113 年 國立成功大學生理學研究所《生理學》

本題主要考驗心血管系統的基本生理參數計算，包括脈壓、平均動脈壓、心輸出量及周邊總阻力。

核心觀念：

• 脈壓 (Pulse Pressure, PP)：收縮壓與舒張壓之差，反映了動脈彈性及心臟收縮時的壓力變化幅度。
• 平均動脈壓 (Mean Arterial Pressure, MAP)：動脈系統中平均壓力，是組織器官灌流的關鍵指標。
• 心輸出量 (Cardiac Output, CO)：心臟每分鐘輸出至動脈的血液量，是心血管系統功能的重要指標。
• 周邊總阻力 (Total Peripheral Resistance, TPR)：全身小動脈收縮使血液流動遇到的總阻力，是影響血壓的重要因素。

計算公式：

• $PP = Systolic Pressure - Diastolic Pressure$
• $MAP \approx Diastolic Pressure + \frac{1}{3} (Systolic Pressure - Diastolic Pressure)$
• $CO = Heart Rate \times Stroke Volume$
• $MAP = CO \times TPR$ (或 $TPR = \frac{MAP}{CO}$)

已知數據：

• 收縮壓 (Systolic Pressure) = 180 mmHg
• 舒張壓 (Diastolic Pressure) = 90 mmHg
• 心率 (Heart Rate, HR) = 90 bpm
• 搏出量 (Stroke Volume, SV) = 70 mL/beat

計算過程：
(1) 脈壓 (Pulse Pressure)
$PP = 180 \text{ mmHg} - 90 \text{ mmHg} = 90 \text{ mmHg}$

本題考驗對神經細胞動作電位的基本理解，包括其產生過程、關鍵電位點以及電位變化的不同階段。

核心觀念：

• 動作電位 (Action Potential)：神經細胞或肌肉細胞膜受到刺激後，膜電位發生快速、暫時性的變化，是神經訊號傳遞的基礎。
• 靜止膜電位 (Resting Membrane Potential)：細胞未受刺激時，膜內外電荷分布不均所形成的電位差，通常為負值。
• 閾電位 (Threshold Potential)：引發動作電位所需的最低膜電位變化，達到此電位後，鈉離子通道大量開啟，產生快速去極化。
• 去極化 (Depolarization)：膜電位由負值向正值移動的過程，主要由鈉離子內流引起。
• 再極化 (Repolarization)：膜電位由正值向負值恢復的過程，主要由鉀離子外流引起。
• 過極化 (Hyperpolarization)：膜電位一時性地變得比靜止膜電位更負的階段，通常是鉀離子通道關閉較慢所致。
• 零膜電位 (Zero Membrane Potential)：指膜電位為 0 mV 的狀態。

繪圖說明：
在一個二維座標圖上，橫軸為時間 (time)，縱軸為膜電位 (membrane potential, mV)。

1. 靜止膜電位 (Resting Membrane Potential)：圖的起始點，一條水平線，表示細胞在未受刺激時的穩定電位，約為 -70 mV。

本題考驗身體內在的抗凝血與溶解血栓的生理機制。這涉及到血液凝固的調節，以維持血液的流動性，防止過度凝固或栓塞。

核心觀念：
人體血液凝固系統是一個複雜的網絡，旨在止血（當血管受損時）並防止過度凝固（當不需要止血時）。抗凝血和纖溶系統是血液凝固的兩個重要對照系統。

1. 抗凝血系統 (Antithrombotic Systems)：
   這些系統旨在抑制血栓形成，或在血栓形成後將其限制在一定範圍內。它們可以分為血管內皮細胞的抗血栓作用和循環抗凝血因子。

