111 年 國立成功大學生物醫學工程學系碩士班丙組《生物學》

此題主要探討細胞內訊號傳遞的兩種重要機制：蛋白質磷酸化 (protein phosphorylation) 和 GTP 結合蛋白 (GTP-binding proteins) 的作用。

蛋白質磷酸化 (Protein Phosphorylation)

蛋白質磷酸化是細胞內最普遍的轉譯後修飾 (post-translational modification) 之一，透過在蛋白質特定胺基酸殘基（如絲胺酸 Serine, 蘇胺酸 Threonine, 或酪胺酸 Tyrosine）上加入磷酸基團 ($PO_4^{3-}$)，來調控蛋白質的活性、結構、定位或與其他分子的交互作用。

1. 調控蛋白質活性: 磷酸化可以活化或抑制蛋白質的酵素活性。例如，許多激酶 (kinases) 會被磷酸化而活化，進而磷酸化下游的蛋白質。
2. 改變蛋白質構象: 磷酸基團帶有負電荷，其加入會顯著改變蛋白質的局部電荷分佈，導致蛋白質結構發生變化，進而影響其功能。
3. 建立或破壞交互作用位點: 磷酸化區域可以作為其他蛋白質（如 SH2 結構域）的識別位點，促進蛋白質複合體的形成；反之，磷酸化也可能阻礙蛋白質與其配體的結合。
4. 調控蛋白質定位: 磷酸化可以影響蛋白質在細胞內的定位，例如將蛋白質從細胞質轉移到細胞核。
5. 參與訊號放大: 磷酸化級聯 (phosphorylation cascades) 是細胞訊號傳遞中的常見模式，一個激酶可以磷酸化多個下游分子，從而放大初始訊號。

GTP 結合蛋白 (GTP-binding Proteins, GTPases)

GTP 結合蛋白是一類能夠水解 GTP (Guanosine Triphosphate) 為 GDP (Guanosine Diphosphate) 的蛋白質，它們像一個分子開關，在 GTP 結合狀態 (on) 和 GDP 結合狀態 (off) 之間循環，來調控細胞內的多種生理過程。

1. GTP 結合狀態 (Active): 當 GTP 結合到 GTPase 上時，蛋白質處於活化狀態，能夠執行其下游功能。
2. GDP 結合狀態 (Inactive): 當 GTP 被水解成 GDP 後，蛋白質進入失活狀態。

此題主要探討副甲狀腺素 (Parathyroid Hormone, PTH) 如何在血漿鈣離子濃度降低時，透過多種機制將其恢復至正常範圍。PTH 是調節鈣和磷酸鹽代謝的最重要荷爾蒙。

PTH 主要作用於三個靶器官：骨骼、腎臟和腸道（間接）。

1. 作用於腎臟 (Kidneys)

PTH 在腎臟主要有兩個關鍵作用：

• 增加遠曲小管和集合管對鈣離子的再吸收 (Increased Ca$^{2+}$ Reabsorption in Distal Tubules and Collecting Ducts):

  • PTH 結合到腎小管細胞表面的 PTH 受體 (PTH1R)。
  • 受體活化後，透過 G 蛋白偶聯受體途徑，下游的腺苷酸環化酶 (adenylate cyclase) 產生第二信使 cAMP。
  • cAMP 啟動一系列細胞內反應，包括增加細胞膜上鈣離子通道 (TRPV5) 的數量和活性，以及增加細胞膜上鈉-鈣交換蛋白 (NCX) 和質子-鈣交換蛋白 (H⁺/Ca²⁺ exchanger) 的活性。
  • 這些機制共同促進從腎小管液中吸收更多的鈣離子，進入腎小管細胞，然後再通過細胞基底側的鈣離子幫浦 (PMCA) 和鈉-鈣交換蛋白 (NCX) 進入血液。
  • 結果是減少尿液中鈣離子的排泄，從而提高血漿鈣離子濃度。

• 抑制磷酸根離子在近曲小管的再吸收 (Inhibition of Phosphate Reabsorption in Proximal Tubules):

  • PTH 也會透過 cAMP 途徑，抑制腎小管細胞（主要是近曲小管）上鈉-磷酸共轉運蛋白 (Na⁺/Pi cotransporter, NPT2) 的活性和數量。
  • 這導致更多的磷酸根離子被排泄到尿液中，減少其在血液中的濃度。
  • 抑制血漿磷酸根濃度對於提高血漿鈣離子濃度至關重要，因為鈣離子和磷酸根離子之間存在溶解度平衡；如果磷酸根濃度很高，鈣離子就會與磷酸根結合形成不溶性的磷酸鈣沉澱，反而降低血漿游離鈣離子濃度。

2. 作用於骨骼 (Bone)

PTH 在骨骼的作用較為複雜，具有雙重性，但其主要目標是動員骨骼中的鈣離子：

• 促進骨吸收 (Stimulation of Bone Resorption):
  • PTH 結合到骨細胞（成骨細胞 Osteoblasts 和破骨細胞 Osteoclasts）上的 PTH 受體 (PTH1R)。

補體系統 (Complement System) 是一系列存在於血清中的蛋白質，它們是先天免疫 (innate immunity) 的重要組成部分，但也與適應性免疫 (adaptive immunity) 協同作用。補體系統一旦被活化，會引發一系列的級聯反應，執行多種免疫功能。

補體系統有三條主要的活化途徑：

1. 傳統途徑 (Classical Pathway): 主要由抗體 (IgM 或 IgG) 結合到病原體表面後啟動。
2. 替代途徑 (Alternative Pathway): 可直接由病原體表面的分子（如 LPS）啟動，不需抗體。
3. 凝集素途徑 (Lectin Pathway): 由血清中的甘露糖結合凝集素 (MBL) 或其他凝集素結合到病原體表面的醣類結構後啟動。

