2.3?生物細胞內的信息流

2.3.1?酶介導的信息流

? ? ? ?生命體與非生命體統一于物理層面，分道與化學層面。這里的物理層面是指元素水平上的差異，而化學層面主要體現在組成生物體的一些化學物質（如酶）會具有一定的活性，其結構會出現一定程度的變動，表現為一種構象時具有一定的活性，而另一種構象時卻表現為另一種活性狀態。

? ? ? ?能流進化論認為，細胞的基本組成單位是由酶作為能量傳遞介體的能量傳遞單元，即“能量供體→酶→能量受體”。細胞內的能量傳遞單元相互影響，相互制約，驅動了能量供體中的電子向能量受體方向傳遞，同時將能量供體中的部分化學能轉化為熱能。

? ? ? ?在一個特定細胞中，物質分子的布朗運動，以及不同種類物質分子之間的相互作用，使得特定微環境中以酶作為能量傳遞介體的能量供體和能量受體的濃度時刻發生著變化，而且這種變化具有隨機性，進一步導致特定微環境中“能量供體→酶→能量受體”這一能量傳遞單元的不穩定性，進而導致所屬體系結構和功能的不穩定。

? ? ? ?細胞生物學的發展已經表明，生物細胞的結構和功能是相對穩定的，這就說明，一個結構和功能不穩定的非生命體系是不可能演化成細胞生命體的。反過來講，細胞生命體的出現表明，特定的酶與其能量供體和能量受體組成的能量傳遞單元是相對穩定的，這便要求該酶具有能及時、快速的識別其能量供體和能量受體的能力，即酶與其能量供體和能量受體之間的信息交流具有特異性和快速識別的特性。在能量流的驅動下，酶逐漸演變為只識別特定能量供體和能量受體的能量傳遞介體。

? ? ? ?那么，酶與其能量供體和能量受體是如何進行信息交流的呢？又是如何保障特異性和高效性的呢？以下將從酶的結構和分布兩個方面來解析：

? ? ? ?1）結構方面的策略

? ? ? ?酶是具有催化活性的蛋白質，其結構組成主要是氨基酸。組成蛋白質的氨基酸都是電中性的，在電性方面是相對穩定的，但其也包含著兩個相對不穩定的因素：一個是容易失去電子的氨基，一個是容易獲取電子的羧基。那么，為什么氨基酸會有這兩個相對不穩定的共性？

? ? ? ? 氨基和羧基讓不同的氨基酸可以相互連接，即一個氨基酸的氨基與另一個氨基酸的羧基通過脫水縮合形成肽鍵。在電荷分布上，肽鍵令一個氨基酸的氨基和另一個氨基酸的羧基相對單獨的氨基和羧基而言更加穩定。盡管如此，新合成的產物仍然存在一個電荷相對不穩定的氨基和羧基。然而，就電荷分布的穩定性而言，相互連接的氨基酸越多，不穩定部分所占的比例就越低，進而使得整個產物的電荷穩定性增加。物質的電子分布越穩定，就越適合自然界對組成物質電子穩定性的需求，就有存在的必要，也就有出現的可能。

? ? ? ?可以把酶看成是一根一頭接水龍頭，一頭接水桶的水管。組成酶的每一個氨基酸相當于一根水管，氨基酸通過肽鍵連接而成的多肽鏈可以看作是由不同的水管連接而成的新的水管。如果一直是線性的排列，隨著多肽鏈長度的增加，電子的分布受環境的影響就越大，不穩定性也就隨之增加，這必然不符合物質對穩定性的需求。也就是說，如果氨基酸是線性排列，隨著多肽鏈的延長，多肽鏈上的電子分布就會發生從不穩定到相對穩定再到不穩定的變化。物質對穩定性的需求決定了多肽鏈不可能以線性的形式存在。事實上，多肽鏈只是酶的一級結構，在其合成過程中，多肽鏈會通過α-螺旋、?-折疊、?-轉角、無規則卷曲等形式變成二級結構，該二級結構進一步折疊變成球形、橢球形等，這些變化的結果都是令酶分子在整體上實現電子分布的相對更好的穩定。

