109 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》

本題主要在探討微粒體（microsomes）的定義、與內質網的關係，以及其分離方法。

A. 微粒體（Microsomes）是細胞生物學研究中常用的一種實驗材料，它並非細胞內天然存在的獨立胞器。微粒體實際上是細胞在進行研磨（homogenization）和離心（centrifugation）等實驗操作過程中，由內質網（endoplasmic reticulum, ER）膜破裂後，重新自我組裝形成的小囊泡。這些小囊泡保留了內質網原有的膜結構和部分功能，例如蛋白質合成、脂質代謝和藥物解毒等。

微粒體與內質網的主要差異在於：

1. 結構來源： 內質網是細胞內真實存在的連續膜狀網絡，而微粒體是實驗操作的產物，是內質網膜的片段。
2. 完整性： 內質網在活細胞中是連續且有特定形態的網絡，而微粒體是封閉的囊泡，其大小和形態可能不均一。
3. 功能代表性： 微粒體可以代表內質網的部分功能，但由於其是片段化且可能部分喪失原有環境，其功能表現可能與完整內質網有所不同。例如，在藥物代謝的研究中，微粒體（尤其是來自粗糙內質網的微粒體）富含細胞色素P450酶系，是研究藥物解毒的重要對象。

B. 分離微粒體（microsomes）通常需要經過一系列細胞破碎和離心步驟。以下是一種常見的分離方法：

1. 細胞收集與破碎（Cell Collection and Homogenization）：

   • 首先，收集目標細胞或組織。
   • 利用機械方法（如均質器、超音波處理、高壓均質機）或化學方法（如去垢劑）來破碎細胞膜和細胞壁（如果存在），釋放細胞內的胞器。

2. 低速離心去除細胞核與未破碎細胞（Low-speed Centrifugation）：

   • 將破碎後的細胞懸液進行低速離心（例如 500-1000 g，10-15 分鐘）。

本題主要探討兩種重要的細胞表面受體及其參與的信號傳遞途徑。

A. G蛋白偶聯受體 (G-protein coupled receptor, GPCR) 是一種跨膜受體，細胞外結構與信號分子結合，細胞內結構則與G蛋白偶聯。GPCR是最大的受體家族之一，介導了多種生理過程。

信號轉導機制（以腎上腺素受體為例）：

1. 配體結合： 當信號分子（如腎上腺素）與細胞外的GPCR結合時，受體構象發生改變。

2. G蛋白活化： 這種構象改變使得與受體結合的G蛋白（通常是異三聚體G蛋白，包含α、β、γ三個亞基）發生構象改變。在GDP結合的非活性狀態下，G蛋白的α亞基與βγ亞基緊密結合。配體結合後，G蛋白的α亞基釋放GDP，結合GTP，並與βγ亞基分離，形成活化的Gα-GTP和βγ複合物。

3. 效應器活化： 活化的Gα-GTP或βγ複合物可以與細胞內的效應器（effector）分子結合並調節其活性。

   • Gαs 偶聯： 活化的Gαs-GTP可以激活腺苷酸環化酶（adenylyl cyclase），後者將ATP轉化為第二信使環腺苷酸（cAMP）。cAMP再激活蛋白激酶A (PKA)，PKA磷酸化下游靶蛋白，影響細胞功能。
   • Gαi 偶聯： 活化的Gαi-GTP則會抑制腺苷酸環化酶，降低cAMP水平。
   • Gαq 偶聯： 活化的Gαq-GTP可以激活磷脂酶C (phospholipase C, PLC)。PLC水解磷脂醯肌醇二磷酸 (PIP2) 產生兩個第二信使：三磷酸肌醇 (IP3) 和二醯甘油 (DAG)。IP3釋放細胞內鈣離子，DAG激活蛋白激酶C (PKC)。

