我们体内的能量“货币”是如何制成的？| 诺奖故事
生命的一生可简单归纳为能量生成和利用的过程，通俗的讲就是挣钱和花钱过程。而腺苷三磷酸（ATP）就是一种生命能量的流通货币，那么这些“货币”如何制成？美国生物化学家保罗·德罗斯·博耶，经过几十年孜孜不倦的钻研参透其中奥秘，并且分享了1997年诺贝尔化学奖。
2018年6月2日，博耶由于呼吸衰竭而在洛杉矶家中去世，距离他的百岁诞辰（今天）不到2个月。
撰文 | 郭晓强
编辑 | 金庄维
能量是一切生命活动的基础，换言之生命的一生可简单归纳为能量生成和利用的过程，通俗的讲就是挣钱和花钱过程。腺苷三磷酸（adenosine triphosphate, ATP）是一种通用性生命能量货币，因此其生成和利用伴随生命终生，重要性不言而喻，而生成又是利用的基础，也就意味着研究ATP生成机制对理解生命奥秘具有十分重要的意义。刚去世不久的近百岁老人、美国生物化学家保罗·德罗斯·博耶（Paul Delos Boyer）（图1）在阐明ATP生成机制方面做出了卓越贡献。
图1. 博耶（1918.7.31—2018.6.2）（图源：washingtonpost.com）
结缘生化
1918年7月31日，博耶出生于美国犹他州中北部的普罗沃市，父亲是一位骨科医生，母亲是一位家庭主妇。博耶拥有一个幸福的童年，父亲不菲的收入和母亲辛苦的操劳使全家可以无忧无虑地生活。爱好旅游的父亲更是经常带着幼小博耶外出，培养了博耶的冒险精神，此外父亲的言传身教给与博耶逻辑、同情、关爱、诚实等能力。然而，这种温馨生活却在博耶少年时被打破。30年代美国经济大萧条为博耶一家带来巨大影响，生活一度陷入困境，但父母乐观向上的精神鼓舞着全家努力度过难关。
博耶十五岁时，深爱他的母亲由于患一种原发性肾上腺功能不足——阿狄森氏病（Addison's disease）而不幸离世，年仅45岁。原本可以治疗这种疾病的肾上腺素由于发现较晚而未能用上，这一懊悔在博耶心里打下坚实烙印。母亲去世也使博耶对生命奥秘产生了极大兴趣，为将来从事生物化学奠定了重要基础。尽管博耶后来回忆，虽然最终从事了生命科学研究，但更多是在理论层面，距离实际应用尚有巨大差距。
高中时代，博耶的成绩一直比较优异，尤其在化学方面更是天赋异禀，被化学老师认定为最优秀学生，这种鼓舞对博耶将来的学业具有重要推动作用。其实，博耶第一次接触化学是圣诞节时收到的特殊礼物——一套简易化学器具。尽管当时尚不知这套器具的应用价值，但它们对博耶将来献身生物化学具有潜移默化的影响。
1935年，博耶考入布赖厄姆·扬大学（Brigham Young University, BYU）。在大学，博耶发现化学和数学特别注重逻辑性，因此更适合自己。临近毕业时，原本想继续深造的博耶由于当时严峻的经济形势而不得不首先考虑工作。博耶为自己的将来设计了多条路线，包括做一名采矿厂的化学家，做一名酒店管理处的程序员，或者子承父业做一名骨科医生等等。然而，博耶在获悉威斯康星大学可提供研究生奖学金后，毅然提出申请并终获成功，从此开启了他的科学旅程。1997年，博耶在接受采访时说：“一个人有时不得不做出自己的决定，并希望这是一个正确的抉择。现在看来我是幸运的，因为所有选择最终证明都是正确的。”
入学前，博耶还遇到一个小小的问题。博耶在一次阑尾切除手术时不幸感染，比较幸运的是，几年前才发现的抗菌药磺胺挽救了他的生命。这进一步强化了他学习生命科学的决心。
酶学新星
1939年，博耶进入威斯康星大学开始研究生学习。威斯康星大学拥有极好的学术氛围，生物化学系尤其卓越。这里汇集了众多生物化学大家，并且他们在维生素、营养学和酶学等领域（这些都是当时研究热点）都拥有极高知名度。因此，博耶得以在知识的海洋中充分汲取着生物化学的营养。
