胞的条件下进行酒精发酵产生浓厚的兴趣时，在他的生活道路上就出现了转折点。
1897年他加入了詹纳预防医学并开始研究酒精发酵。1904年他把酵母提取物放入一个由半渗透薄膜制成的袋内，并将此袋放入纯水中。这样，酵母提取物中的小分子便通过薄膜进入水中，而大分子则因不能通过薄膜而留在袋内。这一过程称为渗析。这种渗析技术起源于格雷姆时代。哈登发现，当他这样处理时，酵母酶的活性消失，它不再使糖发酵了。然而，如果他将渗析至袋外的水加入袋内的物料中，则活性又恢复。看来，酵母酶似乎是由两部分组成的，一部分是小分子，另一部分则是大分子。如果将袋内的物料煮沸，则活性消失，即使袋内加入了袋外之水也是如此。因此，大部分分子多半是蛋白质。小分子经受住了煮沸，因而多半不是蛋白质。后者是“辅酶”的第一个实例，它是一种不是蛋白质的小分子，这种小分子对于酶的作用是不可少的，而酶本身则是一种蛋白质。奥伊勒-凯尔平等研究了辅酶的化学性质，并弄清了下述事实：维生素对于生命之所以重要是由于它们组成了辅酶的一部分；维生素是由艾克曼首先发现的。酶是一种催化剂，由于酶只需要微小的剂量，所以辅酶、维生素也只需要微小的剂量。这就说明了为什么某种物质对生命来说是必不可少的，但对这种物质的需要量却是痕量的。铜、钴、锰和钼这些矿物质只需要痕量这个事实也可以用同样的理由解释。它们也是辅酶的一部分。哈登注意到了另外一件有趣的事情。开始时，酵母提取物非常迅速地将葡萄糖分解并产生二氧化碳，但是随着时间的推移，其活性逐渐降低。因此，人们很自然地认为，酶是随着时间的推移而逐渐分解的。然而，哈登在1905年证明实际情况不是这样的。如果把无机磷酸盐加入溶液中，则酶又恢复到原来的活性。这是一个奇妙的发现，因为被发酵的糖，产生出来的酒精和二氧化碳以有酶本身都不含磷。由于无机磷酸盐消失了，所以哈登就寻找由无机磷酸盐形成的有机磷酸盐，结果发现在一个糖分子上附着两个磷酸盐基团这样的结构形式。在发酵过程中，就形成了这样的糖分子，此后，在发生了许多其他的化学反应之后，这两个磷酸盐基团又脱离了糖分子。这是对中间代谢作用进行研究的开端；研究中间代谢作用，就是要探索在活组织内不断发生着的各种化学反应过程中生成的许多作为中间体的化合物，这些中间体有时存在的时间非常短暂。现今，中间代谢是生物化学中最活跃和最重要的分支之一。而且，哈登的工作使化学家逐步认识到下述事实：磷酸盐基团在生物化学的每一方面都起着基本的作用。大约三十年之后，这一认识过程由于科里夫妇和李普曼的工作而达到了高潮；科里夫妇的工作是最终地确定了发酵过程的精确细节；李普曼的工作是发展了高能磷酸盐键的概念。
哈登提出辅酶的概念，证明辅酶在发醇中的作用。对果糖-1，6-二磷酸（哈登-杨酸）等的成醇发酵有突破性研究，提出磷酸的量对发酵的影响的哈登-杨式、磷酸与发酵速度之关系的哈登-杨效应等。因对糖发酵和酶的作用的研究，与瑞典化学家*奥伊勒-歇尔平合获1929年诺贝尔化学奖。著有《成醇发酵》、《实用有机化学》等。
1899年6月12日，美籍德裔生物化学家李普曼诞生于德国。李普曼在鸽肝浸出物中发现一种催化性能活跃而又耐热的因子，1947年分离成功，1953年确定其分子结构，并定名为辅酶A。李普曼因此与克雷布斯共获1953年诺贝尔生理学和医学奖。
AT 究通历报 2010年第45卷第12期
P研
任衍钢
(阳泉师范高等专科学校
程术
樊广岳
山西阳泉045200)
摘要 ATP是细胞内能量流的重要物质。ATP的发现和认识过程是20世纪生命科学的
重要进展。从ATP的发现过程到生物体内ATP的合成机制的研究作了简要的回顾 主要对
ATP的发现、ATP概念的建立、ATP的生理作用的揭示、ATP合成的“化学假说”、“化学渗透
说”、“构象假说”和“结合变化机制”的提出和内容作了介绍
关键词 ATP ATP合成酶 合成机制
中国图书分类号：Q一1 文献标识码：E
ATP(adenosine triphosphate)是细胞内能量流
的重要物质，被喻为生物体内的“能量硬币”．在
生物体新陈代谢中占据重要位置。由于ATP在生
物体内如此重要，已成为科学家研究和关注的热
点。在2O世纪的诺贝尔奖中，有4项是与ATP有
关的，其中化学奖3次，医学或生理学奖1次。
ATP是怎样发现的，科学家又是如何研究它的合
成机制的，本文对20世纪ATP的发现和认识作
