112 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》

細胞組成分離（Cell fractionation）是利用離心機（centrifuge）將細胞均質化後，根據不同細胞構造的物理特性（如大小、密度、形狀）進行分離的技術。在離心過程中，離心力會將細胞組成分成沉澱物（pellet）和上清液（supernatant）。

離心機的轉速（或稱相對離心力，RCF）是決定組分沉澱與否的關鍵。速度越高，產生的離心力越大，越小的顆粒也越容易沉澱。然而，在特定轉速下，決定一個細胞組分是沉澱在管底（pellet）還是懸浮在上清液（supernatant）的主要因素是該組分的密度（density）和大小（size）與重量（weight）。

解析：這題考驗對穿透式電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope, TEM）解析度的理解。

解析度（Resolution）是指顯微鏡能夠區分兩個靠近物體的能力。物理學上，解析度與觀察所使用的波長（wavelength）成反比。電子顯微鏡使用電子束（electron beam）作為光源，而電子的波長遠小於可見光的波長。波長越短，解析度越高。

核心觀念
本題測驗學生對 原核生物 (prokaryote) 與真核生物 (eukaryote) 細胞結構的差異 是否熟悉。原核細胞缺乏具膜結構的胞內器官（如內質網、線粒體、葉綠體等），而真核細胞則擁有這些膜結構的胞內器官。

---

(a) 解題過程與關鍵說明

1. 辨識選項中的結構屬於哪類細胞
   • (A) cell wall：細胞壁是所有細菌（原核）及植物細胞的外層結構，原核細胞的細胞壁多為肽聚糖 (peptidoglycan)。
   • (B) plasma membrane：細胞膜是所有細胞（原核與真核）皆具備的基本結構，用於控制物質進出。

核心概念
本題測驗的是 原核細胞與真核細胞在細胞結構與大小上的主要差異。重點在於了解兩者的細胞器分布與形態特徵，而非代謝途徑或細胞是否存在的錯誤敘述。

---

(a) 為何排除選項 A、C、D

1. 選項 A: “Prokaryotes have cells while eukaryotes do not”

   • 錯誤。真核生物（eukaryotes）同樣是由細胞構成，只是細胞內部結構更複雜。原核與真核皆是細胞的形式，這個說法與基本生物學事實相違。

2. 選項 C: “Prokaryotes are not able to carry out aerobic respiration, relying instead on anaerobic metabolism”

   • 錯誤。許多原核生物（如Escherichia coli）具備呼吸鏈，能在有氧條件下進行有氧呼吸。雖然部分原核只能做發酵，但「全部」原核無法做有氧呼吸的說法過於絕對，與實際情況不符。

核心觀念
此題測驗學生是否清楚「原核細胞（prokaryotic cell）與真核細胞（eukaryotic cell）的結構差異」。原核細胞缺乏以膜包圍的細胞器，而真核細胞則具有多種膜結構的細胞器（如粒線體、葉綠體、內質網等）。因此，辨識哪一項結構只在真核細胞中出現，即可找出正確答案。

解題過程

1. 確認選項的細胞器屬性
   • (A) mitochondrion（粒線體）：是真核細胞特有的雙層膜細胞器，負責氧化磷酸化產生 ATP。原核細胞沒有粒線體。
   • (B) ribosome（核糖體）：是蛋白質合成的機械，無論是原核或真核皆具備，只是大小與結構略有差異（原核 70S，真核 80S）。

核心觀念
本題測驗的是細胞核孔複合體 (Nuclear Pore Complex, NPC) 的功能。了解真核細胞核膜的雙層結構與核孔的選擇性運輸機制，是判斷正確答案的關鍵。

---

解題步驟

1. 回顧核孔的結構與功能

   • 真核細胞的核膜由內外兩層磷脂雙層構成，核膜上分布許多核孔複合體。
   • NPC 由多個核孔蛋白 (nucleoporins, Nups) 組成，形成一個大約 120 MDa 的孔洞，允許分子通過。
   • 透過核輸入/輸出受 核定位信號 (NLS) 與 核排除信號 (NES) 以及 核運輸受體 (importin/exportin) 的調控，NPC 僅允許特定的蛋白、RNA、核糖核酸等進出核內。

2. 分析選項

   • (A) It regulates the movement of proteins into and out of the nucleus
     • 與上述核孔的選擇性運輸描述相符。NPC 透過 NLS/NES 與運輸受體，調控 蛋白質（以及其他大分子）進出核。
   • (B) It synthesizes the proteins required to copy DNA and make mRNA

核心概念
本題測驗的是粗面內質網（rough ER）與核糖體的功能關聯。粗面內質網表面佈滿核糖體，主要負責合成需分泌或進入內質網腔、細胞器或細胞膜的蛋白質；相對地，游離核糖體於細胞質中合成留在細胞質或進入細胞核的蛋白質。了解這兩種合成位置的差異即可判斷細胞的主要代謝活動。

