109 年 國立成功大學臨床藥學與藥物科技研究所甲組《生理學》

此題主要在探討兩種不同的回饋機制：前饋回饋（feedforward feedback）與負回饋（negative feedback）。這兩種機制在生理學中都扮演著維持恆定的重要角色，但其作用方式與目標有所不同。

負回饋 (Negative Feedback)

負回饋是最常見的回饋機制，其目標是將生理變數維持在一個相對穩定的設定點（set point）附近。當偵測到生理變數偏離設定點時，負回饋系統會啟動一系列反應，以抵銷或逆轉這種偏離，使其回到設定點。

• 機制： 系統的輸出（output）會反過來抑制（inhibit）其自身的輸入（input）或產生過程。
• 目的： 維持恆定（homeostasis），防止生理變數發生過大或持續的波動。
• 例子：
  • 體溫調節： 當體溫升高時，身體會透過排汗、血管擴張來散熱，使體溫下降。當體溫降低時，身體會透過顫抖、血管收縮來產生和保留熱量，使體溫升高。
  • 血糖調節： 當血糖升高時，胰臟分泌胰島素，促進細胞吸收葡萄糖，使血糖下降。當血糖降低時，胰臟分泌升糖素，促進肝臟釋放葡萄糖，使血糖升高。
  • 血壓調節： 當血壓升高時，壓力感受器會偵測到，透過神經和體液機制使心率減慢、血管舒張，進而降低血壓。

前饋回饋 (Feedforward Feedback)

前饋回饋是一種預測性的調節機制，它能在預期的生理變動發生之前，就先行啟動適當的反應，以預防或減輕該變動對系統造成的影響。它不直接依賴於變數已經偏離設定點的結果，而是依賴於對未來變動的預測。

• 機制： 系統的輸出（output）會預期性地（anticipatorily）調整其輸入（input）或產生過程，以應對即將到來的變化。它通常是基於先前的經驗或外部刺激的預測。
• 目的： 預防性地調整生理狀態，減少對系統的衝擊，提高反應的效率。
• 例子：
  • 嗅到食物的唾液分泌： 在吃到食物之前，僅僅是聞到食物的香味，就會刺激唾液腺分泌唾液，為消化做準備。
  • 運動前的生理反應： 在開始運動前，心率和呼吸頻率就會開始升高，為即將到來的肌肉活動做準備。這是大腦預測到運動的發生，並提前發出指令。
  • 胃排空： 胃在接收到食物之前，就會開始分泌胃酸和胃蠕動，為即將到來的食物消化做好準備。

對比 (Contrast)

此題涉及荷爾蒙作用的三個重要概念：荷爾蒙如何影響自身及其他荷爾蒙的受體濃度、以及「允許作用」（permissiveness）的機制。

1. 荷爾蒙對自身及其他荷爾蒙受體濃度的影響

荷爾蒙與其受體結合是其發揮作用的關鍵。荷爾蒙的濃度會影響其自身受體的數量，同時也可能影響其他荷爾蒙的受體數量，這種調節稱為「受體敏感性調節」（receptor sensitivity regulation）。

• 自身受體調節 (Autoregulation of Receptors):

  • 下調 (Downregulation): 當荷爾蒙的濃度長期偏高時，目標細胞為了避免過度刺激，會減少受體的合成或增加受體的分解，導致受體數量下降。這會使得細胞對該荷爾蒙的敏感性降低。例如，長期攝入高劑量胰島素可能導致胰島素受體下調。
  • 上調 (Upregulation): 當荷爾蒙的濃度長期偏低時，目標細胞為了增加對該荷爾蒙的反應能力，會增加受體的合成，導致受體數量增加。這會使得細胞對該荷爾蒙的敏感性升高。例如，副甲狀腺素（PTH）缺乏時，腎臟對PTH的受體會增加。

• 對其他荷爾蒙受體的影響 (Influence on Receptors for Other Hormones):

  • 協同作用 (Synergism): 某些荷爾蒙的表現需要另一種荷爾蒙的存在，後者荷爾蒙可以上調前者荷爾蒙的受體數量，或增強受體的反應性。
  • 拮抗作用 (Antagonism): 某些荷爾蒙可能下調其他荷爾蒙的受體數量，或競爭受體。
  • 允許作用 (Permissiveness): 這是本題的關鍵，一種荷爾蒙的存在與作用，會「允許」另一種荷爾蒙發揮其正常作用，即使後者荷爾蒙的濃度本身不足以引起相同的反應。這種允許作用通常是透過調節受體的數量或功能來實現的。

