112 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 ATP 合成過程中，質子驅動力的概念。

核心觀念：
Proton motive force (PMF) 是指粒線體內膜兩側的質子濃度梯度與膜電位差所形成的電化學梯度，這個梯度儲存了能量，可驅動 ATP 合成酶 (ATP synthase) 進行 ATP 的生成。

解題過程：
Proton motive force (PMF) 包含兩個主要組成部分：

1. 化學梯度 (Chemical gradient)： 這是由於電子傳遞鏈 (electron transport chain, ETC) 將質子 ($H^+$) 從粒線體基質 (mitochondrial matrix) 泵送到粒線體膜間隙 (intermembrane space) 所造成的質子濃度差異。

此題主要探討影響細胞膜流動性的關鍵因素。

核心觀念：
細胞膜的流動性 (membrane fluidity) 是指膜脂質分子（主要是磷脂質）能夠在膜平面上移動的程度。這種流動性對於維持細胞膜的結構完整性、調節膜蛋白的功能以及進行細胞間的相互作用至關重要。

解題過程：
影響細胞膜流動性的主要因素有以下幾點：

1. 脂肪酸鏈的飽和度 (Degree of fatty acid saturation)：

   • 不飽和脂肪酸 (Unsaturated fatty acids)： 其脂肪酸鏈含有一個或多個雙鍵 (double bonds)，這些雙鍵會在碳鏈上形成「彎曲」(kinks)。這些彎曲會阻礙磷脂質分子緊密堆積，增加分子間的距離，從而提高膜的流動性。
   • 飽和脂肪酸 (Saturated fatty acids)： 其脂肪酸鏈沒有雙鍵，碳鏈是直的。飽和脂肪酸鏈可以更緊密地堆積在一起，形成更穩定的結構，從而降低膜的流動性。

2. 脂肪酸鏈的長度 (Length of fatty acid chains)：

   • 短鏈脂肪酸 (Shorter fatty acid chains)： 分子間的凡得瓦爾力 (van der Waals forces) 較弱，磷脂

此題為關於細胞骨架的綜合性問題，包含其分佈、功能及組成單元。

核心觀念：
細胞骨架是一個動態的蛋白質網絡，存在於真核細胞的細胞質中，對於維持細胞形狀、提供機械支撐、參與細胞運動、物質運輸以及細胞分裂等過程至關重要。它由三種主要的蛋白質纖維組成：微絲 (microfilaments)、中間纖維 (intermediate filaments) 和微管 (microtubules)。

解題過程：

一、 細胞骨架的分佈 (Distribution of Cytoskeleton)：
細胞骨架遍佈於細胞質中，形成一個複雜的網絡，從細胞核延伸至細胞膜。

• 微絲 (Microfilaments)： 主要集中在細胞皮質 (cell cortex) 區域，緊鄰細胞膜下方，形成支持細胞形態的網絡。它們也參與細胞表面的微絨毛 (microvilli) 和運動所需的結構（如細胞運動中的片狀偽足）。
• 中間纖維 (Intermediate filaments)： 分佈廣泛，但通常比微絲和微管更為穩定和持久。它們形成強韌的網絡，貫穿整個細胞質，並經常連接細胞核膜，提供細胞機械強度和抵抗拉伸。
• 微管 (Microtubules)： 從細胞核附近的微管組織中心 (microtubule-organizing center, MTOC)，通常是中心體 (centrosome)，向細胞周圍呈輻射狀分佈。它們形成細胞的內部骨架，並作為細胞內物質運輸的「軌道」。

二、 細胞骨架的主要功能 (Major Functions of Cytoskeleton)：

1. 維持細胞形態與機械支撐 (Maintaining cell shape and mechanical support)： 細胞骨架提供結構支持，抵抗外力，維持細胞的特定形狀。中間纖維尤其擅長抵抗拉伸。
2. 細胞運動 (Cell motility)： 微絲參與細胞的爬行運動（通過形成偽足），而微管則參與鞭毛 (flagella) 和纖毛 (cilia) 的運動。
3. 細胞內物質運輸 (Intracellular transport)： 微管充當分子馬達（如運動蛋白 kinesin 和 dynein）運輸囊泡、細胞器和其他大分子物質的軌道。
4. 細胞分裂 (Cell division)： 微管形成紡錘體 (spindle apparatus)，負責在細胞分裂過程中將染色體分離到兩個子細胞中。

此題主要探討細胞內吞作用的三種類型及其差異。

核心觀念：
細胞內吞作用 (endocytosis) 是細胞將細胞外物質攝入細胞內的一種主動運輸方式。它涉及細胞膜的內陷形成囊泡，將細胞外物質包裹在其中進入細胞質。根據攝入物質的性質和發生的機制，可分為吞噬作用 (phagocytosis)、胞飲作用 (pinocytosis) 和受體介導的胞內吞作用 (receptor-mediated endocytosis)。

