Posted By Mr. Thursday
在《體溫發電機》一篇文章裡面提到了用體溫來發電的技術。然而天下沒有白吃的午餐，如果沒有作功，一顆球會往低處動，水會往低處流，肌肉不會無緣無故收縮把東西提起來。想要克服往能量低的地方走，就要給予能量才能夠讓球往高處移動，水從有插電的抽水機才能抽到高處的水塔，肌肉有能量才能產生位移造成肌肉收縮，讓東西可以被抬起來。即使是體溫，也是消耗能量才會有。
人體的能量來源，就是我們每天吃飯攝取的養分，消化吸收以後成為細胞的能量。然而，細胞沒有嘴巴，要怎麼吃飯呢？細胞消耗甚麼東西得到能量呢？消耗的東西又要怎樣子產生呢？今天就要和各位介紹在細胞的世界裡面，消耗的東西 (ATP)，以及把養分轉換成細胞能量來源的胞器–粒線體 (mitochondion)。希望大家讀完這一篇，對於細胞世界如何運轉有更近一步的了解！
認識ATP 認識ATP 認識ATP
下圖是ATP的結構。ATP是Adenosine Triphosphate的縮寫，P代表「磷」原子，所以再下面我們可以看到左手邊有三個磷酸根，也因此稱為 Tri-(三個) phosphate。
如果上圖中，三個磷酸根少掉其中一個，變成兩個磷酸根，就變成ADP，di-(兩個) phosphate，是Adenosine Diphosphate的縮寫。同樣地，如果左手邊只剩下一個磷酸根，那麼就稱做AMP，mono-(一個) phosphate，是Adenosine Monophosphate。
ATP的化學結構就是上圖的樣子。ATP最重要的功能，就是從ATP變成ADP，失去一個磷酸根的時候，把作用的目標磷酸化 (phsphorylate)。目標一旦被磷酸化，就如同接上電源的電器一樣，開始具有活性，細胞的各項活動因此可以產生，不管是肌肉運動，神經訊息傳導，以及體溫的產生，ATP磷酸化目標的過程都是不可或缺的過程，有如日常生活中使用貨幣一樣，不可缺少。
這麼重要的ATP，磷酸化目標以後，失去一個磷酸根變成ADP，我們人體的細胞又是怎樣子把ADP重新轉換回ATP呢？因為ADP轉換回ATP就如同要把球往高處移動一樣，需要能量才能完成，這時候我們從食物中吸收的養分，就參與了ADP轉換回ATP的過程。
認識粒線體 認識粒線體 認識粒線體
在這個時候我們要先看看這個過程發生的地方，是在細胞裡面一個胞器，叫做粒線體，英文名稱為 mitochondrion。下圖就是一張粒線體的示意圖：
我們可以看到，粒線體有兩層細胞膜，外面有一層細胞膜，裡面有一層比較彎彎曲曲的細胞膜，形成matrix有如迷宮一般。這個結構是如何把食物中的養分，拿來將ADP變成ATP，以便讓細胞有ATP可以使用，活化各種需要的酵素呢？
認識ATP製造機 認識ATP製造機 認識ATP製造機
下圖是粒線體內層細胞膜的放大圖：
中間有兩層是由黃色小圓圈加上一個小尾巴，代表著細胞膜 (細胞膜是一個雙層的結構，所以有兩層黃色小圓圈組成)。這邊的細胞模是粒線體的「內層」細胞膜。粒線體外層和內層細胞膜之間的地方，就是上圖細胞膜上方的區域。上圖細胞膜的下方區域，則是代表內層細胞膜內部matrix的空間。上圖中間有一個紅色好像馬達的東西，穿透了黃色小圓圈組成的細胞膜，這個東西英文叫做 ATP synthase，中文暫且稱之為「ATP製造機」。ATP製造機穿透了細胞膜，因此細胞膜外部如果氫離子濃度比較高，就會往細胞膜內跑，離子從濃度高跑到濃度低的地方，就如同球從高的地方往低的地方跑一樣。當氫離子(H+)往細胞膜內跑的時候，由於「ATP製造機本身」的結構的關係，會開始旋轉，旋轉的同時，有一個地方會讓ADP結合，然後加上一個磷原子，變成ATP。這部分的細節今日先不談，有興趣的讀者可以先翻閱生化課本尋找這部分的細節。
認識有氧產生ATP的過程 認識有氧產生ATP的過程 認識有氧產生ATP的過程
然而就如同尋找能量的來源一樣，「內層細胞膜」外面氫離子的濃度，為甚麼會無緣無故地變高呢？我們可以看看下圖：
