111 年 國立成功大學細胞生物與解剖研究所《生理學》

本題主要在探討血液中鈣離子濃度的生理正常值以及其恆定性的調控機制，重點在於內分泌系統如何透過荷爾蒙來維持鈣離子平衡。

血液中鈣離子的正常濃度：
血液中的總鈣離子濃度約為 8.5-10.5 mg/dL，其中約 50% 是游離鈣離子 (free calcium ions)，這部分是具有生理活性的；約 40% 與蛋白質結合 (protein-bound calcium)，主要與白蛋白結合；約 10% 則與陰離子形成複合物 (anionic complexes)，如與磷酸鹽或檸檬酸鹽結合。

維持血液鈣離子恆定的內分泌調控：
血液鈣離子濃度的恆定主要由副甲狀腺素 (parathyroid hormone, PTH)、維生素 D (calcitriol) 和降鈣素 (calcitonin) 這三種荷爾蒙協同調控。

1. 副甲狀腺素 (PTH)：

   • 分泌： 由副甲狀腺 (parathyroid glands) 的主細胞分泌。當血液鈣離子濃度下降時，副甲狀腺會分泌 PTH。
   • 作用：
     • 骨骼： 刺激蝕骨細胞 (osteoclasts) 活性，促進骨骼中鈣離子和磷酸鹽的釋放，升高血鈣。
     • 腎臟：
       • 促進腎小管對鈣離子的再吸收，減少鈣離子從尿液中排出，升高血鈣。
       • 抑制腎小管對磷酸鹽的再吸收，促進磷酸鹽從尿液中排出，降低血磷。
       • 刺激 1-α-hydroxylase 活性，促進腎臟將 25-hydroxyvitamin D 轉化為活性的 1,25-dihydroxyvitamin D (calcitriol)。
     • 小腸： 透過活化維生素 D，間接促進小腸對鈣離子和磷酸鹽的吸收。

2. 維生素 D (Calcitriol, 1,25-dihydroxyvitamin D)：

本題考查類固醇荷爾蒙作用於標靶細胞的機制。

核心觀念： 類固醇荷爾蒙屬於脂溶性荷爾蒙，其作用機制與水溶性荷爾蒙不同，主要透過細胞內受體結合後，直接調控基因表現。

作用機制：
類固醇荷爾蒙（如皮質醇、醛固酮、性荷爾蒙、甲狀腺荷爾蒙等）由於其脂溶性，可以輕易地穿過細胞膜。其作用途徑如下：

1. 進入細胞： 類固醇荷爾蒙從血液循環中擴散到細胞外液，由於其脂溶性，能夠自由穿透細胞質膜，進入標靶細胞的細胞質或細胞核。
2. 與受體結合：
   • 細胞質受體： 許多類固醇荷爾蒙（如皮質醇）的受體位於細胞質中。未結合荷爾蒙的受體通常與抑制蛋白結合。當類固醇荷爾蒙進入細胞後，會與其細胞質中的特異性受體結合，導致抑制蛋白脫離，使荷爾蒙-受體複合物活化。
   • 細胞核受體： 另一部分類固醇荷爾蒙（如甲狀腺荷爾蒙）的受體則位於細胞核內。
3. 形成荷爾蒙-受體複合物： 荷爾蒙與其受體結合後，形成一個活化的荷爾蒙-受體複合物。
4. 進入細胞核 (若受體在細胞質)： 如果受體位於細胞質，荷爾蒙-受體複合物會被運輸到細胞核內。
5. 與 DNA 結合： 荷爾蒙-受體複合物（或直接是細胞核受體）會與細胞核內的特定 DNA 序列結合。這些 DNA 序列稱為荷爾蒙反應元件 (hormone response elements, HREs)。

本題主要考查心電圖 (ECG 或 EKG) 的基本波形及其生理意義。

核心觀念： 心電圖記錄的是心臟在每個心動週期中，由心肌細胞去極化 (depolarization) 和再極化 (repolarization) 所產生的電生理變化。

