第十节
破解烧碳难题

在上一节中，我们谈到原核生物的细胞膜和膜上由蛋白质复合物组成的电子传递链就是一个有效的“能量转换器”：位于膜上的脱氢酶把“燃料”分子上的氢原子脱下来，分解为高能电子和氢离子。高能电子流过电子传递链，最后与氧结合生成水。蛋白质复合物利用电子流过释放出的能量建立跨膜氢离子梯度，用于ATP的合成。这个系统的工作原理像是水库蓄水发电，是原核生物的伟大发明。

这个系统好是好，但是也有缺点，就是电子传递链太“挑食”，只能够“吃”氢原子上面的高能电子。可是葡萄糖分子中还有6个碳原子，而碳（例如煤）也是很好的燃料，在热电厂中是可以用来发电的，这些碳原子的能量又该如何利用呢？除了葡萄糖，一些其他生物分子，例如脂肪酸和氨基酸，也是以碳原子为骨架的，它们被当做燃料分子被氧化而释放能量时，也有如何利用其中的碳原子的问题。原核生物的细胞中有脱氢酶，可是没有“脱碳酶”，所以碳原子不能单独被脱出来，变成高能电子和碳离子，况且碳离子也不能稳定存在。这些碳原子也不能直接和氧结合，因为那样一来能量只能以热的形式放出，细胞无法利用。所以在这里，细胞遇到了如何“烧”碳的难题，这个难题不解决，细胞高效合成ATP的目标就无法达成。

在这里，原核细胞发明了一个极其聪明的方式来氧化葡萄糖分子中的碳原子，既能使这些碳原子彻底氧化，变成二氧化碳，又能把碳原子氧化时释放出来的能量用来合成ATP，这就是通过“加水脱氢”的方式。这种方式先在燃料分子的代谢中间产物上加上水分子，让水分子中的氧原子与碳原子结合，使碳原子的氧化程度增加，变成与两个氧原子相连的“羧基”（—COOH），然后在“脱羧反应”中以二氧化碳的形式从燃料分子上脱下来。水分子中的氢原子也结合在燃料分子和它们的代谢产物上，随后和燃料分子上原来的氢原子一样，被脱氢酶脱下来，再被分解为高能电子和氢离子。

由于碳原子是和水分子中的氧原子结合，而不是和氧气中的氧结合，所以不会产生大量的热。碳原子就以这种方式“平平静静”地变为二氧化碳。水分子中的氢原子本来与氧结合，已经没有燃烧价值，但是在水分子中的氧原子与碳原子结合后，这些氢原子就被“解放”出来，像葡萄糖分子上原有的氢原子一样，重新具有“燃烧”价值。所以葡萄糖中的碳原子以这种方式被氧化成二氧化碳时，它的“燃烧”价值是被转移到氢原子上面去了。

这种方式有点像“水煤气”的生产。煤主要是由碳组成的固体，不能通过管道来运输。但是在高温下让煤和水反应，水中的氧原子和碳结合，生成一氧化碳（约占水煤气的40%），水分子中的氢原子则被“解放”出来，变成氢气（约占50%）。此外还有生成少量（约5%）的二氧化碳。一氧化碳和氢都是气体，可以用管道方便地运输。在这里碳的燃烧价值就被部分转移到水中的氢原子上面去了。原核生物也在做类似的事情，只是做得更好，不但反应是在常温下进行的，碳的燃烧价值也能够完全转移到氢原子上，自己变成二氧化碳，而不产生一氧化碳。

这种在燃料分子的代谢中间产物上加水脱氢以氧化碳原子的反应，主要是在一个环状反应链中进行的。这个反应链是由德国科学家汉斯·克雷布斯（Hans Adolf Krebs，1900—1981）最后测定确立的，被命名为克雷布斯循环（Krebs Cycle），克雷布斯也因此获得了1953年的诺贝尔生理学和医学奖。这个循环看上去比较复杂（图2-23），但它是生物体内几乎所有化学反应围绕旋转的中心，我们的每个细胞里面，都有这样的循环在运转。它是把食物分子“磨碎”成为氢和二氧化碳的“磨盘”，也是细胞内各种化学反应彼此联系的“转盘路”，还是早期生物合成有机物的主要通道，所以稍微了解一下这个循环是值得的。

克雷布斯循环由9个成员组成，依次是（1）柠檬酸、（2）顺-乌头酸、（3）异柠檬酸、（4）α-酮戊二酸、（5）琥珀酰辅酶A、（6）琥珀酸、（7）延胡索酸、（8）苹果酸、（9）草酰乙酸。在这个反应链中，每一个成员经过化学反应转变成下一个成员，转一圈之后又回到起始点，开始另一圈循环。由于循环中形成的第一个分子是柠檬酸，这是含有三个羧基的分子，所以这个循环又称为柠檬酸循环（Citric Acid Cycle），或者三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle）。

