關(guān)于作者
朱欽士，四川省成都市人。1968年畢業(yè)于北京大學(xué)生物學(xué)系生物化學(xué)專業(yè)。1984年獲得荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)生物化學(xué)博士學(xué)位。1984年至1986年在中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所酶學(xué)和生物能學(xué)實(shí)驗(yàn)室工作，同時(shí)任碩士研究生導(dǎo)師。1986年到美國(guó)西弗吉尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)系做博士后研究。1987年到1991年在洛杉磯兒童醫(yī)院從事基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究。1991年至2009年在美國(guó)南加州大學(xué)從事研究工作。退休前為南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)和分子生物學(xué)系副教授。
研究領(lǐng)域包括生物能，酶的結(jié)構(gòu)和功能，蛋白質(zhì)的合成與轉(zhuǎn)運(yùn)，癌癥與染色體，神經(jīng)遞質(zhì)，基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制，以及肝臟解毒系統(tǒng)。
我們呼吸時(shí)吸進(jìn)的氧氣“跑”到哪里去了？
朱欽士
2012年12月25日
我們一生下來就進(jìn)行呼吸，直到我們的生命結(jié)束。呼吸和心跳一起，是判斷一個(gè)人是否“活著”的最明顯的特征。只要摸一摸頸動(dòng)脈看看是否在搏動(dòng)，或者把手放在鼻孔前感覺一下有沒有“氣流”，就可以基本上知道這個(gè)人的狀況。
我們都知道，呼吸的主要作用就是吸進(jìn)氧氣，呼出二氧化碳。氧氣進(jìn)入身體，“氧化”食物中的一些成分，釋放出能量來合成“高能化合物”ATP（化學(xué)名稱叫“三磷酸腺苷”），供我們身體里面的各種需要能量的生命活動(dòng)使用。氧化過程產(chǎn)生的“廢氣”就是二氧化碳，從肺部經(jīng)過鼻腔排出。這就像火力發(fā)電廠里燒煤（也是消耗空氣中的氧氣），把燃燒釋放出來的熱能用來發(fā)電，煤燃燒產(chǎn)生的“廢氣”二氧化碳則通過煙囪排出。
從表面看上去，這一切似乎都簡(jiǎn)單明白。可是如果我告訴你，我們呼出的二氧化碳分子中的氧原子，并不是來自我們吸進(jìn)的氧氣，你一定會(huì)覺得奇怪：二氧化碳分子里面的氧原子是從哪里來的呢？我們吸進(jìn)的氧氣又“跑”到哪里去了呢？要回答這些問題，要先了解什么是“燃料”，然后再比較火力發(fā)電廠和我們的身體在“燃燒”這些“燃料”時(shí)有什么不同。
不管是人的身體所使用的“燃料”（主要是葡萄糖和脂肪），還是火力發(fā)電廠用的燃料（主要是煤或者石油），它們都有一個(gè)共同點(diǎn)，就是都含有大量的碳和氫。不管是單獨(dú)的碳（比如在焦炭和木炭中碳的含量都在85%以上）、單獨(dú)的氫（比如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用的液化氫），還是富含碳和氫的物質(zhì)（如葡萄糖、脂肪、煤、和石油），都是很好的“燃料”。它們與氧結(jié)合時(shí)都會(huì)釋放出能量。
不過在所有這些燃料中，碳原子和氫原子并不是“各自獨(dú)立”，“彼此無關(guān)”的，而是通過“化學(xué)鍵”彼此連在一起，形成分子。石油主要是由各種“碳?xì)浠衔铩苯M成的。碳原子彼此相連形成長(zhǎng)鏈或環(huán)，上面再連上氫原子。脂肪里面的脂肪酸也是在碳原子的長(zhǎng)鏈上聯(lián)上氫原子，只不過還有一個(gè)叫“羧基”的“頭部”。葡萄糖的分子的“骨架”是由6個(gè)碳原子連成的鏈，其中的5個(gè)碳原子各有氫原子和一個(gè)“羥基”（由一個(gè)氧原子和一個(gè)氫原子組成的基團(tuán)）與之相連?？諝庵械难跻膊皇且詥卧訝顟B(tài)存在的，而是兩個(gè)氧原子彼此連在一起，形成氧分子。
要讓燃料里面的碳原子和氫原子和氧氣里面的氧原子結(jié)合，首先就要把這些“化學(xué)鍵”打開。這就像人的兩只手都和別人的手拉住了一樣，再想和另外的人拉手，原來拉住的手必須要放開。 可是破壞化學(xué)鍵是需要能量的，就像把兩只拉住的手分開需要用力一樣?？墒窃诔叵拢匀唤缰杏譀]有什么另外的“手”來把化學(xué)鍵“拉開”。所以把煤堆在露天（和空氣中的氧氣接觸）一般并不會(huì)自動(dòng)燃燒。把石油曝露于空氣中一般也不會(huì)自動(dòng)“起火”。
