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甲組《細胞生物學》

此題考驗對細胞膜通透性的理解，主要與分子的極性、大小及電荷有關。

細胞膜主要由脂質雙層構成，具有疏水性內層。因此，小分子、非極性分子最容易穿透細胞膜。

(A) 水分子是小分子，但具有極性，雖然可以透過水通道蛋白（aquaporins）快速運輸，但直接擴散速度相對較慢。
(B) 葡萄糖（glucose）是較大的極性分子，無法自由通過細胞膜，需要特定的運輸蛋白協助。

此題考查細胞膜脂質雙層結構的組成特性，特別是內外兩層單分子層（monolayer）的差異性。

細胞膜的脂質雙層並非對稱結構，其內外兩層的脂質組成通常是不同的，這種不對稱性對於維持細胞膜的功能至關重要。例如，磷脂質的頭部基團（head group）和尾鏈（tail chain）的分布在內外層有所不同。外層常富含磷脂醯膽鹼（phosphatidylcholine, PC）和鞘磷脂（sphingomyelin），而內層則富含磷脂醯乙醇胺（phosphatidylethanolamine, PE）、磷脂醯絲胺酸（phosphatidylserine, PS）和磷脂醯肌醇（phosphatidylinositol, PI）。

此題考查細胞膜上的脂質筏（lipid rafts）的組成。脂質筏是細胞膜上富含膽固醇（cholesterol）和鞘脂（sphingolipids）的區域，它們比周圍的膜更為穩定和緻密，在細胞信號傳導、運輸和膜動力學中扮演重要角色。

(A) 膽固醇（cholesterol）是脂質筏的核心成分。膽固醇能與鞘脂相互作用，形成更為緊密的結構，降低膜的流動性，並參與形成脂質筏。

此題考查細胞膜脂質組成與環境適應的關係，特別是關於溫度對膜流動性的影響。生活在低溫環境（如冰川）的生物，需要維持細胞膜在低溫下的流動性。

細胞膜的流動性受脂質脂肪酸鏈的影響。

1. 脂肪酸鏈的長度：鏈越長，分子間的范德華力越強，堆積越緊密，膜的流動性越低。
2. 脂肪酸鏈的飽和度：飽和脂肪酸鏈是直的，容易堆積，降低膜流動性；不飽和脂肪酸鏈由於存在雙鍵（cis構型），會產生彎曲，阻止緊密堆積，增加膜流動性。

此題考查細胞膜脂質分子在膜內的各種運動方式，並詢問哪種運動在熱力學上最不利。

細胞膜中的脂質分子具有一定的流動性，可以進行多種運動：
(A) 側向擴散（lateral diffusion）：脂質分子在同一層單分子層內移動，這是最常見且最快速的運動，熱力學上非常有利。
(C) 與鄰近脂質的結合（association with a neighboring lipid）：脂質分子之間會發生相互作用，如范德華力，這是膜形成的基本動力，熱力學上有利。

此題考查天然不飽和脂肪酸的特性。

(A) 高度分支（highly branched）：天然脂肪酸通常是直鏈的，分支結構較少見。
(B) ω-3 脂肪酸（omega-3 fatty acids）：確實有很多天然不飽和脂肪酸是 ω-3 脂肪酸，但並非「典型」或「唯一」的特徵。天然不飽和脂肪酸也包含 ω-6 等。
(C) 主要為反式構型（trans configuration）：人造反式脂肪是人為氫化過程產生的。

此題考查對內膜系統（endomembrane system）組成的理解。內膜系統是細胞內由膜連接或通過囊泡運輸相互關聯的一系列細胞器，主要參與蛋白質和脂質的合成、修飾、運輸和分泌。

內膜系統的成員通常包括：

• 核膜（Nuclear envelope）
• 內質網（Endoplasmic reticulum, ER），包括粗糙內質網（RER）和滑面內質網（SER）
• 高爾基體（Golgi complex）
• 溶體（Lysosomes）
• 內吞體/內體（Endosomes）
• 液泡（Vacuoles，尤其在植物細胞中）
• 質膜（Plasma membrane）也可以被視為內膜系統的一部分，因為它接收來自高爾基體的囊泡。

