109 年 國立臺灣大學獸醫學系碩士班乙組《解剖生理學》

本題主要考查心肌細胞的興奮-收縮耦聯機制及其調控。

心肌細胞的興奮與收縮是一個複雜但高度協調的過程，涉及電生理學和生化學的相互作用。

一、 心肌細胞的興奮 (Excitation)

心肌細胞的興奮始於自律性細胞（如竇房結 SA node）產生的動作電位，然後傳導至心臟的各個部分。其興奮過程主要涉及以下離子通道和離子流動：

1. 靜止膜電位 (Resting Membrane Potential, RMP): 心肌細胞在靜止狀態下，膜電位約為 -80 至 -95 mV，主要由鉀離子 ($K^+$) 的外流維持，細胞膜對 $K^+$ 的通透性較高。
2. 動作電位 (Action Potential, AP): 當受到刺激並達到閾電位時，心肌細胞會產生動作電位。心肌細胞的動作電位階段與神經元或骨骼肌有所不同，具有平台期 (plateau phase)。
   • 去極化 (Depolarization, Phase 0): 快速打開的鈉離子通道 ($Na^+$) 導致大量 $Na^+$ 內流，使膜電位迅速升高至約 +20 mV。
   • 早期復極 (Early Repolarization, Phase 1): $Na^+$ 通道失活，鉀離子 ($K^+$) 通道開始打開，少量 $K^+$ 外流，膜電位略有下降。
   • 平台期 (Plateau Phase, Phase 2): 鈣離子 ($Ca^{2+}$) 通道（L型鈣通道）打開，緩慢的 $Ca^{2+}$ 內流，同時鉀離子 ($K^+$) 通道持續打開，少量 $K^+$ 外流。$Ca^{2+}$ 內流和 $K^+$ 外流的平衡使得膜電位在一個較高的水平（約 -10 mV）維持一段時間，這對心肌收縮至關重要。
   • 晚期復極 (Late Repolarization, Phase 3): $Ca^{2+}$ 通道關閉，$K^+$ 通道大量打開，大量 $K^+$ 外流，使膜電位恢復到靜止膜電位。
   • 靜止期 (Resting Phase, Phase 4): 膜電位維持在靜止水平，等待下一次興奮。

二、 心肌細胞的收縮 (Contraction) - 興奮-收縮耦聯 (Excitation-Contraction Coupling, ECC)

心肌細胞的收縮是通過興奮-收縮耦聯機制實現的，其核心是細胞外 $Ca^{2+}$ 內流觸發細胞內 $Ca^{2+}$ 的釋放。

1. 鈣離子誘導的鈣離子釋放 (Calcium-Induced Calcium Release, CICR):

   • 當動作電位的平台期，L型鈣通道（電壓門控的 $Ca^{2+}$ 通道）打開，少量細胞外 $Ca^{2+}$ 進入細胞質。
   • 這些內流的 $Ca^{2+}$ 觸發位於肌漿網 (Sarcoplasmic Reticulum, SR) 上的蘭氏受體 (Ryanodine Receptors, RyRs) 打開，導致肌漿網儲存的大量 $Ca^{2+}$ 快速釋放到細胞質（肌漿）中。
   • 這個過程稱為 CICR，是心肌收縮 $Ca^{2+}$ 的主要來源（約 80% 的收縮 $Ca^{2+}$ 來自 SR，約 20% 來自細胞外）。

2. 肌動蛋白-肌凝蛋白交互作用 (Actin-Myosin Interaction):

   • 細胞質 $Ca^{2+}$ 濃度升高後，$Ca^{2+}$ 會與肌鈣蛋白 C (Troponin C, TnC) 結合。
   • $Ca^{2+}$ 與 TnC 的結合會引起肌鈣蛋白複合物（Troponin complex）的構象變化，進而移開抑制肌動蛋白 (Actin) 和肌凝蛋白 (Myosin) 交互作用的肌原纖維蛋白 (Tropomyosin)。
   • 肌動蛋白和肌凝蛋白得以結合，形成橫橋 (cross-bridges)，並發生滑行，導致肌節縮短，細胞收縮。

