111 年 國立臺灣大學獸醫學系碩士班乙組《細胞生物學（C）》

此題主要在探討粒線體在不同氧氣環境下，分解脂肪與糖類以產生 ATP 的差異，核心觀念是細胞呼吸作用的機制。

核心觀念： 細胞呼吸作用是細胞產生能量（ATP）的主要途徑。不同的營養物質（脂肪、糖類）和氧氣供應狀況會影響其代謝途徑和產生的能量效率。

詳解：

粒線體是細胞中產生 ATP 的主要場所，其主要的能量來源是葡萄糖（糖類）和脂肪酸（脂肪）。這兩種物質的分解過程及其在不同氧氣環境下的差異如下：

(a) 降解糖類 (Glucose)：

• 有氧環境： 在有氧環境下，葡萄糖的分解主要經過三個階段：

  1. 醣解作用 (Glycolysis)： 發生在細胞質中，將一分子的葡萄糖分解為兩分子的丙酮酸 (pyruvate)，產生少量的 ATP 和 NADH。
  2. 丙酮酸氧化與檸檬酸循環 (Pyruvate oxidation and Citric acid cycle)： 丙酮酸進入粒線體基質，被氧化成乙醯輔酶 A (acetyl-CoA)，然後進入檸檬酸循環。這個階段會產生 CO₂、少量的 ATP (或 GTP) 以及大量的 NADH 和 FADH₂。
  3. 氧化磷酸化 (Oxidative phosphorylation)： NADH 和 FADH₂ 將電子傳遞給粒線體內膜上的電子傳遞鏈，最終電子接受者是氧氣，形成水。電子傳遞過程中釋放的能量用於將質子 (H⁺) 泵入粒線體膜間隙，形成質子梯度。質子順著梯度流回基質，通過 ATP 合成酶 (ATP synthase) 驅動 ATP 的合成。這是產生 ATP 最主要的階段。
  • 總結： 在有氧條件下，一分子的葡萄糖可以透過完整的細胞呼吸作用產生約 30-32 分子的 ATP。

• 缺氧環境： 在缺氧環境下，電子傳遞鏈無法正常運作，因為沒有最終電子接受者（氧氣）。因此，氧化磷酸化無法進行。

  1. 醣解作用 (Glycolysis)： 仍然可以在細胞質中進行，將葡萄糖分解為丙酮酸，產生少量 ATP 和 NADH。
  2. 後續代謝： 由於缺氧，丙酮酸無法進入粒線體進行檸檬酸循環和氧化磷酸化。細胞會進行無氧呼吸（發酵），例如乳酸發酵或酒精發酵，將丙酮酸或其衍生物還原，目的是再生 NAD⁺，以維持醣解作用的持續進行，從而產生少量 ATP。
  • 總結： 在缺氧條件下，葡萄糖的分解僅限於醣解作用，每分子葡萄糖只能產生 2 分子的 ATP。粒線體在此過程中幾乎不參與糖類的能量產生。

(b) 降解脂肪 (Lipids)：

• 有氧環境： 脂肪（主要是三酸甘油酯）首先被分解為甘油 (glycerol) 和脂肪酸 (fatty acids)。
  1. 甘油： 可以進入醣解作用的途徑，被轉化為丙酮酸的代謝中間產物。
  2. 脂肪酸： 進入粒線體基質後，經過 β-氧化 (beta-oxidation) 過程，將長鏈脂肪酸逐步分解成許多分子的乙醯輔酶 A (acetyl-CoA)。這個過程也會產生 NADH 和 FADH₂。
  3. 乙醯輔酶 A： 接著進入檸檬酸循環，並透過氧化磷酸化產生大量的 ATP。

此題探討粒線體的動態平衡，核心觀念是粒線體並非靜止的胞器，而是會透過分裂與融合來維持其功能與數量。

核心觀念： 粒線體是一個動態的網狀結構，其形態和數量的改變是透過分裂（fission）和融合（fusion）這兩種相反但互補的過程來實現的。這兩種過程對於維持粒線體的健康、功能和適應細胞需求至關重要。

