光合作用中光反應(yīng)的機制和由來（2）

朱欽士 （美國南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院）

2 醌分子在能量轉(zhuǎn)化和能量儲存上的核心作用

原核生物并不直接催化氫氣與硝酸鹽反應(yīng)，因為這種直接反應(yīng)只能以熱的形式釋放能量，生物無法加以利用。 要利用該氧化還原反應(yīng)釋放的能量，原核生物采取的辦法是，先用氫酶（hydrogenase）將氫氣（H2）中的氫原子轉(zhuǎn)移到一種叫做“醌”（quinone）的分子上，使其變?yōu)椤皻漉?，再通過硝酸鹽還原酶（nitrate reductase）將氫醌分子上的氫原子轉(zhuǎn)移給硝酸鹽分子，將硝酸鹽（NO3-）變?yōu)閬喯跛猁}（NO2-），同時生成水。 硝酸鹽失去了1個氧原子，因此是被部分“還原”了。

之所以該反應(yīng)要經(jīng)過醌分子， 是因為醌分子有一種能力，可利用氧化還原反應(yīng)釋放的能量，將氫離子（H+）從細胞膜的一側(cè)轉(zhuǎn)移至另一側(cè)，使氫離子在膜一側(cè)的濃度極大超過另一側(cè)。 氫離子在膜兩側(cè)濃度不一樣的狀況稱為“跨膜氫離子梯度”。它就像水庫大壩兩側(cè)的水位不一樣高， 是儲存能量的一種方式。水庫里面的高水位具有勢能，在通過大壩時勢能被釋放， 驅(qū)動水輪機進而帶動發(fā)電機發(fā)電。同樣，氫離子從濃度高的一側(cè)通過膜流至另一側(cè)時， 也會帶著位于膜上的ATP 合成酶轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的力量可使酶的形狀改變，將ADP（二磷酸腺苷）和磷酸分子“捏合”到一起，形成ATP 分子。 ATP（adenosine triphosphate，即三磷酸腺苷）是腺苷分子上再連上3 個磷酸根而成。 由于磷酸根是帶負電的，彼此排斥，將3 個磷酸根強行“捏”在一起，就像是將彈簧壓縮，一旦有機會（即釋放出磷酸根時）就會釋放能量。 因此ATP 是細胞中的“高能分子”，能為細胞中各種需要能量的生命過程提供能量。 原核生物利用氧化還原反應(yīng)釋放能量的方式， 就是先將這些能量以跨膜氫離子梯度的形式儲存起來， 再將跨膜氫離子梯度儲存的能量轉(zhuǎn)化為ATP 分子中的能量。

醌分子是如何將氧化還原反應(yīng)釋放的能量轉(zhuǎn)化為跨膜氫離子梯度的？ 這與醌分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有關(guān)。醌分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)較為簡單，即一個能進行氧化還原反應(yīng)的“頭部”連上一條長“尾巴”（圖1）。這條“尾巴”只含有碳原子和氫原子，是高度親脂的，它使醌分子能“溶解”在細胞膜的油性內(nèi)層中并在膜內(nèi)“游動”，使其“頭部”可接近細胞膜的任何一側(cè)。

醌分子的“頭部”是一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)（化學(xué)名稱叫“苯環(huán)”），上面連有2 個“羥基”（-OH，“羥”是化學(xué)家造的字，就是“氫加氧”組成的基團的意思）而成。 這2 個羥基可以各失去1 個氫原子，變成2個“羰基”（C=O，“羰”也是化學(xué)家造的字，讀音“湯”，意思是“碳加氧”形成的基團，這里的C 表示環(huán)上的碳原子）。 羰基得到氫原子， 又可以變回羥基， 因此醌分子可反復(fù)得到和失去2 個氫原子，可作為氫原子的“轉(zhuǎn)運站”。醌分子中的氧原子以羰基形式存在時，是失去氫原子的，處于被“氧化”的狀態(tài)，叫做醌（quinone，簡稱為Q）；醌分子中的氧原子以羥基的形式存在時，是得到氫原子的，處于被“還原”的狀態(tài)，叫做氫醌（quinol，簡稱QH2）。

