109 年 國立成功大學生物醫學工程學系碩士班丙組《生理學》

本題主要在探討2019年諾貝爾生理學或醫學獎得主的研究內容，該研究揭示了細胞如何感知和適應氧氣供應的機制。核心是 HIF (Hypoxia-Inducible Factor) 的發現與作用。

核心觀念： 細胞如何感知氧氣濃度變化，並透過 HIF 途徑調控生理反應。

詳解：

2019年諾貝爾生理學或醫學獎頒給 William G. Kaelin Jr., Sir Peter J. Ratcliffe 和 Gregg L. Semenza，以表彰他們在「細胞如何感知並適應氧氣供應」方面所做的開創性發現。他們的研究揭示了缺氧誘導因子 (Hypoxia-Inducible Factor, HIF) 的作用機制，這是細胞調控氧氣代謝和生理反應的關鍵。

在細胞層面 (Cellular Level)：

1. 氧氣感知的機制： 在正常氧氣濃度下 (normoxia)，細胞內的脯氨酸羥化酶 (prolyl hydroxylase domain enzymes, PHD) 和天門冬醯胺羥化酶 (asparaginyl hydroxylase, FIH) 會利用氧氣和鐵離子，將 HIF 蛋白質中的特定脯氨酸和天門冬醯胺殘基進行羥基化修飾。
2. HIF 的降解： 經羥基化修飾的 HIF-α 亞基會被 VHL (von Hippel-Lindau) 蛋白質複合體識別，然後透過泛素-蛋白酶體途徑 (ubiquitin-proteasome pathway) 降解，因此 HIF 在細胞內維持低濃度。
3. 缺氧時的反應： 當氧氣濃度降低 (hypoxia) 時，PHD 和 FIH 的活性下降，HIF-α 亞基不再被羥基化。
4. HIF 的穩定與活化： 未經修飾的 HIF-α 亞基可以在細胞核內與 HIF-β 亞基 (也稱為 ARNT, Aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator) 結合，形成一個功能性的 HIF-1 轉錄因子複合體。

本題考查肺泡表面張力物質 (pulmonary surfactant) 在調節肺泡體積中的作用機制。

核心觀念： 肺泡表面張力物質如何降低表面張力，以及這對肺泡體積和穩定性的影響。

詳解：

肺泡表面張力物質 (pulmonary surfactant) 是一種由肺泡 II 型細胞 (Type II pneumocytes) 分泌的複雜脂蛋白混合物，主要成分是磷脂（尤其是磷脂醯膽鹼, phosphatidylcholine）和蛋白質。它在維持肺泡穩定性和調節肺泡體積方面扮演著至關重要的角色，主要透過以下機制：

1. 降低表面張力 (Reducing Surface Tension)：

   • 肺泡內壁覆蓋著一層薄薄的液體層（主要是水）。水分子之間強烈的內聚力（氫鍵）會在液體表面形成表面張力。
   • 表面張力會試圖使液體表面積最小化，對於充滿空氣的肺泡而言，這會產生一個向內的壓力，傾向於使肺泡塌陷。
   • 肺泡表面張力物質的磷脂分子具有親水端和疏水端，它們會定向排列在氣液界面。親水端朝向水層，疏水端朝向空氣。
   • 這些磷脂分子能夠插入水分子之間，削弱水分子之間的內聚力，從而顯著降低液體的表面張力。

2. 調節肺泡體積與穩定性：

   • 防止肺泡塌陷： 表面張力的降低，意味著作用在肺泡壁上的向內壓力減小，這使得肺泡不易在呼氣末期塌陷。

本題考查抗利尿激素 (ADH)，又稱為血管加壓素 (vasopressin) 在腎臟水重吸收過程中的分子機制。

核心觀念： ADH 如何透過細胞膜上的受體，觸發細胞內信號傳導，最終促進集合管水通道蛋白的插入，增加水的通透性。

詳解：

抗利尿激素 (Antidiuretic Hormone, ADH)，也稱為血管加壓素 (Vasopressin)，主要由下視丘合成，腦下垂體後葉釋放。它在腎臟集合管 (collecting ducts) 和遠曲小管 (distal tubules) 中發揮關鍵作用，促進水的重吸收，減少尿液的產生，從而維持體內水分平衡。其分子機制如下：