詳解：

粒線體會不斷進行分裂（fission）與融合（fusion），這兩種過程的協調作用對於維持細胞的能量供應、粒線體的健康以及對細胞環境變化的適應具有重要的生物學意義。

一、 粒線體分裂 (Mitochondrial Fission)：

粒線體分裂是指一個較大的粒線體斷裂成兩個或多個較小的粒線體。這個過程主要由動力蛋白相關蛋白 (Dynamin-related proteins, Drp1) 及其結合蛋白 (如 Fis1, Mff, MiD49/51) 所調控。

目的：

1. 細胞增殖與分配： 當細胞分裂時，粒線體也需要進行分裂，以便平均分配到兩個子細胞中，確保每個子細胞都有足夠的粒線體來滿足其能量需求。
2. 清除受損粒線體： 粒線體在運作過程中會產生反應性氧物種 (ROS) 並可能累積損傷。分裂過程有助於將受損的粒線體片段與健康的粒線體分離，然後受損的部分可以被粒線體自噬（mitophagy）機制清除，避免損傷擴散。
3. 適應細胞需求： 在某些情況下，例如細胞需要特定位置的能量，或者需要將能量濃縮到特定區域時，粒線體會進行分裂以形成更小、更分散的單元。
4. 建立粒線體網路： 分裂是建立粒線體網路的基礎，通過不斷的分裂和融合，粒線體可以形成複雜的動態網絡。

二、 粒線體融合 (Mitochondrial Fusion)：

粒線體融合是指兩個或多個粒線體合併形成一個較大的單一粒線體。這個過程主要由兩大家族蛋白調控：位於外膜的粒線體外膜蛋白 (Mitofusins, Mfn1/2，在哺乳動物中) 和位於內膜的粒線體蛋白 2 (Optic atrophy 1, OPA1)。

目的：

此題要求說明細胞骨架的三個面向：分佈、功能和組成。核心觀念是細胞骨架是細胞內一個複雜的動態網絡，對細胞的結構、運動及內部運輸至關重要。

核心觀念： 細胞骨架是由蛋白質纖維構成的動態網絡，遍佈於細胞質中，為細胞提供結構支撐、維持細胞形狀、參與細胞運動、胞內物質運輸以及細胞分裂等重要生理過程。

詳解：

細胞骨架（Cytoskeleton）是一個遍佈於真核細胞細胞質中的蛋白質纖維網絡，它賦予細胞結構支持，並在細胞運動、內部運輸和細胞分裂等過程中發揮關鍵作用。它主要由三種類型的蛋白質絲所組成，這些絲狀結構的組成單元（基本組成單位）和特性各不相同。

一、 細胞骨架的分佈：

細胞骨架的網絡遍佈於細胞質的各個區域，從細胞核周圍延伸至細胞膜下方。

• 它在細胞的周邊區域（細胞膜下方）形成一個支撐結構，維持細胞的形狀。
• 它也在細胞的內部形成一個動態的運輸網絡，連接細胞核、細胞器和細胞膜。
• 不同類型的細胞骨架纖維在細胞內的分佈密度和位置有所側重，例如微絨毛 (microvilli) 和肌肉細胞中的肌動蛋白纖維就特別發達。

二、 細胞骨架的主要功能：

1. 維持細胞形狀與結構支撐： 細胞骨架提供了細胞的機械強度，抵抗外力，維持細胞的特定形狀，防止細胞塌陷。
2. 細胞運動： 參與細胞的移動，例如變形蟲運動 (amoeboid movement)、肌肉收縮，以及細胞表面的結構如纖毛 (cilia) 和鞭毛 (flagella) 的運動。
3. 胞內物質運輸： 作為「軌道」，細胞骨架（尤其是微管和肌動蛋白絲）承載著運動蛋白（motor proteins），將細胞器、囊泡、蛋白質和 mRNA 等物質運輸到細胞內的不同位置。
4. 細胞分裂： 在有絲分裂 (mitosis) 和減數分裂 (meiosis) 過程中，細胞骨架（微管形成紡錘絲，肌動蛋白絲參與細胞質分裂）對於染色體的正確分離和細胞質的均勻分配至關重要。
5. 信號傳導： 細胞骨架可以參與細胞信號的傳導，將細胞外信號傳遞到細胞內部，並與細胞膜上的受體相互作用。
6. 維持細胞器的位置： 幫助固定細胞器在細胞內的特定位置，防止其隨機漂移。

