108 年 國立成功大學生物醫學工程學系碩士班丙組《生理學》

本題主要在考驗考生對 2018 年諾貝爾生理學或醫學獎得主及其研究內容的了解。該獎項表彰了 James P. Allison 和 Tasuku Honjo 在免疫療法領域的突破性發現。

核心觀念： 免疫檢查點抑制療法 (Immune Checkpoint Inhibition Therapy)

詳解：
James P. Allison 和 Tasuku Honjo 因其在癌症治療領域的開創性研究而共同獲得 2018 年諾貝爾生理學或醫學獎。他們的研究聚焦於人體免疫系統如何識別並攻擊癌細胞，以及如何利用免疫系統來對抗癌症。

1. James P. Allison 的發現：
   Allison 博士的研究主要集中在 T 細胞上的一種蛋白質，稱為細胞毒性 T 淋巴細胞相關抗原-4 (Cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4, CTLA-4)。CTLA-4 是一種免疫檢查點分子，其作用是作為 T 細胞活性的「煞車」。當 CTLA-4 與其配體（如 B7 蛋白）結合時，它會抑制 T 細胞的活化，從而阻止免疫系統對自身細胞或外來抗原產生過度的免疫反應。
   Allison 博士發現，阻斷 CTLA-4 的作用（例如透過開發抗 CTLA-4 抗體）可以解除對 T 細胞的抑制，讓 T 細胞能夠更有效地識別並攻擊癌細胞。這種策略被稱為「免疫檢查點阻斷療法」(Immune Checkpoint Blockade Therapy)，也是一種免疫療法。

本題考查動作電位的產生機制，屬於神經生理學的核心內容。需要詳細闡述離子通道、膜電位變化以及電位依賴性離子通道在動作電位生成中的作用。

核心觀念： 膜電位、離子通道、去極化、再極化、過極化。

詳解：
動作電位 (Action Potential) 是神經元和肌肉細胞等興奮性細胞膜上發生的一種快速、暫時性的電位變化。其產生涉及膜外和膜內離子濃度的差異、膜上離子通道的開闔以及離子跨膜流動。

動作電位的產生過程可以分為以下幾個階段：

1. 靜息電位 (Resting Potential):

   • 在未受刺激時，神經元細胞膜維持一個負電位的狀態，稱為靜息電位，通常在 -70 mV 左右。
   • 這主要歸因於細胞膜對不同離子的通透性不同（對 $K^+$ 的通透性遠大於對 $Na^+$），以及細胞膜內外 $Na^+$ 和 $K^+$ 的濃度梯度（細胞內 $K^+$ 高，$Na^+$ 低；細胞外 $K^+$ 低，$Na^+$ 高）。
   • $Na^+/K^+$ 幫浦 (pump) 持續將 3 個 $Na^+$ 泵出細胞，同時將 2 個 $K^+$ 泵入細胞，維持濃度梯度並消耗 ATP。

2. 閾電位 (Threshold Potential) 與去極化 (Depolarization):

   • 當細胞膜受到足夠強的刺激（例如化學訊號或物理刺激）時，會引起局部膜電位的輕微變化，稱為「激勵電位」(Excitatory Postsynaptic Potential, EPSP) 或「局部電位」(Local Potential)。
   • 如果這些激勵電位疊加起來，使膜電位升高至一個特定的臨界值，稱為「閾電位」(Threshold Potential)，通常約為 -50 至 -55 mV。
   • 一旦達到閾電位，電位依賴性鈉離子通道 (Voltage-gated $Na^+$ channels) 會迅速打開。
   • 由於細胞內 $Na^+$ 濃度遠低於細胞外，且細胞膜內負外正，$Na^+$ 離子會藉由電化學梯度快速湧入細胞內。
   • $Na^+$ 的大量內流導致細胞膜內電位迅速升高，由負轉正，這一過程稱為「去極化」(Depolarization)。膜電位會達到峰值，約為 +30 至 +40 mV。

本題考查聽覺和平衡覺中感受器細胞的機械傳導機制，特別是關於毛細胞 (hair cell) 上的立體纖毛 (stereocilia) 的作用。

核心觀念： 機械敏感離子通道 (mechanosensitive ion channels)、離子流、毛細胞、聽覺、平衡覺。

詳解：
立體纖毛 (stereocilia) 是內耳毛細胞 (hair cells) 頂端的一種特殊的細胞結構，它們在聽覺和平衡覺的機械傳導過程中扮演著至關重要的角色。毛細胞是聽覺和平衡覺的感受器細胞，它們將機械能轉化為電化學訊號，然後傳遞給神經系統。