   • 血管內皮細胞的抗血栓作用 (Endothelial Antithrombotic Properties)：

     • 平滑的內皮表面 (Smooth Endothelial Surface)：健康的內皮細胞表面光滑，沒有細胞外基質暴露，不易啟動血小板黏附和活化。
     • 產生一氧化氮 (Nitric Oxide, NO)：內皮細胞釋放 NO，這是一種強效的血管擴張劑，同時也能抑制血小板的聚集和黏附。
     • 產生前列環素 (Prostacyclin, PGI2)：內皮細胞合成 PGI2，它能抑制血小板聚集，並具有血管擴張作用。
     • 釋放組織因子途徑抑制劑 (Tissue Factor Pathway Inhibitor, TFPI)：TFPI 結合並抑制由受損血管釋放的組織因子 (Tissue Factor, TF) 與因子 VIIa 的複合物，從而抑制外源性凝血途徑的啟動。
     • 血栓素A2受體拮抗劑 (Thromboxane A2 receptor antagonist)：雖然內皮細胞本身不大量產生 TXA2，但其表面可以結合並代謝 TXA2，降低其作用。
     • 結合血栓素A2 (Thromboxane A2, TXA2)：內皮細胞可以結合並將 TXA2 降解，減少其聚集血小板的作用。
     • 表現肝素樣分子 (Heparan Sulfate-like molecules)：內皮細胞表面結合的肝素硫酸鹽可以與抗凝血酶 III (Antithrombin III, AT III) 結合，極大地增強 AT III 的抗凝血活性。

   • 循環抗凝血因子 (Circulating Anticoagulant Factors)：

     • 抗凝血酶 III (Antithrombin III, AT III)：這是最重要的循環抗凝血因子。AT III 是一種絲氨酸蛋白酶抑制劑 (serine protease inhibitor)，能與凝血因子 Xa (FXa) 和凝血酶 (Thrombin, FIIa) 等絲氨酸蛋白酶結合，使其失活。在肝素的存在下，AT III 的活性會增強數百倍。
     • 蛋白質 C 系統 (Protein C System)：

本題考驗關於視覺感光細胞（視桿細胞和視錐細胞）在光照和黑暗兩種狀態下，其細胞內部的信號傳導機制。

核心觀念：
感光細胞（視桿細胞和視錐細胞）將光信號轉化為電信號的過程，依賴於細胞膜上的離子通道以及一系列的生化反應。其中，環磷酸鳥苷 (cGMP) 在這個過程中扮演著關鍵角色。

一、 在黑暗中 (In the Dark)

在黑暗中，感光細胞處於「去極化」狀態，並且持續釋放神經傳導物質。

1. cGMP 的合成與濃度：

   • 細胞內存在大量的鳥苷酸環化酶 (Guanylate cyclase)，它持續將 GTP 轉化為 cGMP。
   • cGMP 的濃度很高。

2. 離子通道的開啟：

   • 高濃度的 cGMP 會結合到細胞膜上的陽離子通道（稱為 cGMP 依賴性鈉離子通道，或稱光感受器通道）上。
   • 這些通道保持開啟狀態。

3. 離子流動與膜電位：

   • 由於通道開啟，細胞外的高濃度鈉離子 ($Na^+$) 和鈣離子 ($Ca^{2+}$) 會流入細胞內，同時細胞內的鉀離子 ($K^+$) 也有少量流出。
   • 這種持續的陽離子內流，使得細胞膜內部的電位相對較正（相對於細胞外）。這就是所謂的「去極化」狀態。靜止膜電位大約在 -40 mV 左右，遠高於神經元的靜止膜電位 (-70 mV)。

4. 神經傳導物質的釋放：

   • 這種去極化狀態會維持突觸前末梢的電壓依賴性鈣離子通道開啟，允許 $Ca^{2+}$ 進入，促進神經傳導物質（主要是穀氨酸，glutamate）的釋放。
   • 在黑暗中，釋放的神經傳導物質較多。

二、 在光照中 (In the Light)

