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泵送质子穿过膜似乎就跟DNA一样，是地球生命体的招牌特征。

质子动力，构成了一切生命体生存的基础；而人类从认识到这一点到现在，还不到五十年时间。

第五节 质子动力

在生物能学的领域，米歇尔是半路杀出的程咬金。他因为运动发生的意外而未被征召入伍，大战期间他在剑桥研读生物化学，并在一九四三年开始攻读博士。米歇尔在战争期间是个风云人物，他拥有艺术与创造方面的天赋，以及调皮的幽默感，因而在地方颇负盛名。他是位娴熟的音乐家，并且喜欢留着像年轻时的贝多芬那般的长发。后来，米歇尔也像贝多芬一样失聪了。他有私人收入可以打理自己的仪态，而且他还是乏味的战后期里，少数开得起劳斯莱斯的人；他的叔叔戈弗雷拥有整个温佩建设帝国。米歇尔在这间公司里的股份，帮助他在后来的日子里维持自己的私人实验室——格林研究所。虽然他被认为是名耀眼的年轻科学家，但他花了七年才拿到博士学位，部分原因是因为他必须分心完成一些战时的目标（如制造抗生素），还有一部分的原因是他被要求重新提交论文；他的一名考官曾抱怨「讨论部分看起来很蠢，搬不上台面」。基林对米歇尔的认识较深，他对这件事的评论是：「问题在于米歇尔对考官来说太有独创性了。」

米歇尔的研究和细菌有关，具体来说是细菌如何将特定分子输入或输出细胞，而这常常是发生在违反浓度的状况下。概括说来，米歇尔有兴趣的主题是向量代谢，也就是那些有空间方向性的反应。对米歇尔来说，细菌输送系统的关键，在于细菌细胞的表层细胞膜。它显然不是无生命的物理性屏障，因为所有的活细胞都需要透过这层屏壁，持续进行具选择性的物质交换。至少，食物必须要从细胞外摄取，而废物必须自细胞内移除。细胞膜就像是面半透性的栅栏，限制着分子的出入，并控制他们在细胞内的浓度。米歇尔对主动运输的分子力学深深着迷。他察觉许多膜蛋白对它们所运输的分子具有专一性，就像酶对原料有专一性。还有一点和酶相同的是，当反向的浓度梯度蓄积了足够的能量，主动运输就会陷入停顿。因为试图释放梯度差的力量变强了，就像气球愈饱满时，吹气的动作就会变得愈困难。

米歇尔在剑桥度过了四〇年代到五〇年代前半，五〇后半则在爱丁堡，他的许多想法都是在这段日子里发展出来的。那时，他认为主动运输是生理学的范畴，和活细胞的运作有关。在当时，生理学家和生化学家之间没有什么交集。尽管如此，物质靠主动运输穿透膜的行为，很明显需要有能量输入，于是这使得米歇尔开始细细地思考生物能学（生物化学的一个面向）。他很快发现，如果膜上的泵建立起了膜内外的浓度梯度，那么原则上，这梯度本身就可以被当做一种驱动力。细胞应该可以利用这种力量，就像气球喷出的气体可以让它在屋内飞窜，或像引擎中的蒸气可以推动活塞一样。

这番思考，已经足以让米歇尔在一九六一年的《自然》期刊上，提出一个撼动根本的新假说，当时他仍在爱丁堡。他说，细胞是透过化学渗透偶联进行呼吸作用的，他使用的这个词汇，意思是化学反应可以造就渗透压梯度，反之亦然。渗透是大家从还在念书时就很熟悉的字眼，即使我们可能已经不太记得它是什么意思了。它通常是指水穿过膜，从低浓度的溶液流到浓度较高的溶液。但出人意料是米歇尔的特色，他完全不是这个意思。看到「化学渗透」这个词，我们可能会认为他想表达的是「穿过膜的是化学物质，而不是水」，可是他也不是这个意思。事实上，他用「渗透」这个字，取的是这个字的希腊语原文，意思是「推」。米歇尔说的化学渗透，意思是推挤分子，使它们在违逆浓度梯度的状况下穿过膜——因此这在某种意义上，和一般认知里的「渗透」完全相反，因为我们说的渗透是顺着浓度梯度发生的。根据米歇尔所说，呼吸链的目的就是推挤质子穿过膜，在另一侧形成一个质子水库。膜就是水坝。质子被拦在水坝后方，累积起来的力量，可以一次释出一点，用来催动ATP的形成。

