隙轉運到線粒體基質。

純化內質網 (Endoplasmic Reticulum, ER) 是研究其結構和功能的常用實驗方法。由於內質網是細胞內膜系統的重要組成部分，其純化通常依賴於細胞的均質化和細胞器之間的密度差異。

以下是純化內質網的常用方法：

基本原理：
細胞在實驗室中被裂解（均質化），細胞器被釋放出來。然後利用離心技術，根據細胞器的大小、密度和與膜結合的蛋白質含量，將它們分離開。內質網由於其廣泛的膜網絡，在密度梯度離心中可以被分離出來。

步驟：

1. 細胞獲取與培養：

   • 選擇合適的細胞系（例如，肝細胞、成纖維細胞或哺乳動物細胞系）。
   • 根據需要培養足夠數量的細胞。

2. 細胞裂解 (Homogenization)：

   • 將細胞在緩衝液中進行裂解，以打破細胞膜和細胞器膜，釋放細胞內容物。常用的裂解方法包括：
     • 機械裂解：如使用均質器 (homogenizer)、研缽研磨 (grinding with mortar and pestle) 或超聲波處理 (sonication)。
     • 化學裂解：使用去垢劑 (detergents) 或滲透壓處理。
   • 裂解液通常包含抑制蛋白質酶解的酶抑制劑，以及維持 pH 和離子強度的緩衝液。

3. 初步離心 (Differential Centrifugation)：

   • 將裂解液進行一系列不同速度和時間的差速離心。
   • 低速離心（如 1000-3000 g）去除細胞碎片、未破裂的細胞和細胞核。
   • 中速離心（如 10000-20000 g）去除線粒體、溶體和過氧化物酶體（形成「線粒體/溶體/過氧化物酶體組分」）。
   • 高速離心（如 100000 g 或更高）將細胞質中的膜成分（包括內質網、高基氏體、質膜）沉澱下來，形成「微粒體組分 (microsomal fraction)」。這個微粒體組分是富含內質網、高基氏體和質膜的混合物。

4. 密度梯度離心 (Density Gradient Centrifugation)：

   • 這是純化內質網的關鍵步驟。
   • 將微粒體組分置於蔗糖密度梯度 (sucrose density gradient) 或其他密度介質（如 Percoll）的頂部。