113 年 國立成功大學環境醫學研究所乙組在職生《細胞生物學》

核心觀念

本題探討活性氧物質（Reactive Oxygen Species, ROS）的雙重生理角色、氧化還原平衡（Redox Homeostasis），以及外源性抗氧化劑（Exogenous Antioxidants）對抗癌機制的干擾與悖論。

• ROS 的雙重角色（Hormesis / Dual Role）：高濃度 ROS 會造成脂質過氧化、蛋白質變性與 DNA 損傷，誘發基因突變導致癌變；但生理濃度或適度升高的 ROS 則是細胞內關鍵的二次傳訊分子（Second Messenger），同時也是誘發癌細胞凋亡（Apoptosis）、自噬（Autophagy）及鐵死亡（Ferroptosis）的重要機制。
• 氧化還原悖論（Antioxidant Paradox）：添加額外抗氧化劑非但無法全面抗癌，反而可能保護體內早期或已轉型的癌細胞免於氧化性凋亡，甚至破壞內源性抗氧化酵素網路與免疫監視功能。

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解題方法

本題為 15 分的申論題，作答時切忌僅單純回答「因為抗氧化劑會保護癌細胞」，而應從分子訊息傳遞、細胞週期與凋亡控制、微環境與免疫監視，以及藥物動力學與促氧化效應四大維度條理分明地切入：

1. 破壞正常的 ROS 細胞傳訊功能（ROS as Signaling Molecules）：

   • 正常生理狀態下，低濃度的 ROS（如 $\text{H}_2\text{O}_2$）是調控細胞增生、分化與訊息傳遞所必需（例如可暫時性抑制酪胺酸磷酸酶 PTPs，維持受體酪胺酸激酶 RTKs 活化）。
   • 過量額外抗氧化劑會盲目清除所有 ROS，打亂細胞內正常的氧化還原訊號網絡，干擾正常的抑癌路徑（如 p53 路徑活化）。

2. 抑制腫瘤細胞凋亡，反而促進癌細胞存活（Survival Advantage for Pre-cancerous/Cancer Cells）：

   • 癌細胞因代謝旺盛（Warburg effect）及粒線體功能失常，內源性 ROS 往往遠高於正常細胞，使其處於接近致死臨界點的氧化逆境。
   • 癌細胞依賴內源抗氧化系統（如 Nrf2-Keap1 路徑、GSH 系統）維持存活。此時額外補充抗氧化劑（如維生素 E、NAC 等），反而扮演了「救援（Rescue）」角色，中和了過高的 ROS，防止細胞色素 c（Cytochrome c）釋放及下游 Caspase-9/3 活化，協助未完全修復突變的異常細胞逃脫細胞凋亡（Apoptosis）及細胞衰老（Senescence）。

3. 削弱免疫系統的抗癌活性（Impaired Immune Surveillance）：

   • 免疫系統中的巨噬細胞（Macrophages）與嗜中性白血球（Neutrophils）依賴「呼吸爆發（Respiratory Burst）」，透過 NADPH 氧化酶（NOX2）生成超氧陰離子（$\text{O}_2^{\bullet-}$）與 $\text{H}_2\text{O}_2$ 來毒殺異形細胞與突變細胞。

核心觀念

本題考查真核細胞之**大分子囊泡運輸（vesicular transport / bulk transport）**機制。主要涉及以下核心概念：

1. 內吞作用（Endocytosis）：細胞膜向內凹陷、掐斷形成內吞囊泡（endocytic vesicle），將胞外物質、液體或受體專一性配體攝入細胞內的過程。題目中文寫「胞飲作用」，廣義上即代表內吞作用（Endocytosis）；若狹義區分，內吞作用包含吞噬作用（Phagocytosis）、胞飲作用（Pinocytosis）及受體媒介內吞作用（Receptor-mediated endocytosis）。
2. 外吐作用（Exocytosis）：高基氏體或細胞內囊泡沿細胞骨架運輸至細胞膜，經由 SNARE 蛋白家族媒介進行膜融合（membrane fusion），將囊泡內容物釋放至胞外，並將囊泡膜補充分配至質膜的過程。分為持續型分泌（constitutive secretion）與調節型分泌（regulated secretion）。
3. 膜流動性與表面積平衡（Membrane turnover）：內吞作用使質膜面積減少，外吐作用補充質膜面積，兩者動態平衡維持細胞表面積與脂質組成的恆定。

