了解ATP——10个细胞能量的问题与解答

您不可能弹指之间就把食物转变成能量。从食物产生细胞能量的过程是非常有效率且富有成效的，所以看起来似乎很容易。但是ATP（或三磷酸腺苷）这种体内最重要的分子，在制造细胞能量的过程其实是非常繁杂的；您很可能以前从未听说过这种关键分子。

那么，让我们好好关注令人惊叹的ATP吧。

毕竟，ATP是使食物中的能量可以被用来让细胞发挥功能的因子。这种能量载体存在于您身体（不论是肌肉、皮肤，和大脑……等等）的每一个细胞内。基本上，细胞能量的产生正是ATP所造成的。

但细胞能量的产生过程非常复杂。幸运的是，您不需要成为一名科学家也能掌握这个棘手的概念。读完下面的10个问题和答案之后，您就可以获得简单的基本知识。现在就开始学习一些基本知识，并继续研究其本质上所牵涉的化学。

1. ATP是什么？

ATP是体内最丰富的能量载体分子。它可以利用食物分子中的化学能，将其释放出来，为细胞内的工作提供燃料。

ATP可视为身体细胞的通用货币。您吃的食物会被消化成巨量营养素的次级单位，饮食中的碳水化合物全部被转化为一种叫做葡萄糖的单糖。

这种单糖具有“购买”大量细胞能量的能力，但是细胞不接受以葡萄糖支付的方式，需要先将葡萄糖转换为可在细胞中起作用的货币。

ATP就是可以被接受的货币。葡萄糖通过复杂的化学反应链（您体内的货币交换）被转化为ATP，这种转化过程称为细胞呼吸或新陈代谢。

就像将一种货币兑换成另一种货币一样，来自葡萄糖的能量在每次反应结束时，会变成一种临时形式的化学化合物。葡萄糖先被转变成其它几种化合物，直到其中的能量稳定成为ATP为止。先别急，您会在详述能量交换链的问题4中看到一些这样的化合物。

2. ATP是什么样的分子？

ATP是三磷酸腺苷（Adenosine Tri-phosphate）的缩写，此长名释义为附着在糖和磷酸链上的核酸（蛋白质）。磷酸链是连接在一起的磷和氧原子的基团。很酷的是：ATP非常类似于遗传物质中所发现的蛋白质。

3. ATP如何携带能量？

磷酸键是ATP分子中可以携带能量的部分，在这条链上会产生重要的化学反应。

要了解究竟发生了什么，让我们先来看一些简单的化学规则。当原子和分子之间形成键时，就会储存能量。这种能量保持在化学键中，直到它被迫断裂。

当化学键断裂时，能量就被释放。在ATP的情况中，这是很大的能量，能帮助细胞发挥作用，其它多余的能量就会作为热量离体。

ATP中的化学键非常强，因为形成磷酸链的原子特别地带着负电荷，这意味着它们总是在寻找带正电荷的分子以配对。只要离开磷酸链，这些分子就可以调节它们的负电荷，使其终于达到平衡。

因此，欲保持带负电荷的磷酸键完整无缺，就需要很多能量，几乎所有可用的能量都派上用场了。因为当化学键被带正电的力量破坏时，细胞内部的大量能量会被释放。

4. ATP来自哪里？

为了让ATP为您的细胞提供动力，葡萄糖必须启动能量货币的兑换。

产生ATP的第一个化学反应称为糖酵解（Glycolysis）。它的字面意思是“分解葡萄糖”（glyco代表葡萄糖，lysis代表断裂）。糖酵解依赖蛋白质来分解葡萄糖分子，并产生一种叫丙酮酸（pyruvate）的较小化合物。

回想一下葡萄糖和ATP之间的临时能量货币形式。丙酮酸是能量交换反应的下一个主要化合物。一旦产生丙酮酸，它就会进入细胞内专门处理能量生产的地方。这个地方叫做线粒体（Mitochondria）。

在线粒体中，丙酮酸被转化为二氧化碳和一种称为乙酰辅酶A（Acetyl Coenzyme A，或简称CoA）的化合物。在这个过程中产生的二氧化碳，会在呼气时释放出来，而乙酰辅酶A则是在此过程中继续转化，以产生ATP。

下一个化学反应会运用乙酰辅酶A产生额外的二氧化碳和一种称为烟碱酰氨腺嘌呤二核苷酸（Nicotinamide adenine dinucleotide，简称NADH）的能量携带分子。NADH是一种特殊化合物。还记得异性相吸，带负电荷的化合物会与正电荷结合来平衡它们的能量吗？NADH就是那些负电荷分子之一，会寻找正电荷来配对。

NADH会在生成ATP的最后一步中发挥作用。在它变成三磷酸腺苷（Adenosine Tri-phosphate，ATP）之前，会先形成腺苷二磷酸（Adenosine Di-phosphate，ADP），而NADH会帮助ADP产生充满能量的ATP。