博耶导师是菲里普（Paul Phillips）教授，主要研究营养学，为博耶安排的课题是研究维生素C、维生素E与生殖的关系。此外，菲里普还积极鼓励博耶熟悉代谢和酶的作用。一方面，系里经常邀请酶学巨匠迈耶霍夫（Otto Fritz Meyerhof，1922年诺贝尔生理学或医学奖获得者）、李普曼（Fritz Albert Lipmann，1953年诺贝尔生理学或医学奖获得者）和科里（Carl Ferdinand Cori，1947年诺贝尔生理学或医学奖获得者）等进行学术报告，博耶得以熟悉当时的酶学前沿和热点。另一方面，系里还形成了以酶和新陈代谢为中心的学术小组，经常就相关问题展开热烈的讨论，并时常持续到深夜，极大地拓展和深化了博耶对具体酶的理解和认识。博耶就在这种科研氛围中完成了研究生学业，并为将来从事酶学研究奠定了坚实的基础。
1943年春，博耶从威斯康星大学毕业并获博士学位。由于当时正值第二次世界大战，毕业后的博耶来到加州斯坦福大学，作为研究助理参与一项战时计划，主要研究血浆蛋白。浓缩的血浆白蛋白对战场上休克士兵的治疗具有重要作用，但需高温灭菌后才便于储存和运输。然而，加热过程往往引发白蛋白变性，影响其生理活性。博耶小组成功找到多种减弱甚至消除白蛋白变性的策略，从而为战争做出重要贡献。这项研究的另一重意义则在于，博耶从此更加痴迷蛋白质这种神奇生物分子。
战争结束后，博耶最初打算留在斯坦福大学，但由于该校在生物化学方面基础较为薄弱，他最终选择了具有较好生化基础的明尼苏达大学，开始独立科研生涯。博耶对多个生物化学问题展开了广泛研究，涉及维生素E氧化、巯基与酶活性关系、ATP水解等，但研究焦点在酶（一类重要生物催化剂，可影响化学反应速度，绝大多数为蛋白质）。他的研究前后涉及多达25种酶。
博耶采用化学动力学、同位素示踪和化学分析等当时较为先进的方法，对酶的性质和作用机制展开了广泛研究，并取得一系列重大发现。1955年，博耶还获得一份古根海姆奖学金，从而有机会来到瑞典诺贝尔基金会，与酶学大家特奥雷尔（Hugo Theorell，1955年诺贝尔生理学和医学奖获得者）一起研究乙醇脱氢酶的作用。一系列成就使博耶这颗酶学领域新星冉冉升起，同时也促使博耶决定自我挑战，解决代谢领域最重要、最棘手问题——ATP生成。
能量货币
ATP的故事可以一直追溯到18世纪末。氧气发现人之一、被誉为“现代化学之父”的法国科学家拉瓦锡（Antoine Lavoisier）在研究氧化学性质的过程中发现氧化现象。“化”在一定程度上相当于“加”的概念，因此“氧化”可简单理解为加氧。氧化在日常生活非常普通，比如煤、汽油、液化气的燃烧，该过程较为剧烈，并常伴有发光、发热等现象，是人类生产和生活常用的获能方式。拉瓦锡还提出生物氧化（又称生物燃烧）概念，指的是营养物质（如葡萄糖等）在生物体内加氧同时释放能量的过程。和通常氧化不同，生物氧化反应比较温和，并且需要能量储存。
尽管拉瓦锡提出了生物氧化概念，但要到二十世纪，科学家才真正地全面认识了生物氧化。1930年代，德国生物化学家瓦伯格（Otto Heinrich Warburg，1931年诺贝尔生理学或医学奖获得者）提出氧激活学说，另一位德国生物化学家维兰德（Heinrich Otto Wieland，1927年诺贝尔化学奖获得者）提出氢激活学说。最终匈牙利生物化学家圣乔其（Albert von Szent-Györgyi，1937年诺贝尔生理学或医学奖）将二者实现有机统一，即生物氧化实质就是营养物质（如葡萄糖）的一系列脱氢，氢在载体协助下最终与氧结合生成水，同时释放能量（图2）。
图2. 生物氧化简略图（图片由作者提供）