以下是它的运作原理。请回想一下上一章的内容：呼吸链的复合体分散着镶嵌在膜上。进入呼吸传递链的氢原子被拆成质子和电子。电子经过一连串氧化还原反应，像是流经电线的电流一般，通过呼吸链（图7）。米歇尔说，此处释放的能量，根本不会形成高能的化学性中间产物；那个波形符号「～」之所以难以捉摸，是因为它不存在。相反地，电子流动时释放的能量会被用来泵送质子穿透到膜的另一面。呼吸链的四个复合体中，有三个复合体会利用电子流过时释放的能量推挤质子穿过膜。除此之外，质子是无法通过膜的，因此不会发生逆流的情形，于是一座质子水库便建立起来了。质子带有正电，这意味着质子的梯度可以分成电性和浓度两个部分。其中电性的部分造成膜内外的电位差，而浓度的部分则造成pH值或说酸碱度的差异（酸碱度是由质子浓度来定义的），膜外比较酸，膜内比较碱。膜内外的pH值差和电位差，构成了米歇尔口中的「质子驱动力」。正是这股力量推动了ATP的生成。因为ATP是由ATP酶所合成，所以米歇尔推测，ATP酶的「电力」应该来自质子驱动力——水流般的一股质子，顺着梯度，从原本关闭的质子水库流下，米歇尔喜欢将之称为质子电流，或是质子流。

米歇尔的想法被忽略，被敌视，被贬为胡言乱语，还有人说是毒品造成的疯狂表现。之后瑞克曾写道：「考虑到当时学界的主流看法，这些陈述听起来就像小丑的把戏，或是什么先知的末日预言。」这个理论使用的电化学术语措词怪异，甚至神秘，而且运用的概念也是当时大部分的酶学家所不熟悉的。最初只有瑞克，以及阿姆斯特丹的施雷特（也是基林的门生）认真看待它，不过他们仍抱持着开放的怀疑态度；而施雷特很快便失去了耐性。

而米歇尔，这个又优秀，又好辩，又易怒，又浮夸的米歇尔，他本人使得这个状况更加恶化。他总能激怒他的对手。在一次和米歇尔的争论里，有人看到施雷特在盛怒下用单脚跳来跳去，名副其实是「气得跳脚」。这些争执也让米歇尔受尽折磨，他饱受胃溃疡之苦，不得不从爱丁堡大学辞职。之后两年的过渡时期里他暂离科学，利用这段时间修复了一座颓圮的十八世纪庄园，格林大屋，他以这座庄园做为一家人的住处和他私人的研究所，地点接近康沃尔郡的博德明镇。一九六五年他重回研究的前线，做好万全准备，迎接即将到来的战役。而战争果然发生了。之后这长达二十年的猛烈争论，被称为「氧化磷酸化论战」（氧化磷酸化取自呼吸作用中ATP生成的机制）。

图7 呼吸链的简化示意图，和图5相同，不过这里呈现的是中间产物的真面目——质子。电子（e-）流经这条传递链，从复合体Ⅰ一直到复合体IV，每个步骤释放的能量，都伴随着一个质子被丢到膜的另一侧。两者之间的偶联关系造就了膜内外的质子浓度差，质子浓度差可以被看做是酸碱度的差异（酸碱度，或是说pH值，是由质子浓度定义的），也可以当做是种电位差，因为质子带一个正电。质子水库的作用就像是一个位能库，如同真正的水库能用潜藏的位能进行水力发电，顺着浓度梯度流下的质子流也能推动一些机械性任务，以本案为例就是合成ATP。通过ATP酶的质子水流被称为「质子驱动力」，它会让ATP酶上小小的分子马达转动起来，推动ADP和磷酸结合，生成ATP。

质子动力的解释

米歇尔的假说干净利落地解决了长期尾随着旧理论的恼人问题。这个假说解释了为什么一定要有膜，还有膜为什么必须保持完整——膜如果会漏，质子就会少量地慢慢回流，使质子驱动力化为热能消散掉。水坝上要是有洞，就完全没有用处了。

