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泵送質子穿過膜似乎就跟DNA一樣，是地球生命體的招牌特征。

質子動力，構成了一切生命體生存的基礎；而人類從認識到這一點到現在，還不到五十年時間。

第五節 質子動力

在生物能學的領域，米歇爾是半路殺出的程咬金。他因為運動發生的意外而未被征召入伍，大戰期間他在劍橋研讀生物化學，并在一九四三年開始攻讀博士。米歇爾在戰爭期間是個風云人物，他擁有藝術與創造方面的天賦，以及調皮的幽默感，因而在地方頗負盛名。他是位嫻熟的音樂家，并且喜歡留著像年輕時的貝多芬那般的長發。后來，米歇爾也像貝多芬一樣失聰了。他有私人收入可以打理自己的儀態，而且他還是乏味的戰后期里，少數開得起勞斯萊斯的人；他的叔叔戈弗雷擁有整個溫佩建設帝國。米歇爾在這間公司里的股份，幫助他在后來的日子里維持自己的私人實驗室——格林研究所。雖然他被認為是名耀眼的年輕科學家，但他花了七年才拿到博士學位，部分原因是因為他必須分心完成一些戰時的目標（如制造抗生素），還有一部分的原因是他被要求重新提交論文；他的一名考官曾抱怨「討論部分看起來很蠢，搬不上臺面」。基林對米歇爾的認識較深，他對這件事的評論是：「問題在于米歇爾對考官來說太有獨創性了。」

米歇爾的研究和細菌有關，具體來說是細菌如何將特定分子輸入或輸出細胞，而這常常是發生在違反濃度的狀況下。概括說來，米歇爾有興趣的主題是向量代謝，也就是那些有空間方向性的反應。對米歇爾來說，細菌輸送系統的關鍵，在于細菌細胞的表層細胞膜。它顯然不是無生命的物理性屏障，因為所有的活細胞都需要透過這層屏壁，持續進行具選擇性的物質交換。至少，食物必須要從細胞外攝取，而廢物必須自細胞內移除。細胞膜就像是面半透性的柵欄，限制著分子的出入，并控制他們在細胞內的濃度。米歇爾對主動運輸的分子力學深深著迷。他察覺許多膜蛋白對它們所運輸的分子具有專一性，就像酶對原料有專一性。還有一點和酶相同的是，當反向的濃度梯度蓄積了足夠的能量，主動運輸就會陷入停頓。因為試圖釋放梯度差的力量變強了，就像氣球愈飽滿時，吹氣的動作就會變得愈困難。

米歇爾在劍橋度過了四〇年代到五〇年代前半，五〇后半則在愛丁堡，他的許多想法都是在這段日子里發展出來的。那時，他認為主動運輸是生理學的范疇，和活細胞的運作有關。在當時，生理學家和生化學家之間沒有什么交集。盡管如此，物質靠主動運輸穿透膜的行為，很明顯需要有能量輸入，于是這使得米歇爾開始細細地思考生物能學（生物化學的一個面向）。他很快發現，如果膜上的泵建立起了膜內外的濃度梯度，那么原則上，這梯度本身就可以被當做一種驅動力。細胞應該可以利用這種力量，就像氣球噴出的氣體可以讓它在屋內飛竄，或像引擎中的蒸氣可以推動活塞一樣。

這番思考，已經足以讓米歇爾在一九六一年的《自然》期刊上，提出一個撼動根本的新假說，當時他仍在愛丁堡。他說，細胞是透過化學滲透偶聯進行呼吸作用的，他使用的這個詞匯，意思是化學反應可以造就滲透壓梯度，反之亦然。滲透是大家從還在念書時就很熟悉的字眼，即使我們可能已經不太記得它是什么意思了。它通常是指水穿過膜，從低濃度的溶液流到濃度較高的溶液。但出人意料是米歇爾的特色，他完全不是這個意思。看到「化學滲透」這個詞，我們可能會認為他想表達的是「穿過膜的是化學物質，而不是水」，可是他也不是這個意思。事實上，他用「滲透」這個字，取的是這個字的希臘語原文，意思是「推」。米歇爾說的化學滲透，意思是推擠分子，使它們在違逆濃度梯度的狀況下穿過膜——因此這在某種意義上，和一般認知里的「滲透」完全相反，因為我們說的滲透是順著濃度梯度發生的。根據米歇爾所說，呼吸鏈的目的就是推擠質子穿過膜，在另一側形成一個質子水庫。膜就是水壩。質子被攔在水壩后方，累積起來的力量，可以一次釋出一點，用來催動ATP的形成。

