呼吸酶与呼吸作用：电子转移及细胞内关键环节

呼吸酶与呼吸作用

如前所述，酶的关键活动之一就是在底物分子内转移电子。比如，胶原蛋白酶将多肽分子内的电子拉来推去。但是，电子除了能在分子内部进行转移，还可以从一个分子转移到另一个分子。

在化学中，一种很常见的电子转移反应是“氧化”。当我们在空气中点燃煤之类的碳基燃料时，发生的正是氧化反应。氧化反应的本质是电子由供体分子到受体分子的移动。以煤的燃烧为例，来自碳原子的高能电子转移向氧原子，形成低能的化学键，从而产生了二氧化碳。剩余的能量以炭火热量的形式释放。我们利用此热能来给房间供暖，烹饪食物，将水变成水蒸气驱动引擎或是驱动涡轮机来发电。但是，燃煤和内燃机对电子势能的利用其实原始而低效。大自然在很久以前就发现了一种远为高效的利用电子能的方法。

我们总是忍不住把“呼吸作用”看作是“呼吸”：将需要的氧气吸入肺中，然后排出二氧化碳废气。但吸和呼其实不过是细胞内更复杂、更有序的过程的第一步（提供氧气）和最后一步（排出二氧化碳）而已。呼吸作用发生在一种叫作“线粒体”的复杂细胞器内。线粒体之所以看起来就像是独立存在于人类细胞内的细菌细胞一样，是因为它们也有自己的内部结构，比如膜。它们甚至还有自己的DNA。实际上，线粒体几乎肯定是从一种共生菌类进化而来的，数亿年前该菌寄生在动物和植物祖先的细胞中，后来失去了独自生存的能力。但它们的祖先曾是独立生存的微生物细胞，这或许解释了为什么它们有能力执行像呼吸作用这样极度复杂而巧妙的过程。其实，就化学反应的复杂性而言，呼吸作用可能仅次于我们将在下一章中讨论的光合作用了。

为了专注于说明量子力学在此处所起的作用，我们需要将呼吸作用的过程简化。不过，即使经过简化，它依然包含了一系列非凡的工序，美妙地表现了这些生物“纳米机器”的奇妙之处。启动呼吸作用同样要靠碳基燃料的燃烧，不过此处的燃料是我们从食物中获得的养分。比如，碳水化合物在我们的肠道中分解会产生葡萄糖之类的糖类，经血液吸收后会被运送到渴求能量的细胞那里。用于“燃烧”这些“糖类燃料”的氧气也从肺部经由血液循环被运送到相同的细胞中。

就像煤的燃烧一样，分子内碳原子的外层电子转移向一种叫作NADH[24]的分子。但电子并没有急于与氧原子成键，而是沿着我们细胞内“呼吸链”上的酶，从一个传向下一个，就像接力赛中，接力棒从一个运动员传向下一个运动员一样。经过每次转移，电子都进入一个能量更低的状态，相差的能量用来给将质子泵出线粒体的酶供能。泵出的质子从线粒体外向线粒体内渐变分布，又带动了另一种制造ATP[25]分子的酶——ATP酶。ATP在所有活细胞中都极其重要，因为它像“能量电池”一样可以方便地在细胞内转运，并为诸如身体运动、发育之类的耗能运动供能。

由电子驱动的酶质子泵有点像水力发电时的泵，通过将水泵到山坡上，将剩余的能量储存起来。之后，通过让水顺着山坡流下驱动水轮机发电，将储存的能量释放出来。与此类似，呼吸酶将质子泵出线粒体。当质子重新流向线粒体内部时，它们会驱动好比水轮机的ATP酶转动起来。ATP酶的运转会驱动另一套预设的分子运动，将一个高能磷酸基团结合在酶内的分子上，形成ATP。

之前我们将这个捕捉能量的过程比作接力赛跑，现在我们可以进一步拓展这个类比，用一瓶“水”来取代其中的接力棒（代表电子能量），每一位赛跑者都先啜一小口“水”，然后将“水瓶”传下去，到最后再把瓶中剩余的“水”倒入一个叫作氧气的桶中。这样小量多次的捕捉电子能量，比起简单粗暴地直接与氧气反应，让整个过程更有效率，因为只有极少的能量会以热的形式耗散。

因此，呼吸作用的关键环节其实与吸气、呼气并没有多大关系，反而是电子通过细胞内呼吸酶接力进行的有序转移。从一个酶到下一个酶的接力中，每一次电子的转移都会跨越一个数十埃的间隔，这个距离容得下许多原子的直径，比传统的电子跃迁可能跨越的距离要远得多。酶为什么能以如此快的速度和如此高的效率使电子跨越如此大的分子间隔呢？这正是呼吸作用的谜之所在。(www.xing528.com)

