了解ATP——10個細胞能量的問題與解答

您不可能彈指之間就把食物轉變成能量。從食物產生細胞能量的過程是非常有效率且富有成效的，所以看起來似乎很容易。但是ATP（或三磷酸腺苷）這種體內最重要的分子，在製造細胞能量的過程其實是非常繁雜的；您很可能以前從未聽說過這種關鍵分子。

那麼，讓我們好好認識一下ATP吧！

畢竟ATP是使食物中的能量可以被用來讓細胞發揮功能的因子。這種能量載體存在於您身體（不論是肌肉、皮膚，和大腦……等等）的每一個細胞內。基本上，細胞能量的產生正是ATP所造成的。

但細胞能量的產生過程非常複雜。幸運的是，您不需要成為一名科學家也能掌握這個棘手的概念。讀完下面的10個問題和答案之後，您就可以獲得簡單的基本知識。現在就開始學習一些基本知識，並繼續研究其所牽涉的化學。

1. ATP是什麼？

ATP是體內最豐富的能量載體分子。它可以利用食物分子中的化學能，將其釋放出來，為細胞內的工作提供燃料。

ATP可視為身體細胞的通用貨幣。您吃的食物會被消化成巨量營養素的次級單位，飲食中的碳水化合物全部被轉化為一種叫做葡萄糖的單糖。

這種單糖具有「購買」大量細胞能量的能力，但是細胞不接受以葡萄糖支付的方式，需要先將葡萄糖轉換為可在細胞中起作用的貨幣。

ATP就是可以被接受的貨幣。葡萄糖通過複雜的化學反應鏈（您體內的貨幣交換）被轉化為ATP，這種轉化過程稱為細胞呼吸或新陳代謝。

就像將一種貨幣兌換成另一種貨幣一樣，來自葡萄糖的能量在每次反應結束時，會變成一種臨時形式的化學化合物。葡萄糖先被轉變成其它幾種化合物，直到其中的能量穩定成為ATP為止。先別急，您會在詳述能量交換鏈的問題4中看到一些這樣的化合物。

2. ATP是什麼樣的分子？

ATP是三磷酸腺苷（Adenosine Tri-phosphate）的縮寫，這個長名的意思是附著在糖和磷酸鏈上的核酸（蛋白質）。磷酸鏈是連接在一起的磷和氧原子的基團。很酷的是：ATP非常類似於遺傳物質中所發現的蛋白質。

3. ATP如何攜帶能量？

磷酸鍵是ATP分子中可以攜帶能量的部分，在這條鏈上會產生重要的化學反應。

要了解究竟發生了什麼，讓我們先來看一些簡單的化學規則。當原子和分子之間形成鍵時，就會儲存能量。這種能量保持在化學鍵中，直到它被迫斷裂。

當化學鍵斷裂時，能量就被釋放。在ATP的情況中，這是很大的能量，能幫助細胞發揮作用，其它多餘的能量就會以熱量的方式離開身體。

ATP中的化學鍵非常強，因為形成磷酸鏈的原子帶著負電荷，這意味著它們總是在尋找帶正電荷的分子來配對。只要離開磷酸鏈，這些分子就可以調節它們的負電荷，使其終於達到平衡。

因此，欲保持帶負電荷的磷酸鍵完整無缺，就需要很多能量，幾乎所有可用的能量都派上用場了。因為當化學鍵被帶正電的力量破壞時，細胞內部的大量能量會被釋放。

4. ATP來自哪裡？

為了讓ATP為您的細胞提供動力，葡萄糖必須啟動能量貨幣的兌換。

產生ATP的第一個化學反應稱為糖酵解（Glycolysis）。它的字面意思是「分解葡萄糖」（glyco代表葡萄糖，lysis代表斷裂）。糖酵解依賴蛋白質來分解葡萄糖分子，並產生一種叫丙酮酸（pyruvate）的較小化合物。

回想一下葡萄糖和ATP之間的臨時能量貨幣形式。丙酮酸是能量交換反應的下一個主要化合物。一旦產生丙酮酸，它就會進入細胞內專門處理能量生產的地方。這個地方叫做線粒體（Mitochondria）。

在線粒體中，丙酮酸被轉化為二氧化碳和一種稱為乙醯輔酶A（Acetyl Coenzyme A，或簡稱CoA）的化合物。在這個過程中產生的二氧化碳，會在呼氣時釋放出來，而乙醯輔酶A則是在此過程中繼續轉化，以產生ATP。

下一個化學反應會運用乙醯輔酶A產生額外的二氧化碳和一種稱為菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸（Nicotinamide adenine dinucleotide，簡稱NADH）的能量攜帶分子。NADH是一種特殊化合物。還記得異性相吸，帶負電荷的化合物會與正電荷結合來平衡它們的能量嗎？NADH就是那些負電荷分子之一，會尋找正電荷來配對。

NADH會在生成ATP的最後一步中發揮作用。在它變成三磷酸腺苷（Adenosine Tri-phosphate，ATP）之前，會先形成腺苷二磷酸（Adenosine Di-phosphate，ADP），而NADH會幫助ADP產生充滿能量的ATP。

