111 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》

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第 1 題

Which of the following is the smallest structure that would most likely be visible with a standard research-grade light microscope?
(A) mitochondrion
(B) double membrane of nucleus
(C) ribosome
(D) virus

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核心觀念

本題考查光學顯微鏡的解析度,以及細胞構造的典型尺寸。

標準研究級光學顯微鏡受繞射極限限制,橫向解析度約為:

d≈0.61λNAd \approx \frac{0.61\lambda}{NA}

使用可見光與高數值孔徑物鏡時,解析度通常約為 200–250 nm200\text{–}250\ \mathrm{nm}。因此:

  • 大於數百奈米的胞器,通常可被觀察。
  • 僅數十奈米的膜、核糖體與多數病毒,需使用電子顯微鏡。
  • 「看得到一個構造」與「能分辨其內部細節」是不同概念。

解題方法

逐一比較各選項的典型尺寸與光學顯微鏡的解析度:

構造典型尺寸光學顯微鏡可見性
粒線體長約 0.5–10 μm0.5\text{–}10\ \mu\mathrm{m},直徑約 0.5–1 μm0.5\text{–}1\ \mu\mathrm{m}可見
核膜的雙層膜單層膜厚約 7–8 nm7\text{–}8\ \mathrm{nm}無法分辨
核糖體約 20–30 nm20\text{–}30\ \mathrm{nm}不可見
病毒約 20–300 nm20\text{–}300\ \mathrm{nm},依種類而異一般不可見

在四個選項中,粒線體的尺寸明顯大於光學顯微鏡的解析度,且是尺寸最小、仍最容易以標準研究級光學顯微鏡觀察的構造。

選項分析

(A) mitochondrion:正確

粒線體通常約 0.5–1 μm0.5\text{–}1\ \mu\mathrm{m} 寬,長度可達數微米,尺寸大於光學顯微鏡約 200 nm200\ \mathrm{nm} 的解析度限制。

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第 2 題

In the fractionation of homogenized cells using differential centrifugation, which of the following will require the greatest speed to form pellets at the bottom of the tube?
(A) nuclei
(B) mitochondria
(C) chloroplasts
(D) ribosomes

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此題考驗學生對於細胞組成分離(cell fractionation)中差速離心法(differential centrifugation)的原理的理解。差速離心法是根據細胞組件的大小、密度和形狀不同,在不同離心速度下沉澱的原理來分離它們。通常,尺寸較大、密度較大的組件會先沉澱(需要較低的離心速度),而尺寸較小、密度較小的組件則需要更高的離心速度才能沉澱。

離心管底部的沉澱物(pellet)是通過離心力作用而沉降的細胞組件。離心速度越高,產生的離心力越大,越小的顆粒也越容易被沉澱。因此,需要最高離心速度來沉澱的組件,是所有選項中最小或密度最低的。

我們來分析各選項的相對尺寸和密度:
(A) 細胞核 (nuclei):是細胞中最大的細胞器之一,尺寸較大,密度也相對較高。

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第 3 題

Why a modern transmission electron microscope (TEM) can achieve a resolution of about 0.2 nanometers, whereas a standard light microscope has a maximum resolution of about 200 nanometers?
(A) Glass lenses in light microscopes refract light, which reduces resolution.
(B) Contrast is enhanced by staining with atoms of heavy metal.
(C) Electron beams have much shorter wavelengths than visible light.
(D) The electron microscope has a much greater ratio of image size to real size.

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此題考驗學生對光學顯微鏡和電子顯微鏡解析度差異的理解。解析度(resolution)是指顯微鏡能夠分辨兩個相鄰物點之間最小距離的能力。解析度越高,能夠分辨的細節就越多。

影響顯微鏡解析度的關鍵因素是其所使用的波長。根據瑞利判據(Rayleigh criterion),顯微鏡的解析度極限與其使用的波長成正比,與數值孔徑(numerical aperture, NA)成反比。公式可簡化為:解析度 ≈λ2×NA\approx \frac{\lambda}{2 \times NA},其中 λ\lambda 是波長。

