有氧呼吸的器官粒腺體分為二個腔室

探索生命《生物學》61

Mitchondria, the Organelles of Aerobic Respiration, Are Divided Into Two Compartments

1.        電子顯微鏡的觀察顯示，粒腺體包覆著二層膜，一層內層膜，一層外層膜，這二層膜將粒腺體分成內外二個腔室。呼吸作用的第二步驟與第三步驟所需的酵素絕大部分在粒腺體的內腔室。

Jacques Loussier Trio-Orchestra Suite No.3 in D major BWV 1068. Gavotte

2.        內層腔室，因為內層膜往內凹折的關係，而有一連串的脊，這些縐折大大增加內層膜的表面積。粒腺體的外層膜允許小分子通透，內層膜則無法通透。

3.        許多蛋白質通道、閘門、幫浦建立在內層膜上，能夠控制選擇哪些分子可以進入或離開粒腺體的內腔室。內層膜上還有一些蛋白質，它們是呼吸作用的電子傳遞鍊。粒腺體內層膜上的電子傳遞鍊蛋白質，與類囊體膜上的光合作用電子傳遞鍊蛋白質類似。

有氧呼吸的第二步驟，丙酮酸被氧化成乙醯輔酶A

In StageⅡ of Aerobic Respiration, Pyruvic Acid Is Oxidized to Acetyl-CoA

4.        在細胞質醣解作用產生的丙酮酸被運送到粒腺體的內腔室，在這裡開始進行有氧呼吸作用。經歷一系列複雜的反應，三碳的丙酮酸被氧化成二氧化碳CO2和二碳的乙醯原子團，乙醯原子團連接在一個輔酶上；這個輔酶稱為輔酶A，或簡稱CoA。

5.        丙酮酸被氧化後會移除其電子與H⁺，NAD⁺再次扮演電子與H⁺接收者的角色。這個複雜的系列反應摘要如下：

6.        特別留意，步驟Ⅱ最後將六碳葡萄醣的其中2個碳以CO2的形式釋放出去。此外，如果反應程序要持續進行，新形成的NADH必須被氧化再使用。

呼吸作用第三步驟包含檸檬酸克氏循環 Stage Ⅲ Comprises the Reactions of the Krebs Citric Acid Cycle

7.        乙醯輔酶A acetyl-CoA接著進入一個循環的系列反應，稱為檸檬酸克氏循環 Krebs citric acid cycle：

8.        每個二碳的乙醯輔酶A acetyl-CoA分子來自於葡萄醣分子，乙醯輔酶A acetyl-CoA與細胞中既有的四碳化合物的結合形成六碳化合物稱為檸檬酸citric acid。

9.        接下來的反應步驟，檸檬酸citric acid吐出2個二氧化碳分子，失去二個碳，成為一個四碳化合物，這個四碳化合物轉換成細胞原本既有的四碳化合物，使循環可以再次進行。

10.     每個葡萄醣分子被氧化後會產生二個乙醯輔酶A分子，因此每氧化一個葡萄醣分子會啟動二次克氏循環，共有4個碳以二氧化碳CO2的形式釋放出去（產生4個二氧化碳分子）。

11.     再加上步驟二以二氧化碳的形式釋放的2個碳，原始反應物葡萄醣的六個碳都釋放出去了。

12.     克氏循環每進行一次會合成一個ATP分子（透過受質階層磷酸化 substrate-level phosphorylation），移除檸檬酸的8個電子與8個氫離子，交給電子接收分子。

13.     8個電子與8個氫離子中的6個電子與6個氫離子用來還原三個NAD⁺分子（形成3個NADH分子與三個H⁺離子），另外2個電子與2個氫離子由FAD化合物接收，形成FADH2。

14.     因為斷裂一個葡萄醣分子帶來二次克氏循環，因此斷裂一個葡萄醣分子總共會產生2個ATP分子和8個被還原的受質載體（6個NADH和2個FADH2）。

n       翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton 《Biology》；圖片來源／Inoxx.net、Biotechlearn.org.nz、Wikispaces.psu.edu、Legacy.hopkinsville.kctcs.edu

發酵作用將NADH氧化成NAD+，使醣酵解作用得以繼續

探索生命《生物學》60

 Fermentation Oxidizes NADH to NAD+，Which Enables Glycolysis to Continue

1.        在醣酵解作用，2分子的NAD⁺被還原成NADH。在細胞裡，NAD分子的功能是電子傳遞鍊化合物，從某個物質運送H⁺和電子到另一個物質。因此NAD⁺只是暫時收留氫與電子的接收者，NAD⁺將多餘的氫和電子傳遞到其他化合物後，又得回去接下一趟。

Segovia Plays Gavotte (Bach)

2.        細胞只能提供有限的NAD⁺，因此NAD⁺必須重複使用再使用。如果醣酵解產生的NADH分子沒有辦法很快地送走氫和電子，變回NAD⁺，細胞內的NAD⁺將會吃緊。