圖裡面最右邊紅色的，就是剛才提到的ATP synthase，ATP製造機。上方是內外細胞膜之間的區域，下方是「內層細胞膜」裡面matrix的區域。中間左邊分別有三個藍色的東西，和ATP製造機一樣穿透了內層細胞膜，是幾個穿透細胞膜的蛋白質，其細部結構今天也先不談到，有興趣的讀者可以查詢生化課本。最左手邊的部分有NADH，是細胞分解葡萄糖 (glucose) 的時候會產生的東西，我們吃進身體的醣類，會經過一個循環來分解，叫做 Kreb Cycle，今天先不探討，我們只要知道這個過程中會產生NADH就好。
NADH裡面有一個氫離子(H)。這個離子在上圖中藍色的地方，也就是穿透細胞膜的蛋白質作用下，會把氫原子從NADH拆開，變成一個氫離子(H+)和一個電子。氫離子會從藍色的地方穿過細胞膜跑到細胞膜外側，久而久之細胞膜外面氫離子濃度就變高，會往ATP製造機那邊跑，想要跑回細胞膜內部，一邊跑進來一邊就讓ATP製造機開始旋轉，如剛才所說的，旋轉的同時把ADP變回ATP。除此以外，NADH拆開成一個氫離子和一個電子後，電子會傳遞到其他蛋白質上面 (圖裡面藍色的東西)。最後會在右下角一個化學式的地方發生作用，也就是兩個氫離子(H+)加上半個氧分子(O2)變成一個水分子(H2O)的那一個化學式。這整個過程叫做有氧磷酸化過程，因為細胞中其他地方也有特定的機制產生ATP，然而今天這邊提到的機制，製造出來的ATP每一個葡萄糖可以製造出32或34個ATP，不過另一方面這個機制需要氧氣的參與，然後會有另一個副產品–水。其他機制像是 Kreb Cycle 一個葡萄糖只能產生2個ATP。無氧狀態產生乳酸的過程，也是只有2個ATP會產生出來。
結論 結論 結論
到這邊也許對化學不熟悉的讀者已經有些看不懂，因此我嚐試在這邊再講解一次。首先我們先了解到，化學反應的發生，必須要往能量低的地方發生，就像是一顆球在自然狀態下，會往低處移動。然而肌肉的收縮，產生體溫，或是酵素活化的反應，都不是自然會發生的化學反應，必須要給予能量，就像我們要做功在球上面，球才會抵抗重力往高處移動。在細胞世界裡面，能量的給予是夠過 ATP 這個東西來達成，ATP上面有三個磷酸根，失去其中一個磷酸根的時候，會給予能量到目標物上面，然後ATP自己失去磷酸根後會變成ADP。
然而時間一久，ATP都變成ADP了，要怎樣子才能把 ADP變回ATP呢？這時候我們吃的東西，尤其是裡面的葡萄糖 (glucose)，會在細胞裡面分解，分解產生的能量，就可以把ADP變回有三個磷酸根的ATP。然而這個過程在細胞裡面哪個地方發生呢？答案是細胞裡面一個叫做粒線體 (mitochondrion) 的地方。粒線體有兩層細胞膜，裡面那一層細胞膜上面有一個東西叫做ATP synthase (ATP製造機)，以及一些蛋白質。這些蛋白質會把NADH分解，讓內層細胞膜的外面氫離子濃度變高，最後就會想從ATP製造機那個地方回到細胞膜內部，經過ATP製造機的過程中會讓ATP製造機旋轉，一邊旋轉的時候，ADP就會結合一個磷原子變回ATP，而前面的蛋白質一連串傳送氫離子和電子的過程中，最後一步會消耗氧氣，產生水分子，這整個過程就是有氧磷酸化過程，一個葡萄糖分子可以產生32到34個ATP。
希望這一篇講解之後，搭配前面幾張圖，大家對細胞產生能量的過程都能更近一步地了解，在細胞層次下，食物中的養分，如何轉換成細胞需要的ATP。
粒線體最近也被發現對於防止老化的機制有作用，有興趣的可以參考MIT Technology Review的這一篇文章。
參考資料
- (Wikipedia) Mitochondrion
- (Wikipedia) ATP
- Chemiosmotic Phosphorylation
- Campbell and Reece. Biology (7th edition). Pearson Benjamin Cummings
- (MIT Technology Review) A Fountain of Youth in Mitochondria?
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