我們來分析各選項:
(A) 玻璃透鏡在光學顯微鏡中用於聚焦光線,但它們本身的光學性質(如像差)確實會影響成像質量,但這不是解析度差異的主要原因。光學顯微鏡的解析度極限主要受限於光的波動性(波長)。
(B) 對比度增強(contrast enhancement)對於觀察樣品很重要,尤其是在使用電子顯微鏡時,通常需要對樣品進行重金屬染色以增加對比度,這樣才能看到細節。

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第 4 題

Which of the following is a major difference between prokaryotic cells and eukaryotic cells?
(A) Prokaryotic cells have cell walls, while eukaryotic cells do not.
(B) Eukaryotic cells have flagella, while prokaryotic cells do not.
(C) Eukaryotic cells have membrane-bound organelles, while prokaryotic cells do not.
(D) Prokaryotic cells are generally larger than eukaryotic cells.

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此題考驗學生對原核細胞(prokaryotic cells)和真核細胞(eukaryotic cells)基本結構差異的掌握。

讓我們逐一分析選項:
(A) 原核細胞通常有細胞壁,但並非所有真核細胞都沒有細胞壁。例如,植物細胞和真菌細胞有細胞壁,而動物細胞沒有。因此,這不是一個絕對的主要區別。
(B) 鞭毛(flagella)在原核生物和真核生物中都有,但它們的結構和運動機制不同。例如,細菌的鞭毛由鞭毛蛋白構成,而真核生物的鞭毛(如精子鞭毛)結構更複雜,由微管構成。所以,說真核細胞有鞭毛而原核細胞沒有,是不正確的。
(C) 這是原核細胞和真核細胞之間最核心、最主要的區別之一。

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第 5 題

Which of the following are found in plant, animal, and bacterial cells?
(A) mitochondria
(B) ribosomes
(C) chloroplasts
(D) endoplasmic reticulum

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此題考驗學生對不同類型細胞(植物細胞、動物細胞、細菌細胞)共有的細胞結構的認識。

我們來逐一檢查選項中的結構在三種細胞中的存在情況:
(A) 粒線體 (mitochondria):粒線體是真核細胞進行有氧呼吸的主要場所,產生 ATP。植物細胞和動物細胞都含有粒線體。然而,原核細胞(如細菌)沒有粒線體。它們的呼吸作用發生在細胞膜上。因此,粒線體不是三者共有的。
(B) 核糖體 (ribosomes):核糖體是蛋白質合成的場所,是所有生命細胞(包括原核細胞和真核細胞)所必需的。無論是植物細胞、動物細胞還是細菌細胞,都含有核糖體來合成蛋白質。

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第 6 題

What is the function of the nuclear pore complex found in eukaryotes?
(A) It regulates the movement of proteins and RNAs into and out of the nucleus.
(B) It synthesizes the proteins required to copy DNA and make mRNA.
(C) It synthesizes secreted proteins.
(D) It assembles ribosomes from raw materials that are synthesized in the nucleus.

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核心觀念

核孔複合體(nuclear pore complex, NPC)是鑲嵌於真核細胞核膜上的大型蛋白質結構,連接核內與細胞質,主要功能是進行核質之間的選擇性運輸。

可運輸的物質包括:

  • 蛋白質進入細胞核,例如 DNA 複製酶、轉錄因子與核糖體蛋白。
  • mRNA、tRNA 與核糖體次單元離開細胞核。
  • 小分子可經由孔道被動擴散;較大的蛋白質與核酸則需依靠核定位訊號(nuclear localization signal, NLS)、核輸入蛋白(importin)或核輸出蛋白(exportin)進行主動運輸。

因此,核孔複合體的核心角色是「管制物質進出細胞核」,而不是負責合成這些物質。

解題方法

判斷各選項是否符合核孔複合體的功能即可。題幹問的是 “function of the nuclear pore complex”,關鍵字是核孔複合體的「運輸與管制」功能。

核孔複合體本身不具有 DNA 複製、RNA 轉錄、蛋白質合成或核糖體組裝的主要酵素與結構功能;它負責的是讓相關蛋白質與 RNA 在細胞核、細胞質之間正確移動。

選項分析

(A) It regulates the movement of proteins and RNAs into and out of the nucleus.