这也解释了那些神秘的解偶联剂是怎么作用的。请回想一下，解偶联剂造成的「解偶联」指的是葡萄糖氧化和ATP生成之间失去联系，就像没有绞链的脚踏——踩踏板输入的能量没有联结到应有的功用上。诸多解偶联剂彼此之间，除了都会将能量的输入和输出端拆开之外，似乎没有任何关联。米歇尔证明它们是有共通点的——它们都是脂溶性的弱酸，可溶于膜脂质内。弱酸会结合或放出质子，端看环境的酸碱性而定，因此，它们可以接送氢离子穿梭膜内外。在碱性或是弱酸性的条件下，它们会失去一个质子，得到一个负电荷。然后它们被电荷吸引，翻身来到膜的另一面——带正电，酸性强那一面。接着，身为一介弱酸，处在强酸条件下使它们重获一个质子，中和掉它们的负电荷，这使它们再度受制于浓度梯度。于是弱酸穿过膜来到比较不酸的一面，在这里失掉质子并再一次受电荷所牵引。解偶联剂不管有没有结合质子都要能溶于膜，否则这样的循环就不可能发生；这条件如此微妙，因而迷惑了先前那些试图找出解释的人。（有些弱酸只有在结合质子的状况下才能溶于脂类，当它们释出质子时就会变得不溶于脂，因此就不能跨回膜的另一面；也有些弱酸是相反的状况。这两者都不会造成呼吸作用的解偶联。）

化学渗透假说甚至解释了更基本的问题，也就是那个「远距离作用」的巫术，看似要靠高能中间产物才能达成，难以捉摸的「～」。质子在某个定点被泵送到膜的另一侧，形成梯度，在膜表面各处造成均匀的作用力，就像水坝后方的水压是取决于水的总体积，而不是抽水机的位置。所以虽然质子是在某一个地方被抽起来，但可以透过膜上任何一处的ATP酶流回去，回流的力量取决于整体的质子压力。换言之，中间产物根本不是化学物质，质子驱动力自己就是中间产物——呼吸作用释放的能量是以质子水库的方式储存起来的。这也解释了为什么ATP生成所需的电子数目可以不是整数。虽然每个电子流过呼吸链时，会有固定数目的质子被抽到膜的另一边，但有些质子会因为渗漏而回流，还有一些会被挪作他用，没有被用来发动ATP酶（这一点我们会在下一节回来讨论）。

或许最重要的是，化学渗透假说做出了一些明确的预测，可以用实验检测。接下来的十年里，米歇尔在重新翻修的格林大屋，与他一辈子的研究伙伴茉伊儿，还有其他的同事一起工作，他们证明，线粒体确实会在内膜的内外侧造成pH值梯度，还会产生约一百五十毫伏特的电荷。这样的电压听起来可能不多（大约只有手电筒电池的十分之一），但我们得用分子的角度来想。膜的厚度几乎不到五奈米（5×10-9，公尺），所以膜两面承受的电压差高达每公尺三千伏特，这样的电压和一束闪电差不多，是一般家用电线承受极限的一千倍。米歇尔和茉伊儿还继续证明，氧浓度的骤然上升，会短暂地提高泵送过膜的质子数目；他们证明了呼吸「解偶联剂」确实是靠搬运质子来回于膜的两侧而产生作用；他们也证明了质子驱动力的确会推动ATP酶。他们还证明了质子泵送和呼吸链中电子的流动彼此偶联，如果电子流过呼吸链所需的任何原料出现短缺（如氢原子、氧气、ADP或磷酸根），质子泵送会减缓，甚至完全停止。

到了那时，米歇尔（和茉伊儿）已经不是唯一研究化学渗透学的实验人员了。瑞克本人也有些研究成果有助于说服其他学者，他证明，如果将呼吸作用复合体分离出来，放进人造的脂质囊泡，它们仍能制造出质子梯度。不过贡献最大，最能让学者（至少是植物学家）对理论真实性心服口服的一个实验，是在一九六六年，由康乃尔大学的雅根朵夫和乌里维所完成的。雅根朵夫最初对化学渗透假说抱持着敌视的态度。他写道：「我在瑞典的生物能学研讨会上，听过米歇尔关于化学渗透学的演说。他说的话我是左耳进右耳出，留下的只有恼怒的感觉——恼怒大会居然让这样可笑又费解的讲者上台。」不过，最后他却用自己的实验，说服了自己。

雅根朵夫和乌里维用叶绿体的膜进行实验，他们先让膜悬浮于pH值四的酸中，并且给予足够的时间让膜内外达成平衡。接着他们在制备品中注入pH值八的碱，使膜内外的pH值出现四单位的差异。他们发现，这项处理会造成ATP的大量生成，不需要光照或任何其他的能量来源：ATP的合成是由质子位差独力推动的。请注意，现在我说的是光合作用时用的膜。米歇尔的理论有个引人注目的特点：这个理论在几个看似无关，彼此各异的能量生成模式（如光合作用和呼吸作用）间建立起关系——它们都靠膜内外的质子驱动力制造ATP。

