細(xì)胞內(nèi)的微型“水電站”

黃婧怡 胡 薇

(福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 福州 350108)

ATP是細(xì)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(xué)家P.Mitchell用“化學(xué)滲透假說”[1]解釋了生物氧化與ATP合成的偶聯(lián)機(jī)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(xué)世紀(jì)謎團(tuán)

葡萄糖是生物體通用的能量?jī)?chǔ)備，而ATP分子是生物通用的能量貨幣；生命活動(dòng)需要能量時(shí)，首先需要葡萄糖把能量轉(zhuǎn)移給ATP；那么，徹底分解1個(gè)葡萄糖分子能產(chǎn)生多少個(gè)ATP呢？經(jīng)過科學(xué)家大量觀測(cè)和計(jì)算發(fā)現(xiàn)，1個(gè)葡萄糖分子徹底分解，所生產(chǎn)的ATP數(shù)目大概在28個(gè)到38個(gè)之間，從化學(xué)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(jì)生物學(xué)最大的謎團(tuán)。

2 細(xì)胞內(nèi)的“抽水蓄能發(fā)電站”

20世紀(jì)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(xué)反應(yīng)相互隔離，而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的前提是反應(yīng)物之間存在物理接觸。因此，科學(xué)家猜測(cè)，它們之間可能存在某種媒介分子X，但這種猜測(cè)始終沒有獲得實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

揭開謎團(tuán)的是英國生物化學(xué)家P.Mitchell，早年對(duì)細(xì)菌主動(dòng)運(yùn)輸[2]的研究使他對(duì)生物膜導(dǎo)致的化學(xué)物質(zhì)濃度聚集尤為敏感，既然主動(dòng)運(yùn)輸需要耗能，那么，逆濃度梯度運(yùn)輸所致的濃度聚集即可形成一種勢(shì)能，這就是P.Mitchell提出其有關(guān)ATP合成機(jī)理核心觀念的突破口；于是，在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，P.Mitchell于1961年在愛丁堡發(fā)表論文，認(rèn)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(xué)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(jìn)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(shí)，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(xué)電位差(即質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力)，而此質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力包含著上述高能電子在傳遞過程中所釋放的能量；③當(dāng)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(shí)，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(xué)梯度也隨之消失，即質(zhì)子勢(shì)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲(chǔ)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(xué)問題，其原理如同水力發(fā)電，即細(xì)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(fù)責(zé)“抽水蓄能”；然后，開閘與否、開閘時(shí)長(zhǎng)以及發(fā)多少電(即生產(chǎn)多少ATP)由細(xì)胞自主決定，即根據(jù)生命活動(dòng)對(duì)能量的需求量，細(xì)胞自由決定生產(chǎn)ATP的效率；那么，1個(gè)葡萄糖分子能生產(chǎn)幾個(gè)ATP，就不是一個(gè)恒定的數(shù)字；生物學(xué)的世紀(jì)謎團(tuán)，就這么被“抽水蓄能發(fā)電站”模型圓滿的解釋了。對(duì)生物學(xué)家而言，用一個(gè)物理模型解釋生物能量的來源，簡(jiǎn)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(jī)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(dāng)時(shí)的學(xué)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(xué)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(xué)實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

1972年，奧地利科學(xué)家Racker[3]的一個(gè)精巧實(shí)驗(yàn)，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(xì)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(gè)電子傳遞復(fù)合物——細(xì)胞色素酶蛋白復(fù)合物從線粒體中提取出來，放進(jìn)人造的脂質(zhì)膜泡中，測(cè)得膜外仍然能積蓄起質(zhì)子濃度。

1978年，美國科學(xué)家Cohen等[4]以完整的大鼠肝細(xì)胞為實(shí)驗(yàn)材料，用核磁共振的方法直接觀察到細(xì)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(gè)單位；而用解偶聯(lián)劑處理或用氮?dú)獯嫜鯕馇袛嘌醯墓?yīng)，則胞液和線粒體基質(zhì)之間的pH梯度消失；這個(gè)實(shí)驗(yàn)有力證明了線粒體內(nèi)膜就是細(xì)胞內(nèi)的蓄能“大壩”。至此，包括上述實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果[5]，均支持P.Mitchell的“化學(xué)滲透假說”。因此，1978年，P.Mitchell獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，但此時(shí)細(xì)胞內(nèi)的“發(fā)電機(jī)”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(xì)胞中的“發(fā)電機(jī)”——ATP合成酶，并獲得了該蛋白質(zhì)分子的立體結(jié)構(gòu)，這個(gè)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(jī)極其相像，有一個(gè)能轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)頭，旋轉(zhuǎn)頭上有3個(gè)葉片，兩兩之間相隔120度；當(dāng)H+流動(dòng)的時(shí)候，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)，每流過3個(gè)H+，旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)120度，就能產(chǎn)生1個(gè)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(jī)”等結(jié)構(gòu)一一為人們所發(fā)現(xiàn)，ATP合成機(jī)理的“抽水蓄能發(fā)電站”模型也漸漸為科學(xué)共同體所接受。