本題考查腎素-血管張力素系統 (Renin-Angiotensin System, RAS) 在調節血壓上升中的作用。

腎素-血管張力素系統是一個重要的體液調節系統，主要通過激素的級聯反應來維持體液平衡和調節血壓。當血壓下降、血流減少或血鈉離子濃度降低時，該系統被激活。

RAS 的激活過程與主要成分：

1. 腎素 (Renin): 由腎臟的近球細胞 (juxtaglomerular cells) 在血壓下降、交感神經興奮或 macula densa 檢測到低鈉時釋放。腎素是一種酶，作用於肝臟產生的血管緊張肽原 (angiotensinogen)。
2. 血管緊張肽原 (Angiotensinogen): 肝臟持續合成的一種α2-球蛋白。
3. 血管緊張肽 I (Angiotensin I, Ang I): 腎素將血管緊張肽原切開，生成 Ang I。Ang I 本身沒有顯著的生理活性。
4. 血管緊張肽轉化酶 (Angiotensin-Converting Enzyme, ACE): 主要存在於肺部血管內皮細胞，也存在於其他組織。ACE 將 Ang I 轉化為 Ang II。
5. 血管緊張肽 II (Angiotensin II, Ang II): RAS 的主要活性產物，具有多種強大的生理作用，能顯著升高血壓。
6. 血管緊張肽 III (Angiotensin III, Ang III): 由 Ang II 在氨肽酶作用下水解而來，也有一定的生理作用，但活性弱於 Ang II。
7. 血管緊張肽 IV (Angiotensin IV, Ang IV): 由 Ang III 水解而來，主要作用於腎臟和腦部，與局部血流調節和細胞增殖有關。

RAS 調節血壓上升的生理作用 (主要通過 Ang II):

Ang II 升高血壓的作用是多方面的，主要包括：

1. 強烈的血管收縮作用 (Vasoconstriction):
   • Ang II 是目前已知最强的內源性血管收縮劑之一。它作用於全身小動脈的平滑肌上的 Ang II 1 型受體 ($AT_1$ receptor)。
   • Ang II 誘導的血管收縮會增加總外周血管阻力 (Total Peripheral Resistance, TPR)，這是血壓 (BP) 的基本決定因素之一 (BP ≈ Cardiac Output × TPR)。

本題考查前列腺素 (Prostaglandins, PGs) 的合成途徑，重點在於其起始原料和關鍵酶。

前列腺素是一類結構上與類固醇激素相似的脂質化合物，屬於類花生酸 (eicosanoids)，由細胞膜上的磷脂質（特指花生四烯酸）經過一系列酶促反應合成。

前列腺素的合成路徑：

前列腺素的合成是一個多步驟的過程，其起始原料是細胞膜磷脂質中的花生四烯酸 (Arachidonic Acid, AA)。花生四烯酸是 20 個碳原子的多不飽和脂肪酸。

1. 花生四烯酸的釋放 (Release of Arachidonic Acid):

   • 當細胞受到特定的刺激（如炎症因子、激素、機械刺激等）時，細胞膜上的磷脂質會被磷脂酶 A2 (Phospholipase A2, PLA2) 水解。
   • PLA2 是一種關鍵酶，它能從磷脂質的 sn-2 位置上釋放出花生四烯酸。
   • 釋放出來的花生四烯酸可以進入細胞質，參與合成前列腺素、血栓素 (thromboxanes, TXs) 或白三烯 (leukotrienes, LTs) 等類花生酸。

2. 環氧化酶途徑 (Cyclooxygenase Pathway, COX pathway):