正確。核孔複合體能選擇性調控蛋白質與 RNA 進出細胞核:

  • 具 NLS 的核內蛋白可由細胞質輸入細胞核。
  • 成熟 mRNA、tRNA 與核糖體次單元可由細胞核輸出至細胞質。
  • 運輸方向與效率受到 Ran-GTP/Ran-GDP 循環調控。

這正是核孔複合體的主要功能。

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第 7 題

The nuclear lamina is an array of intermediate filaments that line the inner side of the nuclear membrane. If a chemical treatment caused the lamina to disassemble, what would you expect to be the most likely immediate consequence?
(A) closing of nuclear pores
(B) the inability of the nucleus to divide during cell division
(C) a loss of genetic information from chromosomes
(D) a change in the shape of the nucleus

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核心觀念

核纖層(nuclear lamina)是由核纖層蛋白(lamin)組成的中間絲網狀結構,位於內核膜內側,主要功能包括:

  • 維持細胞核的形狀與機械強度。
  • 支撐內核膜。
  • 協助核孔複合體與染色質定位。
  • 參與細胞分裂時核膜的拆解與重組。

因此,核纖層解離後,最先受到影響的是細胞核的結構支撐與形狀,而非遺傳物質本身。

解題方法

題幹問的是「最可能的立即後果」,關鍵在於辨認核纖層的直接功能。

核纖層屬於細胞核的骨架系統,類似細胞質中的細胞骨架。若支撐細胞核內側的中間絲網絡突然解體,內核膜會失去部分機械支撐,細胞核容易變形。因此,應優先選擇與「核形狀維持」直接相關的選項。

【答案】為 (D) a change in the shape of the nucleus。

選項分析

(A) closing of nuclear pores

錯誤。核孔複合體負責核質與細胞質之間的物質運輸,其開閉與核纖層並非簡單的直接因果關係。核纖層解離可能影響核孔複合體的定位與核膜穩定性,但不會以「核孔關閉」作為最典型、最立即的結果。

(B) the inability of the nucleus to divide during cell division

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第 8 題

A cell with a predominance of rough endoplasmic reticulum is most likely.
(A) producing large quantities of proteins for secretion
(B) producing large quantities of proteins in the cytosol
(C) producing large quantities of carbohydrates to assemble an extensive cell wall matrix
(D) producing large quantities of carbohydrates for storage in the vacuole

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此題考驗學生對粗糙內質網(rough endoplasmic reticulum, RER)結構和功能的理解。粗糙內質網的特徵是其表面附著有核糖體,這些核糖體負責合成特定類型的蛋白質。

RER 的主要功能是合成和修飾以下幾類蛋白質:

  1. 分泌蛋白(secreted proteins):這些蛋白質在合成後會被分泌到細胞外。
  2. 膜蛋白(membrane proteins):這些蛋白質會整合到細胞膜、內質網膜、高爾基體膜、溶酶體膜等。
  3. 溶酶體蛋白(lysosomal proteins):這些蛋白質在合成後會被運輸到溶酶體。

這些蛋白質在核糖體上合成,並直接進入 RER 的腔內(lumen)進行摺疊、修飾(如醣基化)和初步加工。

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第 9 題

Which structure below is independent of the endomembrane system?
(A) nuclear envelope
(B) chloroplast
(C) Golgi apparatus
(D) endoplasmic reticulum

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核心觀念

本題考查「內膜系統(endomembrane system)」的組成。

內膜系統是由一系列彼此具有膜性連續關係,或能透過囊泡運輸交換膜與物質的細胞構造所組成,主要負責蛋白質與脂質的合成、修飾、分類、運送及分泌。典型成員包括:

  • 核膜(nuclear envelope)
  • 內質網(endoplasmic reticulum, ER)
  • 高基氏體(Golgi apparatus)
  • 溶體(lysosome)
  • 液泡(vacuole)
  • 運輸囊泡與細胞膜

葉綠體(chloroplast)則屬於半自主性胞器,源自藍綠菌的內共生事件,不屬於內膜系統。

解題方法

判斷各選項是否屬於內膜系統,重點在於觀察它是否參與典型的內膜系統膜物流動與囊泡運輸路徑:

