114 年 國立成功大學生物醫學工程學系碩士班丙組《生理學》

本題主要考查 microRNA (miRNA) 的定義、功能與作用機制。miRNA 是一種短的非編碼 RNA 分子，在轉錄後基因調控中扮演重要角色。

miRNA 的定義：
miRNA 是一類長度約 20-25 個核苷酸的單鏈 RNA 分子，由基因組中的特定基因轉錄而來，但本身不轉譯成蛋白質。它們在細胞內通過與目標 mRNA 分子結合，調控基因的表現。

miRNA 的主要功能：
miRNA 的主要功能是作為一種「基因調控因子」，透過與目標 mRNA 的 3' 非轉譯區 (3'-UTR) 結合，來抑制蛋白質的合成。這可以通過兩種主要機制實現：

1. mRNA 降解： 如果 miRNA 與目標 mRNA 的結合是完全互補的，則會啟動 mRNA 的降解途徑，從而降低目標蛋白的產生。
2. 轉譯抑制： 如果 miRNA 與目標 mRNA 的結合是不完全互補的（通常是 miRNA 的 5' 端與 mRNA 的 3'-UTR 結合），則會阻礙核糖體與 mRNA 的結合或移動，進而抑制蛋白質的轉譯過程。

miRNA 在細胞的許多生理過程中都發揮著關鍵作用，包括：

• 細胞分化與發育： 調控細胞的生長、增殖和分化過程。
• 凋亡 (Apoptosis)： 調控細胞程序性死亡。
• 代謝： 影響細胞的代謝途徑。
• 免疫反應： 調控免疫細胞的功能和活化。
• 神經發育： 在神經系統的發育和功能中起作用。
• 疾病發生： miRNA 的異常表現與多種疾病（如癌症、心血管疾病、神經退化性疾病）的發生發展密切相關。

本題主要考查補體系統 (complement system) 在免疫反應中的功能。補體系統是血液中一系列蛋白質的總稱，它們可以被活化，並協同作用來清除病原體和受損細胞。

補體系統的功能：
補體系統在適應性免疫和先天性免疫中都扮演著重要角色，其主要功能包括：

1. 調 opsonization (調理作用)： 補體蛋白 (尤其是 C3b) 可以與病原體表面的抗原結合，形成「調理標記」。吞噬細胞 (如巨噬細胞、嗜中性粒細胞) 表面的補體受體 (如 CR1, CR3) 可以識別這些標記，從而增強吞噬細胞對病原體的吞噬作用。這是一種高效的清除機制。

2. 引起炎症反應 (Inflammation)： 補體活化過程中會產生一些小分子片段，如 C3a 和 C5a，這些分子是強效的過敏毒素 (anaphylatoxins)。它們可以結合到肥大細胞 (mast cells) 和嗜鹼性粒細胞 (basophils) 的受體上，引起這些細胞釋放組織胺等炎症介質，促進血管通透性增加、平滑肌收縮、趨化因子釋放，吸引更多的免疫細胞到感染部位。C5a 還可以直接吸引嗜中性粒細胞和單核細胞。

3. 細胞溶解 (Cell Lysis)： 補體系統的最終產物之一是膜攻擊複合物 (Membrane Attack Complex, MAC)。MAC 是一個由 C5b、C6、C7、C8 和多個 C9 分子組成的蛋白質環，它會插入目標細胞 (如細菌、腫瘤細胞) 的細胞膜上，形成一個離子通道。這個通道會導致細胞內容物外流和水分內滲，最終引起細胞腫脹破裂而死亡。此過程對革蘭氏陰性菌的殺滅尤其有效。

本題主要考查呼吸生理學中的基本概念，包括肺通氣量的幾個重要指標。

1. Tidal Volume (TV, 潮氣容積)：
潮氣容積是指在一次平靜呼吸中，吸入或呼出的氣體量。在平靜呼吸時，成人男性約為 500 毫升 (mL)。
$TV \approx 500 \, mL$
它是衡量肺通氣量的基本單位。

2. Anatomical Dead Space (ADS, 解剖學死腔)：
解剖學死腔是指呼吸道中，從鼻腔/口腔到終末細支氣管之間，氣體可以交換，但沒有進行氣體交換的空間。這些區域包括鼻腔、咽、喉、氣管、支氣管和細支氣管。在這些區域的氣體僅用於氣體傳導，而不參與肺泡氣體交換。
成人解剖學死腔的平均容量約為 150 毫升 (mL)。
$ADS \approx 150 \, mL$
其體積會因個體大小和呼吸深度而異。