那怎么辦呢？一個(gè)辦法就是用高溫。溫度是分子運(yùn)動(dòng)激烈程度的量度。溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)越激烈，速度越快。當(dāng)燃料分子之間猛烈碰撞時(shí)，碰撞的力量就可以把化學(xué)鍵打開，就像猛撞一個(gè)人可以把他拉著的手撞開一樣。不過“撞開”化學(xué)鍵所需要的溫度通常是很高的，常常需要千度以上。這就是“燃燒”?；鹆Πl(fā)電廠就是利用“燃燒”過程讓燃料里面的碳原子和氫原子與氧氣里面的氧原子結(jié)合的。燃燒放出的熱量，又可以繼續(xù)加熱尚未燃燒的燃料分子，所以燃燒過程一旦開始，可以自己維持下去，直至燃料耗盡。
這個(gè)辦法對(duì)發(fā)電廠有效，可是對(duì)人卻不行。我們的體溫是37攝氏度。38度就算是“低燒”，39度、40度就是“高燒”，人已經(jīng)很難受了，哪里還能經(jīng)得住上千度的高溫 那人又是如何在37度“燃燒”這些“燃料”的呢？
和其它生物一樣，我們的身體也是很“聰明”的。直接打開化學(xué)鍵不行，就“繞個(gè)彎子”，先讓“燃料”分子（比如葡萄糖）和一種蛋白質(zhì)結(jié)合。蛋白質(zhì)是很復(fù)雜的大分子，上面的許多化學(xué)基團(tuán)就像生產(chǎn)線上的“機(jī)器手”，從多個(gè)角度“拉住”要被打開化學(xué)鍵的分子。這樣一“拉”，化學(xué)鍵就變?nèi)趿?，就比較容易打開了。而且打開化學(xué)鍵的反應(yīng)也不是“一步到位”，而是經(jīng)過若干中間步驟，每一步需要的能量都比較少，這樣在體溫下化學(xué)鍵就可以被打開了。這個(gè)過程就叫做“催化”。具有“催化作用”能力的蛋白質(zhì)就叫做“酶”。比如把氫原子從“燃料”分子上脫下來的酶就叫“脫氫酶”。
打開化學(xué)鍵的問題解決了，如何使碳原子和氫原子與氧結(jié)合還是問題。如果像在火力發(fā)電廠中一樣，讓碳原子和氫原子直接和氧原子結(jié)合，釋放出來的只能是熱能。雖然熱能在維持我們的體溫上有些用處，但是許多生命活動(dòng)所需要的能量卻不能靠熱來供給，而必須以ATP這樣“高能化合物”中的化學(xué)能來供給。所以碳原子和氫原子必須也繞個(gè)“彎子”才最后和氧原子結(jié)合，在這個(gè)“彎子”中把釋放出來的能量變成ATP里面的化學(xué)能。
先說氫原子。這些“燃料”分子中的氫原子被脫下來以后，先把它里面的電子“拿”出來，再讓這些電子經(jīng)過一條復(fù)雜的“通路”。這條“通路”主要由蛋白質(zhì)團(tuán)塊組成，專業(yè)名詞叫“呼吸鏈”。電子在這條“通路”上分幾步“扔出”能量，用來合成ATP。等到把能量“扔”完，電子“精疲力盡”時(shí)，再由酶“催化”和氧氣中的氧原子結(jié)合，同時(shí)把失掉了電子的氫原子核（叫“氫離子”）“檢回來”，一起生成水分子。這個(gè)過程是在細(xì)胞里面的“動(dòng)力工廠”叫做“線粒體”的結(jié)構(gòu)中進(jìn)行的。所以要問我們呼吸時(shí)吸進(jìn)的氧氣“跑”到哪里去了，答案就是“跑”到線粒體中，和氫原子（電子加氫離子）結(jié)合變成水了。
碳原子的情況比較麻煩。既不能讓碳原子直接和氧氣中的氧原子結(jié)合，也不能像氫原子那樣，把它的電子“拿”出來，走那樣一條“通路”，因?yàn)槭ヒ粋€(gè)電子的碳原子是很不穩(wěn)定的。那怎么辦呢？這里我們的身體更顯出它的“聰明”來了，就是采取“偷梁換柱”的方法，把碳原子中的能量轉(zhuǎn)移到氫原子上面去。這樣就可以通過氫原子這個(gè)“替身”來釋放碳原子中能量以合成ATP了。
這是怎么做到的呢？就是往“燃料”分子上“加水脫氫”。水分子是由一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子組成的。往“燃料”分子上加水以后，氧原子“歸”碳原子所有，而氫原子卻被“脫”下來，進(jìn)入那條釋放能量的“通路”。這樣既讓碳原子和氧原子結(jié)合，脫下來的氫原子又作為碳原子的“替身”，去完成釋放能量的“任務(wù)”。所以如果要問我們呼吸時(shí)呼出的二氧化碳分子中的氧是哪里來的，答案是，除了“燃料”分子中原來就和碳原子結(jié)合的氧原子外，另外的氧原子是從水分子來的。
除了在“燃料”分子上直接“加水脫氫”，還有更“迂回”的“加水脫氫”的方式，那就是通過磷酸。磷酸“送”給碳原子的那個(gè)氧原子，隨后又從水分子那里“補(bǔ)”回來。這里面涉及的步驟就更多了，但是“凈效果”還是把水分子上的氧原子加到“燃料”分子中的碳原子上。
通過這些“迂回曲折”的步驟，我們的身體就化解了在體溫下“燃燒”食物中的“燃料”分子的難題，而且能夠高效率地利用“燃燒”過程所釋放出來的能量?？吹竭@里，你能不佩服生物進(jìn)化過程的“聰明”？