114 年 國立臺灣大學生命科學研究所《動物生理學》

核心觀念

本題考查各類激素與神經傳導物質的：

• 化學來源與合成位置
• 主要生理作用
• 受體類型
• 所屬生理調節系統
• 對血壓、骨骼、代謝、免疫與行為的影響

配對時應先抓住描述中的「關鍵字」，再以激素的典型功能相互核對。

解題方法

依每一小題的關鍵線索配對：

1. 膽固醇來源、Leydig cells → 睪固酮
2. 血管內皮、平滑肌舒張 → 一氧化氮
3. 兒茶酚胺、獎賞與強化行為 → 多巴胺
4. 心房、排鈉、鳥苷酸環化酶受體 → 心房利鈉胜肽
5. 軟骨細胞生長、骨骺閉合 → 生長激素
6. 骨吸收、活化維生素 D → 副甲狀腺素
7. 增加代謝率 → 甲狀腺素
8. 連結免疫系統與腦 → Cortisol
9. 後腦垂體、升高血壓 → Vasopressin
10. Renin 系統活化、升高血壓 → Angiotensin II

各題解析

1. 膽固醇衍生、由 Leydig cells 合成

Leydig cells 位於睪丸間質，主要合成雄性類固醇激素。類固醇激素以膽固醇為原料，合成過程涉及平滑內質網與粒線體。

睪固酮屬於雄性類固醇激素，符合題目描述。

答案：L. Testosterone

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2. 由血管內皮細胞產生，使血管平滑肌舒張

血管內皮細胞受到剪力或特定受體刺激時，會產生一氧化氮（NO）。NO 擴散進入鄰近平滑肌細胞，活化可溶性鳥苷酸環化酶，使細胞內 $cGMP$ 增加，進而促進平滑肌舒張。

$$NO \rightarrow \text{可溶性 guanylate cyclase} \rightarrow \uparrow cGMP \rightarrow \text{血管舒張}$$

答案：F. NO

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3. 兒茶酚胺家族、調節獎賞與強化行為

多巴胺是兒茶酚胺類神經傳導物質，與中腦—邊緣系統的獎賞、動機、強化學習及成癮行為密切相關。

雖然題目使用 hormone 一詞，但此描述的主要對象是神經傳導物質 dopamine。

答案：E. Dopamine

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4. 心房產生、促進排鈉、受體屬鳥苷酸環化酶受體家族

心房受到血容量增加而伸展時，會分泌心房利鈉胜肽（ANP）。ANP 作用於細胞膜上的受體型鳥苷酸環化酶，增加 $cGMP$，促進腎臟排鈉與排水，降低血容量及血壓。

$$ANP \rightarrow \uparrow cGMP \rightarrow \uparrow Na^+ \text{ 排出} \rightarrow \downarrow 血容量$$

答案：C. ANP

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5. 刺激軟骨細胞生長並造成骨骺閉合

生長激素（GH）經由肝臟及局部組織產生的 IGF-1，刺激生長板軟骨細胞增生與骨骼長度增加。

$$GH \rightarrow IGF\text{-}1 \rightarrow \text{軟骨細胞增生} \rightarrow \text{骨骼生長}$$

嚴格而言，骨骺閉合的直接主要因素是雌二醇；但在本題選項中，描述「刺激軟骨細胞生長」的標準配對是生長激素，題目預設答案為 H。

答案：H. Growth hormone

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6. 刺激骨吸收並活化維生素 D

副甲狀腺素（PTH）在血鈣降低時分泌增加，主要作用包括：

• 促進骨骼釋放鈣
• 增加腎小管鈣再吸收
• 減少磷再吸收，使磷排出增加
• 刺激腎臟 $1\alpha$-hydroxylase，使維生素 D 活化為 calcitriol