生物氧化产生的能量一部分以热的形式散失，另一部分则通过磷酸化过程进行储存。磷酸化，顾名思义就是加磷酸（Pi）过程，最初发现于20世纪初。1906年，英国生物化学家哈登（Sir Arthur Harden, 1929年诺贝尔化学奖获得者）首先发现生物化学反应需要磷酸参加，后证明葡萄糖代谢存在磷酸化。1929年，德国化学家罗曼（Karl Lohmann）首先发现ATP这种含有3个磷酸的重要生物分子。1941年，李普曼确定ATP可作为一种通用能量货币。ATP可由ADP（含两个磷酸）再加一个磷酸分子生成，该过程称为磷酸化。丹麦生物化学家卡尔卡（Herman Moritz Kalckar）发现葡萄糖等生物氧化释放的能量部分用于ATP生成，这一过程称为氧化磷酸化。
现在焦点问题是，这一过程如何实现？
美丽失误
1953年，澳大利亚生物化学家斯莱特（Edward Charles Slater）借鉴氧化过程中氢载体特征而提出著名的化学偶联假说，简言之就是氧化产生的能量首先传递给一个含磷酸的高能化合物（图3），然后由该化合物再传递给ATP。该假说逻辑性较好，并易于理解，故此被众多学者所接受，自然也包括博耶。证明该假说成立的关键在于找到那个所谓的高能化合物，然而遗憾的是，多家实验室经过多年尝试都无功而返。
图3. 化学偶联假说简图（图片由作者提供）
博耶实验室也在苦苦寻找。皇天不负有心人，他们最终在1963年发现一种含磷酸的高能化合物，它可以将能量传递给ATP。这一发现引起科学界巨大轰动，很多人都看好，博耶与斯莱特将因此分享诺贝尔奖。然而不久后，剧情出现重大翻转，该化合物尽管与氧化有关，但并不符合化学偶联假说的全部标准，所以重要性大打折扣。在博耶看来，一个原本有实力赢得冠军的运动员最终仅获一枚铜牌，失望之情显而易见。这件事可看作博耶研究生涯中的一次美丽失误，这次受挫也使他开始考虑新的研究思路。顺便一提，斯莱特也是一位长寿老人，他于2016年去世，享年99岁，但该假说至今未被证实。
“印钞”机制
对于ATP生成过程的研究仍在继续。1960年，奥地利生物化学家兰克尔（Efraim Racker）发现了负责催化ATP生成的ATP合酶。该酶分为两部分，一部分锚定在线粒体内膜，由于对寡霉素（oligomycin）敏感而被称为Fo；另一部分位于线粒体基质，含多个亚基，称为F1。两部分功能随后分别被两位科学家阐明。
英国生物学化学家米切尔（Peter Dennis Mitchell）最初也笃信化学偶联假说，但他的状况比博耶更窘迫：根本没找到相关的高能化合物。之后他不得不转换思路，最终提出著名的化学渗透假说。该假说认为，载体上的氢并非直接与氧结合，而是被带到线粒体膜间隙，从而与线粒体基质产生氢的浓度差，形成渗透压。正是这个渗透压驱动氢重回基质，将势能转化为ATP的化学能（图5）。这一假说得到诸多实验支持，米切尔也因此独享1978年诺贝尔化学奖。但该假说还存在一个关键问题未能解决：势能如何转化为ATP的化学能？博耶决定攻克这一难题。
1963年夏，博耶加入加州大学洛杉矶分校化学和生物化学系，并在这里一直工作到退休。开启了探索ATP生成机制新征程的博耶，将目光锁定在ATP合酶F1部分。由于这部分比较复杂，实验研究十分困难，只能获得有限数据和间接证据，因此研究更多依赖博耶的演绎和推理，难度可想而知。博耶的研究如同进入了人生第二重境界：衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴，而这个“伊”就是ATP合酶。
一转眼十余年光景，但博耶对该问题仍毫无头绪，课题几无进展。1972年，当博耶对已有数据进行梳理时，思路豁然开朗，第一次对ATP合酶工作机理有了新认识。直到此时，研究才算得上峰回路转，颇有“蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”之感。
