光合作用中光反應的機制和由來（2）

朱欽士 （美國南加州大學醫學院）

2 醌分子在能量轉化和能量儲存上的核心作用

原核生物并不直接催化氫氣與硝酸鹽反應，因為這種直接反應只能以熱的形式釋放能量，生物無法加以利用。 要利用該氧化還原反應釋放的能量，原核生物采取的辦法是，先用氫酶（hydrogenase）將氫氣（H2）中的氫原子轉移到一種叫做“醌”（quinone）的分子上，使其變為“氫醌”，再通過硝酸鹽還原酶（nitrate reductase）將氫醌分子上的氫原子轉移給硝酸鹽分子，將硝酸鹽（NO3-）變為亞硝酸鹽（NO2-），同時生成水。 硝酸鹽失去了1個氧原子，因此是被部分“還原”了。

之所以該反應要經過醌分子， 是因為醌分子有一種能力，可利用氧化還原反應釋放的能量，將氫離子（H+）從細胞膜的一側轉移至另一側，使氫離子在膜一側的濃度極大超過另一側。 氫離子在膜兩側濃度不一樣的狀況稱為“跨膜氫離子梯度”。它就像水庫大壩兩側的水位不一樣高， 是儲存能量的一種方式。水庫里面的高水位具有勢能，在通過大壩時勢能被釋放， 驅動水輪機進而帶動發電機發電。同樣，氫離子從濃度高的一側通過膜流至另一側時， 也會帶著位于膜上的ATP 合成酶轉動，轉動的力量可使酶的形狀改變，將ADP（二磷酸腺苷）和磷酸分子“捏合”到一起，形成ATP 分子。 ATP（adenosine triphosphate，即三磷酸腺苷）是腺苷分子上再連上3 個磷酸根而成。 由于磷酸根是帶負電的，彼此排斥，將3 個磷酸根強行“捏”在一起，就像是將彈簧壓縮，一旦有機會（即釋放出磷酸根時）就會釋放能量。 因此ATP 是細胞中的“高能分子”，能為細胞中各種需要能量的生命過程提供能量。 原核生物利用氧化還原反應釋放能量的方式， 就是先將這些能量以跨膜氫離子梯度的形式儲存起來， 再將跨膜氫離子梯度儲存的能量轉化為ATP 分子中的能量。

醌分子是如何將氧化還原反應釋放的能量轉化為跨膜氫離子梯度的？ 這與醌分子的化學結構和性質有關。醌分子的化學結構較為簡單，即一個能進行氧化還原反應的“頭部”連上一條長“尾巴”（圖1）。這條“尾巴”只含有碳原子和氫原子，是高度親脂的，它使醌分子能“溶解”在細胞膜的油性內層中并在膜內“游動”，使其“頭部”可接近細胞膜的任何一側。

醌分子的“頭部”是一個環狀結構（化學名稱叫“苯環”），上面連有2 個“羥基”（-OH，“羥”是化學家造的字，就是“氫加氧”組成的基團的意思）而成。 這2 個羥基可以各失去1 個氫原子，變成2個“羰基”（C=O，“羰”也是化學家造的字，讀音“湯”，意思是“碳加氧”形成的基團，這里的C 表示環上的碳原子）。 羰基得到氫原子， 又可以變回羥基， 因此醌分子可反復得到和失去2 個氫原子，可作為氫原子的“轉運站”。醌分子中的氧原子以羰基形式存在時，是失去氫原子的，處于被“氧化”的狀態，叫做醌（quinone，簡稱為Q）；醌分子中的氧原子以羥基的形式存在時，是得到氫原子的，處于被“還原”的狀態，叫做氫醌（quinol，簡稱QH2）。

圖1 醌分子的結構

要建立跨膜氫離子梯度， 首先需要一種氫離子無法直接通過的膜，就像水庫的壩。這應該不是問題，因為最初的生命就是以細胞的形式出現的，細胞膜將細胞的內容物與環境分開， 以免組成生命的化學系統被水稀釋。 細胞膜是磷脂組成的雙層膜，中間有約2.5 nm 厚的“油”層，主要由磷脂分子上脂肪酸的碳氫鏈“尾巴”組成。 這個油質層對于各種帶電的離子，包括氫離子、鈉離子、氯離子，都是不通透的。這些離子要通過細胞膜必須通過膜上由蛋白質組成的通道， 而通道的開關是受控制的，就像水壩的出水口是可以關閉的，所以細胞膜就可以起到“水壩”的作用。 有了不透氫離子的細胞膜，再有了“溶解”在膜中且能進行氧化還原反應的醌分子，轉化能量即可進行。