? ? ? ?2）分布方面的策略

? ? ? ?如果細胞內所有的酶和能量供體、能量受體等是隨機分布的，那么，“能量供體→酶→能量受體”這一能量傳遞單元的不穩定性就會增加，這必然違背自然界在能量流方面的需求，是要被自然界所淘汰的。《隱藏的動力：生物在自然界中的價值》一書中的“生命起源”一章有說明，在自然界能量流方面需求的驅動下，不同的能量傳遞單元之間，特別是在存在“共享能量供體”、“共享能量受體”或者“共享能量傳遞介體”時，會向著最有利于能量傳遞的方向演變（注意，并不是不存在不利于能量傳遞的演變，而是這種演變在自然選擇過程中被淘汰了）。伴隨著這個過程，能量供體之間、能量受體之間、能量傳遞介體之間以及能量傳遞單元之間也出現了反映它們之間關系的兩種信息，即“競爭”與“合作”。有利于能量傳遞的能量傳遞單元之間便是“合作”關系，同一功能位的能量傳遞單元之間便是“競爭”關系。事實上，細胞中的酶并不是隨機分布的，它們被各種細胞器分組，提高了它們與能量供體和能流受體的接觸幾率。例如，真核細胞中參與三羧酸循環的酶均位于線粒體內，電子傳遞鏈上的酶則位于線粒體的內膜上，這種分布利于電子從能量供體乙酰輔酶A經NADH向O2方向傳遞。

? ? ? ?能流進化論將處于同一個細胞體系中的物質按其在能量流中的作用分為兩類：一類是中央能量控制系統；一類是輔助系統。中央能量控制系統主要負責能量的獲取、傳遞、儲存、分配等，是非生命態體系向生命體演變過程所依附的“地基”。該系統可有效提高一個體系的能量傳遞及利用效率，在介導能量供體中的能量進行釋放和傳遞的同時，也維持著自身結構和功能的穩定。在細胞內，參與糖酵解途徑、三羧酸循環、磷酸戊糖途徑、電子傳遞鏈、脂肪酸代謝等過程的物質分子都屬于這個系統，它們在能量的釋放和傳遞過程中發揮著重要作用。

? ? ? ?輔助系統的功能主要體現于抑制或削弱其競爭者的競爭能力，以及維持自身系統的穩定性或抵抗來自競爭者的攻擊等。輔助系統讓所屬細胞體系的能量傳遞能力的穩定性和持續性得到保障，主要包括遺傳信息、調控信息等。

? ? ? ?綜上所述，生物細胞內的信息按信息載體可分為：能量供體信息、能流受體信息、能量傳遞介體信息、輔助信息（如遺傳信息、調控信息等）等。按物質或系統之間的關系可將細胞內的信息分為：競爭信息和合作信息。基于此，生物細胞內的信息流主要包括：1）能量流上的信息流，即“能量供體?能量傳遞介體?能量受體”；2）DNA、RNA和蛋白質之間的遺傳信息流；3）調控因子與被調控因子之間的調控信息流；4）存在競爭或合作關系的物質分子或系統之間的信息流。

2.3.2?基于能流和信息流的電子傳遞鏈構想

? ? ? ? 電子傳遞鏈是一系列電子載體按對電子親和力逐漸升高的順序組成的電子傳遞系統。所有組成成分都嵌合于線粒體內膜或葉綠體類囊體膜或其他生物膜中,而且按順序分段組成分離的復合物，在復合物內各載體成分的物理排列也符合電子流動的方向。其中線粒體中的電子傳遞鏈是伴隨著營養物質的氧化放能，又稱作呼吸鏈。

? ? ? ?1961年英國生物化學家米切爾（P. Mitchell）提出了電子傳遞的化學滲透假說。他認為電子傳遞鏈像一個質子泵，電子傳遞過程中所釋放的能量，可促使質子由線粒體基質移位到線粒體內膜與外膜間空間形成質子電化學梯度，即線粒體內膜外側的H+濃度大于內側并蘊藏了能量。當電子傳遞時，質子（H+）被泵出到內膜外測，在H+濃度梯度的驅動下，H+通過FoF1 ATP酶中的特異的H+通道或“孔道”流動返回線粒體基質時，由H+流動返回所釋放的自由能驅動FoF1 ATP酶催化ADP與Pi偶聯生成ATP。此假說假設在電子傳遞驅動下，H+循環出、進線粒體，同時生成ATP，雖能解釋氧化磷酸化過程的許多性質，但仍有許多問題未能完全闡明。