內質網→運輸囊泡→高基氏體→溶體、細胞膜或分泌至細胞外\text{內質網} \rightarrow \text{運輸囊泡} \rightarrow \text{高基氏體} \rightarrow \text{溶體、細胞膜或分泌至細胞外}

核膜的外膜與內質網膜相連,因此納入內膜系統。內質網與高基氏體則是此運輸路徑的核心構造。

葉綠體雖然具有膜結構,但「具有膜」不等於「屬於內膜系統」。葉綠體有自己的基因體、核糖體與蛋白質合成能力,演化來源及功能系統均不同於內膜系統,因此是本題答案。

選項分析

(A) nuclear envelope

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第 10 題

Which of the following organelles produces and modifies polysaccharides that will be secreted?
(A) lysosome
(B) mitochondrion
(C) Golgi apparatus
(D) peroxisome

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核心觀念

本題考查分泌途徑中各胞器的功能,以及多醣類的合成與修飾位置。

分泌至細胞外的多醣,通常在高基氏體(Golgi apparatus)中進行合成、加工與修飾。高基氏體可將糖類單體組裝成多醣,也能修飾蛋白質或脂質上的寡醣,形成糖蛋白、糖脂與其他分泌性醣類,最後由分泌囊泡運送至細胞膜並排出細胞外。

典型分泌路徑為:

內質網→運輸囊泡→高基氏體→分泌囊泡→細胞外\text{內質網} \rightarrow \text{運輸囊泡} \rightarrow \text{高基氏體} \rightarrow \text{分泌囊泡} \rightarrow \text{細胞外}

其中,高基氏體是分泌物進行進一步糖類加工與分類包裝的重要場所。

解題方法

題幹的關鍵字是:

  • produces:產生
  • modifies:修飾
  • polysaccharides:多醣
  • secreted:將被分泌至細胞外

判斷時應找出同時具備「糖類加工」與「分泌物包裝、運輸」功能的胞器。高基氏體負責處理來自內質網的蛋白質與脂質,並進行醣基化、醣鏈修飾、多醣合成及分泌物分類,因此符合題目描述。

選項分析

(A) lysosome 溶小體

錯誤。溶小體含有多種水解酵素,主要功能是分解:

  • 蛋白質
  • 核酸
  • 脂質
  • 多醣

它負責細胞內物質的消化與回收,不是產生並修飾將分泌到細胞外的多醣。

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第 11 題

Thylakoids, DNA, and ribosomes are all components found in
(A) chloroplasts
(B) mitochondria
(C) lysosomes
(D) nuclei

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此題考驗學生對細胞器結構組成的知識,特別是含有自身 DNA 和核糖體的細胞器。

讓我們逐一檢查選項:
(A) 葉綠體 (chloroplasts):葉綠體是植物細胞和藻類中進行光合作用的細胞器。葉綠體具有雙層膜結構,其內部含有類囊體(thylakoids),類囊體是光合作用進行的場所。葉綠體還擁有自己的環狀 DNA(chloroplast DNA)和 70S 型的核糖體,能夠進行部分蛋白質的合成。因此,葉綠體含有類囊體、DNA 和核糖體。
(B) 粒線體 (mitochondria):粒線體是真核細胞進行有氧呼吸的場所。粒線體也具有雙層膜結構,內膜向內摺疊形成嵴(cristae)。粒線體也擁有自己的環狀 DNA(mitochondrial DNA)和 70S 型的核糖體,能夠合成部分蛋白質。然而,粒線體內部沒有類囊體結構,其能量轉換機制與葉綠體不同。

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第 12 題

The evolution of eukaryotic cells most likely involved
(A) endosymbiosis of an oxygen-using bacterium in a larger bacterial host cell-the
endosymbiont evolved into chloroplasts
(B) endosymbiosis of a photosynthetic archaeal cell in a larger bacterial host cell to
escape toxic oxygen-the anaerobic archaea evolved into chloroplasts
(C) endosymbiosis of an oxygen-using bacterium in a larger bacterial host cell-the
endosymbiont evolved into mitochondria
(D) evolution of an endomembrane system and subsequent evolution of mitochondria
from a portion of the smooth endoplasmic reticulum