解題過程：

細胞內吞作用的三種類型及其差異：

1. 吞噬作用 (Phagocytosis)：

   • 定義： 意為「細胞吞食」。這是一種攝取較大顆粒（如細菌、病毒、細胞碎片、死亡細胞）的過程。
   • 機制： 細胞膜向外延展形成大的偽足 (pseudopods)，將較大的顆粒完全包圍並融合，形成一個大的吞噬體 (phagosome)。
   • 細胞類型： 主要由特化的細胞執行，如巨噬細胞 (macrophages) 和中性粒細胞 (neutrophils) 等免疫細胞，它們負責清除病原體和細胞殘骸。
   • 特點： 攝取的顆粒體積大，過程高度特異性，通常涉及細胞骨架（肌動蛋白）的重組。

2. 胞飲作用 (Pinocytosis)：

   • 定義： 意為「細胞飲」。這是一種攝取細胞外液體和小分子溶質（如蛋白質、離子、小分子藥物）的過程。
   • 機制： 細胞膜的局部區域不規則地內陷，形成小的囊泡（胞飲小泡，pinocytic vesicle），將細胞外液體和小分子物質吞入細胞。這個過程不依賴於細胞膜上的特定受體。
   • 細胞類型： 幾乎所有細胞都能進行胞飲作用，是細胞獲取細胞外環境中營養物質和水分的普遍方式。
   • 特點： 攝取的物質是細胞外液體和小分子，囊泡較小，過程相對非特異性，是細胞膜持續進行的日常活動。

3. 受體介導的胞內吞作用 (Receptor-mediated endocytosis, RME)：

   • 定義： 這是一種高效率、高特異性的內吞方式，依賴於細胞膜上的特定受體識別並結合細胞外的配體 (ligand)。
   • 機制： 特定配體結合到細胞膜上的相應受體後，受體-配體複合物會聚集在細胞膜上的特定區域，稱為網格蛋白小窩 (clathrin-coated pits)。這些區域隨後內陷並斷裂，形成網格蛋白包被的囊泡 (clathrin-coated vesicle)，將配體及其受體一同攝入細胞。網格蛋白在囊泡進入細胞質後會脫落。

此題要求概述腫瘤細胞的「12大特性」(Hallmarks of Cancer)，這是腫瘤生物學中的經典概念。

核心觀念：
「Hallmarks of Cancer」是指腫瘤細胞為了獲得無限增殖、生存、擴散和轉移等能力，在演化過程中獲得的一系列生理和分子學上的改變。最初由 Hanahan 和 Weinberg 在 2000 年提出，後續又補充了一些「新興特性」(Enabling Characteristics)。這裡的題目是要求簡述「12大特性」，通常是指最初提出的 8 大特性加上後續補充的 4 大特性。

解題過程：
腫瘤細胞的 12 大特性可以分為兩類：核心特性 (Core Hallmarks) 和新興特性 (Enabling Characteristics)。

A. 核心特性 (Core Hallmarks) - 腫瘤細胞獲得這些能力以生存、增殖和擴散：

1. 持續增殖信號 (Sustaining proliferative signaling)： 腫瘤細胞能自主產生生長信號，或對生長信號過度敏感，擺脫了對外源生長因子的依賴，實現無限增殖。
2. 逃避生長抑制 (Evading growth suppressors)： 腫瘤細胞能夠繞過或抑制細胞週期調控中的檢查點，不受細胞生長抑制信號的約束。
3. 抵抗細胞死亡 (Resisting cell death)： 腫瘤細胞能夠逃避凋亡 (apoptosis) 和其他形式的程序性細胞死亡，即使在 DNA 損傷或異常情況下也能存活。
4. 無限複製能力 (Enabling replicative immortality)： 腫瘤細胞能夠繞過細胞分裂次數的限制（如端粒的縮短），獲得無限增殖的能力，這通常與端粒酶 (telomerase) 的活化有關。
5. 誘導血管生成 (Inducing angiogenesis)： 腫瘤細胞能分泌血管生成因子（如 VEGF），刺激新血管的形成，為腫瘤提供生長所需的氧氣和營養，並清除代謝廢物。
6. 活化侵襲和轉移 (Activating invasion and metastasis)： 腫瘤細胞能夠脫離原發腫瘤，侵入周圍組織，進入血管或淋巴系統，並在遠處器官定植形成轉移灶。
7. 基因組不穩定性和突變 (Genome instability and mutation)： 腫瘤細胞的 DNA 修復機制缺陷，導致基因組不穩定，突變率增加，加速了腫瘤的演化。
8. 免疫逃避 (Evading immune destruction)： 腫瘤細胞能夠逃避免疫系統的識別和殺滅，例如通過下調抗原表達、分泌免疫抑制因子或誘導免疫抑制細胞。