? ? ? ?能流進化論認為，生物體以及組成生物體的細胞均是能量傳遞介體，其價值是介導食物（能量供體）中的能量流向能量受體（也稱電子受體，指環境中用以接收細胞代謝過程產生的流經電子傳遞鏈的電子的氧化性物質，如氧氣），以驅動自然界能量分布的相對均衡。由于能量供體在細胞內的代謝過程是由一系列的氧化還原反應組成，而氧化還原反應的本質是電子的得失與轉移，因而能量進化論還認為，細胞的功能單位是由提供電子的還原性物質、介導電子傳遞的催化酶和接收電子的氧化性物質組成的能量傳遞單元。總之，能流進化論認為，能量供體中的部分電子經組成細胞的一系列的能量傳遞單元傳遞給能量受體，在這個過程中，在自然條件下難以釋放和傳遞的化學能被轉化為相對更容易在自然界釋放和傳遞的熱能。基于此，作者認為電子傳遞鏈在化學滲透假說的基礎上做如下修訂，可能更合適。

? ? ? ?原假說觀點1.?線粒體內膜上的呼吸鏈同時起質子泵的作用，可以在傳遞電子的同時將質子從線粒體基質腔轉移到膜間腔。

? ? ? ?新構想認為線粒體內膜上的呼吸鏈同時起質子泵的作用，在泵出的同時，促進了電子向下游復合體的流動。區別在于，原假說認為電子的傳遞是質子泵出的原因，而新構想認為電子的傳遞是質子泵出的結果。

? ? ? ?我的觀點：呼吸鏈上的還原酶復合體具有兩個功能：一是輔助底物脫氫；二是將脫下的H+轉移到內膜外側。還原酶的脫氫功能眾所周知，不多解釋。先探討兩個問題：1）電子傳遞鏈為什么需要脫氫酶，為什么需要脫氫？2）H+是如何轉移到線粒體內膜外側的，是什么力的作用驅動了這一過程？

? ? ? ?如果將葡萄糖、細胞和氧氣看成是一個系統，在細胞呼吸作用的影響下，葡萄糖被轉化為水和二氧化碳。從能流的角度看，細胞的呼吸作用可以看作是葡萄糖中的電子經細胞傳遞給氧氣，細胞就是一個電子傳遞介體。既然如此，細胞內參與呼吸作用的所有的化學反應的主要矛盾就應該是驅動電子的流動，電子傳遞鏈自然也不例外，即發生在電子傳遞鏈上的生化反應的主要目的就是驅動電子的流動。明確了這個關系，那么，在質子與電子的關系中，就不應該有所爭議，即質子的泵出是為電子在電子傳遞鏈上的傳遞服務的，而不是化學滲透假說中所說的電子的傳遞是為了質子的泵出。

? ? ? ?正如河道與水流的關系，河道是為水流服務的，水也會選擇合適的河道傳遞。如果河道堵塞，其介導水流的能力降低，那么水就會選擇其它更合適的河道。電子的傳遞也是如此，它們也會選擇更合適的電子傳遞通道，例如，當在硫還原地桿菌的培養液里同時加入延胡索酸和水鐵礦兩種電子受體時，在電子傳遞鏈上傳遞的電子就有兩種選擇：一是傳遞給延胡索酸；一是傳遞給水鐵礦。延胡索酸可在細胞內接收電子，而水鐵礦只能在細胞外接收電子，因而相比較而言，電子應該優先選擇延胡索酸，實驗結果也是如預期所示。當利用抑制劑如魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素等阻斷電子傳遞鏈時，細胞就需要其它的電子傳遞途徑，如果不存在這樣的途徑，那細胞最終只能走向死亡。

? ? ? ?再者，我們知道化學反應本質上是電子的得失或轉移，提供電子的化合物我們稱之為電子供體，接收電子的化合物我們稱之為電子受體。電子得失或轉移的前提是兩個化合物之間存在電勢差（ΔE）。換句話說，如果兩個反應物之間存在足夠的電勢差，那么電子供體中的電子就有傳遞至電子受體的可能。我們知道，很多化學反應需要在高溫、高壓等條件下才會發生，對于整個系統相對穩定的生物體而言，需要特殊條件的化學反應是不允許的。換言之，生物體內發生氧化還原反應的兩個化合物之間，電子應該相對比較容易的發生轉移。然而，如果兩個化合物之間的電子轉移太容易發生，那么細胞內整體電子的流速必然很快，進而導致能量難以及時的利用，勢必造成能量的浪費。能量進化論認為，生物體在介導能量流動的同時，還需要從中獲取維持自身能量傳遞能力的能量。這便出現了一對矛盾，即電子的轉移既要相對比較容易的發生，又要控制其發生的速度，以利于生物從中獲取維持自身能量傳遞能力的能量。那么，生物體是如何來解決這對矛盾的呢？