儘管活化途徑不同，但最終都會匯聚到一個共同的終端階段，形成 C3 轉化酶 (C3 convertase) 和 C5 轉化酶 (C5 convertase)，並引發以下主要功能：

1. 標記化 (Opsonization)

• 機制: 補體途徑中的關鍵步驟是 C3 的裂解，生成 C3a 和 C3b。C3b 可以共價結合到病原體表面。
• 功能: 結合了 C3b 的病原體表面會被免疫細胞（如巨噬細胞 Macrophages 和嗜中性球 Neutrophils）上的補體受體 (CR1, CR3, CR4) 識別。這些受體能增強吞噬細胞對病原體的吞噬能力，從而清除病原體。這個過程稱為標記化，C3b 就像一個標記，讓免疫細胞更容易「看見」並吞噬病原體。

2. 誘發炎症反應 (Inflammation)

• 機制: 補體途徑裂解過程中產生的片段，如 C3a、C4a 和 C5a，被稱為補體調節素 (anaphylatoxins)。
• 功能:

此題探討尿液儲存 (filling) 和排尿 (micturition) 過程中涉及的主要神經和肌肉及其功能。這是一個複雜的協調過程，由自主神經系統 (autonomic nervous system) 和體神經系統 (somatic nervous system) 共同控制。

1. 尿液儲存階段 (Urine Filling Phase)

在尿液儲存期間，膀胱需要放鬆以容納增加的尿液量，同時尿道括約肌需要收縮以防止尿液漏出。

• 主要肌肉:

  • 膀胱逼尿肌 (Detrusor muscle): 這是膀胱壁的主要肌肉層，由平滑肌組成。在儲尿期間，逼尿肌必須放鬆。
  • 尿道內括約肌 (Internal urethral sphincter): 位於膀胱頸部，由平滑肌組成。在儲尿期間，它必須持續收縮，以防止尿液在無意識的情況下漏出。
  • 尿道外括約肌 (External urethral sphincter): 位於骨盆底，由骨骼肌組成。在儲尿期間，它也必須持續收縮，以提供額外的控制，防止漏尿。

• 主要神經:

  • 交感神經系統 (Sympathetic Nervous System):
    • 纖維: 主要來自 T11-L2 脊髓節段，通過腹下神經 (hypogastric nerve) 傳遞。
    • 功能: 交感神經在儲尿期間起主導作用。它會刺激逼尿肌放鬆（通過 $\beta_3$-腎上腺素受體）並促進尿道內括約肌收縮（通過 $\alpha_1$-腎上腺素受體）。
  • 體神經系統 (Somatic Nervous System):
    • 纖維: 主要通過陰部神經 (pudendal nerve) 傳遞。
    • 功能: 體神經支配尿道外括約肌，使其在儲尿期間保持收縮狀態，提供自主控制。
  • 感覺神經 (Sensory Nerves):
    • 纖維: 主要通過盆神經 (pelvic nerves) 傳遞，感覺來自膀胱壁的伸展感受器 (stretch receptors)。
    • 功能: 當膀胱充盈時，這些神經將訊號傳遞到中樞神經系統，啟動儲尿反射。

2. 排尿階段 (Micturition Phase)

排尿是一個需要膀胱收縮、尿道括約肌放鬆的協調過程，由自主神經和體神經共同調節。

此題要求比較膜電位變異 (graded potentials) 和動作電位 (action potentials) 的差異。兩者都是神經元或肌肉細胞膜上的電位變化，但它們的特性、產生機制和功能有顯著不同。

此題探討肌肉收縮的基本單位——肌動蛋白 (actin) 和肌凝蛋白 (myosin) 之間的交互作用，即橫橋循環 (cross-bridge cycle)。這個循環是肌肉產生張力並收縮的基礎。

橫橋循環主要涉及肌凝蛋白的頭部 (myosin head) 與肌動蛋白纖維的結合、滑動和分離。這個過程需要 ATP (三磷酸腺苷) 的參與。

以下是橫橋循環的四個主要步驟：

步驟 1: 結合 (Binding of Myosin to Actin)

• 狀態: 在這個階段，肌凝蛋白的頭部處於一個高能量狀態，但尚未與肌動蛋白結合。肌動蛋白上與肌凝蛋白結合的位點被抑制蛋白（阻礙蛋白，如 tropo-myosin）阻擋。
• 觸發: 當肌肉細胞接收到神經訊號，引發肌漿網 (sarcoplasmic reticulum) 釋放鈣離子 ($Ca^{2+}$) 到肌漿 (sarcoplasm) 中。
• 作用: 鈣離子會結合到肌動蛋白絲上的調節蛋白——鈣調蛋白 (troponin) 上。鈣離子-鈣調蛋白複合物會引起構象變化，將抑制蛋白從肌動蛋白的結合位點移開。
• 結果: 肌凝蛋白的頭部現在可以與肌動蛋白絲上的活性結合位點結合，形成一個橫橋 (cross-bridge)。

步驟 2: 能量釋放與滑動 (Power Stroke)

• 狀態: 一旦橫橋形成，先前儲存在肌凝蛋白頭部中的能量（來自 ATP 水解產生的 ADP 和 Pi）被釋放。
• 作用: 釋放的能量驅動肌凝蛋白頭部發生一個構象變化，稱為動力衝程 (power stroke)。在這個過程中，肌凝蛋白頭部從一個高能量、伸展的狀態彎曲成一個低能量、收縮的狀態。
• 結果: 這個滑動動作會將肌動蛋白絲向肌凝蛋白絲的 M 線 (M-line) 方向拉動。這就是肌肉收縮時，肌小節 (sarcomere) 長度縮短、肌纖維產生張力的主要原因。