3. Alveolar Ventilation ( $V_A$, 肺泡通氣量)：
肺泡通氣量是指在單位時間內，真正進入肺泡並參與氣體交換的氣體量。它考慮了吸入的氣體中，有多少是進入了死腔，有多少是真正到達了肺泡。
計算公式為：
$V_A = (TV - ADS) \times respiratory \, rate$
其中，$TV$ 是潮氣容積，$ADS$ 是解剖學死腔，$respiratory \, rate$ 是呼吸頻率（每分鐘的呼吸次數）。
例如，若 TV = 500 mL，ADS = 150 mL，呼吸頻率 = 12 次/分鐘，則：
$V_A = (500 \, mL - 150 \, mL) \times 12 \, breaths/min = 350 \, mL/breath \times 12 \, breaths/min = 4200 \, mL/min$
肺泡通氣量是決定肺泡氣體成分 (如 $P_{O_2}$ 和 $P_{CO_2}$) 的關鍵因素。

4. Physiological Dead Space ( $V_D$, 生理學死腔)：
生理學死腔是指在呼吸過程中，未參與氣體交換的氣體總量。

本題主要考查腎臟生理學中，腎素-血管張力素-醛固酮系統 (Renin-Angiotensin-Aldosterone System, RAAS) 如何調節鈉離子 ($Na^+$) 和水分 ($H_2O$) 的重吸收。RAAS 是一個重要的體液平衡和血壓調節系統。

RAAS 的啟動：
RAAS 的啟動通常由以下情況觸發：

• 血壓下降： 腎臟的球旁細胞 (juxtaglomerular cells) 感受到血壓下降。
• 血鈉濃度下降： 緻密斑 (macula densa) 感測到腎小管液中 $Na^+$ 濃度下降。
• 交感神經刺激： 腎臟的 $\beta_1$ 腎上腺素受體受到交感神經興奮。

RAAS 的作用機制：

1. 腎素 (Renin) 的釋放： 在上述條件下，腎臟的球旁細胞釋放腎素。
2. 血管張力素原 (Angiotensinogen) 轉化為血管張力素 I (Angiotensin I, Ang I)： 腎素是一種酶，作用於肝臟產生的血管張力素原，將其轉化為 Ang I。
3. 血管張力素 I 轉化為血管張力素 II (Angiotensin II, Ang II)： 血管張力素轉化酶 (Angiotensin-Converting Enzyme, ACE)，主要存在於肺部微血管內皮，將 Ang I 轉化為具有強生理活性的 Ang II。

Ang II 和醛固酮 (Aldosterone) 對 $Na^+$ 和 $H_2O$ 重吸收的調節：

Ang II 具有多種作用，其中與 $Na^+$ 和 $H_2O$ 重吸收直接相關的有：

• 直接作用於腎小管：
  • 近端腎小管 (Proximal Tubule)： Ang II 刺激近端腎小管細胞上的 $Na^+/H^+$ 交換體，促進 $Na^+$ 再吸收。同時，由於 $Na^+$ 的重吸收，也帶動了水和碳酸氫根離子 ($HCO_3^-$) 的重吸收。

本題主要考查肌肉生理學中，骨骼肌收縮的分子機制，特別是肌動蛋白 (actin) 和肌凝蛋白 (myosin) 之間的橫橋循環 (cross-bridge cycle)。

橫橋循環是肌纖維收縮的基礎，它描述了肌凝蛋白的頭部如何與肌動蛋白結合、移動，然後分離的過程，從而產生滑動力量，使肌纖維縮短。這個循環需要 ATP 的參與。

橫橋循環的四個主要步驟：

1. 結合 (Binding / Attachment)：

   • 在靜止狀態下，肌凝蛋白的頭部（橫橋）與肌動蛋白絲上的結合位點（肌凝蛋白結合位點）是分離的。肌動蛋白絲上的這些結合位點被調節蛋白複合物（原肌凝蛋白和肌鈣蛋白）所遮蔽，防止肌凝蛋白結合。
   • 當神經衝動傳遞到肌纖維，引起肌漿網釋放鈣離子 ($Ca^{2+}$) 到肌漿中時，鈣離子會結合到肌鈣蛋白上。
   • 鈣離子結合引起肌鈣蛋白構象改變，進而牽動原肌凝蛋白移動，暴露出肌動蛋白絲上的肌凝蛋白結合位點。
   • 一旦結合位點暴露，處於高能量狀態（已結合 ATP 並水解成 ADP 和 Pi，但 ADP 和 Pi 仍附著在頭部）的肌凝蛋白頭部就可以與肌動蛋白結合，形成「橫橋」。

2. 動力衝程 (Power Stroke)：

   • 一旦橫橋形成，ADP 和 Pi 會從肌凝蛋白頭部釋放。
   • ADP 和 Pi 的釋放使得肌凝蛋白頭部發生構象改變，從高能量狀態轉變為低能量狀態。在這個過程中，肌凝蛋白頭部會向肌節的 M 線方向移動，將肌動蛋白絲拉向 M 線。
   • 這個肌凝蛋白頭部的移動稱為「動力衝程」，它產生了使肌纖維縮短的滑動力量。

3. 鬆開 (Detachment)：

   • 在動力衝程結束後，肌凝蛋白頭部仍然與肌動蛋白結合。
   • 要使橫橋鬆開，需要一個新的 ATP 分子結合到肌凝蛋白頭部上。