早在20世纪40年代，这个问题首先由美籍奥匈裔生化学家阿尔伯特·圣捷尔吉（Albert Szent-Györgyi）提出。他本人也因为在维生素C的发现中所做出的重要贡献而获得了1937年的诺贝尔生理学或医学奖。1941年，圣捷尔吉发表了主题为“走向新生化”（Towards a New Biochemistry）的演讲。他在演讲中提出，电子在生物大分子间轻松流动的方式与电子在诸如电子设备中的硅晶体等半导体材料中的移动相似。不幸的是，几年后蛋白质被证明是非常不良的电导体，电子在酶中不可能像圣捷尔吉所设想的那样自由地流动。

20世纪50年代，化学界取得了一些重大进展，其中一项理论尤为重要，它由加拿大化学家鲁道夫·马库斯（Rudolph Marcus）建立，并以他的名字命名。马库斯理论解释了电子在不同的原子或分子间移动或跃迁的速率。马库斯本人最终凭借该项工作获得了1992年的诺贝尔化学奖。

但是在半个世纪以前，呼吸酶为什么能够刺激电子以极快的速度转移呢？相对而言，如何跨越如此之远的分子距离仍然是一个谜。一种可能的解释是蛋白质会像钟表一样按照一定的顺序旋转，将相距甚远的分子拉近，让电子得以轻松地转移过去。利用这些模型可以做出一个重要的推测：因为没有足够的热能来驱动像钟表一样运动，在低温下，该机理的运作会大幅减慢。但是，到了1966年，两位美国化学家唐·德沃尔特（Don DeVault）和钱百敦（Britton Chance）在宾夕法尼亚大学通过实验实现了量子生物学最初的重大突破：他们发现，与预期相反，在低温下，呼吸酶中电子跳跃的速度并没有大幅下降。

德沃尔特于1915年在密歇根出生，在大萧条期间举家迁到了西部。他在加州理工大学及加州大学伯克利分校学习，并于1940年获得了化学博士学位。他是一个坚定的人权主义者，第二次世界大战期间由于耿直的反战立场曾在监狱中服刑。1958年，他辞去了自己在加州大学的化学教授职位，为了能够直接参与美国南部争取种族平等与融合的斗争活动，他搬到了佐治亚州。在同黑人抗议者一起游行时，他坚定的信念、对非暴力抗议活动的组织与坚持，让他暴露在人身攻击的危险之中。一次，德沃尔特与不同种族的抗议者一起遭到了暴民的袭击，他自己甚至被打至下颌脱臼，但这并不能阻挡他。

1963年，德沃尔特来到宾夕法尼亚大学与钱百敦合作。钱百敦比他长两岁，但已经作为领军人物在其研究领域获得了世界级的声誉。钱百敦拥有两博士学位，一个是物理化学，另一个是生物学。因此，他专长的“领域”可谓非常广泛，而他的研究兴趣也很多样化。他将自己学术生涯的大多数时间都用来研究酶的结构和功能——其间，他居然还“抽空”代表美国获得了1952年夏季奥运会帆船项目的金牌。

光能够激发电子从呼吸酶细胞色素向氧气转移，其机理让钱百敦很着迷。他与西村光雄（Mitsuo Nishimura）合作，发现即使将细胞冷却到极其寒冷的液氮温度（-190℃）[26]，酒色着色菌（chromatium vinosum）内部的这种电子转移仍然能够发生。但是，这个过程如何随着温度的变化而变化呢？虽然解答该问题有助于解释该过程中的分子机制，其答案却仍未可知。钱百敦意识到，要想启动反应，必须用极短促的强光对反应物进行刺激。这正好用得上德沃尔特的专业知识。德沃尔特曾在一家小公司做过几年电子顾问，开发过可以产生这种短促强光脉冲的激光设备。

德沃尔特和钱百敦共同设计了一个实验，用红宝石激光器发射30纳秒的短促红色激光射线来照射充满呼吸酶的细菌细胞。他们发现，随着温度下降，电子转移反应的转移速率也会下降，到约100K（-173℃）时，电子转移反应的速度只有常温下的1/1 000。如果假设电子转移主要由参与反应的热能所驱动，那么实验结果符合预期。然而，当德沃尔特和钱百敦继续下调温度到100K以下时，奇怪的事情发生了。电子转移的速率没有下跌到一个更低的数值，而像是进入了一个平台期，从100K开始，即使进一步降低温度，反应速率也维持不变，直到降至绝对零度以上35度（-238℃），都是如此。这说明，电子转移的机理，不能完全归结于前面介绍的经典电子跃迁理论。

问题的答案似乎在量子世界中，尤其可能存在于奇异的量子隧穿过程中，而在引言中，我们已经见过量子隧穿这位“朋友”了。