第七节
生物的能量供应
——氧化还原反应

生命活动是需要能量的。用“零件”组成更复杂的分子，如用氨基酸合成蛋白质，用核苷酸合成RNA，都需要能量的驱动，这就像用砖头砌房子，是需要劳动和花力气的。反过来，复杂分子分解为它们的组成部分就不需要能量，如蛋白质分解为氨基酸、RNA分解为核苷酸，就像年久失修的老房子自己就会垮塌。前面说的细胞把钠离子泵出去，把钾离子泵进来，都是把离子从浓度低的地方转移到浓度高的地方，相当于把水从低处泵到高处，也需要能量。因此在最初的生命形成后，也必须要有能量供应，许多生理活动才能够进行。

从焦磷酸到ATP

最早给生物供应能量的分子可能是焦磷酸（H ₄ P ₂ O ₇ ）。焦磷酸是两个磷酸分子（H ₃ PO ₄ ）连在一起形成的（图2-13右上）。把磷酸的溶液在太阳底下晒干，就可以生成焦磷酸。磷酸在水中时，里面的一些氢原子会放弃电子而净身出户，成为氢离子。由于氢原子只有一个电子，氢离子就是氢的原子核，也就是一个带正电的质子。氢离子使溶液带有酸性，酸其实就是氢离子的味道。磷酸分子失去氢离子后余下的部分叫磷酸根，因为保留有氢原子的电子而带负电（如PO ₄ ^3- ，其中的3-表示三个负电荷）。两个磷酸根连在一起，负电之间会有排斥力，把它们强压在一起，就像弹簧被压缩，是储有能量的，连接两个磷酸分子的化学键也就成为高能磷酸键。当焦磷酸分解为两个磷酸分子时，就像弹簧弹开，高能磷酸键里面的能量就被释放出来，可以为其他生理活动所用。这种利用焦磷酸能量的做法至今仍为一些生物所保留，例如，在细菌和植物中，细胞仍然可以利用焦磷酸的能量，把氢离子泵到细胞外面去。

不仅如此，焦磷酸的能量还可以转移到另一个分子上去，如腺苷酸，即碱基为腺嘌呤的核苷酸。腺苷酸是组成RNA的4种核苷酸之一，本来就在细胞中存在，它含有一个磷酸根，所以是一磷酸腺苷（adenosine monophosphate，AMP）。焦磷酸分解时，可以把产生的两个磷酸根中的一个转移到AMP分子中的磷酸根上，使两个磷酸根连在一起，又变成一个类似焦磷酸的结构，不过这次是与腺苷相连，这样形成的分子叫二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）。用同样的方式，焦磷酸还可以在ADP再加一个磷酸根，使三个磷酸根相连，分子也就变成三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）（图2-13）。

在ADP分子中，有两个磷酸根相连，这个部分就相当于是焦磷酸。在ATP分子中，更是有三个磷酸根相连。出于和焦磷酸同样的原因，这些磷酸根之间的化学键也都是高能磷酸键，无论是ATP变为ADP，还是ADP变为AMP，还是ATP直接变为AMP，都可以释放出能量。现在我们身体里面绝大多数需要能量的活动，如蛋白质合成、肌肉收缩、细胞把钠离子泵到细胞外，都是由ATP提供能量的。就像用货币可以买到各种商品，ATP也被称为生物的能量通货，ATP这个英文缩写也成为大家熟悉的名词，意味着能量。

焦磷酸提供的能量在早期形成的生物中起了重要的作用，但是焦磷酸的来源有限，生物要发展，就需要去寻找别的能量来源。

在生命的初期，生物还不能利用太阳能，只能依靠氧化还原反应来提供能量。就算在今天，所有的异养生物即依靠现成的有机物生活的生物，包括所有的动物，仍然依靠氧化还原反应来获取能量。要了解什么是氧化还原反应，就需要多知道一些原子中电子运动的知识。