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解題方法

本題為 15 分的申論比較題，切入策略應為「先定義與方向性 $\rightarrow$ 建立多維度比較架構（表格化呈現） $\rightarrow$ 分別詳述次分類機制與生理實例 $\rightarrow$ 闡明膜平衡之功能整合」。條理分明、層次清晰，方能取得滿分。

一、 定義與運送方向性

• 內吞作用（Endocytosis）：物質運送方向為「由胞外進入胞內（Extracellular $\rightarrow$ Intracellular）」。質膜內陷包裹物質形成微囊，消耗 ATP 進入細胞質。
• 外吐作用（Exocytosis）：物質運送方向為「由胞內排出胞外（Intracellular $\rightarrow$ Extracellular）」。分泌囊泡與質膜融合，將內含物排至細胞外基質或循環系統中。

二、 內吞作用與外吐作用之核心比較表

比較項目	內吞作用（Endocytosis）	外吐作用（Exocytosis）
運送方向	胞外 $\rightarrow$ 胞內	胞內 $\rightarrow$ 胞外
囊泡來源與去向	源自細胞質膜；去向通常為早期內體（early endosome）、溶體（lysosome）消化或轉運（transcytosis）	源自高基氏體反面網狀結構（TGN）或突觸小泡；去向為與細胞質膜融合
對質膜面積之影響	使質膜表面積減少	使質膜表面積增加（補充膜蛋白與脂質）
關鍵分子機制	網格蛋白（Clathrin）、網格蛋白外被接頭（AP-2）、發動蛋白（Dynamin，負責掐斷囊泡頸部）	v-SNARE（如 Synaptobrevin）、t-SNARE（如 Syntaxin、SNAP-25）、Rab GTPase、$\text{Ca}^{2+}$ 感測蛋白（Synaptotagmin）
能量依賴	需消耗 ATP / GTP	需消耗 ATP / GTP

核心觀念

本題考查真核細胞內三大具有**雙層膜構造（Double-membrane bounded organelles）且含有自主遺傳物質（DNA/RNA/核糖體）**之胞器的結構與生理功能：

1. 細胞核（Nucleus）：遺傳訊息儲存、複製（DNA replication）與基因表現調控（Transcription 及 RNA processing）的中樞。
2. 粒線體（Mitochondria）：細胞能量轉換中心，進行細胞呼吸（有氧呼吸）、三羧酸循環（TCA cycle）、氧化磷酸化（Oxidative phosphorylation）產生 ATP，並參與細胞凋亡（Apoptosis）調控。
3. 葉綠體（Chloroplast）：植物與藻類特有的能量轉換中心，進行光合作用（Photosynthesis），透過光反應（Light reactions）產生 ATP 與 NADPH，再經由卡爾文循環（Calvin cycle）將二氧化碳固定為碳水化合物。

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解題方法

本題配分為 15 分，屬於申論比較題。作答切入點宜採**「先總體比較表格化，再分項深入論述」**的架構：

1. 結構與功能對照表：讓閱卷老師能一眼掌握關鍵功能與生化途徑的差異。
2. 三大胞器核心功能詳述：精確列出各胞器於生理代謝上的特有功能，包含分子機轉、生化代謝途徑與重要酵素/複合物。
3. 功能異同點統整：指出兩兩或三者之間的共通性（半自主胞器、能量轉換）與特異性功能。

