氧化食物获取能量

二、氧化食物获取能量

人体所需的能量来自于食物，食物中的能量供人体每天的生命活动。人体通过氧化糖等有机分子形成二氧化碳和水的途径从食物获得可利用的能量。如果我们的细胞通过一个单独的化学反应将食物中的葡萄糖转变成二氧化碳和水，这个过程就像燃烧少量火柴那样骤然释放能量。下面的化学方程式描写葡萄糖氧化和火柴燃烧时发生的情况。

葡萄糖的氧化反应方程式：C₆H₁₂O₆＋6O₂─→6CO₂＋6H₂O＋能量

火柴燃烧时：火柴＋O₂─→CO₂＋H₂O＋能量（光和热）

从反应方程式看，两个过程是类似的。幸运的是，生物体内氧化食物与木材燃烧存在一些重要的差别。

（一）从食物分子的电子中获取能量

食物中潜在的能存在于原子的电子中，人体从食物获取能量的过程，就是生物系统中能量流动的过程，其本质就是化学反应。氧化还原的化学反应（redox reactions）在能量流动过程中起着关键的作用，能量蕴含在化学键中，通过电子的流动和传递的过程，能量在分子和原子之间转移。一个原子或分子失去一个电子，表示它被氧化了，这个过程是氧化反应。相反，当一个原子或分子获得一个电子，表示它被还原了，这个过程是还原反应。电子从一个分子或原子转移到另一个分子或原子，附加在电子上的能量也将随着它一起转移。一个分子的还原型比氧化型具有更高水平的能量。

让我们看一看包含在甲烷气体（CH₄）中的碳原子（图3－1－4a），这个碳原子连接着4个氢原子，处于富含电子的还原状态。如果燃烧甲烷气体，反应的产物是二氧化碳（CO₂）和水（H₂O）。比较甲烷中的碳原子和燃烧反应的产物CO₂中的碳原子，可以发现，前者的碳原子离电子比较接近，C—H键共用的电子对位于共价键中间；而CO₂中的碳原子离电子比较远，在氧化的情况下，氧原子往往趋向吸引电子，使它远离碳原子。甲烷中的碳原子处于还原状态，而CO₂中的碳原子处于氧化状态。因此，有机化合物（如甲烷）的燃烧属于氧化反应。

与甲烷燃烧形成对比，生物氧化发生在一连串小的步骤中，并不是一次完成的。从一个复杂的糖分子转变为一个简单的CO₂分子，碳原子通过一些化学反应并产生一系列中间化合物而逐渐发生变化。每一个中间化合物比前面一个化合物稍微氧化一些（图3－1－4b），这种逐步进行的有所控制的燃烧，使细胞中每一步释放少量能量的氧化反应能与其他化学反应相联系，将释放出的一部分能量贮存到重新形成的化学键中。能量从一个化合物分子转移到另一个化合物分子，是新陈代谢中最基本的反应。

（a）当甲烷遇到火花，它经历一个爆发性的氧化反应或燃烧反应。能量以热的形式释放到环境

（b）甲烷也可经历一连串小的步骤进行氧化。就每一步骤而言，每个化合物的单个碳原子逐渐被氧化，即碳原子逐渐被更多的氧原子包围，氧原子趋向于吸引碳原子的电子，使电子离开碳原子，使碳愈加氧化

图3－1－4　甲烷的氧化

（二）细胞能量货币——ATP

从食物中获取的能量在人体内怎样贮存和利用呢？人体细胞内使用的主要能量货币是ATP分子，细胞用ATP提供的能量完成每一个需要能量的过程，如合成反应、离子转运等。ATP由一个ADP分子和一个磷酸基结合形成（图3－1－5），能量贮存在它的高能化学键中。

图3－1－5　ATP

注：ATP是活的生物体内短期贮存能量的主要载体，从食物中获得的能量在ADP（二磷酸腺苷）与一个磷酸基之间形成共价键，构成一个ATP分子。当该键断裂，贮存在ATP中的能量就被释放出来。