三、 組成的最基本元件 (Basic Building Unit) 與組成結構：

細胞骨架主要由三種蛋白質絲組成，它們是由各自的基本蛋白質單元聚合而成：

1. 微絲 (Microfilaments) / 肌動蛋白絲 (Actin filaments)：
   • 基本組成元件： 肌動蛋白單體 (Actin monomer, G-actin)，它是一個球狀蛋白質。

此題要求舉出兩種運動蛋白的例子，並說明它們分別利用哪種細胞骨架進行運輸。核心觀念是運動蛋白與細胞骨架的協同作用。

核心觀念： 運動蛋白（motor proteins）是能夠將化學能轉化為機械能，並在細胞骨架纖維上移動的蛋白質。它們在胞內物質運輸中扮演著關鍵角色，如將囊泡、細胞器或蛋白質複合物從一個地方移動到另一個地方。

詳解：

運動蛋白（motor proteins）是執行胞內運輸的關鍵分子，它們能夠在細胞骨架纖維上「行走」，攜帶貨物（如囊泡、細胞器、蛋白質複合物）到達目的地。以下舉出兩個運動蛋白的例子及其利用的細胞骨架：

1. 運動蛋白： 動力蛋白 (Dynein)

   • 利用的細胞骨架： 微管 (Microtubules)
   • 運輸方向： 動力蛋白主要將貨物從細胞的周邊區域（外圍）向細胞的中心區域（如細胞核附近）運輸，即進行負極性方向的運輸。
   • 簡述： 動力蛋白是一類複雜的蛋白質馬達，通常由重鏈 (heavy chains) 和輕鏈 (light chains) 組成。它們以 ATP 為能量來源，結合到微管上並沿著微管的負極性方向（通常是朝向 MTOC）移動。動力蛋白負責將囊泡、mRNA、染色體等從細胞周邊運輸到細胞中心，例如在細胞分裂時，動力蛋白參與將染色體拉向紡錘體極。在纖毛和鞭毛的運動中，動力蛋白也扮演著關鍵角色，驅動微管的滑動。

2. 運動蛋白： 動力蛋白 (Kinesin)

   • 利用的細胞骨架： 微管 (Microtubules)

此題要求區分四種離子通道的類型，並說明它們的活化機制。核心觀念是離子通道的門控機制 (gating mechanism)。

核心觀念： 離子通道是細胞膜上的蛋白質，允許特定的離子通過。它們的開啟（活化）和關閉（失活）受到不同刺激的調控，這些調控機制稱為「門控」。

詳解：

離子通道是細胞膜上的離子選擇性孔道，對於維持細胞的電位平衡、信號傳導、離子穩態等至關重要。它們的開啟（活化）受不同類型的刺激調控，以下是四種離子通道的差異與活化方式：

1. 電壓門控離子通道 (Voltage-gated ion channels)：

   • 差異： 這些通道對細胞膜電位的變化敏感。它們在細胞膜內外電位差（跨膜電位）達到特定閾值時會開啟或關閉。
   • 活化方式： 當細胞膜的跨膜電位發生改變時，通道內的帶電區域會感知到這種變化，從而引起通道構象的改變，導致通道開啟或關閉。例如，神經細胞的動作電位就是由鈉離子 (Na⁺) 和鉀離子 (K⁺) 的電壓門控通道協同作用產生的。
   • 例子： 神經元上的電壓門控鈉離子通道 (voltage-gated Na⁺ channels) 和電壓門控鉀離子通道 (voltage-gated K⁺ channels)。

2. 細胞外配體活化離子通道 (Extracellular ligand-activated channels) / 受體門控離子通道 (Receptor-gated channels)：

