115 年 國立臺灣大學生命科學研究所《動物生理學》

本題主要在探討肌肉收縮的分子機制，特別是鈣離子在其中扮演的角色。

肌肉收縮的分子機制主要涉及肌動蛋白（actin，細絲）和肌凝蛋白（myosin，粗絲）之間的交互作用。這個過程受到鈣離子濃度的精密調控。

1. 鈣離子如何啟動交互作用：

   • 在肌肉放鬆狀態下，肌凝蛋白結合位點被抑制蛋白（troponin）和原肌凝蛋白（tropomyosin）所覆蓋，阻止肌凝蛋白頭部與肌動蛋白結合。
   • 當神經衝動傳遞至肌肉細胞，引發肌細胞膜去極化，進而刺激肌漿網（sarcoplasmic reticulum, SR）釋放出大量的鈣離子（$Ca^{2+}$）進入肌漿（sarcoplasm）。
   • 鈣離子與肌鈣蛋白（troponin）的亞單位結合，引起肌鈣蛋白構象的改變。
   • 肌鈣蛋白構象的改變會連帶影響附著在其上的原肌凝蛋白，使其移動位置，暴露出肌動蛋白上原本被遮蔽的肌凝蛋白結合位點。

2. 分子層級的變化轉換為肌肉張力（交互作用）：

   • 一旦結合位點暴露，肌凝蛋白頭部（myosin head）的肌纖維蛋白（actin-binding site）即可結合到肌動蛋白上，形成肌凝蛋白-肌動蛋白複合物（cross-bridge）。

本題考查神經細胞動作電位的恢復機制，重點在於絕對不反應期與相對不反應期的離子通道動力學。

核心觀念： 動作電位的產生和恢復依賴於電壓閘門鈉離子通道（voltage-gated $Na^+$ channels）和電壓閘門鉀離子通道（voltage-gated $K^+$ channels）的開放與關閉狀態。不反應期的存在是神經衝動單向傳導的基礎。

絕對不反應期 (Absolute Refractory Period)：

1. 發生時間： 發生在動作電位的去極化（depolarization）和大部分的再極化（repolarization）階段。
2. 原因： 在此時期，絕大多數的電壓閘門鈉離子通道都處於「失活狀態」（inactivated state）。鈉離子通道的失活門（inactivation gate）會關閉，阻止鈉離子（$Na^+$）再次內流，即使給予強於閾值的刺激，也無法再次引發動作電位。
3. 離子通道狀態比較：
   • 電壓閘門鈉離子通道： 處於失活狀態。通道的兩個門（活化門 activation gate 和失活門 inactivation gate）都處於關閉狀態（活化門關閉，失活門打開，但失活門的關閉是阻礙 $Na^+$ 流動的關鍵）。
   • 電壓閘門鉀離子通道： 剛開始開放，但其開放速度較慢，對動作電位的產生影響不大。

相對不反應期 (Relative Refractory Period)：

1. 發生時間： 發生在再極化階段的後期，直到膜電位恢復到靜止膜電位。
2. 原因： 在此時期，鈉離子通道的失活門開始恢復（活化門關閉，失活門打開），部分鈉離子通道可以再次被活化，但由於部分鈉離子通道仍處於失活狀態，且鉀離子通道大量開放導致膜電位比靜止膜電位更負（超極化 hyperpolarization），因此需要比平時更強的刺激才能達到閾值，引發一個新的動作電位。
3. 離子通道狀態比較：
   • 電壓閘門鈉離子通道： 大部分已從失活狀態恢復（活化門關閉，失活門打開），但仍有部分處於失活狀態。
   • 電壓閘門鉀離子通道： 仍處於開放狀態，加速鉀離子（$K^+$）外流，使膜電位更負，這就是超極化的原因，也是需要更強刺激才能達到閾值的原因。

比較總結：

本題旨在比較不同脊椎動物（魚類、兩生類、哺乳類）的循環系統演化差異，並探討其心臟構造、血液循環路徑與氧合效率如何適應其生活型態。

核心觀念： 循環系統的演化趨勢是從單迴路、兩腔心臟朝向雙迴路、四腔心臟發展，以提高氧氣運輸效率，滿足更高代謝率的需求。

1. 魚類 (Fish)