以下是它的運作原理。請回想一下上一章的內容：呼吸鏈的復合體分散著鑲嵌在膜上。進入呼吸傳遞鏈的氫原子被拆成質子和電子。電子經過一連串氧化還原反應，像是流經電線的電流一般，通過呼吸鏈（圖7）。米歇爾說，此處釋放的能量，根本不會形成高能的化學性中間產物；那個波形符號「～」之所以難以捉摸，是因為它不存在。相反地，電子流動時釋放的能量會被用來泵送質子穿透到膜的另一面。呼吸鏈的四個復合體中，有三個復合體會利用電子流過時釋放的能量推擠質子穿過膜。除此之外，質子是無法通過膜的，因此不會發生逆流的情形，于是一座質子水庫便建立起來了。質子帶有正電，這意味著質子的梯度可以分成電性和濃度兩個部分。其中電性的部分造成膜內外的電位差，而濃度的部分則造成pH值或說酸堿度的差異（酸堿度是由質子濃度來定義的），膜外比較酸，膜內比較堿。膜內外的pH值差和電位差，構成了米歇爾口中的「質子驅動力」。正是這股力量推動了ATP的生成。因為ATP是由ATP酶所合成，所以米歇爾推測，ATP酶的「電力」應該來自質子驅動力——水流般的一股質子，順著梯度，從原本關閉的質子水庫流下，米歇爾喜歡將之稱為質子電流，或是質子流。

米歇爾的想法被忽略，被敵視，被貶為胡言亂語，還有人說是毒品造成的瘋狂表現。之后瑞克曾寫道：「考慮到當時學界的主流看法，這些陳述聽起來就像小丑的把戲，或是什么先知的末日預言。」這個理論使用的電化學術語措詞怪異，甚至神秘，而且運用的概念也是當時大部分的酶學家所不熟悉的。最初只有瑞克，以及阿姆斯特丹的施雷特（也是基林的門生）認真看待它，不過他們仍抱持著開放的懷疑態度；而施雷特很快便失去了耐性。

而米歇爾，這個又優秀，又好辯，又易怒，又浮夸的米歇爾，他本人使得這個狀況更加惡化。他總能激怒他的對手。在一次和米歇爾的爭論里，有人看到施雷特在盛怒下用單腳跳來跳去，名副其實是「氣得跳腳」。這些爭執也讓米歇爾受盡折磨，他飽受胃潰瘍之苦，不得不從愛丁堡大學辭職。之后兩年的過渡時期里他暫離科學，利用這段時間修復了一座頹圮的十八世紀莊園，格林大屋，他以這座莊園做為一家人的住處和他私人的研究所，地點接近康沃爾郡的博德明鎮。一九六五年他重回研究的前線，做好萬全準備，迎接即將到來的戰役。而戰爭果然發生了。之后這長達二十年的猛烈爭論，被稱為「氧化磷酸化論戰」（氧化磷酸化取自呼吸作用中ATP生成的機制）。