4. 信號終止： Gα亞基具有 GTPase 活性，會緩慢將 GTP 水解為 GDP，然後重新與 βγ 亞基結合，恢復到非活性狀態。同時，配體從受體上脫離，效應器活性終止，信號傳遞結束。

例子： 許多神經遞質（如乙醯膽鹼、多巴胺）和激素（如腎上腺素、胰高血糖素）都通過GPCR傳遞信號。例如，β-腎上腺素受體（一種GPCR）與腎上腺素結合後，通過Gαs激活腺苷酸環化酶，增加細胞內cAMP，促進肝糖分解。

B. 受體酪胺酸激酶 (Receptor tyrosine kinase, RTK) 是一類細胞膜受體，其細胞外區域結合配體，細胞內區域具有酪胺酸激酶活性。

本題主要探討蛋白質在內質網中進行的翻譯後修飾及其功能。

A. 內質網（Endoplasmic Reticulum, ER）是蛋白質合成、摺疊、修飾和運輸的重要場所。在內質網中發生的主要翻譯後修飾（Post-Translational Modifications, PTMs）包括：

1. N-端糖基化 (N-linked glycosylation)： 這是內質網中最普遍且重要的PTM之一。在新生多肽鏈的Asn-X-Ser/Thr（X為除脯氨酸外的任何氨基酸）序列上，會共轉譯（co-translational）或近共轉譯（post-translational）添加一個預先組裝好的寡糖鏈（通常包含2個N-乙醯葡糖胺，9個甘露糖，3個葡萄糖）。這個過程由寡糖基轉移酶（oligosaccharyltransferase, OST）催化。
2. 蛋白質摺疊與質量控制 (Protein Folding and Quality Control)： 雖然嚴格來說不是化學修飾，但內質網內的伴侶蛋白（chaperones）如BiP, Calnexin, Calreticulin等，會協助蛋白質正確摺疊。在這個過程中，也會發生一些與摺疊相關的共價修飾，例如：
   • 二硫鍵形成 (Disulfide bond formation)： 在蛋白質的細胞外結構域或分泌蛋白中，兩個半胱氨酸殘基之間形成共價的二硫鍵（-S-S-）。這個反應在內質網中由蛋白質二硫鍵異構酶（Protein Disulfide Isomerase, PDI）催化，它也負責二硫鍵的異構化和重排，以幫助蛋白質達到正確的摺疊狀態。
3. 糖基化過程中的脫糖基化 (Deglycosylation in Glycosylation Pathway)： 在N-端糖基化過程中，寡糖鏈會經過一系列修剪和再添加的步驟，例如甘露糖的修剪，這是蛋白質質量控制（ER-associated degradation, ERAD）和正確摺疊監測的一部分。
4. 其他修飾： 雖然不如糖基化和二硫鍵形成普遍，內質網也可能參與其他修飾，例如某些蛋白質的磷酸化、乙醯化等，但這些通常在內質網外更為常見。

本題主要探討微絲（Microfilament）作為細胞骨架組成部分的結構特點和功能。

A. 微絲，又稱為肌動蛋白絲（Actin filaments），是細胞骨架中最細的一種結構，直徑約為5-7 nm。其獨特的結構特點包括：

1. 單體組成： 微絲主要由球狀肌動蛋白（G-actin）單體聚合而成。每個G-actin單體都具有一個ATP結合位點。
2. 聚合形成雙螺旋結構： G-actin單體以頭尾相接（head-to-tail）的方式聚合，形成一個極性（polarity）的單股螺旋纖維。這種聚合方式使得微絲具有一個「正端」（plus end, + end）和一個「負端」（minus end, - end）。
3. 動態不穩定性（Dynamic Instability）： 微絲具有高度的動態性。在ATP存在下，G-actin單體傾向於在正端添加（ATP-actin聚合），而在負端則傾向於水解ATP為ADP，並釋放ADP-actin單體。這種聚合和解聚的動態平衡（稱為「 the treadmilling effect」）允許微絲在細胞內快速生長和縮短，以響應細胞的信號和需求。
4. 極性： 微絲結構上的極性（正端和負端）對其功能至關重要，例如驅動細胞運動和胞內貨物運輸。
5. 與多種蛋白質相互作用： 微絲可以與數百種肌動蛋白結合蛋白（actin-binding proteins, ABPs）相互作用，這些蛋白質調節微絲的聚合、解聚、連接、穩定性以及與其他細胞結構的相互作用，進一步賦予微絲多樣化的功能。