一个简要的历史回顾。
1 ATP 的发现与认识
ATP被认为最早是由德国生物化学家罗曼
(Karl Lohmann)和费斯克(C．H．Fiske)等分别在
A54．某些后生动物的共同起源特征如下，识
别所有的进化树，哪一个包括了下面的叙述。
I．具有担轮幼虫是软体动物和环节动物的共
同起源特征。
Ⅱ．蜕皮是节肢动物和线虫纲的共同起源特
C
征。
Ⅲ ．脊索是尾索动物和头索动物的共同起源
特征。
Ⅳ．从胚孑L到形成肛门的发育是尾索动物、头
索动物和棘皮动物的共同起源特征。
1929年发现的：、然而，关于磷酸基的生理作用可追
溯到1905年。英同化学家哈登(A·Harden)和扬
(W．J，Yong)在研究酵母细胞把糖变成乙醇时，首
先认识到它具有重要的生理作用。1927年，德国
生物化学家费斯克和萨巴罗从肌肉提取液中发现
一种高能化合物—— 磷酸肌酸。他们发现，当肌肉
收缩时，磷酸肌酸分解为磷酸和肌酸，放出能量；
当复原时，义恢复为磷酸肌酸。不久著名的德国生
物化学家迈耶霍夫(Meyerhof，Otto Fritz)和他的助
手罗曼在无脊椎动物的肌肉中发现精氨酸，并证
明磷酸肌酸和磷酸精氨酸水解时都放出大量的
热 1929年费斯克(C．H．Fiske)和罗曼2组科学家
分别独立地从肌肉中发现了一种焦磷酸盐与腺苷
酸联系的化合物。1934年，罗曼又发现，加入这种
化合物可以促进透析过的肌肉抽提物催化磷酸肌
酸(CP)水解成肌酸(C)和无机磷酸盐(P)，同时这
种化合物被分解成腺苷单磷酸(AMP)和2份磷
酸。由此，他推断ATP在以下磷酸肌酸水解过程
中只是充当“辅酶”的角色：① AMP+2CP—ATP+
2C ②ATP+2H 0一AMP+2P。这2个反应的总反应
式为：2CP+2H2O~2C+2P。1935年，罗曼进～ 步确
定了这种化合物的分子式为i磷酸腺苷 ATP是
三磷酸腺苷英文(adenosine triphosphate)的缩写，
“ adenosine”是腺苷的意思，“tri”是3的意思。同
年，前苏联生物学家Vladimir Engelhart(俄文名
为：B．A．DHre3brap~T)首先注意到肌肉收缩需要
ATP。而在这之前，科学家只是把ATP作为分解代
谢的终产物来看待的。著名的生理学家，1922年
诺贝尔生理学或医学奖获得者希尔(A．V．Hil1)在
后来总结肌肉收缩能量变化的研究时，称ATP的
发现是“肌肉生理研究的革命”
ATP的发现引起了众多科学家的兴趣。美籍
德裔生物化学家李普曼(Fritz Albert Lipmann)从
2O世纪30年代起就把他的研究重心转移到ATP
上来。这期问，他发现，丙酮酸氧化和乙酸活化都
同磷酸盐有某种联系。1941年，他在创刊的《酶学
进展》杂志上发表了一篇重要的综述文章“磷酸键
能在代谢中的产生和利用”(Metabolic Generation
and Utilization of Phosphate Bond Energy)。这篇文
章总结了30年代科学家对ATP的研究，并对磷酸
键在能量转换和生物合成中的功能作了进一步的
概括，阐明ATP是生物化学能量的普遍载体．并建
议用符号“～”代表这种携带可供能的键。由于李普
曼在这方面杰L叶l的工作和发现了辅酶A等一系列
研究成果，他和i羧酸循环的发现者克里布斯(H．
Krebs)分享了1953年的诺贝尔生理学奖。
既然ATP是如此的重要，科学家对ATP的合
成也表现出极大的兴趣。1948年，苏格兰化学家
托德(Alexander Robertus Todd)因首次用化学方法
人T合成ATP和其他方面的系列研究获得了
1957年的诺贝尔化学奖。
2 生物体内ATP形成机制的研究
关于生物体内ATP的形成机制的研究一直
是生命科学家关注的重点和热点。早在1937年，
丹麦生物学家赫尔曼(Herman Kalekar)就发现，
ATP的合成与细胞呼吸有关系。到了20世纪40～
50年代，科学家则进一步发现，在细胞呼吸或光
合作用期间，线粒体或叶绿体内的ATP浓度明显
的上升。1953年，在荷兰长期工作的澳大利亚籍
生物化学家斯莱特(E．C．Stlater)提出氧化偶联的
“化学假说”。该假说认为，电子传递过程释放的
化学能导致含高能键中间产物的形成。后者被转
