太陽是地球上所有生物體所需能量的最終來源,自營生物利用所含的色素系統捕獲太陽的輻射能進行光合作用,分解 H2O 或其他可提供還原力的分子產生氧或其他被光分解後的產物,最後將 CO2 還原成醣類。過程中,自營生物將太陽的光能轉變成生物可利用的化學能,儲存於醣類。儲存能量的醣類在所有生物之間流通,此種物質的流通即是一種能量的流通。生物體由食物獲取能量的方式是簡單的氧化反應,但是過程複雜。當食物經消化系統轉變成細胞可吸收的形式(如單醣、胺基酸與脂肪酸)後,細胞利用一連串化學反應將其氧化以釋出所含的能量,最後釋出的能量轉變為 ATP 再提供各種生理活動的進行。簡單而言,生物的生存仰賴能量不斷的輸入,當細胞新陳代謝時,生物獲得並利用環境中的能量與物質,需能的同化代謝通常由 ATP 高能鍵斷裂時所釋出的能量提供;而異化代謝釋出的能量則使 ADP 再生為 ATP。
ATP
1. ATP 是細胞內能量的主要攜帶者,也是共同的能量來源。ATP 由腺嘌呤、核糖及三個磷酸基構成(參見課本 P.29 圖 1-28),三個磷酸基間的兩個共價鍵為高能鍵,斷裂時可釋出大量能量。
2. 一般細胞中,大部分的 ATP 在粒線體合成後,送至細胞各處被利用。通常細胞需要能量時,ATP 最末端的「高能鍵」會斷裂,移除一個磷酸根(Pi)後生成ADP,並釋出能量供細胞進行需能反應。
3. 細胞內 ATP 與 ADP 的相對含量,反映出細胞所含能量的多寡。ATP 與 ADP 不僅是細胞能量的表徵分子,也是新陳代謝的主要調控者。當細胞內 ATP 濃度增加時,ADP 濃度相對減少,同化代謝會加速而增加對 ATP 的消耗;相對地,當細胞內 ATP 濃度減少而 ADP 濃度相對增加時,異化代謝會加速而增加 ATP 的產生,使細胞所含的能量維持恆定(參見課本 P.29 圖 1-29)。
4. ATP 最末端的「高能鍵」斷裂時,產物 ADP 與 Pi 所含的能量(自由能)比反應物 ATP 與 H2O 低,所以可釋出能量,此現象與 ATP、ADP 及 Pi 的分子構造有關。產物 ADP 與 Pi 因結構的共振形式較 ATP 與 H2O 多,因此較為穩定,此稱為共振穩定作用(resonance
stabilization)。另一影響因子為電荷相斥作用(charge repulsion),當 ATP 生成 ADP 與 Pi 時,可減弱負電荷的相斥作用,有利於高能鍵的斷裂。相同地,當第 2 個高能鍵斷裂時,ADP 生成 AMP 與 Pi,同樣的因子會造成大約相等的能量釋出。