圖7 呼吸鏈的簡化示意圖，和圖5相同，不過這里呈現的是中間產物的真面目——質子。電子（e-）流經這條傳遞鏈，從復合體Ⅰ一直到復合體IV，每個步驟釋放的能量，都伴隨著一個質子被丟到膜的另一側。兩者之間的偶聯關系造就了膜內外的質子濃度差，質子濃度差可以被看做是酸堿度的差異（酸堿度，或是說pH值，是由質子濃度定義的），也可以當做是種電位差，因為質子帶一個正電。質子水庫的作用就像是一個位能庫，如同真正的水庫能用潛藏的位能進行水力發電，順著濃度梯度流下的質子流也能推動一些機械性任務，以本案為例就是合成ATP。通過ATP酶的質子水流被稱為「質子驅動力」，它會讓ATP酶上小小的分子馬達轉動起來，推動ADP和磷酸結合，生成ATP。

質子動力的解釋

米歇爾的假說干凈利落地解決了長期尾隨著舊理論的惱人問題。這個假說解釋了為什么一定要有膜，還有膜為什么必須保持完整——膜如果會漏，質子就會少量地慢慢回流，使質子驅動力化為熱能消散掉。水壩上要是有洞，就完全沒有用處了。

這也解釋了那些神秘的解偶聯劑是怎么作用的。請回想一下，解偶聯劑造成的「解偶聯」指的是葡萄糖氧化和ATP生成之間失去聯系，就像沒有絞鏈的腳踏——踩踏板輸入的能量沒有聯結到應有的功用上。諸多解偶聯劑彼此之間，除了都會將能量的輸入和輸出端拆開之外，似乎沒有任何關聯。米歇爾證明它們是有共通點的——它們都是脂溶性的弱酸，可溶于膜脂質內。弱酸會結合或放出質子，端看環境的酸堿性而定，因此，它們可以接送氫離子穿梭膜內外。在堿性或是弱酸性的條件下，它們會失去一個質子，得到一個負電荷。然后它們被電荷吸引，翻身來到膜的另一面——帶正電，酸性強那一面。接著，身為一介弱酸，處在強酸條件下使它們重獲一個質子，中和掉它們的負電荷，這使它們再度受制于濃度梯度。于是弱酸穿過膜來到比較不酸的一面，在這里失掉質子并再一次受電荷所牽引。解偶聯劑不管有沒有結合質子都要能溶于膜，否則這樣的循環就不可能發生；這條件如此微妙，因而迷惑了先前那些試圖找出解釋的人。（有些弱酸只有在結合質子的狀況下才能溶于脂類，當它們釋出質子時就會變得不溶于脂，因此就不能跨回膜的另一面；也有些弱酸是相反的狀況。這兩者都不會造成呼吸作用的解偶聯。）

化學滲透假說甚至解釋了更基本的問題，也就是那個「遠距離作用」的巫術，看似要靠高能中間產物才能達成，難以捉摸的「～」。質子在某個定點被泵送到膜的另一側，形成梯度，在膜表面各處造成均勻的作用力，就像水壩后方的水壓是取決于水的總體積，而不是抽水機的位置。所以雖然質子是在某一個地方被抽起來，但可以透過膜上任何一處的ATP酶流回去，回流的力量取決于整體的質子壓力。換言之，中間產物根本不是化學物質，質子驅動力自己就是中間產物——呼吸作用釋放的能量是以質子水庫的方式儲存起來的。這也解釋了為什么ATP生成所需的電子數目可以不是整數。雖然每個電子流過呼吸鏈時，會有固定數目的質子被抽到膜的另一邊，但有些質子會因為滲漏而回流，還有一些會被挪作他用，沒有被用來發動ATP酶（這一點我們會在下一節回來討論）。

或許最重要的是，化學滲透假說做出了一些明確的預測，可以用實驗檢測。接下來的十年里，米歇爾在重新翻修的格林大屋，與他一輩子的研究伙伴茉伊兒，還有其他的同事一起工作，他們證明，線粒體確實會在內膜的內外側造成pH值梯度，還會產生約一百五十毫伏特的電荷。這樣的電壓聽起來可能不多（大約只有手電筒電池的十分之一），但我們得用分子的角度來想。膜的厚度幾乎不到五奈米（5×10-9，公尺），所以膜兩面承受的電壓差高達每公尺三千伏特，這樣的電壓和一束閃電差不多，是一般家用電線承受極限的一千倍。米歇爾和茉伊兒還繼續證明，氧濃度的驟然上升，會短暫地提高泵送過膜的質子數目；他們證明了呼吸「解偶聯劑」確實是靠搬運質子來回于膜的兩側而產生作用；他們也證明了質子驅動力的確會推動ATP酶。他們還證明了質子泵送和呼吸鏈中電子的流動彼此偶聯，如果電子流過呼吸鏈所需的任何原料出現短缺（如氫原子、氧氣、ADP或磷酸根），質子泵送會減緩，甚至完全停止。