2. 允許作用 (Permissiveness) 的解釋

此題涵蓋了血液學中的三個重要概念：血比容（hematocrit）的定義、影響血比容的因素，以及血比容變化對血流動力學的影響。

1. 血比容 (Hematocrit) 是什麼？

血比容（Hct 或 PCV, packed cell volume）是指在血液樣本中，紅血球（red blood cells, RBCs）所佔據的體積百分比。它是一個重要的血液學指標，反映了血液中紅血球的相對含量。

• 測量方法： 通常是將血液樣本放入離心管中，高速離心，使紅血球、白血球和血小板（通常形成一個薄層，稱為白層，buffy coat）與血漿分離。血比容就是紅血球層的體積佔總血液體積的百分比。
• 正常值： 成年男性約為 40-50%，成年女性約為 35-45%。

2. 影響血比容的決定因素 (Determinants of Hematocrit)

血比容主要由兩個因素決定：紅血球的生成率與紅血球的存活時間，以及血漿的體積。

• 紅血球生成 (Red Blood Cell Production):

  • 紅血球生成率： 身體產生紅血球的速度，主要由骨髓的造血功能決定。
  • 促紅血球生成素 (Erythropoietin, EPO)： 這是調節紅血球生成的最重要激素。當身體缺氧時（如高海拔、貧血、肺部疾病），腎臟會分泌EPO，刺激骨髓增加紅血球的生成。
  • 營養素： 製造紅血球需要鐵（Fe）、維生素 B12 和葉酸（folate）等營養素。缺乏這些營養素會導致紅血球生成不足。
  • 骨髓功能： 骨髓的健康狀況（如有無腫瘤、感染、輻射損傷等）直接影響造血能力。

• 紅血球存活時間 (Red Blood Cell Lifespan):

  • 正常的紅血球壽命約為 120 天。衰老的紅血球會被脾臟和肝臟的巨噬細胞清除。
  • 紅血球的破壞率（hemolysis）如果增加，會降低血比容。

• 血漿體積 (Plasma Volume):

  • 水分平衡： 身體的水分狀態會影響血漿體積。例如，脫水會使血漿體積減少，相對提高血比容；過度水合則會稀釋血液，降低血比容。
  • 體液調節激素： 如抗利尿激素（ADH）和醛固酮（aldosterone）等，通過調節水分和電解質平衡影響血漿體積。

• 其他因素：

  • 性別： 女性通常血比容略低於男性，可能與雌激素的影響有關。
  • 年齡： 老年人可能紅血球生成率下降。
  • 疾病狀態： 某些疾病（如腎臟疾病、癌症、慢性炎症）會影響EPO分泌或骨髓功能，進而影響血比容。

3. 血比容變化對血流動力學的影響 (Influence of Hematocrit on Hemodynamics)

此題要求解釋動作電位（action potential）的幾個關鍵概念，並從離子層面進行闡述：閾值（threshold）、相對不反應期（relative refractory period）與絕對不反應期（absolute refractory period）。

動作電位的離子基礎 (Ionic Basis of Action Potential)

動作電位是神經元和肌肉細胞膜上的一種快速、短暫的電位變化，是神經衝動傳導和肌肉收縮的基礎。其產生與細胞膜內外離子（主要是 $Na^+$ 和 $K^+$）的跨膜移動密切相關，這些移動是由細胞膜上的電壓依賴性離子通道（voltage-gated ion channels）控制的。

1. 閾值 (Threshold)

• 定義： 閾值是指引發一次動作電位所需的最小膜電位去極化（depolarization）程度。一旦膜電位達到或超過這個閾值，就會觸發一個全有或全無（all-or-none）的動作電位。
• 離子基礎：
  • 在靜息狀態下，神經元細胞膜內外存在電位差（靜息膜電位，通常約為 -70mV），細胞膜內為負，外為正。
  • 當接收到刺激（如神經傳導物質結合、機械刺激等）時，細胞膜上的離子通道（如 $Na^+$ 通道）會部分打開，使少量正離子（如 $Na^+$）流入細胞內，導致膜電位向正值方向移動，這個過程稱為去極化。
  • 當這種去極化達到一個特定的電位值時，稱為閾值電位（threshold potential，通常約為 -55mV）。
  • 關鍵： 達到閾值電位會觸發大量電壓依賴性鈉離子通道（voltage-gated $Na^+$ channels）的快速打開。這些通道的快速打開導致大量 $Na^+$ 離子湧入細胞內，引起膜電位的快速、大幅度反轉（從負值變為正值），這就是動作電位的「上衝」（upstroke）階段。
  • 若刺激引起的去極化未能達到閾值，則不足以觸發大量 $Na^+$ 通道的打開，動作電位就不會產生。