此題考查低密度脂蛋白（LDL）受體介導的內吞作用，以及在這個過程中需要 GTP 的蛋白質。LDL 受體介導的內吞作用是一個典型的網格蛋白（clathrin）介導的內吞途徑。

(A) LDL 受體：LDL 受體本身是膜蛋白，不需要 GTP。
(B) Dynamin：Dynamin 是一種 GTPase，它在內吞泡（endocytic vesicle）從質膜上脫離（scission）的過程中起關鍵作用。它通過水解 GTP 來提供能量，捲曲並收縮，幫助斷開內吞泡與質膜的連接。

此題考查腫瘤細胞的特性，詢問哪些細胞過程可能在腫瘤細胞中被抑制。腫瘤細胞的代謝和功能通常與正常細胞不同，它們可能表現出某些過程的異常活躍或抑制。

(A) 自噬（autophagy）：自噬是細胞在壓力條件下（如營養缺乏）清除受損細胞器和蛋白質的過程。在腫瘤的發生和發展過程中，自噬的作用複雜，有時促進腫瘤生長，有時則抑制腫瘤。但許多腫瘤細胞會上調自噬以維持其快速增殖所需的代謝。因此，自噬不一定被抑制，有時反而被增強。
(B) N-連鎖醣基化（N-linked glycosylation）：這是蛋白質在內質網和高爾基體中進行的關鍵修飾過程，對蛋白質的摺疊、穩定性、功能和細胞表面標記至關重要。腫瘤細胞的異常醣基化模式很常見，但 N-連鎖醣基化本身這個過程通常不會被抑制，反而可能發生改變或增強。
(C) 小窩介導的內吞（caveolae uptake）：小窩是質膜上的一種特殊結構，參與細胞內吞、信號傳導等。雖然某些腫瘤細胞可能表現出內吞途徑的改變，但小窩介導的內吞不一定是被普遍抑制的過程。

此題考查電子顯微鏡（electron microscopy, EM）常用的製備和成像技術。

(A) 負染（Negative staining）：這是一種常用的電子顯微鏡樣品製備技術，用於觀察病毒、細菌表面結構、蛋白質複合物等。樣品被一種電子密度高的染料（如醋酸鈾）包圍，染料滲入樣品表面的凹陷處，而在凸起處則不進入，從而使樣品結構在電子顯微鏡下呈現為明亮的輪廓。
(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。

此題考查哪些信號傳導通路中的信號蛋白受到泛素化（ubiquitination）和蛋白酶解修飾（proteolytic modification）的調控。這兩種修飾在細胞信號傳導中都扮演著關鍵角色，尤其是在調控蛋白質的降解和活化方面。

(A) MAP激酶通路（MAP kinase pathway）：MAPK 通路中的許多蛋白（如激酶、轉錄因子）的活性受到磷酸化、泛素化和蛋白酶解的調控，以確保信號的準確傳遞和終止。例如，一些 MAPK 級聯中的激酶磷酸化底物，而泛素化可能標記某些蛋白進行降解。
(B) Wnt信號通路（Wnt signaling pathway）：Wnt 通路中的核心蛋白 β-catenin 的穩定性和降解受到嚴格調控，而這個調控過程涉及泛素-蛋白酶體系統。在沒有 Wnt 信號時，β-catenin 被泛素化並降解；在 Wnt 信號激活後，β-catenin 穩定並積累，進入細胞核。
(C) Hedgehog信號通路（Hedgehog signaling pathway）：Hedgehog 蛋白本身需要經過一系列的蛋白酶解和脂質修飾才能發揮活性。

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，特別是 GTP 與 GDP 相互轉化過程中涉及的蛋白質。Ran 是一種小 GTPase，在細胞核和細胞質之間存在著濃度梯度，這個梯度是驅動核運輸的動力。

