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楼主: Mr.Lobster
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私人水贴。没有最水,只有更水。 [复制链接]

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发表于 2013-4-11 10:37:25 |只看该作者
在能量生物学界因为种种化学上的不可调和而苦恼时,米切尔却从一个意想不到的方向:经典细胞生理学,接近了这个问题。

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发表于 2013-4-11 10:37:40 |只看该作者
他早期的研究课题是细菌,特别是细菌的主动运输,即穿过细菌的细胞膜,营养物质和废物在受控状态下进出。我们知道在孤立的情况下,物质的渗透总是从高浓度向低浓度的方向进行,而细菌的细胞膜是脂质的半透膜,水溶性物质被阻挡,但膜上有各种特化的蛋白质通道,选择特定的物质允许进出,其严格的对应性好比特定的生物酶对应特定的催化对象。半透膜的特性加上细菌消耗能量的主动运输(当时是如何消耗能量的还完全不知道),使得细菌可以逆着浓度运输物质,比如把营养物质从低浓度的外界环境运进高浓度的内部。对于细菌主动运输的研究,使得米切尔对生物膜导致的化学物质浓度聚集有了特别的敏感性。把细菌的主动运输过程倒过来看,如果逆浓度运输耗能,那么逆浓度运输造成的浓度聚集本身就是一种势能,好比你把石头推上坡花了力气,坡上的石头也就有了势能,随时可以滚下来释放能量。这就是米切尔的突破点。

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发表于 2013-4-11 10:37:52 |只看该作者
1961年米切尔在爱丁堡发表的论文,充满自己生造的词汇,类似玄学的逻辑讨论和无证据的猜测。首先,他运用福尔摩斯式的逻辑:“当排除了其他所有可能的答案,那么剩下的可能性,不管看起来有多么不可能,都是正确的答案。”。X媒介分子的寻找,化学上每一块石头都翻起来看过了,既然还没有找到,那么答案是什么?X分子不存在。那么化学上的两套反应是如何接触的呢?能量是怎么从细胞色素氧化工厂传递到ATPase呢?米切尔说,那不是分子遇上分子的化学,那是化学渗透(chemiosmosis)。这是一个他生造的词,含有两个词根:chem(化学)和osmosis(渗透),其实这个过程的实质既不化学,也不渗透。它的含义如下:

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发表于 2013-4-11 10:38:03 |只看该作者
葡萄糖在细胞色素酶工厂中逐步氧化。这些蛋白综合体微型工厂,都镶嵌在线粒体内膜上,实质上是一些通向膜外的蛋白质孔道。它们没有合成什么高能的中介分子,作用不过是像一些泵,把细胞内的氢离子(H+,也就是质子)泵到膜外去了。这个过程需要耗费氧化葡萄糖放出的能量,因为我们下面就会看到,线粒体内膜的外部聚集着高浓度的质子。这是一个逆浓度运输。

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发表于 2013-4-11 10:38:17 |只看该作者
由于这些质子泵的工作,大量质子被泵出去,又被限制在线粒体内膜和外膜之间的狭窄区域里,于是形成了一层薄薄的H+聚集区。H+的浓度,化学上有个很简单的量度,就是PH值,即酸性。因此内外膜之间的区域就形成了一个质子“水库”,具有酸性和正电荷。

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发表于 2013-4-11 10:38:30 |只看该作者
线粒体内膜就像是水坝。它也是脂质膜,对于水溶性的质子来说是不通透的,因此外部质子浓度虽高,但不能自然渗透进来。记住我们前面的结论:逆浓度运输造成的浓度聚集本身就是一种势能。

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发表于 2013-4-11 10:38:54 |只看该作者
ATPase就是泄洪道。它也是镶嵌在线粒体内膜上的蛋白质综合体,也是内外相通,但受控的蛋白质孔道。它利用的不是什么神秘的X分子,而是质子的回流。质子浓度势能的释放放出能量,这些能量就被用来生产ATP。

