人體生理學/細胞生理學

穩態 — 細胞 — 皮膚 — 神經 — 感覺 — 肌肉 — 血液 — 心血管 — 免疫 — 泌尿 — 呼吸 — 消化 — 營養 — 內分泌 — 生殖 (男性) — 生殖 (女性) — 妊娠 — 遺傳 — 發育 — 答案

細胞結構和功能

什麼是細胞？

細胞是生命結構和功能的單位。所有生物都有細胞：細菌、原生動物、真菌、植物和動物是生物的主要類別。一些生物只由一個細胞組成，稱為單細胞生物（例如細菌和原生動物），但包括人類在內的動物是多細胞生物。一個成年人的身體大約由100,000,000,000,000個細胞組成！每個細胞都有基本的生存需求，而人體的器官系統很大程度上是為了滿足數萬億個細胞的這些基本需求而構建的（例如氧氣、食物和廢物清除）。

人體中大約有200種不同的特化細胞。當許多相同的細胞組織在一起時，就被稱為組織（例如肌肉組織、神經組織等）。各種組織為了共同的目的而組織在一起，被稱為器官（例如胃是一個器官，皮膚、大腦和子宮也是器官）。

關於細胞結構的認識隨著時間的推移而發生了巨大的變化。早期的生物學家將細胞視為簡單的膜囊，其中包含液體和一些漂浮的顆粒。現在的生物學家知道細胞比這複雜得多。因此，對各種細胞器及其功能的深刻了解對於任何生理學家來說都是重要的。如果一個人的細胞是健康的，那麼這個人就是健康的。所有生理過程、疾病、生長和發育都可以從細胞水平上進行描述。

人體的特化細胞

雖然人體記憶體在著特化細胞（無論在結構還是功能上），但所有細胞在結構組織和代謝需求方面都具有相似性（例如透過將碳水化合物轉化為ATP來維持能量水平，並使用基因來建立和維持蛋白質）。

以下是一些人體內的不同型別特化細胞。

神經細胞：也被稱為神經元，這些細胞存在於神經系統中，負責處理和傳遞資訊（假設）。它們是大腦、脊髓和周圍神經的核心組成部分。它們使用可以引發稱為動作電位的電訊號的化學突觸來傳遞訊號到全身。
上皮細胞：上皮細胞的功能包括分泌、吸收、保護、跨細胞運輸、感覺檢測和選擇性滲透。上皮組織覆蓋著身體的外部（皮膚）和內部腔體和管腔。
外分泌細胞：這些細胞透過導管分泌產物，例如粘液、汗液或消化酶。這些細胞的產物透過導管直接到達靶器官。例如，膽囊中的膽汁透過膽管直接輸送到十二指腸。
內分泌細胞：這些細胞與外分泌細胞類似，但它們將產物直接分泌到血液中，而不是透過導管。內分泌細胞遍佈全身，但集中在分泌激素的腺體中，例如垂體。內分泌細胞的產物透過血液輸送到全身，但透過靶器官細胞上的受體作用於特定的器官。例如，雌激素激素專門作用於女性的子宮和乳房，因為這些靶器官細胞中存在雌激素受體。
血細胞：最常見的血細胞型別是
- 紅血球。紅血球的主要功能是在肺部收集氧氣，並透過血液輸送到身體組織。氣體交換透過簡單的擴散進行。
- 各種型別的白血球。它們是在骨髓中產生的，幫助身體在免疫系統中抵抗傳染病和異物。白細胞存在於迴圈系統、淋巴系統、脾臟和其他身體組織中。

細胞大小

細胞是人體內最小的結構和功能單位，但在使我們的身體正常運作方面起著重要作用。許多細胞，例如卵細胞，在從親代細胞形成後，大小不會大幅增加。典型的幹細胞會繁殖、體積加倍，然後再次繁殖。大多數細胞質內容物，例如內膜系統和細胞質，在較大的細胞中很容易擴充套件到更大的尺寸。如果細胞變得太大，正常的細胞 DNA 量可能不足以維持細胞的 RNA 供應。大細胞通常會將染色體複製到異常高的數量，或變成多核細胞。主要用於儲存營養物質的大細胞可能具有光滑的表面膜，但代謝活躍的大細胞通常會對細胞表面膜進行某種摺疊，以增加可用於運輸功能的表面積。

細胞組織

多種不同的分子相互作用，在我們的身體內形成細胞器。每種型別的細胞器都有特定的功能。細胞器執行維持細胞存活的必要功能。

細胞膜

細胞的邊界，有時稱為質膜，將內部代謝事件與外部環境隔開，並控制物質進出細胞的運動。這種膜對允許透過的物質非常有選擇性；這種特性被稱為“選擇性滲透”。例如，它允許氧氣和營養物質進入細胞，同時阻止毒素和廢物進入。質膜是雙磷脂膜，或稱為脂質雙層，非極性疏水尾部指向膜的內部，而極性親水頭部形成膜的內表面和外表面。

