113 年 國立成功大學生物醫學工程學系碩士班丙組《生理學》

本題主要在比較不同物質運輸方式的速率差異，重點在於理解載體蛋白（carriers）與離子通道（channels）在運輸效率上的區別，以及單純的孔洞（pores）的特性。

物質運輸的速率受到多種因素影響，包括運輸方式、運輸物質的性質、膜的特性以及細胞內外的濃度梯度等。題目要求比較的是三種主要的跨膜運輸方式：孔洞（pores）、離子通道（channels）和載體蛋白（carriers）的運輸速率。

1. 孔洞 (Pores)：

   • 機制：孔洞通常是膜蛋白形成較大的、非選擇性的通道，允許水分子或一些小分子（如離子）相對自由地通過。它們的選擇性較低，主要由孔洞的大小和電荷決定。
   • 速率：由於其較大的尺寸和較低的選擇性，孔洞的運輸速率通常較快，但對於特定分子的運輸效率不如高度專一的通道或載體。例如，水通道（aquaporins）雖然是專一性的，但其開放程度和通過速率非常高。在沒有專一性水通道的情況下，水分子也能通過脂質雙層或較大的孔洞，但速率較慢。

2. 離子通道 (Channels)：

   • 機制：離子通道是膜蛋白形成的高度選擇性（通常對特定離子）和門控性（gated）的通道。它們可以打開或關閉，控制離子的通透性。
   • 速率：離子通道的運輸速率非常快，可以達到每秒 $10^6$ 到 $10^8$ 個離子。這是因為它們提供了一個水性的路徑，並且由於其高選擇性，能夠快速、有效地運輸目標離子。

腦脊髓液（Cerebrospinal Fluid, CSF）是一種無色透明的液體，存在於腦室、蛛網膜下腔以及脊髓中央管中。它由脈絡叢（choroid plexus）分泌，並最終被吸收回靜脈系統。CSF 的主要功能包括：

1. 緩衝與保護 (Buoyancy and Protection)：

   • 腦部懸浮在 CSF 中，其重量從約 1400 克減輕到約 50 克，大大減輕了腦部受到的重力壓力。
   • 當頭部受到衝擊時，CSF 能夠吸收一部分衝擊力，起到緩衝作用，保護脆弱的腦組織免受損傷。

2. 維持穩定的腦內環境 (Homeostasis)：

   • CSF 參與維持腦內離子和化學物質的穩定環境，為神經元的正常活動提供適宜的條件。
   • 它含有少量的蛋白質、葡萄糖、電解質（如鈉、氯離子）和一些代謝產物。

肌小節（Sarcomere）是骨骼肌收縮的基本單位，位於肌纖維（muscle fiber）內。它是由一系列規則排列的蛋白質絲狀結構組成，這些結構決定了肌肉收縮時的滑動機制。肌小節的結構可以從其標誌性的橫紋（striations）來識別，主要由粗肌絲（thick filaments）和細肌絲（thin filaments）交錯組成。

肌小節的結構組件：

1. Z 線 (Z-lines / Z-discs)：

   • 這是肌小節的邊界，通常由蛋白質（如 α-actinin）構成，呈鋸齒狀。
   • 細肌絲（actin）的一端附著在 Z 線上。

2. I 帶 (I-bands / Isotropic bands)：

   • 位於相鄰肌小節的 Z 線之間，只包含細肌絲。
   • I 帶在肌肉舒張時較寬，在肌肉收縮時變窄。
   • I 帶的中央有一條 M 線。

3. A 帶 (A-bands / Anisotropic bands)：

   • 涵蓋了粗肌絲的整個長度，包括粗肌絲與細肌絲重疊的部分。
   • A 帶的長度在肌肉收縮過程中保持不變。
   • A 帶的中央有一個較淺的 H 區。

4. H 區 (H-zone)：

   • 位於 A 帶的中央，是粗肌絲存在的區域，但在此區域內沒有細肌絲的重疊。
   • H 區在肌肉收縮時變窄，在完全收縮時可能消失。

5. M 線 (M-line)：

   • 位於 H 區的中央（也是 A 帶的中央），由蛋白質（如肌聯蛋白 myomesin）構成。
   • M 線將粗肌絲固定在肌小節的中央。

主要蛋白質絲狀結構：

Viagra®（學名 Sildenafil）是一種用於治療勃起功能障礙（Erectile Dysfunction, ED）的藥物，其作用機制與一氧化氮（Nitric Oxide, NO）信號通路密切相關。

NO 信號通路在勃起中的作用：

1. 神經刺激：性刺激會導致神經末梢釋放 NO。
2. cGMP 生成：NO 擴散到平滑肌細胞，並激活鳥苷酸環化酶（guanylate cyclase）。該酶催化三磷酸鳥苷（GTP）轉化為環磷酸鳥苷（cyclic guanosine monophosphate, cGMP）。
3. 平滑肌舒張：cGMP 是一種第二信使，它會激活蛋白激酶 G（PKG），導致平滑肌細胞內的鈣離子濃度下降，進而引起血管平滑肌舒張。
4. 血流增加：陰莖海綿體的血管平滑肌舒張，使得血液流入海綿體，導致陰莖勃起。

Viagra® 的作用機制：
Viagra® 的主要成分是 Sildenafil，它是一種磷酸二酯酶 V 型（Phosphodiesterase Type 5, PDE5）抑制劑。

肺通氣（Pulmonary Ventilation）是指空氣進出肺部的過程，而minute ventilation（每分通氣量）和 alveolar ventilation（肺泡通氣量）是衡量通氣效率的兩個重要指標，它們的區別在於是否考慮了無效腔（dead space）的體積。

1. 每分通氣量 (Minute Ventilation, $V_E$)：

   • 定義：每分通氣量是指在每一分鐘內，進出肺部的總空氣量。
   • 計算公式：$V_E = f \times V_T$
     • $f$：呼吸頻率 (respiratory rate)，單位為次/分鐘 (breaths/min)。
     • $V_T$：潮氣量 (tidal volume)，指每一次呼吸吸入或呼出的空氣量，單位為毫升/次 (mL/breath)。
   • 涵蓋範圍：$V_E$ 包括了進入肺泡進行氣體交換的空氣量，以及進入解剖無效腔（anatomical dead space）但未參與氣體交換的空氣量。

2. 肺泡通氣量 (Alveolar Ventilation, $V_A$)：

   • 定義：肺泡通氣量是指在每一分鐘內，實際進入肺泡並參與氣體交換的空氣量。
   • 計算公式：$V_A = f \times (V_T - V_D)$
     • $f$：呼吸頻率。
     • $V_T$：潮氣量。
     • $V_D$：無效腔體積 (dead space volume)，包括解剖無效腔（如呼吸道）和生理無效腔（若肺泡部分通氣不良）。