(转帖) 曼斯·雷德：二十世纪最“反直觉”的伟大生物学发现：化学渗透

简评：这是发表在科学松鼠会网站的一篇非常精彩的科普文章，我对原文有所删节。原文中夹杂了一些作者对基督教原教旨主义者的攻击，其实这大可不比。基督徒可以从中看见神的智慧大能，无神论者（或可称之为科学教徒）也可以看见大自然的鬼斧神工，其实并不矛盾。信神好像吃苹果，一定要咬过之后，才能体会它的甘甜。我可以尽情描述苹果的色香味，但只有肯尝试的人，才能真正的体会那一份的甜美。反之，没有尝过苹果的人可以反复论证苹果是不可能好吃的，可是对尝过的人来讲，就显得苍白无力，甚至有些滑稽可笑了。好，言归正传，请欣赏正文。

二十世纪能量生物学的中心问题就是细胞能量代谢的化学本质。或者说有氧呼吸作用的化学本质和细节。直觉引导着生物学家们从两个方向出发，向中央逼近这个课题，来试图完成拼图。就像从两端开始拼成一座大桥。截止到五十年代，大桥好像已经逼近了接龙点。已经取得了如下的成果：

有氧呼吸的本质和有氧燃烧并无不同，都是氧化-还原反应。有氧呼吸的氧化剂是氧气（O2），还原剂可以简化认为是葡萄糖（C6H12O6）。

不像自然失控的普通有氧燃烧，有氧呼吸在细胞中是一步步精确控制的。而且涉及一系列复杂的生物催化剂。

有氧呼吸的场所是细胞中的线粒体。线粒体内膜上镶嵌着一系列的微型催化工厂：细胞色素酶蛋白质综合体。在这些不同的催化工厂，一个个电子被从糖类上剥离，中间产物分子逐步传递，同时释放化学势能，而氧得到这些电子并结合糖中的氢原子，逐步生成水。

所有生物细胞中通用的能量货币是三磷酸腺苷（ATP）。它是一种高能形式的分子。对应的低能形式是ADP。

所有耗能的生命活动都在消耗ATP，把它们转变为ADP（以及失去一个磷酸基团：Pi），并利用转变放出的能量。因此，有氧呼吸的作用就是这些活动的反过程：制造能量，用来把低能的ADP转变为高能的ATP。

制造ATP的场所在ATPase，另一种镶嵌在线粒体内膜上的蛋白质综合体。这些微型催化工厂消耗ADP，释放出ATP。而且，在某些情况下，这些工厂也能反向工作，即消耗ATP制造ADP。

请注意，以上的成果我分成了两组。因为中间还缺乏一个步骤，细胞色素酶和ATPase是不同的蛋白质综合体，它们在线粒体内膜上的分布，物理上是互相隔绝的。而所谓化学反应，在分子层面上是100%需要物理接触的。那么，能量是如何从细胞色素酶传送到ATPase上的呢？这就是所谓接龙点。

【线粒体，图片出处：http://www.blueanimalbio.com】

前一组是分子生物化学，后一组也是分子生物化学，中间还缺乏一个链条。你的直觉是什么？当然还是分子生物化学。我们需要找到一种媒介分子，从细胞色素酶工厂的氧化还原反应中产生，在ATPase工厂中消耗，携带一个高能状态的化学键。暂且把它叫做媒介分子X。 四五十年代的能量生物学界弥漫着乐观情绪，大厦只差一步就能建成，科学家和研究小组之间展开了寻找X分子的竞赛。然而，足足找了20年，提出的候选分子不下十几种，一个个都被研究和实验否定了。在寻找的过程中，随着对整个过程细节研究越来越深入，一系列看起来很琐碎，但是莫名其妙让人不安的问题冒了出来： 

