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【能量篇】呼吸代謝,人體最重要的生存機制,全面分析能量和氧氣之間的關係

地球的空氣中有21%的成分是氧氣,一般人要是不呼吸超過五分鐘,就會缺氧死亡,人活著必須呼吸,氧氣對人體來說是不可或缺的。 但,為什麼呢? 我們日常生活中無時無刻都在消耗能量,靜靜地坐在咖啡廳看書、打一場傳說對決,短距離的衝刺、長時間低強度的有氧,甚至睡覺的時候,我們身體產生能量的機制都不曾停止過,那個機制就是:呼吸代謝。 呼吸代謝指的是人體透過呼吸從大氣中得到氧氣,再利用氧氣將食物中的營養素氧化,從中獲得能量並存活下去的過程。因此人活著必須呼吸,更精準的說法應該是人活著需要能量,人類大腦中塞滿約一千億個神經細胞(十分大量),腦部的運作需要藉由腦細胞內外的鉀離子和鈉離子的濃度差異引發電位刺激傳導,過程中需要消耗大量ATP,因此一般人缺氧五分鐘,就會能量不足死亡,因此呼吸代謝重要性可想而知!

●呼吸代謝三本柱

1.糖解作用

2.檸檬酸循環

3.電子傳遞鏈

糖解作用:

糖解作用是將六碳的葡萄糖分解成兩個三碳的丙酮酸的代謝途徑,發生在細胞基質當中,也就是肌漿肥大的重點區域。丙酮酸之後的代謝過程非常仰賴細胞內氧氣的有無,又稱為葡萄糖的有氧和無氧代謝。

1.無氧

在細胞缺氧的情況下,丙酮酸被還原成乳酸,這些乳酸之後會經由Cori Cycle合成丙酮酸,最後會被送回到肝臟重新逆成葡萄糖。 這個產生能量的路徑又稱為快速糖解系統,產生能量的效率雖然比較低,但能在短時間內輸出能量以供緊急狀況所需(血液來不及將充足的氧氣提供給肌肉),所以跟有氧的呼吸代謝產能機制一樣重要

2.有氧(呼吸代謝)

在氧氣充足的情況下,丙酮酸會進入粒線體走檸檬酸循環粒線體並完全氧化,因此在有氧的環境下,糖解作用的主要功能在於提供丙酮酸,以供後續的檸檬酸循環能完全氧化葡萄糖並產生大量ATP,也就是本篇的主題:呼吸代謝,利用氧氣氧化食物營養素獲得能量的路徑。

糖解作用目的:將葡萄糖分解成丙酮酸,後續再轉成門票後才能進入檸檬酸循環。

檸檬酸循環:

檸檬酸循環又稱克勞勃循環Kreb Cycle或者是克氏循環。檸檬酸循環是三大營養素(醣類、蛋白質、脂質,主要是醣類)的最終共同分解途徑,它們經由各種路徑轉換成門票:乙醯輔酶A後,就會一起進入檸檬酸循環,完全氧化成二氧化碳和水,同時將所含的熱量全部釋出,食物中將近90%所釋出的熱量都來自於檸檬酸循環的氧化作用。

糖解作用的產物丙酮酸,會先轉換成門票:乙醯輔酶A後,進入檸檬酸循環當中並逐漸氧化分解成二氧化碳,但是我們看看丙酮酸的化學式(CH3COCOOH),再看看二氧化碳的化學式(CO2),就會發現氫原子H不見了,因此我們知道有四個氫原子在檸檬酸循環中被釋放出來。

檸檬酸循環目的:氧化丙酮酸釋出大量氫原子,以供電子傳遞鏈使用

電子傳遞鏈

檸檬酸循環的目的,在透過丙酮酸的氧化釋放出大量氫原子,這些氫原子會以NADH和FADH(分別是維生素B2和B3的還原態)儲存起來,之後再經由氧化磷酸化作用將氫原子能量產生ATP。

氫原子由一個質子和一個電子所構成,因此很容易釋放電子,是超級好的電子提供來源,這些電子會在接著的電子傳遞鏈當中,在不同酵素之間傳遞,最後將氧原子還原成水,呼吸代謝就大功告成!這個代謝的過程發生在粒線體的內膜上,過程中伴隨電子轉移,所以稱之為電子傳遞鏈,又稱為呼吸鏈,這就是呼吸代謝的最後一個步驟。

呼吸代謝(有氧)和快速糖解(無氧)產生的能量差異

”一個ATP分子的能量約為七大卡“

”一莫耳葡萄糖完全燃燒會釋放686大卡“

1.呼吸代謝

糖解作用:2個ATP

檸檬酸循環:2個ATP

電子傳遞鏈:34個ATP

總共:38個ATP(一莫耳的葡萄糖分子),38x7=266大卡

→呼吸代謝利用葡萄糖的能量效率:

266/686=38.8%

2.快速糖解

一莫耳葡萄糖分解成乳酸時會生成兩個ATP,總共獲得7x2=14大卡

→代謝利用葡萄糖的能量效率:

14/686=2%

呼吸代謝產生能量的效率足足是無氧的快速糖解的19倍,因此我們可以知道能利用氧氣的生物在演化上會具備驚人的優勢,在物競天擇中脫穎而出。但這並不是說無氧的快速糖解系統不重要,事實上短暫爆發的磷化物系統和糖解系統在生存上十分重要,因為多得是血液來不及將充足氧氣送到肌肉的突發狀況。

人類老化逐漸流失的白肌也需要器械破壞的訓練來達到肌原肥大的目的,而這時用的能量系統主要也是糖解系統,甚至主流科學不斷挑戰長時間有氧訓練的必要性,一部份專家認為,有氧系統的心率區間能夠藉由糖解系統的訓練來達到,並主張除了耐力型選手如馬拉松選手之外,不需要特別去進行長時間的低強度有氧訓練,但這些都不足以動搖,呼吸代謝是人類生存的根本這個事實。

●結論

地球上的氧氣大約在20億年前開始逐漸增加,在五億年前才達到現今的21%,五億年前,氧氣都還是超級毒物,地球上的生物都是厭氧特性的,你要他們吸氧氣就像是在為他們吃毒,後來氧氣慢慢增加後,有些生物透過化解氧氣毒性的生理機制,反過來利用氧氣種毒物,取得了物競天擇的優勢地位,比如説人類的遠祖,有些則無法適應環境的變化而滅絕.....

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