---

解題步驟

1. 辨認題幹資訊

   • 「細胞中大量與內質網結合的核糖體」 → 這表示細胞具有 豐富的粗面內質網（rER）。

2. 回憶粗面內質網的功能

   • 粗面內質網上附著的核糖體合成：
     • 分泌性蛋白（例如酶、激素、抗體）
     • 膜蛋白（包括細胞膜、內質網、其他細胞器的膜）
   • 合成後的多肽會 進入內質網腔，經過折疊、糖基化等後加工，最後透過高爾基體、囊泡運送至細胞外或細胞膜。

核心觀念
本題測驗的是細胞器功能的辨識，特別是 光滑內質網（smooth endoplasmic reticulum, SER） 與 粗糙內質網（rough endoplasmic reticulum, RER） 的差異。光滑內質網缺乏核糖體，主要與 脂質合成、類固醇激素製造、解毒與鈣離子儲存 相關；而粗糙內質網則是蛋白質合成與分泌的主要場所。

---

解題過程

1. 確認題目資訊

   • 「細胞擁有廣大面積的光滑內質網」→ 暗示該細胞在光滑內質網相關的生理功能上有高度需求。
   • 四個選項分別涉及 儲存、脂質合成、活躍的蛋白質外輸、蛋白質進出 四種功能。

2. 逐項排除

   • (A) play a role in storage
     • 雖然光滑內質網可暫時儲存鈣離子，但「廣大面積」主要用於合成活動，而非單純儲存。儲存功能較不需大量膜面積。
   • (C) actively export protein molecules、(D) import and export protein molecules

核心觀念
本題測驗的是「內膜系統 (endomembrane system)」的組成。內膜系統是一套相互連結的膜結構，負責細胞內的合成、修飾、分泌與回收等功能。判斷一個結構是否屬於內膜系統，只要看它是否是由細胞膜或與細胞膜相連的內膜構成，且通常參與囊泡的生成或膜的轉運。

---

(a) 各選項之判斷與說明

選項	結構說明	是否屬於內膜系統	判斷依據
(A) nuclear envelope	包圍細胞核的雙層膜，與粗面內質網 (rough ER) 透過膜連接，並可產生核孔形成囊泡。	✅ 內膜系統的一部分	核膜與內質網、囊泡系統皆相連，功能上屬於內膜系統。
(B) chloroplast	具雙層膜的葉綠體，內含類囊體(thylakoid)與基質，與內膜系統的 ER、Golgi、囊泡等無直接連接，且來源是獨立的內源性細胞器（源自原核細菌）。	❌ 不屬於內膜系統	葉綠體的膜系統與內膜系統不是同源，且不參與內膜系統的膜/囊泡流動。
(C) Golgi apparatus	高爾基體是由扁平囊泡堆疊而成，接受自 ER 的運輸囊泡並修飾、分泌。

核心概念
本題在測驗學生對於細胞器功能的定位，特別是「多醣的合成與分泌前的修飾」所在的位置。需辨別各細胞器的主要代謝與分泌角色。

---

(a) 各選項的功能概述

選項	細胞器	主要功能
(A)	溶酶體 (lysosome)	含有酸性水解酶，負責細胞內的自噬與分解外源或內源大分子（蛋白質、脂質、核酸等），並非合成或分泌多醣。
(B)	粒線體 (mitochondrion)	能量產生中心，進行氧化磷酸化產生 ATP；參與脂肪酸 β‑氧化與柠檬酸循環，未涉及多醣的合成與分泌。
(C)	高爾基體 (Golgi apparatus)	由一系列扁平囊狀膜堆疊組成，負責蛋白質與脂質的後翻譯修飾（糖基化、磷酸化等），同時將已修飾的分子包裝成囊泡，送往細胞膜或分泌至細胞外。多醣（如黏多醣、糖皮質）亦在此完成合成與修飾，最後被分泌。
(D)	過氧化物酶體 (peroxisome)	主要執行過氧化反應，分解脂肪酸與過氧化氫，與多醣的合成或分泌無關。

核心觀念
本題測驗的是分泌蛋白在真核細胞內的合成與運輸路徑——即「分泌途徑 (secretory pathway)」的順序與組成結構。

---

(a) 為什麼新合成的分泌蛋白先進入內質網 (ER)

• 合成於粗面內質網（rough ER）上有信號肽（signal peptide）的前體蛋白會在翻譯過程中被信號識別顆粒（SRP）暫停，將核糖體導向 ER 表面。
• 進入 ER 後，信號肽被切除，蛋白質於腔內完成折疊與糖基化（N‑link 糖基化），形成成熟的分泌前體。

(b) ER → 高爾基體 (Golgi) 的必要性

• ER 產生的分泌前體會被封裝在運輸囊泡（COPII 膜泡）中，送往高爾基體。
• 在高爾基體內，蛋白質經過進一步的糖基修飾（糖鏈的成熟、裁剪）以及分子排序，決定它最終的目的地（分泌、溶酶體、細胞膜等）。

(c) 高爾基體 → 分泌小泡 → 融入細胞膜

核心觀念
本題測驗的是粒線體與葉綠體的起源與功能特性，主要涉及內共生說（endosymbiotic theory）所描述的「自有DNA、雙層膜、具自我複製能力」與「蛋白質來源」之差異。