我们已经知道了ATP和ADP是能量通用货币的正负两种形式。在化学上，一个不言自明的直觉理解是高能状态不稳定，低能状态稳定，所谓“水往低处流”。如果把纯粹的ATP放在生物体外的溶液中，它们就会很自然地迅速转化成ADP，并释放热能。然而在生物细胞中，ATP和ADP的比例通常都是非常高能化的，ATP占了90%以上。这种全局的高能状态，需要持续的能量供应来维持。细胞中有氧呼吸的强度（用糖和氧的消耗速度来测量）变化很大，有时候相当衰弱。然而不管有氧呼吸的强度怎样，ATP的比例都维持在稳定的高位。这就像一块巨石悬在墙头，不管你用不用力撑着，它偏不掉下来。在化学的视野中，这是不可理喻的场景，然而又找不到是什么东西在支撑着它。 
ATP的产出和葡萄糖的消耗，这个反应方程式，在实际测量中居然配不平。学过中学化学的，都应该知道什么叫配平反应式。几分子的A和几分子的B反应，生成几分子的C。一旦配平，比例就是固定的。这是“数学”，所有科学的基础真理。然而测量表明，一分子的葡萄糖被完全氧化，生产28-38个ATP分子，之间任何数字都有可能，但大多数时候接近下限。在化学反应方程式中，什么叫28-38？配平需要的是整数！这又是不可理喻的反化学场景。测量实验反反复复地做，结果一直都是那样。 

化学反应的能量和物质是守恒的，也就是说，反应式链条确立之后，前面的反应发生，后面的反应就该受驱动同时发生。前面氧化消耗葡萄糖，后面就该驱动生成ATP。这在化学术语中叫做coupling，或者偶联。消耗葡萄糖的过程和生成ATP的过程是偶联的（先忽略前面提到的配不平问题）。然而一些特殊的化学物质，可能扰乱偶联的稳定，这叫做“解偶” （uncoupling）。有氧呼吸的解偶是普遍存在的，在有些物质参与时，氧化葡萄糖的过程完全正常进行，ATP生产完全停顿。就像皮带轮系统断掉了皮带，前面的轮子空转，后面的不理睬。在化学上，这是可以接受的。因为解偶物质总是有一种化学性质，能够扰乱连续反应中的一个环节（比如说，如果有X媒介分子，某种解耦物质倾向于和X分子结合使其失去浓度，破坏了能量传递，当然就能解偶。）但是现在的问题在于，实验证明能解偶有氧呼吸的物质，如水杨酸（阿司匹林），白喉霉素，摇头丸，化学组成和化学性质五花八门，简直找不到一个共同点。

在寻找X分子失败的过程中，生物学家们对解偶物质寄予厚望，因为一旦发现了解偶物质的共同化学性质，多半就能推导出X分子到底是什么--因为这是大桥上唯一不为人知的部分。然而现实是，解偶物质发现得越多，就越找不到化学共同点。 
天才的美国物理学家、科普作家费因曼，曾经对物理学中的某些困境有一个令人发笑的描述：“如果你还没有彻底被搞昏，只能证明你不懂这个领域。”在五十年代末，对有氧呼吸的研究和X分子的身份之谜，就完全是这样的场景。越是研究得透彻，理论和现实就越是自相矛盾，不可理喻。每一种假说都有不可治愈的痛脚，每位前沿研究者都不知道到底是哪里出了问题。乐观已经被混乱取代。 

化学渗透的发现者彼得·米切尔从里到外都散发着离经叛道的天才气息。这个家伙家财万贯（他的叔父拥有一个建筑业集团公司），在英国二战后的困顿年月开着劳斯莱斯招摇过市。后来当他因为化学渗透的论战几乎被踢出学界时，干脆自己出钱建了一个研究所继续战斗。他在二战中由于身体原因没有服役，而当时英国能量生物学的权威克林（细胞色素酶的发现者）私下对别人说：“英国最好的科学头脑躲过了子弹”。要知道，当时米切尔才二十多岁，研究方向不是细胞能量学，而只是涉及细菌的生物学，跟克林的方向（也就是研究有氧呼吸原理）差得很远。而且他读博士读了七年才拿到学位，因为他的论文审查人多次认为他的论文都是胡说八道。同样是克林向别人解释：“米切尔的独创性对这些学者来说太多了。”米切尔伶牙俐齿，态度粗暴，披着一头效仿青年贝多芬的长发，弹得一手好钢琴，而且和贝多芬一样很早就聋掉一只耳朵，让他跟人争吵的音量变得特别的大。一般古板的学者很难喜欢这样一个人。克林在早期的慧眼只能解释为天才识天才。 在能量生物学界因为种种化学上的不可调和而苦恼时，米切尔却从一个意想不到的方向：经典细胞生理学，接近了这个问题。 