到了那時，米歇爾（和茉伊兒）已經不是唯一研究化學滲透學的實驗人員了。瑞克本人也有些研究成果有助于說服其他學者，他證明，如果將呼吸作用復合體分離出來，放進人造的脂質囊泡，它們仍能制造出質子梯度。不過貢獻最大，最能讓學者（至少是植物學家）對理論真實性心服口服的一個實驗，是在一九六六年，由康乃爾大學的雅根朵夫和烏里維所完成的。雅根朵夫最初對化學滲透假說抱持著敵視的態度。他寫道：「我在瑞典的生物能學研討會上，聽過米歇爾關于化學滲透學的演說。他說的話我是左耳進右耳出，留下的只有惱怒的感覺——惱怒大會居然讓這樣可笑又費解的講者上臺。」不過，最后他卻用自己的實驗，說服了自己。

雅根朵夫和烏里維用葉綠體的膜進行實驗，他們先讓膜懸浮于pH值四的酸中，并且給予足夠的時間讓膜內外達成平衡。接著他們在制備品中注入pH值八的堿，使膜內外的pH值出現四單位的差異。他們發現，這項處理會造成ATP的大量生成，不需要光照或任何其他的能量來源：ATP的合成是由質子位差獨力推動的。請注意，現在我說的是光合作用時用的膜。米歇爾的理論有個引人注目的特點：這個理論在幾個看似無關，彼此各異的能量生成模式（如光合作用和呼吸作用）間建立起關系——它們都靠膜內外的質子驅動力制造ATP。

七〇年代中期，這個領域里大部分的人都已經回心轉意，同意了米歇爾的觀點（米歇爾甚至有一個圖表，標明他每個敵手「投誠」的日期，這讓他們非常生氣），盡管還有很多分子層級的細節要弄清楚，而且依舊爭議。米歇爾是一九七八年諾貝爾化學獎的唯一受獎人，這是他受人批評的另一個原因，不過我相信，憑他所帶來的觀念大躍進，他絕對是當之無愧。他個人經歷過一段滿目瘡痍的日子，除了要對抗一大群敵視他的生物能學學者，還要對抗身體上的病痛，但他存活了下來，并且見到當年對他最嚴厲的批評人士也認同了他。米歇爾在他的諾貝爾獎演說中感謝了這些人對知識的寬大態度，他從偉大的物理學家普朗克那里引用了一句話：「一個科學新概念獲得勝利靠的不是說服對手，而是因為最后對手終將死絕。」米歇爾說，能夠推翻這句悲觀的格言，這是他一項「異常快樂的成就」。

自一九七八年起，學者逐一攻破了電子傳遞、質子泵送，和ATP形成的詳細機制。而最高的榮耀落在沃克身上，他確立了ATP酶的結構和原子層級的細節，因此在一九九七年，他與多年前就指出其基本機制的波耶，共同獲頒諾貝爾化學獎（波耶和米歇爾的機制在原理上大致一樣，但細節有所不同）。ATP酶是自然界奈米科技的一個神奇范例，它運作的方式就像個旋轉的馬達，因此它也是已知最小的機器，由微小的蛋白質零件構成。它主要可以分成兩個部分，一個是貫通膜兩側的傳動軸，另一個部分則是接在傳動軸上的旋轉頭，在電子顯微鏡下看起來很像蘑菇頭。質子水庫在膜外側造成的壓力，迫使質子穿過傳動軸，使頭部轉動；每三個質子通過傳動軸，頭部就會被旋轉一百二十度，旋轉三次就會繞完一整圈。頭部上有三個蛋白質結合位置，ATP就是在這些結合位置被組裝起來。頭部每一轉動，施加的應力便會打斷化學鏈或使之形成。第一個位置接上ADP；轉到下一個位置時ADP便會被接上磷酸根形成ATP；轉到第三個位置時則釋放ATP。人類的ATP酶轉動一圈需要十個質子，并會釋放出三個ATP。在其他物種，ATP酶轉一圈需要的質子數目也不同，事情因而更加復雜。

