氧氣與能量

身體依賴氧氣維持生命。細胞若有足夠氧氣供應,就能藉氧化磷酸化的工序,從葡萄糖分子中,釋放或提取能量。

一個人可以閉氣多久?可能《健力士世界紀錄大全》中有這個記載。以我而言,我只知道美國海軍招募潛水員的條件之一,是要求應徵者能閉氣最少兩分鐘。

對身體來說,氧氣供應是不可或缺的。細胞需有足夠的氧氣,才能藉「氧化磷酸化」(Oxidative Phosphorylation)的工序,從葡萄糖分子取得能量;若一旦發生「缺氧」的狀況,細胞被逼改用另一個叫「糖酵解」(Glycolysis)的方法,去做同樣目標的工作,效率差多了。如果以榨橙汁作比喻,前者是使用電動榨汁機,在形似尖椎(以高速度旋轉)的筒上按下去;只須一壓,汁液隨即滾滾流下。後者則是用手,把半個切開了的橙用力擠,流出來的,只是涓涓滴滴,事倍功半。

兩種製造能量的「收穫量」,是十九與一之比。再以同樣比喻解釋,在榨汁機出口處放一個量杯,開動機器,手執橙子置於尖筒上,不須用太大之力;尖筒自己在滾動,不旋踵,流入杯中的橙汁可去到38個量度點。但若用徒手去擠,費時失事,老半天才只有兩個量度點的份量。同樣地,細胞製造能量也用「器皿」承載,這個「器皿」,我們稱之為「三磷酸腺苷」(Adenosine triphosphate,ATP)。

「三磷酸腺苷」是生物化學中的一個名詞,性質屬「核苷酸」Nucleotide。「核苷酸」又是什麼?我們都聽說過遺傳物質「基因」Gene這個詞:「基因」乃是由「去氧核糖核酸」DNA 排列而成的「鏈」,分作兩條,其中載有「遺傳訊息」的「正本」和「後備本」。如果說「遺傳訊息」是文章,DNA就是文字。看見嗎?DNA「去氧核糖核酸」這個名詞中,有「核酸」兩個字。所以「核酸」Nucleic Acid可說是:一種「生物分子」,用以(例如)組合成為DNA。至於「核苷酸」,那是「可以構成核酸再而構成DNA的一種『生物分子』的單位」。囉嗦的一大串,看來好像很複雜,其實只是一堆名詞,分別形容一些「個體」及其下另一層次「分支」出來的「較小個體」而已。只須把它們的「從屬關係」弄清楚,並不難明白。在生物化學中,「三磷酸腺苷」有它獨特的功用。

它是細胞內的「通貨」,統管能量的儲存和傳遞,好比是人類社會中的「鈔票」。後者是「財富」的「儲存物」之一,憑「鈔票」這「財富單位」,我們能持有(賺得的)財富,也能將其傳遞開去。同樣地,憑「三磷酸腺苷」這種「器皿」,細胞把(造出來的)能量承載着,亦可以將其傳遞開去。明乎此,現可回到上述兩種「製造能量」的討論了。

物極必反

身體依賴氧氣維持生命。細胞若有足夠氧氣供應,就能藉氧化磷酸化(Oxidative Phosphorylation)的工序,從(葡萄)糖分子中,釋放或提取能量。用這方法,所得的能量比較多,足以填滿38個「器皿」。

這器皿叫ATP,有人比喻它是具生物性質的「電池」。

但如果氧氣供應短缺,細胞會被逼改用效率較低的「糖酵解」(Glycolysis)生產之道。憑後者方法,從一個糖分子得到的,只夠填滿兩個ATP。

以「糖酵解」造出的能量,不足以維持細胞正常操作。這便是為什麼一個人在腦缺氧(例如中風)後,腦細胞會凋亡,令神經系統受損,身體機能衰敗。

敗血病(Sepsis)患者的「器官衰竭」,也是緣自缺氧。

很多人初到西藏時,會感覺不適,原因正是西藏的空氣稀薄,以致血液無法攜帶足夠的氧氣到腦,人便頭暈了。

但為什麼西藏的居民能處之泰然?因為當長期生活在一個空氣稀薄的環境中,細胞能啟動一個「適應」的機制。簡單解釋:細胞基本上是不停地在製造一個叫「缺氧誘導因子」(Hypoxia-Inducible Factor,HIF)蛋白質的。之後,它用一個叫「脯胺酸羥化酶」(ProlineHydroxylase)的酵素,把一個羥基(Hydroxyl)加在這HIF蛋白質(胺基酸序列中)的一個「脯胺酸」之上;再而引發一個叫VHL (Von Hippel-Lindau tumorsuppressor, E3 ubiquitin protein ligase)的酵素;後者把一個叫「泛素」(Ubiquitin)的蛋白質,貼在HIF上。「泛素」好比是一個「我是廢物」的標籤,用以照會細胞的蛋白酶體(Proteasome)出手,把HIF 消化掉。

不過,一旦缺氧,脯胺酸羥化酶便會失靈。正是物極必反:HIF 死裏逃生,會刺激細胞製造「紅血球生成素」(Erythropoietin,EPO)。顧名思義,EPO能刺激骨髓「生成」紅血球。紅血球一旦增多,血液便能攜帶多一些氧氣去到腦部。曾有一間叫Amgen 的藥廠,往西藏收集了大量當地人排洩的尿液,其中有豐富的EPO 含量,從而得到「第一桶金」的EPO。之後利用生物科技,大量造出(可說是人工製作的)EPO,用以治貧血。此藥每年的銷量曾高達25億美元。

在人體內,製造EPO 的器官是肝和腎。胎兒多用肝;出世後則以腎為主。這便解釋了為什麼晚期腎病患者會嚴重貧血。醫生的對策,一是注射人工EPO;二是刺激腎病患者的肝去製造EPO。這方面有一個天然補健食品,來自「紅景天」。

原刊於《信報》,本社獲作者授權發表。

顧小培