本題主要探討粒線體的結構特徵及其在演化上的起源。

A. 粒線體（Mitochondria）是真核細胞中重要的胞器，主要負責細胞呼吸和ATP的產生。其結構特徵非常獨特：

1. 雙層膜結構： 粒線體具有兩層膜：
   • 外膜 (Outer membrane)： 較光滑，含有稱為孔蛋白（porins）的通道蛋白，允許小分子（< 5000 Da）自由通過，使其通透性類似於內膜。
   • 內膜 (Inner membrane)： 具有高度摺疊，形成許多稱為「嵴」（cristae）的突起，顯著增加了膜的表面積。內膜的通透性極低，只允許特定物質通過特定的轉運蛋白。內膜是電子傳遞鏈（electron transport chain, ETC）和ATP合成酶（ATP synthase）的所在地，是ATP產生的主要場所。
2. 膜間腔 (Intermembrane space)： 位於內膜和外膜之間的空間。由於外膜的通透性，膜間腔的離子和分子組成與細胞質非常相似，除了某些在ETC中起作用的蛋白質（如細胞色素c）外。
3. 基質 (Matrix)： 位於內膜包圍的空間，是粒線體內部的「填充物」。基質含有：
   • 粒線體DNA (mtDNA)： 呈環狀，與細菌DNA相似。
   • 粒線體核糖體 (Mitochondrial ribosomes)： 70S類型，類似於細菌核糖體，用於合成部分粒線體蛋白質。
   • 多種酶： 包括檸檬酸循環（Krebs cycle）的所有酶、脂肪酸β-氧化酶、以及部分DNA聚合酶、RNA聚合酶、蛋白質合成所需的tRNA和rRNA等。

核心觀念

本題考查三類細胞的基本構造差異：

• 動物細胞與植物細胞皆屬真核細胞，具有細胞核、核膜、核仁、粒線體、內質網與高基氏體等膜性構造。
• 植物細胞額外具有細胞壁、葉綠體、中央液泡、類囊體與胞間連絲。
• 細菌細胞屬原核細胞，沒有真正的細胞核與膜性胞器，但具有 DNA、核糖體；多數細菌具有細胞壁。

判斷各選項時，可先依「真核細胞專有構造」、「植物特有構造」及「所有細胞共有構造」分類。

解題方法

先建立三個判斷原則：

1. 是否為真核細胞構造
   核膜、核仁、高基氏體、粒線體等皆是真核細胞構造，因此不出現在典型細菌中。

2. 是否為植物特有構造
   葉綠體、中央液泡、類囊體與胞間連絲是植物細胞的代表性構造。

3. 是否為細胞基本必需成分
   DNA 與核糖體存在於動物、植物及細菌細胞中；細胞壁則存在於植物與多數細菌，但動物細胞沒有。

各類細胞的判定

選項	構造或成分	動物細胞	植物細胞	細菌細胞
(a)	葉綠體 chloroplast	×	✓	×
(b)	細胞壁 cell wall	×	✓	✓*
(c)	微管 microtubules	✓	✓	×
(d)	DNA	✓	✓	✓
(e)	核膜 nuclear envelope	✓	✓	×
(f)	核仁 nucleoli	✓	✓	×
(g)	高基氏體 Golgi complex	✓	✓	×
(h)	中央液泡 central vacuole	×	✓	×
(i)	類囊體 thylakoids	×	✓	×
(j)	核糖體 ribosomes	✓	✓	✓
(k)	粒線體 mitochondria	✓	✓	×
(l)	肌動蛋白 actin	✓	✓	×
(m)	胞間連絲 plasmodesmata	×	✓	×

