《生命為什麼如此神奇？》：為什麼生物體要用「氫離子濃度差」的方式來儲存能量？

文：周成功

化學滲透理論：生物世界能量轉換的聖杯

將高能量電子載體的能量轉換成ATP的電子傳遞鏈，主要發生在真核生物的粒線體中，因此我們常說粒線體就像是真核生物內的火力發電廠。

在早期研究中，很早就知道NADH、FADH2這一類攜帶高能量電子的分子，會在粒線體中丟掉電子，電子最後被氧接收產生水，同時製造出ATP。然而其中詳細的過程卻不甚清楚。電子被釋放後，能量究竟如何轉變成ATP？

生物化學界對這個問題爭吵了將近二十年。1960年代最普遍的看法是認為，粒線體中存在某個化合物X。電子傳遞釋出的能量，會以化學鍵的形式儲存在X裡面，跟能量儲存在ATP中的道理完全一樣。電子傳遞完成後，化合物X會再透過水解的方式把能量轉移到ATP。

從化學觀點來看，這個推論非常合理，但要證明這件事，最重要的就是把X找出來。令人氣餒的是，科學界找了將近二十年，沒有人找到這樣的化合物。因此X是否真的存在就令人存疑。

早在大家尋找化合物X之前，就曾出現一個非常特別、違反直覺的理論，叫做「化學滲透壓理論」（chemiosmotic theory），最早是1961年由英國生化學家彼得．米切爾（Peter Mitchell）提出。他認為在電子傳遞的過程中，其實伴隨著一個氫離子的轉位（proton translocation），能量其實是以氫離子濃度差的形式儲存在不透水的細胞膜兩側。

這想法對大多數人來說，是個非常難以想像的概念：能量如何能以細胞膜兩邊物質濃度差的形式存在？一開始，這個理論因過於奇特而不被重視，但由於一直找不到化合物X，許多人開始認真考慮這個理論的真實性，愈來愈多人投入其中進行研究。後來科學家透過細胞實驗證明了此理論的真實性，米切爾也因此獲得1978年的諾貝爾化學獎。

如今我們已經熟知電子傳遞鏈的詳細過程，如果去探討電子傳遞鏈每一步驟的機制，或許非常複雜，但整體的原理其實非常簡單（圖5-4）。NADH的電子釋放出來，在粒線體的內膜上，會經過一系列蛋白質像接力賽般的傳遞，最後由氧來接收生成水。在電子傳遞過程中，釋放的能量同時把內膜內側中的氫離子抽送到內膜外側，在內膜兩側形成了氫離子濃度差。

氫離子濃度差是一種位能，除了分子濃度的差別外，還多了一個電位的差別，由於氫離子本身帶正電，氫離子濃度高的地方相對就帶了較多的正電。濃度差加上電位差的驅動下，膜外的氫離子就有很強往膜內移動的傾向。此時粒線體內膜上有一個酶提供了氫離子流入膜內的閘口，這個酶就是ATP合成酶，在氫離子透過它流入膜內時，會帶動酶的作用把ADP加上磷酸根合成為ATP。

這個能量轉換的方式和日月潭明潭水庫儲水發電的原理十分類似。台灣夜間用電量低，核能電廠發出多餘的電（NADH），就送到日月潭明潭水庫啟動幫浦（電子傳遞鏈），把水庫下游的水打到水庫裡儲存起來（氫離子濃度差等同水庫上下游的水位差）。到了白天用電量高的時候，水庫連接發電機（ATP 合成酶）的閘門打開，水就自動從上游流往下游，儲存在水庫中水的位能，就可從轉動發電機產生電（ATP）供應全台。

氫離子濃度差儲存的能量在單細胞生物中還有許多不同的用途，合成ATP只是其中之一。這個能量還可以用來把環境中有用的分子轉移到細胞內，或是把想要排除的廢物丟到細胞外。另外氫離子濃度差的能量，也可以帶動單細胞生物的鞭毛運動等等。所以糖解反應產生的丙酮酸，經過克氏循環完全分解，糖解反應和克氏循環產生的高能量電子（NADH）經由有氧呼吸的電子傳遞鏈把能量完全釋出，一共可以得到38個ATP，相較於無氧狀態下的糖解反應，葡萄糖有氧呼吸的能量轉換效率可以接近40％。

生物世界能量轉換的哲學

接下來一個有趣的問題是：為什麼生物體要用氫離子濃度差的方式來儲存能量？為什麼不用前面提到化合物X的概念？這兩種能量儲存的方式有什麼差別？要回答這些問題，就要從一些真實的例子中去思考。

例如，在肌肉細胞中有一個儲存能量的分子叫做磷酸肌酸（phosphocreatine），因為肌肉運動時需要消耗大量的能量，ATP可能會來不及供應，所以就選用這個分子來做為能量貨幣。磷酸肌酸能透過標準的耦合反應（coupling reaction），丟掉自己的磷酸根給ADP，讓它變成ATP。能夠進行類似反應的分子還有很多，細胞為什麼不用這種受質磷酸化（substrate phosphorylation）的方式來儲存能量後，再將之轉換成ATP呢？

簡單來說，這是一個化學計量的問題。不同的磷酸化合物在水解時釋放的能量大小不一，如果釋放的能量低於合成ATP所需的能量，這類化合物就不能把能量以ATP的形式儲存。同樣的，即使一些化合物釋放的能量遠大於這個額度，由於只有一個磷酸根被釋放，所以也只能產生一個ATP，多餘的能量會變成熱能散失。因此，用受質磷酸化的方式來儲存能量，對生物來說非常不符合經濟原則。

另一方面，把一個氫離子從膜內轉移到膜外，大概可以儲存2萬焦耳的能量，但合成一個ATP需要大約5萬焦耳，也就是說至少要轉移三個氫離子才能合成一個ATP，不過這種能量轉換方式的好處是，一點點能量也不會浪費。