當光子進入感光細胞並被視紫質 (rhodopsin) 吸收後，會啟動一個信號級聯反應，最終導致 cGMP 濃度下降，陽離子通道關閉，細胞膜電位變得更負（超極化）。

1. 光子吸收與視紫質活化：

   • 光子被視紫質 (rhodopsin) 的視黃醛 (retinal) 部位吸收，導致視黃醛從順式 (cis) 構象轉變為反式 (trans) 構象。
   • 這個構象變化激活了視紫質，使其與細胞內的轉導蛋白 (transducin, G 蛋白) 結合。

2. 轉導蛋白的激活：

   • 被激活的視紫質與轉導蛋白的 α亞基結合，促使轉導蛋白釋放 GDP，並結合 GTP。
   • 轉導蛋白的 α-GTP 複合物分離出來，並激活磷酸二酯酶 (Phosphodiesterase, PDE)。

3. 磷酸二酯酶 (PDE) 的激活：

   • 被激活的 PDE 是一種酶，它的作用是水解 cGMP，將 cGMP 分解為 GMP。
   • PDE 的活性大大增強，導致細胞內 cGMP 的濃度急劇下降。

4. 離子通道的關閉：

   • 隨著 cGMP 濃度的下降，它與 cGMP 依賴性鈉離子通道的結合減弱。
   • 這些通道開始關閉。

本題考驗對腎上腺素 (epinephrine) 作用、其在體內的代謝與測量，以及可能導致檢測結果與臨床表現不符的原因。

核心觀念：
腎上腺素是一種重要的激素和神經傳導物質，由腎上腺髓質分泌。它作用於 β-腎上腺素能受體，引起心率加快、血管舒張（骨骼肌、肝臟）、血管收縮（皮膚、黏膜）、糖原分解、脂肪分解等作用。

臨床表現與腎上腺素升高一致，但血液檢測結果卻正常，這表明可能存在以下幾種情況：

1. 藥物代謝與半衰期 (Drug Metabolism and Half-life)：

   • 腎上腺素的半衰期非常短，大約只有 2-10 分鐘。
   • 這意味著腎上腺素在血液中的濃度變化非常迅速。
   • 如果患者出現症狀後，從症狀出現到血液採樣之間有一定時間延遲（例如幾分鐘到幾十分鐘），那麼在採樣時，血液中的腎上腺素濃度可能已經下降到正常範圍，即使在症狀出現的當下，其濃度是升高的。

2. 採樣時間點的問題 (Timing of Blood Sample Collection)：

   • 患者的症狀可能是陣發性的，由某些特定誘因（如壓力、運動、情緒波動）短暫誘發。
   • 血液樣本可能恰好在症狀緩解期或腎上腺素濃度自然回落到正常水平時採集，而未能捕捉到高峰期的濃度。

3. 其他類似作用物質 (Other Substances with Similar Effects)：

   • 去甲腎上腺素 (Norepinephrine)：雖然去甲腎上腺素主要作為神經傳導物質，但它也由腎上腺髓質分泌，並且與腎上腺素有部分相似的作用（如升高血壓、心率），但其作用譜略有不同。然而，如果分泌過多，也可能引起類似症狀。
   • 其他壓力激素 (Other Stress Hormones)：如皮質醇 (cortisol) 等，雖然作用機制不同，但長期或急性壓力也會引起一系列生理反應，可能與腎上腺素升高時的某些症狀（如焦慮）重疊。

本題考驗對腎臟主要生理功能的理解。腎臟是人體內極其重要的器官，執行多種維持內環境穩定的功能。

核心觀念：
腎臟的主要功能可以歸納為以下幾個方面：

1. 排泄代謝廢物和外來物質 (Excretion of Metabolic Wastes and Foreign Substances)：

   • 尿素 (Urea)：蛋白質代謝的終產物，主要由肝臟產生，腎臟通過濾過和分泌排出。
   • 肌酐 (Creatinine)：肌肉代謝的產物，由腎臟排出。
   • 尿酸 (Uric Acid)：核酸代謝的產物。
   • 膽紅素代謝產物 (Bilirubin metabolites)：肝臟代謝膽紅素後產生，部分通過腎臟排出。
   • 藥物和毒素 (Drugs and Toxins)：攝入的藥物、食物添加劑、環境毒素等，腎臟通過濾過、分泌和代謝來清除。