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詳細比較與解析

1. 細胞核、粒線體、葉綠體功能綜合比較表

比較項目	細胞核 (Nucleus)	粒線體 (Mitochondria)	葉綠體 (Chloroplast)
主要定位與角色	遺傳控制與基因表現中樞	細胞發電廠（ATP 供應中心）	光能轉換與有機物合成中心
遺傳功能	基因組 DNA 複製、修復與轉錄調控	複製粒線體 DNA (mtDNA)；合成部分呼吸鏈次單元	複製葉綠體 DNA (cpDNA)；合成部分光反應與 Rubisco 次單元
能量代謝	消耗 ATP（主動運輸、轉錄、複製）	分解代謝（Catabolism）：透過氧化磷酸化釋放化學能產生 ATP	合成代謝（Anabolism）：利用光能光合磷酸化產生 ATP，固定 $\text{CO}_2$
主要生化反應	轉錄 (Transcription)、mRNA 修飾 (Splicing, Capping, Poly-A tailing)	丙酮酸脫羧、$\beta$-氧化、TCA 循環、電子傳遞鏈 (ETC)	光反應 (PS I, PS II)、水的光解、卡爾文循環 (Calvin cycle)
信號傳導與特殊功能	細胞週期調控、細胞分化調控	細胞凋亡路徑 (釋放 Cytochrome c)、活性氧 (ROS) 產生、血紅素合成	脂肪酸合成、胺基酸同化、光呼吸作用 (Photorespiration)
存在生物界	幾乎所有真核細胞	絕大多數真核細胞	植物細胞與真核藻類

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2. 各胞器功能深入論述

(1) 細胞核 (Nucleus) 的核心功能

• 遺傳訊息的儲存與維持：以染色質（Chromatin）型態包裹生物體絕大部分的基因組 DNA，並藉由組蛋白修飾、染色質重塑維持基因組完整性與表觀遺傳（Epigenetics）調控。
• DNA 複製與修復（Replication & Repair）：在 S 期精確複製基因組，並具有各類 DNA 修復機制（如 MMR、NER、BER），防止突變累積。
• 轉錄與 RNA 加工（Transcription & RNA Processing）：由 RNA 聚合酶催化轉錄產生 pre-mRNA、tRNA、rRNA 等；並在核內完成 5'端加帽（5' cap）、3'端聚腺苷酸化（Poly-A tail）及剪接（Splicing）。
• 核仁（Nucleolus）功能：專門轉錄 45S pre-rRNA、進行修飾加工，並組裝核糖體大小次單元（Ribosome subunits assembly）。
• 核質運輸管制（Nucleocytoplasmic Transport）：透過核孔複合體（NPC）調控蛋白質（具 NLS/NES）、RNA 及大分子的進出，維持細胞質與核內環境的恆定。

核心觀念

1. 原致癌基因（Proto-oncogene）與致癌基因（Oncogene）定義：
   • 原致癌基因（Proto-oncogene）：正常細胞內負責調控細胞生長、增殖、分化與存活的基因，其產物通常包含生長因子、受體、細胞內訊息傳導分子、轉錄因子及細胞週期調節蛋白。
   • 致癌基因（Oncogene）：原致癌基因因突變或異常活化而過度表達或產生持續活化之產物，促使細胞失去生長調控，走向惡性轉型。
2. 功能獲得型突變（Gain-of-function mutation）：
   原致癌基因轉變成致癌基因在遺傳學上屬於顯性突變（Dominant mutation），只要單一對偶基因（Allele）發生機能獲得型突變，即足以促進腫瘤形成。
3. 活化機制的兩大終點效應：
   • 產物質變（Qualitative change）：蛋白結構改變，形成組成型活化（Constitutively active）或不受調控的超活性蛋白（Hyperactive protein）。
   • 產物量變（Quantitative change）：蛋白結構完全正常，但表現量大量增加（Overexpression），造成持續性的下游訊號刺激。

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解題方法

本題為 15 分的申論題，答題架構應以「分子生物學與細胞遺傳學機轉」切入，系統化歸納為四大主要活化途徑，並搭配具代表性的經典臨床或實驗室範例，以展現答題的深度與完整性：

1. 點突變（Point Mutation / Single Nucleotide Polymorphism）

• 機制：
  • 編碼區點突變（Coding region mutation）：使胺基酸序列改變，導致蛋白質失去自體抑制結構或負向調控受質的結合能力，轉變為持續處於活化態的超活性蛋白質。
  • 調控區點突變（Regulatory region mutation）：發生在啟動子（Promoter）或強化子（Enhancer），增加轉錄因子結合親和力，導致轉錄量異常增加。
• 經典實例：
  • RAS 基因家族（KRAS、HRAS、NRAS）：第 12、13 或 61 位點發生點突變（如 $G12V$），大幅降低 Ras 蛋白質本身的內生性 GTP 水解活性（GTPase activity），並阻止 GTPase 活化蛋白（GAP）水解 GTP，使 Ras 永久結合 GTP 呈持續活化態，持續活化下游 MAPK/ERK 途徑。