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核心觀念

本題考查真核細胞起源中的「內共生學說」(endosymbiotic theory)。

真核細胞的重要特徵包括:

  • 具有細胞核與內膜系統。
  • 具有粒線體(mitochondria)。
  • 植物與藻類細胞另具有葉綠體(chloroplasts)。

內共生學說認為,早期較大的宿主細胞吞入能獨立生活的原核生物,雙方形成長期互利關係,最後被吞入的細胞演化成真核細胞的胞器:

  • 好氧細菌,特別是與 α\alpha-變形菌類群相關者,演化成粒線體。
  • 藍綠菌(cyanobacteria)演化成葉綠體。

因此,判斷本題的關鍵是分辨「好氧細菌」與「光合生物」分別對應哪一種胞器。

解題方法

逐一核對各選項的三個部分:

  1. 內共生者的生物類型是否正確。
  2. 宿主與內共生者的演化關係是否合理。
  3. 內共生者最後形成的胞器是否正確。

其中最重要的對應關係是:

好氧細菌⟶粒線體\text{好氧細菌} \longrightarrow \text{粒線體} 光合藍綠菌⟶葉綠體\text{光合藍綠菌} \longrightarrow \text{葉綠體}

題幹描述「oxygen-using bacterium」,也就是利用氧進行有氧呼吸的細菌;這類內共生者所提供的主要功能是有氧呼吸,最後形成粒線體。

選項分析

(A)錯誤

此選項前半段指出「利用氧的細菌」進入較大的宿主細胞,這個內共生事件本身符合粒線體起源的概念。

但選項最後說該內共生者演化成葉綠體,這是不正確的。葉綠體的祖先是具有光合作用能力的藍綠菌,而不是一般的好氧細菌。

正確對應應為:

好氧細菌⟶粒線體\text{好氧細菌} \longrightarrow \text{粒線體}

而非:

好氧細菌⟶葉綠體\text{好氧細菌} \longrightarrow \text{葉綠體}

(B)錯誤

此選項有多項錯誤:

  1. 葉綠體的祖先不是光合古菌,而是光合藍綠菌。
  2. 古菌並非葉綠體的直接祖先。
  3. 「厭氧古菌演化成葉綠體」不符合葉綠體的起源證據。
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第 13 題

Ions can travel directly from the cytoplasm of one animal cell to the cytoplasm of an adjacent cell through
(A) plasmodesmata
(B) tight junctions
(C) desmosomes
(D) gap junctions

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核心觀念

本題考查動物細胞之間的細胞連接構造,以及各類連接在細胞間的主要功能。

能讓一個動物細胞的細胞質,直接與相鄰細胞的細胞質相通,使離子與小分子通過的構造,是 gap junction(間隙連接)。

Gap junction 由兩個相對排列的 connexon(連接子) 組成,每個 connexon 由 6 個 connexin 蛋白構成。相鄰細胞的 connexon 對接後形成跨越兩層細胞膜的水性通道,使離子及部分小分子可直接由一個細胞的細胞質通往另一個細胞。

解題方法

判斷關鍵在於題幹的兩個條件:

  1. 對象是動物細胞。
  2. 離子能從一個細胞的細胞質直接進入相鄰細胞的細胞質。

符合「細胞質—細胞質直接連通」的細胞連接只有 gap junction。這種通道可進行:

  • 離子傳遞
  • 電性耦聯
  • 細胞間小分子訊號傳遞

因此,正確選項為:

gap junctions\boxed{\text{gap junctions}}

選項分析

(A) plasmodesmata(胞間連絲)錯誤

Plasmodesmata 是植物細胞特有的細胞間連接構造,穿過植物細胞壁,連通相鄰植物細胞的細胞質。題目明確問的是 animal cell,因此不符合題意。

(B) tight junctions(緊密連接)錯誤

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第 14 題

Which of the following structures form cytoplasmic channels that connect adjacent plant cells through the cell walls?
(A) desmosomes
(B) gap junctions
(C) plasmodesmata
(D) tight junctions