NADH的负电荷会启动一种特殊蛋白质来产生ATP，这种蛋白质就像一个非常强力的磁铁，可以将ADP和单个磷酸盐分子结合在一起而形成ATP。回想一下这种化学键的强度有多大，那么，现在准备要释放大量的能量了！

我们不妨将ATP当作是一种可充电的电池，它会经历高能量和低能量的循环。ATP就像一个充满电的电池，当它的键断裂时，能量就会耗尽。要再次为电池充电，您就需要重新建立化学键。

既然NADH会为结合ADP和磷酸盐的蛋白质提供动力，它就像一个能够维持能量循环继续运行的齿轮，不断地为ATP电池充电，以便再次使用。

这些键不断地被形成和破坏，让来自食物的能量得以转化为储存在ATP中的能量，使您的细胞有能力继续保持您的健康。

5. 能源生产的过程在哪里发生？

产生ATP的过程会发生在全身的细胞中。当葡萄糖在肠中被消化时，就开始了这个过程。接下来，由细胞接手将葡萄糖转化为丙酮酸，然后它们会被送到细胞的线粒体，而这里就是ATP最后生成的地方。

6. 什么是线粒体？

线粒体被称为细胞的发电厂，是ADP和磷酸盐作用形成ATP的地方。特殊蛋白质（由NADH所激发的蛋白质）会嵌入线粒体膜中，然后不断产生ATP来为细胞提供动力。

7. 一个细胞能产生多少ATP？

您身体细胞的数量多得惊人，精准地说，约有37.2兆个，而一个典型细胞所产生的ATP数量同样也多得令人难以置信。

在任何时间点，单个细胞中大约有10亿个ATP分子可供使用。您的细胞也会以惊人的速度消耗所有ATP，一个细胞可以在两分钟内完全耗尽ATP所储存的能量！

8. 所有细胞都使用ATP吗？

不只是您的所有细胞，就连所有的生物体都使用ATP作为能量货币。ATP存在于所有细胞的细胞质中。细胞质是细胞中心的空间，充满了一种叫做胞质液的物质。

各种不同的细胞组件（胞器）都被存放在细胞质中，包括线粒体。ATP产生之后，就会离开线粒体进到整个细胞中，去执行被指定的工作。

9. 所有食物都会转化为ATP吗？

脂肪、蛋白质和碳水化合物最终都可以成为细胞能量，虽然各种巨量营养素的转换过程并不相同，但最终的结果确实为细胞提供了能量。只是脂肪和蛋白质变成ATP的过程就不是那么简单而直接。

糖和单一碳水化合物转换起来很容易。化学键会被拉开，让饮食中的所有糖份缩化为葡萄糖，而且您已经知道葡萄糖会催化ATP的产生。

脂肪和蛋白质在参与细胞能量生产的过程之前，需要先被分解成更简单的次级单位。脂肪被化学转化为脂肪酸和甘油，蛋白质则是细化为氨基酸（就是蛋白质的基本结构）。

在产生ATP的过程中，氨基酸、脂肪酸和甘油都会与葡萄糖结合，为细胞提供其它中间化合物。

您所吃的某些营养素不会被消化或用于ATP的生产，如纤维。人体没有正确的酵素来完全分解纤维，因此这种物质会通过消化系统而变成废物被排出身体。

但别担心，虽然纤维不会被消化，您的身体依然充满活力，因为您吃下的食物会转化为ATP。

10. 哪些营养素有助于细胞能量的生产？

由于保持细胞能量是健康的关键部分，许多营养素都扮演着辅助的角色。有些甚至被归类为必要营养素，其中许多的营养素其实在您健康饮食中都很常见。

以下是您应摄取的主要营养素，以帮助维持健康的细胞能量生产：

• 维生素B1（硫氨素）
• 维生素B2（核黄素）
• 维生素B3（烟酸）
• 维生素B5（泛酸）
• 维生素B7（生物素）
• 维生素B12（钴氨素）
• 维生素C（参与抗氧化活性）
• 维生素E（参与抗氧化活性）
• 辅酶Q10
• α-硫辛酸
• 铜
• 镁
• 锰
• 磷

ATP的力量

没有ATP生产的通途，您的身体只会充满无法使用的能量，而这对您的身体或您想完成的事情都没有好处。ATP是通用的能源载体和货币，储存每个细胞执行任务所需的所有能量。就像可充电电池一样，一旦ATP被生产出来，就可以反复使用。

下次您吃饭时，想想您的身体為了利用这些能量所做的一切工作来。然后站起来，利用这种细胞能量健身或完成您一天的工作。如果您摄取健康的食物，就不必担心在忙碌工作的中途ATP就消耗殆尽。

关于作者

Sydney Sprouse是住在奥勒冈州Forest Grove的自由科学作家。她拥有犹他州州立大学人类生物学的学士学位，并曾在该校担任本科生研究员和写作人员。Sydney是科学的终身学习者，她的目标是尽可能有效地翻译当前的科学研究。她的写作主题特别偏重于人类生物学、健康学和营养学。