Ran 的活性狀態（GTP-bound 或 GDP-bound）由以下蛋白質調控：

• Ran-GTP 結合蛋白（Ran-binding proteins, RBPs）：例如 RCC1 (Regulator of Chromosome Condensation 1) 是 Ran 的鳥苷酸交換因子（GEF），它催化 Ran 從 GDP 結合狀態轉變為 GTP 結合狀態。RCC1 主要存在於核內。
• Ran GTPase 活化蛋白（Ran-GAP）：它促進 Ran 水解 GTP 釋放 GDP。Ran-GAP 主要存在於細胞質。

核運輸受體（importins 和 exportins）與 Ran 的活性狀態有關：

• Importins 在細胞質中與 Ran-GDP 結合，形成複合物，這使得它們能夠結合並將核內物質運輸到細胞核。進入細胞核後，核內的 Ran-GTP 會與 Importin 結合，釋放其攜帶的cargo，然後 Importin-Ran-GTP 複合物運輸到細胞質。

此題考查信號轉導（signal transduction）的主要特徵。信號轉導是細胞接收、處理和響應外部或內部信號的過程。

(A) 特異性（Specificity）：信號轉導通路對特定的信號分子和細胞類型具有高度特異性，確保信號被準確接收和響應。
(B) 放大（Amplification）：一個信號分子可以激活多個下游分子，導致信號被放大，從而產生顯著的細胞響應，即使初始信號很微弱。例如，酶級聯反應。
(C) 信號整合與協調（Signal integration and coordination）：細胞可以同時接收多個信號，並將這些信號整合起來，協調產生一個統一的響應。這通常涉及不同信號通路之間的交叉對話。

此題考查共轉譯醣基化（cotranslational glycosylation）對蛋白質摺疊的影響。共轉譯醣基化是指在蛋白質合成過程中（即在核醣體上合成時）發生的醣基化。

N-連鎖醣基化主要發生在粗糙內質網（RER）中，與蛋白質的合成同步進行。在內質網中，新合成的蛋白質會被寡糖鏈修飾。

此題考查體液相內吞（fluid-phase endocytosis）是否需要運輸蛋白質上的分選信號（sorting signaling）。

體液相內吞，也稱為非特異性內吞（pinocytosis），是細胞吞噬細胞外液體及其中小分子的過程。在這個過程中，細胞膜內陷形成囊泡，將細胞外液體及其溶解的物質一同攝入細胞內。體液相內吞的特點是它不依賴於細胞膜上特定受體與配體的結合，而是吞噬細胞外液體的「體積」。因此，它被認為是一種非特異性的內吞方式。

而需要「分選信號」的內吞途徑，通常是指受體介導的內吞（receptor-mediated endocytosis）。

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的膜結合細胞器。它們的主要功能包括：

1. 消化外源性物質：通過內吞作用進入細胞的物質（如細菌、病毒、大分子）會被運送到溶體，在溶體酶的作用下被分解。

此題考查過氧化物酶體（peroxisome）的增殖方式。

過氧化物酶體是一種單層膜包裹的細胞器，負責多種代謝反應，包括脂肪酸的 β-氧化、產生和分解過氧化氫等。

關於過氧化物酶體的起源和增殖，目前的研究表明，過氧化物酶體主要通過兩種方式產生和增殖：

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），細胞膜並非剛性結構，而是具有流動性的。膜上的脂質分子可以進行側向擴散、旋轉等運動。同樣，大多數膜蛋白質也鑲嵌在脂質雙層中，並且可以在膜的平面上進行側向擴散，即具有移動性。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、細胞間識別和運輸。

此題考查反式脂肪酸（trans fatty acids）對細胞膜溫度轉換溫度（transition temperature, T$_m$）和膜流動性（membrane fluidity）的影響。

