呼吸鏈作為“生命引擎”的工作原理和中醫(yī)陰陽五行理論的陰陽元素

徐建興 中國科學(xué)院生物物理研究所 呂 斌 溫州醫(yī)學(xué)院 attardi線粒體生物醫(yī)學(xué)研究院

呼吸鏈作為“生命引擎”的工作原理和中醫(yī)陰陽五行理論的陰陽元素

徐建興 中國科學(xué)院生物物理研究所 呂 斌 溫州醫(yī)學(xué)院 attardi線粒體生物醫(yī)學(xué)研究院

寄語

這篇短文是我們對(duì)呼吸鏈酶系結(jié)構(gòu)與功能基礎(chǔ)研究成果的一種領(lǐng)悟，意在建立一個(gè)互通的話題，讓西方科學(xué)家能了解中醫(yī)理論的科學(xué)基礎(chǔ)，也呼喚中國的科學(xué)家在繼承傳統(tǒng)中醫(yī)文化的同時(shí)也要與時(shí)俱進(jìn)地推動(dòng)中醫(yī)科學(xué)理論向現(xiàn)代科學(xué)理論的滲透和發(fā)展?？茖W(xué)的發(fā)展是靠創(chuàng)新的思維，如果你思考了別人沒有想過的問題，也許你就會(huì)有一個(gè)新的思想境界和開辟一個(gè)新的科研領(lǐng)域。發(fā)展中醫(yī)是中國科學(xué)家的特殊使命，重要的是如何使古老的中醫(yī)理論與現(xiàn)代科學(xué)概念的接軌。

引言

皇帝內(nèi)經(jīng)是中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的寶典，陰陽五行相生相克是中醫(yī)理論的核心內(nèi)容之一，診脈開方是延續(xù)了幾千年中醫(yī)看病的特征。脈搏的本質(zhì)是心臟泵血功能的表現(xiàn)，診脈是醫(yī)生通過手感體察患者病情的手段。心臟泵血是要把氧氣和營養(yǎng)物運(yùn)送到身體的每一個(gè)細(xì)胞，同時(shí)又把細(xì)胞代謝的廢物和二氧化碳排出體外。大約有28種之多的不同脈象反映出患者不同病理狀態(tài)下對(duì)氧氣和營養(yǎng)物的需求狀況。氧氣和營養(yǎng)物是在線粒體中被呼吸鏈利用的，營養(yǎng)物借助于呼吸鏈的電子傳遞功能被氧氣氧化，儲(chǔ)存在營養(yǎng)物中的太陽能在呼吸鏈氧化的過程中緩緩釋放出來并轉(zhuǎn)化為一種驅(qū)動(dòng)力，推動(dòng)線粒體中的ATP酶制造能量載體分子ATP以維持細(xì)胞的生命活動(dòng)。人體是由巨大數(shù)量的細(xì)胞組成，每個(gè)細(xì)胞中有很多的線粒體，而每個(gè)線粒體內(nèi)又有相當(dāng)數(shù)量的呼吸鏈在不斷轉(zhuǎn)化能量驅(qū)動(dòng)生命活動(dòng)。因此，呼吸鏈的功能是人體生命活力的重要體現(xiàn)者，脈象的變化顯然與呼吸鏈功能狀態(tài)的變化相關(guān)。因此，了解呼吸鏈的結(jié)構(gòu)及其功能對(duì)深入理解中醫(yī)理論的科學(xué)內(nèi)涵顯然是有益的。為了使人們易于理解呼吸鏈的功能，我想把呼吸鏈稱作“生命引擎”，目的是使深?yuàn)W的學(xué)術(shù)名詞變?yōu)榇蟊娨子诮邮艿目破照Z言。

“生命引擎”的概念

“引擎”是一種能量轉(zhuǎn)換器，它把太陽能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)。如汽車、輪船和飛機(jī)都裝有發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)就是一種“引擎”，它的作用是把儲(chǔ)存在燃油中的太陽能轉(zhuǎn)化為推動(dòng)汽車、輪船和飛機(jī)在陸?？招凶叩尿?qū)動(dòng)力。

