2010.03.04  北京

                        人之活力从哪里来？

      如果将人的生命比作是一部运转着的机器，生命的活力则相当于机器动力。人们可以简单地发现,机器的动力由能量转换产生。人的活力必然来自人的身体里的内部能量。

   那么, 人体的能量又是从哪里来的呢?  进食、喝水、呼吸空气，是每个人都得重复的基本活动。在他的整个生命周期内,似乎不能有片刻地停顿。人体的能量是不是就在食物、水或空气中呢？产生于其中哪一种间或产生于每一种? 又是如何产生的?

   思索着如此这般的一系列问题, 深入到生物学的学术堆里, 考证了关于食物与人体能量关系的一系列论说。最近几年, 自我感觉缺少活力, 能量不足。似乎太需要找到这些问题的答案了!

   据说,水用于补充人体中的水，水占人体成分总成的{zd0}部分。空气含氧，人的生命太需要氧气了, 几乎一刻也不能缺少。食物为人提供能量和养分。但不怎么清楚食物、水和空气作用于人体的机理和详情。

    考证完毕，有些恍然大悟，原来如此！人的身体能量来自食物——含有源自太阳能能量物质变成的一类食品。能量的吸取、释放和转化全部发生在人体细胞层面，水与空气主要起着辅助作用。缺少活力, 能量不足，原来是自己的某些细胞发生了问题! 细胞摸不着,看不见。细胞的问题看来是一个{yj}的问题。。。。。。

    人的细胞代谢从外界能源中获取能量，并在内部使用以保证必要的细胞活动。细胞呼吸是生物体通过食物分子的生物学降解而获取能量的方式。细胞呼吸是指在细胞内，氧化葡萄糖、脂肪酸等生物大分子以获取能量并产生CO2的过程，也称之为生物氧化。生物氧化是一个复杂的、有多种酶参与的多步骤过程。生物大分子在体内的氧化与体外燃烧氧化，在本质上是相同的，都要消耗氧气，并产生二氧化碳和水。但是两者产生的能量不同，燃烧时，从生物大分子中释放的能量{bfb}是以光和热的形式散失；而葡萄糖的生物氧化时，约有40%的能量是存储到ATP中。此外，在氧化方式上也存在着巨大的差异。葡萄糖在体外燃烧是一步完成的；而体内的生物氧化过程缺是逐步进行的，需要在PH接近中性、体温条件、并需要酶的参与，产生能量的过程是逐步释放的。

    生物氧化总反应式是： C6H12O6+6O2+6H2O——6CO2+12H2O+能

    细胞呼吸的全过程可以分为四个部分：

    一、糖酵解（glycolysis）：
    糖酵解途径是指细胞在细胞质中分解葡萄糖生成丙酮酸的过程，此过程中伴有少量ATP的生成。这一过程是在细胞质中进行，不需要氧气，每一反应步骤基本都由特异的酶催化。在缺氧条件下丙酮酸被还原为乳酸，有氧条件下丙酮酸可进一步氧化分解生成乙酰CoA进入三羧酸循环，生成CO2和H2O。糖酵解总共包括10个连续步骤，均由对应的酶催化。
    总反应为：葡萄糖+2ATP+2ADP+2Pi+2NAD+ ——>2丙酮酸+4ATP+2NADH+2H++2H2O

    二、丙酮酸氧化脱羧（oxidation and decarboxylation of pyruvate）：
    该过程发生在线粒体的基质中，释放出1分子CO2，生成一分子NADH+H+。丙酮酸脱氢酶。糖酵解过程释放的能量不足1/4。

    （插注：线粒体（mitochondrion），来源于希腊语mitos“线” + khondrion“颗粒”，又译为粒线体，在细胞生物学中是存在于大多数真核生物（包括植物、动物、xx和原生生物）细胞中的细胞器。它于1850年发现的，1898年命名。线粒体由两层膜包被,外膜平滑,内膜向内折叠形成嵴,两层膜之间有腔,线粒体中央是基质。基质内含有与三羧酸循环所需的全部酶类,内膜上具有呼吸链酶系及ATP酶复合体。线粒体能为细胞的生命活动提供场所，是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所,有细胞“动力工厂”之称。通常一个细胞中有成百上千个。细胞中线粒体的具体数目取决于细胞的代谢水平，代谢活动越旺盛，线粒体越多。线粒体可占到细胞质体积的25%。另外,线粒体有自身的DNA和遗传体系, 但线粒体基因组的基因数量有限,因此,线粒体只是一种半自主性的细胞器。）