他早期的研究课题是细菌，特别是细菌的主动运输，即穿过细菌的细胞膜，营养物质和废物在受控状态下进出。我们知道在孤立的情况下，物质的渗透总是从高浓度向低浓度的方向进行，而细菌的细胞膜是脂质的半透膜，水溶性物质被阻挡，但膜上有各种特化的蛋白质通道，选择特定的物质允许进出，其严格的对应性好比特定的生物酶对应特定的催化对象。半透膜的特性加上细菌消耗能量的主动运输（当时是如何消耗能量的还完全不知道），使得细菌可以逆着浓度运输物质，比如把营养物质从低浓度的外界环境运进高浓度的内部。对于细菌主动运输的研究，使得米切尔对生物膜导致的化学物质浓度聚集有了特别的敏感性。把细菌的主动运输过程倒过来看，如果逆浓度运输耗能，那么逆浓度运输造成的浓度聚集本身就是一种势能，好比你把石头推上坡花了力气，坡上的石头也就有了势能，随时可以滚下来释放能量。这就是米切尔的突破点。 

1961年米切尔在爱丁堡发表的论文，充满自己生造的词汇，类似玄学的逻辑讨论和无证据的猜测。首先，他运用福尔摩斯式的逻辑：“当排除了其他所有可能的答案，那么剩下的可能性，不管看起来有多么不可能，都是正确的答案。”。X媒介分子的寻找，化学上每一块石头都翻起来看过了，既然还没有找到，那么答案是什么？X分子不存在。那么化学上的两套反应是如何接触的呢？能量是怎么从细胞色素氧化工厂传递到ATPase呢？米切尔说，那不是分子遇上分子的化学，那是化学渗透（chemiosmosis）。这是一个他生造的词，含有两个词根：chem（化学）和osmosis（渗透），其实这个过程的实质既不化学，也不渗透。它的含义如下： 

葡萄糖在细胞色素酶工厂中逐步氧化。这些蛋白综合体微型工厂，都镶嵌在线粒体内膜上，实质上是一些通向膜外的蛋白质孔道。它们没有合成什么高能的中介分子，作用不过是像一些泵，把细胞内的氢离子（H+，也就是质子）泵到膜外去了。这个过程需要耗费氧化葡萄糖放出的能量，因为我们下面就会看到，线粒体内膜的外部聚集着高浓度的质子。这是一个逆浓度运输。

由于这些质子泵的工作，大量质子被泵出去，又被限制在线粒体内膜和外膜之间的狭窄区域里，于是形成了一层薄薄的H+聚集区。H+的浓度，化学上有个很简单的量度，就是PH值，即酸性。因此内外膜之间的区域就形成了一个质子“水库”，具有酸性和正电荷。

线粒体内膜就像是水坝。它也是脂质膜，对于水溶性的质子来说是不通透的，因此外部质子浓度虽高，但不能自然渗透进来。记住我们前面的结论：逆浓度运输造成的浓度聚集本身就是一种势能。
ATPase就是泄洪道。它也是镶嵌在线粒体内膜上的蛋白质综合体，也是内外相通，但受控的蛋白质孔道。它利用的不是什么神秘的X分子，而是质子的回流。质子浓度势能的释放放出能量，这些能量就被用来生产ATP。