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蛋白質和膽固醇

蛋白質和膽固醇分子散佈在靈活的磷脂膜中。外周蛋白松散地附著在質膜的內表面或外表面。整合蛋白橫跨膜，從內部延伸到外部。各種蛋白質散佈在靈活的磷脂分子基質中，有點像海洋中漂浮的冰山，這就是細胞膜的液態鑲嵌模型。

磷脂雙層具有選擇性滲透性。只有小的、不帶電荷的極性分子才能自由穿過膜。其中一些分子是 H₂O 和 CO₂，疏水性（非極性）分子如 O₂，以及脂溶性分子如碳氫化合物。其他分子需要膜蛋白的幫助才能穿過。有各種膜蛋白執行各種功能

通道蛋白：在膜中提供通道，使某些親水性或水溶性物質（例如極性和帶電荷的分子）可以透過。運輸過程中不使用能量，因此這種型別的運動稱為易化擴散。
轉運蛋白：消耗能量（ATP）將物質轉運穿過膜的蛋白質。當使用能量為物質提供通道時，該過程稱為主動運輸。
識別蛋白：區分相鄰細胞身份的蛋白質。這些蛋白質在其細胞表面延伸出寡糖或短多糖鏈。
粘附蛋白：將細胞附著到相鄰細胞或為內部細絲和微管提供錨點的蛋白質，這些細絲和微管為細胞提供穩定性。
受體蛋白：當激素或其他觸發分子與之結合時，啟動特定細胞反應的蛋白質。
電子傳遞蛋白：參與化學反應過程中將電子從一個分子轉移到另一個分子的蛋白質。

跨細胞膜的被動運輸

被動運輸描述物質沿著濃度梯度移動的過程，不需要能量消耗。

整體流動是指物質響應壓力等力的集體運動，以相同方向移動。血液透過血管流動是整體流動的例子。
簡單擴散或擴散，是指物質從高濃度區域向低濃度區域的淨運動。這種運動是由於所有分子（原子或離子）的隨機和恆定運動而發生的，與其他分子的運動無關。由於在任何時刻，一些分子可能沿著梯度移動，而另一些分子可能逆著梯度移動，儘管運動是隨機的，但“淨”一詞用於表示運動的整體、最終結果。
易化擴散是指溶質透過質膜中的通道蛋白進行擴散。水可以自由地穿過質膜，無需專門蛋白質的幫助（儘管受水通道蛋白的幫助）。
滲透是指水分子穿過半透膜的擴散。當水透過滲透進入人體時，體內可能會積聚靜水壓力或滲透壓。
透析是指溶質穿過半透膜的擴散。

跨細胞膜的主動運輸

主動運輸是指溶質逆著梯度移動的過程，需要消耗能量，通常以 ATP 的形式。主動運輸透過以下兩種機制之一實現

蛋白泵

質膜中的轉運蛋白轉運溶質，例如小離子（Na⁺、K⁺、Cl^-、H⁺）、氨基酸和單糖。
參與主動運輸的蛋白質也稱為離子泵。
該蛋白質在膜的一側與要轉運的物質分子結合，然後它利用釋放的能量（ATP）改變其形狀，並在另一側釋放它。
蛋白質泵是特異性的，每種要轉運的分子都有一個不同的泵。
蛋白質泵是 ATP → ADP + 磷酸鹽裂解的催化劑，因此被稱為ATP 酶。
- 鈉鉀泵（也稱為 Na⁺/K⁺-ATP 酶）主動將鈉移出細胞，並將鉀移入細胞。這些泵存在於幾乎每個細胞的膜中，對神經衝動的傳遞和肌肉收縮至關重要。

囊性纖維化是一種遺傳性疾病，會導致氯離子通道發生突變。由於不能正確調節氯離子的分泌，導致跨氣道表面的水流減少，粘液脫水變稠。

囊泡運輸

細胞質中的囊泡或其他小體將大分子或大顆粒轉運穿過質膜。囊泡運輸的型別包括

胞吐作用，是指囊泡與質膜融合並將內容物釋放到細胞外部的過程。這種過程在細胞產生用於輸出的物質時很常見。
胞吞作用，是指當質膜融合吞噬細胞外的物質時，捕獲該物質的過程。該物質隨後被包裹在囊泡內進入細胞質。

胞吞作用有三種

吞噬作用或細胞吞噬，是指溶解的物質進入細胞時發生的現象。質膜吞噬固體物質，形成吞噬囊泡。
胞飲作用或細胞飲用，是指質膜向內摺疊形成通道，使溶解的物質進入細胞的過程。當通道關閉時，液體被包圍在一個胞飲囊泡內。
受體介導的胞吞作用是指細胞周圍液體的特定分子與質膜中專門的受體結合的過程。與胞飲作用一樣，質膜向內摺疊，並形成囊泡。

