生理學｜細胞生理與物質運輸

(1) 醣類（carbohydrate）

醣類由碳、氫、氧三種元素構成，通式可寫成 (CH₂O)n，因此碳：氫：氧原子數比為 1：2：1，例如葡萄糖 C₆H₁₂O₆。

• 單醣：葡萄糖（glucose）、果糖（fructose）、半乳糖（galactose），可直接被吸收利用。
• 雙醣：蔗糖＝葡萄糖＋果糖；乳糖＝葡萄糖＋半乳糖；麥芽糖＝兩分子葡萄糖。
• 多醣：植物儲存澱粉（starch），動物在肝臟與骨骼肌儲存肝醣（glycogen）。

(2) 脂質（lipid）

脂質的共同特性是不溶於水、可溶於有機溶劑，所以在血液中須與蛋白質結合成脂蛋白才能運送。主要種類如下：

• 飽和脂肪酸：碳鏈上的碳原子之間只有單鍵、沒有雙鍵，常溫多呈固態。動物性脂肪（豬油、奶油）含量較高。
• 不飽和脂肪酸：碳鏈含一個或多個雙鍵，分子彎折，常溫多為液態油。植物油與魚油含量較高；椰子油、棕櫚油是植物油中飽和度高的例外。

(3) 蛋白質與核酸

蛋白質由胺基酸以胜肽鍵（peptide bond）串連，胺基酸序列由基因決定，摺疊成立體構型後才有功能。核酸分為去氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）與核糖核酸（ribonucleic acid, RNA），基本單位是核苷酸（nucleotide），由五碳糖、磷酸與含氮鹼基組成。

• 嘌呤：腺嘌呤（adenine, A）、鳥糞嘌呤（guanine, G），為雙環結構。
• 嘧啶：胞嘧啶（cytosine, C）、胸腺嘧啶（thymine, T）、尿嘧啶（uracil, U），為單環結構。
• 鹼基配對：DNA 雙股之間以氫鍵相連，A 對 T（2 個氫鍵）、G 對 C（3 個氫鍵），一定是嘌呤配嘧啶；RNA 中與 A 配對的是 U。

(1) 流體鑲嵌模型（fluid mosaic model）

細胞膜（cell membrane）以磷脂質雙分子層為骨架：親水的磷酸頭部朝向細胞內外的水環境，疏水的脂肪酸尾巴相對藏在中間。蛋白質像馬賽克般鑲嵌其中，可側向移動。

• 脂質：磷脂質為主，膽固醇（cholesterol）穿插其間，調節膜的流動性與穩定性。
• 蛋白質：嵌入型（integral）蛋白質貫穿雙層，形成通道、載體、幫浦與受體；周邊型（peripheral）蛋白質附著在膜表面。
• 碳水化合物：以寡醣鏈接在蛋白質或脂質上，形成醣蛋白（glycoprotein）與醣脂質（glycolipid），只分布在細胞膜外側。

細胞膜的成分可歸納為脂質、蛋白質、碳水化合物三大類，不含核酸；核酸位於細胞核、粒線體與核糖體等處。

(2) 醣盞（glycocalyx）與細胞辨識

膜外側的醣蛋白與醣脂質醣鏈共同形成一層帶負電的「糖衣」，稱為醣盞。它的主要功能是細胞間的辨識與對外環境的互動，例如 ABO 血型抗原；也參與細胞黏附與保護細胞表面。

(3) 細胞膜的主要功能

• 屏障：分隔細胞內外，維持兩側成分的差異。
• 物質運輸：選擇性通透，靠通道、載體與幫浦調控進出。
• 訊息傳遞：膜上受體接收激素、神經傳導物質等訊號並傳入細胞內。
• 辨識與黏附：醣盞與黏附分子使細胞彼此辨認、連結成組織。
• 維持膜電位：離子分布不均與選擇性通透造成膜兩側的電位差。

