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. […]