2. 調節體液平衡 (Regulation of Body Fluid Balance)：

   • 腎臟通過調節鈉離子 ($Na^+$) 和水的排泄量，精確控制細胞外液的總量和滲透壓，維持體內水分平衡。
   • 當攝水量多時，腎臟增加水的排泄（稀釋尿液）；當攝水量少或體液丟失時，腎臟減少水的排泄（濃縮尿液）。

3. 調節電解質平衡 (Regulation of Electrolyte Balance)：

   • 腎臟嚴格調節體內主要電解質（如鈉 $Na^+$、鉀 $K^+$、鈣 $Ca^{2+}$、磷 $P^{3-}$、氯 $Cl^-$、鎂 $Mg^{2+}$ 等）的濃度。
   • 通過重吸收和分泌過程，將這些離子的濃度維持在穩定的範圍內，這對神經傳導、肌肉收縮、細胞功能等至關重要。
   • 例如，腎臟調節 $K^+$ 的排泄，以維持細胞內外的 $K^+$ 梯度；

本題分為兩部分，第一部分考驗對食物消化過程及營養素吸收的理解，第二部分則探討腹瀉的生理機制。

第一部分：消化過程與營養素

核心觀念：
消化系統將複雜的食物分子分解成小分子，以便被吸收利用。不同的營養素（碳水化合物、蛋白質、脂肪）在消化道不同部位，通過不同的酶和機制進行消化。

食物組成分析：

• 水餃 (Dumplings)：通常由麵皮（碳水化合物，主要是澱粉）和內餡組成。內餡可能是肉類（蛋白質、脂肪）、蔬菜（纖維、維生素、礦物質）。
• 酸辣湯 (Sweet and Sour Soup)：通常包含湯汁、豆腐（蛋白質）、木耳（纖維）、筍絲（纖維）、豬肉絲（蛋白質、脂肪）、雞蛋（蛋白質、脂肪）、醋（酸性物質）、辣椒（辛辣成分）、澱粉勾芡（碳水化合物）。

消化過程與營養素吸收：

1. 口腔 (Mouth)：

   • 物理消化：咀嚼，將食物切碎、混合唾液。
   • 化學消化：唾液中的唾液澱粉酶 (salivary amylase) 開始分解部分澱粉為較短的寡糖。
   • 接收營養素：碳水化合物（部分澱粉分解）。

2. 食道 (Esophagus)：

   • 物理消化：蠕動將食物推向胃。
   • 接收營養素：無。

3. 胃 (Stomach)：

   • 物理消化：胃壁肌肉收縮，將食物與胃液混合，形成食糜 (chyme)。
   • 化學消化：
     • 胃酸 (HCl) 殺滅部分細菌，並使蛋白質變性。
     • 胃蛋白酶 (pepsin) 開始分解蛋白質為較小的多肽。
     • 胃脂肪酶 (gastric lipase) 分解少量脂肪。
   • 接收營養素：蛋白質（開始分解），少量脂肪。