3.        缺少NAD⁺，醣酵解的第三步驟將無法進行，醣酵解程序也會暫停。簡而言之，NADH氧化成NAD⁺是維持醣酵解持續進行的關鍵反應。

4.        大部分的細胞，如果能夠獲得足夠的氧氣，氧分子將成為NADH分子的電子的最終接收站。

5.        但是在缺氧的環境下，沒有氧分子可以接收氫和電子，因此用醣酵解的產物丙酮酸pyruvic acid接收NADH的氫與電子，這個程序稱為發酵作用fermentation。丙酮酸發酵後的產物因不同有機體而異。

6.        在動物細胞與許多微生物，丙酮酸還原將形成乳酸latic acid：

(7)2 pyruvic acid丙酮酸+2NADH+2H⁺→酵素→

2 lactic acid乳酸+2NAD⁺

7.        大部分的植物細胞與酵母菌是走完全不同的化學路徑，丙酮酸發酵後的產物是乙醇與二氧化碳：

(7)2 pyruvic acid丙酮酸+2NADH+2H⁺→酵素→

2 ethyl alcohol乙醇+2CO2＋2NAD⁺

8.        因此在厭氧的環境，NAD分子在步驟3與步驟7之間穿梭，在步驟3帶走氫與電子變成NADH分子，在步驟7卸下氫和電子變成NAD⁺。

9.        發酵作用是醣酵解作用延伸下去的反應路徑，發酵作用使醣酵解作用的反應物質葡萄醣，在缺乏氧氣的環境條件下，轉換成醇或乳酸。因此一個反應是否為醇發酵作用或乳酸發酵作用，全看這個反應程序最後的產物是什麼。

10.     不論發酵作用的最後產物是什麼，發酵作用讓細胞可以持續合成ATP；發酵作用程序只用掉葡萄醣一點點的能量，因此發酵後的產物還有許多原本儲存在葡萄醣裡面的能量。

11.     酵母菌與其他微生物的發酵作用是許多重要經濟產業的基礎，包括麵包烘焙業和製酒，另外還有像瑞士起司特殊風味也是來自於發酵作用。微生物發酵作用製造出起司、優格等各種日常所需的產品。

呼吸作用的第二、第三和第四步驟是有氧反應 The Second, Third, and Fourth Stages of Respiration Are Aerobic

12.     不論是有氧的環境條件，還是無氧的環境條件，葡萄醣都會依循醣酵解作用路徑斷裂成丙酮酸。但是如果環境能夠提供氧氣分子，氧氣分子可以作為NADH卸下電子與氫的最終接收者，丙酮酸pyruvic acid不需要扮演電子接收者的角色；

13.     在有氧的環境下，丙酮酸不需要接收NADH的電子與氫，因此丙酮酸不會被轉換成乳酸或醇，保留下來的丙酮酸可以進一步斷裂釋放其中的能量來合成更多新的ATP。換句話說，在有氧的環境中，ATP合成不會在丙酮酸的步驟停止。

14.     葡萄醣分解代謝的第一步驟是醣酵解步驟，接下來的章節將介紹葡萄醣分解的第二步驟、第三步驟與第四步驟，這些步驟將使營養物質在充滿氧氣的環境中被斷裂，並且合成ATP；有氧呼吸包含葡萄醣分解代謝的第二步驟、第三步驟與第四步驟。

15.     因為有氧呼吸的起點是丙酮酸進入粒腺體，然後在粒腺體內斷裂成CO2和水，因此下一個章節我們將先介紹粒腺體的重要特徵。

n   翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton 《Biology》；圖片來源／Wikispaces.psu.edu

運算晶格能 Lattice Energy Calculations

化學原理啟迪349

Zimerman - Beethoven, Piano Concerto No. 5 - I Allegro (3/3)

1.     當我們討論到形成氟化鋰的能量時，我們發現晶格能對氟化鋰離子固體的穩定度有重大貢獻。晶格能大小可用修飾過的庫倫定律說明

晶格能Lattice energy＝k（Q1Q2/r）

k是依據離子固體結構與離子的電子組態而來的比例常數，Q1和Q2是離子的電荷，r是陽離子與陰離子中心點之間的最短距離。

2.     特別留意，當Q1和Q2的電荷是正負相反的，得到的晶格能就會是負的數值。這個結果是可以預期的，因為陽離子與陰離子的結合是一個散熱程序。

3.     另外有一點值得注意，離子的電荷增加與離子之間的距離變短，都會使陰陽離子結合為固體反應過程變得更強烈地放能。

4.     離子固體的電荷對晶格能的重要性，我們可以比較形成NaF(s)和MgO(s)的能量差異。這些離子化合物固體，含有等電子離子Na⁺、F^－、Mg^2＋、O^2－。形成NaF(s)和MgO(s)這二種固體的能量圖說如下：