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发表于 2013-4-11 10:39:13 |只看该作者
对于那些毕生浸淫在经典生物化学,不太熟悉生物膜动力的能量生物学家来说,这简直是玄而又玄的天书,没有比这更奇怪的场景了。不去使用一个简单的中介分子完成化学链路,而是转了这么多的弯,使用这么诡异的机理。再加上米切尔生造了大量的词汇来描述他的理论(比如米切尔把“质子水库”的酸度和电势能合起来叫做proton motive-force,“质子动力”,认为这是一种基本驱动力。听起来真像某种民科发明的词汇),整个文章写得既玄秘又武断。而且,他没有什么实验证据来支撑他的学说,基本上全是假设、推理,或者干脆忽略那些暂时解释不了的障碍。所有这些原因,使得米切尔的论文在1961年的能量生物学界受到的待遇,差到不能再差:有些人读完第一页就扔一边。有些人认为“他终于疯了”,有些人开口就骂,认为他不尊重整个学界前人的辛苦工作。或者“不做实验,不是化学家,偏要谈化学问题。”当时的两个权威:美国的Racker和瑞典的Slater,都是很优秀的学者,一开始还不像其他人那样对待他,试图去发现米切尔到底要说什么。但Racker在讨论中完全被米切尔的外星词汇搅昏,最终放弃了讨论。而Slater和米切尔的争辩火爆升级,在一个研讨会上,Slater被米切尔尖酸刻薄的口才气得“在走廊上乱跳,白色的胡子上下飞舞”。

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发表于 2013-4-11 10:39:41 |只看该作者
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发表于 2013-4-11 10:40:09 |只看该作者
米切尔成了英国科学界的笑料,1963年因为“脾气大造成的胃溃疡”退出了爱丁堡大学(其实是学校当局劝退他免得丢人),回到他的乡间别墅去养病。他花了两年时间舔伤口,顺便把乡间别墅翻修成了“音乐怪人”的巢穴,找到了一个相信他,而且有很强生物化学实验能力的女助手Moyle,在1965年卷土重来,成立了自己的研究所,一定要和整个能量生物学界斗到底。

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发表于 2013-4-11 10:40:30 |只看该作者
四.思想的凯旋

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发表于 2013-4-11 10:40:59 |只看该作者
【Peter Mitchell 接受诺贝尔化学奖】

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发表于 2013-4-11 10:41:19 |只看该作者
在1961年米切尔抛出他的重磅炸弹时,他确实没有什么实验基础,这也是大多数学者本能上不接受他最主要的原因。然而这个独辟蹊径,自己宣示一个新体系的假说,却是建立在米切尔对已知科学事实和实验结果深入分析的基础上。透过他奇特的视角和迷雾一样的语言,越来越多的人认识到,米切尔的化学渗透假说像一块奇形怪状,但是边边角角都恰好合适的拼图板,解释了有氧呼吸研究中众多的不解之谜:

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发表于 2013-4-11 10:41:33 |只看该作者
首先就是膜。原核细胞生物(细菌和古菌)都有脂质细胞膜。而真核细胞生物中,线粒体有氧呼吸制造ATP,叶绿体的光合作用也制造ATP,这些跟能量相关的细胞器也都有脂质膜。在以往的研究中,生物膜被当做是仅仅结构上的东西,没有人从功能上意识到它的重要性,化学渗透学说解释了为什么ATP的制造场所无一例外都有生物膜。因为化学渗透的全部动力就来自于这个“水坝”制造的浓度隔离。

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氧化场所和ATPase物理隔绝的问题也迎刃而解。因为化学渗透的能量传递过程就像你在一处用抽水机蓄水,而在另一处用泄洪道发电,整个水库(整个线粒体内外膜之间)环绕着所有的设备。这时候你的设备在哪里当然无所谓了。

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