1700257843
1700257844
1700257845
1700257846
1700257847
图2—15 汉斯·克雷布斯（左）和弗里茨·李普曼（右）。（SmithsonianInstitution摄）
1700257848
1700257849
生命的起源：所有生命的共同祖先在40亿年前是怎样诞生的？ [:1700256292]
1700257850
·电子传递链·
1700257851
1700257852
但那个氢与氧结合的地方，我们早就找到了。
1700257853
1700257854
早在19世纪，生物学家们就已经认识了红细胞里的血红蛋白，发现是含铁的血红素携带了氧分子，于是推测在身体的其他细胞内还有另外一种“细胞色素”，这种细胞色素用类似的机制结合氧分子，实现细胞呼吸。而在1918年到1923年，德国骑兵兼生物学家，奥托·瓦尔堡（Otto Heinrich Warburg，1883—1970）真的在细胞内发现了一种“含铁的呼吸酶”，发现它能提高细胞有氧呼吸的效率，并且确信它也含有血红素，因为这一突破，他获得了1931年的诺贝尔奖。
1700257855
1700257856
现在我们知道，瓦尔堡发现的含铁氧化酶就镶嵌在线粒体的内膜上。那些在三羧酸循环中被辅酶带走的氢，真的就是在这种酶的催化之下，与氧分子结合成了水，而且这种结合也的确是因为这种酶中含有血红素[9]。
1700257857
1700257858
但这件事还是没有听上去的那么直接——正如这一章刚开始就担忧的，氢与氧的直接结合会释放出大量的能量，足够把细胞烧死，所以这种含铁氧化酶要完成使命，还必须有另外三种酶配合工作，先把氢中的能量卸载得差不多，再以最温和的方式制造水分子。
1700257859
1700257860
1700257861
1700257862
1700257863
图2—16 奥托·瓦尔堡因发现呼吸酶的性质和作用方式，获得1931年诺贝尔生理学或医学奖。
1700257864
1700257865
1700257866
1700257867
1700257868
图2—17 电子传递链（注意黑色的小圆点的流向——这张图还没有画完）。（作者绘）
1700257869
1700257870
说得具体一点儿也并不难以理解。另外三种酶会把氢原子拆成氢离子和电子，前者是非常温和的东西，水环境里有无穷多的这玩意儿，根本不用理会，随意扔掉即可；而那个电子则是“还原性”的本体，能量大得很，这三种酶会接力传递它，使它的能量逐渐降低，最后再传递给那个含铁的氧化酶。这恰似两只手来回抛接一颗刚出锅的糖炒栗子，待到它冷却了，才送进嘴里——只是那些酶的动作要快得多，平均每分钟能传递上万个电子。
1700257871
1700257872
在那个含铁氧化酶上，这些“冷却”的电子会把氧分子还原成氢氧根离子。而氢氧根离子也是水环境里很温和的东西，它再随便结合一个同样温和的氢离子，就成了水分子，从此汇入细胞内的水环境去，事儿就成了。
1700257873
1700257874
这一整套通过传递电子，最终把氢和氧化合成水的大型酶系统，就叫作“电子传递链”。如图2—17所示，瓦尔堡发现的含铁氧化酶就是其中最后一环——“复合物IV”，而那三种配合工作的酶，就分别被称为复合物I、复合物II[10]和复合物III。第二章里我们说过，细胞内负责呼吸的关键的酶有许多都是铁硫蛋白，那说的就是电子传递链上的这四种复合物。
1700257875
1700257876
在人体内，每个活跃的细胞内都有成百上千个线粒体，每个线粒体的内膜上又都有数万套电子传递链，如果将一个成年人体内的线粒体内膜全部铺展开，面积将超过4万平方米，或者四五个足球场。
1700257877
1700257878
但我们关心的问题非但没有解决，反而变得更加复杂了：到此为止，有机物已经彻底氧化成了二氧化碳和水，可这个“电子传递链”仍然不产生任何ATP ！
1700257879
1700257880
不仅如此，电子传递链传递电子的速度并不稳定，毕竟细胞内糖和氧的供给并不稳定。有时候进入线粒体的丙酮酸和氧分子多一些，电子传递链传递的电子就多一些，反过来，传递的电子就少一些。然而只要不是长时间的饥饿或窒息，线粒体生产ATP的速度就是稳定的，就好像是两件不相干的事情。
1700257881
1700257882
进一步，1分子葡萄糖经过充分氧化究竟能够产生多少分子的ATP，也竟然是个概数——28个以上，38个以下。对于哪怕只学过初中化学的读者来说，这也是万分诡异的事情，因为化学反应不可能违背物质守恒定律，有确定量的反应物，就应该有确定量的生成物，而如今，在线粒体上竟然出现了例外。
1700257883
1700257884
面对越来越多的谜团，在20世纪中叶，整个生物化学界都相信电子传递链中还有尚不明确的中间物质，相信那些电子逐渐释放出来的能量被中间物质储存起来，再经过某种“ATP合酶”的催化，最终存入新合成的ATP。这被称为“底物水平磷酸化”，在糖酵解和三羧酸循环中，我们已经明确的那4分子ATP都是这样生成的，当时的人类也就只知道这一种能量代谢机制。
1700257885
1700257886
所以整个生物化学界都觉得胜利的曙光近在咫尺，数不清的团队争先恐后展开了科研竞赛，试图率先找到那个中间物质，完成细胞呼吸的最后一块拼图。但奇怪的是，经过了长达20多年的苦苦搜寻，没有任何人能找到这种物质，我们再熟悉不过的呼吸作用，竟然就这样陷入了认知的僵局。
1700257887
1700257888
1700257889
1700257890
1700257891
图2—18 人们相信ATP合酶会催化某种未知物质用末端的磷酸交换ADP末端的羟基，合成ATP。（作者绘）
1700257892