圖1 醌分子的結(jié)構(gòu)

要建立跨膜氫離子梯度， 首先需要一種氫離子無法直接通過的膜，就像水庫的壩。這應(yīng)該不是問題，因為最初的生命就是以細胞的形式出現(xiàn)的，細胞膜將細胞的內(nèi)容物與環(huán)境分開， 以免組成生命的化學(xué)系統(tǒng)被水稀釋。 細胞膜是磷脂組成的雙層膜，中間有約2.5 nm 厚的“油”層，主要由磷脂分子上脂肪酸的碳氫鏈“尾巴”組成。 這個油質(zhì)層對于各種帶電的離子，包括氫離子、鈉離子、氯離子，都是不通透的。這些離子要通過細胞膜必須通過膜上由蛋白質(zhì)組成的通道， 而通道的開關(guān)是受控制的，就像水壩的出水口是可以關(guān)閉的，所以細胞膜就可以起到“水壩”的作用。 有了不透氫離子的細胞膜，再有了“溶解”在膜中且能進行氧化還原反應(yīng)的醌分子，轉(zhuǎn)化能量即可進行。

如果氫醌分子是將其上的氫原子以原子的形式直接轉(zhuǎn)移給硝酸鹽， 則跨膜氫離子梯度無法建立。 但巧妙的是，氫醌被氧化時，其上面的氫原子是分為電子和氫離子這2 個部分而“分開走”的。硝酸鹽還原酶先脫去醌分子中氫原子上的電子，將電子傳遞給硝酸鹽， 失去電子的氫原子以氫離子的形式被釋放至溶液中。 得到電子的硝酸鹽再從溶液中得到與電子數(shù)相同的氫離子， 讓電子變回氫原子，與硝酸鹽中的1 個氧原子結(jié)合成為水，硝酸鹽變?yōu)閬喯跛猁}， 總的結(jié)果就好像是氫原子被直接轉(zhuǎn)移一樣。 但實際上，原核生物就“鉆”了電子和氫離子分開走這個“空子”，將氫離子的釋放和結(jié)合安排在膜的兩側(cè)， 就可實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化和氫離子的跨膜轉(zhuǎn)移（圖2 右）。

圖2 氫氣被硝酸鹽氧化時釋放的能量被用于建立跨膜氫離子梯度

氫醌在被硝酸鹽氧化時， 硝酸鹽還原酶上氧化氫醌的地方接近細胞膜的外表面， 因而氫離子也被釋放至細胞膜外。 細胞膜外本來就有高濃度的氫離子，由于氫離子是帶正電的，細胞膜外的溶液也因此帶有正電， 所以在細胞膜外側(cè)釋放帶正電的氫離子在能量上是不利的， 因為帶正電的氫離子會被細胞膜外的正電所排斥。 但是電子從氫醌進入硝酸鹽還原酶上的氧化還原中心， 能量是降低的。 這個釋放的能量就可“拉動”氫醌在細胞膜的外側(cè)釋放氫離子，這就是能量轉(zhuǎn)化的過程。

硝酸鹽分子從硝酸鹽還原酶得到電子后，還需要同樣數(shù)量的氫離子才能將電子變回氫原子。由于該反應(yīng)是在酶伸到細胞質(zhì)內(nèi)進行的， 氫離子也是從細胞質(zhì)內(nèi)取得。 該反應(yīng)在能量上也是不利的， 因為要從帶負電的環(huán)境中再拿走帶正電的氫離子。 但硝酸鹽被還原時釋放的能量也足以驅(qū)動該反應(yīng)。這樣，氫醌被氧化時在細胞膜外釋放2 個氫離子， 硝酸鹽被還原時在細胞膜內(nèi)拿走2 個氫離子， 總的效果就相當(dāng)于2 個氫離子被轉(zhuǎn)移到細胞膜外， 氫醌被氧化時釋放的能量就以跨膜氫離子梯度的形式被儲存。