正常心電圖波型 (示意圖)：
（請注意：此處無法實際繪製圖形，請自行參照標準 ECG 波形圖。一個標準的 ECG 波形通常包含 P 波、QRS 波群、T 波，有時還有 U 波。）

各波段意義解釋：

• P 波 (P wave)：

  • 代表意義： P 波代表心房的去極化 (atrial depolarization)。這是由竇房結 (sinoatrial node, SA node) 發出的電訊號，傳遍整個心房，引起心房收縮。
  • 形態： 通常是圓潤、向上的波形。

• QRS 波群 (QRS complex)：

  • 代表意義： QRS 波群代表心室的去極化 (ventricular depolarization)。這是電訊號通過房室結 (atrioventricular node, AV node)、希氏束 (Bundle of His)、左右束枝 (bundle branches) 和浦金氏纖維 (Purkinje fibers) 傳遞到心室肌，引起心室收縮。
  • 形態： 通常包含一個向下的 Q 波 (如果存在)、一個尖銳、向上的 R 波，以及一個向下的 S 波。

本題考查許旺細胞 (Schwann cell) 的定義、位置與功能。

核心觀念： 許旺細胞是周邊神經系統中重要的膠質細胞，負責髓鞘形成與神經纖維的維持。

定義：
許旺細胞 (Schwann cell) 是一種膠質細胞 (glial cell)，屬於神經膠質細胞 (neuroglia) 的一種，主要存在於周邊神經系統 (peripheral nervous system, PNS)。

所在位置：
許旺細胞位於周邊神經系統，包覆著周邊神經中的軸突 (axon)。

功能：
許旺細胞的主要功能有兩方面：

1. 形成髓鞘 (Myelination)：
   • 在有髓鞘的周邊神經纖維中，一個許旺細胞會捲繞在單一軸突的一段區域，形成一層脂質豐富的髓鞘 (myelin sheath)。
   • 髓鞘的主要成分是磷脂質，它作為絕緣層，能夠加速神經衝動的傳導。

本題為一組簡答題，要求對八個不同的生理學術語進行簡要的功能解釋。

核心觀念： 涵蓋離子通道、神經科學、聽覺生理、腎臟生理、心血管生理、呼吸生理和血液循環等領域的基礎知識。

(A) potassium leaking channel (鉀離子滲漏通道)

• 功能： 鉀離子滲漏通道是細胞膜上的一種離子通道，它持續開啟，允許鉀離子（K+）相對自由地從細胞內向細胞外滲漏。這對於維持細胞靜止膜電位 (resting membrane potential) 至關重要，因為細胞內相對於細胞外通常帶負電，鉀離子的外流有助於建立和維持這種負電位。
• 【答案】 鉀離子滲漏通道持續開啟，允許鉀離子外流，是維持細胞靜止膜電位的主要機制。

(B) long term potentiation (長期增強作用)

• 功能： 長期增強作用 (LTP) 是一種神經可塑性現象，發生在神經元之間突觸的強度上。它指的是在特定條件下，突觸傳遞訊號的能力會長時間增強。LTP 被認為是學習和記憶的細胞基礎之一。它通常涉及突觸後神經元的 NMDA 受體被激活，導致鈣離子內流，進而觸發一系列生化反應，增強突觸的反應性。
• 【答案】 長期增強作用 (LTP) 是突觸強度的一種持久性增強，被認為是學習和記憶的細胞基礎。

(C) Organ of Corti (Spiral organ) (柯氏器/螺旋器)

• 功能： 柯氏器（螺旋器）位於內耳的耳蝸 (cochlea) 中，是聽覺的感受器。它包含聽覺毛細胞 (hair cells)，這些毛細胞上的纖毛 (stereocilia) 會因耳蝸液體的振動而彎曲。毛細胞的這種機械刺激會轉化為電訊號，通過聽神經傳遞到大腦，產生聽覺。
• 【答案】 柯氏器是內耳的聽覺感受器，包含毛細胞，負責將聲音引起的振動轉化為神經訊號。

(D) proximal tubule cell (近端腎小管細胞)