2. 基因放大（Gene Amplification）

• 機制：
  DNA 複製異常導致特定原致癌基因的染色體片段倍增，形成數十至數百個額外基因拷貝（Gene copies）。在染色體核型分析上常呈現為：
  • 雙微體（Double minutes, DMs）：獨立於染色體外的環狀小片段 DNA。
  • 均質染色區（Homogeneously staining regions, HSRs）：整合於染色體內的同源重覆放大區。
    基因拷貝數暴增直接導致蛋白質產生量大幅過剩（結構正常，但量變致病）。
• 經典實例：
  • HER2/neu（ERBB2）：在乳癌患者中常見基因放大，受體過度堆疊於細胞膜引起自發性雙聚化（Spontaneous dimerization）與自體磷酸化，驅動細胞失控分裂。
  • N-MYC：在兒童神經母細胞瘤（Neuroblastoma）中高度放大，為不良預後的重要生物標記。

3. 染色體重排（Chromosome Rearrangement / Translocation）

• 機制 A：異位至強啟動子或強化子鄰近（Enhancer/Promoter juxtaposition）
  • 原致癌基因編碼區結構完整，但異位到高活性基因（如免疫球蛋白基因或 T 細胞受體基因）的調節區下游，致使蛋白質過量表達。
  • 實例：伯基特氏淋巴瘤（Burkitt lymphoma）中的平衡異位 $t(8;14)(q24;q32)$，將 8 號染色體的 c-MYC 轉錄因子基因移至 14 號染色體的免疫球蛋白重鏈（$IgH$）基因之強效強化子旁，導致 Myc 蛋白過度表現。

核心觀念

本題測驗細胞生物學與病理學中最核心的「細胞死亡形式與細胞恆定機制」（Cell Death and Cellular Homeostasis）。主要涵蓋三種不同調控機制的細胞命運：

1. 細胞凋亡（Apoptosis, Type I 程序性細胞死亡）：由基因與訊息傳遞途徑精密調控的主動、耗能型計畫性細胞死亡（Programmed Cell Death, PCD），主要藉由 Caspase 活化促成，不引發發炎反應。
2. 自體吞噬（Autophagy, Type II 程序性細胞死亡 / 細胞存活機制）：細胞在養分缺乏或壓力下，利用雙層膜構造（自噬體, Autophagosome）包包裹受損胞器或蛋白質，並送入溶體（Lysosome）降解再利用的異化代謝與品質管控機制；過度活化亦可作為促死途徑。
3. 細胞壞死（Necrosis, 非程序性/意外性細胞死亡）：通常由極端物理、化學毒性或嚴重缺血急性誘發的被動非受控死亡，特徵為細胞膜破裂、細胞內容物外溢並引發劇烈的局部發炎反應（Inflammation）。

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解題方法

本題為標準申論定義與比較題（佔分 15%），答題切入點應採「個別定義與關鍵特徵說明」搭配「綜合對比結構化表格」，以便閱卷老師快速抓取給分關鍵字（如：ATP 需求、質膜完整性、發炎反應、生化分子標記）：

1. 細胞凋亡（Apoptosis）之定義與機制

• 定義：細胞在生理或特定病理刺激下，啟動高度受控的自我毀滅程序（Type I Programmed Cell Death）。
• 關鍵型態特徵：
  • 細胞萎縮（Cell shrinkage）與細胞質濃縮。
  • 染色質凝集（Chromatin condensation）與周邊化（Margination）。
  • 核碎裂（Karyorrhexis）與出芽現象（Blebbing）。
  • 形成具完整細胞膜包裹的「凋亡小體」（Apoptotic bodies），最後被巨噬細胞藉由「吃我訊號」（如暴露於外葉的磷脂醯絲胺酸 Phosphatidylserine, PS）吞噬清除，不引起發炎反應。
• 生化調控與分子標記：
  • 能量依賴：需消耗 ATP。
  • 訊息傳遞路徑：
    • 外在途徑（Extrinsic pathway）：死亡受體（Death receptors，如 FasL/Fas、TNF-$\alpha$/TNFR1）活化 $\rightarrow$ 活化 Initiator Caspase-8/10。
    • 內在/粒線體途徑（Intrinsic pathway）：DNA 受損或細胞壓力誘發 Bcl-2 家族蛋白平衡失調（Bax/Bak 形成孔洞）$\rightarrow$ 粒線體釋放細胞色素 c（Cytochrome c）$\rightarrow$ 與 Apaf-1、dATP 結合形成凋亡體（Apoptosome）$\rightarrow$ 活化 Initiator Caspase-9。
    • 兩者最終皆活化 Executioner Caspases（Caspase-3, -6, -7），切割細胞結構與功能性蛋白。
  • DNA 切割特徵：被 CAD（Caspase-activated DNase）在核小體間隔切割，於凝膠電泳呈現特異性的 DNA Ladder（階梯狀條帶，約 180–200 bp 之整數倍）。

