牛津通识读本：分子 [11]
胃容物在进食后数小时内会被分解掉。但即便在消化结束以后，身体依然需要燃料。所以我们的身体要将储备物积蓄起来，以备之后使用。我们肝脏中约十分之一的重量，以及肌肉中约百分之一的重量是一种称作糖原的物质，这是种紧凑、支链很多的葡萄糖聚合物。肝脏和肌肉细胞用收到的部分糖类制造糖原，并制成小颗粒的形状，每个大小约为一毫米的千分之一到千分之四，它们就成了细胞的食品贮藏室。
当血液中的糖含量降低到一定水平以下，身体就知道是时候享用一下存储起来的糖原了。糖含量低会触发胰腺中两种激素的合成——胰高血糖素和肾上腺素，它们告诉细胞开始将糖原分解成葡萄糖。
血液中糖分过多则会触发另一个警报系统，其中就有胰腺中胰岛素的合成。胰岛素能向细胞发出信号，让它们开始将葡萄糖转化为糖原——存储糖类而不是消耗糖类。胰岛素作为糖类供大于求的指标，也能指示细胞去制造别的物质——比如蛋白质和脂肪（另一种应急的能量储备），而停止制造能量。
胰岛素是一种多肽（类似于蛋白质的）激素，由基因编码。有一种常见的遗传缺陷，会导致胰岛素的一种前驱分子（称作胰岛素原）无法正常转化为胰岛素。这种制造胰岛素的障碍正是糖尿病的一个主要原因，也意味着这种疾病的患者需要经常补充一定剂量的激素，以调节血糖含量水平。
齿轮嵌齿轮
糖的燃烧分两阶段，第一阶段过程称作糖酵解（把糖分解），将葡萄糖转化为称作丙酮酸的分子。这一阶段又可以按顺序分解为十种酶分别催化的十小步。分解糖的前五步是上升的过程，需要消耗ATP分子来推动：每分解一个葡萄糖分子就需要将两个ATP分子转化为ADP。不过之后把碎片转化为丙酮酸的五步则是下降的，它可以让ADP重新结合成ATP。这一步中得到四个ATP分子，因此在这一阶段中每消耗一个葡萄糖分子，净得两个ATP分子。所以糖酵解能为细胞储蓄能量。
丙酮酸一般接下来就会进入燃烧过程的第二阶段：柠檬酸循环，这一阶段需要氧的帮助。但如果氧气分子不足，即处在厌氧条件下，应急预案就会启动，丙酮酸会进而转化为乳酸。注例如当我们剧烈运动、供氧速率赶不上糖酵解速率时，身体又需要快速满足高能量的需求，这种情况就会发生。当乳酸在肌肉组织中积累时，就会产生酸痛的症状。
作为收割葡萄糖能量的方式，厌氧代谢的效率是比较低的。所以非常剧烈的运动会使肌肉很快疲惫不堪，原因是能量消耗的速率大于能量产生的速率，无论有多少可用的葡萄糖都无济于事。短跑运动员能力有限的原因也在于此。而长跑运动员则找到了可以持续的步调，让柠檬酸循环运转起来，有氧（即氧气驱动的）代谢的整个过程全部发挥作用。注
这个过程是在线粒体中进行的。这是细胞中一种香肠状的隔间，每个人体细胞里都分布着好几百个线粒体（如图21）。线粒体做的第一件事情是在酶催化下，将丙酮酸转化为一种称作乙酰辅酶A的分子。脂肪分解得到脂肪酸和甘油，最终也会生成这种乙酰辅酶A。
图21 线粒体是细胞中独立的隔间。它们负责生产能量
之后的循环是个八种酶催化的反应过程，它先把乙酰辅酶A转化成柠檬酸，接着再转化成其他各种分子，最终得到草酰乙酸这种分子。这个终结又是新循环的开端，草酰乙酸会再次和乙酰辅酶A发生反应产生柠檬酸。在循环的某些步骤中，会生成副产物二氧化碳。二氧化碳溶解在血液中，由血液带到肺部，最后呼出体外。因此，事实上原始葡萄糖分子中的碳原子被扔到了最终的产物二氧化碳里面，完成整个的燃烧过程。
不严谨地讲，在循环中被扔掉的还有电子，柠檬酸循环将电流输送到线粒体的另一部分中。这些电子用来把氧气分子和带正电的氢离子转化成水，这是个能量释放的过程。这些能量继而被捕获，制造大量的ATP。
不过电子在这里的流动和在金属导线中的并不一样，它们是由烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）分子携带的。在柠檬酸循环中的两个反应里，一个电子和一个氢原子被加到带正电的NAD离子上，我们把这个新的分子记作NADH。它就是电子的交通工具。NADH分子把电子传递给氧分子，发动氧和氢形成水，同时重新生成NAD。NAD分子又再次投入柠檬酸循环中（如图22）。
图22 细胞中的能量制造。糖类的燃烧分为两个阶段进行：糖酵解和柠檬酸循环。第一步是线性的反应序列；第二步在线粒体中进行，可以看作紧密配合的一系列循环过程
大齿轮上还嵌有小齿轮。NADH并非直接把电子给予氧气。这一下降过程又可以分为几步，每一步都给线粒体蓄能。线粒体是由一层外膜围起来的，外膜渗透性较强，柠檬酸循环的主要燃料组分就是通过外膜进入的。外膜里面又有一层内膜，内膜无法渗透。高度卷曲的内膜上布满了酶分子。在内膜上，NADH将电子丢给一个膜上的酶，电子又接龙似的传给其他蛋白质。最终电子到达一种称作细胞色素C氧化酶的膜蛋白质，它的分子上有一处结合氧气分子的位点。电子最后是由这种酶输送给氧的。