• 心臟構造：
  • 兩腔心臟：包含一心房（atrium）和一心室（ventricle）。
  • 無瓣膜的靜脈竇（sinus venosus）和動脈球（bulbus arteriosus）或動脈圓錐（conus arteriosus）分別在心房前和心室後。
• 血液循環路徑：
  • 單迴路循環 (Single-circuit circulation)：
    • 身體靜脈血 → 靜脈竇 → 心房 → 心室 → 動脈球/圓錐 → 腹主動脈 → 鰓動脈 → 鰓 (在此處進行氣體交換，血液由靜脈血變為動脈血) → 背主動脈 → 身體組織 → 靜脈。
  • 血液只經過心臟一次，然後直接流向鰓，再流向全身。
• 氧合效率：
  • 低效率： 血液流經鰓後，氧氣分壓雖然升高，但緊接著就流向全身組織，混合了來自全身缺氧的靜脈血。因此，流經心臟的血液始終是靜脈血，而流向全身的血液雖然經鰓充氧，但氧氣分壓相對不高。
  • 低代謝率： 魚類通常生活在水中，活動量相對較小，代謝率較低，單迴路循環足以供應其氧氣需求。
• 與生活型態的關係： 生活在水中，氧氣溶解度低，且需克服水的阻力，單迴路循環配合兩腔心臟，結構簡單，耗能少，足以應付其較低的代謝需求。

2. 兩生類 (Amphibians)

• 心臟構造：
  • 三腔心臟：包含兩個心房（左心房、右心房）和一個共同心室（ventricle）。
  • 心房分隔：左心房接收來自肺部和皮膚的含氧血，右心房接收來自身體其他部位的缺氧血。
  • 心室：雖然是單一心室，但其內部有不完全的隔膜或結節，有助於在一定程度上分離動脈血和靜脈血，減少混合。
• 血液循環路徑：
  • 雙迴路循環 (Double-circuit circulation)：
    • 肺皮膚循環 (Pulmonary-cutaneous circuit)： 右心房 → 心室 → （部分血液流向肺動脈 → 肺 → 肺靜脈 → 左心房，進行氣體交換）
    • 體循環 (Systemic circuit)： 左心房 → 心室 → （部分血液流向動脈幹 → 身體組織 → 體靜脈 → 右心房，進行氣體交換）
  • 血液流經心臟兩次：一次到肺（或皮膚）進行氣體交換，一次到全身。
• 氧合效率：
  • 中等效率： 相較於魚類，雙迴路循環提高了氧氣運輸效率。然而，由於心室是單一的，動脈血和靜脈血仍有一定程度的混合，尤其是在缺氧狀態下，皮膚呼吸會加強，進一步增加血液混合。
  • 中等代謝率： 兩生類生活在水陸之間，活動量介於魚類和哺乳類之間，代謝率也相對較高，需要比魚類更高的氧氣供應。
• 與生活型態的關係： 變溫動物，部分時間生活在水中，部分時間在陸上，需要透過肺和皮膚進行呼吸。三腔心臟和雙迴路循環能更有效地將氧氣輸送到組織，適應其在水陸之間的生活方式和相對較高的代謝率。

3. 哺乳類 (Mammals)

• 心臟構造：
  • 四腔心臟：包含兩個心房（左心房、右心房）和兩個心室（左心室、右心室）。
  • 完整的心室分隔：左心室負責將含氧血泵送到全身，右心室負責將缺氧血泵送到肺部。心室之間有完全的隔膜，有效防止動脈血和靜脈血混合。

本題考查抗利尿激素（Antidiuretic Hormone, ADH），又稱血管加壓素（Vasopressin）在哺乳動物腎臟細胞中的作用機制，特別是其訊號傳遞途徑和對水通道蛋白（aquaporins）的調控。

核心觀念： ADH 是一種肽類激素，主要作用於腎臟集合管（collecting duct）和遠曲小管（distal convoluted tubule）的細胞，增加這些部位對水的通透性，從而促進水的重吸收，濃縮尿液，維持體內水分平衡。

作用機制與訊號傳遞途徑：

1. ADH 進入腎臟細胞：

   • ADH 在血液中循環，到達腎臟的目標細胞（集合管和遠曲小管的細胞）。
   • ADH 是一種肽類激素，它不能穿透細胞膜。因此，它必須與細胞膜上的特定受體結合，這個受體是 G 蛋白偶聯受體（G protein-coupled receptor, GPCR），稱為 V2 受體（V2 receptor）。V2 受體主要存在於腎臟集合管細胞的基側膜（basolateral membrane）。

2. G 蛋白偶聯受體 (V2R) 活化：

   • ADH 分子與 V2 受體結合後，會引起受體的構象改變。
   • 這個構象改變激活了與受體偶聯的 G 蛋白（通常是 $G_s$ 蛋白）。
   • 活化的 G 蛋白會解離成 $\alpha$ 和 $\beta\gamma$ 亞單位。