为什么把柠檬酸算作是第一个成员呢？这是因为葡萄糖酵解的产物——丙酮酸，是在脱掉一个二氧化碳分子后，以乙酰基的形式进入三羧酸循环，被彻底分解为氢原子和二氧化碳的。乙酰基连在一个叫做“辅酶A”的分子上，形成乙酰辅酶A（acetyl coenzyme A，简写为 acetyl CoA）。乙酰辅酶A可以和这个循环中的一个成员草酰乙酸反应，生成柠檬酸，进入三羧酸循环，所以柠檬酸是乙酰辅酶A进入这个循环的第一站。

加水过程分三次进行：在乙酰辅酶A和草酰乙酸结合变成柠檬酸时，在琥珀酰辅酶A变成琥珀酸时，以及在延胡索酸变成苹果酸时。有兴趣的读者可以自己去详究这些分子细节，在这里我们只举其中的一个例子，从琥珀酸变成草酰乙酸（图2-24）。

在这个过程中，琥珀酸分子先被琥珀酸脱氢酶脱去两个氢原子，变成延胡索酸，在分子中形成一个双键。这个双键可以打开，使一个水分子加入（注意中间两个碳原子的变化），形成苹果酸。苹果酸再被脱去两个氢原子，就变成草酰乙酸。第2号碳原子（从上往下数）上原来有两个氢原子，通过脱氢-加水-再脱氢后，这个碳原子变得与来自水分子的氧原子相连，这个连有一个氧原子的碳原子会在随后的步骤中变成羧基，以二氧化碳的形式被脱掉。水分子贡献的两个氢原子被脱氢酶脱下，转移到NAD⁺分子上形成NADH，通过NADH脱氢酶进入呼吸链。

整个循环总的加水脱氢结果是：三次加水提供3个氧原子，和乙酰基上原有的1个氧原子一起，共4个氧原子，把乙酰基中的两个碳原子变成两分子的二氧化碳。来自水分子的氢原子则和乙酰基上的氢原子一起，共8个氢原子，分4次在循环中被脱掉，每次脱掉两个氢原子。通过这个过程，碳原子的燃烧价值就被转移到氢原子上去了。

三羧酸循环中的另两个步骤是用来把柠檬酸变成异柠檬酸的，其中包括先让柠檬酸脱掉一个水分子，变成顺-乌头酸。顺-乌头酸在分子不同的地方加上一个水分子，变成异柠檬酸，所以这两步的净结果是没有加水分子。

从上面的分析可以看到，细胞氧化葡萄糖分子后释放出来的二氧化碳分子里面的氧原子，并不是来自空气中的氧气，而是来自水分子和燃料分子中原有的氧原子。同理，我们呼吸时呼出的二氧化碳分子中的氧原子，也不是来自我们呼吸时吸进的氧，而是来自水分子和葡萄糖分子中原有的氧原子。

脂肪酸在被氧化释放能量时，也要形成乙酰辅酶A进入三羧酸循环，而且脂肪酸每生成一个乙酰基，就需要一次加水和两次脱氢反应（图2-25）。

脂肪酸在氧化时，先形成脂肪酰辅酶A，再每次脱下一个乙酰基。因为是从第2个碳原子后的位置（β-碳原子之前）被“切”开，每次切下两个碳原子单位，所以这个氧化叫做脂肪酸的 β-氧化（fatty acidβ-oxidation）。不过由于脂肪酸的碳氢链并不含氧，为了每一次都“切”下一个乙酰基，第2，3位的两个CH2单位先要被脱去两个氢原子，变成—CH=CH—，即两个碳原子变成以双键相连。这个结构上再加一个水分子，就变成—CHOH—CH2—。这个结构再被脱去两个氢原子，就变成了—CO—CH2—。在第1，2位的碳原子被“切”下为乙酰基时，—CO—上的碳就变成1位碳原子，可以开始第二轮的 β-氧化。这样生成的乙酰基，也是随后在三羧酸循环中经过加水脱氢的方式被彻底氧化的。由于在生成乙酰基之前就经过两轮脱氢反应，所以脂肪酸“燃烧”时释放出来的总能量比葡萄糖和蛋白质都高出近一倍。

通过这些“迂回曲折”的步骤，我们的身体就化解了在体温下“燃烧”食物分子中碳的难题，即把水分子里面的氧与碳原子结合，让其变成二氧化碳，水分子里面的氢重新变成燃料。这个方法在几十亿年前就由原核生物“学会”使用了，我们只是原样继承而已。看到这里，你能不佩服生物演化过程的“聪明”吗？