  
    三、柠檬酸循环（citric acid cycle）：
    在线粒体基质中进行，因为在这个循环中几个主要的中间代谢物是含有三个羧基的有机酸，所以叫做三羧酸循环；又由于器中{dy}个生成物是柠檬酸，因此又称为柠檬酸循环；或者以发现者Hans Krebs命名为Krebs循环。反应过程的酶，除了琥珀酸脱氢酶是定位于线粒体内膜外，其余均位于线粒体基质中。

    四、电子传递链（chain of electron transport）。
    葡萄糖代谢中的大部分能量的释放靠包括分子氧在内的电子传递系统或电子传递链来完成。电子传递链是存在于线粒体内膜上的一系列电子传递体，如FMN、CoQ和各种细胞色素等，分子氧是电子传递链中{zh1}的电子受体。在电子传递链中，各电子传递体的氧化还原反应从高能水平向低能水平顺序传递，在传递过程中释放的能通过磷酸化而被储存到ATP中，ATP的形成发生在线粒体内膜上。氧化磷酸化：磷酸化作用是和氧化过程的电子传递紧密相关的。与底物水平的磷酸化不同。

    生物学界研究表明：食物被消化后，营养成分进入细胞转化为各类有机物。细胞再通过呼吸作用将贮藏在有机物中的能量释放出来，除了一部分转化为热能外，其余的贮存在ATP中。人所需要的能量来自ATP。并统计出细胞呼吸产生的ATP：

   （1）糖酵解：

        底物水平的磷酸化                         4ATP

        葡萄糖分子活化消耗                      -2ATP

        产生2NADH，经过电子传递链生成         4或6ATP

   （2）丙酮酸氧化脱羧：

        产生2NADH，可生成                        6ATP

   （3）柠檬酸循环

        底物水平磷酸化                           2ATP

        产生6NADH，可生成                       18ATP

        产生2FADH2，可生成                       4ATP

        总计生成                            36或38ATP

    1mol/L ATP的高能键储存的能量约为30.5kJ。1mol/L葡萄糖细胞呼吸后生成1098kJ，而氧化共生成2872.2kJ能量，其能量转化效率为38%。

    由此可知, 食物通过水(水解)和空气(供氧氧化)的辅助作用，在人体细胞层面上获得吸收，转化为能量并释放给各个机体，提供动力，最终，使生命获得源源不断的活力。即：

    食物→（消化吸收）→细胞→（呼吸作用）→ATP→（释放能量）→

  器官、组织或系统动力（能量转化）→生命活力

    如此,再一次表明，生命的存在和运动发生在物质和能量的相向流动和相互转化但xx回头的过程中。显然，ATP、葡萄糖和酶在这些过程中, 对细胞获取、释放或转化能量起着至关重要的作用。

                   附注： 关于部分生物学概念的解释

    一、关于物质和能量的流动和转化。
    生物圈中的各种生物，按其在物质和能量流动中的作用，可分为：

    1、生产者，主要是绿色植物，它能通过光合作用将无机物合成为有机物。

    2、消费者，主要指动物（人当然也包括在内）。有的动物直接以植物为生，叫做一级消费者，比如羚羊；有的动物则以植食动物为生，叫做二级消费者；还有的捕食小型肉食动物，被称做三级消费者。至于人，则是杂食动物。