NADH的負電荷會啟動一種特殊蛋白質來產生ATP，這種蛋白質就像一個非常強力的磁鐵，可以將ADP和單個磷酸鹽分子結合在一起而形成ATP。回想一下這種化學鍵的強度有多大，那麼，現在準備要釋放大量的能量了！

我們不妨將ATP當作是一種可充電的電池，它會經歷高能量和低能量的循環。ATP就像一個充滿電的電池，當它的鍵斷裂時，能量就會耗盡。要再次為電池充電，您就需要重新建立化學鍵。

既然NADH會為結合ADP和磷酸鹽的蛋白質提供動力，它就像一個能夠維持能量循環繼續運行的齒輪，不斷地為ATP電池充電，以便再次使用。

這些鍵不斷地被形成和破壞，讓來自食物的能量得以轉化為儲存在ATP中的能量，使您的細胞有能力繼續保持您的健康。

5. 能源生產的過程在哪裡發生？

產生ATP的過程會發生在全身的細胞中。當葡萄糖在腸中被消化時，就開始了這個過程。接下來，由細胞接手將葡萄糖轉化為丙酮酸，然後它們會被送到細胞的線粒體，而這裡就是ATP最後生成的地方。

6. 什麼是線粒體？

線粒體被稱為細胞的發電廠，是ADP和磷酸鹽作用形成ATP的地方。特殊蛋白質（由NADH所啟動的蛋白質）會嵌入線粒體膜中，然後不斷產生ATP來為細胞提供動力。

7. 一個細胞能產生多少ATP？

您身體細胞的數量多得驚人，精準地說，約有37.2兆個，而一個典型細胞所產生的ATP數量同樣也多得令人難以置信。

在任何時間點，單個細胞中大約有10億個ATP分子可供使用。您的細胞也會以驚人的速度消耗所有ATP，一個細胞可以在兩分鐘內完全耗盡ATP所儲存的能量！

8. 所有細胞都使用ATP嗎？

不只是您的所有細胞，就連所有的生物體都使用ATP作為能量貨幣。ATP存在於所有細胞的細胞質中。細胞質是細胞中心的空間，充滿了一種叫做胞質液的物質。

各種不同的細胞組件（胞器）都被存放在細胞質中，包括線粒體。ATP產生之後，就會離開線粒體進到整個細胞中，去執行被指定的工作。

9. 所有食物都會轉化為ATP嗎？

脂肪、蛋白質和碳水化合物最終都可以成為細胞能量，雖然各種巨量營養素的轉換過程並不相同，但最終的結果確實為細胞提供了能量。只是脂肪和蛋白質變成ATP的過程就不是那麼簡單而直接。

糖和單一碳水化合物轉換起來很容易。化學鍵會被拉開，讓飲食中的所有糖份簡化為葡萄糖，而且您已經知道葡萄糖會催化ATP的產生。

脂肪和蛋白質在參與細胞能量生產的過程之前，需要先被分解成更簡單的次級單位。脂肪被化學轉化為脂肪酸和甘油，蛋白質則是細化為胺基酸（就是蛋白質的基本結構）。

在產生ATP的過程中，胺基酸、脂肪酸和甘油都會與葡萄糖結合，為細胞提供其它中間化合物。

您所吃的某些營養素不會被消化或用於ATP的生產，如纖維。人體沒有正確的酵素來完全分解纖維，因此這種物質會通過消化系統而變成廢物被排出身體。

但別擔心，雖然纖維不會被消化，您的身體依然充滿活力，因為您吃下的食物會轉化為ATP。

10. 哪些營養素有助於細胞能量的生產？

由於保持細胞能量是健康的關鍵部分，許多營養素都扮演著輔助的角色。有些甚至被歸類為必要營養素，其中許多的營養素其實在您健康飲食中都很常見。

以下是您應攝取的主要營養素，以幫助維持健康的細胞能量生產：

• 維生素B1（硫胺素）
• 維生素B2（核黃素）
• 維生素B3（菸酸）
• 維生素B5（泛酸）
• 維生素B7（生物素）
• 維生素B12（鈷胺素）
• 維生素C（參與抗氧化活性）
• 維生素E（參與抗氧化活性）
• 輔酶Q10
• α-硫辛酸
• 銅
• 鎂
• 錳
• 磷

ATP的力量

沒有ATP生產的過程，您的身體只會充滿無法使用的能量，而這對您的身體或您想完成的事情都沒有好處。ATP是通用的能源載體和貨幣，儲存每個細胞執行任務所需的所有能量。就像可充電電池一樣，一旦ATP被生產出來，就可以反複使用。

下次您吃飯時，想想您的身體為了利用這些能量所做的一切工作。然後站起來，利用這種細胞能量健身或完成您一天的工作。如果您攝取健康的食物，就不必擔心在忙碌工作的中途ATP就消耗殆盡。

關於作者

Sydney Sprouse是住在奧勒岡州Forest Grove的自由科學作家。她擁有猶他州州立大學人類生物學的學士學位，並曾在那裡擔任研究生和寫作人員。Sydney是科學的終身學習者，她的目標是盡可能有效地翻譯當前的科學研究。她的寫作主題特別偏重於人類生物學、健康學和營養學。