2. 自體吞噬（Autophagy）之定義與機制

• 定義：真核細胞透過溶體降解途徑清除內部受損蛋白質、老舊胞器或外來病原體，並回收養分以維持能量穩態的異化機制（Catabolic process）。當細胞壓力過大時，亦可誘導「自體吞噬性細胞死亡」（Type II Programmed Cell Death）。
• 關鍵型態特徵：
  • 由隔離膜（Phagophore）成核並延伸，包覆受質形成雙層膜囊泡結構，稱為「自噬體」（Autophagosome）。
  • 自噬體與溶體（Lysosome）融合形成「自噬溶體」（Autolysosome），內含物被水解酶降解。
  • 質膜全程保持完整，不釋放內容物，不誘發發炎反應。
• 生化調控與分子標記：
  • 能量與養分感測：主要受 mTORC1（負調控，抑制自噬）與 AMPK（正調控，促進自噬）精密調控。
  • 核心基因（ATG 系統）：

核心觀念

測定蛋白質分子量（Molecular Weight, MW）是生物化學與細胞生物學的核心分析技術。蛋白質的分子量可分為兩類：

1. 變性狀態／次單元分子量（Denatured / Subunit MW）：蛋白質在變性劑存在下解離成單體線狀多胜肽鏈。
2. 天然狀態／寡聚體分子量（Native / Oligomeric MW）：蛋白質維持完整折疊或多聚體複合物（Complex）構型。

決定蛋白質分子量的常用方法包括：

• SDS-PAGE（十二烷基硫酸鈉-聚丙烯醯胺膠體電泳法）：依據去摺疊胜肽鏈之大小進行分子篩分離。
• 膠體過濾層析法（Gel Filtration Chromatography / Size-Exclusion Chromatography, SEC）：依據天然蛋白質的水力學半徑（Stokes radius）進行分子篩排阻。
• 質譜儀測定法（Mass Spectrometry, MS）：依據氣態離子的質荷比（$m/z$）測定超高精度的絕對分子量。
• 分析型超速離心法（Analytical Ultracentrifugation, AUC）：依據流體力學與沉降平衡原理測定天然態絕對分子量。

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解題方法

本題為問答題（佔分 15%），答題切入點應挑選原理清晰、最具代表性、且涵蓋「變性狀態」與「天然狀態／精確測定」的三種方法（建議採用 SDS-PAGE、膠體過濾層析法、蛋白質質譜儀法）。說明時需包含：測定狀態、關鍵原理、分離或檢測機制，以及分子量求得方式。

方法一：十二烷基硫酸鈉-聚丙烯醯胺膠體電泳（SDS-PAGE）

1. 測定性質：測定蛋白質次單元（Subunit）或單體多胜肽鏈之分子量（變性狀態）。
2. 反應原理：
   • 電荷均一化：強陰離子界面活性劑 SDS（Sodium Dodecyl Sulfate）與蛋白質以固定重量比結合（約每 $1\text{ g}$ 蛋白質結合 $1.4\text{ g}$ SDS，相當於平均每兩個胺基酸結合一個 SDS 分子），賦予多胜肽鏈均勻且強烈的負電荷，遮蔽蛋白質本身的固有電荷。
   • 變性與斷鍵：加熱配合還原劑（如 $\beta$-mercaptoethanol 或 DTT）可還原雙硫鍵（Disulfide bonds），使蛋白質完全去折疊並伸展成均勻的桿狀構型。
3. 分子量決定方式：
   • 在交聯聚丙烯醯胺膠體形成的網孔中，蛋白質的電荷／質量比已趨於定值，因此電泳移動率（Relative mobility, $R_f$）完全取決於分子大小（分子篩效應，Molecular Sieving Effect）。
   • 小分子受網孔阻力小，移動較快；大分子受阻力大，移動較慢。
   • 分子量的常用對數（$\log \text{MW}$）與相對移動率（$R_f$）呈現反比線性關係：
     $\log \text{MW} = -k \cdot R_f + C$
   • 藉由已知分子量的標準蛋白質標記（Protein marker）繪製檢量線，即可內插求得未知蛋白質的次單元分子量。