氧化还原反应

氧化还原反应是电子从吸引电子能力弱的原子转移到吸引电子能力强的原子的过程，在这个过程中电子从高能级转移到低能级，类似于物体从高处落到低处，会释放出能量。可是在所有元素的原子中，都是带负电的电子围绕带正电的原子核旋转，电子数等于质子数，为什么有些元素的原子吸引电子的能力比较强，而另外一些元素的原子吸引电子的能力却比较弱呢？

这里说的原子对电子吸引力的强弱，不是原子核对原子中所有电子的吸引力，而是对最外层电子的吸引力。电子围绕原子核旋转的轨道，并不像人造卫星围绕地球转动的轨道高度是连续可变的，而是分层的（图1-2）。只有最外层的电子才参与化学反应，我们上面说的电子转移，也只是外层电子的行为。

最外层轨道里面的电子离原子核最远，能级最高，就像高轨道上的人造卫星，要更大推力的火箭才能将其送入轨道。内层轨道离原子核较近，能级也较低。电子数目增加时，总是先去填能级最低的轨道，就像人群在入住一栋楼时，先住一楼的单元，一楼的单元住满了才住进二楼的单元，然后才住三楼的单元，以此类推。外层电子住几楼，就看原子核中有多少电子，而电子数又是由原子核中质子的数量决定的。

电子轨道分层，有两个因素会影响原子核对外层电子的吸引力。一是外层电子离原子核的距离，外层电子的层数越高，离原子核越远，原子核的吸引力就越弱。二是原子核中质子的数量。在外层电子的层数不变的情况下，原子核中质子的数量越多，也即正电荷越多，对外层电子的吸引力就越强。所以原子核中质子数的增加有两个相反的效果：如果质子数的增加导致新的外层出现，就会减弱原子核对外层电子的吸引，但是在外层电子的层数不变的情况下，质子数的增加又会增强对外层电子的吸引。

例如，钾原子比氯原子重，质子数比氯原子多两个，但是却极易失去电子，这是因为钾原子新增加的电子中，有一个住到四楼上去了，而氯原子的外层电子却还都住在三楼，钾原子的这个外层电子离原子核的距离比氯原子远，所以钾原子的原子核对这个外层电子的吸引力不如氯离子，钾原子的外层电子也很容易跑到氯原子上面去。

在电子层数不变的情况下，原子核中质子数量的增多就会增加对外层电子的吸引力。这种增强的吸引力还可以把外层电子的轨道拉低，使原子变小，外层电子更接近原子核。例如，钠原子和氯原子的外层电子都在第三层上，相当于都住在三楼，但是钠原子的外层只有一个电子，半径0.08纳米，也就是外层电子离原子核大约0.08纳米，而氯原子的外层有7个电子，半径反而缩小到0.05纳米。原子核中正电荷增多，外层电子又离原子核更近，这两个因素加起来，就使氯原子吸引外层电子的力量比钠离子强得多，很容易把钠原子的外层电子抢过来。

换一个说法就是：外层电子数越多，原子核对外层电子的吸引力就越强，而由于量子力学的规则，外层最多能够容纳8个电子，所以随着外层电子数的增加，原子也就从易于失去电子到易于得到电子。钠原子外层只有一个电子，很容易失去电子，而氯原子外层有7个电子，就很容易得到电子。

氧原子的外层有6个电子，抓电子的能力是相当强的，可以让多种元素原子的外层电子进入自己的轨道，生成氧化物，例如，氧和氢反应生成水（可以称为氧化氢），氧和铁反应生成氧化铁，氧和硅反应生成二氧化硅，氧和碳反应生成二氧化碳等，反应过程叫作这些原子被氧原子氧化。

由于氧无处不在，参与这类反应也最多，我们也就把氧作为抓电子能力强的元素的代表，把所有这些反应统统称为氧化反应，虽然不一定有氧参加。例如，电子从钠原子转移到氯原子，没有氧参加，仍然叫作钠原子被氯原子氧化。