注意：某些激素可以透過受體介導的胞吞作用靶向特定細胞。

細胞的組成部分

細胞質

細胞膜內的凝膠狀物質稱為細胞質。它是一種液體基質，即細胞溶質，由 80% 到 90% 的水、鹽、有機分子和許多催化反應的酶組成，以及溶解的物質，例如蛋白質和營養物質。細胞質在細胞中起著重要作用，作為細胞器懸浮和透過脂肪膜結合在一起的“分子湯”。

在細胞的質膜內，細胞質包圍著核膜和細胞質細胞器。它透過在膜內移動和推擠細胞膜，在機械方面發揮作用，幫助維持細胞的形狀和一致性，並再次為細胞器提供懸浮。它也是細胞生命所必需的化學物質的儲存空間，這些化學物質參與重要的代謝反應，例如無氧糖酵解和蛋白質合成。

細胞膜防止細胞質洩漏。它包含許多不同的細胞器，這些細胞器被認為是細胞質的不溶性成分，例如線粒體、溶酶體、過氧化物酶體、核糖體、多個液泡和細胞骨架，以及複雜的細胞膜結構，例如內質網和高爾基體，它們在細胞內各有特定的功能。

細胞骨架

構成細胞骨架的絲狀蛋白不斷地重構，以適應細胞不斷變化的需求。它幫助細胞維持其形狀，並使細胞及其內容物移動。細胞骨架使某些細胞（例如中性粒細胞和巨噬細胞）能夠進行變形運動。

細胞網路由三種元素組成：微管、肌動蛋白絲和中間纖維。

微管

微管作為細胞器和囊泡在細胞內移動的骨架。它們是細胞骨架結構中最粗的。它們是長的空心圓柱體，由稱為微管蛋白的蛋白質亞基組成。微管形成有絲分裂紡錘體，這是在細胞分裂過程中將染色體分配到兩個細胞的機制。如果沒有有絲分裂紡錘體，細胞就無法繁殖。

微管、中間絲和微絲是三種蛋白質纖維，它們的直徑依次減小。它們都參與建立細胞骨架的形狀或運動，細胞骨架是細胞的內部結構。

微絲

微絲為細胞提供機械支撐，決定細胞形狀，在某些情況下，使細胞運動。它們具有箭頭狀外觀，具有快速生長的正極或刺狀端和緩慢生長的負極或尖端。它們由肌動蛋白蛋白組成，參與細胞運動。它們幾乎存在於所有細胞中，但在肌肉細胞和透過改變形狀而移動的細胞中占主導地位，例如吞噬細胞（在體內尋找細菌和其他外來入侵者的白細胞）。

細胞器

細胞器是嵌入細胞質中的結構，其作用是物理隔離發生在細胞內的各種代謝活動。細胞器就像獨立的小工廠，每個細胞器負責生產一種特定產品，這種產品將在細胞或機體的其他地方使用。

所有生物的細胞都分為兩大類：原核生物和真核生物。細菌（和古細菌）是原核生物，這意味著它們缺乏細胞核或其他膜結合細胞器。真核生物包括所有原生生物、真菌、植物和動物（包括人類），這些細胞的特點是具有細胞核（包含染色體）以及各種其他細胞器。人類細胞差異很大（考慮骨細胞、血細胞和神經細胞之間的差異），但大多數細胞具有以下描述的特徵。

細胞核

控制細胞；包含遺傳物質（DNA）。細胞核是細胞器中最大的。細胞可以擁有不止一個細胞核，或者根本沒有細胞核。骨骼肌細胞包含不止一個細胞核，而紅血細胞則根本沒有細胞核。細胞核被核膜包圍，核膜是一種類似於質膜的磷脂雙層。這兩層之間的空間是核周間隙。

如上所述，細胞核包含 DNA，即細胞的遺傳資訊。通常，DNA 在細胞核內以稱為染色質的線狀基質形式散開。當細胞開始分裂時，染色質會濃縮成稱為染色體的桿狀結構，每個染色體在分裂之前由兩個長的 DNA 分子和各種組蛋白分子組成。組蛋白的作用是組織長長的 DNA，將其盤繞成稱為核小體的束。在細胞核內還可以看到一個或多個核仁，每個核仁都包含正在製造核糖體組成的 DNA。核糖體被運送到細胞質中，在那裡它們將氨基酸組裝成蛋白質。細胞核也是細胞分裂過程中染色體分離的場所。

染色體

每個細胞核內都有染色體。染色體由染色質組成，染色質由蛋白質和脫氧核糖核酸鏈組成。脫氧核糖核酸是 DNA，即遺傳物質，形狀像扭曲的梯子，也稱為雙螺旋。人類有 23 對染色體。唐氏綜合徵和貓叫綜合徵是由於染色體數量異常引起的。

中心體

中心體是棒狀結構，由 9 個束組成，每個束包含 3 個微管。兩個垂直放置的中心體被蛋白質包圍，構成中心體。中心體在細胞分裂中非常重要，它們排列有絲分裂紡錘體，將染色體拉開。