    3、分解者，主要指微生物，可将有机物分解为无机物。

    这三类生物与其所生活的无机环境一起，构成了一个生态系统：生产者从无机环境中摄取能量，合成有机物；生产者被一级消费者吞食以后，将自身的能量传递给一级消费者；一级消费者被捕食后，再将能量传递给二级、三级……{zh1}，当有机生命死亡以后，分解者将它们再分解为无机物，把来源于环境的，再复归于环境。这就是一个生态系统完整的物质和能量流动。只有当生态系统内生物与环境、各种生物之间长期的相互作用下，生物的种类、数量及其生产能力都达到相对稳定的状态时，系统的能量输入与输出才能达到平衡；反过来，只有能量达到平衡，生物的生命活动也才能相对稳定。所以，生态系统中的任何一部分都不能被破坏，否则，就会打乱整个生态系统的秩序。
    物质循环必须以无机环境作为媒介，而起决定作用的是生物群落。物质在生物群落中的传递不是循环往复的，而是与能量的流动一样是单向的。尽管如此,物质作为类,而不是作为特定的个体,则表现为诸多种的“循环”，其中以“碳循环”和“氮循环”最为突出。

    “碳循环”过程中物质的变化形式为：二氧化碳---三碳化合物---葡萄糖等含碳有机物---二氧化碳，这些过程的实现需通过光合作用、细胞呼吸、分解者分解和燃烧作用。
    “氮循环”过程中物质的变化形式为：氮气---硝酸根离子或铵根离子---蛋白质等含氮有机物---尿素及动植物遗体中的含氮有机物---铵根离子---硝酸根离子---氮气，这些过程的实现需通过固氮作用、硝化作用、反硝化作用、吸收作用、燃烧作用和分解者分解。

     碳代表C基物质，即代表能量；氮代表氨基物质,即代表蛋白质或氨基酸类物质。二种“循环“实质上代表了生命或生态系统中能量和营养来源的永无竭尽。不过,人类从物质获得能量或养分的途径却是有限制的，也许不能保持永远能获得能源和资源补充。

     二、关于ATP。
     ATP (adenosine-tri-phosphate )由腺苷和三个磷酸基所组成，化学式C10H16N5O13P3，结构简式C10H8N4O2NH2(OH)2(PO3H)3H，分子量507.184。ATP中文名称为腺嘌呤核苷三磷酸，又叫三磷酸腺苷(腺苷三磷酸)，其中A表示腺苷，T表示其数量为三个，P表示磷酸基团，即一个腺苷上连接三个磷酸基团。三个磷酸基团从腺苷开始被编为α、β和γ磷酸基。
     ATP结构简式是：A—P～P～P，其相邻的两个磷酸基之间的化学键非常活跃，水解时可释放约30.54kJ/mol的能量，因此称为高能磷酸键，用“~”表示。ATP的化学性质很不稳定，在有关酶的催化下，ATP中远离A的那个高能磷酸键很容易发生水解断裂被释放，形成游离的PI并同时释放能量，成为腺苷二磷酸（ADP，A—P～P，为二磷酸腺苷）。（注：A—P为一磷酸腺苷，简称AMP），在有机物氧化分解或光合作用过程中，ADP可接受能量，同时与游离的PI结合，重新形成ATP，与磷酸结合形成ATP。这样又可避免能量流失，还能保证及时供应生命活动所需能量。ATP和ADP这种相互转化，是时刻不停的发生且处于动态平衡之中的。
    ATP是生命活动能量的直接来源，它的大量化学能就储存在高能磷酸键中，但ATP本身在体内含量并不高。人体中ATP的总量只有大约0.1摩尔。人体预存的ATP能量只能维持15秒,跑完一百公尺后就全部用完，不足的需要继续通过呼吸作用等合成ATP。人体每天的能量需要水解100-150摩尔的ATP即相当于50至75千克。这意味着人{yt}将要分解掉相当于他体重的ATP。所以每个ATP分子每天要被重复利用1000-1500次。ATP不能被储存，因为ATP的合成后必须在短时间内被消耗。
　  ATP可通过多种细胞途径产生。最典型的如在线粒体中通过氧化磷酸化由ATP合成酶合成，或者在植物的叶绿体中通过光合作用合成。在植物的叶绿体中通过光合作用合成的ATP一般不参与叶绿体外的生命活动。 ATP合成的主要能源为葡萄糖和脂肪酸。每分子葡萄糖先在细胞质基质中由酶催化产生2分子丙酮酸（C3H4O3)同时产生2分子ATP和4个还原性氢，产生的能量可以使2分子ADP与Pi结合生成ATP。最终在线粒体中通过三羧酸循环（或称柠檬酸循环）产生最多38分子ATP。其大致过程是：在线粒体基质中{dy}步产生的2分子丙酮酸与6分子水结合在酶的催化下产生6分子二氧化碳，20个还原性氢，产生能量可以使2分子ADP与Pi结合生成ATP。最终前两步产生的24个还原性氢与6分子氧气在线粒体内膜结合在酶的催化下产生12个水分子，放出大量能量，产生能量可以使34分子ADP与Pi结合生成ATP。有氧呼吸三个步骤可以使1分子葡萄糖分解产生38个ATP，三步中的酶是不同的酶。
　　此外，无氧呼吸也可以产生ATP，其{dy}步与有氧呼吸相同，第二步为前一步产生的2分子丙酮酸与4个还原性氢的作用下产生2分子乳酸（C3H6O3)或者产生2分子酒精和2分子二氧化碳，这一过程不释放能量，可见无氧呼吸中大多数能量都保存在有机物中而浪费。
    综上所述，机体供能的方式可分两类：一类是无氧供能，即在无氧或氧供应相对不足的情况下，主要靠ATP、CP分解供能和糖元无氧酵解供能(即糖元无氧的情况下分解成为乳酸同时供给机体能量)。另一类为有氧供能，即能量主要来自糖元(脂肪、蛋白质)的有氧氧化。由于此类供氧充分，糖元可以xx分解，释放大量能量，因而能维持机体运动较长的时间。
　　三、关于酶。
    酶是活细胞内产生的具有高度专一性和催化效率的蛋白质，又称为生物催化剂。广泛存在于各种细胞中，催化细胞生长、代谢等生命过程中几乎所有的化学反应。细胞内合成的酶主要是在细胞内起催化作用，也有些酶合成后释入血液或消化道，并在那里发挥其催化作用，人工提取的酶在合适的条件下也可在试管中对其特殊底物起催化作用。酶的化学本质是蛋白质。有的酶仅仅由蛋白质组成。如：核糖核酸酶（催化核糖核酸水解的酶）。有的酶除了主要由蛋白质组成外，还有一些酶活性所必需的小分子参与，后者称为辅酶或酶的辅基（辅助因子）。酶的分子组成：
    全　　酶 =　　酶　蛋　白 +　辅助因子
   (结合蛋白质) (蛋白质部分) 　(非蛋白质部分) 
    （详见本博《生命起源探寻》一文)