“生命引擎”是細(xì)胞內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換器，它的功能是把儲(chǔ)存在食物中的太陽能轉(zhuǎn)化為推動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，執(zhí)行這一功能的器件就是定位于線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈和ATP酶。呼吸鏈和ATP酶偶聯(lián)在一起很像是一部“生物分子發(fā)電機(jī)”，呼吸鏈的功能如同是發(fā)電廠的燃煤鍋爐，不過它燃燒的不是煤而是營養(yǎng)物，ATP酶如同是一部“分子發(fā)電機(jī)”，不過它產(chǎn)生的不是電流而是能量載體分子ATP。一個(gè)細(xì)胞內(nèi)含有很多的線粒體，在線粒體的內(nèi)膜上又有相當(dāng)數(shù)量偶聯(lián)在一起的呼吸鏈和ATP酶，如此構(gòu)成了細(xì)胞中龐大的“生物分子發(fā)電機(jī)組群”驅(qū)動(dòng)著細(xì)胞的各種生命活動(dòng)，如肌肉能收縮運(yùn)動(dòng)、神經(jīng)能傳導(dǎo)信號(hào)、大腦能學(xué)習(xí)記憶和思考、細(xì)胞能繁殖和更新，組織器官能及時(shí)修復(fù)損傷保證正常發(fā)揮生理功能等等。

“生命引擎”工作原理的突破性發(fā)現(xiàn)

呼吸鏈的主體結(jié)構(gòu)是四個(gè)橫跨在線粒體內(nèi)膜上的膜蛋白復(fù)合物I、II、III和IV，按照它們各自氧化還原電位的高低順序排列組成一條電子傳遞鏈。ATP酶也是一個(gè)跨膜蛋白，常常被叫做復(fù)合物V。食物在體內(nèi)經(jīng)消化分解和線粒體內(nèi)的三羧酸循環(huán)作用被轉(zhuǎn)化為呼吸鏈可以利用的營養(yǎng)物，這些營養(yǎng)物通過呼吸鏈的電子傳遞作用溫和地被氧化成CO2和H2O，這是一個(gè)釋放能量的生物氧化過程，其效果相當(dāng)于把食物中儲(chǔ)存的太陽能釋放到線粒體中?？茖W(xué)家對(duì)呼吸鏈的研究已經(jīng)有近百年的歷史了，研究的核心問題就是探討呼吸鏈?zhǔn)窃鯓优cATP酶合作制造ATP的，也就是線粒體的氧化磷酸化分子機(jī)制。多個(gè)學(xué)說的爭(zhēng)論演繹促成了豐富多彩的生物能力學(xué)發(fā)展史，1961年Mitchell提出的化學(xué)滲透學(xué)說贏得了最多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并于1978年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。按照Mitchell的理論，呼吸鏈氧化營養(yǎng)物釋放出的能量是在線粒體內(nèi)膜上以跨膜質(zhì)子梯度差（ΔμΗ+）的形式成為一種驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)ATP酶制造ATP，細(xì)胞就是通過消耗ATP分子獲得生命活動(dòng)所必需的動(dòng)力。然而，科學(xué)家定量地檢驗(yàn)Mitchell理論的時(shí)候總發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到的ATP數(shù)量比理論計(jì)算的數(shù)量少一些，似乎總有少量ΔμΗ+沒有用到合成ATP上，于是探討偏差的來源成為Mitchell理論以后科學(xué)家們研究的焦點(diǎn)，質(zhì)子漏學(xué)派的出現(xiàn)就是這一時(shí)期的代表。

考察對(duì)呼吸鏈研究的歷史資料我們發(fā)現(xiàn)人們似乎忽略了一個(gè)很重要的問題那就是呼吸鏈會(huì)不會(huì)老化喪失參與制造ATP能力的問題。這個(gè)問題是從熱力學(xué)原理的思考中提出來的，根據(jù)熱力學(xué)原理，任何“熱機(jī)”都做兩種“功”，即“實(shí)功”和“虛功”。實(shí)功又叫“有用功”，是指“熱機(jī)”消耗能量做了對(duì)使用者有用的事情，而虛功則是“熱機(jī)”做實(shí)功的同時(shí)不可避免的要消耗一部分能量去克服機(jī)械摩擦等各種阻力，這部分消耗的能量實(shí)際上做了對(duì)使用者無用的事情，所以也叫做“無用功”。呼吸鏈作為“生命引擎”也和所有的“熱機(jī)”一樣要做兩種“功”，Mitchell的理論闡明的呼吸鏈電子傳遞制造ATP的過程相當(dāng)于“熱機(jī)”做“實(shí)功”的分子機(jī)制，那么呼吸鏈作為“生命引擎”做不做“虛功”呢？

