115 年 國立成功大學生物醫學工程學系碩士班丁組《生理學》

補體系統（Complement system）是免疫系統中一個重要的部分，由一系列血漿蛋白組成，可被活化以幫助清除病原體和受損細胞。其主要功能包括：

1. 調理作用（Opsonization）：補體蛋白（特別是 C3b）可以附著在病原體表面，使其更容易被吞噬細胞（如巨噬細胞、嗜中性球）識別並吞噬。這就像在病原體上貼上「請吞噬」的標籤。
2. 趨化作用（Chemotaxis）：補體活化過程中產生的某些片段（如 C3a、C5a）具有趨化性，能夠吸引免疫細胞（如嗜中性球）前往感染或發炎部位，增強局部免疫反應。

自體免疫疾病（Autoimmune diseases）是指免疫系統錯誤地攻擊自身組織而引起的疾病。其發生的原因通常是多因素的，以下是四種可能的促成因素：

1. 遺傳易感性（Genetic Predisposition）：某些基因，特別是人類白血球抗原（Human Leukocyte Antigen, HLA）基因群，與自體免疫疾病的發生密切相關。這些基因編碼的分子在免疫系統識別「自我」與「非我」的過程中扮演關鍵角色，特定變異可能導致免疫系統無法有效區分自身抗原。
2. 環境因素觸發（Environmental Triggers）：
   • 感染（Infections）：某些病原體（細菌、病毒）的抗原結構可能與人體自身組織的抗原相似（分子模擬，molecular mimicry），導致感染時產生的免疫反應也攻擊自身組織。此外，感染也可能引起組織損傷，釋放平時隱藏的自身抗原，引發免疫反應。

氣喘（Asthma）、肺氣腫（Emphysema）和慢性支氣管炎（Chronic bronchitis）是三種常見的慢性呼吸道疾病，它們都屬於慢性阻塞性肺病（Chronic Obstructive Pulmonary Disease, COPD）的範疇，但有各自的病因和特點。

1. 氣喘 (Asthma)
氣喘是一種以氣道慢性發炎為主的疾病，其主要原因與以下幾點有關：

• 過敏原（Allergens）：最常見的誘因，如塵螨、花粉、寵物皮屑、黴菌等，引發過敏反應。
• 遺傳因素（Genetic Factors）：有氣喘家族史的人更容易患病。
• 環境刺激物（Environmental Irritants）：如二手菸、空氣污染、強烈氣味（香水、清潔劑）、冷空氣、運動等，都可能誘發氣喘發作。
• 呼吸道感染（Respiratory Infections）：特別是病毒感染，可能導致或加劇氣喘。
• 其他因素：如胃食道逆流、肥胖、某些藥物（如阿斯匹靈）等。
  氣喘的主要病理特徵是氣道高反應性（airway hyperresponsiveness），導致氣道平滑肌痙攣、黏液分泌過多、以及氣道壁水腫，造成可逆性的氣流阻塞。

2. 肺氣腫 (Emphysema)
肺氣腫是 COPD 的一種主要病理形態，其核心特徵是肺泡結構的破壞和永久性擴張。

• 吸菸（Smoking）：這是導致肺氣腫最主要且最常見的原因。香菸中的化學物質會誘導肺部發炎，並活化肺泡內的蛋白酶（如彈性蛋白酶，elastase），這些蛋白酶會破壞肺泡壁的彈性纖維和結締組織，導致肺泡失去彈性並塌陷。

在高海拔地區，由於大氣壓力降低，氧氣分壓（partial pressure of oxygen, $P_{O_2}$）也隨之降低，導致身體缺氧（hypoxia）。人體為了適應這種環境，會啟動一系列生理調節機制，這個過程稱為高海拔適應（acclimatization）。主要機制包括：

1. 呼吸系統的反應（Respiratory Adjustments）：

   • 過度換氣（Hyperventilation）：這是最快速且最顯著的反應。身體會增加呼吸頻率和潮氣量，以吸入更多空氣，提高肺泡的氧氣分壓，進而增加動脈血的氧含量。這也導致二氧化碳分壓（$P_{CO_2}$）下降，引起呼吸性鹼中毒。
   • 長期呼吸系統適應：經過數週後，身體會對這種過度換氣產生適應，呼吸頻率可能略有下降，但仍高於海平面水平。

