章節：細胞能量學——生命的能量！

大家好！歡迎來到生物學中最令人興奮的課題之一：細胞能量學。你可能曾好奇，思考、跑步，甚至只是呼吸的能量從何而來？又或者植物是如何憑空從空氣和陽光中製造食物的？本章將為你揭開這些謎團！

我們將會探討每個活細胞內發生，用以獲取、儲存和釋放能量的奇妙化學反應。你可以把它想像成揭開細胞內「發電廠」和「工廠」的奧秘。別擔心聽起來很複雜，我們會透過簡單的例子一步步拆解。我們開始吧！


1. 新陳代謝：細胞的「化學工廠」

每個活的生物體都像一座繁忙的城市，而細胞就是其中的工廠。在這些工廠內發生的所有化學反應統稱為新陳代謝。新陳代謝有兩大「部門」：一個負責合成物質，另一個負責分解物質。

同化作用：合成物質

同化作用是指由較小、較簡單的分子「合成」較大、較複雜的分子。這個過程需要能量。

比喻：想像一下用獨立的樂高積木（簡單分子）建造一座樂高城堡（複雜分子）。你需要投入能量才能將積木連接起來！

  • 細胞內的例子：光合作用，植物利用二氧化碳和水（簡單分子）合成葡萄糖（複雜分子）。
異化作用：分解物質

異化作用則相反。它關乎將較大、較複雜的分子「分解」成較小、較簡單的分子。這個過程會釋放能量。

比喻：想像一下將你的樂高城堡拆回成獨立的積木。能量被釋放出來（你甚至能聽到聲音！）。

  • 細胞內的例子：細胞呼吸作用，葡萄糖（複雜分子）被分解以釋放能量供細胞使用。

重點回顧：新陳代謝

記住：同化作用 = 合同起來（合成，需要能量），異化作用 = 分異開來（分解，釋放能量）。


2. 酶：超級「快手」工作者

新陳代謝反應必須以驚人的速度進行才能維持生命。這就是酶出場的時候了。它們是生物催化劑——特殊的蛋白質，能加速化學反應，而自身不被消耗。

酶的特性與作用
  • 它們是催化劑，即能加速反應。
  • 它們高度專一。每種酶都像一把只能開特定鎖（底物）的鑰匙。
  • 它們會受溫度和酸鹼度的影響。
  • 它們對細胞內幾乎所有過程都至關重要，從消化作用到DNA複製。
活性部位與專一性

酶的專一性神奇之處，在於其獨特的三維形狀，其中包含一個稱為活性部位的特殊區域。活性部位的形狀與其特定底物分子（或多個分子）的形狀是互補的。

比喻：「鎖和鑰匙」模型。酶是鎖，底物是鑰匙。只有形狀正確的鑰匙（底物）才能與鎖孔（活性部位）緊密結合。

當底物與活性部位結合時，會形成酶-底物複合物，反應速度將大大加快。

影響酶活性的因素

酶對其工作條件可是很「挑剔」的！如果條件不合適，它們就無法正常運作。

1. 溫度：

  • 隨著溫度升高，酶的活性會增加，因為分子運動加快，碰撞機會增多。
  • 然而，每種酶都有一個最適溫度，在此溫度下其活性最高。
  • 如果溫度過高，酶的形狀會永久改變。這稱為變性。變性後的酶，其活性部位不再適合其底物，因此便停止運作。

2. 酸鹼度（pH值）：

  • 與溫度類似，每種酶都有一個最適酸鹼度。
  • 極端的酸鹼度（過酸或過鹼）會改變酶的形狀，並導致其變性。
  • 例子：胃蛋白酶是胃內的一種酶，在酸鹼度約為2的極酸環境下活性最佳；而小腸中的胰蛋白酶則偏好酸鹼度約為8的微鹼性環境。