4. 小腸 (Small Intestine)：

   • 十二指腸 (Duodenum)：
     • 膽汁 (bile) 從肝臟/膽囊分泌，乳化脂肪，使其更容易被脂肪酶作用。
     • 胰液 (pancreatic juice) 分泌，含有：
       • 胰澱粉酶 (pancreatic amylase)：繼續分解碳水化合物。
       • 胰蛋白酶 (trypsin) 和其他胰肽酶：進一步分解蛋白質。
       • 胰脂肪酶 (pancreatic lipase)：在膽汁輔助下，分解脂肪為脂肪酸和甘油單酯。
     • 腸液 (intestinal juice) 分泌，含有：
       • 腸澱粉酶、麥芽糖酶 (maltase)、蔗糖酶 (sucrase)、乳糖酶 (lactase)：分解寡糖為單糖（葡萄糖、果糖、半乳糖）。
       • 胜肽酶 (peptidases)、二肽酶 (dipeptidases)：分解多肽為氨基酸。
   • 空腸 (Jejunum) 和迴腸 (Ileum)：
     • 主要吸收場所。
     • 碳水化合物：單糖（葡萄糖、果糖、半乳糖）被主動運輸或促進性擴散吸收進入腸絨毛，然後進入門靜脈。
     • 蛋白質：氨基酸被主動運輸吸收，進入門靜脈。
     • 脂肪：脂肪酸和甘油單酯吸收後，在腸細胞內重新組合成甘油三酯，形成乳糜微粒 (chylomicrons)，進入淋巴系統（乳糜管），最後進入胸導管。
     • 維生素：水溶性維生素（如 B 群、C）隨水吸收；脂溶性維生素（A, D, E, K）隨脂肪吸收。
     • 礦物質：如鈉、鉀、鈣、鐵等被選擇性吸收。
     • 水：隨滲透壓梯度吸收。
   • 接收營養素：所有主要的消化產物（單糖、氨基酸、脂肪酸、甘油單酯、維生素、礦物質、水）。

5. 大腸 (Large Intestine)：

   • 吸收：主要吸收剩餘的水分和電解質（如鈉）。
   • 細菌作用：腸道細菌分解未被消化的纖維素，產生短鏈脂肪酸，並合成部分維生素 K 和 B 群。
   • 形成糞便：未消化的殘渣、細菌、脫落的腸壁細胞等形成糞便。
   • 接收營養素：水、電解質、部分維生素。

總結此餐接收的營養素：

• 碳水化合物：來自麵皮和澱粉勾芡（如葡萄糖、果糖）。
• 蛋白質：來自肉餡、豬肉絲、雞蛋（如氨基酸）。
• 脂肪：來自肉餡、豬肉絲（如脂肪酸、甘油單酯）。
• 纖維：來自蔬菜、木耳、筍絲。

核心觀念

本題為經典的高海拔/缺氧生理學（High-Altitude / Hypoxia Physiology）申論題，評量考生是否能整合呼吸系統、心血管系統、血液與氧氣運送及細胞/組織代謝等層面，完整說明人體在面對「高空低壓性缺氧（Hypobaric hypoxia）」時的急性代償反應（Acute response）與長期適應機轉（Acclimatization）。

涉及之核心觀念與公式包括：

1. 道爾頓分壓定律（Dalton's Law）與肺泡氣體方程式（Alveolar Gas Equation）：
   高海拔處大氣總壓（$P_{\mathrm{B}}$）下降，吸入氧分壓（$P_{\mathrm{IO_2}}$）隨之降低，導致肺泡氧分壓（$P_{\mathrm{AO_2}}$）與動脈血氧分壓（$P_{\mathrm{aO_2}}$）下降。
2. 血液氧含量公式（Arterial Oxygen Content, $C_{\mathrm{aO_2}}$）與氧氣輸送量（Oxygen Delivery, $\mathrm{DO_2}$）：
   $\mathrm{DO_2} = \mathrm{CO} \times C_{\mathrm{aO_2}} = \mathrm{CO} \times \left( [\mathrm{Hb}] \times 1.34 \times S_{\mathrm{aO_2}} + 0.003 \times P_{\mathrm{aO_2}} \right)$
   （其中 $\mathrm{CO}$ 為心輸出量，$[\mathrm{Hb}]$ 為血紅素濃度，$S_{\mathrm{aO_2}}$ 為動脈血氧飽和度）
3. 氧合血紅素解離曲線（Oxyhemoglobin Dissociation Curve, ODC） 的偏移調節（玻爾效應 Bohr effect 與 2,3-BPG 之作用）。
4. 缺氧誘導因子（Hypoxia-Inducible Factor 1$\alpha$, $\text{HIF-1}\alpha$） 驅動的基因表現調控。