背景知識：

• 順式脂肪酸 (cis fatty acids)：天然不飽和脂肪酸中的雙鍵通常是順式構型。順式雙鍵會使脂肪酸鏈彎曲，阻止分子緊密堆積，降低分子間的范德華力，從而降低熔點和膜的流動性。
• 反式脂肪酸 (trans fatty acids)：人造反式脂肪通常是通過工業氫化過程產生的，其結構類似於飽和脂肪酸，雙鍵是反式構型。反式雙鍵不會引起顯著的彎曲，使得脂肪酸鏈可以更直地排列，更容易堆積。
• 飽和脂肪酸 (saturated fatty acids)：沒有雙鍵，脂肪酸鏈是直的，容易緊密堆積，分子間范德華力強，熔點高，膜流動性低。
• 溫度轉換溫度 (Transition Temperature, T$_m$)：指脂質雙層從凝膠狀（gel phase，低流動性）轉變為液晶狀（liquid crystalline phase，高流動性）的溫度。T$_m$ 越高，在生理溫度下膜的流動性越低。
• 膜流動性 (Membrane Fluidity)：指膜中脂質分子移動的難易程度。流動性高意味著分子容易移動。

反式脂肪酸對細胞膜的影響：

1. 對膜溫度轉換溫度 (T$_m$) 的影響：
   反式脂肪酸的結構更接近飽和脂肪酸，其脂肪酸鏈比較直，能夠比順式脂肪酸更緊密地堆積在一起。

ECM 是 Extracellular Matrix 的縮寫。

此題要求列出細胞外基質（ECM）中，作為結構纖維、水合基質成分和黏附分子的主要蛋白質。

ECM 的主要成分包括蛋白質和多醣。蛋白質是 ECM 的結構和功能支架。

(i) 結構纖維 (Structural fibers)：
* 膠原蛋白 (Collagen)：是 ECM 中含量最豐富的蛋白質，形成強韌的纖維，提供組織的抗張強度。
* 彈性蛋白 (Elastin)：形成彈性纖維，賦予組織彈性和延展性，使其在拉伸後能恢復原狀。

(ii) 水合基質成分 (Components of hydrated matrix)：
* 蛋白聚醣 (Proteoglycans)：由一個核心蛋白質與一個或多個長的、未分支的醣胺聚醣（glycosaminoglycans, GAGs）鏈共價連接而成。GAGs（如透明質酸、硫酸軟骨素、硫酸角質素）帶有大量負電荷，能結合大量水分子，形成水合凝膠狀的基質，支撐細胞並抵抗壓力。
* 透明質酸 (Hyaluronan)：一種特殊的 GAG，不與核心蛋白結合，但能與其他蛋白聚醣和細胞結合，形成巨大的分子網絡，對組織的水合作用和潤滑至關重要。

此題要求根據提供的 Vasopressin (VP) 資訊，推論 VP 受體的特性。

已知資訊：

1. VP 是一種胜肽激素。
2. VP 有兩種不同的 GPCRs（G protein-coupled receptors），稱為 VPRA 和 VPRB。
3. VPRA 存在於周邊血管。
4. VPRB 存在於腎臟細胞。
5. VP 引起周邊血管收縮。
6. VP 刺激腎臟細胞的水運輸。

推論：

1. 受體的多樣性與組織特異性：

   • VPRA 和 VPRB 是兩種不同的受體，且它們在不同組織（周邊血管 vs. 腎臟細胞）中表達。這表明受體具有組織特異性，不同的組織表達不同的受體亞型來響應同一種激素。

2. 受體與下游效應的關聯：

   • VPRA 與血管收縮的關聯： VPRA 位於周邊血管，而 VP 引起周邊血管收縮。因此，可以推斷 VPRA 介導或參與了血管平滑肌的收縮信號傳導。作為一種 GPCR，VPRA 激活下游信號通路（可能涉及 Gq 蛋白，引起細胞內鈣離子濃度升高），從而導致血管平滑肌收縮。

此題考查細胞質中合成的粒線體蛋白質如何精確地定位到粒線體基質（mitochondrial matrix）。這是蛋白質靶向運輸（protein targeting）的一個經典例子，涉及特定的信號序列和運輸機制。