铁原子抓外层电子的能力没有铜原子强，所以把铁丝放到硫酸铜溶液中，铁原子的外层电子就转移给铜离子，自己变成铁离子，进入溶液；铜离子得到电子成为铜原子，在铁丝表面形成一层铜。在这里铁原子也是被铜原子氧化的，虽然并没有氧参加。铜离子得到电子，被还原为没有被氧化的铜原子。一方被氧化就是另一方被还原，就像买和卖总是成对出现，涉及双方的反应也就合在一起，被称为氧化还原反应。

能够被氧化，或者说能够提供电子的原子或者分子就是还原性强，或者被称为还原性分子。氢原子只有一个电子，而且住一楼，按说离原子核很近了，但是氢的原子核只有一个质子，它对这个电子的吸引力也不强，容易给出电子，所以含氢原子多的分子也多是还原性分子，如氢气、甲烷、氨气、硫化氢。有机物如葡萄糖、脂肪酸、氨基酸也富含氢，所以也是还原性分子。这些还原性分子被氧化时都丢掉氢原子。

而容易得到电子的原子或者分子氧化性强，或者被称为氧化性分子。它们被还原时常常得到氢原子，例如，氧得到氢原子成为水分子，二氧化碳被氢还原时变为水和甲烷，所以被氧化常常是丢掉氢原子，被还原常常是得到氢原子。这些说法是从不同的角度来描述氧化还原反应的，其实说的都是一个意思。

由于氧化还原反应能够释放出能量，也就有可能被生物所利用。在早期地球的大气中，有丰富的氢，还有火山喷发释放出的硫化氢，可以作为还原性的分子；大气中的二氧化碳和岩石中的硝酸盐则可以作为氧化性的分子。它们之间的氧化还原反应就可以为生物提供能量。在细胞膜还不完善、不能阻挡离子穿过细胞膜的情况下，生物利用这些能量的方式，是先在参与反应的分子中形成含有磷酸根的高能键，然后把这个磷酸根直接转移到ADP分子上，生成ATP，类似于焦磷酸生成ATP的过程。

通过磷酸根的直接转移生产ATP

氢气被二氧化碳氧化时，会把二氧化碳中的碳原子还原为甲基（—CH ₃ ），甲基在矿物的催化下生成乙酰基（CH ₃ CO—），再经过中间步骤变为乙酰磷酸（CH ₃ CO—Pi，其中Pi代表磷酸根）。乙酰基和磷酸根之间的化学键就是高能键，可以把这个磷酸根转移到ADP分子上，形成ATP。就是在今天，有一种甲烷菌仍然能够用这种方式来生产ATP。这种菌出现在大约40.1亿年前，也就是生命刚刚出现的时候，说明早期的生命的确可以用这种方式生产ATP。

这种用磷酸根转移来生成ATP的方式现在仍然为生物所使用，包括我们人类。例如，葡萄糖是所有生物的主要“燃料”分子，它的氧化可以给生物提供能量。一种利用葡萄糖能量的方式是将它部分氧化，即不是完全氧化成为二氧化碳和水，而是变成乳酸。在这个过程中也会形成含有磷酸根的高能键，再用磷酸根转移的方式产生ATP。我们在高强度运动时，氧气供不上，细胞就用这种方式生产ATP。我们在剧烈运动后感到肌肉酸痛，就是乳酸大量形成的缘故。

磷酸根直接转移的反应只在分子之间进行，不需要结构完善的细胞膜，是早期生命利用能量的主要方式。但是这种方式也有局限性，就是必须先生成带磷酸根的高能键，而这是许多氧化还原反应无法做到的。随着完整细胞膜的出现，另一种转换能量以生产ATP的方式出现了，这就是需要完善细胞膜的蓄水发电方式。

