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115年:營養生理生化(1)

下列何種物質不以擴散（diffusion）方式，使其由細胞外部通過細胞膜而進入細胞內？

A尿素（urea）
B氧氣（oxygen）
C乙醇（ethanol）
D葡萄糖（glucose）

詳細解析

本題觀念：

細胞膜的物質運輸機制 (Transport Across Cell Membranes)

本題主要測驗考生對於不同物質通過細胞膜機制的理解，特別是「簡單擴散（Simple Diffusion）」與「促進性擴散（Facilitated Diffusion）」的區別。 一般生物學與生理學考試中，若題目單獨提及「擴散（Diffusion）」而未加修飾，通常是指簡單擴散（即物質直接穿過磷脂雙分子層，不需載體蛋白協助）。

細胞膜的選擇性通透（Selective Permeability）原則如下：

  1. 簡單擴散（Simple Diffusion）：適用於疏水性小分子（如氣體）、脂溶性物質、以及極性不帶電的小分子。
  2. 促進性擴散（Facilitated Diffusion）：適用於親水性較大分子（如葡萄糖、胺基酸）或帶電離子，需藉由膜上的通道蛋白（Channel）或載體蛋白（Carrier）協助，順濃度梯度運輸。

選項分析

  • A. 尿素（Urea）：屬於擴散（簡單擴散）。 尿素是代謝廢物，分子量小（60 Da）且不帶電，雖然具有極性，但其體積夠小，能夠緩慢通過細胞膜的磷脂雙分子層。在生理學上，尿素常被視為「無效滲透壓劑（Ineffective Osmole）」，因為它最終能穿過細胞膜達到平衡。雖然在腎臟等特定組織中有「尿素轉運蛋白（Urea Transporters, UT）」協助加速其移動（促進性擴散），但在一般細胞膜通透性的分類中，尿素常與水、乙醇並列為可經由簡單擴散通過的物質。

  • B. 氧氣（Oxygen, O₂）：屬於擴散（簡單擴散）。 氧氣是疏水性（非極性）的氣體小分子，對脂雙層的通透性極高。它能自由地直接穿過細胞膜，完全依賴濃度梯度進行簡單擴散，不需任何載體。

  • C. 乙醇（Ethanol）：屬於擴散（簡單擴散）。 乙醇是脂溶性小分子，能夠輕易溶於細胞膜的脂質部分，因此可以極快地透過簡單擴散自由進出細胞。

  • D. 葡萄糖（Glucose）：不以簡單擴散方式通過（正確答案）。 葡萄糖分子量較大（180 Da）且為強極性分子（多個羥基），無法直接穿過疏水性的磷脂雙分子層。它必須依賴細胞膜上的特殊蛋白質才能進入細胞：

    1. 促進性擴散（Facilitated Diffusion）：大多數體細胞（如紅血球、肌肉、脂肪細胞）利用 GLUT（Glucose Transporters）載體蛋白，順濃度梯度進入細胞。
    2. 二級主動運輸（Secondary Active Transport）：在腸道或腎小管，利用 SGLT（Sodium-Glucose Co-transporters）進行運輸。

    由於題目問的是「不以擴散（diffusion）方式」（此處隱指 Simple Diffusion，即直接穿膜），葡萄糖是選項中唯一絕對無法直接穿過脂雙層的物質。即便將題目廣義解釋為包含促進性擴散，葡萄糖也是唯一具有「飽和性」、「立體專一性」且嚴格依賴載體的物質，與其他三者能單純物理性穿膜的特性有顯著差異。

答案解析

正確答案是 (D) 葡萄糖（glucose）。

這類考題的核心邏輯在於區分「能直接穿透脂雙層的分子」與「必須依賴膜蛋白的分子」。

  • 氧氣、乙醇、尿素：皆被歸類為可經由簡單擴散通過細胞膜的物質（儘管尿素通透較慢）。
  • 葡萄糖：是水溶性大分子，對脂雙層完全不通透，必須藉由載體蛋白（Carrier Protein）進行促進性擴散或主動運輸。因此，它是唯一不以（簡單）擴散方式直接進入細胞的物質。

核心知識點

考生應熟記物質通過細胞膜的通透性階層（Permeability Hierarchy）：

  1. 極易通過（簡單擴散）：
    • 疏水性小分子/氣體：O₂、CO₂、N₂、苯（Benzene）。
    • 脂溶性小分子：乙醇（Ethanol）、甘油（Glycerol）、類固醇激素（Steroids）。
  2. 可通過（簡單擴散，但較慢）：
    • 不帶電極性小分子：H₂O（水，亦可經水通道加速）、Urea（尿素）。
  3. 不可通過（需載體/通道：促進性擴散或主動運輸）：
    • 不帶電極性大分子：Glucose（葡萄糖）、Sucrose（蔗糖）、Amino acids（胺基酸）。
    • 帶電離子：Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Cl⁻、HCO₃⁻（即便離子很小，因帶電荷被水合層包圍，無法通過脂雙層）。

臨床重要性：

  • 滲透壓效應：因為葡萄糖無法自由進出細胞（無胰島素或載體時），高血糖會造成細胞外高滲透壓，導致細胞脫水（Effective Osmole）。反之，尿素因能擴散進入細胞，對長期滲透壓梯度的貢獻較小（Ineffective Osmole）。

參考資料

  1. Yamol 試題詳解 - 生理學與生物化學
  2. 生物科共同備課網 - 細胞膜運輸物質方式
  3. Deranged Physiology - Renal handling of urea and glucose.
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