核心步驟與機制：

1. 信號序列（Signal Sequence）：

   • 大多數需要進入粒線體的蛋白質，在它們的 N-末端都帶有一個稱為「粒線體靶向信號」（mitochondrial targeting signal）的序列。
   • 對於要進入粒線體基質的蛋白質，這個信號通常是一個由 20-50 個胺基酸組成的、富含鹼性（如精氨酸、離氨酸）和疏水性胺基酸的序列，形成一個兩性螺旋結構（amphipathic helix）。這個信號序列被稱為「前導肽」（presequence）或「MTS」（Mitochondrial Targeting Signal）。

2. 前導肽的識別與結合：

   • 在細胞質中，當蛋白質合成完成後，其 N-末端的前導肽會被細胞質中的「伴侶蛋白」（chaperones，如 Hsp70）識別並結合。這些伴侶蛋白可以保持蛋白質處於開放、未摺疊的狀態，有利於其通過粒線體膜上的轉運通道。

3. 通過外膜的轉運複合物（TOM Complex）：

   • 蛋白質複合物（蛋白質 + 伴侶蛋白 + MTS）會被引導到粒線體外膜上的「外膜轉運複合物」（TOM Complex, Translocase of the Outer Membrane）。
   • MTS 會與 TOM 複合物中的受體結合，啟動蛋白質的轉運過程。

4. 通過內膜的轉運複合物（TIM Complex）：

   • 一旦蛋白質通過外膜，它會被引導到粒線體內膜上的「內膜轉運複合物」（TIM Complex, Translocase of the Inner Membrane）。
   • TIM 複合物的類型取決於蛋白質的最終目的地。對於進入基質的蛋白質，通常是 TIM23 複合物。

此題考查從細胞中純化內質網（Endoplasmic Reticulum, ER）的方法。純化內質網通常涉及細胞勻漿、差速離心（differential centrifugation）和密度梯度離心（density gradient centrifugation）等步驟。

基本原理：
內質網是細胞內膜系統的一部分，其膜結構使其在細胞勻漿後可以通過離心分離。純化 ER 的關鍵在於利用 ER 膜囊泡（ER-derived vesicles）的密度和大小特性，將其與其他細胞器（如細胞核、粒線體、高爾基體、溶體等）分離開。

詳細步驟：

1. 細胞收集與裂解 (Cell Harvesting and Lysis)：

   • 首先，收集細胞（例如，肝臟細胞是常用的實驗材料，因為其 ER 含量較高）。
   • 將細胞裂解（homogenization）以打破細胞膜和細胞壁（如果存在），釋放出細胞器。常用的方法包括：
     • 機械法： 如使用勻漿器（homogenizer）、高壓均質機（high-pressure homogenizer）或超聲波處理（sonication）。
     • 化學法： 使用去垢劑（detergent）來溶解細胞膜，但需要小心選擇去垢劑，以免破壞 ER 結構。
     • 滲透壓裂解： 將細胞置於低滲透壓緩衝液中，使其吸水膨脹破裂。

2. 差速離心 (Differential Centrifugation)：

   • 將細胞裂解液進行一系列不同速度和時間的離心，以初步分離細胞組分。
   • 低速離心 (e.g., 500-1000 x g, 10-20 min)： 去除未破裂的細胞、細胞核、細胞碎片等較大的組分，得到上清液（稱為「細胞質提取物」或「粗提取物」）。
   • 中速離心 (e.g., 10,000-20,000 x g, 20-30 min)： 去除粒線體、溶體、過氧化物酶體等中等大小的細胞器，得到上清液。
   • 高速離心 (e.g., 100,000 x g, 60-120 min)： 將含有 ER 和其他膜結構的上清液高速離心，沉澱物中主要包含微粒體（microsomes），這是 ER 膜碎片形成的囊泡。上清液則富含可溶性細胞質蛋白。