3. 抑制劑：

  • 抑制劑是減慢或停止酶促反應的物質。它們可能會干擾酶的活性部位。
日常生活中的酶

我們經常使用酶！

  • 生物洗衣粉：含有蛋白酶和脂肪酶等酶，用於分解衣物上的蛋白質和脂肪污漬。
  • 食品工業：果膠酶用於澄清果汁，而凝乳酶（含有酶）則用於製作芝士。

你知道嗎？

如果沒有酶，你體內的化學反應會非常緩慢，你將無法生存！單一個反應本身可能需要數百萬年才能發生。


重點回顧：酶

酶是具備活性部位的專一性蛋白質催化劑。它們的活性在最適溫度和酸鹼度下達到最高。極端條件會導致它們變性。


3. 光合作用：從陽光中製造食物

光合作用是一種奇妙的同化作用過程，植物、藻類和某些細菌利用它將光能轉化為葡萄糖（食物）形式的化學能。它是地球上幾乎所有生命的基礎！

總反應的文字方程式為：

二氧化碳 + 水 --（在光和葉綠素存在下）--> 葡萄糖 + 氧

光合作用在哪裏發生？

主要場所是葉，它完美地適應了這項任務。在葉細胞內，這個過程發生在稱為葉綠體的微小細胞器中。

  • 葉綠體含有葉綠素，這種綠色色素能吸收光能。
  • 它們有兩個關鍵區域：
    - 基粒（碟狀結構堆疊而成），第一階段在此發生。
    - 基質（充滿液體的空間），第二階段在此發生。
光合作用的兩個階段

把光合作用想像成兩部分的工廠裝配線。別擔心，你只需要了解主要步驟的概括！

階段1：光化學反應（光反應）

這個階段發生在基粒中，需要光照。

  1. 光能吸收：葉綠素吸收光能。
  2. 水的光解：吸收的光能用於將水分子（H2O）分解成氧氣、質子（H+）和電子。氧氣作為廢物釋放出來（對我們來說真是幸運！）。
  3. ATP和NADPH的生成：來自光能和水分解產物的能量，用於生成兩種關鍵的能量攜帶分子：ATP（主要的能量貨幣）和NADPH（一種電子載體）。

把ATP和NADPH想像成充滿電的電池和運載卡車，準備為下一階段提供動力。

階段2：碳固定（凱爾文循環／暗反應）

這個階段發生在基質中，不直接需要光照，但它依賴光反應階段的產物（ATP和NADPH）。

  1. 二氧化碳固定：來自空氣的二氧化碳（CO2）進入循環，並與一個五碳受體分子結合，形成一個不穩定的六碳化合物，該化合物會立即分解成兩個三碳化合物（3-C化合物）。
  2. 還原：利用ATP的能量和NADPH（來自階段1）的還原力，三碳化合物被轉化為另一種三碳化合物（磷酸丙糖）。
  3. 葡萄糖形成：一些磷酸丙糖會離開循環，用於製造葡萄糖和其他有機分子。
  4. 再生：大部分磷酸丙糖用於再生原來的五碳受體分子，並消耗更多ATP。這使得循環能夠繼續。
葡萄糖有甚麼用途？

植物很「聰明」！它們不單只用葡萄糖來獲取能量。它們還可以將其轉化為：

  • 澱粉用於儲存（例如在薯仔中）。
  • 纖維素用於構建細胞壁。
  • 脂質（脂肪和油）用於儲存在種子中。
  • 蛋白質用於生長（透過從土壤中吸收氮和其他元素）。
影響光合作用速率的因素

光合作用的速率會受到某些因素的限制。供應量最少的因素稱為限制因子。

  • 光強度：隨著光強度增加，光合作用速率會增加，直到達到某個點。之後，其他因素（例如二氧化碳濃度）會成為限制因子。
  • 二氧化碳濃度：隨著二氧化碳濃度增加，光合作用速率會增加，直到其他因素成為限制因子。

重點回顧：光合作用

光合作用利用光能、水和二氧化碳來製造葡萄糖。它有兩個階段：1. 光反應（生成ATP和NADPH）和2. 凱爾文循環（利用ATP和NADPH將二氧化碳固定為糖）。光合作用速率受到光照和二氧化碳水平等限制因子的影響。


4. 細胞呼吸作用：釋放能量供生命活動

細胞呼吸作用是主要的異化作用過程，它分解葡萄糖和其他食物分子以釋放化學能。這些能量隨後以ATP的形式儲存。

ATP：細胞的「能量貨幣」

ATP（腺苷三磷酸）是所有生物的通用能量分子。它就像一個微型、可充電的電池。當細胞需要能量來進行工作（例如肌肉收縮或主動運輸）時，它會「消耗」ATP，ATP分解以釋放能量。呼吸作用就是「為這些電池充電」的過程。