解題步驟

(a) 它們擁有自己的 DNA
根據內共生說，粒線體與葉綠體皆起源於被宿主細胞吞噬的自主呼吸或光合作用細菌，因而保留了小型圓形或環狀 DNA。實驗已證實兩者皆具有獨立的基因組，分別稱為 mtDNA（mitochondrial DNA）與 cpDNA（chloroplast DNA）。
→ 此敘述為 真。

(b) 它們自行合成大多數蛋白質
雖然兩者皆具核糖體，可在基質內合成部分蛋白質，但已知只有約 5%（葉綠體）至 15%（粒線體）的蛋白質由其自身基因編

核心觀念
本題測驗的是真核細胞的起源假說，尤其是 內共生說 (endosymbiotic theory)，即真核細胞的線粒體起源於一個能氧化呼吸的細菌被較大的原始細胞吞噬並形成共生關係。熟悉此理論與其他常見的錯誤敘述是解題關鍵。

---

解題過程

選項	內容說明	為何正／錯
(A)	「endosymbiosis of an aerobic bacterium in a larger host cell—the endosymbiont evolved into mitochondria」	正確。大量分子生物學與基因組資料證實，線粒體的基因組與α‑Proteobacteria（好氧細菌）相近，且保留了獨立的DNA、核糖體與雙層膜，符合內共生說的預測。
(B)	「anaerobic archaea taking up residence inside a larger bacterial host cell to escape toxic oxygen—the anaerobic bacterium evolved into chloroplasts」	錯誤。葉綠體的起源被認為是光合藍綠菌（一次光合的細菌）進行內共生，而非厭氧古細菌；此外，葉綠體與光合作用直接相關，與「逃離氧氣」的情境不符。
(C)	「an endosymbiotic fungal cell evolving into the nucleus」	錯誤。真核細胞核的形成目前沒有可靠的內共生證據，且真核細胞的核膜、核孔等結構在演化上較可能是內膜系統的內折與分化結果，而非真菌的內共生。

核心觀念
本題測驗的是**馬達蛋白（motor proteins）**的功能與作用目標。馬達蛋白利用 ATP 水解產生機械能，沿 細胞骨架（cytoskeleton） 的纖維（微管或微絲）行走，負責細胞內器官、囊泡與染色體等的運輸與定位。因此，辨識馬達蛋白與什麼細胞結構互動，是解題關鍵。

---

解題過程

選項	內容說明	為何正確／錯誤
(A) membrane proteins of the inner nuclear envelope	核膜內側的膜蛋白主要參與核質交流與訊號傳導，並不構成馬達蛋白的「跑道」。	錯：馬達蛋白不在膜蛋白上移動。
(B) free ribosomes and ribosomes attached to the ER	核糖體是蛋白合成的機器，雖與 ER 形成結合，但不是馬達蛋白的運輸路徑。	錯：馬達蛋白不與核糖體直接結合以產生運動。
(C) components of the cytoskeleton	細胞骨架包含 微管（microtubules）與 微絲（actin filaments）。\n- Kinesin 與 dynein 沿微管走向正負端；\n- Myosin 沿微絲滑行。<br>這正是馬達蛋白的典型結合與移動對象。

核心觀念
此題測驗「變形蟲（Amoebae）之細胞爬行機制」所依賴的細胞骨架元件與動態過程。正確答案必須指出在等離子膜上形成偽足(pseudopod)時，** actin filament 的聚合與推進** 是主要驅動力，而非微管、 intermediate filament 或細胞質流動。

---

解題過程

1. 閱讀題目與選項

   • 題目說明 amoebae 以「cell crawling」方式在表面移動。
   • 四個選項分別涉及 actin、microtubule、intermediate filament、及 cytoplasmic streaming 四種細胞結構或動作。

2. 回憶細胞爬行的分子機制

   • 變形蟲的偽足形成與收縮是 actin filament 的快速聚合與去聚合（polymerization & depolymerization）。
   • Actin 螺旋聚合在等離子膜內側產生突起，推動細胞膜向前伸展；同時肌動蛋白‑肌球蛋白收縮使偽足向後收縮，完成整體前進。
   • 此過程不需要微管（microtubule）在偽足內提供「軌道」；微管主要功能在於細胞分裂與長距離運輸，非爬行。

核心觀念
此題測驗對鞭毛與纖毛運動機制的了解：微管之間的相對滑動是由dynein（一種 ATP‑依賴的馬達蛋白）產生的，產生的滑動受限於連接結構（如轉子桿），最終以彎曲形式呈現。

---

解題過程

1. 認識纖毛/鞭毛的結構

   • 纖毛與鞭毛皆為由「9+2」微管雙排組成的微小結構：外圍有九對微管雙線（外部雙微管）圍繞中央的兩條單獨微管。
   • 每對外側雙微管之間藉dynein臂相連，dynein 以 ATP 水解提供能量。