   • 這是合成前列腺素和血栓素的主要途徑。
   • 花生四烯酸在環氧化酶 (Cyclooxygenase, COX) 的作用下，發生環化反應，生成一個不穩定的中間產物——前列腺環素 G2 (Prostaglandin G2, PGG2)。
   • COX 酶有兩種主要的同工酶：
     • COX-1: 在大多數組織中構成性表達 (constitutively expressed)，參與維持正常的生理功能，如胃黏膜保護、血小板聚集等。
     • COX-2: 在正常情況下表達水平較低，但在炎症、腫瘤等病理狀態下會被誘導表達 (inducible)，參與炎症和疼痛的介導。

好的，我是您的《解剖生理學》補教名師，針對國立臺灣大學獸醫學系碩士班乙組 109 年的考古題第 4 題，提供以下詳解。

這題主要在考驗您對腎臟基本結構單位——腎元的組成，以及其不同部分在尿液形成過程中所扮演的關鍵角色。理解腎小管各段的解剖位置與其特異性功能，是掌握腎臟調節體液平衡、排除代謝廢物的核心。

第 4 題：請說明腎小管各段的解剖名稱及主要功能為何。

解題過程：

腎臟的基本結構與功能單位是腎元（nephron）。每個腎元包含腎小體（renal corpuscle）和腎小管（renal tubule）。腎小體負責過濾血液，而腎小管則負責對濾液進行重吸收和分泌，最終形成尿液。腎小管是一個連續的結構，但根據其形態學和生理學特徵，可以劃分為以下幾個主要部分：

(a) 近曲小管 (Proximal Convoluted Tubule, PCT)

• 解剖名稱： 緊接在腎小囊（Bowman's capsule）之後，是腎小管的第一段，呈彎曲狀。
• 主要功能：
  • 大量重吸收： 這是腎小管中重吸收作用最活躍的部分。
    • 葡萄糖和胺基酸： 幾乎 100% 的葡萄糖和胺基酸在此段被重吸收回血液，透過鈉離子協同運輸（Na+-glucose cotransporter, SGLT）和鈉離子協同運輸（Na+-amino acid cotransporter）完成。
    • 鈉離子和氯離子： 約 65% 的鈉離子和氯離子被重吸收，主要透過鈉離子幫浦（Na+-K+-ATPase）驅動的主動運輸以及離子通道和載體介導的被動運輸。
    • 水： 由於溶質（如 Na+）的大量重吸收，滲透壓升高，約 65% 的水也隨之被動滲透重吸收。
    • 鉀離子、鈣離子、鎂離子： 部分被重吸收。
    • 碳酸氫根離子 (HCO3-)： 約 80-90% 的碳酸氫根離子被重吸收，這對於維持體液酸鹼平衡至關重要。
  • 分泌作用：
    • 有機酸和鹼： 如某些藥物（青黴素）、毒素、代謝廢物（尿酸、肌酸酐）等，會被分泌到管腔中，幫助清除體內有害物質。
    • 氫離子 (H+)： 分泌氫離子，參與碳酸氫根離子的重吸收和尿液的酸化。

(b) 亨利氏環 (Loop of Henle)

• 解剖名稱： 緊接在近曲小管之後，向下延伸至髓質，然後再向上彎曲回到皮質。它包含 descending limb（下降肢）和 ascending limb（上升肢）。
• 主要功能：
  • 建立髓質高滲透壓梯度： 這是亨利氏環最關鍵的功能，對於濃縮尿液至關重要。
    • 下降肢： 主要對水通透，對離子（如 Na+）通透性較低。水會因滲透壓差而從管腔滲透到髓質間質，導致管腔內液體濃縮。
    • 上升肢： 分為薄段和厚段。
      • 薄段上升肢： 對離子（如 Na+）通透性較高，但對水幾乎不通透。髓質間質的高滲透壓會驅動 Na+ 等離子被動擴散進入管腔。
      • 厚段上升肢： 含有 Na+-K+-2Cl- 協同運輸體（NKCC2），主動將 Na+、K+、Cl- 從管腔運送到髓質間質。