20年前，我們的實(shí)驗(yàn)室開始探討呼吸鏈?zhǔn)欠褡觥疤摴Α焙驮鯓幼觥疤摴Α钡膯栴}。這是一個(gè)尚無前人研究過的問題。經(jīng)過十幾年的實(shí)驗(yàn)論證，我們?nèi)〉昧舜罅康膶?shí)驗(yàn)證據(jù)證明了呼吸鏈?zhǔn)且月╇娕月返姆绞阶觥疤摴Α钡?。我們發(fā)現(xiàn)，呼吸鏈的細(xì)胞色素c介導(dǎo)了兩條電子漏旁路，這兩條旁路都是超氧自由基的代謝路徑→H2O2→H2O【參考文獻(xiàn)】。眾所周知，和H2O2是會(huì)損傷呼吸鏈自身的氧毒性分子，所以呼吸鏈漏電制造氧毒性分子損傷“生命引擎”的過程和“熱機(jī)”做“無用功”克服摩擦生熱引起機(jī)器老化的過程如出一轍。這是呼吸鏈研究的一個(gè)革命性的發(fā)現(xiàn)，以電子漏旁路的方式做“虛功”說明有一部分ΔμΗ+沒有參與制造ATP而是以漏電的方式參與了自由基代謝的過程。做“虛功”消耗一部分ΔμΗ+不僅僅回答了Mitchell理論偏差的來源，更重要的是電子漏旁路產(chǎn)生氧毒性分子造成的損傷就是衰老和疾病的根源，呼吸鏈漏電自損傷的過程就是“生命引擎”做虛功而老化的過程，熱力學(xué)原理完全適用于探討人體的衰老和疾病。

“生命引擎”與中醫(yī)陰陽平衡理論

如果我們把“生命引擎”做“實(shí)功”比做“陽”，把做“虛功”比做“陰”，那么“生命引擎”就成為最小的“陰陽元素”，把每個(gè)元素的陰陽集合起來就是整體的陰陽，這樣看來呼吸鏈與中醫(yī)陰陽五行理論之間的關(guān)系就很密切了。