利用醌分子的氧化還原反應(yīng)中電子和氫離子分開走的特點，建立跨膜氫離子梯度，實現(xiàn)氧化還原反應(yīng)釋放的能量的轉(zhuǎn)化和儲存， 為細胞的生理活動所用，這是原核生物的偉大發(fā)明。自從幾十億年前由原核生物發(fā)明以來，所有生物，包括人類，都仍然在使用這種方法建立跨膜氫離子梯度以儲存能量。 由于原核生物中的細菌（Bacteria）和古菌（Archaea）都含有醌，也都使用這種方式建立跨膜氫離子梯度， 醌分子的合成及在能量轉(zhuǎn)化和儲存中的使用， 一定出現(xiàn)在原核生物分化為細菌和古菌之前，也就是在原核生物的共同祖先中，那就是最早的細胞生命。

也許在醌分子出現(xiàn)之前， 原核生物就開始將跨膜氫離子梯度作為能量的一種來源。 一種生命起源的學(xué)說就認為， 最初的生命是在海底熱泉處產(chǎn)生的。 熱泉噴出的帶堿性的水和帶酸性的海水之間如果有膜狀結(jié)構(gòu)相隔， 就會形成跨膜氫離子梯度，可以為最初的生命所利用。一旦這種儲存能量的方式被建立，就一直為細胞所使用，而醌分子的出現(xiàn)使得細胞能主動將氧化還原反應(yīng)釋放的能量以跨膜氫離子梯度的形式儲存起來。

正是由于醌分子有轉(zhuǎn)化能量的能力， 所以氧化還原反應(yīng)中的電子傳遞鏈都是以醌分子為核心樞紐的： 醌分子從各種能提供氫原子的分子收集氫原子，變?yōu)闅漉瑲漉賹湓印胺峙洹苯o各種氧化物。從各種分子中脫下氫原子，并將氫原子交給醌分子的酶稱為“脫氫酶”（dehydrogenase）；氧化氫醌，將氫原子交給氧化物的酶就稱為“氧化酶”（oxidase，如果最終氫原子受體是氧，例如氫醌氧化酶），或者某分子的“還原酶”（reductase，如果最終氫原子受體不是氧，例如硝酸鹽還原酶）。 原核生物要適應(yīng)環(huán)境，往往利用多種還原物，也利用多種氧化物，以增加自己生存的機會。例如大腸桿菌（Escherichia coli）的電子傳遞鏈就使用了15 種脫氫酶、10 種氧化酶或還原酶。 人也有類似的電子傳遞鏈，也以醌分子為電子傳遞鏈的核心樞紐。

不僅如此， 醌分子在能量轉(zhuǎn)化和儲存中的巧妙機制還被光合作用所利用， 成為光合作用中轉(zhuǎn)化太陽光能量的關(guān)鍵機制（見下文）。 因此，醌分子在轉(zhuǎn)化和利用氧化還原反應(yīng)釋放能量的過程中，以及轉(zhuǎn)化儲存太陽光能量的過程中，都起到關(guān)鍵作用，是所有細胞生物，包括細菌、古菌、真菌、動物和植物都使用的重要分子。市面上賣的“輔酶Q”或者“Q10”，其實就是醌分子，使人們可通過口服的方式補充細胞中的醌分子。相反，降低血液中膽固醇水平的“他汀”（statin）類的藥物，在抑制膽固醇合成的同時也抑制醌分子的合成， 使細胞中能量轉(zhuǎn)化的過程受到影響，降低肌肉的功能，甚至造成肌肉疼痛，要靠服用Q10緩解。

