细胞内的微型“水电站”

黄婧怡 胡 薇

(福建师范大学生命科学学院 福州 350108)

ATP是细胞的能量“通货”，在生物体内的高能化合物中占有特殊地位。英国生物化学家P.Mitchell用“化学渗透假说”[1]解释了生物氧化与ATP合成的偶联机制，并提出了生物能量合成的“抽水蓄能发电站”模型，本文介绍了该模型的发现历程。

1 生物学世纪谜团

葡萄糖是生物体通用的能量储备，而ATP分子是生物通用的能量货币；生命活动需要能量时，首先需要葡萄糖把能量转移给ATP；那么，彻底分解1个葡萄糖分子能产生多少个ATP呢？经过科学家大量观测和计算发现，1个葡萄糖分子彻底分解，所生产的ATP数目大概在28个到38个之间，从化学的角度分析，这是不可能出现的情形。因此，该问题成了20世纪生物学最大的谜团。

2 细胞内的“抽水蓄能发电站”

20世纪50年代的研究发现，葡萄糖分解与ATP的合成，发生在线粒体的不同部位上，即两套化学反应相互隔离，而发生化学反应的前提是反应物之间存在物理接触。因此，科学家猜测，它们之间可能存在某种媒介分子X，但这种猜测始终没有获得实验的验证。

揭开谜团的是英国生物化学家P.Mitchell，早年对细菌主动运输[2]的研究使他对生物膜导致的化学物质浓度聚集尤为敏感，既然主动运输需要耗能，那么，逆浓度梯度运输所致的浓度聚集即可形成一种势能，这就是P.Mitchell提出其有关ATP合成机理核心观念的突破口；于是，在大量实验的基础上，P.Mitchell于1961年在爱丁堡发表论文，认为并不存在媒介分子X，唯一的“中间物”是类似“水泵”作用的电子传递链(即呼吸链)所致的跨膜质子梯度，提出“化学渗透假说”来解释生物氧化和ATP合成的偶联过程(图1)： ①葡萄糖有氧氧化产生的NADH，在脱氢酶的作用下脱氢形成H+和高能电子(NADH→NAD++H++2e-),其中，高能电子进入位于线粒体内膜的电子传递链，在沿呼吸链依次传递的同时，不断释放能量，将H+从线粒体基质泵入线粒体的膜间隙；②线粒体内膜不允许H+自由通过，因此，被泵入线粒体膜间隙的H+不能自由返回线粒体基质，致使线粒体内膜两侧存在由质子浓度梯度(pH差)及其所致的化学电位差(即质子驱动力)，而此质子驱动力包含着上述高能电子在传递过程中所释放的能量；③当H+通过位于线粒体内膜上的ATP合成酶的特殊通道返回线粒体基质时，由H+浓度梯度所释放的自由能，偶联ADP和磷酸合成ATP，质子的电化学梯度也随之消失，即质子势能转化为化学能存储于ATP分子的高能磷酸键中。

图1 生物能量“通货”ATP合成的“抽水蓄能发电站”模型

在P.Mitchell看来，生物体制造ATP的过程，不是化学问题，其原理如同水力发电，即细胞内存在着“抽水蓄能发电站”： 首先，葡萄糖分解释放能量与呼吸链相互配合负责“抽水蓄能”；然后，开闸与否、开闸时长以及发多少电(即生产多少ATP)由细胞自主决定，即根据生命活动对能量的需求量，细胞自由决定生产ATP的效率；那么，1个葡萄糖分子能生产几个ATP，就不是一个恒定的数字；生物学的世纪谜团，就这么被“抽水蓄能发电站”模型圆满的解释了。对生物学家而言，用一个物理模型解释生物能量的来源，简直不可思议，他们连续发问：“水泵”在哪？蓄能“大坝”在哪？发电机在哪？由于技术的限制，P.Mitchell的文章缺少有力的证据支撑，在当时的学术界，他成了众矢之的，只好辞职回家侍弄花草。

3 大自然演化的鬼斧神工

随着科学技术的发展，ATP合成的“抽水蓄能发电站”模型，为一系列的科学实验所证实。

1972年，奥地利科学家Racker[3]的一个精巧实验，证明了位于线粒体内膜上的呼吸链的“质子泵”作用；为了排除有氧呼吸过程中ATP合成酶自身、ATP合成酶与其他细胞环境影响质子浓度的可能性，他把电子传递链中的一个电子传递复合物——细胞色素酶蛋白复合物从线粒体中提取出来，放进人造的脂质膜泡中，测得膜外仍然能积蓄起质子浓度。

1978年，美国科学家Cohen等[4]以完整的大鼠肝细胞为实验材料，用核磁共振的方法直接观察到细胞中胞液与线粒体基质之间存在H+跨膜梯度，胞液的pH值比线粒体基质的pH值低0.3个单位；而用解偶联剂处理或用氮气代替氧气切断氧的供应，则胞液和线粒体基质之间的pH梯度消失；这个实验有力证明了线粒体内膜就是细胞内的蓄能“大坝”。至此，包括上述实验在内的许多实验结果[5]，均支持P.Mitchell的“化学渗透假说”。因此，1978年，P.Mitchell获得了诺贝尔化学奖，但此时细胞内的“发电机”仍未找到。

1994年，P.Mitchell英国同行John E.Walker[6]，利用X射线衍射的方法，发现了细胞中的“发电机”——ATP合成酶，并获得了该蛋白质分子的立体结构，这个几十亿年生物演化的产物，在结构和功能上与发电机极其相像，有一个能转动的旋转头，旋转头上有3个叶片，两两之间相隔120度；当H+流动的时候，带动旋转头旋转，每流过3个H+，旋转头旋转120度，就能产生1个ATP。

随着“抽水蓄能发电站”模型所涉及的“水泵”“大坝”和“发电机”等结构一一为人们所发现，ATP合成机理的“抽水蓄能发电站”模型也渐渐为科学共同体所接受。