立體纖毛的作用機制：

1. 結構與連接：

   • 立體纖毛並非真正的纖毛，而是由肌動蛋白 (actin) 構成的微絨毛。它們排列成規則的梯度，從基部到尖端逐漸升高。
   • 相鄰的立體纖毛之間通過極細的纖維狀結構連接，稱為「尖端連接」(tip links)。這些尖端連接對於機械傳導至關重要。

2. 機械敏感離子通道：

   • 在每個立體纖毛的尖端附近，都嵌入了特殊的機械敏感離子通道 (mechanosensitive ion channels)。這些通道的開閉受到立體纖毛彎曲的物理力所調控。
   • 尖端連接被認為是直接連接或間接調控這些機械敏感離子通道的門控結構。

3. 機械傳導過程：

   • 刺激與彎曲： 當聲波引起耳蝸液體流動，或頭部運動引起內淋巴移動時，毛細胞頂端的立體纖毛會受到流體動力的推動而發生彎曲。
   • 尖端連接的張力改變： 立體纖毛的彎曲會改變尖端連接的張力。

本題考查骨骼肌收縮的基本機制，即「滑行纖維學說」(Sliding Filament Theory)。這是肌肉生理學中最重要且基礎的概念之一。

核心觀念： 肌原纖維 (myofibril)、肌動蛋白絲 (actin filament)、肌凝蛋白絲 (myosin filament)、肌節 (sarcomere)、ATP、鈣離子 ($Ca^{2+}$)、橫橋循環 (cross-bridge cycle)。

詳解：
滑行纖維學說 (Sliding Filament Theory) 描述了骨骼肌收縮的分子機制，該學說指出，肌肉收縮並非由於肌動蛋白和肌凝蛋白絲的縮短，而是由於這兩種蛋白質絲在肌節內相對滑動。

主要組成部分：

1. 肌節 (Sarcomere): 骨骼肌收縮的基本單位。肌節是肌原纖維 (myofibril) 中兩個 Z 盤 (Z-lines) 之間的區域。
2. 粗絲 (Thick Filaments): 主要由肌凝蛋白 (myosin) 組成。肌凝蛋白分子具有球狀的頭部，可以與肌動蛋白結合並產生力。
3. 細絲 (Thin Filaments): 主要由肌動蛋白 (actin) 組成，並與調節蛋白——肌鈣蛋白 (troponin) 和原肌球蛋白 (tropomyosin) 結合。

收縮的分子機制（橫橋循環）：

肌肉收縮的過程是一個反覆的「橫橋循環」(cross-bridge cycle)，這個循環需要 ATP 和鈣離子的參與。

1. 靜息狀態 (Relaxed State):

   • 在靜息狀態下，原肌球蛋白 (tropomyosin) 覆蓋著肌動蛋白 (actin) 上的肌凝蛋白結合位點，阻止了肌凝蛋白頭部與肌動蛋白的結合。
   • 細胞質中的鈣離子濃度較低。

2. 訊號傳導與鈣離子釋放：

   • 神經衝動傳遞到肌肉細胞膜，通過 T tubule 系統觸發肌漿網 (sarcoplasmic reticulum, SR) 釋放儲存的鈣離子 ($Ca^{2+}$) 到肌漿 (sarcoplasm)。
   • 細胞質中的 $Ca^{2+}$ 濃度迅速升高。

3. 肌動蛋白結合位點暴露：

   • 鈣離子與肌鈣蛋白 (troponin) 的 C 亞基結合。
   • 這種結合導致肌鈣蛋白的構象改變，進而拉動原肌球蛋白，使其從肌動蛋白的肌凝蛋白結合位點上移開。

本題考查心臟瓣膜在心臟週期中的關閉及其引起的聲音，屬於心臟生理學的重要內容。

核心觀念： 心臟瓣膜 (heart valves)、心臟週期 (cardiac cycle)、收縮期 (systole)、舒張期 (diastole)、房室瓣 (atrioventricular valves)、半月瓣 (semilunar valves)、壓力變化。

