哲學家和詩人都曾經認真地描寫生命的火焰。十六世紀的煉金術士帕拉塞爾蘇斯（Paracelsus）甚至明確宣稱：“人的死亡就像火焰失去了空氣。”雖然隱喻被認為可以闡明真理膜赃，但我懷疑哲學家們會對“現代化學之父”拉瓦錫示以輕蔑：拉瓦錫（Lavoisier）認為生命的火焰不僅僅是一個隱喻躺坟，而是和真正的火焰一樣美侦。拉瓦錫以一種非詩意的科學語言說道，燃燒和呼吸本就是同一個過程棺妓。在1790年寄給法國皇家學院的一篇論文中，拉瓦錫爾寫道：
呼吸是碳和氫的緩慢燃燒炮赦，和燈或點燃的蠟燭中所發(fā)生的很類似怜跑，在這一意義上，呼吸著的動物就是燃燒并消耗著的活的可燃物體……是動物中最基本的成分——血液吠勘，運輸著燃料性芬。如果動物不通過日常性的給自己提供營養(yǎng)來補充它們在呼吸中的損失，那么燈很快就會耗盡油料看幼，動物將會死亡批旺，就像燈在沒有燃料時會熄滅那樣。
碳和氫都是從食物中存在的有機燃料中獲取的诵姜，例如葡萄糖汽煮，所以拉瓦錫在說呼吸的燃料是由食物補充的時是對的∨锼簦可惜的是暇赤，他沒再能向前一步。四年后宵凌，拉瓦錫在法國大革命中在斷頭臺丟掉了腦袋鞋囊。在伯納德·賈菲（Bernard Jaffe）的著作「坩堝」中，他認為這一事件需要“后代的評判”：“直到人們意識到法國大革命最嚴重的罪行不是國王而是拉瓦錫的處死前瞎惫，價值都不能被正確評估溜腐；因為拉瓦錫是法國所誕生的最偉大的三四個人之一译株。“大革命一個世紀之后挺益，在19世紀90年代歉糜，一尊拉瓦錫的公共雕像揭開了面紗。但是后來卻發(fā)現望众，雕塑家使用的不是拉瓦錫的臉匪补，而是拉瓦錫人生最后幾年中學院的秘書長孔多塞（Condorcet）的臉。法國人務實地決定“無論如何烂翰，戴假發(fā)的所有男人看起來都很像”夯缺，然后將雕像一直保留到第二次世界大戰(zhàn)期間才將它融化。
雖然拉瓦錫徹底改變了我們對呼吸的化學本質的理解甘耿，但他不知道它在哪里進行的—— 他相信它肯定是在血液通過肺部時進行的踊兜。 事實上，在十九世紀的大部分時間里棵里，呼吸進行的位置都仍然存在爭議润文，直到1870年，德國生理學家愛德華.菲戈（Eduard Pflüger）才最終說服生物學家殿怜，呼吸是發(fā)生在身體的每個細胞里的典蝌，它是活細胞的基本屬性。 即便如此头谜，也沒有人確切知道呼吸到底在細胞的何處進行骏掀；它通常被認為在細胞核里。 1912年柱告，B.F金斯布里（B. F. Kingsbury）認為截驮，呼吸實際上發(fā)生在線粒體里，但這一點直到尤金·肯尼迪（Eugene Kennedy）和阿爾伯特.列寧（Albert Lehninger）在1949年首次證明呼吸酶位于線粒體中時才被普遍接受际度。
呼吸中葡萄糖的燃燒是一種電化學反應——或者更確切的說葵袭，氧化反應。根據現代的定義乖菱，如果一種物質失去電子坡锡，它就會被氧化。氧氣（）是一種強氧化劑窒所，因為它對電子具有強烈的化學“饑渴”鹉勒，并且往往會從葡萄糖或鐵等物質中獲取它們。相反吵取，如果物質獲得電子禽额，物質就會被還原。因為氧氣從葡萄糖或鐵中獲取電子皮官，所以它就被還原為水（
）脯倒。注意实辑，在形成水時，氧分子的每個原子也得到兩個質子（H）以平衡電荷藻丢♂悴ぃ總的來說，葡萄糖的氧化等同于將兩個電子和兩個質子——也就是兩個完整的氫原子——從葡萄糖轉移到氧郁岩。