七〇年代中期，这个领域里大部分的人都已经回心转意，同意了米歇尔的观点（米歇尔甚至有一个图表，标明他每个敌手「投诚」的日期，这让他们非常生气），尽管还有很多分子层级的细节要弄清楚，而且依旧争议。米歇尔是一九七八年诺贝尔化学奖的唯一受奖人，这是他受人批评的另一个原因，不过我相信，凭他所带来的观念大跃进，他绝对是当之无愧。他个人经历过一段满目疮痍的日子，除了要对抗一大群敌视他的生物能学学者，还要对抗身体上的病痛，但他存活了下来，并且见到当年对他最严厉的批评人士也认同了他。米歇尔在他的诺贝尔奖演说中感谢了这些人对知识的宽大态度，他从伟大的物理学家普朗克那里引用了一句话：「一个科学新概念获得胜利靠的不是说服对手，而是因为最后对手终将死绝。」米歇尔说，能够推翻这句悲观的格言，这是他一项「异常快乐的成就」。

自一九七八年起，学者逐一攻破了电子传递、质子泵送，和ATP形成的详细机制。而最高的荣耀落在沃克身上，他确立了ATP酶的结构和原子层级的细节，因此在一九九七年，他与多年前就指出其基本机制的波耶，共同获颁诺贝尔化学奖（波耶和米歇尔的机制在原理上大致一样，但细节有所不同）。ATP酶是自然界奈米科技的一个神奇范例，它运作的方式就像个旋转的马达，因此它也是已知最小的机器，由微小的蛋白质零件构成。它主要可以分成两个部分，一个是贯通膜两侧的传动轴，另一个部分则是接在传动轴上的旋转头，在电子显微镜下看起来很像蘑菇头。质子水库在膜外侧造成的压力，迫使质子穿过传动轴，使头部转动；每三个质子通过传动轴，头部就会被旋转一百二十度，旋转三次就会绕完一整圈。头部上有三个蛋白质结合位置，ATP就是在这些结合位置被组装起来。头部每一转动，施加的应力便会打断化学链或使之形成。第一个位置接上ADP；转到下一个位置时ADP便会被接上磷酸根形成ATP；转到第三个位置时则释放ATP。人类的ATP酶转动一圈需要十个质子，并会释放出三个ATP。在其他物种，ATP酶转一圈需要的质子数目也不同，事情因而更加复杂。

ATP酶的作用方向是可逆的。在某些状况下它可以反向运行，此时它会分解ATP，并用这份能最泵送质子逆向通过传动轴，对抗水库的压力回到膜的另一边。事实上ATP酶这个名字（而不是ATP合成酶）就表明了它的这项作用，因为这个功能较早被发现。这项奇异的特征里藏着生命的一个重大秘密，之后我们会再回来讨论这一点。

呼吸作用更深一层的意义

广义来说，呼吸作用产生能量靠的是质子泵。氧化还原作用所释放出的能量被用来将质子泵送到膜的另一侧。膜两侧的质子落差相当于约一百五十毫伏特的电压。这就是质子驱动力，它转动了ATP酶的马达，生成生命的通用能量货币，即ATP。

光合作用也会发生类似的事情。以光合作用而言，太阳能被用来泵送质子穿过叶绿体的膜，就像呼吸作用一样。细菌运作的方式也和线粒体一样，它们是在外层细胞膜的内外侧产生质子驱动力。除非你是微生物学家，否则一定会承认，生物学里没有哪个领域会比细菌那多到吓人的产能方式更令人混乱。它们仿佛可以从任何东西上搜刮能量，从甲烷、硫，到水泥。它们虽然有这般不寻常的多样性，深层部分却是彼此相通的。每一种方式的原理都完全相同：电子流过一串氧化还原的传递链，直到终端的电子接受者（可能是二氧化碳、硝酸根、亚硝酸根、一氧化氮、硫酸根，亚硫酸根、氧气、亚铁离子，或其他）。不管是哪一种产能方式，透过氧化还原反应所产生的能量，都会被用来泵送质子穿过膜。

这种深层的一致性之所以值得注意，不单单是因为它普遍，更重要的是因为这种产能方式非常奇特，非常迂回。就像欧尔格说的：「如果要赌细胞用什么方式产能，没有人会押质子泵。」然而光合作用以及各种呼吸作用的秘密，确实就是质子泵。它们全都利用氧化还原作用所释放的能量将质子打到膜的另一侧，产生质子驱动力。泵送质子穿过膜似乎就跟DNA一样，是地球生命体的招牌特征。这是生命的根本。