细胞色素C氧化酶的氧分子结合位点也可以结合其他比氧更强的分子或离子，比如氰化物和一氧化碳。一旦这种情况发生，电子就再也无法传给氧，这部分机制就停止运作。这一层齿轮的阻塞会导致整个线粒体机制陷入停顿，柠檬酸循环终止，整个系统无法再制造ATP。而现存的ATP会在数分钟内耗尽。因此氰化物和一氧化碳都是潜在的有毒物质，可能导致迅速的窒息死亡。任何干扰电子从NADH转移到细胞色素C氧化酶的物质也会产生相似的效果。一些最致命的毒药都属于这类物质。细胞产生能量的这部分机制对攻击非常敏感。
电子传递链中的膜蛋白依次交出自己得来的礼物，释放一部分能量，把内膜内的氢离子推到内膜之外。这样一来，随着电子依次传递，内外膜间隙中的氢离子浓度也就得到了提升。
这个过程就像是给电池充电。膜两侧的氢离子浓度不同，因而造成两个区域的电荷量不同，就像是电池两极的电势（即电压降）不同。或者你也可以把膜蛋白看作一种泵，能将水抽到山上的水库里，从而在水再次流下的过程中获取能量。
氢离子水库在线粒体中驱动着ATP的合成，像推动微型水轮机一样推动着某个装置。氢离子能通过一种叫ATP合成酶的蛋白质重新流回内膜里面，而这种酶可以利用能量把ADP转化为ATP（如图22）。ATP合成酶有两个主要部分，基本部分是一个稳稳嵌在膜上的圆柱状管道，氢离子可以通过。在管道的一端，即内膜之内的开口处，附着有一个环状蛋白质结构，由六个球形子单元排成环状。当氢离子通过时，环形端头就会旋转，一旋转就能多造些ATP。ATP合成酶处于细胞产能机制的中心，1999年的诺贝尔化学奖颁发给了保罗·博耶、约翰·沃克和延斯·斯科，他们的贡献正是解释了ATP的结构及许多作用机理。
因此，糖酵解和柠檬酸循环是非常不同的两种代谢过程。一个是无氧的，一个是需氧的。糖酵解有可能自封，虽然其中一步需要用到常在柠檬酸循环中产生的NAD，但NAD也可以通过将丙酮酸转化为乳酸在厌氧条件下重新生成。糖酵解和柠檬酸循环这两个过程很像是两种独立的代谢途径绑定在了一起。
而这很可能恰恰正是它们的情况。人们认为，线粒体曾经是分立的细菌生物体。有证据能支持这种说法：它们拥有自己的DNA，与细胞核中的主基因库完全不同（参见第45页）。人们相信约20亿年前，线粒体开始了与利用糖酵解途径进行无氧呼吸的单细胞生物的共生关系。
大约在那时，绿藻（原始的植物生命）的蔓延导致地球大气中氧气含量的急剧增加。而在之前，空气中的氧非常少。那种类线粒体的细菌能够利用柠檬酸循环“呼吸”掉氧气。无氧细胞制造丙酮酸，需氧菌能用作燃料，同时需氧菌制造NAD，能够帮助无氧细胞的糖酵解过程，因此两者间的共生关系能够发展起来。最终，无氧细胞吞噬了需氧菌，两者合为一体，组成复合的有氧呼吸细胞。后来的就众所周知了。
酵母菌则从来没经历过这些，它仍是糖酵解厌氧菌，靠糖类生存。不过酵母细胞并非将丙酮酸转化为乳酸，而是转化为酒精，千百年来为我们带来啤酒的香气。这个过程就是发酵过程，历史上正是从这个过程出发，我们才日渐理解了酶的催化作用。发酵过程中也会产生燃烧的最终产物二氧化碳，它们会在世界每个角落的发酵缸中冒出泡泡。
结合氧气
氧气通过肺部进入体内，但它们并不容易溶解在血液中，因此也就无法简单通过溶解的办法传递到线粒体处。（相反，二氧化碳则易溶，于是就从细胞跟随血流到达肺部。）氧气会被血红蛋白这种蛋白质打包，它对氧气分子的亲和力非常强，打包起来由血红细胞输送。血红细胞几乎完全是为了这一个任务而存在的。它和别的细胞不一样，基本上就是一包血红蛋白，不包含DNA和RNA，细胞里没有各种隔间，几乎再无其他酶。细胞成熟以后，制造血红蛋白所需的全部遗传和酶催化部件会在最后时刻被排出。
血液的红色与铁锈的标志性红色很相似。血红蛋白分子的中心是铁原子，它被圆环状的卟啉分子团团包围。卟啉分子加上铁原子即为一个血红素基团，它们吸收蓝光和绿光的能力很强，因此看上去呈鲜艳的红色。每个血红蛋白分子包含四个血红素基团，其中铁原子的位置为氧分子提供了附着位点。
作为氧气的输送者，血红蛋白必须牢牢地束缚住它的货物，同时也得让货物能够脱离。怎样才能两全其美呢？血红蛋白用了一种聪明的诡计，蛋白质常常都会用这种小诡计，即结合目标分子后就改变自己的行为。简单地讲，就是蛋白质的一部分能够“感觉到”另一部分发生了什么。
肺部血管中有很多氧气分子，当一个血红素基团附着上氧分子后，会发出一个震动信号，促使另外三个血红素基团也去捕捉氧分子。血红蛋白基本上是在肌肉组织中给出氧分子，传递给肌红蛋白。肌红蛋白是另一种结合氧分子的蛋白质，对氧的亲和力比血红蛋白还要强。当一个氧分子离开血红蛋白时，“反震动”就会削弱其他三个血红素基团结合货物的能力，于是它们也就欣然释放了氧分子。