2. dynein 的作用機制

   • dydynein 為 ATP‑依賴的機動蛋白，其頭部結合微管，當 ATP 水解後產生構象改變，使 dynein 俯衝向微管的負端（即向基體方向）。
   • 這個力量使相鄰的外側雙微管相對滑動。若無其他限制，滑動會使微管完全分離。

3. 為何會產生彎曲

   • 微管雙排之間還有**轉子桿（radial spokes）與連接蛋白（nexin link）**等限制結構，阻止過度滑動，僅允許有限的相對位移。
   • 限制的滑動產生彎曲，當多對 dynein 同時作用時，彎曲連續產生，形成波浪狀的擺動。

核心觀念
本題主要測驗對於外部細胞結構（細胞壁與細胞外基質）的共通特性與組成概念。必須了解各類生物體的細胞壁（細菌、真菌、植物）與動物的細胞外基質（ECM）在結構、合成與功能上的相似與差異，從而判斷哪一敘述對所有例子皆成立。

---

(A) 「必須阻擋水與小分子以調節與環境之間的物質與能量交換」

• 細菌與真菌的細胞壁：主要由多醣（peptidoglycan、β‑glucan、chitin）組成，孔徑允許水與大多數小分子自由通過，並透過膜孔蛋白調節離子與營養物的進出。
• 植物細胞壁：以纖維素、半纖維素與果膠構成，具高度多孔性，同樣不阻擋水與小分子。
• 動物細胞外基質：由膠原蛋白、彈性蛋白、糖胺聚糖等組成，形成疏水/親水交織網，亦允許水與小分子擴散。

因此「必須阻擋水與小分子」並非所有外部結構的共同特徵。

結論：❌

---

(B) 「必須提供剛性結構以維持適當的表面積／體積比」

• 細菌細胞壁：提供機械支撐、防止滲透壓導致細胞破裂，確保細胞在各種形態下維持適當的表面積／體積（SA/V）比例。
• 真菌細胞壁：同樣以剛性纖維支撐細胞形狀，影響細胞增長與分裂。
• 植物細胞壁：提供堅硬的細胞框架，使細胞在膨壓下仍能保持形狀，進而保持一定的 SA/V，以利氣體交換與養分吸收。
• 動物細胞外基質：雖不形成硬殼，但透過膠原纖維交聯形成支撐性網路，對組織（尤其結締組織）提供結構剛性，協助維持組織層面的表面積／體積比例。

所有例子皆需「提供某種剛性結構」以維持細胞或組織的幾何比例，避免過度膨脹或形變。

結論：✅

---

(C) 「是由在細胞質內合成、再輸送至細胞外的高分子聚合物構成」

核心觀念
本題在測驗「細胞外基質（extracellular matrix, ECM）如何將外在訊號傳遞至細胞內部，進而調控細胞行為」的概念。關鍵在於辨識哪一類跨膜受體能直接將 ECM 的機械與化學資訊轉換為細胞內的訊號，這即是 integrins（整合素）。

---

解題步驟

1. 釐清題目問的「資訊傳遞」路徑

   • 需求：從「細胞外」的基質傳到「細胞內」的訊號機制。
   • 必須是跨膜結構，能感受 ECM 結構與組分，並啟動細胞內部的訊號傳遞通路。

2. 檢視選項的生物學功能

   選項	生物學意義	於 ECM → 細胞內訊息傳遞之相關性
   (A) gap junctions	細胞間的電位/小分子傳導通道，允許鄰近細胞直接交換訊號分子。	不是接受 ECM 信號的受體，功能在細胞間而非細胞外基質與細胞本身的互動。
   (B) the nucleus	細胞核是遺傳資訊的儲存與調控中心。	作為訊號的最終目標器官，卻不具備直接感測 ECM 的結構。
   (C) DNA and RNA	基因與訊息傳遞的分子，屬於細胞內成分。	沒有跨膜功能，無法直接把 ECM 訊號傳入細胞。

核心觀念
此題測驗的是細胞間通訊的結構與功能，重點在於辨認哪一種細胞連接能讓離子直接在相鄰動物細胞的細胞質間流通。

---

解題步驟

1. 了解選項所指的細胞連接結構
   • (A) Plasmodesmata：存在於植物細胞，穿過細胞壁的微管狀通道，可讓細胞質與分子交換。動物細胞沒有此結構。
   • (B) Tight junctions（緊密結合）：於上皮細胞形成密封層，阻止細胞間的物質滲透，主要功能是形成屏障，並非讓離子直接通過。
   • (C) Gap junctions（間隙結合）：動物細胞間的通道，由兩個相鄰細胞的 connexon（由六個 connexin 蛋白組成）相對貼合形成，形成直徑約 1‑2 nm 的通道，允許離子與小分子（< 1 kDa）直接從一個細胞的細胞質流向另一個細胞的細胞質。

核心觀念
本題測驗的是「緊密接合點（tight junction）」的結構與功能位置：緊密接合點是動物上皮細胞之間的細胞間黏著結構，負責形成屏障，限制細胞間的溶質與水分通過，常見於吸收與分泌活躍的上皮組織（如腸道、腎小管、血腦關係膜等）。