   • 差異： 這些通道的開啟需要與細胞膜外的特定分子（配體，ligand）結合。
   • 活化方式： 當細胞外配體（通常是神經傳導物質、激素或其他信號分子）與通道的特定結合位點結合時，會引起通道構象的改變，使其開啟，允許離子通過。
   • 例子： 煙鹼型乙醯膽鹼受體 (nicotinic acetylcholine receptor, nAChR) 是典型的例子。乙醯膽鹼結合到受體上，使通道開啟，允許 Na⁺ 和 K⁺ 流入流出。

3. 細胞內配體門控離子通道 (Intracellular ligand-gated ion channels)：

   • 差異： 這些通道的開啟需要與細胞內的特定分子（配體）結合。
   • 活化方式： 當細胞內的信號分子（如離子如 Ca²⁺、Na⁺，或第二信使如 cAMP、IP₃）與通道的細胞內結合位點結合時，會引起通道構象的改變，使其開啟。
   • 例子：
     • 電壓門控鉀離子通道 (ATP-sensitive K⁺ channels)： 在胰島 β 細胞中，ATP 水平的變化會影響 ATP 結合到 K⁺ 通道上，從而調控通道的開啟，進而影響胰島素的分泌。
     • ryanodine receptor (RyR)： 在肌肉細胞中，RyR 是一種由細胞內 Ca²⁺ 離子直接活化的通道，負責釋放儲存在肌漿網中的 Ca²⁺，引發肌肉收縮。

4. 機械門控和體積調控離子通道 (Mechanosensory and volume-regulated channels)：

此題要求說明腫瘤細胞的「12大特性」（Hallmarks of Cancer）。這是一個經典的癌症生物學概念，需要列舉並簡要解釋這 12 項特徵。

核心觀念： 腫瘤細胞與正常細胞相比，在生理和行為上發生了根本性的改變，這些改變賦予了它們生長、增殖、侵襲和轉移的能力。這些改變被總結為「腫瘤的 12 大特性」。

詳解：

腫瘤細胞發展出了一系列關鍵的生物學特徵，使其能夠不受控制地生長、逃避免疫系統的監控、侵襲周圍組織並擴散到身體其他部位。這些特徵通常被總結為「腫瘤的 12 大特性」（The Hallmarks of Cancer），由 Hanahan 和 Weinberg 在 2000 年和 2011 年兩次更新提出。以下為這 12 項特性：

2000 年提出的六大特性 (The Original Hallmarks)：

1. 生長信號自主性 (Sustaining proliferative signaling)： 腫瘤細胞能夠產生自己的生長信號，或對生長信號過度敏感，使其能夠持續不斷地增殖，而不受正常細胞生長調控機制的約束。
2. 抵抗生長抑制信號 (Evading growth suppressors)： 腫瘤細胞能夠繞過或抑制細胞週期檢查點和生長抑制信號（如 p53、Rb 蛋白的功能喪失），從而實現不受控制的增殖。
3. 抵抗細胞凋亡 (Resisting cell death)： 腫瘤細胞能夠逃避免疫監視和細胞內損傷引起的程式性細胞死亡（凋亡），這使得它們能夠在惡劣的微環境中存活並積累更多的基因突變。
4. 無限複製潛能 (Enabling replicative immortality)： 正常細胞的複製次數是有限的（Hayflick limit），與端粒酶 (telomerase) 的活性有關。腫瘤細胞通常會恢復端粒酶的活性，從而能夠無限次地分裂和增殖。
5. 誘導血管生成 (Inducing angiogenesis)： 隨著腫瘤體積的增大，需要更多的營養和氧氣供應。腫瘤細胞能夠分泌血管生成因子（如 VEGF），刺激新血管的形成，為腫瘤生長提供必需的物質。
6. 侵襲與轉移 (Invading and metastasizing)： 這是惡性腫瘤的標誌性特徵。腫瘤細胞能夠分解細胞外基質，穿過血管壁，進入血液或淋巴系統，並在遠處器官形成新的腫瘤（轉移）。