1. 受體結合： ADH 作用於腎臟集合管細胞膜上的 V2 受體 (V2 receptors)。V2 受體是一種 G 蛋白偶聯受體 (G protein-coupled receptor, GPCR)。
2. G 蛋白活化： 當 ADH 與 V2 受體結合後，會活化與之偶聯的 Gs 蛋白。
3. 腺苷酸環化酶 (Adenylyl Cyclase) 活化： 活化的 Gs 蛋白能夠激活細胞膜上的腺苷酸環化酶。
4. cAMP 水平升高： 腺苷酸環化酶催化 ATP 轉化為環磷酸腺苷 (cyclic adenosine monophosphate, cAMP)，導致細胞內 cAMP 濃度顯著升高。

本題考查人體內能夠產生雄性激素 (androgens) 的器官。

核心觀念： 雄性激素的主要來源是男性生殖腺，但女性生殖腺和腎上腺也能產生少量。

詳解：

雄性激素 (androgens) 是一類具有雄性生殖特性和作用的類固醇荷爾蒙，最主要的雄性激素是睪固酮 (testosterone)。在人體內，產生雄性激素的主要器官及其產量如下：

1. 男性：
   • 睪丸 (Testes)： 這是男性體內雄性激素最主要的生產器官。睪丸中的萊迪格細胞 (Leydig cells) 在黃體生成素 (Luteinizing Hormone, LH) 的刺激下，大量產生睪固酮。睪固酮對於男性生殖器官的發育、維持第二性徵（如鬍鬚、聲音低沉、肌肉發達等）以及精子的生成至關重要。

本題考查過敏反應 (allergic reactions) 的發生過程，這是一個涉及免疫系統的複雜過程。

核心觀念： 過敏反應通常分為兩個階段：致敏 (sensitization) 和激發 (elicitation)。其核心是 IgE 抗體和肥大細胞 (mast cells) 的作用。

詳解：

過敏反應是一種免疫系統對通常無害的物質（稱為過敏原, allergen）產生過度反應的現象。其發生過程主要包括以下兩個階段：

第一階段：致敏 (Sensitization)

1. 初次接觸過敏原： 當人體第一次接觸到某種過敏原（如花粉、塵螨、某些食物成分、藥物等）時，免疫系統會將其識別為外來物質。
2. 抗原呈遞： 抗原呈遞細胞 (Antigen-Presenting Cells, APCs)，如樹突狀細胞 (dendritic cells) 或巨噬細胞，會吞噬並處理過敏原，然後將其抗原片段呈遞給輔助性 T 細胞 (Helper T cells, Th cells)。
3. Th2 細胞活化： 輔助性 T 細胞會分化成 T輔助細胞2 (Th2) 細胞。Th2 細胞是過敏反應的關鍵驅動者。
4. B 細胞活化與 IgE 生成： Th2 細胞會分泌細胞因子（如 IL-4, IL-5, IL-13），這些細胞因子會刺激 B 細胞 (B lymphocytes) 發生類medallas轉換 (isotype switching)，使其產生大量的免疫球蛋白 E (Immunoglobulin E, IgE) 抗體。
5. IgE 結合到肥大細胞和嗜鹼性球： 生成的 IgE 抗體會循環到體內，並特異性地結合到肥大細胞 (mast cells) 和嗜鹼性球 (basophils) 表面的高親和力 IgE 受體 (FcεRI) 上。此時，身體處於「致敏」狀態，但通常沒有明顯症狀。

第二階段：激發 (Elicitation)

1. 再次接觸過敏原： 當致敏個體再次接觸到相同過敏原時，過敏原會與已經結合在肥大細胞和嗜鹼性球表面的 IgE 抗體發生橋聯 (cross-linking)。

本題考查中樞神經系統 (CNS) 中各種神經膠質細胞 (glial cells) 的類型及其功能。

核心觀念： 神經膠質細胞不僅是神經元的「支撐細胞」，它們在神經系統的發育、維持穩態、信號傳導和修復中扮演著主動且關鍵的角色。

詳解：

中樞神經系統 (CNS) 中的神經膠質細胞，也稱為神經膠質 (neuroglia) 或膠質細胞 (glia)，是數量龐大於神經元（比例約為 10:1 或更高）的細胞群。它們不像過去認為的那樣僅僅是結構支撐，而是參與 CNS 的多種重要功能。CNS 中主要的膠質細胞類型及其功能如下：