細胞骨架（cytoskeleton）則是位於細胞質中的蛋白質纖維網，包括微絲（microfilament，肌動蛋白構成）、中間絲（intermediate filament）與微小管（microtubule，微管蛋白構成），負責維持細胞形狀、胞內運輸與細胞移動；它錨定在膜內側，但不是細胞膜產生的。

(1) 胞器功能總覽

(2) 粒線體（mitochondria）

粒線體是細胞的「發電廠」，透過細胞呼吸（cellular respiration）把葡萄糖與脂肪酸的化學能轉存為三磷酸腺苷（adenosine triphosphate, ATP）。細胞所需的 ATP 絕大部分由粒線體產生。

• 外膜：平滑、通透性較高。
• 內膜：向內摺成嵴（cristae），增加表面積；電子傳遞鏈與 ATP 合成酶位於此。
• 基質（matrix）：充滿內膜所圍內腔的膠狀物質，含檸檬酸循環（Krebs cycle）與脂肪酸 β 氧化的酵素，以及粒線體 DNA 與核糖體。

粒線體 DNA 為環狀、不與組蛋白（histone）結合，構造類似細菌，主要由母親遺傳。它只能製造少數蛋白質，大多數粒線體蛋白質由細胞核基因編碼、在細胞質合成後再送入，所以粒線體無法只靠自身 DNA 完成生成。醣解作用（glycolysis）在細胞質進行，產生的 ATP 很少。

(3) 從基因到蛋白質

1. 複製：細胞分裂前於細胞核複製 DNA（S 期）。
2. 轉錄：（transcription）在細胞核以 DNA 為模板合成 RNA。
3. 轉錄後修飾：前驅 mRNA 加 5' 端帽、3' 端 poly-A 尾，並剪接移除內含子（intron）後送出核孔。
4. 轉譯：（translation）核糖體依 mRNA 密碼合成多胜肽鏈。
5. 轉譯後修飾：（post-translational modification）包括摺疊、切割、磷酸化與醣基化（glycosylation）等加工；分泌性與膜蛋白質的醣基化在內質網與高爾基體進行。

核仁負責製造 rRNA，rRNA 與蛋白質組裝成核糖體次單元後出核；核仁不製造 DNA，也不製造核膜。

(4) 分泌路徑：內質網 → 高爾基體 → 目的地

粗糙內質網合成的蛋白質以運輸小泡送到高爾基體的順面（cis face），在其中修飾後由反面（trans face）分類、包裝成小泡，送往三個方向：分泌到細胞外、嵌入細胞膜，或送入溶小體。因此負責分類、包裝並運送蛋白質與脂質的胞器是高爾基體。

(5) 蛋白質的降解：泛素–蛋白酶體系統

受損、錯誤摺疊或已完成任務的蛋白質，會被接上多個泛素（ubiquitin）分子，形成「拆除標籤」。帶有多泛素鏈的蛋白質被蛋白酶體（proteasome）辨認，在消耗 ATP 的情況下切成短胜肽。泛素的角色是引領蛋白質走向降解，而非協助摺疊或運送 RNA；協助摺疊的是伴護蛋白（chaperone）。

• 蛋白酶體：在細胞質與核內分解個別、被泛素標記的蛋白質。
• 溶小體：以酸性水解酵素分解吞噬物、老舊胞器（自噬作用，autophagy）。

(6) 中心體與有絲分裂

細胞週期分為 G₁、S（DNA 複製）、G₂ 與 M 期；M 期的有絲分裂（mitosis）依序為前期、中期、後期與末期。中心體是微小管組織中心，分裂前先複製成兩個，移向兩極並放射出微小管形成紡錘體（spindle）。紡錘絲附著於染色體的動原體（kinetochore）後，中期時染色體排列在赤道板；後期再把姊妹染色分體拉向兩極。

中心體受破壞時，紡錘體無法正常形成，有絲分裂便無法完成；而 DNA 複製、轉錄與轉譯並不依賴中心體。

(1) 體液區間

成人體內水分約占體重的 60%（女性、老人較低），可用「60–40–20」記：

計算例：體重 70 公斤的成人，總體液約 42 公斤（L），細胞內液約 70 × 40%＝28 公斤，細胞外液約 14 公斤，其中血漿約 3.5 公斤。細胞內液＝體重 × 40%。