活化的維生素 D 可增加腸道鈣與磷吸收。

答案：K. Parathyroid hormone

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7. 刺激代謝率

甲狀腺素主要包括 $T_4$（thyroxine）與 $T_3$。其中 $T_3$ 的生理活性較強，可提高多數組織的耗氧量、基礎代謝率及產熱。

題目選項中的 Thyroxin 即指 $T_4$，因此配對為甲狀腺素。

答案：M. Thyroxin

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8. 連結免疫系統與腦的功能

Cortisol 是下視丘—腦下垂體—腎上腺軸的主要糖皮質激素，能同時影響中樞神經系統與免疫系統：

• 中樞神經系統：影響壓力反應、情緒、記憶與認知
• 免疫系統：抑制發炎反應與免疫細胞活性
• 腦與免疫系統之間：透過壓力軸及細胞激素相互調節

因此 Cortisol 是連結免疫系統與腦的重要訊號分子。

答案：D. Cortisol

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9. 後腦垂體產生、升高血壓

Vasopressin 又稱抗利尿激素（ADH），由下視丘合成後運送至後腦垂體儲存與釋放。

其主要升壓作用是刺激血管平滑肌的 $V_1$ 受體，使血管收縮；同時作用於腎臟集合管的 $V_2$ 受體，增加水分再吸收。

$$Vasopressin \rightarrow V_1 \rightarrow \text{血管收縮} \rightarrow \uparrow \text{血壓}$$

答案：N. Vasopressin

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核心觀念

本題考查兩大主題：

1. 滲透作用與主動運輸

   • 滲透作用是水分子沿水的濃度梯度，經由細胞膜移動的被動運輸。
   • 水會由低滲透濃度溶液移向高滲透濃度溶液。
   • 原發性主動運輸直接水解 ATP。
   • 次級主動運輸利用離子電化學梯度所儲存的能量，帶動其他溶質逆濃度梯度移動。

2. Na⁺/K⁺-ATPase 與神經元膜電位

   • 每一循環將 $3$ 個 Na⁺ 泵出細胞、$2$ 個 K⁺ 泵入細胞。
   • 淨移出一個正電荷，因此是電生性運輸幫浦，可直接使膜電位偏向超極化。
   • 抑制幫浦後，原本向外的正電流消失，膜電位會去極化。

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解題方法與填空推導

一、滲透作用與主動運輸

第 1 空

Osmosis 是水分子跨膜、沿濃度梯度移動的過程，本質上屬於擴散，因此：

$$\boxed{1=\text{diffusion}}$$

第 2 空

滲透作用是被動運輸，不消耗代謝能量，因此：

$$\boxed{2=\text{energy}}$$

第 3 空

溶液的滲透濃度越高，表示溶質粒子越多，水的有效濃度越低。因此：

$$\boxed{3=\text{lower}}$$

水由低滲透濃度溶液移向高滲透濃度溶液。

第 4 空

水分子通過細胞膜的主要跨膜蛋白為水通道蛋白 aquaporin：

$$\boxed{4=\text{aquaporin}}$$

第 5、6 空

原發性主動運輸的運輸蛋白直接水解 ATP。題目舉出的典型例子是 Na⁺/K⁺-ATPase，藉由 ATP 取得能量：

$$\boxed{5=\text{Na}^{+}/\text{K}^{+}\text{-ATPase}}$$ $$\boxed{6=\text{energy}}$$

第 7、8 空

次級主動運輸本身不直接水解 ATP，而是利用離子沿著其電化學梯度移動時所釋放的能量。這些離子梯度主要由原發性主動運輸建立：

$$\boxed{7=\text{ions (e.g. Na}^{+}\text{/K}^{+}\text{)}}$$ $$\boxed{8=\text{electrochemical gradient}}$$