詳解：
心臟的「心音」(heart sounds) 是心臟瓣膜關閉時，由於瓣膜及其相關結構（如心室壁、血液）的振動而產生的聲音。正常情況下，心臟有兩個主要的心音：第一心音 (S1) 和第二心音 (S2)。

1. 第一心音 (S1) - 「SAD」或「LUB」：

   • 發生時間： 發生在心臟週期的收縮早期，即心室收縮 (ventricular systole) 開始時。
   • 機制： 當心室收縮，心室內的壓力開始升高，超過左心房和右心房的壓力時，房室瓣（二尖瓣/僧帽瓣和三尖瓣）會被關閉。
   • 瓣膜關閉：
     • 左心房與左心室之間的二尖瓣 (mitral valve)。
     • 右心房與右心室之間的三尖瓣 (tricuspid valve)。
   • 聲音產生： 房室瓣的關閉，以及隨後心室壁的振動和血液在封閉的心室內的晃動，共同產生了低沉、較長的「S1」聲音。
   • 關鍵因素： S1 的發生是心室壓力超過房室壓力，導致房室瓣被動關閉。

2. 第二心音 (S2) - 「DUP」：

   • 發生時間： 發生在心臟週期的舒張早期，即心室舒張 (ventricular diastole) 開始時。
   • 機制： 當心室舒張，心室內的壓力開始下降，低於主動脈 (aorta) 和肺動脈 (pulmonary artery) 中的壓力時，半月瓣（主動脈瓣和肺動脈瓣）會被關閉。

本題考查消化系統中胃酸分泌的機制，特別是區分揮發性酸 (volatile acid) 和非揮發性酸 (nonvolatile acid) 的概念及其分泌的生理意義。

核心觀念： 胃酸 (gastric acid)、鹽酸 (hydrochloric acid, HCl)、揮發性酸、非揮發性酸、胃壁細胞 (parietal cells)、碳酸酐酶 (carbonic anhydrase)、離子幫浦。

詳解：
胃酸分泌是消化系統的重要生理功能，主要由胃壁細胞 (parietal cells) 分泌的鹽酸 (HCl) 構成。胃酸分泌的機制涉及揮發性酸和非揮發性酸的概念。

1. 揮發性酸 (Volatile Acid) - 鹽酸 (HCl)：
   • 定義： 揮發性酸是指在生理條件下，可以通過氣體形式（如 $CO_2$）從體內排出或在體內轉換的酸。鹽酸 (HCl) 在胃酸分泌中的主要成分，雖然 HCl 本身是強酸，但其「揮發性」主要體現在其組成部分 $CO_2$ 的代謝和運輸上。
   • 分泌機制： 胃壁細胞分泌 HCl 的過程是一個複雜的離子轉運過程：
     a. $CO_2$ 和 $H_2O$ 結合： 胃壁細胞內，二氧化碳 ($CO_2$) 和水 ($H_2O$) 在碳酸酐酶 (carbonic anhydrase) 的催化下，反應生成碳酸 ($H_2CO_3$)。
     $CO_2 + H_2O \xrightarrow{\text{Carbonic anhydrase}} H_2CO_3$
     b. 碳酸解離： 碳酸 ($H_2CO_3$) 迅速解離成氫離子 ($H^+$) 和碳酸氫根離子 ($HCO_3^-$)。
     $H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-$
     c. $H^+$ 的分泌： 氫離子 ($H^+$) 被質子幫浦 (proton pump)，即 $H^+/K^+$ ATP酶，通過主動運輸泵入胃腔。這個幫浦是 HCl 分泌的關鍵。
     d. $K^+$ 的回收： 與此同時，鉀離子 ($K^+$) 會進入細胞，以維持幫浦的離子交換。

本題考查人體重要的體液調節系統——腎素-血管張力素-醛固酮系統 (RAAS)，這是考驗內分泌學和循環生理學知識的重點。

核心觀念： 腎素 (renin)、血管張力素原 (angiotensinogen)、血管張力素 I (angiotensin I, Ang I)、血管張力素轉換酶 (angiotensin-converting enzyme, ACE)、血管張力素 II (angiotensin II, Ang II)、醛固酮 (aldosterone)、血壓調節、體液平衡。

詳解：
腎素-血管張力素-醛固酮系統 (RAAS) 是一個複雜的激素級聯反應，它在調節血壓、體液平衡和電解質平衡中起著關鍵作用。當身體檢測到血壓下降、血容量減少或血鈉濃度降低時，RAAS 會被激活。