西醫(yī)看待生命是深入到細(xì)胞內(nèi)部從基因和蛋白的分子水平上進(jìn)行分析，中醫(yī)則把人體看作是一個(gè)統(tǒng)一的整體從人體與環(huán)境的相互關(guān)系上分析問題。人體是一個(gè)高度進(jìn)化了的多細(xì)胞生物，從單細(xì)胞生物到多細(xì)胞生物的進(jìn)化出現(xiàn)了細(xì)胞功能的特化和細(xì)胞與細(xì)胞之間關(guān)系的復(fù)雜化。細(xì)胞有確定的數(shù)目是多細(xì)胞生物的一種特征，這種現(xiàn)象最早在線蟲和輪蟲中發(fā)現(xiàn)，如輪蟲類中的椎尾水輪蟲全身體細(xì)胞核共958個(gè)，其中皮膚及附屬結(jié)構(gòu)301個(gè)，咽167個(gè)，消化道76個(gè)，泌尿生殖系統(tǒng)43個(gè)，肌肉系統(tǒng)247個(gè)，后腦器官4個(gè)。顯然多細(xì)胞生物從整體上存在細(xì)胞和細(xì)胞之間的相互感知和相互控制，這也是中醫(yī)理論的生物學(xué)基礎(chǔ)。胎兒是從一個(gè)受精卵細(xì)胞分裂增殖發(fā)育而成，最初形成的就是腦和神經(jīng)束，然后發(fā)育出各種器官和組織。在胚胎發(fā)育的過程中，所有的細(xì)胞之間都有自然建立起來的親緣關(guān)系。這種關(guān)系是以神經(jīng)細(xì)胞為核心的全體細(xì)胞在整體水平上的相互感知和相互控制。在中醫(yī)理論里，是用經(jīng)絡(luò)、氣血和陰陽三個(gè)概念來描述人體的這種整體性的?！敖?jīng)絡(luò)”是細(xì)胞與細(xì)胞之間信息交流的網(wǎng)絡(luò)，信息的流通是經(jīng)絡(luò)的存在方式，中醫(yī)理論里把信息的流通稱作“氣血”，流通不暢就是病?！皻庋痹谖鞣饺说母拍罾锖苋菀渍`解為“氣是Gas, 血是Blood”，其實(shí)在中醫(yī)理論里“氣血”是對(duì)人體物質(zhì)代謝的總稱，“氣”強(qiáng)調(diào)物質(zhì)代謝的過程，“血”強(qiáng)調(diào)代謝過程中的物質(zhì)?！皻鉁觥本褪谴x不暢造成代謝中間物的累積，“疏通氣血”是中醫(yī)治病的基本原則，如針灸、拔罐、按摩、刮痧等等各種治療手段都是為了打通阻滯的代謝通路或者疏散累積的代謝中間物，謂之疏通氣血。“陰陽”五行理論是中醫(yī)對(duì)人體各部器官協(xié)調(diào)統(tǒng)一的一種描述，（金）（木）（水）（火）（土）五行是描述人體器官功能的五個(gè)“功能域”，（金）是肺與大腸，（木）是肝膽，（水）是腎與膀胱，（火）心和小腸，（土）是脾和胃。五個(gè)“功能域”之間的協(xié)調(diào)和相互適配構(gòu)成人體總的生理功能。胚胎發(fā)育早期最先形成神經(jīng)束，所以精神和心理因素在五行“功能域”之間的協(xié)調(diào)中具有重要的地位，中醫(yī)理論強(qiáng)調(diào)喜傷心、怒傷肝、思傷脾、恐傷腎、悲傷肺，就是描述了精神和心理因素在整體和諧中的地位和作用。中醫(yī)理論用陰陽平衡來描述五行“功能域”的和諧，不和諧就是陰陽失衡, 調(diào)理陰陽是中醫(yī)看病的基本原則。心肝脾肺腎的功能都是由大量功能特化了的細(xì)胞來完成的，而每一個(gè)細(xì)胞中實(shí)際上是成千上萬的“生命引擎”在工作，因此，每一個(gè)“生命引擎”自身的陰陽狀態(tài)就決定了人體整體的陰陽平衡。把“生命引擎”做“實(shí)功”制造ATP比作“陽”，是因?yàn)樗鼮樯顒?dòng)提供了足夠的動(dòng)力。把“生命引擎”做“虛功”產(chǎn)生氧毒性分子比作“陰”是因?yàn)檠醵拘苑肿拥挠泻ψ饔脤?dǎo)致“生命引擎”的損傷而降低制造ATP的能力。（金）（木）（水）（火）（土）五個(gè)“功能域”之間存在相生相克的關(guān)系，所謂（金）生（水）、（水）生（木）、（木）生（火）、（火）生（土）、（土）生（金）的相生關(guān)系就是指功能上的促進(jìn)，是助陽的功能。（金）克（木）、（木）克（土）、（土）克（水）、（水）克（火）、（火）克（金）的相克關(guān)系就是指功能上的制約，是滋陰的功能。每個(gè)“功能域”都被另一個(gè)“功能域”所促進(jìn)，即“相生”關(guān)系，同時(shí)又被第三個(gè)“功能域”所制約，即“相克”關(guān)系。如（金）由（土）生被（火）克，（木）由（水）生被（金）克，（水）由（金）生被（土）克，（火）由（木）生被（水）克，（土）由（火）生被（木）克。如此，用“生命引擎”做“實(shí)功”和“虛功”的熱力學(xué)原理來解釋中醫(yī)陰陽五行相生相克理論是合乎邏輯的科學(xué)思維。

