科学故事：结合变化学说

ATP作为细胞通用的能量货币，其合成机制一直是科学家研究的焦点课题之一。Mitchell因提出氧化磷酸化的化学渗透学说而获得1978年的诺贝尔化学奖。在他的学说中，虽然正确地预测了电子在呼吸链上传递时释放的能量转变成跨膜的质子梯度，但并没有正确解释F₁F₀-ATP合酶是如何利用质子梯度合成ATP。

早在20世纪50年代早期，就有人使用¹⁸O，发现线粒体能够催化Pi中的O与水分子上的O进行快速的交换。当Boyer成为明尼苏达大学的一名研究者以后，也开始使用¹⁸O和³²P研究氧化磷酸化的过程。他发现整个过程是动态可逆的，而且¹⁸O交换比³²P交换要快。此结果以及其他的一些研究成果促使他和其他一些研究人员去寻踪氧化磷酸化过程中可能存在的高能中间物，但都以失败告终。

于是，Boyer将其研究的重心转移到其他的酶，但并没有完全放弃对ATP形成的研究。到了70年代，Boyer当上了刚刚成立的UCLA跨系科的分子生物所的首任所长。在一次学术报告上，他的思绪重新回到以前一些始终没有得到解释的氧交换数据上。忽然，一种新的氧化磷酸化的概念闪现在他的脑海里：他寻找的中间物可能并不存在，也许有一种意想不到的机制。

他回忆到：“我清醒地意识到，如果来自氧化的能量并不用来制造ATP分子，而是用来驱动紧密结合的ATP释放，那么结果就能被解释了！”

这是他第一次对ATP合酶制造ATP的机制有了满意的认识。但是，他的新设想并没有很快被接受。Boyer递交给The Journal of Biological Chemistry的相关论文被拒就是证明。但是，Boyer和他的研究助手感到他们在正确的轨道上。后来，Boyer行使了他刚刚当上的美国科学院院士的不需要同行审稿就能发表一篇论文的特权，使他的论文终于发表了。他解释到：“感觉到，它就是对的。”于是，这篇论文成为了后来被称为“ATP合成结合变化机制”的开始。在随后的十几年里，Boyer的研究小组发现了ATP合酶的另一种不同寻常的特征，即它的3个催化亚基总是按照一种有序的方式进行催化。到了80年代早期，在这个领域的许多研究者开始接受他提出的学说。

但是，另一个由Boyer提出的在酶学上以前还不知道的有争议的概念还没有得到澄清。¹⁸O交换研究显示，3个催化位点上的催化行为一样。 催化亚基似乎组织成一个圆圈，并受到内部的一个亚基影响。Boyer提出，里面的一个亚基就像汽车上的凸轮轴（cam shaft），通过转动导致催化位点经历三个步骤：ADP和P_i 结合；ATP形成和收紧；ATP释放。在持续不断的旋转催化过程中，所有的3个催化位点在任何时候都处于不同的构象。

几千种酶已被研究过，但还没有发现哪一种酶进行旋转催化。Boyer又开始冒险了：“这个想法没有得到多大的热情”，他承认。Boyer的研究小组得到了支持旋转催化的数据，但缺乏对它们进行令人信服的评估技术。到了80年代后期，Boyer已进入古稀之年，他决定把旋转催化的问题交给其他人去决定。

John Walker是英国剑桥分子生物学医学研究学会实验室的一位资深科学家。在1994年，他和他的同事根据X射线晶体分析，确定了ATP酶催化亚基的三维结构。Walker的结构支持了Boyer提出的旋转催化的概念。另一个证据来自于日本的Masasuke Yoshida及其同事，他们使用特殊的方法在显微镜下观察到亚基的旋转。

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Paul D.Boyer                              John E.Walker