• 功能： 近端腎小管細胞是腎臟近端腎小管的上皮細胞。它們在腎臟重吸收過程中扮演關鍵角色。這些細胞具有豐富的微絨毛 (microvilli)，增加了表面積，極大地提高了重吸收效率。它們主動重吸收大部分的葡萄糖、胺基酸、維生素、鈉離子、鉀離子、氯離子、鈣離子、水，並分泌部分有機酸和鹼基，以及參與尿素的重吸收。
• 【答案】 近端腎小管細胞負責腎臟大部分的重吸收功能，包括葡萄糖、胺基酸、離子和水，並參與一些分泌作用。

本題考查內耳前庭系統的結構與功能，特別是關於頭部位置感知和直線加速的感受器。

核心觀念： 前庭系統是維持平衡感的重要感覺器官，包含前庭 (vestibule) 和半規管 (semicircular canals)，分別負責感知不同類型的運動和位置。

與頭部位置及直線加速有關的結構：
在內耳的前庭 (vestibule) 和三個半規管中，前庭 (vestibule) 與我們的頭部位置感知（即重力方向）和頭部的直線加速（如前後、上下移動）有關。

• 前庭 (Vestibule)： 前庭本身包含兩個囊狀結構：橢圓囊 (utricle) 和球囊 (saccule)。

  • 橢圓囊 (Utricle)： 主要感知水平方向的加速度和頭部相對於重力的傾斜。例如，當你向前或向後加速，或者頭部向側方傾斜時，橢圓囊會受到刺激。
  • 球囊 (Saccule)： 主要感知垂直方向的加速度和頭部相對於重力的傾斜。例如，當你乘坐電梯上升或下降時，或者頭部向前或向後傾斜時，球囊會受到刺激。

• 半規管 (Semicircular canals)： 三個半規管（水平、垂直、斜向）則主要感知頭部的角加速度（旋轉運動），例如頭部向左轉、向右轉、向前點頭或向後仰頭。

感覺機轉：
前庭的感覺機轉主要依賴於橢圓囊和球囊內部的「耳石器」(otolith organs)，這些結構包含：

1. 斑 (Macula)： 橢圓囊和球囊的內壁覆蓋著感覺上皮，稱為斑 (macula)。斑包含感受聽覺的毛細胞 (hair cells) 和支持細胞。

本題考查促激素 (tropic hormones) 的定義以及腦下垂體前葉所分泌的主要促激素。

核心觀念： 促激素是由內分泌腺體分泌，其作用目標是其他內分泌腺體，進而調控目標腺體分泌激素。腦下垂體前葉是許多重要促激素的來源。

促激素 (Tropic hormones) 的定義：
促激素（或稱「調節激素」、「命令激素」）是由內分泌腺體（通常是腦下垂體前葉）分泌的一類激素，它們的作用目標是另一個內分泌腺體。促激素的作用是刺激或抑制目標內分泌腺體分泌其自身的荷爾蒙，從而間接調控全身的生理活動。

腦下垂體前葉 (Anterior Pituitary) 製造及分泌的促激素：
腦下垂體前葉（又稱腺垂體）由多種細胞類型組成，它們分別製造和分泌不同的激素。其中，有幾種是典型的促激素，作用於其他內分泌腺體。

腦下垂體前葉分泌的主要促激素及其作用目標腺體包括：

1. 促甲狀腺激素 (Thyroid-stimulating hormone, TSH)

   • 別名： 甲狀腺促素。
   • 作用目標： 甲狀腺 (Thyroid gland)。
   • 功能： 刺激甲狀腺分泌甲狀腺素 (thyroxine, T4) 和三碘甲狀腺原氨酸 (triiodothyronine, T3)。

2. 促腎上腺皮質激素 (Adrenocorticotropic hormone, ACTH)

   • 別名： 皮質促素。
   • 作用目標： 腎上腺皮質 (Adrenal cortex)。
   • 功能： 刺激腎上腺皮質分泌糖皮質激素 (glucocorticoids)，最主要的是皮質醇 (cortisol)。