---

解題步驟

1. 確認緊密接合點的生物學特徵

   • 位置：位於**動物細胞的頂端側（apical side）**的細胞膜之間。
   • 結構：由多個膜融合的帶狀結構組成，形成“帶狀密封”（belt‑like seal）。
   • 功能：限制細胞外液與腔道內液之間的通透性，維持組織屏障。

2. 逐項評估選項

   • (A) in the epithelium of an animal's intestine

     • 動物腸道上皮屬於吸收營養的活躍上皮，需要嚴格控制腸腔與血液之間的物質交換。
     • 依上述特徵，緊密接合點正好位於此處，形成腸道屏障。

   • (B) between the smooth endoplasmic reticulum and the rough endoplasmic reticulum

核心概念
細胞膜的雙層磷脂在兩側的組成不同，稱為「膜的不對稱性」。此不對稱性主要是因為特定磷脂（如磷脂酰膽鹼、磷脂酰絲氨酸、磷脂酰基膽鹼）分布於內外葉，以及跨膜蛋白的定位受到細胞內部訊號與結構限制所致。
以下逐一檢視四個選項，說明哪一項最能解釋膜的不對稱性。

---

(a) 選項 A

Since the cell membrane forms a border between one cell and another in tightly packed tissues such as epithelium, the membrane must be asymmetrical.

• 分析：細胞在緊密組織（如上皮）中確實與相鄰細胞相接，但「因為形成邊界」而必然產生不對稱，缺乏生化依據。膜的不對稱性與組織緊密度無直接因果關係，而是由脂質分布與酵素（flippase、floppase）所決定。
• 結論：此說法將「組織形態」與「膜結構」混為一談，並非正確解釋。

【答案】 ❌

---

(b) 選項 B

Since cell membranes communicate signals from one cell to another, the cell membranes must be asymmetrical.

• 分析：細胞膜的訊號傳遞依賴受體、離子通道等蛋白的定位，但訊號傳遞本身不必然導致磷脂雙層在組成上不對稱。訊號分子可在兩側皆存在，只是功能性蛋白多集中於胞側或外側。
• 結論：此說法把「訊號功能」錯當成「結構不對稱」的原因，缺乏直接證據。

【答案】 ❌

---

核心觀念
細胞內質網（ER）的發達程度與細胞需要合成與分泌大量蛋白質或脂質的功能成正相關。分泌型細胞（如胰臟腺泡細胞）會擁有廣闊的粗面內質網（RER）與光滑內質網（SER），以支援高效的蛋白質合成與後續加工、分泌；相對而言，以收縮或屏障功能為主的細胞，其 ER 面積則較少。

---

解題步驟

1. 檢視選項的細胞功能
   • (A) Neurons that transmit impulse
     神經元主要負責訊號傳導，需大量的突觸小泡與微管系統，ER 只在細胞體（胞 soma）內有一定量的粗面 ER 用於基礎蛋白合成，且不需要大量分泌蛋白。
   • (B) Muscle cells that contract to move bones
     骨骼肌細胞的主要需求是大量的線粒體供能與收縮蛋白（肌動蛋白、肌凝蛋白），其內質網主要以儲存鈣離子的平滑內質網（SER）為主，面積相對有限。
   • (C) Pancreatic acinar cells that secret large amounts of digestive enzymes

核心觀念
光學顯微鏡的解析度受限於光的波長與光學系統的 數值孔徑 (NA)，而 NA 由 折射率 (n) 與 進入物鏡的光半角 (α) 共同決定。放大倍率本身不改變能分辨的最小結構大小，只是把已分辨的細節放大。

---

解題步驟

1. 解析度公式
   依 Rayleigh 判據，兩點能被分辨的最小距離 $d$ 為
   $d = \frac{0.61\,\lambda}{\mathrm{NA}}$
   其中 $\lambda$ 為光的波長，$\mathrm{NA}=n\sin\alpha$。

2. 辨識各選項與公式的關聯

   • (A) wavelength of light：直接出現在分母的 $\lambda$ 中，波長越短，$d$ 越小，解析度提升。會影響解析度。

核心觀念
本題測驗「顯微體 (microsome) 的製備方法」屬於細胞組織分離的實驗技術。顯微體是由粗糙/光滑內質網在細胞破碎後透過 高速離心 形成的膜囊，常以 蔗糖密度梯度超速離心 來純化與分離。
因此，判斷選項時要把焦點放在「利用密度或沉降率分離細胞組分」的技術上。