*細菌通常具有細胞壁，但並非所有細菌皆有典型的細胞壁結構；本題依一般細菌的教科書定義判定為有。

選項分析

(a) 葉綠體 chloroplast

葉綠體是植物與藻類進行光合作用的半自主性胞器，具有雙層膜、自己的 DNA 與核糖體。

• 動物細胞：沒有葉綠體，因此錯。
• 植物細胞：具有葉綠體，因此對。
• 細菌細胞：沒有膜性葉綠體，因此錯。藍綠菌雖能進行光合作用，但其光合膜系統位於細胞質膜及其內摺結構，不稱為葉綠體。

(b) 細胞壁 cell wall

細胞壁位於細胞膜外側，提供機械支持與形狀維持。

• 動物細胞：沒有細胞壁，細胞外主要為細胞外基質，因此錯。
• 植物細胞：具有以纖維素為主要成分的細胞壁，因此對。
• 細菌細胞：典型細菌具有以肽聚糖為主要成分的細胞壁，因此對。

(c) 微管 microtubules

微管由 tubulin 蛋白組成，參與細胞骨架、紡錘體形成、細胞內運輸與纖毛、鞭毛構造。

• 動物細胞：具有微管，因此對。
• 植物細胞：具有微管，參與細胞分裂、細胞形狀與細胞壁沉積方向，因此對。
• 細菌細胞：典型細菌沒有真核型 tubulin 微管系統，因此錯。部分細菌具有功能類似細胞骨架的蛋白，但不等同於真核細胞的微管。

(d) DNA

DNA 是儲存遺傳資訊的核酸。

• 動物細胞：DNA 位於細胞核，粒線體內也有少量 DNA，因此對。
• 植物細胞：DNA 位於細胞核，葉綠體與粒線體內也有少量 DNA，因此對。
• 細菌細胞：DNA 主要位於細胞質中的類核區，通常另有質體 DNA，因此對。

本題考察學生對不同跨膜運輸機制的理解，需要解釋四對相關但有區別的運輸方式。

A. 簡單擴散 (Simple Diffusion) vs. 促進擴散 (Facilitated Diffusion)

• 共同點： 兩者都是被動運輸，不消耗細胞直接提供的ATP，物質的運輸方向都順著其濃度梯度（從高濃度區域到低濃度區域）。
• 區別：
  • 簡單擴散： 物質直接穿過細胞膜的脂質雙層。通常僅適用於小分子、非極性物質（如氧氣 $O_2$、二氧化碳 $CO_2$、脂溶性分子）或非常小的極性分子（如水 $H_2O$，雖然水也有專門的通道蛋白水通道 Aquaporin，但少量水也能通過簡單擴散）。運輸速率與濃度梯度和膜的通透性成正比，不受膜上載體蛋白的限制。
  • 促進擴散： 物質的運輸需要膜上特定的載體蛋白（carrier proteins）或通道蛋白（channel proteins）的協助。適用於極性分子、離子或大分子，這些物質不易直接穿過疏水的脂質雙層。運輸速率會受到載體蛋白數量的限制，達到最大速率（Vmax）後，再增加濃度梯度也不會提高運輸速率（飽和現象）。
    • 載體蛋白： 結合特定溶質，發生構象改變以將溶質轉運至膜的另一側。
    • 通道蛋白： 形成親水的通道，允許特定離子或小分子通過。通道蛋白通常具有門控（gating）機制，可以被信號調節打開或關閉。