    四、关于葡萄糖。
    葡萄糖是糖的一种。

    糖的组成元素有C、H、O三种。

    一般分为：
    1）单糖：
       五碳糖：脱氧核糖（DNA的成分）、核糖（RNA的成分）。
       六碳糖：葡萄糖、果糖、半乳糖。
    2）二糖：蔗糖、麦芽糖、乳糖

    3）多糖：淀粉、纤维素、糖原
    多糖和二糖在酶的作用下可水解为单糖。

    还可按来自植物或动物情况分为: 
    1）植物特有的糖类：蔗糖、麦芽糖、淀粉、纤维素；
    2）动物特有的糖类：半乳糖、乳糖、糖原（肝糖原、肌糖原）；
    3）动、植物共有的糖类：脱氧核糖、核糖、葡萄糖。

    葡萄糖是一种单糖，意指用舌头品尝，味道甘甜。葡萄糖由六个碳原子和六个水分子元素组成，分子式为： C6H12O6。葡萄糖亦称作“血糖”和“右旋糖”，在血流中流动，因而人体内的每个细胞都可以得到葡萄糖。人体细胞吸收葡萄糖，并将葡萄糖转化成驱动细胞的能量。确切地说，葡萄糖发生一组化学反应形成ATP（腹苷三磷酸），ATP中的一个磷酸键为所有人体细胞的大多数机能提供能量。如果一个人饮用一杯葡萄糖水溶液，那葡萄糖会直接从他的消化系统进入血液。 
    果糖是水果中的主要糖分。 果糖和葡萄糖的分子式相同（C6H12O6），但原子的排列略有不同。肝脏会把果糖转化成葡萄糖。