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二、Na⁺/K⁺-ATPase 與膜電位

第 9 空

Na⁺/K⁺-ATPase 每次將 $3$ 個正電荷移出、$2$ 個正電荷移入，淨效應是正電荷移出細胞，因此具有電生性：

$$\boxed{9=\text{electrogenic}}$$

第 10、11 空

靜止狀態下，神經元主要存在：

• Na⁺向內流動的電流；
• K⁺向外流動的電流；
• Na⁺/K⁺-ATPase 造成的小幅向外正電流。

幫浦被抑制後，向外的正電流消失，因此細胞內相對變得較正，產生淨向內電流，使膜電位去極化：

$$\boxed{10=\text{net inward current}}$$ $$\boxed{11=\text{depolarizing}}$$

然而，題目提供的第二組選項中沒有「net inward current」，因此第 10 空的選項本身有缺漏。

第 12、13 空

去極化表示膜電位 $V_m$ 變得較不負。

對 K⁺而言，靜止膜電位通常比 $E_K$ 正，因此去極化後，$V_m$ 與 $E_K$ 的差距變大，K⁺向外流動的驅動力增加。

對 Na⁺而言，靜止膜電位遠低於 $E_{Na}$，去極化會使 $V_m$ 更接近 $E_{Na}$，因此 Na⁺向內流動的驅動力減小：

$$\boxed{12=\text{outward K}^{+}\text{ current}}$$ $$\boxed{13=\text{inward Na}^{+}\text{ current}}$$

題目提供的選項卻列為「inward K⁺ current」與「outward Na⁺ current」，方向均與標準生理學推導相反；因此第 12、13 空的選項也有方向性錯誤。若只依離子種類判斷，依序應為 potassium、sodium。

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選項分析

第一段選項

核心觀念

本題考查「餐後血糖恆定」與胰島素、升糖素的協同調節，重點不是只判斷某一種激素升降，而是分析高蛋白、低醣飲食同時造成的兩種刺激：

1. 蛋白質消化後產生大量胺基酸，使血中胺基酸濃度上升。
2. 醣類攝取極少，因此餐後血糖缺乏明顯的外源性補充。

胰島素與升糖素的作用如下：

• 胰島素：促進葡萄糖進入細胞、肝醣與脂肪合成，並抑制肝臟糖質新生與肝醣分解。
• 升糖素：促進肝醣分解與糖質新生，以維持血糖；也促進脂肪分解。
• 胰島素與升糖素的比例，比單獨觀察某一種激素更能反映代謝方向。

解題方法

依序判斷：

1. 餐後直接吸收的營養素：蛋白質多，因此胺基酸上升；醣類少，因此血糖不會因葡萄糖吸收而大幅上升。
2. 胺基酸與血糖對胰島素的刺激：胰島素上升。
3. 高胺基酸濃度與低醣狀態對升糖素的刺激：升糖素也上升。
4. 綜合兩者作用：肝臟將部分胺基酸轉作糖質新生的材料，使血糖維持在接近正常的範圍。

各項血液成分的變化

成分	餐後預期變化	主要原因
葡萄糖	大致維持接近原值，至多小幅上升或下降	醣類攝取少，但糖質新生增加以維持血糖
胺基酸	明顯上升	大量蛋白質被消化、吸收
胰島素	上升	胺基酸直接刺激胰島 β 細胞，且血糖維持亦有刺激作用
升糖素	上升	高胺基酸與低醣狀態刺激胰島 α 細胞，促進肝臟產糖

1. 葡萄糖

由於餐點中的碳水化合物非常少，腸道不會吸收大量葡萄糖，因此餐後血糖不會像高醣飲食一樣明顯升高。

然而，高蛋白飲食會使胺基酸大量進入肝臟，其中部分胺基酸可經由轉胺作用、脫胺作用及糖質新生轉變成葡萄糖。升糖素上升也會促進肝醣分解與糖質新生。因此，肝臟產生的葡萄糖可抵銷低醣飲食造成的葡萄糖供應不足。

所以，血糖的典型結果是：

$$\text{血糖大致維持恆定}$$

在實際測量中，可能出現短暫小幅變化，但重點是不會有高醣餐後的顯著血糖高峰。

2. 胺基酸

高蛋白餐經消化後，蛋白質分解成胜肽與胺基酸，胺基酸被小腸吸收進入門脈，再送往肝臟及全身組織。因此餐後血中胺基酸濃度明顯上升：

$$\text{高蛋白攝取} \rightarrow \text{蛋白質消化} \rightarrow [\text{胺基酸}]_{\text{blood}}\uparrow$$