中心體和基體充當微管組織中心。位於核膜外的一對中心體（包裹在中心體中）產生構成細胞分裂過程中使用的紡錘體的微管。基體位於每個鞭毛和纖毛的底部，似乎組織了它們的形成。

核糖體

核糖體在複雜的蛋白質合成過程中起著積極作用，它們充當促進氨基酸連線的結構。每個核糖體都由一個大亞基和小亞基組成，這兩個亞基由核糖體蛋白和核糖體 RNA 組成。它們可以在細胞質中以稱為多核糖體的群體形式存在，也可以單獨存在。偶爾，它們會附著在內質網上。

線粒體

線粒體是充當細胞“動力源”的細胞器，產生 ATP，ATP 是所有細胞使用的通用能量形式。它將葡萄糖等食物營養素轉化為細胞可以使用的燃料（ATP）。線粒體是位於細胞核附近的小型囊狀結構。稱為嵴的小架子是由內膜的褶皺形成的。代謝活躍的細胞，例如肌肉、肝臟和腎臟細胞，具有很高的能量需求，因此擁有更多的線粒體。

線粒體是獨特的，因為它們擁有自己的線粒體 DNA（與細胞核中的 DNA 分開）。據信真核生物是從一個細胞生活在另一個細胞內而進化而來的，線粒體與自由生活的細菌有很多共同的特徵（相似的染色體、相似的核糖體等）。

內質網

內質是指“在質體內”，網是指“網路”。

一個複雜的三維內部膜系統，由扁平的片狀、囊狀和管狀結構組成，在製造蛋白質和穿梭細胞產物中發揮著重要作用；也參與脂肪的代謝，以及各種材料的生產。在橫截面上，它們看起來像一系列迷宮般的通道，通常與細胞核緊密相連。當存在核糖體時，粗麵內質網會將多糖基團連線到多肽鏈上，因為這些多肽鏈是由核糖體組裝的。光面內質網，沒有核糖體，負責各種活動，包括脂類和激素的合成，特別是在產生這些物質以從細胞中輸出的細胞中。

粗麵內質網由於覆蓋著大量的核糖體，因此具有典型的凹凸不平的外觀。它是合成不是註定要進入細胞質的蛋白質的場所。

光面內質網提供多種功能，包括脂類合成和降解以及鈣離子的儲存。在肝臟細胞中，光面內質網參與分解毒素、藥物和細胞反應的有毒副產物。

高爾基體

將細胞產物“包裝”到稱為囊泡的囊中，以便這些產物可以穿過細胞膜並離開細胞。高爾基體是細胞的中央配送系統。它是一組扁平的囊，排列得像一堆碗一樣。它們的功能是修飾和包裝蛋白質和脂類，形成囊泡，囊泡是從高爾基體的末端芽生的、形狀像球的小囊。囊泡通常會遷移到質膜並與質膜融合，釋放其內容物到細胞外部。高爾基體還轉運脂類，併產生溶酶體和參與消化的細胞器。

液泡

細胞質中的空間，有時用作將物質運送到細胞膜以排出到細胞外部的載體。液泡是在胞吞作用過程中形成的，此時細胞膜的一部分被捏斷。

溶酶體

溶酶體是含有許多強大降解酶的囊狀結構，它們在高爾基體中形成。它們分解有害的細胞產物和廢物、細胞碎片以及細菌等外來入侵者，然後將它們排出細胞。泰-薩克斯病和龐貝氏病只是溶酶體或其消化蛋白功能障礙的兩種疾病。

過氧化物酶體

在過氧化物酶體中，氧氣被用來氧化物質，分解脂類並解毒某些化學物質。過氧化物酶體透過增大和分裂進行自我複製。它們在肝臟和腎臟細胞中很常見，這些細胞分解潛在有害物質。過氧化物酶體可以將過氧化氫（一種由 H₂O₂ 組成的毒素）轉化為 H₂O。

細胞外結構

細胞外基質

人類細胞與其他動物細胞一樣，沒有堅硬的細胞壁。人類細胞在細胞膜外有一個重要且可變的結構，稱為細胞外基質。有時這種基質可以是廣泛的且堅固的（例如，鈣化的骨基質，軟骨基質），而有時它由一層細胞外蛋白和碳水化合物組成。這種基質負責細胞相互結合，在細胞如何物理和生理相互作用方面非常重要。

鞭毛

許多原核生物都有鞭毛，例如，大腸桿菌細菌可以藉助鞭毛沿尿道向上移動，從而引起尿路感染 (UTI)。然而，人類細胞（實際上大多數真核細胞）缺乏鞭毛。這是有道理的，因為人類是多細胞生物，單個細胞不需要遊動。對此的明顯例外是精子，事實上，每個精子都被一個鞭毛推動。精子的鞭毛由微管組成。