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核心觀念

植物細胞彼此相鄰時,細胞壁會阻隔細胞膜與細胞質的直接接觸;植物細胞藉由穿越細胞壁的細小通道進行細胞間物質與訊息傳遞。這些通道稱為 plasmodesmata(胞間連絲)。

胞間連絲由相鄰植物細胞的細胞膜連續包覆,中央通常具有源自內質網的 desmotubule,可使相鄰細胞的細胞質彼此相通,形成植物細胞的共質體途徑(symplastic pathway)。

解題方法

題幹的關鍵描述是:

  • 「cytoplasmic channels」:細胞質通道
  • 「connect adjacent plant cells」:連接相鄰植物細胞
  • 「through the cell walls」:穿越細胞壁

符合「穿越植物細胞壁、連接相鄰細胞細胞質」定義的結構,就是 plasmodesmata。因此正確答案為 (C)。

選項分析

(A) desmosomes

錯誤。Desmosomes(橋粒)是動物細胞的細胞連接構造,主要功能是利用鈣黏蛋白與中間絲,將相鄰細胞牢固連結,增強組織的機械強度。

橋粒屬於細胞的「錨定型連接」,不形成穿越細胞壁的細胞質通道;植物細胞也沒有典型的動物型 desmosomes。

(B) gap junctions

錯誤。Gap junctions(間隙連接)是動物細胞之間的細胞質通道,由 connexin 組成的 connexon 對接而成,可讓離子與小分子在相鄰動物細胞間通過。

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第 15 題

The cell walls of bacteria, fungi, and plant cells, and the extracellular matrix of animal cells are all external to the plasma membrane. Which of the following characteristics are common to all of these extracellular structures?
(A) They must block water and small molecules to regulate the exchange of matter and
energy with their environment.
(B) They must provide a rigid structure that maintains an appropriate ratio of cell
surface area to volume.
(C) They are constructed of materials that are synthesized in the cytoplasm and then
transported out of the cell for assembly.
(D) They are composed of a mixture of lipids and nucleotides.

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此題考驗學生對細胞外基質(extracellular structures)共性的理解,包括細菌、真菌、植物細胞壁以及動物細胞的細胞外基質(extracellular matrix, ECM)。這些結構都位於細胞質膜之外,為細胞提供結構支持、保護或參與細胞間的相互作用。

讓我們逐一分析選項:
(A) 阻擋水和分子以調節與環境的物質和能量交換:雖然這些結構確實位於細胞質膜外,影響物質交換,但它們的主要功能並非「阻擋」所有水和分子。例如,植物細胞壁雖然堅韌,但仍允許水和溶解的物質通過。此外,有些結構(如 ECM)更側重於結構支持和信號傳導,而非嚴格的屏障。
(B) 提供一個剛性結構以維持細胞表面積與體積的適當比例:這是細胞壁的主要功能之一,特別是植物細胞壁。它提供了結構支撐,使細胞能夠維持一定的形狀,並在一定程度上抵抗滲透壓。動物細胞的 ECM 雖然不一定「剛性」,但它提供了結構支持,幫助維持組織的形態。細菌和真菌細胞壁也提供結構支撐。然而,維持「表面積與體積的比例」這個說法,更多是針對細胞整體尺寸的穩定性,而不是這些結構本身的主要目的。

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第 16 題

Cilia and flagella bend because of
(A) conformational changes in ATP that thrust microtubules laterally
(B) a motor protein called radial spokes
(C) contraction by myosin
(D) a motor protein called dynein

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核心觀念

本題考查真核生物纖毛(cilia)與鞭毛(flagella)的軸絲(axoneme)構造,以及其產生彎曲運動的分子機制。

典型軸絲具有 9+2 微管排列:

  • 外圍 9 組微管雙聯體
  • 中央 2 條單微管
  • 外圍雙聯體上具有動力蛋白 dynein
  • 徑向輻條(radial spokes)連接外圍雙聯體與中央微管
  • nexin 等連結蛋白限制微管彼此過度滑動

Dynein 利用 ATP 水解所釋放的能量,使相鄰微管雙聯體產生相對滑動。由於微管被連結蛋白與基部結構限制,滑動不能自由地轉化為整體位移,而會轉變成軸絲的彎曲。