对于那些毕生浸淫在经典生物化学，不太熟悉生物膜动力的能量生物学家来说，这简直是玄而又玄的天书，没有比这更奇怪的场景了。不去使用一个简单的中介分子完成化学链路，而是转了这么多的弯，使用这么诡异的机理。再加上米切尔生造了大量的词汇来描述他的理论（比如米切尔把“质子水库”的酸度和电势能合起来叫做proton motive-force，“质子动力”，认为这是一种基本驱动力。听起来真像某种民科发明的词汇），整个文章写得既玄秘又武断。而且，他没有什么实验证据来支撑他的学说，基本上全是假设、推理，或者干脆忽略那些暂时解释不了的障碍。所有这些原因，使得米切尔的论文在1961年的能量生物学界受到的待遇，差到不能再差：有些人读完第一页就扔一边。有些人认为“他终于疯了”，有些人开口就骂，认为他不尊重整个学界前人的辛苦工作。或者“不做实验，不是化学家，偏要谈化学问题。”当时的两个权威：美国的Racker和瑞典的Slater，都是很优秀的学者，一开始还不像其他人那样对待他，试图去发现米切尔到底要说什么。但Racker在讨论中完全被米切尔的外星词汇搅昏，最终放弃了讨论。而Slater和米切尔的争辩火爆升级，在一个研讨会上，Slater被米切尔尖酸刻薄的口才气得“在走廊上乱跳，白色的胡子上下飞舞”。

米切尔成了英国科学界的笑料，1963年因为“脾气大造成的胃溃疡”退出了爱丁堡大学（其实是学校当局劝退他免得丢人），回到他的乡间别墅去养病。他花了两年时间舔伤口，顺便把乡间别墅翻修成了“音乐怪人”的巢穴，找到了一个相信他，而且有很强生物化学实验能力的女助手Moyle，在1965年卷土重来，成立了自己的研究所，一定要和整个能量生物学界斗到底。

在1961年米切尔抛出他的重磅炸弹时，他确实没有什么实验基础，这也是大多数学者本能上不接受他最主要的原因。然而这个独辟蹊径，自己宣示一个新体系的假说，却是建立在米切尔对已知科学事实和实验结果深入分析的基础上。透过他奇特的视角和迷雾一样的语言，越来越多的人认识到，米切尔的化学渗透假说像一块奇形怪状，但是边边角角都恰好合适的拼图板，解释了有氧呼吸研究中众多的不解之谜：

首先就是膜。原核细胞生物（细菌和古菌）都有脂质细胞膜。而真核细胞生物中，线粒体有氧呼吸制造ATP，叶绿体的光合作用也制造ATP，这些跟能量相关的细胞器也都有脂质膜。在以往的研究中，生物膜被当做是仅仅结构上的东西，没有人从功能上意识到它的重要性，化学渗透学说解释了为什么ATP的制造场所无一例外都有生物膜。因为化学渗透的全部动力就来自于这个“水坝”制造的浓度隔离。

氧化场所和ATPase物理隔绝的问题也迎刃而解。因为化学渗透的能量传递过程就像你在一处用抽水机蓄水，而在另一处用泄洪道发电，整个水库（整个线粒体内外膜之间）环绕着所有的设备。这时候你的设备在哪里当然无所谓了。
ATP异常的高比例问题也是这样轻易解决。只要线粒体内膜外积聚着足够浓度的质子库，ATPase就能持续把ADP转变成ATP，保持ATP在细胞内的高浓度。而这时候氧化强度怎样是无关痛痒的。水库蓄够了水，哪怕抽水机停上一阵，发电也在持续进行。
葡萄糖氧化量和ATP制造量配不平的问题，在这个场景下也不成其为问题。因为这样看来，制造ATP的数量根本不是受实时的氧化量控制的（实际上是受细胞能量需要控制，由其他来自外部的化学信号调节的）。就像发多少电是受电网需求控制的，跟实时的抽水量没有严格对应关系。只有长期、大体上的宏观比例，这就是28-38这个含糊数字的含义。