胺基酸的後續命運包括：

• 被肌肉等組織吸收，用於蛋白質合成；
• 在肝臟中進行脫胺作用；
• 碳骨架進入糖質新生或三羧酸循環；
• 氮則轉換成尿素並排出。

因此，胺基酸上升是本題最直接、最確定的變化。

3. 胰島素

核心觀念

本題考查由臥姿突然站立時的「姿勢性循環變化」與動脈壓力感受器反射，重點包括：

• 靜脈回流與搏出量的關係
• 毛細血管 Starling 力
• 動脈壓力感受器反射
• 交感神經造成的周邊血管收縮

突然站立後，重力使下肢靜脈血液滯留，導致下肢靜脈擴張與血液淤積。

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解題方法

依序分析「靜脈回流 → 心室充盈 → 搏出量 → 動脈壓 → 壓力感受器反射 → 周邊血管」：

1. 靜脈回流下降

站立後，下肢血管所承受的靜水壓增加，血液暫時蓄積於下肢靜脈，使有效回到心臟的血量減少。因此：

$$\text{venous return} \downarrow$$

靜脈回流下降會使舒張末期容積下降。

2. 搏出量下降

依 Frank–Starling 定律，心室舒張末期充盈量越大，心肌伸展越充分，下一次收縮的搏出量越大。因此站立後：

$$\text{EDV} \downarrow \Rightarrow \text{stroke volume} \downarrow$$

心輸出量為：

$$CO = HR \times SV$$

在站立最初瞬間，搏出量下降，使心輸出量與動脈壓下降。之後壓力感受器反射會使心跳速率增加，以部分補償心輸出量下降。

3. 毛細血管濾出增加

站立後，下肢毛細血管的靜水壓因重力上升。毛細血管液體移動可用 Starling 方程式表示：

$$J_v = K_f\left[(P_c-P_i)-\sigma(\pi_c-\pi_i)\right]$$

其中：

• $P_c$：毛細血管靜水壓
• $P_i$：組織液靜水壓
• $\pi_c$：血漿膠體滲透壓
• $\pi_i$：組織液膠體滲透壓

站立後下肢的 $P_c$ 增加，使毛細血管內液體向組織間隙的濾出增加：

$$P_c \uparrow \Rightarrow \text{capillary filtration} \uparrow$$

核心觀念

本題考查 Goldman–Hodgkin–Katz（GHK）膜電位方程式，以及神經元在靜止與動作電位期間，離子濃度梯度、膜通透性與離子通道的關係：

$$V_m=60\log\frac{[K^+]_i+\alpha[Na^+]_i}{[K^+]_o+\alpha[Na^+]_o}$$

其中：

• $[K^+]_i、[Na^+]_i$：細胞內鉀離子與鈉離子濃度。
• $[K^+]_o、[Na^+]_o$：細胞外鉀離子與鈉離子濃度。
• $\alpha$：鈉離子與鉀離子的相對膜通透性，通常可表示為

$$\alpha=\frac{P_{Na}}{P_K}$$

$P_{Na}$ 與 $P_K$ 分別代表膜對 $Na^+$ 與 $K^+$ 的通透性。

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i. 維持 $[K^+]_o/[K^+]_i$ 與 $[Na^+]_o/[Na^+]_i$ 的膜蛋白

主要膜蛋白是 鈉鉀幫浦（Na$^+$/K$^+$-ATPase）。

每消耗 1 個 ATP，鈉鉀幫浦會：

• 將 3 個 $Na^+$ 運出細胞；
• 將 2 個 $K^+$ 運入細胞。

因此，鈉鉀幫浦建立並維持：

• 細胞內高 $K^+$、細胞外低 $K^+$；
• 細胞外高 $Na^+$、細胞內低 $Na^+$。

這些濃度梯度是神經元產生靜止膜電位與動作電位的基礎。鈉鉀幫浦本身也具有輕微的電生性，因為每次運輸造成正電荷淨流出，使細胞內膜電位略微偏負，但膜電位的主要即時形成仍由離子通道通透性與離子電化學梯度決定。