2. 絕對不反應期 (Absolute Refractory Period, ARP)

• 定義： 絕對不反應期是指在一個動作電位產生後的一段極短時間內，無論施加多大的刺激，細胞膜都無法再次產生動作電位。
• 離子基礎：
  • ARP 發生在動作電位的「上衝」（$Na^+$ 內流）和「再極化」（repolarization，主要是 $K^+$ 外流）的早期階段。
  • 關鍵： 在這個時期，絕大多數的電壓依賴性鈉離子通道（voltage-gated $Na^+$ channels）處於「失活態」（inactivated state）。

此題主要探討肺泡表面活性物質（pulmonary surfactant）對於呼吸功能的貢獻。

肺泡表面活性物質 (Pulmonary Surfactant)

肺泡表面活性物質是一種由肺泡 II 型細胞（Type II alveolar cells）分泌的複雜混合物，主要成分是磷脂（phospholipids），尤其是磷脂醯膽鹼（phosphatidylcholine），以及一些蛋白質（surfactant proteins, SPs）。它鋪展在肺泡內表面，與氣體交換的表面積直接接觸。

重要貢獻 (Important Contributions)

肺泡表面活性物質在呼吸過程中扮演著至關重要的角色，其主要貢獻包括：

1. 降低肺泡表面張力 (Reducing Alveolar Surface Tension):

   • 原理： 肺泡內充滿空氣，與內壁的體液（主要為水）接觸。水分子之間存在強大的內聚力，這會在液體表面產生表面張力。在沒有表面活性物質的情況下，這種表面張力會試圖使肺泡收縮，就像肥皂泡一樣。
   • 表面活性物質的作用： 表面活性物質的磷脂分子具有親水端和疏水端。它們能夠插入水分子之間，削弱水分子之間的內聚力，從而顯著降低肺泡內液體的表面張力。
   • 重要性： 降低表面張力是表面活性物質最核心的功能。它大大減少了呼吸時擴張肺泡所需的力（吸氣肌所需的功），使得呼吸變得更加輕鬆。

2. 防止肺泡塌陷 (Preventing Alveolar Collapse):

   • 原理： 如果沒有表面活性物質，強大的表面張力會在呼氣末期（肺泡體積最小）達到最大，足以使肺泡完全塌陷（atelectasis）。
   • 表面活性物質的作用： 表面活性物質能夠根據肺泡的大小進行調整。在肺泡體積較小時（呼氣末），表面活性物質分子會更加密集，進一步降低表面張力，防止其塌陷。在肺泡體積較大時（吸氣時），表面活性物質分子會分散開，表面張力相對增加（但仍遠低於無表面活性物質時）。這種動態調整機制確保了肺泡在整個呼吸週期中都能保持開放。

3. 穩定肺泡大小，防止氣體轉移 (Stabilizing Alveolar Size and Preventing Gas Translocation):

此題分為兩個部分，第一部分要求描述尿液形成的過程，第二部分要求描述排尿（micturition）的過程。

1. 尿液形成的三个基本腎臟過程 (Three Basic Renal Processes for Urine Formation)

尿液的形成是腎臟過濾血液、重吸收有用的物質並分泌廢物的複雜過程，主要包括三個基本過程：

a. 腎絲球過濾 (Glomerular Filtration)
* 地點： 發生在腎小體（renal corpuscle）的腎絲球（glomerulus）中。
* 過程： 血液從入球小動脈（afferent arteriole）進入腎絲球，在較高的壓力下（腎絲球血壓，約 55 mmHg），血漿中的水、小分子溶質（如葡萄糖、氨基酸、離子、尿素）會被濾過腎絲球的內皮細胞、基底膜和鮑氏囊（Bowman's capsule）的足細胞（podocytes）之間的濾過膜，進入鮑氏囊腔，形成原尿（glomerular filtrate）。
* 濾過的物質： 大分子蛋白質（如血漿蛋白）和血細胞（紅血球、白血球、血小板）由於分子量較大，通常無法通過濾過膜，留在血液中。
* 濾過率： 腎絲球過濾率（Glomerular Filtration Rate, GFR）是衡量腎功能的重要指標，正常值約為 125 mL/min 或 180 L/day。