因此,直接造成纖毛與鞭毛彎曲的馬達蛋白是 dynein。

解題方法

判斷此題可從「纖毛與鞭毛的運動由哪一種細胞骨架馬達蛋白負責」切入:

  1. 纖毛與鞭毛的核心骨架是微管,而不是肌動蛋白。
  2. 微管相關的主要馬達蛋白為 kinesin 與 dynein。
  3. 纖毛與鞭毛軸絲上的運動主要由 dynein 負責。
  4. Dynein 水解 ATP,沿相鄰微管雙聯體產生滑動力。
  5. 微管滑動受到 nexin 等結構限制,因而轉換成軸絲彎曲。

其基本機制可表示為:

ATP 水解⟶dynein 產生滑動力\text{ATP 水解} \longrightarrow \text{dynein 產生滑動力} 微管雙聯體相對滑動⟶受連結結構限制⟶軸絲彎曲\text{微管雙聯體相對滑動} \longrightarrow \text{受連結結構限制} \longrightarrow \text{軸絲彎曲}

纖毛與鞭毛的週期性彎曲,來自不同區域的 dynein 依序啟動與停止,使軸絲一側產生有效力矩,形成規律的擺動。

選項分析

(A) conformational changes in ATP that thrust microtubules laterally

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第 17 題

Vinblastine, a drug that inhibits microtubule polymerization, is used to treat some forms of cancer. Cancer cells given vinblastine would be unable to
(A) form cleavage furrows during cell division
(B) migrate by amoeboid movement
(C) separate chromosomes during cell division
(D) maintain the shape of the nucleus

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核心觀念

Vinblastine 會抑制微管(microtubule)聚合,使細胞無法正常形成與維持有絲分裂紡錘體。紡錘體微管負責連接染色體的動粒,並在後期將姊妹染色分體拉向細胞兩極。

有絲分裂中,微管的主要功能包括:

  • 建立有絲分裂紡錘體。
  • 連接染色體動粒。
  • 促進姊妹染色分體分離。
  • 協助染色體移動至兩個子細胞。

因此,抑制微管聚合會使細胞停滯於有絲分裂中期附近,無法完成染色體分離。

解題方法

先判斷各選項所涉及的細胞骨架種類:

  • 微管:主要參與染色體分離、細胞內運輸、纖毛與鞭毛運動。
  • 微絲:主要由肌動蛋白組成,參與分裂溝、細胞爬行與阿米巴運動。
  • 中間絲:主要提供細胞與細胞核的機械支撐,核纖層即屬於中間絲系統。

題幹明確指出 Vinblastine 抑制微管聚合,因此直接受影響的功能是依賴微管紡錘體的染色體分離。

選項分析

(A) form cleavage furrows during cell division

錯誤。分裂溝主要由肌動蛋白—肌球蛋白收縮環形成,屬於微絲系統的功能。微管會參與分裂平面定位與細胞分裂後期的調控,但分裂溝本身的主要收縮力量並非來自微管。因此,Vinblastine 並非直接阻止分裂溝形成的藥物。

(B) migrate by amoeboid movement

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第 18 題

Suppose a cell has the following molecules and structures: enzymes, DNA, ribosomes, plasma membrane, and mitochondria. It could be a cell from
(A) a bacterium, but not a eukaryote
(B) an animal, but not a plant
(C) nearly any eukaryotic organism
(D) a plant, but not an animal

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這一題的完整詳解

此題考驗學生對不同類型細胞(原核和真核)基本組成成分的認識。題目給出了一系列細胞分子和結構:酶(enzymes)、DNA、核糖體(ribosomes)、細胞質膜(plasma membrane)和粒線體(mitochondria)。我們需要判斷這些成分共同存在於哪種細胞類型中。

讓我們逐一分析選項:
(A) 一個細菌,但不是真核生物:
- 酶:所有細胞都有酶。
- DNA:細菌有 DNA。
- 核糖體:細菌有核糖體(70S)。
- 細胞質膜:細菌有細胞質膜。
- 粒線體:這是關鍵。細菌是原核生物,沒有粒線體。它們的呼吸作用發生在細胞質膜上。因此,這個選項是錯誤的。