博耶认为ATP合成的关键不是磷酸化（ADP与磷酸的结合），而是ATP释放。天然状态下，ATP合酶将ATP紧紧抓牢，这种状态需要外力破坏，才可使ATP释放，从而为进一步磷酸化产生ATP提供空间。因此，ATP合酶F1部分的构象改变才是ATP生成关键。遗憾的是，这一假说在投稿到《生物化学杂志》后却遭拒绝，理由是证据不足。不过幸运的是，博耶当时已是美国科学院院士，作为一项特权，博耶可未经严格同行评议即在《美国科学院院刊》上发表文章，被同行知悉。
当然，这一假说还比较粗糙，尚需进一步完善和细化。70年代中期，博耶提出ATP合成第二概念——协同催化。博耶认为，ATP合酶F1部分包含三个关键区域，分别负责底物（ADP和磷酸）结合、产物（ATP）生成与ATP释放，三个区域协调运转保障了ATP生成（图4）。
图4. 协同催化学说简图（图源：Boyer PD. Biosci Rep,1998,18(3):97-117.）
然而，现在还存在另一个问题尚未解决，那就是推动三个区域快速运转的外在能量来自何处？博耶在详细了解米切尔化学渗透假说后，于70年代末进一步提出旋转催化假说。该假说认为，膜间隙的氢需要通过Fo部分回流到基质（与氧结合），但产生的能量用于推动F1部分的旋转。借助这种旋转才能最终完成ATP的生成（图5）。
图5. 化学渗透假说和旋转催化假说（图片由作者提供）
80年代，博耶用一系列间接实验证实旋转催化假说的正确性，使得科学界逐渐接受这一假说。更大的突破来自1994年，英国科学家沃克（John Ernest Walker）获得牛心线粒体ATP合酶F1部分的高分辨率结构，直接支持了博耶的假说。
经过20多年努力，博耶假说终获证实。他所勾勒出的ATP生成工作情景如下：线粒体是能量货币ATP的生成车间，线粒体膜间隙的氢通过Fo上氢通道进入基质，可带动ATP合酶的类车轮结构和连接杆转动，就像流动的水带动水轮机转动一样，引起其他部分转动。在这种状况下，ATP合酶的三个构象（分别负责抓住底物ADP和磷酸、合成ATP和释放ATP）交替变换，能量货币ATP就被源源不断制造出来，从而保证每一个生命活动的正常运转（图6）。值得一提的是，这台细胞 “印钞机”效率高达百分之百，也就意味着氧化过程产生的氢势能先转化为旋转动能，再进一步转化为化学能（生成ATP）的过程毫无能量损耗。
图6. 线粒体ATP合酶作用模式图（图源：creation.com）
实至名归
细胞内ATP生成的重要性显而易见，博耶和沃克因此分享1997年诺贝尔化学奖的1/2（另外1/2由发现Na+，K+-ATP酶的丹麦生物化学家斯科获得）。获奖后，博耶捐献出大部分奖金用于支持化学博士后的科研。在发表获奖感言时，博耶提到，社会对基础科学的持续支持才使这项工作得以完成。他还认为自己非常幸运能有机会从事自己感兴趣的科研工作，更为幸运的是自己还最终取得了成功。诚然，幸运是一方面，更重要的还是他几十年来孜孜不倦的钻研。时任加州大学洛杉矶分校校长的卡恩塞尔（Albert Carnesale）称，博耶用了几十年时间来解决细胞内ATP生成这一重大问题。
在加州大学洛杉矶分校，博耶在忙于科研的同时还积极参与学校事务。他负责新建了分子生物学研究所，并于1965年担任首任所长（1965-1983）。此外，博耶还负责筹建了分子生物学新大楼，该大楼于1976年正式启用，目前有30多位员工。大楼于2000年更名为博耶楼以纪念他的贡献。1990年，博耶退休。
2018年6月2日，博耶由于呼吸衰竭而在洛杉矶家中去世，享年99岁，距离他的百岁生日不到2个月时间，原本家人和同事还在积极筹备他的百岁寿辰。去世后，博耶的大脑被捐献给加州大学洛杉矶分校，用于阿尔茨海默病和痴呆症研究，这是他做出的最后一项科学贡献。
参考资料
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文章头图及封面图片来源：towardsoneworld.eu
赛先生
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