2. 血液系統的反應（Hematological Adjustments）：

   • 紅血球生成增加（Increased Erythropoiesis）：缺氧會刺激腎臟釋放紅血球生成素（erythropoietin, EPO）。EPO 作用於骨髓，促進紅血球的生成和成熟。紅血球數量的增加意味著血液攜帶氧氣的能力增強。這個過程需要數天到數週才能顯著體現。
   • 血紅素親和力改變（Changes in Hemoglobin Affinity）：雖然初期血紅素對氧氣的親和力可能因呼吸性鹼中毒而略微降低（有利於氧氣釋放至組織），但隨著紅血球生成增加和代謝產物（如 2,3-DPG）水平的升高，血紅素對氧氣的親和力會適當調整，以平衡氧氣的攝取和釋放。

腎絲球過濾率（Glomerular Filtration Rate, GFR）是指單位時間內，腎絲球濾過的血漿量，是評估腎功能的重要指標。GFR 主要受到三個力的平衡影響：腎絲球毛細血管壓力（glomerular capillary hydrostatic pressure, $P_G$）、血漿膠體滲透壓（plasma colloid osmotic pressure, $\pi_{GC}$）和腎絲球囊壓力（Bowman's capsule hydrostatic pressure, $P_B$）。其淨過濾壓（net filtration pressure, NFP）公式為：
$NFP = P_G - \pi_{GC} - P_B$
而 GFR 與 NFP 和過濾係數（filtration coefficient, $K_f$）有關：
$GFR = K_f \times NFP$
其中 $K_f$ 取決於腎絲球毛細血管的表面積和通透性。

腎絲球毛細血管壓力 ($P_G$) 是最容易受到入球小動脈（afferent arteriole, AA）和出球小動脈（efferent arteriole, EA）收縮或舒張影響的因素。

1. 入球小動脈 (Afferent Arteriole, AA) 的變化：

• 收縮 (Constriction)：

  • 當 AA 收縮時，進入腎絲球的血流量減少。
  • 這會導致腎絲球毛細血管壓力 ($P_G$) 下降。
  • 血漿膠體滲透壓 ($\pi_{GC}$) 可能會略微升高，因為流經腎絲球的血漿量減少，蛋白質濃度相對升高。
  • 因此，淨過濾壓 (NFP) 下降，導致 GFR 下降。

• 舒張 (Dilation)：

  • 當 AA 舒張時，進入腎絲球的血流量增加。
  • 這會導致腎絲球毛細血管壓力 ($P_G$) 上升。
  • 血漿膠體滲透壓 ($\pi_{GC}$) 可能會略微下降。
  • 因此，淨過濾壓 (NFP) 上升，導致 GFR 上升。

2. 出球小動脈 (Efferent Arteriole, EA) 的變化：

• 收縮 (Constriction)：
  • 當 EA 收縮時，血液離開腎絲球的速度減慢，但進入腎絲球的血流量不變（或略有減少）。
  • 這會導致血液在腎絲球內滯留，進而升高腎絲球毛細血管壓力 ($P_G$)。
  • 同時，流經腎絲球的血漿量減少，蛋白質濃度相對升高，導致血漿膠體滲透壓 ($\pi_{GC}$) 上升。
  • 儘管 $P_G$ 上升，但 $\pi_{GC}$ 的顯著升高也會對 NFP 產生抑制作用。

排尿（Micturition）是一個複雜的神經肌肉協調過程，涉及膀胱壁的逼尿肌（detrusor muscle）、膀胱頸部的內括約肌（internal urethral sphincter）和尿道外括約肌（external urethral sphincter）的協同作用。

