ATP生物能量

慢性缺氧-造成組織及血液酸化

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簡單的說因為過多的酸性副產物被無氧呼吸代謝所溢出。

前面曾經討論過當細胞分配到一些葡萄糖的之後，會先進行所謂的『糖解作用』將它們分解成更小的單元，之後再將這些小單元送進這像爐子一般的粒線體裡進行轉換。只是如果在無氧呼吸的狀況下，由於沒有氧氣可以供粒線體在最後的一道關卡轉換電子變成純水，使得粒線體的運轉停頓，而僅剩『糖解作用』分解葡萄糖。

在糖解作用的過程裡，一個葡萄糖分子分解成『丙酮酸』的過程中除了可以獲得到2個ATP的生物能量外，也會因為沒法進入到粒線體裡面燃燒轉換，所以只能迫於無奈地再轉換成2個乳酸以及2個氫離子，退送出到細胞外面後再滲透回到血液中。乳酸原本就是酸性物質，它會隨著血液回流到肝臟儲存起來，而氫離子在液體中更是直接的造成溶液的酸性，氫離子在血液中或細胞之間的濃度越高，則血液或細胞的酸度則將越高。

上面這種絕對無氧的代謝情況所獲得的能量，對於人類來說是根本沒法生存的，我們最大的極限只能容許在有部分缺氧的情況下活著，同時它們會利用無氧代謝的途徑來彌補失去的能量，細胞也只能以多攝取一些葡萄糖原料進行糖解作用來補充。假設因故減少了一半左右的氧氣進入，也就是少了一半左右的能量，那麼細胞為了存活較好一些則必須再補充『吃』進9.5倍的葡萄糖，再運用糖解作用將每個葡萄糖產生出2個ATP能量才能達成。只是當細胞再吃進9.5倍的原料時，無氧代謝就會多產生出18倍的乳酸以及18倍的氫離子。

一顆細胞就能產生這麼多的酸性物質，如果身上37.5兆個細胞一天24小時一年356天都長時間都缺氧時，血液及細胞能不酸化嗎？

有氧代謝

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有氧代謝則是指在細胞中因為氧氣供應充足之後所發生的一系列變化。如果真要用簡單的話來形容的話，那就是『完全燃燒』的意思！

就像每當在中秋節時，你在烤肉架上面擺了一堆的生肉鮮菜，如果沒有用火將它們烤熟的話，你實在沒辦法吃下去，可是常常在一些爐架下擺了一堆的木炭乾柴時，如果通風不足的話，常常又是升不了火而且還會發出濃烈嗆鼻的白煙。相反的，如果柴堆中的空氣流通，很快地就可燃起大火，既無濃煙而且上面的生肉生菜很快地就可以填飽大家的肚子。

人類細胞裡的情況其實和上面的情境很類似，一般來說，我們所吃的五穀雜糧米飯麵食等等類的碳水化合物，進到肚子消化分解之後，都變成很小單位的葡萄糖分子散播在血管中(就是大家熟知的血糖)。當這些血糖滲透到細胞裡面時，會先經過幾道手續將它們再分解成可以『升火』的材料，就好像在森林裡上剛砍下的一棵大樹送到家後，得先經過曬乾分枝切塊劈材等等手續才能往爐架裡添柴的情況一樣，在細胞裡的這幾道手續我們科學家稱它做『糖解作用』，顧名思義就是將進入到細胞裡的葡萄糖再分解成更小單位的過程。

從細胞獲得到葡萄糖後，到切塊分解成可以放進爐子裡燃燒之間整個『糖解作用』的過程中，雖然得花不少的力氣及能量，但也多少可以獲得一點甜頭，到最後結算起來，每個葡萄糖分子總共可產生出2個生物能量(科學家叫它們作ATP)，以及2個可以放進細胞裡特殊爐子的小柴火：叫作『丙酮酸(Pyruvate)』的東西。

在繼續講有氧呼吸之前，讓我們先了解一下這細胞裡生物能量(ATP) 的形式以及特殊爐子是什麼？現今生活裡的食衣住行育樂等等動作已離不開『電』能，如果沒電(這裡指全部沒電)一兩個小時，電話及手機不通、捷運汽車電梯不動、喝水吃飯停擺、電腦機具工作停擺、電視網路資訊封閉、冷熱通風調節停頓……等等全面發生，時間一久，我們的文明頓時得回到古時候的社會。

同樣地，細胞內各處在用『電』就像是用電池那樣，幾乎任何一項動作(如維持細胞膜完整等等工作)，都需要用掉好幾個像電池一樣的ATP生物能量。而製造這些像電池功能的ATP爐子工廠，科學家稱它作『粒線體』，它的主要功能就像是一座小型的火力發電廠一樣，將柴火經過燃燒過程獲取熱能再轉換成電能的小型儲存單位：ATP生物能量。重要的是，在最後轉換電能步驟中，需要1個氧分子將2個氫離子中和成水(H20)，同時電能將可以『灌』進小小的生物電池中成為可用的ATP生物能量。