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方法二：膠體過濾層析法（Gel Filtration Chromatography / SEC）

1. 測定性質：測定蛋白質天然構型（Native conformation）或寡聚體複合物之分子量。
2. 反應原理：
   • 層析管柱中填充具特定孔徑大小的多孔性珠體（Porous beads，如葡聚醣 Sephadex 或洋菜醣 Sepharose）。
   • 當流動相帶著蛋白質混合物通過管柱時，蛋白質會依其**水力學體積（Hydrodynamic volume / Stokes radius）**進行滯留分配：
     • 大分子（分子量大於網孔排除極限 Exclusion limit）：無法進入孔洞內部，直接隨珠體間的空隙流出，沖提出來的體積稱為空體積（Void volume, $V_0$），最先被析出。
     • 小分子：可自由進出珠體微孔內部，在管柱內經歷較長的路徑，最後才被析出。
     • 中等分子：僅能進入部分孔徑，依大小依序沖提出。

核心觀念

本題評量細胞生物學的最基礎骨幹知識：細胞生命形式的兩大分支——真核細胞（Eukaryotic cells）與原核細胞（Prokaryotic cells）在結構、遺傳機制與生理代謝上的本質差異。
核心在於掌握演化尺度下內膜系統（Endomembrane system）的出現、細胞核的有無、染色體組織構造、核糖體次單元組成，以及細胞骨架與能量代謝分工。

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解題方法

本題為 10 分的申論說明題。閱卷評分重點在於「系統性歸納」與「專有名詞精準度」。最佳解題切入點為：

1. 比較整合表：先以一目了然的維度（遺傳物質、胞器、轉錄/轉譯、分裂方式等）建立條理。
2. 關鍵生理機制深入說明：針對評分關鍵點（核膜阻隔、轉錄轉譯偶聯性、化學滲透磷酸化位置）做文字精闢說明，展現研究所層級深度。

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比較分析

比較項目	原核細胞（Prokaryotes，如細菌、古菌）	真核細胞（Eukaryotes，如動物、植物、真菌、原生生物）
細胞大小	較小（通常直徑約 $0.1 \sim 5.0\ \mu\text{m}$）	較大（通常直徑約 $10 \sim 100\ \mu\text{m}$）
細胞核構造	無核膜包覆，遺傳物質集中於擬核區（Nucleoid），無核仁	具雙層膜結構之真核（Nucleus）與核仁（Nucleolus）
DNA 型態與組織	通常為單一環狀雙股 DNA；缺乏真正的組織蛋白（Histones，古菌除外）；常含質體（Plasmids）	多條線狀雙股 DNA；與組織蛋白結合形成染色質（Chromatin）
膜狀胞器	無任何膜狀胞器（無內質網、高基氏體、粒線體、葉綠體、溶體等）	具發達內膜系統與雙層膜自主性胞器（粒線體、葉綠體）
核糖體沉降係數	$70\text{S}$（由 $50\text{S}$ 大次單元與 $30\text{S}$ 小次單元組成）	細胞質中為 $80\text{S}$（$60\text{S} + 40\text{S}$）；粒線體/葉綠體內含 $70\text{S}$
基因表現與調控	轉錄與轉譯偶聯（Coupled transcription and translation）；mRNA 多為多順反子（Polycistronic）；罕見內含子（Introns）	轉錄在核內、轉譯在細胞質（時空分開）；mRNA 多為單順反子（Monocistronic）；經 5' cap、poly-A tail 與剪接（Splicing）修飾