RAAS 的啟動與級聯反應：

1. 腎素 (Renin) 的釋放：

   • 觸發因素： RAAS 的啟動點是腎臟的腎小球旁細胞 (juxtaglomerular cells) 釋放酶——腎素。觸發因素包括：
     • 血壓下降： 腎動脈壓降低，導致腎小球入球小動脈的壓力感受器感知到血壓下降。
     • 腎小球濾液鈉離子濃度降低： 遠曲小管的緻密斑 (macula densa) 檢測到濾液中 $Na^+$ 濃度下降，會發出信號刺激腎小球旁細胞釋放腎素。
     • 交感神經興奮： 腎臟的 $\beta_1$ 腎上腺素受體受到交感神經刺激，也會促進腎素釋放。
   • 腎素的作用： 腎素是一種酶，它作用於肝臟合成的蛋白質——血管張力素原 (angiotensinogen)。

2. 血管張力素原 (Angiotensinogen) 轉化為血管張力素 I (Angiotensin I, Ang I)：

   • 腎素催化血管張力素原的特定肽鍵斷裂，使其轉化為一種活性較低的肽——血管張力素 I (Ang I)。

3. 血管張力素 I (Ang I) 轉化為血管張力素 II (Angiotensin II, Ang II)：

   • 血管張力素轉換酶 (ACE)： Ang I 在循環中運輸，並在肺部（以及其他組織）的內皮細胞上，被一種關鍵的酶——血管張力素轉換酶 (ACE) ——催化。
   • Ang II 的形成： ACE 將 Ang I 的 C 端兩個胺基酸切除，生成一種高度活性的肽——血管張力素 II (Ang II)。

血管張力素 II (Ang II) 的主要作用：
Ang II 是 RAAS 中最重要的效應分子，它通過多種途徑產生強大的生理效應，以提高血壓和維持體液平衡：

1. 強烈的血管收縮作用：
   • Ang II 直接作用於全身動脈和靜脈的平滑肌，引起強烈的血管收縮（尤其是小動脈），這直接增加了總外周血管阻力

本題為一個綜合題，要求簡要解釋三個獨立的生理學名詞。每個名詞的解釋需要準確、簡潔，並點出其核心生理學意義。

核心觀念： 呼吸生理學、循環生理學、神經生理學。

詳解：

a. 嬰兒呼吸窘迫症候群 (Infant Respiratory Distress Syndrome, IRDS)

• 核心觀念： 肺泡表面活性物質 (pulmonary surfactant) 的缺乏、肺泡塌陷、新生兒呼吸窘迫。
• 解釋： 嬰兒呼吸窘迫症候群 (IRDS)，又稱新生兒呼吸窘迫症候群 (NRDS)，是早產兒常見的一種嚴重呼吸系統疾病。其主要原因是肺部肺泡細胞未能產生足夠的肺泡表面活性物質 (pulmonary surfactant)。表面活性物質是一種由磷脂和蛋白質組成的複雜混合物，它能夠降低肺泡的表面張力，防止肺泡在呼氣時塌陷，並維持肺泡的穩定性。缺乏表面活性物質會導致肺泡內表面張力過高，引起大量肺泡塌陷，肺順應性降低，氣體交換嚴重受損，造成低氧血症和二氧化碳滯留，進而引發呼吸窘迫。
• 關鍵點： 表面活性物質缺乏、肺泡塌陷、早產兒。
• 【答案】 嬰兒呼吸窘迫症候群 (IRDS) 是早產兒因肺泡表面活性物質 (pulmonary surfactant) 生成不足，導致肺泡表面張力過高、肺泡塌陷、氣體交換障礙而引起的嚴重呼吸窘迫。

b. 有孔微血管 (Fenestrated Capillary)

• 核心觀念： 微血管的結構特點、滲透性、組織交換、特定器官的功能。
• 解釋： 有孔微血管 (Fenestrated Capillary) 是一種特殊類型的微血管，其內皮細胞上具有許多小孔（fenestrations）。這些孔洞通常被一層極薄的隔膜（通常由醣蛋白組成）覆蓋，但仍然允許較大的分子和離子通過。有孔微血管的結構特點使其具有比連續微血管 (continuous capillary) 更高的滲透性。