? ? ? ?生物體的策略（作者的觀點）：

? ? ? ?假設電子供體為A，電子受體為B，二者電勢差為ΔE。在ΔE條件下，電子不能從A轉移至B。這個時候，脫氫酶出現了，它先將A的一個H+脫去，導致A帶負電，進而增加了A與B之間的電勢差，變為ΔE’，此時，A攜帶的電子就相對比較容易的轉移給B?了。因此，我認為脫氫酶是控制兩個化合物之間電子流動的開關，其通過對電子供體的脫氫，改變電子供體與電子受體之間的電勢差，保證了電子從電子供體往下游電子受體傳遞的可能。

? ? ? ?既然兩個化合物之間存在合適的電勢差是它們之間能發生電子傳遞的前提，那么，通過脫氫酶增加兩個化合物之間電勢差就應該是化合物之間發生電子傳遞的原因。

? ? ? ? 對于前述第二個問題，H+是如何轉移到線粒體內膜外側的？是什么力的作用驅動了這一過程？我的觀點是，脫氫酶具有兩種功能，一是奪氫功能，即破壞底物（電子供體）中H+的穩定性，使其與自身的親和力更強；二是遞氫功能，即把底物中穩定性較差的H+傳遞給天然受體，如煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）、細胞色素等。此外，當某一脫氫酶在一特定環境中不存在天然受體時，該脫氫酶會與另外一種有天然受體的脫氫酶組成超脫氫酶復合體。已有研究證明，電子傳遞鏈上的脫氫酶復合體不是獨立存在的，而是組成一個超脫氫酶復合體，通過結構解析，也發現這些脫氫酶復合體之間存在結合位點（Guo, R., et al., 2017. Architecture of human mitochondrial respiratory megacomplex I2III2IV2. Cell 170, 1247–1257）。

? ? ? ? 基于以上猜想，當脫氫酶與底物（電子供體）結合時，電子供體中的H+與脫氫酶有相對更高的親和度，在H+偏向脫氫酶的瞬間，電子供體和電子受體之間利于電子傳遞的電勢差形成。由于電子的轉移速度要遠遠快于H+在脫氫酶和電子供體之間的轉移速度，電子一旦轉移至電子受體，根據化合物電荷守衡原理，電子供體與H+之間的結合力會進一步減弱。在這種情況下，被脫氫酶奪走的H+將難以重新回到電子供體。對于脫氫酶而言，雖然其對H+具有一定的親和力，然而，為了維持自身的電荷守恒，其不可能接受這個H+，結果便是，?H+以游離態存在。

? ? ? ? 游離態的H+在脫氫酶復合體上就存在兩個方向上的移動可能：一是留在線粒體基質，一是流入線粒體內膜與外膜之間的間隙。大量直接或間接的實驗證明，膜表面能夠滯留大量H+，并且在一定條件下質子能夠沿膜表面迅速轉移，表明H+在流動方向的選擇中選擇了后者。那么，是什么力推動了H+選擇后者的呢？這個問題會在后面回答。

? ? ? ?原假說觀點2.?線粒體內膜上的ATP合酶復合體也能可逆地跨線粒體內膜運送質子，一方面利用水解ATP的能量將質子從基質腔轉移到膜間腔，另一方面當膜間腔存在大量質子使線粒體內膜內外存在足夠的電化學H+梯度時，質子則從膜間腔通過ATP合成酶復合物上的質子通道進入基質，同時驅動ATP合成酶合成ATP。