如果氫醌分子是將其上的氫原子以原子的形式直接轉移給硝酸鹽， 則跨膜氫離子梯度無法建立。 但巧妙的是，氫醌被氧化時，其上面的氫原子是分為電子和氫離子這2 個部分而“分開走”的。硝酸鹽還原酶先脫去醌分子中氫原子上的電子，將電子傳遞給硝酸鹽， 失去電子的氫原子以氫離子的形式被釋放至溶液中。 得到電子的硝酸鹽再從溶液中得到與電子數相同的氫離子， 讓電子變回氫原子，與硝酸鹽中的1 個氧原子結合成為水，硝酸鹽變為亞硝酸鹽， 總的結果就好像是氫原子被直接轉移一樣。 但實際上，原核生物就“鉆”了電子和氫離子分開走這個“空子”，將氫離子的釋放和結合安排在膜的兩側， 就可實現能量轉化和氫離子的跨膜轉移（圖2 右）。

圖2 氫氣被硝酸鹽氧化時釋放的能量被用于建立跨膜氫離子梯度

氫醌在被硝酸鹽氧化時， 硝酸鹽還原酶上氧化氫醌的地方接近細胞膜的外表面， 因而氫離子也被釋放至細胞膜外。 細胞膜外本來就有高濃度的氫離子，由于氫離子是帶正電的，細胞膜外的溶液也因此帶有正電， 所以在細胞膜外側釋放帶正電的氫離子在能量上是不利的， 因為帶正電的氫離子會被細胞膜外的正電所排斥。 但是電子從氫醌進入硝酸鹽還原酶上的氧化還原中心， 能量是降低的。 這個釋放的能量就可“拉動”氫醌在細胞膜的外側釋放氫離子，這就是能量轉化的過程。

硝酸鹽分子從硝酸鹽還原酶得到電子后，還需要同樣數量的氫離子才能將電子變回氫原子。由于該反應是在酶伸到細胞質內進行的， 氫離子也是從細胞質內取得。 該反應在能量上也是不利的， 因為要從帶負電的環境中再拿走帶正電的氫離子。 但硝酸鹽被還原時釋放的能量也足以驅動該反應。這樣，氫醌被氧化時在細胞膜外釋放2 個氫離子， 硝酸鹽被還原時在細胞膜內拿走2 個氫離子， 總的效果就相當于2 個氫離子被轉移到細胞膜外， 氫醌被氧化時釋放的能量就以跨膜氫離子梯度的形式被儲存。

利用醌分子的氧化還原反應中電子和氫離子分開走的特點，建立跨膜氫離子梯度，實現氧化還原反應釋放的能量的轉化和儲存， 為細胞的生理活動所用，這是原核生物的偉大發明。自從幾十億年前由原核生物發明以來，所有生物，包括人類，都仍然在使用這種方法建立跨膜氫離子梯度以儲存能量。 由于原核生物中的細菌（Bacteria）和古菌（Archaea）都含有醌，也都使用這種方式建立跨膜氫離子梯度， 醌分子的合成及在能量轉化和儲存中的使用， 一定出現在原核生物分化為細菌和古菌之前，也就是在原核生物的共同祖先中，那就是最早的細胞生命。

也許在醌分子出現之前， 原核生物就開始將跨膜氫離子梯度作為能量的一種來源。 一種生命起源的學說就認為， 最初的生命是在海底熱泉處產生的。 熱泉噴出的帶堿性的水和帶酸性的海水之間如果有膜狀結構相隔， 就會形成跨膜氫離子梯度，可以為最初的生命所利用。一旦這種儲存能量的方式被建立，就一直為細胞所使用，而醌分子的出現使得細胞能主動將氧化還原反應釋放的能量以跨膜氫離子梯度的形式儲存起來。

正是由于醌分子有轉化能量的能力， 所以氧化還原反應中的電子傳遞鏈都是以醌分子為核心樞紐的： 醌分子從各種能提供氫原子的分子收集氫原子，變為氫醌，氫醌再將氫原子“分配”給各種氧化物。從各種分子中脫下氫原子，并將氫原子交給醌分子的酶稱為“脫氫酶”（dehydrogenase）；氧化氫醌，將氫原子交給氧化物的酶就稱為“氧化酶”（oxidase，如果最終氫原子受體是氧，例如氫醌氧化酶），或者某分子的“還原酶”（reductase，如果最終氫原子受體不是氧，例如硝酸鹽還原酶）。 原核生物要適應環境，往往利用多種還原物，也利用多種氧化物，以增加自己生存的機會。例如大腸桿菌（Escherichia coli）的電子傳遞鏈就使用了15 種脫氫酶、10 種氧化酶或還原酶。 人也有類似的電子傳遞鏈，也以醌分子為電子傳遞鏈的核心樞紐。