---

解題方法

回答高海拔缺氧適應題型時，切忌零散條列。應採取「時間軸（急性代償 $\rightarrow$ 慢性適應）」搭配「四大生理系統（呼吸、心血管、血液、組織細胞）」的多維度架構作答，方能展現研究所層級的整合生理學深度：

1. 呼吸系統（Respiratory Adaptations）：
   • 急性：周邊化學受器受刺激 $\rightarrow$ 過度換氣（Hypoxic Ventilatory Response, HVR）$\rightarrow$ 提升 $P_{\mathrm{AO_2}}$ 與 $P_{\mathrm{aO_2}}$。
   • 伴隨變化與長期調控：過度換氣引發呼吸性鹼中毒（Respiratory alkalosis）$\rightarrow$ 腎臟排出 $\text{HCO}_3^-$ 代償（代謝性酸中毒代償）$\rightarrow$ 恢復血液與腦脊髓液（CSF）之 $\text{pH}$，解除中樞化學受器的呼吸抑制，確立長期的通氣增加。
2. 心血管系統（Cardiovascular Adaptations）：
   • 急性：交感神經活性上升 $\rightarrow$ 心跳速率與心輸出量（$\mathrm{CO}$）增加，加速組織灌流。
   • 肺循環：低氧性肺血管收縮（Hypoxic Pulmonary Vasoconstriction, HPV）優化通氣/灌流比（$V/Q\text{ ratio}$）。
3. 血液與氧氣運送（Hematologic & Transport Adaptations）：
   • 2,3-BPG（2,3-二磷酸甘油酸）增加：紅血球內 2,3-BPG 上升使 ODC 右移，降低血紅素與氧之親和力，促進周邊組織釋氧。
   • EPO（紅血球生成素）分泌：腎臟間質細胞感應缺氧 $\rightarrow \text{HIF-1}\alpha$ 活化 $\rightarrow$ 分泌 EPO $\rightarrow$ 刺激骨髓紅血球生成（Erythropoiesis）$\rightarrow$ 提高 $[\mathrm{Hb}]$ 與血容比（Hct），增加血液載氧容量。
4. 組織與細胞層次（Tissue & Cellular Adaptations）：
   • $\text{HIF-1}\alpha \rightarrow \text{VEGF}$（血管內皮生長因子）表現增加 $\rightarrow$ 微血管新生（Angiogenesis），縮短氧氣擴散至細胞的距離。
   • 增加肌紅蛋白（Myoglobin）含量與粒線體氧化磷酸化酵素效率。

---

生理機轉詳解

一、 呼吸系統的調節（Ventilatory Acclimatization）

1. 低氧通氣反應（Hypoxic Ventilatory Response, HVR）：
   當動脈血氧分壓降低（$P_{\mathrm{aO_2}} < 60\text{ mmHg}$），位於頸動脈體（Carotid bodies）與主動脈體（Aortic bodies）的**周邊化學受器（Peripheral chemoreceptors）**被活化，經由舌咽神經（CN IX）與迷走神經（CN X）將訊號傳入延腦孤立束核（NTS），引發反射性過度換氣（Hyperventilation）。
2. 酸鹼平衡與通氣適應（Renal Compensation for Respiratory Alkalosis）：
   • 急性期過度換氣會大量排出 $\text{CO}_2$，造成動脈血 $P_{\mathrm{aCO_2}}$ 下降，引發呼吸性鹼中毒。血液與腦脊髓液 $\text{pH}$ 上升會抑制中樞化學受器，部分抵消 HVR 的通氣增強作用。