移到ADP而形成ATP。这个学说在20世纪50年
代占统治地位，有关氧化磷酸化的现象曾经几乎
都用它来解释。
1961年，R．J．P．Willams依据一些实验指出，没
有发现什么高能中问产物，ATP是在质子的驱动
下通过呼吸链的酶和光合蛋白传递能量中合成
的。同年英国生物化学家米切尔(P．D．Miteehe1)提
出了当时未引起人们注意的“化学渗透说”(che—
miosmotic hypothesis)。该学说认为，呼吸链的各组
成成分在线粒体内膜中呈不对称分布 当电子在
膜中迂回传递时，所释放的能量将质子由膜内(基
质)泵至膜外(内外膜间隙)，从而使内膜外的质
子浓度高于内膜内即内膜外较膜内pH值更低一
些。这样形成的跨膜的质子电化学梯度包括2个
内容：跨膜的电位差和膜内外的pH差。在这个梯
度的驱动下，质子穿过膜上的ATP酶复合体回流
人膜内，其能量促使ADP和Pi合成ATP。1966
年，化学渗透说进一步完善和成熟，并且获得了不
少证实。实验证明，人为地改变酸碱环境．造成内
膜两边的离子浓度差，也可促使ATP的形成。为
此，米切尔获得了1978年的诺贝尔化学奖 但是．
关于跨膜的质子电化学梯度如何通过ATP酶使ADP+Pi合成ATP的问题还没有解决。
ADP*Pi ATPHLO
2010年第45卷第12期
线粒体内外膜间隙
化学渗透说解释线粒体形成ATP模式简图
那么，ATP酶是如何从事合成ATP的工作
呢?1960年，美国生物化学家瑞克(Efraim Racker1
终于成功地从线粒体内膜上分离出了ATP合成
酶的突出部分。由于它是首次被定义与细胞呼吸
耦联的因子，因此被命名为F (Factor1)，1965年，
瑞克和Kagawa又解析出嵌入膜中的部分，并命名
为Fo(Factor of oligomycin)。从此，将分离出来的复
合体合称为FoF1ATPase，即ATP合成酶(ATP syn—
thase)。那么，ATP合成酶又是怎样工作的呢?1964
年，美国化学家博耶(Paul·D·Boyer)和格林(D·
E·Green)提出了“构象假说(Conformational COU．
pling hypothesis)”。认为呼吸链上的电子传递使呼
吸链中蛋白质发生构象变化，使能量暂时储存在
肽链的折叠之中．然后这种高能形式通过ATP的
合成而恢复其原来的构象。1977年，他又通过对
F 复合体的研究，提出了关于线粒体内合成ATP
的“结合变化机制”(Binding change mechanism)。
他发现，F 就像一个可以转动的三缸发达机，在
穿过膜的质子流的驱动下，机轴—— 亚基转动，
带动3个B和Ot亚基的旋转，并使B亚基发生构
像变化，导致ATP的形成。因此F 又被称之为
生命体内的“转动分子马达(rotary molecular mo．
tor)”。博耶的假说提出后，当时就受到很多间接实
验的支持。1994年，英国科学家沃克(J．Walker)通
过X光衍射获得高分辩率的牛心线粒体ATP酶
晶体的三维结构， 证明在ATP酶合成ATP的催
化循环中3个B亚基的确有不同构象，从而有力
地支持了博耶的假说。为此，博耶、沃克和发现
Na／K泵(Na+／K+一ATPase)的丹麦化学家斯科(J．C．
Skou)3人分享了1997年的诺贝尔化学奖。1997
年．日本科学家Noji等运用单分子技术直接观察
到了F，ATP酶的转动。
TT+
O ● 口O
ATP合成酶模式简图
进入新世纪后，科学家对ATP合成酶单分子
进行进一步的研究。20o4年，日本早稻田大学的
Kinosita小组的hoh．Hiroyasu等和德国Graber小
组的科学家在体外分别用磁钳和质子梯度钳在体
外实现了ATP的合成。2007年，13本科学家又用
磁摄结合全内发射荧光技术确认了磷酸根的释放
是个动力学过程。
ATP合成酶被认为是自然界最精妙的纳米机
器之一，是世界上最小的马达蛋白，它的发现是
20世纪分子生物学上的一个重要进展。这方面的
研究先后有6位科学家获诺贝尔奖。人类对ArP
的认识是一个不断继承和深化过程．科学是无止
境的，神秘的ATP正在进一步被我们揭开。
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