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ii. 神經元電活動期間，離子濃度比值是否保持不變？

在一般神經活動的短時間尺度內，$[K^+]_o/[K^+]_i$ 與 $[Na^+]_o/[Na^+]_i$ 大致維持不變。

原因

動作電位期間，確實有少量離子跨膜移動：

• $Na^+$ 經由電壓閘控鈉離子通道進入細胞；
• $K^+$ 經由電壓閘控鉀離子通道離開細胞。

但相對於神經元細胞內外巨大的離子總量，單一動作電位所移動的離子數量非常少，因此整體濃度變化通常極小，不足以顯著改變濃度比值。

動作電位主要是膜通透性的快速變化，而不是細胞內外離子濃度的大幅改變。活動持續一段時間後，鈉鉀幫浦會逐漸排出進入細胞的 $Na^+$，並補回流失的 $K^+$，恢復離子梯度。

需注意：在高頻放電、長時間神經活動或細胞外空間非常狹小的情況下，細胞外 $K^+$ 可能累積，離子濃度比值便會出現明顯變化。

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iii. $\alpha$ 維持相對穩定的意義，以及其變化如何產生動作電位

$\alpha$ 的生理意義

$\alpha$ 代表鈉離子相對於鉀離子的膜通透性：

$$\alpha=\frac{P_{Na}}{P_K}$$

在神經元靜止狀態：

• $P_K$ 主要來自鉀漏通道，因此相對較高；
• $P_{Na}$ 主要來自少量鈉漏通透性，因此相對較低；
• 所以 $\alpha$ 維持在較小且相對穩定的數值。

此時 GHK 方程式主要受鉀離子項目影響：

$$V_m\approx60\log\frac{[K^+]_i}{[K^+]_o}$$

因此靜止膜電位接近鉀離子平衡電位 $E_K$，通常約為負值。穩定的 $\alpha$ 使神經元在受到刺激前維持穩定的靜止膜電位，並保留對刺激快速反應的能力。

$\alpha$ 變化與動作電位

核心觀念

本題考查體溫調節中的兩類產熱機制：

1. 顫抖產熱（shivering thermogenesis）：骨骼肌快速、非自主收縮，利用 ATP 水解與肌肉代謝產熱。
2. 非顫抖產熱（non-shivering thermogenesis）：主要由棕色脂肪組織中的粒線體透過 UCP1 解偶聯，使氧化代謝產生的能量以熱形式釋放。

體溫調節的基本原則是：

$$\text{核心體溫下降} \rightarrow \text{下視丘啟動產熱與減少散熱} \rightarrow \text{核心體溫回升}$$

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i. Thermogenesis 的意義

**Thermogenesis（產熱作用）**是指生物體透過細胞代謝與生理活動產生熱能的過程。

人體的熱量主要來自：

• 基礎代謝與細胞呼吸；
• 骨骼肌收縮，包括顫抖產熱；
• 棕色脂肪組織的非顫抖產熱；
• 食物消化、吸收與代謝；
• 荷爾蒙提高代謝率所造成的產熱。

細胞代謝時，營養物質的化學能通常先轉換成 ATP。ATP 用於細胞工作時，能量最終有相當部分轉換為熱能。棕色脂肪中的 UCP1 則會降低氧化磷酸化形成 ATP 的效率，使質子梯度的能量直接以熱釋放。

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ii. 棕色脂肪細胞的功能與細胞學特徵

功能

棕色脂肪細胞的主要功能是進行非顫抖產熱，特別重要於：

• 新生兒維持體溫；
• 暴露於低溫時增加產熱；
• 冬眠動物甦醒時快速升高體溫。

低溫時，交感神經釋放去甲腎上腺素，作用於棕色脂肪細胞的 $\beta_3$ 腎上腺素受體，促進脂解作用。釋放出的游離脂肪酸一方面作為粒線體氧化的燃料，另一方面可活化 UCP1。

UCP1 位於粒線體內膜，會讓質子繞過 ATP synthase 回流至粒線體基質，使氧化磷酸化的能量不主要用於合成 ATP，而是以熱能形式釋放：

$$\text{脂肪酸氧化} \rightarrow \text{質子梯度} \overset{\text{UCP1}}{\longrightarrow} \text{熱}$$