• 細胞內液：陽離子以 K⁺ 為主，陰離子以磷酸根與蛋白質為主。
• 細胞外液：Na⁺ 最多，主要陰離子為 Cl⁻ 與 HCO₃⁻；血漿與組織間液的差別主要在血漿蛋白質。

(2) 滲透壓濃度的計算

滲透壓（osmotic pressure）取決於溶液中溶質顆粒的總數，而非溶質的種類或重量。滲透壓濃度（osmolarity）＝莫耳濃度 × 每個分子在水中解離出的顆粒數，單位為 Osm/L 或 mOsm/L。

例如 0.15 mol/L 的 NaCl 約為 0.3 Osm/L（300 mOsm/L），接近血漿。正常血漿滲透壓約 280～295 mOsm/kg，主要由 Na⁺ 決定。

與血漿等滲的溶液如 0.9% NaCl（生理食鹽水）。紅血球放入低張溶液會吸水腫脹甚至溶血；放入高張溶液則失水皺縮。

(3) 膠體滲透壓與水腫

血漿蛋白質（尤其白蛋白（albumin））不易穿過微血管壁，所形成的滲透壓稱為膠體滲透壓（colloid osmotic pressure），約 25～28 mmHg，是把水留在血管內的主要力量。

造成血漿膠體滲透壓下降的常見原因，都是血中白蛋白減少：

• 流失過多：腎病症候群（nephrotic syndrome）由尿液大量流失蛋白質；大面積燒傷由創面流失。
• 合成不足：肝硬化（liver cirrhosis）使肝臟製造白蛋白減少。
• 攝取不足：蛋白質營養不良（protein malnutrition），如惡性營養不良（kwashiorkor）。

(1) 運輸方式的分類

簡單擴散、通道擴散與促進性擴散合稱被動運輸，物質都是順著梯度移動、不需消耗代謝能量。滲透（osmosis）是水分子從溶質濃度低的一側往濃度高的一側移動，也是被動過程。

(2) 載體運輸的特性

• 專一性：載體只運送結構相符的分子，例如 GLUT 主要運送 D 型葡萄糖。
• 飽和性：載體數量有限，所有載體都被占滿時運輸速率達最大值，不再隨濃度上升。
• 競爭性：結構相似的分子會競爭同一載體。

簡單擴散無飽和現象。

(3) 初級主動運輸（primary active transport）

運輸蛋白本身就是 ATP 水解酶，直接利用 ATP 的能量把離子逆著電化學梯度送過膜，這類蛋白稱為幫浦（pump）。

• Na⁺-K⁺ 幫浦：每水解 1 個 ATP，送出 3 個 Na⁺、送入 2 個 K⁺，維持細胞內高 K⁺、細胞外高 Na⁺；每次淨移出一個正電荷，屬生電性幫浦。
• 鈣幫浦：Ca²⁺-ATPase，位於細胞膜者把 Ca²⁺ 送出細胞；位於內質網或肌漿網者把 Ca²⁺ 收回儲存，使細胞質 Ca²⁺ 維持極低濃度。
• H⁺-K⁺ 幫浦：胃壁細胞分泌 H⁺ 形成胃酸，是質子幫浦抑制劑（如 omeprazole）的作用標的。

(4) 次級主動運輸（secondary active transport）

運輸蛋白本身不水解 ATP，而是借用 Na⁺-K⁺ 幫浦建立好的Na⁺ 電化學梯度：Na⁺ 順梯度進入細胞時釋放的能量，帶動另一物質逆梯度移動。ATP 只是「間接」的能量來源，直接動力是離子的電化學梯度。

• 同向運輸：共同運輸（cotransport），兩物質同方向。例如小腸與腎臟近曲小管的 Na⁺-葡萄糖共同運輸子（SGLT），把葡萄糖與 Na⁺ 一起吸收。
• 反向運輸：交換（countertransport），兩物質反方向。例如 Na⁺-Ca²⁺ 交換子以 3 個 Na⁺ 進入換 1 個 Ca²⁺ 送出。