2011 年新增的六大特性 (Sustaining Capabilities)：

7. 逃避免疫系統的監控 (Evading immune surveillance)： 腫瘤細胞能夠發展出逃脫免疫系統識別和殺傷的機制，例如通過下調腫瘤抗原的表達、分泌免疫抑制因子，或誘導免疫抑制細胞。
8. 基因組不穩定與突變 (Genome instability and mutation)： 腫瘤細胞的 DNA 修復機制通常存在缺陷，導致基因組不穩定，突變率顯著升高。這加速了腫瘤的演化，並可能產生對治療產生抗性的細胞。
9. 癌性炎症 (Cancer-related inflammation)： 腫瘤微環境中的慢性炎症可以促進腫瘤的生長、血管生成、侵襲和轉移。腫瘤細胞本身或其微環境中的免疫細胞可以產生炎症介質。
10. 細胞能量代謝重塑 (Deregulating cellular energetics)： 腫瘤細胞通常會改變其能量代謝，例如表現出 Warburg 效應（即使在有氧條件下也偏好無氧糖酵解），以滿足其快速增殖對營養和構建單元的巨大需求。
11. 激活致癌基因 (Activating invasion)： 腫瘤細胞能夠通過激活原癌基因（oncogenes）和失活抑癌基因（tumor suppressor genes）來獲得生長優勢。
12. 激活致癌基因 (Activating invasion)： (此處為重複，應為 2011 年新增的特性，原文為 "Activating invasion" 應為 "Activating invasion and metastasis" 的延伸，或者是指其他新機制，但常見的列表是 12 項。根據常見的 12 項列表，第 12 項通常是指：逃避死亡 (Evading apoptosis)，但這與第 3 項重複。另一種常見的 12 項列表是：致癌基因的激活 (Activating oncogenes) 和 抑癌基因的失活 (Disabling tumor suppressor genes)，這兩項是驅動腫瘤發生的根本原因。在 Hanahan & Weinberg 2011 的文獻中，"Activating invasion" 似乎是第 6 項的延伸，而不是單獨一項。

此題要求區分胚胎幹細胞和成體幹細胞，並說明它們的來源及幹細胞的共同主要特性。

核心觀念： 幹細胞是一類具有自我更新能力和分化潛能的細胞，是組織發育和修復的基礎。根據來源不同，主要分為胚胎幹細胞和成體幹細胞。

詳解：

幹細胞是具有自我更新（self-renewal）和分化（differentiation）潛能的未分化或低分化細胞。根據其來源和分化潛能，主要分為胚胎幹細胞 (Embryonic Stem Cells, ESCs) 和成體幹細胞 (Adult Stem Cells, ASCs)。

一、 胚胎幹細胞 (Embryonic Stem Cells, ESCs)：

• 來源：
  • 體內來源： 從早期胚胎的內細胞團 (inner cell mass, ICM) 中分離獲得。早期胚胎發育到囊胚 (blastocyst) 時，內細胞團是形成胎兒所有組織的來源。
  • 體外來源： 通常指從體外培養的囊胚中分離的細胞。
• 特性：
  • 全能性 (Totipotent) 或 萬能性 (Pluripotent)： 這是胚胎幹細胞最顯著的特徵。
    • 全能性： 能夠分化成胎兒的全部細胞類型，以及胎盤等胚外組織。極早期的胚胎細胞（如受精卵和桑葚胚期的細胞）具有全能性。
    • 萬能性： 能夠分化成構成身體的所有三胚層（外胚層、中胚層、內胚層）的細胞，從而形成個體的全部組織和器官，但通常不能形成胎盤。內細胞團來源的 ESCs 具有萬能性。
  • 自我更新能力強： ESCs 在體外培養條件下可以無限增殖，保持其未分化狀態。

二、 成體幹細胞 (Adult Stem Cells, ASCs)：

• 來源：
  • 存在於出生後個體的各種組織和器官中，例如：
    • 骨髓 (Bone marrow)： 造血幹細胞 (hematopoietic stem cells, HSCs)，可分化為各種血細胞。