本題考查血管收縮素轉換酶抑制劑 (ACEi) 的作用機制以及血管收縮素 (Angiotensin II) 在調節血壓和體液平衡中的作用。

核心觀念： 腎素-血管張力素-醛固酮系統 (Renin-Angiotensin-Aldosterone System, RAAS) 是調節血壓和體液平衡的重要系統。ACEi 通過抑制此系統中的關鍵酶來降低血壓。

ACEi 降低血壓的機轉 (5%)：
血管收縮素轉換酶 (Angiotensin-Converting Enzyme, ACE) 的主要功能是將血管張力素 I (Angiotensin I) 轉化為具有強烈生理活性的血管張力素 II (Angiotensin II)。ACEi 通過抑制 ACE 的活性，阻止了 Angiotensin I 向 Angiotensin II 的轉化。Angiotensin II 具有多種升高血壓的作用，因此抑制其產生可以降低血壓。具體機轉包括：

1. 血管收縮： Angiotensin II 是一種強效的血管收縮劑，它作用於血管平滑肌上的 AT1 受體，引起全身小動脈收縮，從而增加周邊血管阻力 (peripheral vascular resistance)，導致血壓升高。抑制 Angiotensin II 的產生，減少了血管收縮，降低了周邊血管阻力，進而降低血壓。
2. 醛固酮分泌： Angiotensin II 刺激腎上腺皮質分泌醛固酮 (aldosterone)。醛固酮作用於腎臟的遠曲小管和集合管，促進鈉離子 (Na+) 和水的重吸收，增加血容量，進而升高血壓。抑制 Angiotensin II 的產生，減少了醛固酮的分泌，降低了鈉和水的重吸收，減少了血容量，從而降低血壓。
3. 抗利尿激素 (ADH) 分泌： Angiotensin II 也會刺激腦下垂體後葉釋放抗利尿激素 (ADH, vasopressin)。ADH 作用於腎臟的集合管，增加水的重吸收，減少尿量，增加血容量，進而升高血壓。抑制 Angiotensin II 的產生，減少了 ADH 的分泌，降低了水的重吸收，從而降低血壓。
4. 交感神經活性： Angiotensin II 也能增強交感神經的活性，促進去甲腎上腺素 (norepinephrine) 的釋放，導致血管收縮和心率增加，進而升高血壓。

本題考查耐力訓練對心血管系統的適應性改變，包括運動時的心輸出量、血液分佈，以及靜止狀態下的心率和每搏輸出量。

核心觀念： 耐力訓練（如慢跑、馬拉松）會導致心血管系統發生一系列適應性變化，以提高運動時的氧氣供應能力和效率。

運動時心輸出量與血液分佈的變化 (5%)：

• 心輸出量 (Cardiac Output, CO)：

  • 變化： 在循序漸進的耐力訓練後，運動時的心輸出量會顯著增加。這是因為心血管系統的適應性增強，能夠更有效地將氧氣輸送到工作肌肉。
  • 原因： 心輸出量 = 心率 (Heart Rate, HR) × 每搏輸出量 (Stroke Volume, SV)。雖然訓練後靜止心率可能下降，但運動時心率的增加幅度更大，且每搏輸出量也會顯著增加，兩者共同作用導致心輸出量大幅提升。

• 流經大腦、心臟和骨骼肌的血液變化：

  • 大腦 (Brain)： 在運動過程中，流經大腦的血液量通常會保持相對穩定或略有下降。這是因為大腦對血液供應的變化非常敏感，身體會優先確保大腦獲得足夠的氧氣，即使在運動強度較高時，大腦的血流量也受到嚴格的調節，以維持其正常功能。
  • 心臟 (Heart)： 運動時，心臟自身的耗氧量會急劇增加，因此流經心臟（冠狀動脈）的血液量會顯著增加。這是為了滿足心肌在高強度工作下的能量和氧氣需求。
  • 骨骼肌 (Skeletal Muscles)： 這是運動時血液重新分佈的主要受益者。流經工作中的骨骼肌的血液量會大幅度增加。耐力訓練使骨骼肌毛細血管密度增加，線粒體數量增多，血紅素含量提高，這些都為運動時更多的血液流動和氧氣利用創造了條件。