? ? ? ?新構想認為，呼吸鏈上的各種脫氫酶復合體以及ATP合酶復合體，均具有質子交換膜的性質，既可允許質子泵出，又可允許質子泵入。對于ATP的合成，是電子經ATP合酶流出所產生的電能轉化為儲存在ATP中化學能的過程，而不是由H+因內膜兩側的濃度差和電勢差，經ATP合酶流入線粒體基質過程所產生的動能轉化為儲存在ATP中化學能的過程。線粒體內膜兩側的H+梯度為電子的流動提供了可能，氧氣是在內膜外側接收電子和H+結合生成H2O，氧氣的存在直接驅動了質子的流動，間接驅動了電子的流動。此外，新構想認為，ATP合酶的Fo復合體相當于一臺電動機，電子在其中流動的過程也就是電能轉化為這臺電動機機械能的過程。F1復合體是合成和水解ATP的區域，在這里Fo復合體產生機械能進一步轉化為儲存在ATP中的化學能。這個過程就像水力發電站與電視機之間的邏輯關系：一種邏輯是將水的動能轉化為電能，有了電能，電視機才能運行（類比H+的泵出驅動電子的流動，電流的電能經ATP合酶轉化為儲存在ATP中的化學能）；另一種邏輯是，電能轉化為水的動能，有了水的動能，電視機才能運行（類比原假說中的電子的流動驅動H+的泵出，H+在ATP合酶中流動時的動能轉化為儲存在ATP中的化學能）。看看我們日常家電的運行，我覺得沒有人會認可第二種邏輯。

? ? ? ? 再者，原假說認為，是H+通過Fo復合體時的動能轉化為儲存在ATP中化學能。如果H+經ATP合酶流入線粒體基質過程所產生的動能可以轉化為儲存在ATP中化學能，那么，H+被脫氫酶復合體泵出時的動能為什么就不能直接驅動ATP的合成？或者說，為什么是“質子泵→H+流出質子泵時的動能→H+流入ATP合酶時的動能→ATP”，而不是“質子泵→H+流出質子泵時的動能→ATP”？況且，在ATP合酶復合體區域，還存在一個因H+濃度差而形成的電勢差，為質子通過Fo復合體也提供了驅動力。在前面質子的泵出過程缺少這個電勢差的輔助，這便意味著最初質子從線粒體基質泵入內膜和外膜間隙時，需要耗費更多的能量。原假說的情況就變成，細胞耗費更多的能量就是為了合成一小部分儲存在ATP里的能量。可以想象為這樣一種場景，一個人利用抽水機將地面的水抽到高出，然后再利用一臺機器為抽到高出的水流向地面時提供一個驅動力，使水留下時的動能經發電機產生電能。這于情于理都說不過去，更何況細胞內的各種調控是如此精細，怎么可能會出現這種浪費能量現象？

? ? ? ?如果按照我提出的氧氣是在內膜外側接收電子和H+結合生成H2O，問題就解決了。氧氣在內膜外側接收電子，同時不斷的消耗H+，?H+消耗的同時也為脫氫酶脫氫過程產生的自由H+往內膜外側的流動提供了牽引力，正是該牽引力的存在，?使得H+在選擇繼續留在線粒體基質中還是流入內膜外側的選擇中選擇了往內膜外側流動（這也回答了前面預留的問題）。

? ? ? ?新構想有幾個優點：

? ? ? ?1）減少了水和氧氣在線粒體內膜上的進出。既然電子傳遞鏈的最終產物是水，如果是在線粒體基質中合成水，為了維持最終的滲透平衡，合成的水最終還是要排出來，既然如此，為何當初就不能直接在內膜外側合成呢？雖然水和氧氣是膜通透性的，但減少在內膜上的進出更利于生物體的滲透平衡。

? ? ? ?2）進一步解釋了生物體為什么需要水。我們都知道生物體的存活需要水，一個原因就是因為生物體內的很多代謝反應需要水的存在和參與，在新構想中，生物體內水的流動是內膜外側H+流動的原動力，同時，電子傳遞鏈上生成的水也為水在生物體中的流動起到了推動作用。

? ? ? ? 對于耗氧生物而言，氧氣是最終的電子受體，然而對與很多厭氧生物而言，它們所需要的很多電子受體是難溶性的金屬氧化物，這些金屬氧化物顆粒比較大，很難進入細胞內，這就需要生物體將電子傳遞到細胞外，交給外面的電子受體，這個過程就是胞外電子傳遞，也稱作胞外呼吸，具有胞外呼吸特性的微生物成為胞外呼吸菌。如果按原假說，是質子濃度梯度，即質子在ATP合酶中的流動是ATP合成的原因。這便出現一對矛盾，電子往外胞外傳遞，質子卻往胞內傳遞，那么最終結果是微生物帶正電了，這也違背了電荷守恒原則。