呼吸作用主要有兩種：有氧呼吸（有氧氣參與）和無氧呼吸（無氧氣參與）。

有氧呼吸作用：主要途徑

這是從葡萄糖獲取能量最有效的方式，它需要氧氣。它分三個主要階段發生。

總方程式為：

$$ \text{Glucose} + \text{Oxygen} \rightarrow \text{Carbon Dioxide} + \text{Water} + \text{Large amount of ATP} $$

階段1：糖酵解

  • 地點：細胞質。
  • 需要氧氣？否。
  • 發生甚麼？一個六碳的葡萄糖分子被分解成兩個稱為丙酮酸的三碳分子。
  • 產生能量：少量淨ATP和一些NADH（另一種電子載體，類似NADPH的「表親」）。

階段2：檸檬酸循環（克雷伯氏循環）

  • 地點：線粒體。
  • 需要氧氣？是（間接）。
  • 發生甚麼？在循環之前，丙酮酸會轉化為一種兩碳分子，稱為乙酰輔酶A。
    - 乙酰輔酶A（2-C）與一個四碳（4-C）分子結合，形成一個六碳（6-C）分子。
    - 透過一系列反應，這個六碳分子被分解，釋放二氧化碳並再生原來的四碳分子。
  • 產生能量：少量ATP，以及大量能量載體（NADH和FADH2）。

階段3：氧化磷酸化

  • 地點：線粒體內膜。
  • 需要氧氣？是，直接需要。
  • 發生甚麼？這是能量「大豐收」的階段！
    - 來自前兩個階段的能量載體（NADH和FADH2）會釋放出高能電子。
    - 當這些電子沿著蛋白質鏈傳遞時，它們的能量被用於產生大量ATP。
    - 在鏈的末端，氧氣充當最終電子受體，與質子結合形成水。

快速溫習：有氧呼吸作用

糖酵解（細胞質）分解葡萄糖。檸檬酸循環（線粒體）完成其分解。氧化磷酸化（線粒體）利用氧氣製造大量ATP。


無氧呼吸作用：「後備」方案

當沒有氧氣時會發生甚麼？細胞無法進行檸檬酸循環或氧化磷酸化。相反，它會利用無氧呼吸作用，單獨從糖酵解產生少量ATP。其主要目的是將NADH循環回NAD+，以便糖酵解能夠繼續。

在肌肉細胞中（劇烈運動時）

當你劇烈運動時，你的肌肉無法獲得足夠快的氧氣。它們會轉為進行無氧呼吸作用。

丙酮酸會轉化為乳酸。乳酸的積累會導致肌肉疲勞和痠痛。

在酵母菌中

酵母菌是一種單細胞真菌，在沒有氧氣的情況下進行無氧呼吸作用。

丙酮酸會轉化為乙醇和二氧化碳。這個過程稱為發酵作用，非常有用！

  • 工業應用：所產生的二氧化碳使麵包膨脹，而所產生的乙醇則用於釀造啤酒和葡萄酒。

重點回顧：呼吸作用

呼吸作用分解葡萄糖以產生ATP。有氧呼吸作用利用氧氣，發生在細胞質和線粒體中，並產生大量ATP。無氧呼吸作用不使用氧氣，只發生在細胞質中，產生遠較少的ATP，並產生乳酸（在肌肉中）或乙醇和二氧化碳（在酵母菌中）。


5. 光合作用與呼吸作用的比較

這兩種過程就像同一枚硬幣的兩面。它們緊密相連，互為補充。

特徵 光合作用 有氧呼吸作用
代謝過程 同化作用（合成葡萄糖） 異化作用（分解葡萄糖）
能量轉化 將光能轉化為化學能 從葡萄糖中釋放化學能以製造ATP
反應物 二氧化碳和水 葡萄糖和氧氣
產物 葡萄糖和氧氣 二氧化碳、水和ATP
真核生物中的位置 葉綠體 細胞質和線粒體
發生時間 僅在有光照時發生 一直發生（日夜）

最後一點思考：請注意光合作用的產物正是呼吸作用的反應物，反之亦然！這個美妙的循環維持著地球上的生命。你現在已經學會了生命在細胞層面如何獲取能量的基本原理。做得好！