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115年:營養生理生化(1)

在血糖60 mg/dL的狀態下，仍然能由血液中獲取大量葡萄糖的器官組織為何？

A肝臟
B脂肪
C肌肉
D大腦

詳細解析

本題觀念：

本題考查的是血糖恆定 (Glucose Homeostasis) 以及不同器官組織對葡萄糖攝取的動力學特性 (Kinetics)，特別是葡萄糖轉運蛋白 (Glucose Transporters, GLUTs) 的種類及其對胰島素的依賴性。

在低血糖（60 mg/dL，約 3.3 mM）的狀態下，生理機制的主要目標是保留葡萄糖給大腦使用。此時血中胰島素 (Insulin) 濃度低，升糖素 (Glucagon) 濃度高，各組織的葡萄糖攝取行為會根據其 GLUT 的特性而改變。

選項分析

  • A. 肝臟 (Liver)：錯誤。

    • 轉運蛋白：主要表現 GLUT2。
    • 特性：GLUT2 的 KmK_m 值很高（約 15~20 mM），代表它對葡萄糖的親和力（Affinity）低。
    • 生理反應：肝臟是血糖的調節中心。在血糖 60 mg/dL 的低血糖狀態下，肝臟不會攝取葡萄糖，反而是透過肝醣分解 (Glycogenolysis) 和 糖質新生 (Gluconeogenesis) 將葡萄糖釋放到血液中，以維持血糖濃度供大腦使用。

  • B. 脂肪 (Adipose tissue)：錯誤。

    • 轉運蛋白：主要表現 GLUT4。
    • 特性：GLUT4 是胰島素依賴型 (Insulin-dependent) 的轉運蛋白。
    • 生理反應：在血糖 60 mg/dL 時，胰島素分泌受到抑制。缺乏胰島素刺激下，GLUT4 會被回收至細胞質內的囊泡中，導致脂肪組織對葡萄糖的攝取量大幅下降。

  • C. 肌肉 (Muscle)：錯誤。

    • 轉運蛋白：主要表現 GLUT4。
    • 特性：同脂肪組織，依賴胰島素（或運動）來將 GLUT4 轉位至細胞膜。
    • 生理反應：在靜止且低血糖（低胰島素）狀態下，骨骼肌對葡萄糖的攝取極低，轉而利用脂肪酸作為主要能量來源，以節省葡萄糖給大腦。

  • D. 大腦 (Brain)：正確。

    • 轉運蛋白：血腦障壁 (BBB) 表現 GLUT1，神經元表現 GLUT3。
    • 特性：
      • 不依賴胰島素 (Insulin-independent)：大腦攝取葡萄糖不需要胰島素參與。
      • 高親和力 (Low KmK_m)：GLUT1 (KmK_m ~1 mM) 和 GLUT3 (KmK_m < 1 mM) 的 KmK_m 值極低。
    • 生理反應：血糖 60 mg/dL (約 3.3 mM) 雖然低於正常值，但仍遠高於 GLUT3 的 KmK_m 值。這意味著即使在低血糖狀態下，神經元的葡萄糖轉運蛋白仍處於飽和狀態，能持續且大量地從血液中抓取葡萄糖以維持中樞神經運作。

答案解析

在血糖濃度僅 60 mg/dL 的環境下，身體處於空腹或低血糖早期反應階段。此時：

  1. 胰島素濃度下降：導致依賴胰島素的組織（肌肉、脂肪）關閉葡萄糖攝取大門。
  2. 肝臟轉為輸出者：因 GLUT2 親和力低且賀爾蒙調控，肝臟負責釋放葡萄糖而非攝取。
  3. 大腦獨享資源：大腦的 GLUT1 與 GLUT3 具有極高的親和力且不受胰島素波動影響，確保在血糖偏低時仍能優先獲取大量葡萄糖維持生存。

因此，大腦是唯一在此條件下仍能獲取大量葡萄糖的器官。

核心知識點

考生應熟記主要葡萄糖轉運蛋白 (GLUTs) 的分佈與特性，這是生化與生理學的常考題：

GLUT 類型主要分布組織KmK_m 值 (親和力)特性與功能
GLUT1紅血球、血腦障壁 (BBB)低 (~1 mM)高親和力，負責基礎葡萄糖攝取，不依賴胰島素。
GLUT2肝臟、胰臟 β\beta 細胞、腎臟、小腸高 (~15-20 mM)低親和力 (葡萄糖感測器)。僅在血糖高時攝取（如飯後）；在胰臟負責調控胰島素分泌。
GLUT3神經元 (Brain)極低 (<1 mM)最高親和力。確保神經細胞在低血糖下仍能運作。
GLUT4骨骼肌、脂肪組織中 (~5 mM)胰島素依賴型。受胰島素或運動刺激才轉位至細胞膜。

臨床重要性

  • 低血糖症狀 (Hypoglycemia)：當血糖進一步低於 55 mg/dL 時，甚至大腦的攝取也會開始受限（Neuroglycopenia），出現認知功能障礙、昏迷甚至抽搐。
  • 糖尿病治療：胰島素過量會導致嚴重低血糖，因為它會強迫肌肉與脂肪搶奪血液中的葡萄糖，導致大腦能量來源不足。

參考資料

  1. Harper’s Illustrated Biochemistry, 31st Edition. Chapter 19: Glycolysis and the Oxidation of Pyruvate.
  2. Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology, 14th Edition. Chapter 79: Insulin, Glucagon, and Diabetes Mellitus.
  3. NCBI Bookshelf: Hypoglycemia
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