如果我們想象人體的能量來自眾多“生命引擎”的功能，那么“生命引擎”功能狀態(tài)的好壞就直接影響著身體生理狀況的好壞。呼吸鏈漏電偏高會(huì)導(dǎo)致氧毒性分子產(chǎn)生過多而造成有害作用，因此引起病理狀態(tài)。這一點(diǎn)我們?cè)诖罅康膭?dòng)物實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)觀察到了，如小鼠運(yùn)動(dòng)耗竭時(shí)呼吸鏈漏電明顯增高，衰老小鼠比年輕小鼠漏電水平高，小鼠中毒、長瘤、甲亢等病理狀態(tài)都能測(cè)到電子漏增高的現(xiàn)象?？梢哉f病理狀態(tài)就是患者（金）（木）（水）（火）（土）五行“功能域”的“生命引擎”功能異常狀態(tài)的表現(xiàn)。呼吸鏈電子漏被看作“陰”是因?yàn)樗a(chǎn)生潛在有害的氧毒性分子會(huì)造成“生命引擎”的損傷，呼吸鏈電子傳遞被看作是“陽”是因?yàn)樗a(chǎn)生載能分子ATP使細(xì)胞得到足夠的能量供給。呼吸鏈電子傳遞與電子漏的相互轉(zhuǎn)化正好體現(xiàn)了中醫(yī)陰陽平衡的變化，陰陽平衡的失調(diào)就是呼吸鏈漏電比例脫離正常生理狀態(tài)的反映。各個(gè)器官細(xì)胞中呼吸鏈漏電狀態(tài)變化的多態(tài)性就是病理狀態(tài)的多樣性，不同的漏電程度乃至漏電方向的不同都會(huì)引起不同的病理征兆。因此線粒體的分子熱機(jī)原理與中醫(yī)陰陽平衡理論之間有著非常密切的關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)反映了呼吸鏈微觀電子水平的變化與人體宏觀整體生理功能之間的關(guān)聯(lián)。

診脈開方是延續(xù)了幾千年中醫(yī)看病的特征，脈動(dòng)實(shí)際上是心臟跳動(dòng)在腕部血管上的反應(yīng)，血液是把氧氣和營養(yǎng)物送到人體的每一個(gè)“生命引擎”上，營養(yǎng)物通過“生命引擎”被氧氣氧化的過程如同燃燒，是把營養(yǎng)物中儲(chǔ)存的太陽能釋放出來推動(dòng)生命活動(dòng)的過程。因此，不同器官功能區(qū)“生命引擎”的異常表現(xiàn)肯定會(huì)在脈象中反映出來。診脈實(shí)際上是醫(yī)生用手指在“寸”“關(guān)”“尺”三個(gè)部位上感知來自不同器官“生命引擎”陰陽狀態(tài)的信息，判斷出五行“功能域”陰陽平衡的失調(diào)，再通過五行“功能域”之間相生相克的關(guān)系開具處方把患者失去平衡的五行“功能域”“生命引擎”的陰陽狀態(tài)調(diào)整到正常的平衡狀態(tài)，這就是中醫(yī)診脈開方治病的原理。

結(jié)束語

中醫(yī)理論是華夏祖先數(shù)千年中醫(yī)治療經(jīng)驗(yàn)的積累和總結(jié)，它有著樸素的語言，深厚的哲理，是現(xiàn)代生命科學(xué)出現(xiàn)之前就已存在的對(duì)生命現(xiàn)象的理解和描述。如何讓這個(gè)古老的生命科學(xué)理論與新生的現(xiàn)代生命科學(xué)理論接軌是人類文化發(fā)展的重要課題，重要的是概念上的溝通和認(rèn)識(shí)上的協(xié)調(diào)，互相否定無助于科學(xué)的發(fā)展。這篇短文是一個(gè)嘗試，用現(xiàn)代生命科學(xué)對(duì)呼吸鏈酶系結(jié)構(gòu)與功能的研究結(jié)果去詮釋古老的中醫(yī)陰陽五行理論，讓西方生命科學(xué)家能理解古老中醫(yī)的科學(xué)原理并對(duì)其產(chǎn)生研究的興趣。一旦中醫(yī)理論成為全世界生命科學(xué)家共同有興趣的研究對(duì)象時(shí)，人類對(duì)自身健康的控制將進(jìn)入一個(gè)新的更加自主的階段。

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