不僅如此， 醌分子在能量轉化和儲存中的巧妙機制還被光合作用所利用， 成為光合作用中轉化太陽光能量的關鍵機制（見下文）。 因此，醌分子在轉化和利用氧化還原反應釋放能量的過程中，以及轉化儲存太陽光能量的過程中，都起到關鍵作用，是所有細胞生物，包括細菌、古菌、真菌、動物和植物都使用的重要分子。市面上賣的“輔酶Q”或者“Q10”，其實就是醌分子，使人們可通過口服的方式補充細胞中的醌分子。相反，降低血液中膽固醇水平的“他汀”（statin）類的藥物，在抑制膽固醇合成的同時也抑制醌分子的合成， 使細胞中能量轉化的過程受到影響，降低肌肉的功能，甚至造成肌肉疼痛，要靠服用Q10緩解。

醌分子在能量轉化和儲存上的作用也有局限性，即氫離子的釋放和接收必須在膜的兩側。如果釋放和接收氫離子的過程發生在膜的同一側，這種機制就不起作用（見圖2 左）。 例如氫酶將氫分子中的氫原子轉移到醌分子上時， 氫原子也是分為電子和氫離子分別走的。氫酶從氫氣分子（外來分子）獲得電子的位置在細胞膜外，因此氫離子也被釋放在細胞膜外。 雖然看上去會增加細胞膜外側氫離子的濃度， 但由于醌分子從氫酶得到電子的地方靠近細胞膜的外側， 得到電子的醌分子也從細胞膜外的溶液中獲得氫離子變為氫醌， 所以開始時釋放到細胞膜外的氫離子后來又被用掉了，沒有凈的氫離子跨膜運輸。這是一種能量上的浪費， 因為氫原子的氧化還原電位是-0.42 V，而醌的氧化還原電位在0V 左右， 氫分子上的氫原子轉移到醌分子上也是要釋放能量的， 但是在這里不能加以利用。 許多脫氫酶由于氧化還原性分子的位置在細胞膜外， 還原醌分子的位置也靠近細胞膜的外側，所以也有同樣的問題。 為此，原核生物還發展出了另一種轉化和儲存這些能量的方法，即利用電子傳遞所引起的蛋白質形狀的變化，直接將氫離子從膜的一側“泵”到另一側，即用電子流動驅動氫離子。

3 用電子流動引起的蛋白形狀變化“泵”氫離子

用電子傳遞過程中蛋白分子形狀的變化，將氫離子從細胞膜的內側“泵”到外側，是原核生物的另一大發明。 例如大腸桿菌就有一種氫酶叫Hyd-2，它含有4 個蛋白亞基，其中O 亞基和C 亞基彼此結合位于膜外，與氫分子反應。A 亞基連接OC 和位于膜內的B 亞基（圖2 左）。A 亞基含有4個轉移電子的鐵硫中心， 負責將電子傳遞到醌分子上，而B 亞基不含有任何電子轉移中心。 實驗表明，位于膜內且不含電子轉移中心的B 亞基具有“泵”氫離子的功能。 電子通過A 亞基時引起的蛋白形狀變化帶動B 亞基的形狀變化，該形狀變化改變了蛋白質分子中不同氨基酸側鏈結合氫離子的強度， 使得B 亞基可將氫離子從膜的一側“泵”到另一側。 許多（不是所有）脫氫酶都有此功能， 使各種還原性分子在還原醌分子時釋放的能量也能被生物所利用。

同樣， 氫醌被外來氧氣氧化時放出的能量很多，也需要將其盡量儲存。 氧的氧化還原電位為+0.82 V， 比硝酸鹽的+0.42 V 高近一倍， 用同樣的醌機制轉移氫離子，會造成很大的能量浪費。為避免這種浪費， 生物將氫醌氧化的過程分為兩大步，由膜上的2 個蛋白復合物分別催化。第1 步，用“細胞色素bc1復合物”（cytochrome bc1complex）氧化氫醌，將電子傳遞給“細胞色素c”。 這一步能量轉化的機制仍然是氫醌氧化時轉移氫離子。 第2步，用細胞色素c 還原氧分子，能量轉化過程就不是通過醌分子（這里也沒有醌分子的參與），而是通過蛋白復合物形狀的變化“泵”氫離子。 催化該反應的蛋白復合物稱為“細胞色素c 氧化酶”（cytochrome c oxidase）。 這樣， 氫醌被外來氧氣氧化時所釋放的能量，由2 個蛋白復合物分段轉化，用不同的機制建立跨膜氫離子梯度， 效率比單一的酶提高很多。

更重要的是，細胞色素bc1復合物，還與醌分子一起，成為光合作用電子傳遞鏈中的重要組成部分。但至此，只介紹了醌分子的構造和作用，還沒有介紹還原和氧化醌的蛋白質分子的結構，在光合作用中，光驅動電子還原醌分子的蛋白質也有類似的結構。 為了更好地了解光合作用的分子機制，有必要先介紹傳遞電子的蛋白復合物的結構。

（待續）