B. 同向運輸 (Symport Transport) vs. 反向運輸 (Antiport Transport)

• 共同點： 兩者都是繼發性主動運輸（Secondary Active Transport）的一種形式，或者更廣泛地說，是協同運輸（Co-transport）的兩種方式。它們利用一個溶質（通常是離子，如 $Na^+$ 或 $H^+$）的電化學梯度能來驅動另一個溶質（可能也是離子，也可能是極性分子）的運輸，這些運輸過程本身不直接消耗ATP，而是依賴於先前由離子泵（如 $Na^+/K^+$ ATP酶）建立起來的離子梯度。
• 區別：
  • 同向運輸 (Symport)： 兩種溶質（或離子）沿著同一方向通過細胞膜。例如，腸道細胞中的葡萄糖-鈉離子同向轉運蛋白（SGLT），將葡萄糖和鈉離子同時從腸腔運輸到細胞內部。

本題考察學生對信號轉導過程中關鍵分子（適配蛋白、支架蛋白、第二信使）作用的理解，並要求舉例說明。

A. 適配蛋白 (Adaptor Protein)
適配蛋白是信號轉導通路中一類重要的蛋白質，它們本身通常不具備催化活性（如激酶或磷酸酶活性），但能夠連接（adapt）或橋接（bridge）通路中的不同組分，將它們組裝成功能性的信號複合物，從而將信號傳遞到下游。它們通常具有多個結構域，能夠識別和結合不同的蛋白質或磷酸化酪胺酸殘基。

作用：

• 連接信號分子和效應器： 適配蛋白可以將激活的受體與下游的信號分子（如激酶）連接起來，促進信號的傳遞。
• 促進蛋白質複合物的形成： 通過同時結合兩個或更多蛋白質，適配蛋白有助於形成信號複合物，提高信號傳遞的效率和特異性。
• 調節信號的時空定位： 適配蛋白可以將信號分子招募到細胞的特定位置（如細胞膜、特定細胞器），確保信號在正確的時間和地點傳遞。

例子：

• Grb2 (Growth factor receptor-bound protein 2)： 這是 EGF 信號傳導中一個經典的適配蛋白。Grb2 具有一個 SH2 結構域（識別磷酸化酪胺酸）和兩個 SH3 結構域（識別富含脯氨酸的序列）。當生長因子受體（如 EGFR）被激活並自磷酸化後，Grb2 的 SH2 結構域會結合到受體上被磷酸化的酪胺酸殘基上。隨後，Grb2 的 SH3 結構域會結合到 SOS（一個 GEF 蛋白，用於激活 Ras GTPase）上。這樣，Grb2 就將激活的受體與 Ras GTPase 的激活因子 SOS 聯繫起來，促進 Ras/MAPK 信號通路的啟動。

B. 支架蛋白 (Scaffold Protein)
支架蛋白是另一類在信號轉導中起關鍵作用的蛋白質，它們也通常沒有催化活性。與適配蛋白類似，支架蛋白能夠同時結合多個信號傳導組分（通常是激酶、磷酸酶或其他信號分子），將它們組織成一個固定的、有序的複合物。然而，支架蛋白通常能更穩定、更緊密地將一組信號分子「固定」在一起，形成一個「支架」，確保信號級聯反應的高效、精確和有組織地進行。

作用：

• 增強信號傳遞效率： 通過將一系列連續反應的酶（如激酶級聯）聚集在一起，支架蛋白減少了底物擴散的時間，提高了信號放大的效率。
• 提高信號特異性： 通過精確地定位信號分子，支架蛋白可以防止信號分子與錯誤的底物反應，確保信號傳遞的特異性。
• 調節信號的時空表達： 支架蛋白可以將信號複合物定位到細胞的特定區域，或在特定時間點進行組裝和解散，從而精確控制信號的傳遞。
• 整合多條信號通路： 有些支架蛋白可以整合來自不同信號通路的信號。

例子：

• KSR (Kinase Suppressor of Ras)： KSR 是一種重要的支架蛋白，它參與 Ras/MAPK 信號通路。KSR 能夠同時結合 RAF、MEK 和 ERK（MAPK）這三個關鍵的激酶。