---

解題步驟與理由

選項	技術說明	為何不適用於顯微體製備
(A) SDS‑PAGE	以 SDS 使蛋白變性後於聚丙烯胺凝膠中依分子量分離。	目的在分析蛋白質，無法分離或收集完整的膜結構顆粒，故不適合製備顯微體。
(B) Flow cytometry	針對單一細胞或微粒利用螢光標記與光散射特性作快速定量與分選。	雖可分析顯微體的大小與表面標記，但不具備將大量顯微體從細胞裂解液中「分離」的能力，且需要較大尺寸的顆粒（>0.5 µm）才能可靠偵測。
(C) Sucrose‑density gradient ultracentrifugation	在高濃度蔗糖梯度中以 超速離心 (≈10⁴–10⁵ g) 依粒子密度沉降。顯微體的密度約為 1.13 g cm⁻³，會集中於梯度中特定層次，與其他細胞碎片（核、線粒體）分離。	正是顯微體製備的標準方法，能有效收集、純化內質網來源的膜囊。
(D) Column chromatography	以柱子填充介質（如離子交換、凝膠過濾）分離分子。對於大小或電荷差異的蛋白、核酸有效，但 膜結構顆粒 在液相中會因黏附或阻塞而難以分離，且不會提供密度分離的精細度。	非顯微體製備的常用手段。

核心觀念
本題測驗的是 相關光學‑電子顯微鏡 (Correlative Light‑Electron Microscopy, CLEM) 的原理與流程：先以螢光顯微鏡定位感興趣的區域，之後再以電子顯微鏡在同一樣本上取得高解析度的結構資訊。此技術的重點在於「先用光學方法標記與定位，再以電子顯微鏡觀察」。

---

解題過程

1. 了解 CLEM 的定義

   • CLEM 結合了螢光顯微鏡 (Light Microscopy, LM) 與電子顯微鏡 (Electron Microscopy, EM) 的優點。
   • LM 提供活細胞或特定分子標記的 功能性資訊（例如螢光標記的蛋白質），而 EM 則提供 納米尺度的結構細節。
   • 兩者的影像需要在同一樣本上 對齊 (correlate)，因此常稱為「相關」技術。

2. 檢視選項

   • (A) 「樣本以金顆粒結合抗體標記」：金顆粒常用於 免疫電子顯微鏡，但與 CLEM 的核心流程無關，且金顆粒

核心概念
本題測驗的是蛋白質進入分泌系統的兩大途徑——共翻譯 (co‑translational) 輸送與翻譯後 (post‑translational) 輸送。必須清楚分辨哪類蛋白會走哪條路，以及細胞如何利用信號序列與伴侶因子，使蛋白精確抵達目標膜或胞內區室。

---

(a) 由共翻譯與翻譯後兩種機制所運送的蛋白質類型

輸送機制	主要運送的蛋白質類型	代表例子
共翻譯輸送 (Co‑translational transport)	具有 N‑端信號肽 (signal peptide)，在核糖體合成時即被鑑定，隨即進入內質網 (ER) 內。<br>包括 分泌蛋白、膜蛋白（單跨與多跨）以及 ER‑定位酶。	胰島素前體 (preproinsulin)、血紅素受體 (HbR)、糖基化酶 (e.g., oligosaccharyltransferase)
翻譯後輸送 (Post‑translational transport)	先在細胞質中完成翻譯，然後依賴 信號錨定序列 (signal‑anchor)、內部信號序列 或 尾端信號，由特定的伴侶因子協助導入 線粒體、葉綠體、過氧化物酶體、核孔 或 質體膜。	內線粒體酶 (citrate synthase)、葉綠體光合作用複合體成員、過氧化物酶體酶 (catalase)

【答案】

• 共翻譯輸送：分泌蛋白與膜蛋白（含 ER／高爾基體／細胞膜的蛋白）。
• 翻譯後輸送：線粒體、葉綠體、過氧化物酶體、核孔等胞內膜系統的蛋白，以及部分細胞質蛋白的尾端定位序列所導向的目標。

---

(b) 兩種機制如何使蛋白質特異性抵達最終目的地

1. 共翻譯輸送的特異性機制

1. N‑端信號肽

   • 長度約 15–30 個氨基酸，富含疏水殘基，且在 N‑端有正電性 (如 Arg、Lys) 的正電基序。
   • 此序列在新生多肽從核糖體伸出時被 信號辨識顆粒 (SRP, Signal Recognition Particle) 立即識別。

2. SRP‑受體結合與導向

   • SRP 與信號肽結合後暫停翻譯，並將整個核糖體‑mRNA‑ nascent chain 複合體導向 內質網膜上的 SRP 受體 (SR)。
   • 透過 GTP 水解，SRP 釋放，翻譯恢復，同時新生肽直接穿過 Sec61 translocon 複合體進入 ER 腔。

3. 翻譯耦合的審核

   • 蛋白的 N‑端信號肽在進入 Sec61 前必須符合 信號肽鑑定規則（正電、疏水、極性端）。錯誤的序列無法結合 SRP，因而停留於細胞質，最終可能被降解。

這套「信號肽 + SRP」的雙重辨識，使得只有具備正確 N‑端信號的多肽才能被導入 ER，從而保證 分泌途徑 的特異性。

2. 翻譯後輸送的特異性機制

核心觀念
本題測驗學生對於細胞間訊號傳遞的五種主要方式與其特徵的理解。須掌握每種訊號的訊號分子來源、傳遞距離、作用目標細胞以及在生理上扮演的角色，才能正確描述。

---

(a) Endocrine signaling

內分泌訊號是指由內分泌細胞或內分泌腺分泌的激素（如胰島素、甲狀腺激素）直接進入 血液循環，藉由血流將訊號傳送至 全身遠端的目標細胞。

• 訊號分子：多為蛋白質、肽類或類固醇激素。
• 傳遞距離：遠距離（全身）。
• 目標細胞：具有相對應受體的所有組織或器官。
• 生理功能：調節代謝、發育、生長、體液平衡等長期或全身性反應。

