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Lecture 5: Energy transformation in living cell

生命形式共通的能量貨幣──ATP

生命要維持它的結構,必須持續不斷地從食物中取得能量。地球上所有的生命形式都使用ATP作為能量貨幣,ATP在細胞內水解後,產物與水結合釋放出能量。原始的生命型態利用環境中自然存在的食物來製造ATP,但環境中可用的食物有限,要延續生命的繁衍,就必須發展出新的「能源政策」。

 

引發生物化學界20年爭論的能量轉換機制

電子傳遞鏈是所有生命共同擁有的一套能量轉換機制。不論是光合作用或是分解食物分子取得的高能分子都是經由這一套機制將不同形式的能量轉變成生命共通使用的ATP。以粒線體為例:粒線體內的NADH正是帶電子的高能量分子,這些電子給了氧產生水,在這個過程中間產生了ATP。但是這個過程是如何發生的?一個消失的中間產物引發生物化學界近20年的爭論。

 

無氧環境下該如何繼續分解葡萄糖?

無氧環境下細胞分解1個葡萄糖可得到2個ATP,有氧環境下分解1個葡萄糖可得到38個ATP,以能量產生觀點,生物自然會傾向於更有效率的能量產出方式,但是當環境中缺乏氧氣時,克式循環進行不完全,細胞該如何調整葡萄糖代謝的路徑,以確保能繼續分解葡萄糖獲得能量?

 

地球史上最重要的一次基因改造──光合作用

地球形成之初原始大氣中沒有氧,22億年前演化出可行光合作用的生物,氧氣作為附屬品被排放到大氣中,氧的活性讓它快速「燃燒」所有可以氧化的物質,包括DNA,進而破壞細胞功能,可說是地球史上最嚴重的一次「空氣汙染」。18億年前,部分生物演化出將氧置於電子傳遞鏈末端的機制,行有氧呼吸將氧轉換成水,不僅解決氧的毒化問題,還可以產生更多能量。在討論完有氧與無氧呼吸的狀況後,讓我們回過頭來討論光合作用的能量產生效率又是如何。