第八節
氧化還原反應供給能量

生命活動需要能量，最初的生物是從哪里獲得能量的呢？那就是氧化還原反應（oxidation-reduction reaction）。從字面上講，和氧結合的反應就是氧化反應，比如碳與空氣中的氧結合而燃燒，生成二氧化碳的過程就是氧化反應。氫與氧結合而燃燒，生成水，也是氧化反應。除了與氧結合，已經和氧結合的原子再增加與氧結合程度也叫氧化反應，例如一氧化碳與氧反應生成二氧化碳，二氧化硫和氧反應生成三氧化硫，也是氧化反應。還原反應最初的意思是一些金屬氧化物被加熱時會釋出氧，金屬從氧化狀態被“還原”為金屬。例如氧化汞被加熱時會生成汞和氧氣。氧化汞里面的汞在加熱時失去了氧，所以被“還原”成金屬的“真身”了。按照這個標準，得到氧的反應叫氧化反應，失去氧的反應叫還原反應。

但是許多與氧無關的反應，也稱作氧化還原反應。例如鈉與氯反應，形成氯化鈉，就是鈉被氯“氧化”了，雖然在這個過程中沒有氧參加。在硫酸銅溶液中放入鐵絲，銅離子變成銅，鐵卻變成了鐵離子。這個反應叫做“置換反應”，即用一種元素置換溶液中的另一種元素。在這個反應中，鐵原子上面的電子給了銅離子，自己變成鐵離子，銅離子得到電子，變成銅原子，化學上稱為鐵原子被銅離子“氧化”，銅離子被鐵原子“還原”。在這里氧化反應和還原反應是成對的。一方的氧化就是另一方的還原，統稱為“氧化還原反應”。

而在氧直接參與的許多反應中，例如氫與氧反應生成水，并不涉及電子的得失。在氫分子中，兩個氫原子共用它們的外層電子，氧分子中的兩個氧原子也共用電子。在水分子中，氧原子和氫原子仍然共用電子。那么怎么把這些氧化的機制統一起來呢？氧化還原反應的本質究竟是什么呢？

在第一章中，我們曾經講到，不同元素的原子對外層電子的吸引力是不一樣的。同一周期中的元素，原子序數越大，對外層電子“抓”得越牢。這樣，對外層電子抓得牢的原子就會奪取抓得不那么牢的原子的外層電子。這相當于物體從高位跌到低位，高度差引起的勢能變化就以能量釋放出來。例如鈉和氯反應會釋放出能量，因為鈉原子的外層電子轉移到氯原子上，相當于石頭從高處落到低處。氫和氧反應會釋放出能量，也是因為氧原子抓電子比氫原子強，電子從氫原子中的軌道進入到氧原子中的軌道，也相當于石頭從高處落到低處。上面說的銅被鐵置換，就是因為銅抓電子的能力比鐵強，所以銅離子可以把鐵原子的外層電子拿走。而把銅絲放到硫酸鐵的溶液中，就不會有鐵生成。同樣，氫原子抓電子比鋅原子強，所以鋅可以把氫離子變成氫原子，但是氫原子卻不能把鋅離子變成鋅。按照不同元素抓電子的強度，可以把元素排一個順序。抓電子能力越強的，叫做電負性（electronegativity）越強。許多輕金屬的電負性都很低，例如鉀是0.82，鈉是0.93，鋅是1.65。而氫的電負性為2.2，所以鋅可以置換氫。許多非金屬元素的電負性都比較強，例如氮是3.04，氧是3.44，氟最強，是3.98。從元素電負性的高低，就可以知道兩種元素的原子相遇時，電子會從哪個原子轉移到哪個原子。（圖2-19）。

圖2-19 元素周期表中前5個周期元素的電負性

電負性越低的元素，其外層電子的就像處于山頂上的石頭，容易落到低處，所以很容易轉移到電負性更強的原子上。在轉移的過程中會有能量釋放出來，所以這些電子就叫做“高能電子”。反之，電負性很強的原子上面，外層電子的能量就比較低，相當于已經落到山谷里面的石頭，沒有多少勢能可以釋放了。電子從電負性低的原子轉移到電負性更高的原子的過程就叫“氧化還原反應”。失去高能電子的原子被“氧化”，得到高能電子的原子被“還原”。具有“高能電子”的原子“還原性”強，例如氫原子就是具有“還原性”的原子，而電負性強的元素則“氧化性”強，例如氧原子、氮原子和氯原子。在分子中，每個原子的電負性除了要看它是什么元素外，還要看與它相連的是什么原子，以及周圍的狀況。所以同是分子中的氫原子，它們的還原性也有差別。

知道了氧化還原的定義，我們就可以來討論原核生物獲得能量的方式。金屬元素，例如鋰、鈉、鉀，電負性很低，都小于1，它們的氧化按理說應該提供大量的能量。但是在實際上，正是因為它們的電負性太低，太容易給出電子，所以在宇宙中早就被其他元素氧化了，根本不可能以金屬狀態存在。能夠給生物提供能量的，還是那些由電負性低的元素形成的比較穩定的分子。在早期的地球上，有比較豐富的氫氣，火山爆發和海底熱泉還會釋放出硫化氫。氫氣和硫化氫都是“還原性”比較強的分子。它們可以被硝酸鹽氧化，釋放出能量。早期的生物很可能就是利用這樣的氧化還原反應來獲取能量的。就是現在的海底熱泉周圍，也還有許多這樣生活的生物。不過這樣的還原性分子來源畢竟有限，供應沒有保證，從這些氧化還原反應獲得能量也需要專門的酶，所以也不能被所有的生物所利用。

早期的“自養生物”（自己合成生命所需要的所有分子的生物）如藍細菌，已經“學會”合成葡萄糖（glucose）。葡萄糖一經出現，它就成為幾乎所有生物主要的“能量分子”。葡萄糖分子由6個碳原子、12個氫原子和6個氧原子組成（圖2-20）。比起只由6個碳原子和14個氫原子組成的己烷，葡萄糖已經是“半氧化”的分子，所以葡萄糖在“燃燒”時所釋放出來的能量（每摩爾2800千焦）遠比同樣含有6個碳原子的碳氫化合物己烷的燃燒熱（4159 千焦）低，但是葡萄糖分子中與碳相連的氫原子和碳原子本身仍然具有很高的能量，可以作為生物的能源。己烷含的能量雖多，但是在水中溶解度極低，不便于多數生物利用，而葡萄糖的優點是高度溶于水，便于輸送，葡萄糖代謝的產物還能用于合成其他分子（見本章第十一節“三羧酸循環”），所以葡萄糖就成為幾乎所有生物首選的能源。下面我們就具體敘述原核生物是如何用葡萄糖為“燃料”分子來獲取能量的。

圖2-20 葡萄糖（上）和己烷（下）的分子結構。葡萄糖分子除了以線性分子存在外，第1碳原子上的羰基還可以與第5碳原子上的羥基反應，生成環狀化合物。上右是葡萄糖的環狀結構