用蓄水发电的方式合成ATP

氢除了可以被二氧化碳氧化外，还可以被硝酸盐氧化，形成亚硝酸盐和水。但是这个反应不能形成带磷酸根的高能键，反应释放出来的能量只能以热的形式放出，生物无法加以利用。在完善的细胞膜出现后，又出现了一个非常重要的分子，这就是醌（quinone）。醌分子的出现，再与完善的细胞膜配合，使生物可以利用氢被硝酸盐氧化所释放的能量，而且由此改变了生物利用能量的方式。

醌分子之所以有这么大的本事，和它的分子结构有密切关系。醌分子有一个能够进行氧化还原反应的头部，上面再连一条长尾巴。这条尾巴只含有碳原子和氢原子，是高度憎水的，它使醌分子能够溶解在细胞膜的油性内层中并且在膜内游动，其头部也就可以在细胞膜中摆来摆去，从细胞膜的一侧摆向另一侧，也能够接触细胞膜中不同的蛋白质（图2-14）。

醌分子的头部是一个由碳原子组成的环状结构，其中彼此相对的两个碳原子上面各连有一个羟基。这两个羟基可以各失去一个氢原子，剩下的氧原子和与之相连的碳原子一起，变成两个羰基（C＝O，“羰”也是化学家造的字，读音“汤”，意思是碳加氧形成的基团）。羰基得到氢原子，又可以变回羟基，因此醌分子可以反复得到和失去两个氢原子，可以作为氢原子的转运站。

醌分子中的氧原子以羰基形式存在时，是失去了氢原子的，分子处于被氧化的状态，叫作醌，简称为Q；醌分子中的氧原子以羟基的形式存在时，是得到了氢原子的，分子处于被还原的状态，叫作氢醌，简称为QH ₂ 。

醌分子的这个能力使它可以在氧化还原反应中扮演中间人的角色，例如，A要还原B时，A可以先把醌还原为氢醌，再由这样生成的氢醌还原B。氢被硝酸盐氧化时（也就是氢还原硝酸盐时），氢原子先通过氢酶把醌还原为氢醌；氢醌在细胞膜内游动，到达膜中的硝酸盐还原酶，通过它再还原硝酸盐，醌的中间人作用就完成了。

经过醌这个中间人的好处是，氧化还原反应释放出的能量就能够为生物所用。硝酸盐还原酶在靠细胞膜外表面的地方氧化氢醌中的氢原子，夺取它们的电子，失去电子的氢原子变成氢离子，被释放到细胞膜的外侧。硝酸盐还原酶把这样获取的电子输送到细胞膜的内侧，再从细胞膜的内侧拿走两个氢离子，让电子和氢离子结合，变回氢原子，氢原子再把硝酸盐还原为亚硝酸盐。这相当于把两个氢离子从细胞膜的内侧转移到外侧。这个反应不断进行，细胞膜外侧的氢离子就会越来越多，而细胞膜内侧的氢离子则会越来越少，形成一个跨膜氢离子浓度梯度。这个氢离子的浓度梯度就是储存能量的一种方式，类似于水坝内面比外面高的水位具有能量，可以用来发电。在这里梯度就是差别的意思，类似于梯子上不同的梯级高低不同（图2-15）。

硝酸盐还原酶在细胞膜外侧释放氢离子时，是需要消耗能量的，因为细胞膜外面氢离子多，带正电，在带正电的区域释放带正电的氢离子，是要受到排斥的，但是氢醌被氧化时释放的能量可以驱动这个过程。同样的，在细胞膜内侧拿走氢离子也是需要能量的，因为是从带负电的区域拿走带正电的氢离子，会受到负电的拉扯，但是硝酸盐被还原释放出的能量也可以驱动这个过程。这样，氢被硝酸盐氧化所释放的能量，就以跨膜氢离子浓度梯度的形式被储存起来了。

这真是一个非常聪明的转化能量的方法，而且用同样的方式，还可以让醌做其他氧化还原反应的中间人，实现能量转换。这样，细胞就可以用同一种方法来利用各种氧化还原反应所释放的能量了，所以醌分子实在是生物转换能量的大功臣。

