第八节
氧化还原反应供给能量

生命活动需要能量，最初的生物是从哪里获得能量的呢？那就是氧化还原反应（oxidation-reduction reaction）。从字面上讲，和氧结合的反应就是氧化反应，比如碳与空气中的氧结合而燃烧，生成二氧化碳的过程就是氧化反应。氢与氧结合而燃烧，生成水，也是氧化反应。除了与氧结合，已经和氧结合的原子再增加与氧结合程度也叫氧化反应，例如一氧化碳与氧反应生成二氧化碳，二氧化硫和氧反应生成三氧化硫，也是氧化反应。还原反应最初的意思是一些金属氧化物被加热时会释出氧，金属从氧化状态被“还原”为金属。例如氧化汞被加热时会生成汞和氧气。氧化汞里面的汞在加热时失去了氧，所以被“还原”成金属的“真身”了。按照这个标准，得到氧的反应叫氧化反应，失去氧的反应叫还原反应。

但是许多与氧无关的反应，也称作氧化还原反应。例如钠与氯反应，形成氯化钠，就是钠被氯“氧化”了，虽然在这个过程中没有氧参加。在硫酸铜溶液中放入铁丝，铜离子变成铜，铁却变成了铁离子。这个反应叫做“置换反应”，即用一种元素置换溶液中的另一种元素。在这个反应中，铁原子上面的电子给了铜离子，自己变成铁离子，铜离子得到电子，变成铜原子，化学上称为铁原子被铜离子“氧化”，铜离子被铁原子“还原”。在这里氧化反应和还原反应是成对的。一方的氧化就是另一方的还原，统称为“氧化还原反应”。

而在氧直接参与的许多反应中，例如氢与氧反应生成水，并不涉及电子的得失。在氢分子中，两个氢原子共用它们的外层电子，氧分子中的两个氧原子也共用电子。在水分子中，氧原子和氢原子仍然共用电子。那么怎么把这些氧化的机制统一起来呢？氧化还原反应的本质究竟是什么呢？

在第一章中，我们曾经讲到，不同元素的原子对外层电子的吸引力是不一样的。同一周期中的元素，原子序数越大，对外层电子“抓”得越牢。这样，对外层电子抓得牢的原子就会夺取抓得不那么牢的原子的外层电子。这相当于物体从高位跌到低位，高度差引起的势能变化就以能量释放出来。例如钠和氯反应会释放出能量，因为钠原子的外层电子转移到氯原子上，相当于石头从高处落到低处。氢和氧反应会释放出能量，也是因为氧原子抓电子比氢原子强，电子从氢原子中的轨道进入到氧原子中的轨道，也相当于石头从高处落到低处。上面说的铜被铁置换，就是因为铜抓电子的能力比铁强，所以铜离子可以把铁原子的外层电子拿走。而把铜丝放到硫酸铁的溶液中，就不会有铁生成。同样，氢原子抓电子比锌原子强，所以锌可以把氢离子变成氢原子，但是氢原子却不能把锌离子变成锌。按照不同元素抓电子的强度，可以把元素排一个顺序。抓电子能力越强的，叫做电负性（electronegativity）越强。许多轻金属的电负性都很低，例如钾是0.82，钠是0.93，锌是1.65。而氢的电负性为2.2，所以锌可以置换氢。许多非金属元素的电负性都比较强，例如氮是3.04，氧是3.44，氟最强，是3.98。从元素电负性的高低，就可以知道两种元素的原子相遇时，电子会从哪个原子转移到哪个原子。（图2-19）。

图2-19 元素周期表中前5个周期元素的电负性

电负性越低的元素，其外层电子的就像处于山顶上的石头，容易落到低处，所以很容易转移到电负性更强的原子上。在转移的过程中会有能量释放出来，所以这些电子就叫做“高能电子”。反之，电负性很强的原子上面，外层电子的能量就比较低，相当于已经落到山谷里面的石头，没有多少势能可以释放了。电子从电负性低的原子转移到电负性更高的原子的过程就叫“氧化还原反应”。失去高能电子的原子被“氧化”，得到高能电子的原子被“还原”。具有“高能电子”的原子“还原性”强，例如氢原子就是具有“还原性”的原子，而电负性强的元素则“氧化性”强，例如氧原子、氮原子和氯原子。在分子中，每个原子的电负性除了要看它是什么元素外，还要看与它相连的是什么原子，以及周围的状况。所以同是分子中的氢原子，它们的还原性也有差别。

知道了氧化还原的定义，我们就可以来讨论原核生物获得能量的方式。金属元素，例如锂、钠、钾，电负性很低，都小于1，它们的氧化按理说应该提供大量的能量。但是在实际上，正是因为它们的电负性太低，太容易给出电子，所以在宇宙中早就被其他元素氧化了，根本不可能以金属状态存在。能够给生物提供能量的，还是那些由电负性低的元素形成的比较稳定的分子。在早期的地球上，有比较丰富的氢气，火山爆发和海底热泉还会释放出硫化氢。氢气和硫化氢都是“还原性”比较强的分子。它们可以被硝酸盐氧化，释放出能量。早期的生物很可能就是利用这样的氧化还原反应来获取能量的。就是现在的海底热泉周围，也还有许多这样生活的生物。不过这样的还原性分子来源毕竟有限，供应没有保证，从这些氧化还原反应获得能量也需要专门的酶，所以也不能被所有的生物所利用。

早期的“自养生物”（自己合成生命所需要的所有分子的生物）如蓝细菌，已经“学会”合成葡萄糖（glucose）。葡萄糖一经出现，它就成为几乎所有生物主要的“能量分子”。葡萄糖分子由6个碳原子、12个氢原子和6个氧原子组成（图2-20）。比起只由6个碳原子和14个氢原子组成的己烷，葡萄糖已经是“半氧化”的分子，所以葡萄糖在“燃烧”时所释放出来的能量（每摩尔2800千焦）远比同样含有6个碳原子的碳氢化合物己烷的燃烧热（4159 千焦）低，但是葡萄糖分子中与碳相连的氢原子和碳原子本身仍然具有很高的能量，可以作为生物的能源。己烷含的能量虽多，但是在水中溶解度极低，不便于多数生物利用，而葡萄糖的优点是高度溶于水，便于输送，葡萄糖代谢的产物还能用于合成其他分子（见本章第十一节“三羧酸循环”），所以葡萄糖就成为几乎所有生物首选的能源。下面我们就具体叙述原核生物是如何用葡萄糖为“燃料”分子来获取能量的。

图2-20 葡萄糖（上）和己烷（下）的分子结构。葡萄糖分子除了以线性分子存在外，第1碳原子上的羰基还可以与第5碳原子上的羟基反应，生成环状化合物。上右是葡萄糖的环状结构