細胞內(nèi)的微型“水電站”

黃婧怡 胡 薇

(福建師范大學生命科學學院 福州 350108)

ATP是細胞的能量“通貨”，在生物體內(nèi)的高能化合物中占有特殊地位。英國生物化學家P.Mitchell用“化學滲透假說”[1]解釋了生物氧化與ATP合成的偶聯(lián)機制，并提出了生物能量合成的“抽水蓄能發(fā)電站”模型，本文介紹了該模型的發(fā)現(xiàn)歷程。

1 生物學世紀謎團

葡萄糖是生物體通用的能量儲備，而ATP分子是生物通用的能量貨幣；生命活動需要能量時，首先需要葡萄糖把能量轉(zhuǎn)移給ATP；那么，徹底分解1個葡萄糖分子能產(chǎn)生多少個ATP呢？經(jīng)過科學家大量觀測和計算發(fā)現(xiàn)，1個葡萄糖分子徹底分解，所生產(chǎn)的ATP數(shù)目大概在28個到38個之間，從化學的角度分析，這是不可能出現(xiàn)的情形。因此，該問題成了20世紀生物學最大的謎團。

2 細胞內(nèi)的“抽水蓄能發(fā)電站”

20世紀50年代的研究發(fā)現(xiàn)，葡萄糖分解與ATP的合成，發(fā)生在線粒體的不同部位上，即兩套化學反應相互隔離，而發(fā)生化學反應的前提是反應物之間存在物理接觸。因此，科學家猜測，它們之間可能存在某種媒介分子X，但這種猜測始終沒有獲得實驗的驗證。

揭開謎團的是英國生物化學家P.Mitchell，早年對細菌主動運輸[2]的研究使他對生物膜導致的化學物質(zhì)濃度聚集尤為敏感，既然主動運輸需要耗能，那么，逆濃度梯度運輸所致的濃度聚集即可形成一種勢能，這就是P.Mitchell提出其有關(guān)ATP合成機理核心觀念的突破口；于是，在大量實驗的基礎(chǔ)上，P.Mitchell于1961年在愛丁堡發(fā)表論文，認為并不存在媒介分子X，唯一的“中間物”是類似“水泵”作用的電子傳遞鏈(即呼吸鏈)所致的跨膜質(zhì)子梯度，提出“化學滲透假說”來解釋生物氧化和ATP合成的偶聯(lián)過程(圖1)： ①葡萄糖有氧氧化產(chǎn)生的NADH，在脫氫酶的作用下脫氫形成H+和高能電子(NADH→NAD++H++2e-),其中，高能電子進入位于線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈，在沿呼吸鏈依次傳遞的同時，不斷釋放能量，將H+從線粒體基質(zhì)泵入線粒體的膜間隙；②線粒體內(nèi)膜不允許H+自由通過，因此，被泵入線粒體膜間隙的H+不能自由返回線粒體基質(zhì)，致使線粒體內(nèi)膜兩側(cè)存在由質(zhì)子濃度梯度(pH差)及其所致的化學電位差(即質(zhì)子驅(qū)動力)，而此質(zhì)子驅(qū)動力包含著上述高能電子在傳遞過程中所釋放的能量；③當H+通過位于線粒體內(nèi)膜上的ATP合成酶的特殊通道返回線粒體基質(zhì)時，由H+濃度梯度所釋放的自由能，偶聯(lián)ADP和磷酸合成ATP，質(zhì)子的電化學梯度也隨之消失，即質(zhì)子勢能轉(zhuǎn)化為化學能存儲于ATP分子的高能磷酸鍵中。

圖1 生物能量“通貨”ATP合成的“抽水蓄能發(fā)電站”模型

在P.Mitchell看來，生物體制造ATP的過程，不是化學問題，其原理如同水力發(fā)電，即細胞內(nèi)存在著“抽水蓄能發(fā)電站”： 首先，葡萄糖分解釋放能量與呼吸鏈相互配合負責“抽水蓄能”；然后，開閘與否、開閘時長以及發(fā)多少電(即生產(chǎn)多少ATP)由細胞自主決定，即根據(jù)生命活動對能量的需求量，細胞自由決定生產(chǎn)ATP的效率；那么，1個葡萄糖分子能生產(chǎn)幾個ATP，就不是一個恒定的數(shù)字；生物學的世紀謎團，就這么被“抽水蓄能發(fā)電站”模型圓滿的解釋了。對生物學家而言，用一個物理模型解釋生物能量的來源，簡直不可思議，他們連續(xù)發(fā)問：“水泵”在哪？蓄能“大壩”在哪？發(fā)電機在哪？由于技術(shù)的限制，P.Mitchell的文章缺少有力的證據(jù)支撐，在當時的學術(shù)界，他成了眾矢之的，只好辭職回家侍弄花草。

3 大自然演化的鬼斧神工

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，ATP合成的“抽水蓄能發(fā)電站”模型，為一系列的科學實驗所證實。

1972年，奧地利科學家Racker[3]的一個精巧實驗，證明了位于線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈的“質(zhì)子泵”作用；為了排除有氧呼吸過程中ATP合成酶自身、ATP合成酶與其他細胞環(huán)境影響質(zhì)子濃度的可能性，他把電子傳遞鏈中的一個電子傳遞復合物——細胞色素酶蛋白復合物從線粒體中提取出來，放進人造的脂質(zhì)膜泡中，測得膜外仍然能積蓄起質(zhì)子濃度。

1978年，美國科學家Cohen等[4]以完整的大鼠肝細胞為實驗材料，用核磁共振的方法直接觀察到細胞中胞液與線粒體基質(zhì)之間存在H+跨膜梯度，胞液的pH值比線粒體基質(zhì)的pH值低0.3個單位；而用解偶聯(lián)劑處理或用氮氣代替氧氣切斷氧的供應，則胞液和線粒體基質(zhì)之間的pH梯度消失；這個實驗有力證明了線粒體內(nèi)膜就是細胞內(nèi)的蓄能“大壩”。至此，包括上述實驗在內(nèi)的許多實驗結(jié)果[5]，均支持P.Mitchell的“化學滲透假說”。因此，1978年，P.Mitchell獲得了諾貝爾化學獎，但此時細胞內(nèi)的“發(fā)電機”仍未找到。

1994年，P.Mitchell英國同行John E.Walker[6]，利用X射線衍射的方法，發(fā)現(xiàn)了細胞中的“發(fā)電機”——ATP合成酶，并獲得了該蛋白質(zhì)分子的立體結(jié)構(gòu)，這個幾十億年生物演化的產(chǎn)物，在結(jié)構(gòu)和功能上與發(fā)電機極其相像，有一個能轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)頭，旋轉(zhuǎn)頭上有3個葉片，兩兩之間相隔120度；當H+流動的時候，帶動旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)，每流過3個H+，旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)120度，就能產(chǎn)生1個ATP。

隨著“抽水蓄能發(fā)電站”模型所涉及的“水泵”“大壩”和“發(fā)電機”等結(jié)構(gòu)一一為人們所發(fā)現(xiàn)，ATP合成機理的“抽水蓄能發(fā)電站”模型也漸漸為科學共同體所接受。