ATP作为细胞中通用的能量载体是如何工作的呢？一般而言，通过ATP与ADP的互相转变来转移能量。当机体从食物获取能量，ADP与一个磷酸分子结合并吸收能量，形成ATP，将来自食物中的能量贮存在ATP的高能键中。ATP贮存着能量，是机体可以直接利用的能量形式。当机体需要能量时，ATP的一个高能磷酸键断裂，释放出能量并形成较ATP更为稳定的ADP。释放能量供机体完成各种需要能量的过程，如合成糖原、为化学反应提供活化能、细胞内外离子的转移、肌肉收缩等。

（三）新陈代谢

细胞像一个微小的化学工业园区，在极微小的空间内发生着数千种化学反应。新陈代谢是生物体内所有化学反应过程的总称。新陈代谢反应中，简单的小分子合成复杂的大分子并消耗能量的过程称为合成代谢（anabolism）反应，而将复杂的化合物分解为简单的小分子并释放能量的过程称为分解代谢（catabolism）反应。如用食物中摄取的氨基酸合成蛋白质、葡萄糖合成糖原的反应是合成代谢反应。大分子在被细胞利用之前，需要分解成单个小分子，如糖原分解成葡萄糖，葡萄糖再逐步分解为二氧化碳和水，分解过程中贮存在葡萄糖等食物分子中的化学能被释放出来，并以高能磷酸键的形式贮藏在ATP分子中，这些反应就是分解代谢反应。

生物体内物质分解释放能量的反应又称为放能反应（exergonic reaction），总是与ATP的合成相联系；利用能量合成物质的反应又称为需（吸）能反应（endogenic reaction），总是与ATP的分解相偶联。产生ATP的分解代谢反应与利用能量的生物合成反应紧密联系，形成新陈代谢的两个方面。

ATP在细胞内的含量是很少的。但是，ATP在细胞内的转化却是十分迅速的。一个成年人在静息状态下，每天大约需消耗40kg ATP。这样，细胞内ATP的含量总是处在动态平衡中，这对于保证生命活动具有重要意义。

（四）化学反应的发生需要活化能

细胞如何控制活跃的氧化分解反应，使之沿着更简捷、更有效而容易控制的步骤进行呢？让我们根据下面列出的普通例子复习一些化学反应的基本原理：

A＋B→C＋D

A和B是起始原料或反应物，C和D是通过反应形成的产物。一个化学反应改变了分子中原子的排列。所有化学反应，趋向于沿着一个导致产物具有高度稳定性和较低能量的方向进行下去。与反应物相比，产物含有比较少的能量，产物中的能量以适当的形式贮存在化学键中。从热力学第二定律看，产物的有序化程度下降。这种朝着有序化程度降低和低能量方向变化的趋势，是化学反应中的一种独特的变化趋势。

A和B共同出现，但并不意味着它们将进行反应。在化学反应开始和进行之前，它们需要打乱稳定性，在新的化学键形成之前，一些键必须首先断开，因此需要输入少量能量，这能量称为反应的活化能。为使某一化学反应得以进行，分子从非活化状态转变成活化状态所需吸收的最低能量称为活化能（activation energy）。一旦反应物越过了这个活化能障碍物，反应将进行下去，将产生含有较低能量的产物（图3－1－6）。

图3－1－6　越过活化能障

注：在化学反应开始和进行之前，需要输入少量能量，使反应物从非活化状态转变成活化状态，该能量称为活化能，好似一个活化能障。反应物一旦越过活化能障，反应就能进行。相对于反应物而言，化学反应的产物含有更少的能量，若要反向进行化学反应，则必须输入大量的能量。

化学反应得以进行所需要的活化能从哪里得到呢？仍以火柴燃烧为例，火柴发光所需的活化能是通过移动火柴头部，使粗糙的表面发生摩擦而产生的。细胞内的化学反应能够通过细胞质中流动着的分子之间的随意碰撞获得活化能。当温度增高时，细胞质中分子之间的碰撞变得更加频繁，更加快速。但是多数生物在正常体温条件下，这些碰撞不会释放足够的能量用于驱动所有生命必需的反应。所幸的是，细胞包含着酶这类特殊的蛋白质，酶是活细胞产生的可调节化学反应速度的催化剂。