當你在烤肉如果空氣流通同時柴火也充裕的情況下，你的爐火將燒得又大又旺。同樣地，當你的細胞是處在有氧呼吸的情況下，氧氣充分時生物能量將可以被充分的製造出來，經過好多位諾貝爾得獎的科學家精密的計算之後發現，在有氧呼吸的情況下1個葡萄糖分子加上6個氧氣之後總共可以的生產38個生物能量，另外還附帶的產生6個二氧化碳以及6個水，其中包括在糖解作用時所獲得的2個ATP以及在粒線體內所製造的36個生物能量。這全部因為有氧所產生的能量代謝過程，我們稱作：有氧代謝。

缺氧型高血壓病理

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血壓的主要目的是為了提供壓力差使氧氣及養份能有效及快速的輸送到達細胞內部，以滿足細胞進行有氧代謝的生物能量ATP產出，因此維持細胞基本能量需求的平衡是身體調控血壓的第一關鍵任務。而在成人時，從人體在25歲之後，每年的最大攝氧量(VO2max)平均將減少1%，因此當人體年齡到達45歲之際，最大攝氧量(VO2max)已減少20%以上。人類細胞在有氧代謝狀態下，一莫耳(mole)的葡萄糖可產出38個ATP生物能量，相反的，同樣單位的葡萄糖在無氧代謝狀態下卻只能產出2個ATP生物能量。也就是如果按照正常人體的細胞代謝方式，45歲的人體所能獲取的能量有80%是透過有氧代謝，同時20%則是透過無氧代謝所產出，因此若以細胞每獲取一個單位葡萄糖(或血糖)的情況下所產出的能量將是38ATP x 80%+2ATP x 20%=30.8ATP  ，和25歲的成人比較一下，已平均減少了19%的能量。因此在這個情況下由於能量產出不足，細胞則進入了所謂的慢性缺氧狀態。

組織器官內的細胞為了維持正常的機能，得藉由不同的調控機制來增加氧氣的獲取。最簡單的方式就如同以橡皮管澆灌花草的情況一樣，當水壓不足時，較遠處的花草將很難獲得正常的水，因此除了設法加大扭開水龍頭以增加水量之外，另外就是用手緊掐住水管以局部性的加大水壓，讓水可以噴到較遠的花草區域以補充不足。

而人體血壓的主要構成要素：一是心臟輸出血量(Cardio Output簡稱CO)，另一是全部血管系統的阻力(Total Peripheral Resistance簡稱TPR)兩大區塊，而心臟輸出血量又是簡單地由每次打出的心臟射血量(Stroke Volume簡稱SV) 乘上每分鐘心跳次數(Heart rate簡稱HR) 所構成。因此就形成下面的簡單的血壓(Blood Pressure簡稱BP) 公式：

                               BP =CO x TPR

又可寫成                 BP=(SV x HR) x TPR

在加進：最大呼吸量(κ)，細胞常態能量需求(δ)，心肌收縮力(γ )，血管收縮因子(φ)等參數之後變成為

                             δ•BP=κ• (γ• SV x  HR)  x   φ• (TPR)

然而當隨著年齡的增加，心肌細胞的收縮力(γ )漸漸減退，使得心臟的射血量(SV)也漸漸減少，因此造成了身體的最大呼吸量(κ)也隨之降低，結果造成體細胞長期處在慢性缺氧的能量(δ)匱乏狀態下，細胞為了滿足原有的氧氣供應水平，勢必最低程度使血壓(BP)回復到原有的壓力水準以上。因此只剩下加大收縮血管(φ )以加大阻力(TPR)，或者提高心跳次數(HR)兩個途徑，來補充因為缺氧所發生的能量生產差異。只不過因為提高心跳次數除了必須耗損更多能量，以及補充能量投放的準確度較差之外，同時還更容易折損身體最重要器官：心臟的壽命。因此除非必要，身體一般還是以收縮血管的策略作為最適當的代償反應動作。

當缺氧情況還不是相當嚴重之際，適當的血管收縮及微略增加的血管阻力，將使得血液循環速度加速，雖然造成心臟的前負荷加大，但同時也會增加了心臟的回流血量。依據法蘭克－史達林機制(Frank–Starling mechanisms )，心臟的輸出量(Cardio Output)也將加大，在這狀況下，缺氧的情況將獲得緩解，血管的收縮機制將消失，同時血管的阻力也隨之恢復正常。這是高血壓臨界期間所造成血壓起伏不定的現象。如果能夠適當的加強心臟輸出量(CO)的策略，而不施以擴張血管或減少水分等治療策略，患者應該可以進入良性循環，使缺氧型高血壓延後發生。

因此隨著年齡的增加，最大攝氧量VO2max呈現線性減少之外，身體、生活模式及環境的退化或惡化因子，也加劇了組織或器官細胞的缺氧，血管的收縮因子也將持續加大，如果這時加上血管的全部周邊阻力(TPR)的因子也加大時，血壓也將呈現異常偏高，而達到國際高血壓指南JNC7分類的二期到第三期階段。身體對這類情況的代償動作，除了適當加強血管的收縮因子(φ )之外，另外將開始增加心跳頻率(HR)，以輔助減緩細胞缺氧及能量短少的問題，但同時也將縮短心肌細胞的壽命，而朝向難以逆轉的器官衰竭惡性循環之路。