了解ATP——10个细胞能量的问题与解答

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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AAcetyl 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。在它变成磷酸腺苷(Adenosine Tri-phosphate,ATP)之前,会先形成腺苷磷酸(Adenosine Di-phosphateADP,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

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。

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