與白色脂肪細胞的細胞學比較

特徵	白色脂肪細胞	棕色脂肪細胞
主要功能	儲存能量、機械性保護、內分泌功能	非顫抖產熱
脂滴	單一大型脂滴，單房性	多個小脂滴，多房性
細胞核	被脂滴推至周邊，較扁平	通常位於中央或偏中央
粒線體	較少	數量多、體積大
顏色	白色或淡黃色	棕色，來自大量粒線體與豐富血流
血管與神經	相對較少	微血管與交感神經分布豐富
特殊蛋白	無大量 UCP1	粒線體內膜含大量 UCP1

棕色脂肪細胞具有大量粒線體，是因為其主要任務不是長期儲存脂肪，而是迅速氧化脂肪酸並產生熱量。

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iii. 核心體溫下降時的體溫調節反射圖

反射圖

核心觀念

本題考查腎臟如何利用亨利氏環（loop of Henle）的「逆流倍增系統」（countercurrent multiplier system），建立腎髓質由外向內逐漸升高的滲透濃度梯度，並在抗利尿激素（antidiuretic hormone, ADH；又稱 vasopressin）作用下調節尿液濃度。

相關核心概念包括：

• 下降支：對水通透性高，對溶質通透性低。
• 上升支：對水幾乎不通透，能將 NaCl 運回血液；粗上升支主要透過 $Na^+-K^+-2Cl^-$ 共運輸器（NKCC2）主動運輸。
• 腎髓質間質：形成高滲透壓環境。
• 集合管：在 ADH 作用下增加水通透性，使水分回收並濃縮尿液。
• 直小血管（vasa recta）：透過逆流交換作用維持腎髓質的滲透梯度，但它本身不是「逆流倍增」的主要結構。

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解題方法

解題時依序掌握「建立梯度」與「利用梯度回收水分」兩個階段。

一、粗上升支建立橫向滲透壓差

粗上升支主動將 NaCl 輸送至腎髓質間質，增加間質液的滲透壓；但粗上升支對水不通透，因此水分不能跟著 NaCl 離開管腔。

結果為：

• 上升支管腔液的 NaCl 減少，滲透壓下降。
• 腎髓質間質的 NaCl 增加，滲透壓上升。
• 形成管腔與間質之間的橫向滲透壓差。

可用簡化關係表示：

$$\text{粗上升支主動輸出 NaCl} \Rightarrow \text{髓質間質滲透壓上升}$$

二、腎小管液反向流動，使局部差異逐步放大

下降支與上升支中的液體流向相反：

• 下降支：由皮質流向腎髓質深部。
• 上升支：由腎髓質深部流回皮質。

下降支容易透水，因此當周圍腎髓質間質變得高滲時，水便由下降支移出，管腔液濃縮。濃縮後的液體繼續流入上升支；上升支再將 NaCl 移出而不讓水離開。

這一連串「主動輸出 NaCl、下降支失水、液體繼續前進」的循環，使原本局部的滲透壓差沿著腎髓質由外向內逐步放大，形成皮質到內髓質的滲透梯度。此現象稱為逆流倍增。

一般而言：

• 腎皮質約為 $300\ \text{mOsm/kg}$。
• 內髓質深部可達約 $1{,}200\ \text{mOsm/kg}$。

髓質間質的高滲透壓主要來自 NaCl，內髓質部分則受到尿素再循環的貢獻。

三、ADH 利用髓質梯度濃縮尿液

逆流倍增系統主要是「建立」腎髓質滲透梯度；真正決定集合管能否大量回收水分的主要激素是 ADH。

當血液滲透壓升高或體液量下降時，下視丘感受器促使神經垂體後葉分泌 ADH。ADH 與集合管主細胞基底外側膜上的 $V_2$ 受體結合，經由 cAMP／蛋白激酶 A 路徑，使水通道蛋白 AQP2 插入集合管腔面膜。