1. 星狀膠質細胞 (Astrocytes)

• 形態： 形態多樣，有纖維型（主要在白質）和原漿型（主要在灰質），具有多個突起，可以與神經元、血管和軟腦膜接觸。
• 功能：
  • 結構支撐： 提供結構支持，維持 CNS 的形態。
  • 血腦屏障 (Blood-Brain Barrier, BBB) 的形成與維持： 星狀膠質細胞的足突 (foot processes) 包繞著腦毛細血管，是形成和維持 BBB 的關鍵組分。BBB 嚴格控制物質進出 CNS。
  • 營養供應： 從血管獲取葡萄糖等營養物質，並轉化為乳酸等形式提供給神經元作為能量來源。
  • 離子平衡： 吸收細胞外過量的鉀離子 ($K^+$)，維持細胞外液穩態，防止神經元過度興奮。
  • 神經遞質清除： 吸收突觸間隙中的某些神經遞質（如谷氨酸），防止其過度刺激神經元。
  • 突觸調節： 參與突觸的形成、成熟和功能調節，影響突觸傳導。
  • 神經修復與瘢痕形成： 在 CNS 受損後，星狀膠質細胞會增生並形成膠質瘢痕 (glial scar)，這有助於限制損傷擴散，但也可能阻礙神經再生。

2. 少突膠質細胞 (Oligodendrocytes)

• 形態： 細胞體較小，有多個短突起。
• 功能：
  • 髓鞘形成 (Myelination)： 在 CNS 中，一個少突膠質細胞可以伸出多個突起，包裹一段神經元的軸突 (axon)，形成髓鞘 (myelin sheath)。髓鞘是一種絕緣層，主要由脂質組成。

本題考查心臟瓣膜在一個心動週期 (heart cycle) 中開閉狀態的變化。

核心觀念： 瓣膜的開閉是由心房和心室之間的壓力差決定的，以確保血液單向流動。

詳解：

一個心動週期包含收縮期 (systole) 和舒張期 (diastole)。心臟有四個瓣膜：二尖瓣 (mitral valve) 和三尖瓣 (tricuspid valve) 構成房室瓣 (atrioventricular valves)，主動脈瓣 (aortic valve) 和肺動脈瓣 (pulmonary valve) 構成半月瓣 (semilunar valves)。它們的開閉狀態如下：

1. 房室瓣 (二尖瓣和三尖瓣)

• 關閉 (Closed)：
  • 心室收縮期 (Ventricular Systole)： 當心室開始收縮，心室內的壓力快速升高，超過心房內的壓力時，房室瓣會被關閉。這可以防止血液從心室回流到心房。
  • 等容收縮期 (Isovolumetric Contraction)： 在心室收縮的早期，雖然房室瓣已關閉，但半月瓣尚未打開，此時心室容積不變，壓力迅速升高。
• 開放 (Open)：
  • 心室舒張期 (Ventricular Diastole)： 當心室開始舒張，心室內的壓力下降，低於心房內的壓力時，房室瓣會打開。
  • 快速充盈期 (Rapid Filling Phase) 和慢速充盈期 (Slow Filling Phase)： 血液從心房流向心室。
  • 心房收縮期 (Atrial Systole)： 在舒張期的末期，心房收縮，將最後一部分血液泵入心室，此時房室瓣也是開放的。

2. 半月瓣 (主動脈瓣和肺動脈瓣)

• 關閉 (Closed)：
  • 心室舒張期 (Ventricular Diastole)： 當心室開始舒張，心室內的壓力下降，低於主動脈和肺動脈內的

本題考查水溶性荷爾蒙 (water-soluble hormones) 和脂溶性荷爾蒙 (lipid-soluble hormones) 的作用機制上的比較。

核心觀念： 兩類荷爾蒙因其物理化學性質不同，決定了它們的運輸方式、作用標靶（細胞膜受體 vs. 細胞內受體）以及作用速度和持續時間。

詳解：

荷爾蒙是身體內重要的化學信使，它們根據其溶解性可以分為水溶性和脂溶性兩大類。這兩類荷爾蒙在體內的運輸、作用靶點和作用機制上存在顯著差異：