(5) 胞吞與胞吐

大分子或顆粒無法經由載體通過，需靠細胞膜包覆形成小泡來運送，過程需消耗 ATP。

• 吞噬作用：（phagocytosis）伸出偽足包住細菌、碎片等大顆粒，如嗜中性球、巨噬細胞。
• 胞飲作用：（pinocytosis）非專一性地攝入細胞外液與溶質。
• 受體媒介胞吞：配體先與膜上受體結合，再由網格蛋白（clathrin）包被凹陷內吞，如低密度脂蛋白（LDL）進入細胞。
• 胞吐作用：（exocytosis）分泌小泡與細胞膜融合釋出內容物，例如激素、消化酵素與神經傳導物質的釋放，通常由細胞內 Ca²⁺ 上升觸發。

(1) 離子分布與平衡電位

某離子的平衡電位（equilibrium potential）是指：該離子因濃度差往外（或往內）擴散的趨勢，恰好被膜電位的電力抵消時的電位，可用能斯特方程式（Nernst equation）計算。37 ℃ 時，K⁺ 平衡電位約 −90 mV，Na⁺ 平衡電位約 +60 mV。

(2) 靜止膜電位的形成

未受刺激時，細胞內相對於細胞外帶負電，稱為靜止膜電位（resting membrane potential），神經細胞約 −70 mV，骨骼肌細胞約 −90 mV。形成原因如下：

1. K⁺ 通透性最高：靜止時開放的「漏」鉀通道多，K⁺ 順濃度差流出，留下帶負電的蛋白質，使膜內變負。靜止膜電位因此最接近 K⁺ 平衡電位。
2. 少量 Na⁺ 內漏：Na⁺ 通透性很低但不為零，使靜止膜電位比 K⁺ 平衡電位稍不負。
3. Na⁺-K⁺ 幫浦：維持濃度梯度，並因 3 出 2 進直接貢獻少許負電位。

① 細胞外 K⁺ 濃度改變的效應

膜電位主要由 K⁺ 的濃度比決定。細胞外 K⁺ 上升（高血鉀）時，膜內外 K⁺ 濃度差變小，流出的趨勢減弱，靜止膜電位變得較不負（數值減小、去極化）；輕度時細胞較易興奮，但持續去極化會使鈉通道失活、興奮性反而下降，嚴重時可導致心律不整甚至心跳停止。細胞外 K⁺ 下降（低血鉀）時，濃度差變大，膜電位更負（過極化），細胞較難興奮。反之，細胞內 K⁺ 增加會使濃度差變大，膜電位更負；但細胞內 K⁺ 濃度高且穩定，臨床上膜電位的變化多來自細胞外 K⁺。

(3) 細胞訊息傳遞的基本模式

• 傳遞距離：自泌（autocrine）作用於自身、旁泌（paracrine）作用於鄰近細胞、內分泌（endocrine）經血液作用於遠處；相鄰細胞也可經間隙接合直接交換離子與小分子。
• 膜受體：水溶性訊號（胜肽激素、兒茶酚胺、神經傳導物質）無法穿膜，與細胞膜上的受體結合。
• 細胞內受體：脂溶性訊號（類固醇激素、甲狀腺激素）可穿過細胞膜，與細胞質或細胞核內受體結合，直接調控基因轉錄，作用較慢但持久。

膜受體可分為離子通道型（如菸鹼型乙醯膽鹼受體）、G 蛋白偶合受體（如腎上腺素受體）與酵素連結型（如胰島素受體）。常見的第二傳訊者（second messenger）包括環單磷酸腺苷（cyclic AMP, cAMP）、三磷酸肌醇（inositol trisphosphate, IP₃）與二醯甘油（diacylglycerol, DAG）、Ca²⁺ 與 cGMP。各激素的細節請見內分泌生理單元。