最精彩的是这个假说一下子就解决了众多解偶物质的共性。答案对化学家们来说真是郁闷，因为实在是太简单了。以往寻找共性的时候，化学家们总是在找它们的反应特性，完全没想到这些东西都有两个最简单，在高分子的生物化学中根本“不值得”考虑的属性：它们都是脂溶性的弱酸。弱酸的特点是两性化：在酸性较大的环境中表现为“碱”，跟氢离子（也就是质子）结合。在中性或碱性环境中恢复酸的本性，释放氢离子。脂溶性使得它们能够自由穿越脂质生物膜，在线粒体外表的酸性水库中拽住质子，穿越回来回到内部又释放质子。而且它们受到内外酸碱度差和电位差的往复压力，会不停地做这种来回运动。这些解偶物质就像偷渡船，把细胞色素工厂辛辛苦苦泵出去的质子又都给运了回来，只要它们达到一定浓度，外部的“水库”就被放得失去了足够势能，ATP制造当然停滞了。一个千疮百孔的大坝是蓄不了水，发不了电的。

【线粒体有氧呼吸-化学渗透反应链路】

一个健康有力的科学假说，不但需要解释已经存在的疑问，而且通常都能做出一些具体、可验证的预言，描述尚未发现的现象，去引导实验科学家加以证实。1965年以后，米切尔本人和他的助手Moyle当然在做实验，其他一些脑子逐渐被米切尔的喋喋不休掰过来的科学家也加入了实验行列，其中包括一些米切尔以前论战得最苦涩的论敌，比如Racker。

60年代末，米切尔和Moyle首先实验证实了他自己的预言：线粒体内外膜之间不但有明确的酸性浓度梯度，和膜内还有150毫伏的电位差。不要小看这150毫伏，因为它的距离间隔仅仅是5纳米的线粒体内膜。等比例换算的话这个强度大概和大气闪电的强度差不多，比家用电高1000倍，堪称自然界强度最高的电势能场。

Racker跟着做了一个精巧的实验，他把细胞色素氧蛋白综合体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。这个实验的含义是排除了有氧呼吸的消耗段：ATPase，以及ATPase自己和其他所有细胞环境循环影响质子浓度的可能性，单纯检测供应段。结果是完全符合化学渗透假说的前半段。在此之前，没人相信已经研究得十分透彻的葡萄糖氧化过程真的是“质子泵”。Racker的皈依影响了学界大量的人，风向开始转变了。

在这个阶段米切尔的促狭鬼性格开始作怪：他公开建立了一个表格，表格上记录他以前每一个批评者“皈依”的日期，Racker大人荣登榜首。其他还没归顺的学者一个个先列出来，日期留白。

下一个实验突破是瑞典的雅根多夫，他不是能量生物学家，而是植物学家。在一个科学会议上，他偶尔听到米切尔跟人论战，当时的感受是米切尔态度恶劣而且说的都是胡话---然而是他自己可以证伪的胡话，因为米切尔不但认为线粒体符合他的假说，还说叶绿体中光合作用制造ATP的机理也是同样的。对米切尔强烈的反感促使雅根多夫和他的美国同事设计了一个实验：把叶绿体膜分离出来，排除其他一切细胞环境和叶绿体内部结构，在简单的人造环境溶液中加以测试。首先用PH=8的弱碱性平衡内外酸碱度，然后加入酸液把外部PH调整到4。这相当于把米切尔的假说还原到最简结构。结果是，叶绿体膜内马上产生了大量ATP。当时雅根多夫简直不相信自己的眼睛。后来他发表自己的实验数据后，主动申请加入“归顺榜”。

越来越多的实验结果，一项项填补的细节空白，逐渐把化学渗透假说从丑小鸭变成了羽翼丰满的大怪物。进入70年代之后，能量生物学界已经全面倒戈，化学渗透成了整个有氧呼吸研究的新范式，建立在它基础上的新研究、新突破方向也爆炸性地出现了。比如美国女生物学家Lynn Margulis在1971年发表的轰动论文，证明了所有生物的线粒体前身是远古的细菌，与真核生物细胞之间是共生关系。这个成果的基础，就是线粒体有氧呼吸和细菌的基本能量代谢完全使用相同的质子泵-生物膜驱动模式（下一节会详细介绍细菌的问题）。米切尔本人独得了1978年的诺贝尔化学奖。1961年到1978年，17年时间就从“门外汉”的状态登上了荣誉和成就的顶峰，这在诺贝尔奖的历史上是罕见的。物理、化学和生物学这三个奖项，大多顶尖科学家在做出自己最显赫的贡献后30-40年才能获诺贝尔奖。更不要说很多人终身无望。