纖毛

纖毛在單細胞原生動物中尤其顯著，它們同步跳動，使細胞靈活地在水中移動。它們由包含微管的細胞膜延伸組成。當它們存在於人類體內時，它們通常大量存在於細胞的單個表面上，在那裡，它們不移動細胞，而是移動物質。呼吸系統的粘膜纖毛電梯由排列在氣管和支氣管中的分泌粘液的細胞以及移動粘液的纖毛上皮細胞組成。以這種方式，黴菌孢子、細菌和碎屑被粘液捕獲，從氣管中去除，並推入食道（被吞入酸坑中）。在輸卵管中，纖毛將卵子從卵巢移動到子宮，這需要幾天的時間。

細胞連線

相鄰細胞的質膜通常被細胞外液隔開，這些液體會使營養物質和廢物從血液中進出。然而，在某些組織中，相鄰細胞的膜可能結合在一起形成一個連線。三種類型的細胞連線被識別出來

橋粒是相鄰細胞之間的蛋白質附著點。在質膜內部，橋粒帶有盤狀結構，蛋白質纖維從該結構延伸到細胞質中。橋粒就像點焊一樣，將經歷相當大壓力的組織（如我們的皮膚或心肌）連線在一起。

緊密連線是細胞之間的緊密縫合線。該連線完全包圍每個細胞，阻止材料在細胞之間移動。緊密連線是消化道襯裡細胞的特徵，在這些細胞中，物質需要透過細胞（而不是細胞間隙）才能滲透到血液中。

間隙連線是直接連線兩個相鄰細胞的細胞質的狹窄通道，由稱為連線蛋白的蛋白質組成。這些蛋白質只允許離子和小分子透過。以這種方式，間隙連線透過交換物質或傳遞電脈衝來允許細胞之間通訊。

細胞代謝

細胞代謝是細胞釋放和消耗的總能量。代謝描述了發生在體內的所有化學反應。一些反應（稱為合成代謝反應）會產生所需的產物。其他反應（稱為分解代謝反應）會分解產物。你的身體同時執行合成代謝和分解代謝反應，全天候不間斷地進行，以維持你的身體存活和運作。即使在你睡覺的時候，你的細胞也忙於代謝。

分解代謝：釋放能量的過程，其中透過降解或分解，化學物質或食物被使用（分解）成更小的片段。

合成代謝：合成代謝與分解代謝正好相反。在代謝的這一部分中，細胞消耗能量，透過較小的分子產生較大的分子。

富含能量的分子

三磷酸腺苷 (ATP)

ATP 是細胞的貨幣。當細胞需要使用能量時，例如當它需要透過主動運輸系統將物質跨細胞膜移動時，它會用 ATP 分子“支付”。人體在任何時候的 ATP 總量約為 0.1 摩爾。人體細胞使用的能量需要每天水解 200 到 300 摩爾的 ATP。這意味著每個 ATP 分子在一天內會迴圈利用 2000 到 3000 次。ATP 無法儲存，因此它的消耗必須緊隨其合成。按小時計算，人體每小時會產生、處理和迴圈利用 1 公斤 ATP。換句話說，單個細胞每秒鐘使用大約 1000 萬個 ATP 分子來滿足其代謝需求，並在大約每 20 到 30 秒內迴圈利用所有 ATP 分子。

黃素腺嘌呤二核苷酸 (FAD)

當兩個氫原子鍵合時，FAD 被還原為 FADH₂ 並轉化為能量載體分子。FAD 可以容納兩個氫當量；包括氫化物和質子離子。這被生物體用來進行需要能量的過程。FAD 在有氧呼吸的檸檬酸迴圈中被還原。

煙醯胺腺嘌呤二核苷酸 (NADH)

煙醯胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD⁺) 和煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (NADP) 是細胞中發現的兩種重要的輔因子。NADH 是 NAD⁺ 的還原形式，而 NAD⁺ 是 NADH 的氧化形式。透過在腺苷核苷酸的 2' 位置新增磷酸基團，並透過酯鍵連線，它會形成 NADP。

NAD 在細胞呼吸的糖酵解和檸檬酸迴圈中廣泛使用。儲存在 NADH 中的還原電勢可以透過電子傳遞鏈轉化為 ATP，或者用於合成代謝。生物體生存需要 ATP“能量”。綠色植物透過光合作用獲得 ATP，而其他生物透過細胞呼吸獲得 ATP。

NADP 用於需要 NADPH 作為還原劑的合成代謝反應，例如脂肪酸和核酸合成。在葉綠體中，NADP 是光合作用的初步反應中重要的氧化劑。光合作用產生的 NADPH 然後用作光合作用的卡爾文迴圈中生物合成反應的還原力。

MH₂ + NAD⁺ → NADH + H⁺ + M：+ 能量，其中 M 是代謝物。兩個氫離子（一個氫化物離子和一個 H⁺ 離子）從代謝物中轉移。一個電子被轉移到帶正電的氮上，一個氫原子連線到與氮原子相對的碳原子上。

