植物ATP生成机制及质子梯度作用

自从18世纪发现光合作用以来，绿色植物（包括其他具有光合作用的生物有机体）可以把光能转换为化学能，成为地球上所有生命运动的基础的观点已无人再持有异议了。不管能量是从光还是从氧化有机物获取，其中大部分都以ATP（腺苷三磷酸）的有效形式储存起来，以供CO2同化之需。20世纪60年代后，科学家把研究光合作用的目光开始转向攻克ATP合成机制的难关，但至今仍众说纷纭，难以阐明。

1953年，荷兰阿姆斯特丹大学的生理学家斯莱特根据底物磷酸化的试验结果，首先提出化学中间物学说。他认为：底物经氧化反应，与一结合物配基结合形成贮存能量的高能化合物，后者再与磷酸反应生成高能磷酸物质，然后再把磷酸转到ADP（腺苷二磷酸）上而形成ATP。斯莱特列举了许多实验现象和结果，希望对呼吸链电子传递偶联磷酸化的机理作出圆满的解释。这一学说提出后，曾有许多工作围绕问题的关键，试图分离或证实高能中间物的存在。1962和1963年，虽然先后发现过叶绿体在光照下能形成某种高能物质，并能在黑暗时与ADP和Pi（无机磷酸盐）作用可形成ATP，但分离工作始终没有成功。据现有资料分析，看来并不存在这种高能中间物。1961年，英国格林奈研究实验室的米切尔经过深思熟虑，推出了偶联磷酸化的化学渗透学说，引起了学术界很大注意。这个学说从另一个角度，即不是用中间物，而是用电位差和浓度差来解释ATP的合成机制，因而开创了新的研究途径。此学说的理论根据相当繁复，加上米切尔及其支持者的不断补充修订，至今仍没有一个定式，其要点是：在光或氧化作用驱动下，电子流过载体分子系统使带正电荷的氢离子，即质子穿过叶绿体膜、线粒体膜或细菌细胞膜，结果建立起一个横跨膜的电化学质子梯度，其梯度有两个组成部分：一个是氢离子浓度差（pt），另一个是电位差。质子顺梯度经可递的ATP酶系统的作用，使ADP和Pi脱水形成富含能量的ATP，并使质子重返膜外。因而，质子梯度就是电子传递和ATP合成之间的“中间物”。此后，不少人的实验结果支持和丰富了化学渗透学说的内容。美国康尼尔大学的杰格道夫发现叶绿体在光下pH的变化与磷酸化和高能物质的形成有许多平行现象，如形成和衰变的动力学相似，均受解联剂抑制，似乎表明高能物质就是叶绿体膜内外的氢离子浓度差。柏林某研究所的威特博士从事的快速光谱变化的研究结果，证明光照后不到2X107秒就建立起横跨叶绿体内膜的电位差。诚然，杰格道夫和威特的证据有力说明了最初的能量是以在膜内外形成的化学渗透压差的形式贮存，并以此推动磷酸化。但是，化学渗透学说并非尽善尽美，还有许多重要现象与该学说相矛盾，使米切尔等人深感困惑不解。比如，用毛地黄苷处理莴苣叶绿体碎片，其光合磷酸化能力虽很强，但在光下却看不到pH的变化和高能物质的形成。将2—10毫米MNH4CI加入声波击碎菠菜叶绿体后，氢离子吸收受到很大抑制，但光合磷酸化不受抑制。诸如此类的事实都表明：质子梯度并不是ATP形成的必不可少的先决条件，很可能是电子传递发生高能状态，再引起磷酸化，而质子传递不过在高能状态形成后的次生现象。(www.xing528.com)

1965年美国加利福尼亚大学的博耶教授根据在电子传递磷酸化的同时，叶绿体、线粒体都会发生构型变化的事实，创立了“构型”学说确信能量转化的最初步骤不是产生一个“高能化合物”，也不是造成一个膜内外的质子浓度差，而是由于电子移动所引起的局部电场，使膜上的组成分子（特别是蛋白质）发生极化变构，成为振荡激发的“充能”状态，从而引起磷酸化、质子传递等一系列反应。因为从膜的半导体性能可看到，膜中蛋白质及其辅基都是有秩序紧密结合的，电荷的移动，必然会引起它们的折叠与伸展，这并不难理解，但是这个学说主要是根据和针对线粒体的电子传递与氧化磷酸的，并声称对叶绿体也同样适用。但事实并非如博耶一厢情愿的希望那样，在叶绿体方面，至今仍缺乏使人信服的直接证据。“构型”学说是否适用于光合磷酸化，仍是一个难解之谜。然而，近年来对于酶的构型变化与活力关系的研究进展神速，可望在不久的将来，这个问题会在分子水平上有所突破，这不仅解决了生物科学中最基本的问题，而且必将引起人工能方法的巨大变革。