108 年 國立臺灣大學獸醫學系碩士班乙組《細胞生物學（C）》

本題主要在考查學生對細胞骨架（cytoskeleton）三大組成成分的理解，包含它們的結構、功能以及在細胞內的分布位置。細胞骨架是維持細胞形態、運動、物質運輸和細胞分裂的關鍵結構。

細胞骨架主要由三種蛋白質纖維構成：微絲（microfilaments）、中間絲（intermediate filaments）和微管（microtubules）。

(a) 微絲 (Microfilaments)

• 結構: 主要由肌動蛋白（actin）單元聚合而成，形成直徑約 7 奈米的纖維。肌動蛋白可以形成單獨的纖維、雙股螺旋狀的纖維束，或形成三維網絡。
• 細胞功能:
  1. 細胞運動: 參與細胞爬行（cell crawling）和肌肉收縮。肌動蛋白與肌球蛋白（myosin）的交互作用是細胞運動的動力來源。
  2. 細胞質流動 (cytoplasmic streaming): 在植物細胞和一些真菌中，協助細胞質的流動，促進養分和胞器的運輸。
  3. 細胞分裂: 在動物細胞分裂末期，肌動蛋白和肌球蛋白形成的收縮環（contractile ring）負責細胞質的分裂（cytokinesis）。
  4. 維持細胞形態: 在細胞膜下形成網絡，支撐細胞膜，維持細胞的特定形狀。
  5. 胞內運輸: 協助肌球蛋白馬達運輸囊泡和小胞器。
• 細胞定位: 廣泛分布於細胞質中，尤其密集於細胞膜下方（形成皮質層 cortex），以及參與細胞運動的區域（如細胞的移動前端 lamellipodia 和 filopodia）。在動物細胞分裂時，形成細胞赤道板上的收縮環。

(b) 中間絲 (Intermediate Filaments)

• 結構: 由多種不同的蛋白質家族組成，例如角蛋白（keratins，在表皮細胞）、波形蛋白（vimentin，在結締組織細胞）、神經絲蛋白（neurofilaments，在神經元）和核纖維蛋白（lamins，在核膜內層）。這些蛋白質單元聚合形成堅韌的繩索狀結構，直徑約 8-12 奈米，比微絲和微管粗。
• 細胞功能:

本題旨在考查學生對細胞內吞作用（endocytosis）不同類型的理解，包括其機制、涉及的分子以及所吞噬的物質。內吞作用是細胞攝取外部物質的重要途徑，對於營養吸收、信號傳導、免疫防禦和清除衰老細胞等都至關重要。

內吞作用主要可分為三種類型：吞噬作用（phagocytosis）、飲作用（pinocytosis）和受體介導的內吞作用（receptor-mediated endocytosis）。

(a) 吞噬作用 (Phagocytosis)

• 定義: 又稱為「細胞吞噬」（cell eating），是一種攝取較大顆粒物質（例如微生物、細胞碎片、異物）的過程。
• 機制:
  1. 目標顆粒與細胞表面的特定受體結合。
  2. 細胞膜向外延展形成假足（pseudopods），包圍住顆粒。
  3. 假足的末端融合，形成一個大的膜性囊泡，稱為吞噬體（phagosome），將顆粒包入細胞內。
  4. 吞噬體隨後與溶酶體（lysosome）融合，形成吞噬溶酶體（phagolysosome），顆粒在其中被消化降解。
• 細胞類型: 主要由專業的吞噬細胞執行，如巨噬細胞（macrophages）和中性粒細胞（neutrophils），它們在免疫系統中扮演清除病原體和細胞碎屑的角色。
• 吞噬物: 細菌、病毒、細胞碎片、凋亡細胞、異物等。

(b) 飲作用 (Pinocytosis)

• 定義: 又稱為「細胞飲」（cell drinking），是一種攝取細胞外液體及其中小分子的過程。
• 機制:
  1. 細胞膜內陷形成小凹陷。
  2. 小凹陷的邊緣閉合，形成小的膜性囊泡，稱為胞飲小體（pinocytotic vesicle），將細胞外液體和小分子物質包入細胞內。

本題考查學生對「原代細胞」（primary cell）與「穩定細胞株」（stable cell line）的定義與區別的理解。這兩者是細胞培養中常用的兩種細胞類型。

(a) 原代細胞 (Primary Cell)

• 定義: 指直接從生物體組織或器官中分離出來，經過少量培養後使用的細胞。它們是「一次性」的細胞，從體內取出後，在體外培養的傳代次數有限。
• 特性:
  • 接近體內狀態: 最能代表其來源組織在體內的生理狀態和功能，因此常用於研究細胞的原始功能和生理過程。
  • 有限的傳代壽命: 原代細胞在體外培養時，其分裂次數是有限的。經過幾次傳代後，細胞會進入衰老（senescence）狀態，停止分裂，最終死亡。這種現象稱為海弗里克極限（Hayflick limit）。
  • 異質性: 從組織中分離出的原代細胞可能包含多種類型的細胞，具有一定的異質性。
  • 培養難度: 有時培養較為困難，需要特定的培養基和條件。

(b) 穩定細胞株 (Stable Cell Line)

• 定義: 指經過連續多次傳代培養後，細胞仍然能夠無限增殖（immortalized）而不會進入衰老狀態的細胞系。

本題考查學生對細胞呼吸過程中質子動勢（Proton Motive Force, PMF）的理解，包括其定義、發生位置以及作用。質子動勢是細胞能量產生中的一個關鍵概念。

(a) What is PMF?

• 定義: 質子動勢（PMF）是指由於跨膜質子（H$^+$）濃度梯度和跨膜電位差（膜電位）共同作用而產生的總能量勢能。它是一種電化學梯度（electrochemical gradient），可以驅動質子跨膜流動，從而進行能量轉換。
• 組成: PMF 由兩部分組成：
  1. 化學勢能梯度 (Chemical Potential Energy Gradient): 由於質子在膜兩側濃度不同而產生的勢能，即質子濃度梯度（$\Delta$pH）。
  2. 電勢能梯度 (Electrical Potential Energy Gradient): 由於膜兩側電荷分布不均而產生的電位差（$\Delta\psi$），通常膜內側相對於膜外側為負。
• 數學表達: $PMF = \Delta p = \Delta\psi - \frac{2.303RT}{F}\Delta pH$
  其中，$\Delta p$ 代表 PMF，$\Delta\psi$ 是膜電位，$\Delta pH$ 是膜兩側的 pH 值差異，$R$ 是氣體常數，$T$ 是絕對溫度，$F$ 是法拉第常數。通常，$\Delta\psi$ 對 PMF 的貢獻比 $\Delta pH$ 大。

(b) Where does PMF happen in the cell?

• 發生位置: PMF 主要發生在細胞內負責氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）產生 ATP 的膜結構上。
  1. 真核細胞: 主要發生在粒線體內膜（inner mitochondrial membrane）。