B. 新興特性 (Enabling Characteristics) - 這些特性是腫瘤細胞獲得上述核心特性所必需的，雖然不直接參與生長、生存或轉移，但卻是前提條件：

9. 能量代謝重塑 (Deregulating cellular energetics)： 腫瘤細胞會改變其代謝途徑，例如瓦氏效應 (Warburg effect)，即使在有氧條件下也偏好糖酵解，以支持快速增殖。
10. 逃避免疫攻擊 (Avoiding immune destruction)： （此處應為第 8 點的進一步闡述，有時會與第 8 點合併討論，或作為獨立的更細緻的分類。在一些分類中，第 8 點可能更側重於逃避細胞毒性 T 細胞，而此點可能更廣泛地包含其他免疫逃避機制。在 12 特性中，通常第 8 點是「逃避免疫監視」，而此點在部分文獻中會歸類於「新興特性」或「支持特性」）。
    • 註： 根據 Hanahan & Weinberg 2011 年的更新，這 12 個特性是：8 個核心特性 (Sustaining proliferative signaling, Evading growth suppressors, Resisting cell death, Enabling replicative immortality, Inducing angiogenesis, Activating invasion and metastasis, Genome instability and mutation, Evading immune destruction) 和 4 個賦能特性 (Deregulating cellular energetics, Tumor-promoting inflammation, Avoiding immune destruction, Activating invasion and metastasis)。這裡的題目要求 12 大特性，通常會將 8+4 列出。為了符合常見的 12 特性列表，我們將免疫逃避分開列出，並加入炎症。

此題主要探討幹細胞的分類、來源以及其核心特性。

核心觀念：
幹細胞 (Stem cells) 是一類具有自我更新能力 (self-renewal) 和分化潛能 (differentiation potential) 的細胞。根據其來源和分化能力，可分為胚胎幹細胞和成體幹細胞。

解題過程：

一、 幹細胞的分類與來源舉例：

1. 胚胎幹細胞 (Embryonic Stem Cells, ESCs)：

   • 來源： 主要來自發育早期的胚胎。
     • 早期胚胎： 例如，從受精卵發育到囊胚 (blastocyst) 時期的內細胞團 (inner cell mass, ICM)。囊胚是受精卵發育約 5-7 天後形成的結構，內細胞團是未來形成胎兒的細胞群。
     • 生殖細胞系 (Germline cells)： 在某些情況下，也可以從早期生殖細胞系獲得。
   • 分化潛能： 具有高度分化潛能，為全能性 (totipotent) 或多能性 (pluripotent)。全能性幹細胞（如早期受精卵）可以分化成所有類型的細胞，包括胎盤；多能性幹細胞（如囊胚內細胞團）可以分化成構成身體的所有細胞類型，但通常不能形成胎盤。

2. 成體幹細胞 (Adult Stem Cells) / 組織幹細胞 (Tissue-specific Stem Cells)：

   • 來源： 存在於出生後個體的特定組織和器官中，負責組織的修復和再生。
     • 造血幹細胞 (Hematopoietic stem cells, HSCs)： 存在於骨髓 (bone marrow) 中，可以分化成各種血細胞（紅血球、白血球、血小板）。

此題主要探討細胞內囊泡運輸中，COP-I 和 COP-II 系統的目的與差異。

核心觀念：
細胞內囊泡運輸是真核細胞將蛋白質和脂質從細胞的不同隔間（如內質網 ER、高爾基體 Golgi、溶酶體 Lysosome、細胞膜 Plasma membrane）進行運輸和加工的關鍵過程。COP-I (Coat Protein Complex I) 和 COP-II (Coat Protein Complex II) 是兩種重要的蛋白質複合體，它們分別介導了不同方向的囊泡運輸。

解題過程：

一、 COP-I 和 COP-II 囊泡運輸系統的目的：

1. COP-I 囊泡運輸 (Retrograde transport)：

   • 目的： 主要負責逆行性運輸 (retrograde transport)，即將蛋白質和脂質從高爾基體 (Golgi apparatus) 的順式網絡 (cis-Golgi network, CGN) 或中間隔室 (medial Golgi) 運回內質網 (Endoplasmic Reticulum, ER)。
   • 功能：
     • 回收膜蛋白和可溶性蛋白質： 確保在 ER 中合成並需要返回 ER 的蛋白質（如 ER 滯留信號 ER-resident proteins，例如分子伴侶 BiP）能被正確歸位。
     • 維持 ER 和 Golgi 的結構與功能： 確保 ER 丟失的脂質和蛋白質能被補充。
     • 順行性運輸（有限）： 在某些情況下，COP-I 也可以介導順式 Golgi 網絡到中間 Golgi 的運輸。

2. COP-II 囊泡運輸 (Anterograde transport)：

   • 目的： 主要負責順行性運輸 (anterograde transport)，即將蛋白質和脂質從內質網 (ER) 運往高爾基體 (Golgi apparatus) 的順式網絡 (CGN)。
   • 功能：
     • 將新合成的蛋白質和脂質從 ER 轉運到 Golgi： 這是 ER-to-Golgi 運輸途徑的起始步驟。
     • 選擇性包裝： COP-II 囊泡的形成機制確保只有那些正確摺疊、準備從 ER 輸出的蛋白質才被包裝進入囊泡。ER 滯留信號的蛋白質則會被選擇性地排除。

二、 COP-I 和 COP-II 囊泡運輸系統的差異：