1. 膀胱充盈期 (Bladder Filling Phase)：
在此階段，膀胱逐漸儲存尿液，同時需要防止尿液漏出。

• 逼尿肌 (Detrusor Muscle)：
  • 狀態：放鬆（Relaxation）。
  • 原因：為了容納增加的尿液量，膀胱壁的平滑肌必須舒張。這主要由交感神經系統（sympathetic nervous system）和體神經系統（somatic nervous system）的抑制作用介導。交感神經（主要是 T10-L2 節段）釋放去甲腎上腺素，作用於逼尿肌上的 $\beta_3$ 受體，引起舒張。同時，體神經對外括約肌的持續興奮也間接抑制逼尿肌。
• 內尿道括約肌 (Internal Urethral Sphincter)：
  • 狀態：收縮（Contraction）。
  • 原因：內括約肌由平滑肌組成，不受自主意識控制。它在充盈期處於持續收縮狀態，緊閉尿道口，防止尿液漏出。這主要由交感神經系統（主要是 T10-L2 節段）支配，釋放去甲腎上腺素作用於 $\alpha_1$ 受體，引起收縮。
• 外尿道括約肌 (External Urethral Sphincter)：
  • 狀態：收縮（Contraction）。
  • 原因：外括約肌由骨骼肌組成，受體神經系統（somatic nervous system）的控制（主要是陰部神經 pudendal nerve，S2-S4 節段）。在膀胱充盈時，其處於持續的、有意識的收縮狀態，以確保尿道閉鎖，防止尿液排出。

哺乳（Breast-feeding）過程中，泌乳素（Prolactin）和催產素（Oxytocin）的分泌受到精密的調節，以確保乳汁的產生和釋放。

1. 泌乳素 (Prolactin) 的分泌調節：
泌乳素由腦下垂體前葉（anterior pituitary）分泌，主要作用是刺激乳腺上皮細胞合成和分泌乳汁。

• 主要調節機制：負回饋和刺激
  • 下視丘的抑制作用：正常情況下，下視丘分泌的多巴胺（dopamine）會抑制泌乳素的分泌。
  • 哺乳刺激：嬰兒吸吮乳頭的動作會產生神經衝動，傳遞至下視丘。這些衝動會抑制下視丘釋放多巴胺，同時也可能刺激下視丘釋放泌乳素釋放因子（Prolactin-Releasing Factor, PRF，其確切性質仍在研究中，可能包括 TRH 和其他胜肽）。
  • 血中泌乳素水平：泌乳素本身也會對下視丘和腦下垂體產生負回饋作用。
  • 總結：在哺乳期間，嬰兒的吸吮解除下視丘對泌乳素的多巴胺抑制，並可能增加 PRF 的釋放，導致腦下垂體前葉釋放大量泌乳素。泌乳素隨後作用於乳腺，促進乳汁合成。哺乳結束後，多巴胺的分泌恢復，泌乳素水平下降。

月經週期（Menstrual cycle）是一個約 28 天的生理過程，涉及卵巢和子宮內膜的週期性變化，其目的是為潛在的懷孕做準備。這個週期主要由下視丘-腦下垂體-卵巢軸（Hypothalamic-Pituitary-Ovarian Axis, HPO Axis）的激素調控。

1. 卵巢的變化 (Ovarian Changes)：
卵巢週期主要分為兩個階段：卵泡期（Follicular Phase）和黃體期（Luteal Phase），中間由排卵（Ovulation）分隔。

• 卵泡期 (Follicular Phase) (約月經第 1-14 天)：

  • ** FSH 作用**：在月經週期開始時， FSH（卵泡刺激素）水平升高，刺激卵巢內數個原始卵泡開始發育。
  • 雌激素分泌：隨著卵泡的成熟，其分泌的雌激素（estrogen）水平逐漸升高。雌激素會促進卵泡繼續發育，並對子宮內膜產生增生作用。
  • LH 峰：當雌激素水平達到一定閾值並持續一段時間後，會對下視丘和腦下垂體產生正回饋作用，引發 LH（黃體生成素）的急劇升高，形成 LH 峰。
  • 卵泡成熟：LH 峰是觸發最終卵泡成熟和排卵的關鍵。

