粒線體: 細胞的發電機

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 synthaseATP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–。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這一篇文章

參考資料

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