(B) 一個動物,但不是植物:
- 酶:真核細胞都有酶。
- DNA:動物細胞有 DNA(在細胞核和粒線體中)。
- 核糖體:動物細胞有核糖體(80S 在細胞質,70S 在粒線體)。
- 細胞質膜:動物細胞有細胞質膜。
- 粒線體:動物細胞有粒線體。
這些成分都存在於動物細胞中。但題目問的是「could be a cell from」,並且還有其他選項。

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第 19 題

Which cell would be best for studying lysosomes?
(A) muscle cells
(B) nerve cells
(C) endocrine cells
(D) phagocytic white blood cells

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這一題的完整詳解

核心觀念

溶小體(lysosome)是由單層膜包圍的胞器,內含多種酸性水解酶,包括蛋白酶、脂肪酶、核酸酶與醣苷酶,主要功能是:

  • 分解由胞吞作用進入細胞的物質。
  • 分解受損或老化的細胞器,進行自噬(autophagy)。
  • 與吞噬體融合形成吞噬溶小體(phagolysosome),消化病原體與細胞碎片。

因此,適合研究溶小體的細胞,通常具有旺盛的吞噬與細胞內消化活動,且含有大量溶小體。

解題方法

判斷各細胞的主要功能,找出最依賴溶小體進行細胞內消化者:

  1. 溶小體數量與活性通常會隨細胞內消化需求增加。
  2. 吞噬性白血球會吞入細菌、異物與細胞碎片。
  3. 吞噬體會與溶小體融合,利用水解酶分解所吞入的物質。
  4. 因此,吞噬性白血球內的溶小體通常特別豐富,最適合用來研究溶小體的結構與功能。

選項分析

  • (A) muscle cells

    肌肉細胞具有大量粒線體與肌原纖維,以支援收縮活動。肌肉細胞仍然具有溶小體,並可透過自噬移除受損的細胞器,但其主要功能不是吞噬與大量細胞內消化,因此不是研究溶小體的最佳材料。

  • (B) nerve cells

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第 20 題

Amoebae move by crawling over a surface (cell crawling), which involves
(A) growth of actin filaments to form bulges in the plasma membrane
(B) assembly of microtubule extensions that vesicles can follow in the direction of
movement
(C) reinforcement of the pseudopod with intermediate filaments
(D) localized contractions driven by myosin and microtubules

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核心觀念

Amoebae(變形蟲)的細胞爬行主要依賴肌動蛋白(actin)細胞骨架的動態重組,流程包括:

  1. 細胞前緣局部聚合 actin filament。
  2. actin 聚合產生向外的推力,使細胞膜形成突起或偽足(pseudopod)。
  3. 細胞前緣與基質形成黏附。
  4. 細胞後方透過肌球蛋白(myosin)與 actin 的滑動收縮,將細胞本體向前拉動。

因此,本題的判斷重點是:細胞前進方向的膜突起,主要由 actin filament 的聚合所驅動,而非由微管或中間絲直接形成。

解題方法

看到「amoebae crawling」與「pseudopod」時,先鎖定變形蟲的細胞爬行機制:

  • 前緣:actin 聚合,推動細胞膜向外突出。
  • 細胞內部與後緣:myosin-actin 產生收縮,協助細胞本體前移。
  • 微管:主要參與胞內運輸、細胞極性與紡錘體等功能,不是偽足形成的主要推力來源。
  • 中間絲:主要提供機械強度與抗拉伸能力,並非細胞爬行時前緣突起的主要組成。

符合上述核心機制的選項為 A。

選項分析

(A) growth of actin filaments to form bulges in the plasma membrane

正確。細胞前緣的 actin filament 持續聚合,尤其是新生 actin filament 將單體加入末端,使 actin 網絡向前延伸並推動細胞膜,形成局部突起。變形蟲的偽足正是由此類 actin 聚合所建立。

此過程可概括為:

actin monomer→actin filament polymerization→membrane protrusion\text{actin monomer} \rightarrow \text{actin filament polymerization} \rightarrow \text{membrane protrusion}

因此,A 正確描述了細胞爬行的主要驅動機制。

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