• 排卵 (Ovulation) (約月經第 14 天)：

  • 在 LH 峰的刺激下，成熟的卵泡破裂，釋放出一個次級卵母細胞（secondary oocyte）。這個過程通常發生在月經週期的中間。

• 黃體期 (Luteal Phase) (約月經第 14-28 天)：

  • 黃體形成：排卵後，破裂的卵泡殘餘結構在 LH 的作用下轉變為黃體（corpus luteum）。
  • 孕激素和雌激素分泌：黃體主要分泌孕激素（progesterone）和較少量的雌激素。孕激素是此階段的主要激素，它會使子宮內膜發生分泌期變化，為胚胎著床做準備。
  • 負回饋：孕激素和雌激素對下視丘和腦下垂體產生負回饋，抑制 FSH 和 LH 的分泌，阻止新的卵泡發育。

動作電位（Action potential）是神經元（neuron）和其他興奮性細胞（如肌細胞）之間傳遞電信號的基本方式。它的產生和傳播依賴於細胞膜離子通道的動態變化，以及細胞內外離子濃度的差異。

動作電位的產生過程 (Generation of Action Potential)：

1. 靜息電位 (Resting Potential)：

   • 在未受刺激時，神經元細胞膜處於靜息電位狀態，通常在 -70 mV 左右。這是由於細胞膜對離子（主要是 $K^+$）的通透性不同，以及鈉鉀離子幫浦（$Na^+$/$K^+$ pump）持續工作，維持細胞內外離子濃度梯度（細胞內 $K^+$ 高， $Na^+$ 低；細胞外 $K^+$ 低， $Na^+$ 高）。

2. 去極化 (Depolarization)：

   • 當神經元受到足夠強度的刺激（達到閾值，threshold potential，約 -55 mV）時，細胞膜上的**電壓門控鈉離子通道（voltage-gated $Na^+$ channels）**會迅速打開。
   • 由於細胞內外 $Na^+$ 濃度梯度和電位差，大量 $Na^+$ 離子快速內流，使細胞膜內側的電位由負值迅速變為正值，這就是去極化過程。

3. 反極化 (Repolarization)：

   • 當膜電位達到頂峰（約 +30 mV）時，電壓門控鈉離子通道會失活（inactivate），停止 $Na^+$ 的內流。
   • 同時，**電壓門控鉀離子通道（voltage-gated $K^+$ channels）**開始打開，使 $K^+$ 離子從細胞內流出。
   • $K^+$ 的外流使細胞膜內側的電位重新變為負值，這個過程稱為復極化。

4. 超極化 (Hyperpolarization)：

   • 由於電壓門控鉀離子通道的關閉速度比鈉離子通道慢，在復極化過程中，會有過量的 $K^+$ 流出細胞外，導致細胞膜電位暫時低於靜息電位，形成超極化現象。

5. 恢復靜息電位 (Restoration of Resting Potential)：

細胞訊號傳遞（Cellular signaling）是指細胞如何接收、處理並回應外界或細胞內部的訊號，以協調其功能和行為。在動物細胞中，訊號傳遞的方式多樣，主要可分為以下幾類：

1. 接觸依賴性訊號傳遞 (Contact-Dependent Signaling)：

   • 細胞之間需要直接接觸才能傳遞訊號。
   • 訊號分子通常是附著在細胞表面的膜結合分子（membrane-bound molecules），或者通過細胞間的連接（如間隙連接，gap junctions）直接傳遞離子或小分子。
   • 例子：免疫系統中細胞之間的識別與活化，神經軸突的生長導引。

2. 旁分泌訊號傳遞 (Paracrine Signaling)：

   • 細胞釋放訊號分子到細胞外，這些訊號分子作用於鄰近的細胞。
   • 訊號分子通常被快速分解或限制在局部區域，因此作用範圍有限。
   • 例子：生長因子（growth factors）在組織修復和發育中的作用，神經遞質在突觸間的傳遞（神經遞質在突觸間隙作用於後神經元，屬於一種特殊的旁分泌）。

3. 突觸訊號傳遞 (Synaptic Signaling)：

   • 這是神經細胞之間或神經細胞與標的細胞（如肌細胞、腺細胞）之間的一種特殊旁分泌。
   • 神經元釋放神經遞質（neurotransmitters）到突觸間隙（synaptic cleft），這些神經遞質迅速擴散並結合到標的細胞上的受體，引起快速的反應。
   • 特點：訊號傳遞速度快、精確，且作用範圍集中。