【答案】內分泌訊號是激素由內分泌腺釋放至血液，遠距離作用於遍佈全身、具相應受體的目標細胞，調節全身性的生理功能。

---

(b) Paracrine signaling

旁分泌訊號指訊號分子（如生長因子、細胞激素）由局部細胞分泌後，作用於鄰近的細胞，其作用範圍限制在 細胞間距離極短（數十至數百微米） 的範圍內。

• 訊號分子：蛋白質或小分子（如血小板衍生生長因子）。
• 傳遞距離：局部、短距離。
• 目標細胞：鄰近細胞，常為同一組織或微環境中的細胞。
• 生理功能：調節細胞增殖、分化、炎症反應、傷口癒合等快速、局部的反應。

【答案】旁分泌訊號是訊號分子由局部細胞釋放，僅在鄰近細胞之間傳遞，作用於同一組織或微環境內的細胞，產生局部快速的調控效果。

---

(c) Autocrine signaling

自分泌訊號是細胞自行分泌訊號分子，同時也表達相同的受體，使訊號自我作用。此種方式常見於免疫細胞或癌細胞的自我刺激。

核心觀念

本題評量細胞生物學中兩大最重要的細胞表面受體訊息傳遞系統（Cell Surface Receptor Signaling Pathways）：

1. G 蛋白偶聯受體（GPCR）系統：
   • 結構特徵：7 次跨膜 $\alpha$-螺旋受體（7-TM receptor）。
   • 核心機制：活化受體充當鳥苷酸交換因子（GEF），驅動異三聚體 G 蛋白（Heterotrimeric G protein, $\text{G}_{\alpha\beta\gamma}$）進行 $\text{GDP} \to \text{GTP}$ 交換，進而活化下游效應酵素（Effector enzymes）產生第二傳訊者（Second messengers, 如 $\text{cAMP}、\text{IP}_3、\text{DAG}、\text{Ca}^{2+}$）。
2. 受體酪胺酸激酶（RTK）系統：
   • 結構特徵：單次跨膜受體（Single-pass transmembrane receptor），胞內端具內建酪胺酸激酶結構域（Intrinsic tyrosine kinase domain）。
   • 核心機制：配體誘導二聚化（Ligand-induced dimerization）、相互反向自體磷酸化（Trans-autophosphorylation），招募具 SH2/PTB 結構域的轉接蛋白（Adaptor proteins），啟動小 G 蛋白（如 Ras）及 MAPK 激酶級聯反應（MAPK cascade）。

---

解題方法

申論題作答應採取「結構特徵 $\to$ 配體結合與活化 $\to$ 關鍵下游傳遞途徑（二級效應／級聯反應） $\to$ 訊號終止機制」之四階段邏輯架構，條理清晰且關鍵分子（Key molecules）無遺漏，各以 5% 的配分規模作答。

---

申論題詳解

(a) G 蛋白偶聯受體（GPCR）訊息傳遞機制 (5%)

1. 配體結合與構形改變：
   • 細胞外配體（如荷爾蒙、神經傳導物質）結合至 GPCR，引發受體胞內結構域構形改變（Conformational change）。
2. 異三聚體 G 蛋白活化（鳥苷酸交換）：
   • 活化的 GPCR 充當鳥苷酸交換因子（GEF），促使細胞膜內側的異三聚體 G 蛋白之 $\text{G}_\alpha$ 亞基釋放 GDP 並結合 GTP。
   • 結合 GTP 後，$\text{G}_\alpha\text{-GTP}$ 與 $\text{G}_{\beta\gamma}$ 雙體解離，兩者皆具傳遞下游訊號之能力。
3. 下游效應酵素與第二傳訊者生成（依 $\text{G}_\alpha$ 亞型主要分兩大途徑）：
   • $\text{G}_{\alpha s} / \text{G}_{\alpha i}$ 途徑（cAMP 途徑）：
     • $\text{G}_{\alpha s}$ 活化（或 $\text{G}_{\alpha i}$ 抑制）腺苷酸環化酶（Adenylyl Cyclase, AC），催化 ATP 生成 $\text{cAMP}$。
     • $\text{cAMP}$ 結合活化蛋白質激酶 A（PKA），PKA 進入細胞核磷酸化轉錄因子 CREB，調控特定基因表現。
   • $\text{G}_{\alpha q}$ 途徑（$\text{IP}_3 / \text{DAG}$ 途徑）：
     • $\text{G}_{\alpha q}$ 活化磷脂酶 $\text{C-}\beta$（$\text{PLC}\beta$），將膜磷脂 $\text{PIP}_2$ 水解為 $\text{IP}_3$ 與 $\text{DAG}$。
     • $\text{IP}_3$ 擴散至內質網（ER）結合 $\text{IP}_3$ 受體通道，釋放 $\text{Ca}^{2+}$ 至細胞質；$\text{Ca}^{2+}$ 與 DAG 協同活化蛋白質激酶 C（PKC），引發細胞反應。
4. 訊號終止機制：
   • $\text{G}_\alpha$ 內建 GTPase 活性，在 RGS（Regulator of G protein signaling, 屬 GAP）輔助下將 GTP 水解為 GDP，$\text{G}_\alpha\text{-GDP}$ 重新與 $\text{G}_{\beta\gamma}$ 結合回歸靜止態。
   • 受體胞內端受 GRK（GPCR kinase）磷酸化，招募 $\beta$-arrestin 結合，阻斷 G 蛋白並引導受體進行胞吞（Endocytosis）。

