细胞和分子水平的生理学研究——化学渗透学说

 四川大学生命科学学院 胡舒昶 2017141241111

    生理学的研究可大致分为三个研究层面，从小到大依次为：分子和细胞水平的研究，器官和系统水平的研究以及整体（个体）水平的研究。本文即介绍一例细胞及分子水平的生理学研究——化学渗透学说的提出。

    化学渗透学说(Chemiosmotic theory)由英国科学家Peter D. Mitchell经过大量实验后提出。该学说假设能量转换和偶联机构具有以下特点：由磷脂和蛋白多肽构成的膜对离子和质子具有选择性　具有氧化还原电位的电子传递体不匀称地嵌合在膜内　膜上有偶联电子传递的质子转移系统　膜上有转移质子的ATP酶。本文主要分析Mitchell当时证明最后两个特点所做的实验。

    当时科学家们已经知道了，细胞的线粒体、叶绿体等结构的呼吸作用可以通过电子转移链产生ATP。这些结构的细胞或细胞器膜上有五种蛋白质复合物。前4种复合物与呼吸链电子传递有关，最后一项用于合成ATP。但一直以来都有一个问题困扰着科学家们：氧化磷酸化的机制是什么？科学家们主要提出了三种理论来解释这一机制，包括：中间产物理论、变构理论、化学理论。中间产物理论认为，在氧化磷酸化的过程中含有一种高能的中间产物（就像将葡萄糖分子磷酸化后形成的葡糖糖-6-磷酸）储存一部分能量，最终将能量输送给ATP；变构理论认为该过程中催化反应的酶可以改变其结构，最终释放出某种势能。就像弹簧，未与底物结合时为原长，结合底物后弹簧被压缩，储存势能，最终将势能交给ATP。尽管科学家们努力寻找这些物质，不幸的是，他们没有找到任何中间产品，也没有改变酶释放能量的结构。最终，英国科学家Mitchell提出了化学渗透假说来解释这一氧化磷酸化过程的发生机理。他的想法一开始不被大多数科学家所接受，被其他科学家认为是荒谬的，大家都不相信他。因而也没有人愿意为Mitchell提供实验室，让他用实验以证明他的假设。然而，Mitchell有一个很有钱的哥哥，他的哥哥出钱为他建立了一个实验室，让他得以用实验证明自己的假说。最后，他使用了3个精秒的实验证明了他假说的正确性。最终“化学渗透假说”为他赢得1978年的诺贝尔化学奖。接下来让我们看看他做了什么。

    图一是Mitchell为支持他的假说而做的第一个实验的演示图。在该图中，红色的是线粒体，它们被从细胞中提取出来并在等渗的溶液中培养。一开始，在溶液中没有氧气，我们知道线粒体的外膜是完全可渗透的，所以在将线粒体放入溶液后不久，外膜的两侧之间的氢离子浓度达到平衡。正如在这张图片中显示的，氢离子的浓度首先经历了一个急增的过程。之后，我们向溶液中通入一些氧气，前辈们已经知道了氧可以与线粒体内的某种物质发生反应，从而产生一些ATP。通入氧气后，溶液中氢离子浓度开始下降，这说明产生ATP 的反应需要消耗氧气和氢离子，而氢离子是从膜外转移到膜内的，从而证明了膜上有质子转移系统。

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                                                            图一、对离体线粒体通入氧气实验

    接下来要给大家讲解的两个实验均是为了证明膜上有转移质子的ATP合酶。图二显示的是第二个实验的示意图。Mitchell仍然将线粒体置于等渗溶液中。首先将其置于溶液pH＝9的高pH值的溶液中（如图a），等待足够长的时间让线粒体内部和外部的质子浓度达到平衡。之后向烧杯中加入酸性溶液后立即调节pH至7（如图b），由于线粒体外膜全透，膜间隙的pH值立即降至7。于是便在线粒体内膜的两侧产生质子梯度，质子从线粒体内膜的外侧流向线粒体内并产生ATP。从而证明了细胞上有转移质子并产生ATP的物质。

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                                                  图二、改变线粒体所处pH值实验

    最后一个实验的核心部件如图三所示。这是一种人工脂质体膜系统。磷脂置于水溶液中时，可在超声波作用下自发组装脂质双层系统。最初脂质体膜上是没有蛋白质的，仅仅是磷脂双分子层，然后将两种蛋白质，一种是能捕获光子能量并将其直接转化为跨膜质子梯度的蛋白质(来源于一种能产生细菌色素的细菌，捕获光能，并转移电子）；另一种是从细胞膜上分离出来的复合体5。在本实验中，上面的蛋白质结构被用于在膜上产生质子梯度。需要注意的是，本实验与电子转移链无关，只是为了验证膜上的质子梯度能产生ATP，无论这个质子梯度是否来源于呼吸链。由上方蛋白质结构产生的质子梯度推动了下方的复合体5产生ATP，从而进一步证明了膜上有转移质子的物质（该物质后来被命名为ATP合酶），并且质子梯度能促进ATP的合成。

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                                                            图三、人工脂质体膜系统实验

    最终，Mitchell用这三个精妙的实验证明了他的一部分假设。当然，他也由于这个学说的提出最终获得了1978年诺贝尔化学奖。但此时尚不清楚生产过程的分子机制到底是什么，直到十多年后，三位科学家提出了ATP合酶的Binding-change学说，最终阐明ATP合成的分子机制，这个学说的提出也为他们赢得了1997年的诺贝尔化学奖。想要了解更多关于ATP分子合成的机制，点击下列链接观看ATP合成的动画吧！

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