醌分子在能量轉(zhuǎn)化和儲存上的作用也有局限性，即氫離子的釋放和接收必須在膜的兩側(cè)。如果釋放和接收氫離子的過程發(fā)生在膜的同一側(cè)，這種機制就不起作用（見圖2 左）。 例如氫酶將氫分子中的氫原子轉(zhuǎn)移到醌分子上時， 氫原子也是分為電子和氫離子分別走的。氫酶從氫氣分子（外來分子）獲得電子的位置在細胞膜外，因此氫離子也被釋放在細胞膜外。 雖然看上去會增加細胞膜外側(cè)氫離子的濃度， 但由于醌分子從氫酶得到電子的地方靠近細胞膜的外側(cè)， 得到電子的醌分子也從細胞膜外的溶液中獲得氫離子變?yōu)闅漉?所以開始時釋放到細胞膜外的氫離子后來又被用掉了，沒有凈的氫離子跨膜運輸。這是一種能量上的浪費， 因為氫原子的氧化還原電位是-0.42 V，而醌的氧化還原電位在0V 左右， 氫分子上的氫原子轉(zhuǎn)移到醌分子上也是要釋放能量的， 但是在這里不能加以利用。 許多脫氫酶由于氧化還原性分子的位置在細胞膜外， 還原醌分子的位置也靠近細胞膜的外側(cè)，所以也有同樣的問題。 為此，原核生物還發(fā)展出了另一種轉(zhuǎn)化和儲存這些能量的方法，即利用電子傳遞所引起的蛋白質(zhì)形狀的變化，直接將氫離子從膜的一側(cè)“泵”到另一側(cè)，即用電子流動驅(qū)動氫離子。

3 用電子流動引起的蛋白形狀變化“泵”氫離子

用電子傳遞過程中蛋白分子形狀的變化，將氫離子從細胞膜的內(nèi)側(cè)“泵”到外側(cè)，是原核生物的另一大發(fā)明。 例如大腸桿菌就有一種氫酶叫Hyd-2，它含有4 個蛋白亞基，其中O 亞基和C 亞基彼此結(jié)合位于膜外，與氫分子反應(yīng)。A 亞基連接OC 和位于膜內(nèi)的B 亞基（圖2 左）。A 亞基含有4個轉(zhuǎn)移電子的鐵硫中心， 負責(zé)將電子傳遞到醌分子上，而B 亞基不含有任何電子轉(zhuǎn)移中心。 實驗表明，位于膜內(nèi)且不含電子轉(zhuǎn)移中心的B 亞基具有“泵”氫離子的功能。 電子通過A 亞基時引起的蛋白形狀變化帶動B 亞基的形狀變化，該形狀變化改變了蛋白質(zhì)分子中不同氨基酸側(cè)鏈結(jié)合氫離子的強度， 使得B 亞基可將氫離子從膜的一側(cè)“泵”到另一側(cè)。 許多（不是所有）脫氫酶都有此功能， 使各種還原性分子在還原醌分子時釋放的能量也能被生物所利用。

同樣， 氫醌被外來氧氣氧化時放出的能量很多，也需要將其盡量儲存。 氧的氧化還原電位為+0.82 V， 比硝酸鹽的+0.42 V 高近一倍， 用同樣的醌機制轉(zhuǎn)移氫離子，會造成很大的能量浪費。為避免這種浪費， 生物將氫醌氧化的過程分為兩大步，由膜上的2 個蛋白復(fù)合物分別催化。第1 步，用“細胞色素bc1復(fù)合物”（cytochrome bc1complex）氧化氫醌，將電子傳遞給“細胞色素c”。 這一步能量轉(zhuǎn)化的機制仍然是氫醌氧化時轉(zhuǎn)移氫離子。 第2步，用細胞色素c 還原氧分子，能量轉(zhuǎn)化過程就不是通過醌分子（這里也沒有醌分子的參與），而是通過蛋白復(fù)合物形狀的變化“泵”氫離子。 催化該反應(yīng)的蛋白復(fù)合物稱為“細胞色素c 氧化酶”（cytochrome c oxidase）。 這樣， 氫醌被外來氧氣氧化時所釋放的能量，由2 個蛋白復(fù)合物分段轉(zhuǎn)化，用不同的機制建立跨膜氫離子梯度， 效率比單一的酶提高很多。

更重要的是，細胞色素bc1復(fù)合物，還與醌分子一起，成為光合作用電子傳遞鏈中的重要組成部分。但至此，只介紹了醌分子的構(gòu)造和作用，還沒有介紹還原和氧化醌的蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)，在光合作用中，光驅(qū)動電子還原醌分子的蛋白質(zhì)也有類似的結(jié)構(gòu)。 為了更好地了解光合作用的分子機制，有必要先介紹傳遞電子的蛋白復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。

（待續(xù)）