---

(b) 受體酪胺酸激酶（RTK）訊息傳遞機制 (5%)

1. 配體結合與二聚化（Dimerization）：
   • 生長因子配體（如 EGF, PDGF, FGF, Insulin）結合至單次跨膜 RTK 的細胞外結合域，促使兩個 RTK 單體在細胞膜上形成同源或異源二聚體（Dimerization）。
2. 相互反向自體磷酸化（Trans-autophosphorylation）：
   • 二聚化使胞內酪胺酸激酶結構域互相靠近並活化，進行相互反向自體磷酸化。
   • 磷酸化作用一方面完全活化其激酶活性，另一方面在受體胞內尾端產生多個磷酸化酪胺酸殘基（Phosphotyrosine residues, p-Tyr），作為下游訊息分子的專一性對接位點（Docking sites）。

本題核心觀念
本題旨在測試學生對內質網（endoplasmic reticulum, ER）的結構分類與功能認識，特別是平滑內質網 (SER) 與粗糙內質網 (RER) 的差異、SER 的主要生理角色，以及在 RER 內發生的翻譯後修飾 (post‑translational modifications)。只要把 ER 的形態特徵與相關功能對應起來，就能完整作答。

---

(a) 什麼是平滑內質網 (SER) 與粗糙內質網 (RER)？

• 粗糙內質網 (RER)

  • 顧名思義，表面覆蓋有大量核糖體（ribosome）形成的顆粒，使之在光學顯微鏡下呈現「粗糙」外觀。
  • RER 主要分佈於細胞核附近，與核膜相連，形成一個連續的膜系統。

• 平滑內質網 (SER)

  • 與 RER 不同，SER 的膜表面不具核糖體，故在顯微鏡下呈平滑狀。
  • SER 常位於 RER 之後或與之相鄰，在細胞質中分佈較為廣泛。

【答案】

• RER：表面有核糖體的內質網。
• SER：表面無核糖體的內質網。

---

(b) 平滑內質網的主要功能

1. 脂質合成

   • 脂肪酸、磷脂質 (phospholipids) 以及膽固醇 (cholesterol) 多在 SER 中合成，供細胞膜與其他細胞器的膜結構使用。

2. 類固醇激素合成

   • 在腎上腺皮質、卵卵巢、睪丸等分泌類固醇激素的細胞，SER 是合成類固醇的主要場所。

3. 藥物與毒素代謝

   • SER 含有多種細胞色素 P450 (CYP) 系統，可將外來藥物、毒素或內源性代謝產物氧化、去氫化，以便排除。

4. 鈣離子儲存與調節

   • SER 在肌肉細胞（特別是肌漿網）及其他細胞中儲存 Ca²⁺，透過 SERCA (sarco/endoplasmic reticulum Ca²⁺‑ATPase) 泵將 Ca²⁺抽入腔內，影響肌肉收縮、訊號傳遞與細胞凋亡

核心觀念
本題測驗學生對於細胞骨架（cytoskeleton）三大組成與各自功能的基本認識。掌握每種纖維的結構特性與在細胞形態、運輸、分裂等過程中的角色，是答對此題的關鍵。

---

(a) Cytoskeleton 的主要組成 (3%)

1. 微絲 (Microfilaments, actin filaments)
   • 由 G‑actin (球狀單體) 聚合成 F‑actin (長絲狀雙螺旋)
2. 中間纖維 (Intermediate filaments)
   • 由多種 纖維蛋白 (keratins, vimentin, neurofilaments, lamin) 組成的較粗且較堅韌的纖維
3. 微管 (Microtubules)
   • 由 α‑β‑tubulin 二聚體 以 13 條 protofilament 形成中空管狀結構

【答案】微絲 (actin filament)、中間纖維 (intermediate filament)、微管 (microtubule)

---

(b) 各組成的主要功能 (7%)

組成	結構特徵	主要功能
微絲 (Actin filament)	細且柔軟，直徑約 7 nm；可快速聚合與解聚	1. 維持細胞形狀：形成皮質網絡支撐細胞外形。