3. 腺苷酸環化酶 (Adenylyl Cyclase) 活化：

   • $G_s\alpha$ 亞單位會激活細胞膜上的酶——腺苷酸環化酶（adenylyl cyclase）。

4. 環腺苷酸 (cAMP) 產生：

   • 腺苷酸環化酶催化 ATP 轉化為環腺苷酸（cyclic AMP, cAMP），這是一種重要的第二信使。
   • 細胞內 cAMP 的濃度迅速升高。

本題考查胰島素（Insulin）在調節葡萄糖代謝中的作用，特別是其細胞內訊號傳遞機制以及如何促進葡萄糖進入細胞和增加其代謝。

核心觀念： 胰島素是一種促進合成的激素，主要作用是降低血糖。它通過與細胞膜上的受體結合，啟動一系列細胞內訊號傳遞事件，最終影響葡萄糖轉運蛋白（GLUTs）的活性和細胞對葡萄糖的利用。

胰島素作用機制：

1. 胰島素與受體結合：

   • 胰島素首先與其細胞膜上的受體結合，即胰島素受體（Insulin Receptor, IR）。胰島素受體是一種酪胺酸激酶受體（tyrosine kinase receptor），由兩個 $\alpha$ 亞單位（結合胰島素）和兩個 $\beta$ 亞單位（具有酪胺酸激酶活性）組成，形成一個四聚體。
   • 胰島素結合後，會引起受體構象的改變，使其酪胺酸激酶區域發生自身磷酸化（autophosphorylation）。

2. IRS 蛋白的磷酸化：

   • 受體酪胺酸激酶（RTK）的磷酸化激活了下游的底物，其中最重要的是胰島素受體底物（Insulin Receptor Substrates, IRS）蛋白家族（如 IRS-1, IRS-2）。
   • 激活的胰島素受體會磷酸化 IRS 蛋白上的酪胺酸殘基。

3. PI3K 訊號傳遞途徑活化：

   • 磷酸化的 IRS 蛋白能夠招募並激活磷脂醯肌醇-3-激酶（Phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K）。
   • PI3K 是一種關鍵的下游酶，它在細胞膜磷脂 PIP2 上作用，生成 PIP3。

4. Akt (PKB) 活化：

   • PIP3 作為一個細胞內信號分子，能夠招募並激活另一種重要的激酶——蛋白激酶 B（Protein Kinase B, PKB），也稱為 Akt。
   • Akt 是一種絲/蘇氨酸激酶（serine/threonine kinase），在胰島素訊號傳遞中扮演核心角色。

促進葡萄糖進入細胞（以肌肉細胞和脂肪細胞為例）：

本題考查人類胚胎性別分化過程中，兩個重要的胚胎導管——Wolffian duct（稱 Wolff 氏管或稱導管）和 Müllerian duct（稱 Müller 氏管或稱副中腎管）的發育變化，以及這些變化所受到的荷爾蒙調控。

核心觀念： 在人類胚胎早期，男女胚胎都同時擁有 Wolffian duct 和 Müllerian duct。性別分化取決於性染色體（XX 或 XY）以及隨後產生的性腺（卵巢或睪丸）所分泌的荷爾蒙。

胚胎導管的初始狀態：

在胚胎發育的早期階段（大約懷孕 6-7 週），男女胚胎都具有：

• Wolffian Duct： 位於胚胎的兩側，起源於中腎（mesonephros），其發育潛力導向男性生殖道。
• Müllerian Duct： 位於 Wolffian Duct 的內側，起源於副中腎（paramesonephros），其發育潛力導向女性生殖道。

性別分化過程與荷爾蒙調控：

情況一：XY 胚胎（男性分化）

1. 性腺發育： 在 Y 染色體的 SRY 基因（Sex-determining Region Y）的調控下，胚胎的原始性腺（genital ridge）發育成睪丸（testes）。
2. 睪丸分泌的荷爾蒙： 睪丸隨後開始分泌兩種關鍵荷爾蒙：
   • 睪固酮 (Testosterone)： 由睪丸的 Leydig cells（萊迪氏細胞）分泌。
   • 抗穆勒氏管荷爾蒙 (Anti-Müllerian Hormone, AMH)，也稱為 Mullerian Inhibiting Substance (MIS)：由睪丸的 Sertoli cells（賽托利氏細胞）分泌。
3. Wolffian Duct 的發育：
   • 睪固酮在靶細胞（Wolffian Duct）內轉化為二氫睪固酮（Dihydrotestosterone, DHT）。DHT 對 Wolffian Duct 的發育具有更強的促進作用。
   • 在睪固酮/DHT 的作用下，Wolffian Duct 發育並分化成男性生殖道的結構：
     • 附睪 (epididymis)
     • 輸精管 (vas deferens / ductus deferens)
     • 射精管 (ejaculatory duct)
4. Müllerian Duct 的退化：