b. 腎小管重吸收 (Tubular Reabsorption)
* 地點： 發生在腎小管（renal tubules）的各個部分，包括近端腎小管（proximal convoluted tubule, PCT）、亨利氏環（loop of Henle）、遠端腎小管（distal convoluted tubule, DCT）和集合管（collecting duct）。
* 過程： 在原尿流經腎小管的過程中，身體需要保留的有用物質（如大部分水、所有葡萄糖和氨基酸、大部分電解質如 $Na^+$、$K^+$、$Cl^-$、$HCO_3^-$）會被從原尿中重新吸收到腎小管周圍的毛細血管（peritubular capillaries）中，回到血液循環。
* 機制： 重吸收可以通過被動運輸（如滲透、擴散）或主動運輸（需要能量）進行。例如，葡萄糖和氨基酸的重吸收是通過鈉離子依賴性的協同運輸（Na+-dependent cotransport）完成的，而水的重吸收主要是通過滲透作用。
* 選擇性： 腎小管重吸收是一個高度選擇性的過程，身體會根據其需要來調節重吸收的程度。

c. 腎小管分泌 (Tubular Secretion)
* 地點： 同樣發生在腎小管的各個部分，但主要集中在近端和遠端腎小管以及集合管。
* 過程： 腎小管細胞會將血液中或細胞內的一些物質主動分泌到腎小管腔中，與過濾和重吸收的過程相對。
* 分泌的物質： 主要包括一些代謝廢物（如尿素、肌酐的額外清除）、過量的離子（如 $K^+$、$H^+$）、藥物及其代謝產物，以及一些毒素。
* 作用： 分泌有助於進一步清除血液中的有害物質，調節血液的 pH 值（通過分泌 $H^+$ 和重吸收 $HCO_3^-$），以及調節電解質平衡（如調節 $K^+$ 的排泄）。

總結尿液形成： 原尿經過腎小管時，大部分水、葡萄糖、氨基酸和所需的電解質被重吸收回血液；同時，一些廢物、過量的離子和藥物被分泌到腎小管腔中。

此題要求闡述膽汁（bile）的主要成分及其在消化過程中的功能。

1. 膽汁的主要成分 (Major Constituents of Bile)

膽汁是由肝臟分泌，儲存在膽囊（gallbladder）中，並在進食時釋放到十二指腸（duodenum）的消化液。其主要成分包括：

• 膽汁酸 (Bile Acids) / 膽鹽 (Bile Salts):
  • 這是膽汁中最具生理活性的成分，由肝臟利用膽固醇合成。膽汁酸在腸道中會被細菌轉化為較弱的酸，統稱為膽汁酸。在生理 pH 下，膽汁酸大部分以鹽的形式存在，稱為膽鹽。
  • 主要的初級膽汁酸包括膽酸（cholic acid）和鵝脫氧膽酸（chenodeoxycholic acid）。
• 膽固醇 (Cholesterol):
  • 肝臟從血液中攝取膽固醇，一部分用於合成膽汁酸，另一部分則以膽固醇的形式被排泄到膽汁中。
• 磷脂 (Phospholipids):
  • 主要是磷脂醯膽鹼（phosphatidylcholine），與膽固醇和膽汁酸共同作用，有助於乳化脂肪。
• 膽色素 (Bile Pigments):
  • 最主要的是膽紅素（bilirubin），它是血紅蛋白（hemoglobin）分解的產物。膽紅素本身沒有消化功能，主要作為廢物被排出體外。
• 電解質 (Electrolytes):
  • 膽汁含有各種離子，如 $Na^+$、$K^+$、$Cl^-$、$HCO_3^-$ 等，其組成類似於細胞外液。碳酸氫根離子（$HCO_3^-$）的濃度較高，有助於中和胃酸。
• 膽汁蛋白質 (Bile Proteins):
  • 少量蛋白質，包括一些酶和免疫球蛋白。

2. 各成分在消化中的主要功能 (Major Functions in Digestion)

• 膽汁酸 / 膽鹽 (Bile Acids / Bile Salts):
  • 乳化脂肪 (Emulsification of Fats): 這是膽汁酸最重要的消化功能。脂肪在小腸中以大油滴的形式存在，難以被水溶性的消化酶（如脂肪酶）作用。