5.     請注意幾個重要的特徵：

l  氣相的鎂離子Mg^2＋與氧離子O^2－結合形成固體氧化鎂的過程釋放的能量，比氣相的鈉離子Na⁺與氟離子F^－結合形成固體氟化鈉的過程釋放的能量，更多。（氣相的鎂離子Mg^2＋與氧離子O^2－結合成固體氧化鎂的過程釋放3916kJ/mol，氣相的鈉離子Na⁺與氟離子F^－結合成固體氟化鈉的過程釋放的能量是923kJ/mol）

l  移除鎂原子的二顆電子所需的能量比移除鈉原子的顆電子所需的能量大。（移除鎂的第一顆電子需要花費735kJ/mol，移除鎂的第二顆電子需要能量1445kJ/mol，因此移除鎂的二顆電子共需要2180kJ/mol；移除鈉的一顆電子需要花費495kJ/mol）

l  對氣相的氧原子增加二顆電子需要額外灌注能量（737kJ/mol）；對氧原子增加第一顆電子是散熱的（－141kJ/mol），但是增加第二顆電子的反應則是大為吸熱的（878kJ/mol）。必須用間接的方式提供增加第二顆電子所需的能量，因為O^2－(g)不太穩定。

6.     移除鎂的第二顆電子所耗費的能量是移除第一顆電子的二倍，並且對氣相的氧原子增加二顆電子是相當吸熱的反應，這樣說起來，要用正二價的鎂離子Mg^2＋和負二價的氧離子O^2－結合成氧化鎂MgO固體，應該會比用正一價的鎂離子Mg^1＋和負一價的氧離子O^1－消耗更多能量的，這是比較不利的反應，對嗎？

7.     可是最後的結果卻令人有點困惑，因為實際上產生的離子化合物是由比較耗能的Mg^2＋和O^2－結合，而不是由比較節能的Mg^＋和O^－，為什麼？

8.     答案就在晶格能。氣體的Mg^2＋和O^2－結合成MgO(s)的晶格能釋放的能量超過3000kJ/mol，遠高於Na⁺與F^－結合成NaF(s)的晶格能釋放的能量；

9.     以此類推，Mg^2＋和O^2－結合成固體MgO(s)的釋放的能量，會比Mg^＋和O^－結合釋放的能量多。（所以Mg^2＋和O^2－結合成固體MgO(s)在能量上是比較有利的）以氧化鎂來說，擁有一個電荷離子結合時的晶格能，遠不如擁有二個電荷的離子結合時的晶格能。

10. 如果說正二價離子和負二價離子結合釋放的晶格能，會比正一價離子和負一價離子結合釋放的晶格能多，在反應上比較有利，那麼，為什麼氟化鈉是由正一價的鈉離子Na⁺與負一價的氟離子F^－組成，而不是由正二價的鈉離子Na²⁺與負二價的氟離子F^2－組成？

11. 因為Na⁺與F^－的電子組態符合鈍氣氖的電子組態。（意思就是，正一價的鈉離子Na⁺與負一價的氟離子F^－十分穩定，而正二價的鈉離子Na²⁺與負二價的氟離子F^2－不太穩定。）

12. 要從Na⁺再多移除1顆電子需要非常大的能量（4560kJ/mol），因為要移除的這1顆電子位於2p軌域。

（Na移除的第一顆電子位於第3能階的s軌域，移除之後的Na⁺電子組態進入最穩定的鈍氣氖的電子組態，接著Na⁺繼續移除的第2顆電子位於第2能階的p軌域，能階愈低代表受到原子核的引力愈強，因此移除第二顆電子耗費的能量更大，此外，移除的第2顆電子之後會破壞穩定的鈍氣氖的電子組態，變得更不穩定，違反物質追求最穩定的慣性，因此在能量上是不利的。）

13. 相反地，要對氟離子F^－增加一個電子，必須將電子填入高能量的3s軌域，這是不利的程序。

（F^－已經達到最穩定的鈍氣氖的電子組態，多塞一顆電子將會破壞這個穩定狀態，所以在能量上是不利；對F增加第一顆電子填入的是2p軌域，2p軌域的電子與原子核的距離比較短，原子核比較有力量控制它，屬於低能量軌域；對F增加的第二顆電子填入的是3s軌域，3s軌域的電子與原子核的距離比在2p軌域長，原子核比較沒有力量控制它，要穩住這顆電子十分困難，因此屬於高能量軌域。）

14. 對氟化鈉NaF來說，用二個電荷離子（Na²⁺、F^2－）結合成固體需要額外灌注的能量，遠大於晶格能所能提供的能量。

15. 關於形成離子化合物過程中每個步驟的能量的討論，能夠解釋操控這些化合物的組成與結構的各種因素。其中最重要的因素是，離子到底應該是多少電荷比較容易達到能量平衡，以及這些離子結合成固體時釋放的能量（晶格能）。

n  翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》