    蔗糖，也称作“白糖”或“调味糖”，由一个葡萄糖分子和一个果糖分子结合而成。

    乳糖（牛奶中的糖）由一个葡萄糖分子和一个半乳糖分子结合而成。正如果糖那样，半乳糖的化学成分也和葡萄糖相同，但原子的排列不同。肝脏也会把乳糖转化成葡萄糖。麦芽糖存在于麦芽中，由两个葡萄糖原子结合而成。

    葡萄糖、果糖和乳糖都属于单糖，是{wy}能通过小肠衬里吸收进入血流的碳水化合物。乳糖、蔗糖和麦芽糖属于二糖（它们包含两个单糖），很容易通过消化道中的酶转化为相应的单糖基。单糖和双糖统称为简单碳水化合物。它们也是糖——尝起来味甜，而且都可很快消化，也可以迅速地进入血流。食品包装上的“营养表”标签上的“碳水化合物”栏下的“糖类”，指的就是这些单糖。
    另外还有复杂碳水化合物，通常称为“淀粉”。复杂碳水化合物由葡萄糖分子链组成。淀粉是植物储存能量的方式——植物制造葡萄糖，并将葡萄糖分子连接起来形成淀粉。大多数谷物（小麦、玉米、燕麦、大米）以及类似土豆和大蕉的食物富含淀粉。人体消化系统把复杂碳水化合物（淀粉）分解成它的葡萄糖分子成分，于是葡萄糖便可以进入血流。不过，分解淀粉需要花费更长时间。如果一个人喝了一罐含有大量糖的汽水，葡萄糖将以每分钟30卡路里左右的速度进入血流。而复杂碳水化合物的消化速度则要缓慢得多，葡萄糖进入血流的速度仅为每分钟2卡路里。
    如果复杂碳水化合物在吸收进入血流之前在肠内分解成单糖，为什么它们比精制糖或其他二糖或单糖好？在很大程度上来说，这与消化和吸收的过程有关。单糖需要少量消化，当一个孩子吃了甜食，如一块糖或一罐汽水，血液中的葡萄糖水平会快速上升。人体接下来的反应是，胰脏分泌大量胰岛素以确保血液中的葡萄糖含量不会上升得太高。接着，由于胰岛素的这种剧烈反应，使得在儿童食用块糖或汽水3到5小时后，血糖含量降低到过低水平。这种血液葡萄糖含量降低的趋势，可能导致肾上腺素升高，从而引起紧张和烦躁情绪……而在食用复杂碳水化合物或营养均衡的食物之后，就不会发生葡萄糖和xx水平如同过山车般大起大落的情况，因为这些食物的消化和吸收过程要缓慢得多。这表明食物和进食方式能影响一个人的心情和脾气。
    胰岛素对人体利用食物提供的葡萄糖的方式至关重要。胰岛素是一种简单蛋白质，其中两个氨基酸多肽链通过二硫化物键连接。胰岛素帮助把葡萄糖输入细胞，以便细胞可以氧化葡萄糖，为人体产生能量。在脂肪组织里，胰岛素促进葡萄糖的储存以及葡萄糖向脂肪酸的转化。胰岛素也减缓脂肪酸的分解速度。在肌肉里，胰岛素促进氨基酸的摄取以生成蛋白质。在肝脏里，胰岛素帮助将葡萄糖转化成糖原（储存的动物碳水化合物），并减少糖原异生作用（从非碳水化合物来源形成葡萄糖的过程）。胰岛素还能阻止蛋白质分解释放能量。高血糖素（另一种胰xx胰）和肾上腺素会抑制胰岛素的这些反应。

    实际上在人体内正在围绕葡萄糖发生许多不同反应。这是因为葡萄糖是人体必需的能量来源，人体有很多不同机制，以确保适当水平的葡萄糖在血液中流动。例如，人体把葡萄糖储存在肝脏中（以糖原形式），必要时也能把蛋白质转化成葡萄糖。碳水化合物供给细胞赖以生存的能量。碳水化合物为人体基本的能量由碳水化合物提供。葡萄糖是最简单的碳水化合物.“碳水化合物”这个词源自葡萄糖由碳和水组成的事实。
    五、关于细胞。

   （参见本博《生命起源探寻》一文)