人體從維生素煙酸（以煙酸或煙醯胺的形式）中合成 NAD。

細胞呼吸

細胞呼吸是糖分子透過一系列反應分解並釋放能量的過程，其中化學能被轉化為儲存在ATP分子中的能量。將燃料（葡萄糖）轉化為可利用的細胞能量（ATP）的反應有糖酵解、克雷伯迴圈（有時稱為檸檬酸迴圈）和電子傳遞鏈。所有這些反應統稱為“細胞呼吸”或“有氧呼吸”。氧氣作為最終電子受體是必要的，我們呼吸和進食的根本原因就是進行細胞呼吸。

糖酵解

糖酵解途徑（糖酵解）是葡萄糖（在消化過程中碳水化合物可以分解成的最小分子）被氧化並分解成兩個3碳分子（丙酮酸）的地方，然後被送入克雷伯迴圈。糖酵解是細胞呼吸的開始，發生在細胞質中。糖酵解需要兩個ATP分子，但會產生四個ATP分子，因此每個葡萄糖分子淨增兩個ATP分子。兩個NADH分子將電子（以氫離子形式）轉移到線粒體中的電子傳遞鏈，在那裡它們將被用來產生額外的ATP。在身體劇烈運動時，線粒體已經利用可用氧氣產生最大限度的ATP，糖酵解可以繼續產生每個葡萄糖分子額外的2個ATP，而無需將電子送入線粒體。然而，在無氧呼吸期間，會產生乳酸，乳酸可能會積累並導致暫時性肌肉痙攣。

克雷伯迴圈

克雷伯迴圈以漢斯·阿道夫·克雷布斯爵士（1900-1981）的名字命名，他於1937年提出了這條途徑的關鍵要素，並於1953年因發現這條途徑而獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。

兩個丙酮酸分子進入克雷伯迴圈，克雷伯迴圈被稱為有氧途徑，因為它需要氧氣的存在才能發生。這個迴圈是人類以及所有植物和動物體內發生的重要生物途徑。

糖酵解發生在細胞的細胞質中後，丙酮酸分子進入線粒體的內部。一旦丙酮酸進入線粒體，每個三碳丙酮酸分子都會被酶促地去除一個二氧化碳分子，形成乙酸。然後，酶將乙酸與輔酶A結合，生成乙醯輔酶A，也稱為乙醯CoA。

乙醯CoA形成後，克雷伯迴圈開始。迴圈分為八個步驟，每個步驟將在下面解釋。

步驟1：乙醯CoA的乙酸亞基與草醯乙酸結合，形成一個檸檬酸分子。乙醯輔酶A只充當乙酸從一個酶到另一個酶的轉運工具。步驟1之後，輔酶透過水解釋放，以便它可以與另一個乙酸分子結合，再次開始克雷伯迴圈。
步驟2：檸檬酸分子發生異構化。一個羥基和一個氫分子以水的形式從檸檬酸結構中去除。兩個碳形成雙鍵，直到水分子被添加回來。只有現在，羥基和氫分子相對於檸檬酸分子原始結構被反轉。因此，形成了異檸檬酸。
步驟3：在這一步中，異檸檬酸分子被一個NAD分子氧化。NAD分子被氫原子和羥基還原。NAD與一個氫原子結合，帶走另一個氫原子，留下一個羰基。這種結構非常不穩定，因此釋放出一個CO₂分子，生成α-酮戊二酸。
步驟4：在這一步中，我們的朋友，輔酶A，又回來氧化α-酮戊二酸分子。一個NAD分子再次被還原形成NADH，並帶走了另一個氫。這種不穩定性導致一個羰基以二氧化碳的形式釋放，並在其位置形成一個硫酯鍵，連線前α-酮戊二酸和輔酶A，生成一個琥珀醯輔酶A複合物。
步驟5：一個水分子將其氫原子脫去，形成輔酶A。然後，一個遊離的磷酸基團取代輔酶A，並與琥珀醯複合物形成鍵。然後，磷酸被轉移到一個GDP分子上，產生一個GTP能量分子。它留下一個琥珀酸分子。
步驟6：在這一步中，琥珀酸被一個FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）分子氧化。FAD從琥珀酸中去除兩個氫原子，並迫使兩個碳原子之間形成雙鍵，從而生成延胡索酸。
步驟7：酶在延胡索酸分子中加入水，形成蘋果酸。蘋果酸是透過在一個碳原子中加入一個氫原子，然後在末端羰基的相鄰碳原子中加入一個羥基而產生的。
步驟8：在最後一步中，蘋果酸分子被一個NAD分子氧化。攜帶羥基的碳現在被轉化為一個羰基。最終產物是草醯乙酸，它可以與乙醯輔酶A結合，並再次開始克雷伯迴圈。
總結：總之，克雷伯迴圈中發生了三個主要事件。產生了一個GTP（三磷酸鳥苷），它最終將一個磷酸基團捐贈給ADP，形成一個ATP；三個NAD分子被還原；一個FAD分子被還原。雖然一個GTP分子導致產生一個ATP分子，但NADH和FADH₂的產生在細胞的能量產生過程中更為重要。這是因為NADH和FADH₂將它們的電子捐贈給一個電子傳遞系統，該系統透過形成大量ATP分子來產生大量的能量。