这样的殊荣，加上米切尔嚣张的气焰，再加上获得化学奖的“化学渗透”理论是这样一个介乎化学、物理、生物三个领域之间，出乎所有人想象之外的怪异机制，使得学界的很多人大吐酸葡萄。米切尔在领奖致辞中这样感谢他们：

“马克斯.普朗克（著名物理学家）曾经说过，一个新的科学理论不是靠使权威反对者信服来取得胜利的，而是靠这些权威反对者逐渐死掉。这是非常悲观但也非常现实的箴言。我最大的成就是证明了普朗克也有说错的时候。”

1997年的诺贝尔化学奖得主沃克，他的主要成就是利用新发展的衍射晶体学技术测定了ATPase的原子级别精细结构。而这个成果，实际上是给20年前米切尔理论的登基进行了迟来的加冕。沃克昭示的ATPase精细结构，简直是一部鬼斧神工的蛋白质机器。我们在这部分最后来欣赏一下大自然炫目的工程杰作。

ATPase是一个蛋白质复合酶，微小到在一般电子显微镜下也只是隐约可见，像蘑菇一样星星点点地点缀在线粒体内膜上。它是由很多个微小的、运动的蛋白质部件构成的，各部件大体上呈同心圆环状排列。结构上，ATPase分成两个部分，一个是蛋白质排列拼合成的孔道，这个孔道直接从膜内穿透到膜外。孔道的内端是另一个部件：一个轴样的旋转头。这个旋转头像钟表里的齿轮一样，有三个固定刻度。每个刻度之间角度相差120度。外部的高浓度质子“水库”产生的势能促使质子从孔道内滑落，大致每三个质子的滑落的能量会让旋转头转过120度，即一个刻度，10个质子穿过完成一个循环。这个蛋白质旋转头每次转动一个刻度，它的分子张力都让跟它接触的ATP、ADP分子化学键生成或者打破。第一个刻度处结合ADP分子，第二个刻度处俘获一个磷酸基团(Pi)并把它附着到ADP上，变成ATP，在生成这个化学键的同时锁定了能量（来自质子的滑落）。第三个刻度处打破结合键释放ATP分子。

【上面这个链接是精美的ATPase 精细结构动态图（下部模糊部分是线粒体内膜，H+从下方涌入），你可以看见整个机械的旋转，上部转子部分在每120度处蛋白结构形状和张力改变，ADP和Pi被“吸入”，ATP被释放。每个360度循环制造3个ATP。人体内ATPase的旋转每秒大致150次，每天一个人的全身ATP更新量要超过自己的体重（当然这些分子都是循环使用的）。图片出处：http://www.mrc-mbu.cam.ac.uk/research/atp-synthase】

这是一个自然界最微小的轮轴系统（“关于大自然为什么没发明轮子”的讨论可以休矣），一部细微精巧藐视所有人类技术的纳米机器。自己本身就是一条复杂而高效率的分子生产线。而且这个机器随时可以反向工作，即消耗内环境已有的ATP，把它们分解成ADP和Pi，利用释放的能量把质子泵向膜外（下一节会讨论什么情况下需要反向工作）。最初发现ATPase的时候，实际上发现的是它的后一种工作状态，也因此得名。最初的发现者惊奇的是这个微小的酶工厂好像无所不在，所有真核生物的线粒体和叶绿体内膜，所有细菌的内膜上，都有基本相同的ATPase。当时的发现者说“ATPase的普遍，看起来就像生命的基本粒子”。远远在化学渗透发现之前，他根本没有意识到他说得有多么正确和深刻。