ATP酶的作用方向是可逆的。在某些狀況下它可以反向運行，此時它會分解ATP，并用這份能最泵送質子逆向通過傳動軸，對抗水庫的壓力回到膜的另一邊。事實上ATP酶這個名字（而不是ATP合成酶）就表明了它的這項作用，因為這個功能較早被發現。這項奇異的特征里藏著生命的一個重大秘密，之后我們會再回來討論這一點。

呼吸作用更深一層的意義

廣義來說，呼吸作用產生能量靠的是質子泵。氧化還原作用所釋放出的能量被用來將質子泵送到膜的另一側。膜兩側的質子落差相當于約一百五十毫伏特的電壓。這就是質子驅動力，它轉動了ATP酶的馬達，生成生命的通用能量貨幣，即ATP。

光合作用也會發生類似的事情。以光合作用而言，太陽能被用來泵送質子穿過葉綠體的膜，就像呼吸作用一樣。細菌運作的方式也和線粒體一樣，它們是在外層細胞膜的內外側產生質子驅動力。除非你是微生物學家，否則一定會承認，生物學里沒有哪個領域會比細菌那多到嚇人的產能方式更令人混亂。它們仿佛可以從任何東西上搜刮能量，從甲烷、硫，到水泥。它們雖然有這般不尋常的多樣性，深層部分卻是彼此相通的。每一種方式的原理都完全相同：電子流過一串氧化還原的傳遞鏈，直到終端的電子接受者（可能是二氧化碳、硝酸根、亞硝酸根、一氧化氮、硫酸根，亞硫酸根、氧氣、亞鐵離子，或其他）。不管是哪一種產能方式，透過氧化還原反應所產生的能量，都會被用來泵送質子穿過膜。

這種深層的一致性之所以值得注意，不單單是因為它普遍，更重要的是因為這種產能方式非常奇特，非常迂回。就像歐爾格說的：「如果要賭細胞用什么方式產能，沒有人會押質子泵。」然而光合作用以及各種呼吸作用的秘密，確實就是質子泵。它們全都利用氧化還原作用所釋放的能量將質子打到膜的另一側，產生質子驅動力。泵送質子穿過膜似乎就跟DNA一樣，是地球生命體的招牌特征。這是生命的根本。

實際上，質子驅動力的重要性一如米歇爾的認知，絕不只是產生ATP而已。它的作用就像是某種力場，以一種非接觸性的能量來源將細菌包圍其中。質子動能牽涉到生命的許多基本層面，尤其是攜帶分子進出細胞膜的主動運輸。細菌的膜上有數十種轉運蛋白，其中很多都是靠質子驅動力才能將養分抽進細胞內，或將廢棄產物排出。細菌并不是用ATP推動主動運輸，而是靠質子：它們挪用質子梯度的一部分力量來推動主動運輸。譬如說，乳糖這種糖類之所以能違逆濃度梯度進行運輸，是因為它的運輸和質子梯度偶聯在一起：細胞膜上的泵會結合一個乳糖分子和一個質子，因此，吸收乳糖的能量成本由質子梯度買單，而非ATP。類似的狀況還有鈉離子，為了維持細胞內部的低鈉狀態，細胞會自內部排出鈉離子，每移除一個鈉離子，就必須輸入一個質子，這又是一個消耗了質子梯度，而沒有花費ATP的例子。

