二十世纪最“反直觉”的伟大生物学发现：化学渗透（4）
三观正的读者都点赞了
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编者按：看后台留言和浏览数字，估计对这个话题感兴趣的不多。但我依旧固执地要把这个话题说完。为什么要这么执着？也许《生物学思想发展地历史》这本书地前言，能够很好地回答我这个问题。
西方世界的显著变化之一是在过去四百年中科学的稳步兴起。这对人们的世界观以及在实际应用方面—对医学与技术都具有深远影响。起初，由伽利略、笛卡尔、牛顿开始,这种对世界的思维方式是由逻辑学、数学和物理学支配着，象征着所谓的“科学革命”。但是，由1859年出版的《物种起源》迎来的达尔文革命证明了物理学家世界观不够完善。达尔文的进化思想迫使我们对人在生命世界中的地位采取一种现实主义观念。此外，它还促使我们在哲学思想上容纳物理学家的哲学所轻视或缺少的一些概念，诸如变异、多元论、机遇、不确定性、目的性程序、历史信息以及其他。新的生物学世界观为控制事态过程(包括人类历史)各种力量的相互作用提供了一幅全新的画面。
进化生物学比科学的其他任何分支更有力地论证了历史和历史性地贮存的信息的重要性。确实,它使我们认识到，要充分了解科学中的问题,还必须了解有关问题的历史。正是这种领悟促使我来分析进化生物学及相邻学科的思想的历史。
作者关于自己的星星细语：私人教育机构讲师，计算机专业硕士
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Peter Mitchell 接受诺贝尔化学奖
四.思想的凯旋
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。
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