实际上，质子驱动力的重要性一如米歇尔的认知，绝不只是产生ATP而已。它的作用就像是某种力场，以一种非接触性的能量来源将细菌包围其中。质子动能牵涉到生命的许多基本层面，尤其是携带分子进出细胞膜的主动运输。细菌的膜上有数十种转运蛋白，其中很多都是靠质子驱动力才能将养分抽进细胞内，或将废弃产物排出。细菌并不是用ATP推动主动运输，而是靠质子：它们挪用质子梯度的一部分力量来推动主动运输。譬如说，乳糖这种糖类之所以能违逆浓度梯度进行运输，是因为它的运输和质子梯度偶联在一起：细胞膜上的泵会结合一个乳糖分子和一个质子，因此，吸收乳糖的能量成本由质子梯度买单，而非ATP。类似的状况还有钠离子，为了维持细胞内部的低钠状态，细胞会自内部排出钠离子，每移除一个钠离子，就必须输入一个质子，这又是一个消耗了质子梯度，而没有花费ATP的例子。

有时候，为了自己好，质子梯度会耗散并且产生热。在这样的情况下，我们会说呼吸作用处于解偶联状态，因为电子传递和质子泵送虽然照常进行，但却不会产生ATP。相反的，质子会经过膜上的小孔回流，因此能量会以热的形式消散。产生热量本身是有用处的（这点我们在第四部会再详谈），而且在能量需求较低时，这还能维持电子传递的顺畅；「停滞」的电子很容易离开呼吸链与氧反应，产生具破坏性的含氧自由基。想像这是河川上的一座水坝，在水力发电的需求较低时，就会有水位过高，决堤泛滥的危机，如果水库设有溢流渠道，就可以缓解这个危机。同样的道理，解开电子传递和ATP生成间的偶联关系，有助于确保电子在呼吸链中走完全程。让一部分的质子不要流过水力发电的主闸门（ATP酶），而是转移到溢流渠道（膜上的小孔）。这样的溢流措施可以预防过多的电子累积泛滥，进而形成自由基；这还会造成严重的健康问题，在下一章我们将会看到。

除了主动运输外，质子的力量还可以用在其他的工作上。例如在七〇年代，美国微生物学家哈洛与他的同事证明，细菌的移动也要仰赖质子驱动力。许多细菌都是靠一种连接在细胞表面，坚硬的螺旋状鞭毛四处移动。它们透过这种方式移动，速度最高可达每秒七百个细菌体长。用来转动鞭毛的蛋白质是个微型的旋转马达，它和ATP酶很相似，也是由流经传动轴的质子电流所驱动的。

简而言之，细菌的电源基本上就是质子动力。虽然说ATP是通用货币，它也没有应用在细胞的所有层面。细菌的体内恒定（以主动运输将分子运进或运出细胞）和移动（鞭毛的推进）靠的都是质子动力，不是ATP。质子梯度的这些重大用途，解释了呼吸链泵送的质子为什么会比合成ATP所需的量更多，还有我们为什么很难讲清楚，一个电子流过到底会生成几个ATP——质子梯度除了要用来合成ATP，也是生命许多方面的基础，而它们全都从这个大水库里捞了一点质子来用。

质子梯度的重要性，也解释了ATP酶的奇特习性——它们为什么会让反应逆向进行，不惜燃烧ATP来泵送质子。表面上看起来，ATP酶的逆向反应似乎是在走回头路，因为这会飞快地消耗细胞内ATP的存量。只有当我们意识到质子梯度比ATP更重要，这一切才说得通。细菌生存需要有满满的质子驱动力，就像星际大战的银河巡洋舰在出击帝国的舰队前，它的防护力场必须要全面启动。质子驱动力通常是靠呼吸作用来补充。然而，如果呼吸作用失效了，细菌就会改用发酵作用来生成ATP。于是现在一切都颠倒过来了。刚出炉的ATP立刻被ATP酶分解，释放出来的能量被用来泵送质子到膜的另一边，好维持足够的质子驱动力——这等于是紧急修复防护力场。其他所有消费ATP的任务都先摆在一边，就连DNA复制和繁殖这样要紧的工作也是一样。在这样的情势下，或许可以说发酵作用的主要目的就是维持质子驱动力。对细胞来说，维持充足的质子动力，要比保留ATP进行其他关键的工作（例如生殖）来得更重要。

在我看来，这一切都暗示着质子泵送机制的历史悠久。它是细菌最重要，最优先的需求，是细菌的生命维持器。这个机制具有深层的一致性，在三域生物之间都一样，而且它在各种形式的呼吸作用、光合作用，还有细菌生命的其他面向（包括体内恒定和运动）之中，都处于核心地位。简单地说，它是生命的基本特质。本着这个想法，我们有很好的理由相信，生命本身的起源和质子梯度的天然能量是密不可分的。

2024-07-06 16:35:29