为了进一步提高能量利用的效率，在氢醌和氧化性分子还原酶之间，还可以另外加上一个蛋白复合物，用它来氧化氢醌，再把电子传递给氧化性分子还原酶。这就像一级水电站还不能充分利用水力，中间再建一个水电站。这样的中间复合物叫bc1复合物，它除了能够氧化氢醌，跨膜转运氢离子外，还可以利用流过的电子的能量直接把氢离子泵到细胞膜外面去（图2-16）。

还原性分子一般都含有氢原子，氧化它们的主要方式是氧化它们的氢，所以氧化这些还原性分子，把醌还原为氢醌的酶都叫某种分子的脱氢酶，如乳酸脱氢酶，前面谈到的氢酶也是脱氢酶的一种。还原性分子被醌氧化时也是会释放出能量的，为了利用这些能量，生物也用电子流过一些（不是全部）脱氢酶时释放的能量直接把氢离子从细胞膜内泵到细胞膜外去，这样就在细胞膜上形成还原性分子——脱氢酶——Q/QH ₂ ——bc1复合物——氧化性分子还原酶——氧化性分子这样的电子传递链，能够最大限度地转换氧化还原反应释放出的能量。

从这个机制可以看出，要用蓄水的方式转换能量，对离子不通透的细胞膜是绝对必要的，生命初期那种对离子通透的细胞膜就像漏水的水坝，是无法建立跨膜氢离子浓度梯度的，因此这种转换能量的方式一定出现在细胞膜完善之后。

跨膜氢离子浓度梯度将能量储存起来，怎么用它来合成ATP呢？在用水库中的高水位发电时，水通过大坝，带动水轮机旋转，水轮机再带动发电机发出电来。细胞用跨膜氢离子浓度梯度合成ATP的过程与此非常相似，氢离子从细胞膜外侧流回细胞膜内侧时，会穿过膜上一个叫ATP合成酶的蛋白，让它旋转，旋转的力量把ADP和磷酸根捏在一起，就合成ATP了（图2-16右）。

用蓄水发电的方式利用氧化还原反应释放的能量合成ATP，是原核生物的伟大发明，从此生物就有了高效利用能量的方式。这种机制一旦建立，能够利用的还原物和氧化物也就越来越多。除氢气外，甲烷和氨这样的还原性分子，以及除硝酸盐外，像硫酸盐这样的氧化性分子也都可以利用了。现在的大肠杆菌就可以利用15种还原性分子和10种氧化性分子。

所有的脱氢酶和氧化性分子的还原酶都参与氧化还原反应，都有电子流过它们，而蛋白质传递电子的能力不是很强。为了弥补这个短板，这些蛋白质分子都招募了一些能够参与氧化还原反应、同时又能传递电子的基团，作为蛋白质的辅基。辅基主要有两类：一类是由铁原子和硫原子组成的铁硫中心（Fe-S），另一类是血红素，在其中心部分结合有一个铁离子，可以传递电子（参看图2-17右下）。这类血红素和我们血液中携带氧的血红素是同一类分子，所以血红素最早的功能不是携带氧气，而是传递电子。含有血红素的蛋白质叫细胞色素，随血红素和蛋白结构的不同而分为多种，如细胞色素a、细胞色素b、细胞色素c、细胞色素c1，细胞色素d等。前面谈到的bc1复合物就含有两个细胞色素b，一个细胞色素c1和一个铁硫中心。

这套系统被发明后，就被所有的生物采用，作为生物能量转换、合成ATP的主要系统。现在我们身体中ATP的合成，也主要是通过这套系统进行的。不仅如此，这套系统进一步发展，还能够利用太阳光中的能量，导致光合作用的出现。 ioyZVY/RIv1TaHciZRJbS+VwYluDKCbLJR6ddCt0sW9RQmUOA94AAuf2PE4sQKDb