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電子傳遞系統

最複雜的系統。在呼吸鏈中，氧化還原反應反覆發生，作為運輸能量的一種方式。呼吸鏈也被稱為電子傳遞鏈。在鏈的末端，氧氣接受電子，產生水。

氧化還原反應

這是一個同時發生的氧化還原過程，透過它發生細胞代謝，例如人體中糖的氧化，透過一系列非常複雜的電子傳遞過程。

從化學角度來看氧化還原過程，被氧化物質將電子轉移到被還原物質。因此，在反應中，被氧化物質（也稱為還原劑）失去電子，而被還原物質（也稱為氧化劑）獲得電子。記住：LEO（Losing Electrons is Oxidation）獅子說GER（Gaining Electrons is Reduction）；或者換句話說：OIL（Oxidation is Loss）RIG（Reduction is Gain）。

術語氧化還原狀態通常用於描述生物系統（如細胞或器官）中NAD⁺/NADH和NADP⁺/NADPH的平衡。氧化還原狀態反映在幾組代謝物（例如，乳酸和丙酮酸、β-羥丁酸和乙醯乙酸）的平衡中，這些代謝物的相互轉化取決於這些比率。在多種有害情況下，例如缺氧、休克和敗血症，可能會發生異常的氧化還原狀態。

細胞構成要素

細胞中存在哪些主要類別的分子？

脂類

該術語更具體地用於指脂肪酸及其衍生物（包括三、二和單甘油酯和磷脂）以及其他脂溶性含甾醇的代謝物，例如膽固醇。脂類在生物體中發揮著許多功能，包括能量儲存、作為細胞膜的結構成分，以及構成重要的訊號分子。雖然脂類有時被用作脂肪的同義詞，但脂肪實際上是脂類的一個亞組，稱為甘油三酯，不應與脂肪酸術語混淆。

碳水化合物

碳水化合物分子由碳、氫和氧原子組成。它們的通式為C_n(H₂O)_n。根據分子大小，有幾個亞家族。

碳水化合物是包含氧、氫和碳原子以及其他元素的化學化合物。它們由不同鏈長的單糖組成。

某些碳水化合物是大多數生物體（包括植物和動物）中重要的能量儲存和運輸形式。碳水化合物按其糖單位數量進行分類：單糖（如葡萄糖和果糖）、二糖（如蔗糖和乳糖）、寡糖和多糖（如澱粉、糖原和纖維素）。

最簡單的碳水化合物是單糖，它們是具有許多羥基的小直鏈醛和酮，通常每個碳原子都有一個羥基，除了官能團。其他碳水化合物由單糖單位組成，在水解作用下分解。根據它們具有兩個、幾個或許多單糖單位，它們可以被分類為二糖、寡糖或多糖。

蛋白質

所有蛋白質都含有碳、氫、氧和氮。有些還含有磷和硫。蛋白質的構成單位是氨基酸。人體使用20種不同的氨基酸。它們透過肽鍵結合形成長分子，稱為多肽。多肽組裝成蛋白質。蛋白質有四個結構層次。

一級結構

一級結構是多肽中氨基酸的順序。

二級結構

二級結構是由氨基酸之間的氫鍵形成的。多肽可以盤繞成螺旋狀或形成摺疊的片層。

三級結構

三級結構是指螺旋或摺疊片的三維摺疊。

四級結構

四級結構是指蛋白質中多肽之間的空間關係。

六邊形

六邊形結構是指人體中雙肽之間的腕骨關係。

酶

一種催化化學反應的生物分子。酶對於生命至關重要，因為如果沒有酶，大多數活細胞中的化學反應將進行得太慢或會導致不同的產物。大多數酶是蛋白質，而“酶”一詞通常用來指蛋白質酶。一些RNA分子也具有催化活性，為了區別於蛋白質酶，它們被稱為RNA酶或核酶。