有時候，為了自己好，質子梯度會耗散并且產生熱。在這樣的情況下，我們會說呼吸作用處于解偶聯狀態，因為電子傳遞和質子泵送雖然照常進行，但卻不會產生ATP。相反的，質子會經過膜上的小孔回流，因此能量會以熱的形式消散。產生熱量本身是有用處的（這點我們在第四部會再詳談），而且在能量需求較低時，這還能維持電子傳遞的順暢；「停滯」的電子很容易離開呼吸鏈與氧反應，產生具破壞性的含氧自由基。想像這是河川上的一座水壩，在水力發電的需求較低時，就會有水位過高，決堤泛濫的危機，如果水庫設有溢流渠道，就可以緩解這個危機。同樣的道理，解開電子傳遞和ATP生成間的偶聯關系，有助于確保電子在呼吸鏈中走完全程。讓一部分的質子不要流過水力發電的主閘門（ATP酶），而是轉移到溢流渠道（膜上的小孔）。這樣的溢流措施可以預防過多的電子累積泛濫，進而形成自由基；這還會造成嚴重的健康問題，在下一章我們將會看到。

除了主動運輸外，質子的力量還可以用在其他的工作上。例如在七〇年代，美國微生物學家哈洛與他的同事證明，細菌的移動也要仰賴質子驅動力。許多細菌都是靠一種連接在細胞表面，堅硬的螺旋狀鞭毛四處移動。它們透過這種方式移動，速度最高可達每秒七百個細菌體長。用來轉動鞭毛的蛋白質是個微型的旋轉馬達，它和ATP酶很相似，也是由流經傳動軸的質子電流所驅動的。

簡而言之，細菌的電源基本上就是質子動力。雖然說ATP是通用貨幣，它也沒有應用在細胞的所有層面。細菌的體內恒定（以主動運輸將分子運進或運出細胞）和移動（鞭毛的推進）靠的都是質子動力，不是ATP。質子梯度的這些重大用途，解釋了呼吸鏈泵送的質子為什么會比合成ATP所需的量更多，還有我們為什么很難講清楚，一個電子流過到底會生成幾個ATP——質子梯度除了要用來合成ATP，也是生命許多方面的基礎，而它們全都從這個大水庫里撈了一點質子來用。

質子梯度的重要性，也解釋了ATP酶的奇特習性——它們為什么會讓反應逆向進行，不惜燃燒ATP來泵送質子。表面上看起來，ATP酶的逆向反應似乎是在走回頭路，因為這會飛快地消耗細胞內ATP的存量。只有當我們意識到質子梯度比ATP更重要，這一切才說得通。細菌生存需要有滿滿的質子驅動力，就像星際大戰的銀河巡洋艦在出擊帝國的艦隊前，它的防護力場必須要全面啟動。質子驅動力通常是靠呼吸作用來補充。然而，如果呼吸作用失效了，細菌就會改用發酵作用來生成ATP。于是現在一切都顛倒過來了。剛出爐的ATP立刻被ATP酶分解，釋放出來的能量被用來泵送質子到膜的另一邊，好維持足夠的質子驅動力——這等于是緊急修復防護力場。其他所有消費ATP的任務都先擺在一邊，就連DNA復制和繁殖這樣要緊的工作也是一樣。在這樣的情勢下，或許可以說發酵作用的主要目的就是維持質子驅動力。對細胞來說，維持充足的質子動力，要比保留ATP進行其他關鍵的工作（例如生殖）來得更重要。

在我看來，這一切都暗示著質子泵送機制的歷史悠久。它是細菌最重要，最優先的需求，是細菌的生命維持器。這個機制具有深層的一致性，在三域生物之間都一樣，而且它在各種形式的呼吸作用、光合作用，還有細菌生命的其他面向（包括體內恒定和運動）之中，都處于核心地位。簡單地說，它是生命的基本特質。本著這個想法，我們有很好的理由相信，生命本身的起源和質子梯度的天然能量是密不可分的。

2024-07-06 16:35:29