複習問題

這些問題的答案可以在這裡找到

1. 列出細胞膜的 2 種功能

問題 2 - 6 將以下細胞器與其功能匹配：2. 線粒體 3. 液泡 4. 纖毛 5. 光面內質網 6. 高爾基體

A. 細胞的運動

B. 脂類合成和運輸

C. 細胞的“動力室”，製造 ATP

D. 儲存區域，主要存在於植物細胞中

E. 包裝和分配細胞產物

7. H₂O 穿過半透膜或選擇性透膜的擴散稱為

A. 主動運輸

B. 擴散

C. 滲透

D. 內吞作用

8. 氧氣透過什麼進入細胞？

a. 擴散

b. 過濾

c. 滲透

d. 主動運輸

9. 用於描述“細胞吞噬”的術語是？

a. 外排作用

b. 吞噬作用

c. 胞飲作用

d. 擴散

10. 以下哪個需要能量？

a. 擴散

b. 滲透

c. 主動運輸

d. 易化擴散

11. 蛋白質合成發生在

a. 線粒體

b. 溶酶體

c. 核內

d. 核糖體

12. 以下哪一項不在細胞膜中？

a. 膽固醇

b. 磷脂

c. 蛋白質

d. 半乳糖

e. 核酸

13. 什麼是細胞？

a. 我們體內最大的生命單位。

b. “吃”細菌的酶

c. 所有生物的微觀基本單位。

d. 以上所有。

詞彙表

主動運輸：溶質逆著濃度梯度移動，需要消耗能量

三磷酸腺苷 (ATP)：細胞的能量來源

整體流動：物質在響應力的作用下以相同的方向集體移動

細胞：構成所有生物的微觀基本單位

細胞膜：細胞的邊界，有時稱為質膜

細胞質：充滿細胞的類似水的物質。細胞質由胞質溶膠和細胞器組成，除了細胞核。胞質溶膠由水、鹽、有機分子和許多催化反應的酶組成。細胞質包含細胞核之外的所有細胞器，保持細胞的形狀和一致性，並作為化學物質的儲存場所。

細胞骨架：由絲狀蛋白構成，幫助細胞保持其形狀並允許細胞及其內容物移動

透析：溶質穿過選擇性透膜的擴散。最常在腎功能衰竭的患者中聽到。在醫學上，透析是一種腎臟替代治療，用於為因腎功能衰竭而喪失的腎功能提供人工替代。這是一種生命支援治療，不治療任何腎臟疾病。

內分泌細胞：類似於外分泌細胞，但將其產物直接分泌到血液中，而不是透過導管分泌

內吞作用：當質膜融合以吞噬它時，捕獲細胞外部的物質

內質網：在製造蛋白質和轉運細胞產物方面發揮重要作用的細胞器；也參與脂肪的代謝和各種材料的生產

上皮細胞：有助於分泌、吸收、保護、跨細胞運輸、感覺檢測和選擇性通透性的細胞

外分泌細胞：透過導管分泌產物的細胞，例如粘液、汗液或消化酶

外排作用：囊泡與質膜融合並將其內容物釋放到細胞外部的過程

易化擴散：溶質透過質膜中的通道蛋白的擴散

高爾基體：將細胞產物“包裝”到稱為囊泡的囊中，以便產物可以穿過細胞膜並退出細胞

糖酵解：糖（葡萄糖）轉化為酸的過程

溶酶體：含有許多強大的降解酶的囊狀隔室

微絲：為細胞提供機械支撐，決定細胞形狀，在某些情況下使細胞運動成為可能

微管：作為細胞器和囊泡在細胞內移動的框架

線粒體：作為細胞“動力室”的細胞器，產生 ATP

細胞核：控制細胞；容納遺傳物質

細胞器：嵌入細胞質中的細胞器，用於物理隔離發生在細胞內的各種代謝活動

滲透：水分子穿過選擇性透膜從高溶質濃度區域擴散到低溶質濃度區域。

被動運輸：物質順濃度梯度移動，不需要能量消耗

過氧化物酶體：利用氧氣氧化物質的細胞器，分解脂類並解毒某些化學物質

吞噬作用：一種內吞作用形式，其中大顆粒被（通常較大）細胞的細胞膜包裹並內化以形成吞噬體或“食物泡”。在動物中，吞噬作用是由稱為吞噬細胞的專門細胞執行的，這些細胞負責清除異物，從而抵抗感染。在脊椎動物中，這些包括較大的巨噬細胞和較小的粒細胞，它們是血液細胞的型別。細菌、死亡的組織細胞和小的礦物質顆粒都是可能被吞噬的物體。

胞飲作用：也稱為細胞飲用，是一種內吞作用形式，在這個過程中，小顆粒被細胞吸收，分裂成更小的顆粒。然後，顆粒形成小的囊泡，隨後與溶酶體融合以水解或分解顆粒。此過程需要三磷酸腺苷 (ATP)。

受體介導的內吞作用：當細胞周圍液中的特定分子與質膜中的特化受體結合時發生

紅細胞（紅細胞）：在肺部收集氧氣並將其透過血液輸送到身體組織的細胞

核糖體：在複雜的蛋白質合成過程中發揮積極作用，它們充當促進氨基酸連線的結構

簡單擴散：物質從高濃度區域到低濃度區域的淨移動

液泡：細胞質中的空間，有時用來將物質帶到細胞膜，以便排出到細胞外部

白細胞（白細胞）：在骨髓中產生，幫助身體抵抗免疫系統中的傳染病和異物