氧化和還原反應總是成對出現的，因為電子不能穩(wěn)定單獨存在——它們必須從另一種化合物中獲得缺狠。將電子從一個分子轉移到另一個分子的任何反應都稱為氧化還原反應问慎，因為一個分子被氧化而同時另一個被還原〖非眩基本上生命中所有能生成能量的反應都是氧化還原反應如叼。氧氣并不總是必需的。許多化學反應因為電子被轉移而被歸為氧化還原反應穷劈，但它們并不都涉及氧氣笼恰。 甚至電池中的電流也可以被認為是氧化還原反應，因為電子從正極（其逐漸被氧化）流到負極（其逐漸被還原）歇终。
當說到呼吸是燃燒或氧化反應時社证，拉瓦錫在化學上來講是正確的。然而评凝，他不僅在呼吸位置上犯了錯誤追葡，他還在其作用上犯了錯誤：他認為呼吸是用來生成熱量的，他認為熱量是一種堅不可摧的流體奕短。但顯然我們的用途跟蠟燭不一樣宜肉。當我們燃燒燃料時，我們不會簡單地將能量作為熱量輻射出去翎碑，我們用它來奔跑谬返，思考，鍛煉肌肉日杈，做飯遣铝，做愛，或者也可以做蠟燭达椰。所有這些任務都可以定義為“做功”翰蠢，它們需要輸入能量——而不會自發(fā)的發(fā)生。要對呼吸的這一方面有所理解啰劲，需要等人們能更好地了解能量的本質才行梁沧，而這只能等19世紀中期熱力學科學誕生之后了。最具啟發(fā)性的發(fā)現是由英國科學家焦耳（James Prescott Joule）和開爾文伯爵（William Thompson（Lord Kelvin））在1843年發(fā)現的蝇裤，熱量和機械功是可以互換的——這是蒸汽機的原理廷支。這形成了一種更加普適化的解釋频鉴，即之后被稱為熱力學第一定律的：能量可以從一種形式轉換為另一種形式，但從不能被創(chuàng)造或消滅恋拍。1847年垛孔，德國醫(yī)生兼物理學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz）將這些思想應用于生物學，他證明呼吸中食物分子釋放的能量有部分用于在肌肉中生成力施敢。在一個仍然陷于“活力論”——一種認為生命是由特殊的力量或精神所激發(fā)周荐，而不能僅通過化學反應來實現的理論——的時代，將熱力學解釋應用在肌肉收縮上僵娃，是一種非常卓越的機械論的洞察力概作。
對能量的新的理解最終促使人們認識到分子鍵隱含一種“潛在”的能量，當它們作出反應時會被釋放出來默怨。這些能量中的一部分可以被生物獲取或以不同的形式保存讯榕，然后被引導去做功，例如肌肉的收縮匙睹。出于這個原因愚屁，我們不能說生物中的“能量生成”，雖然這是我也偶爾會錯誤的使用的一個方便的短語痕檬。當我說能量生成時霎槐，我的意思是將潛在能量（隱藏在像葡萄糖等燃料的分子鍵中）轉化為生物體用來為各種形式的做功提供動力的生物能源“通貨”中；換句話說梦谜，我的意思是生成更多的做功通貨≡匝啵現在，我們的故事轉向了這些能量通貨改淑。
細胞中的色彩
到19世紀末碍岔，科學家們已經知道呼吸是在細胞中進行的，是生命各個方面的能量來源朵夏。 但它是如何實際運作的——葡萄糖氧化釋放的能量如何與生命的能量需求相結合的——就得靠猜了蔼啦。
顯然，葡萄糖在氧氣存在下不會自燃仰猖∧笾化學家認為，氧氣具有熱力學反應性饥侵，但動力學穩(wěn)定：它不會快速反應鸵赫。這是因為氧氣必須先“激活”然后才能反應。這種激活需要輸入能量（如火柴）或催化劑躏升，催化劑是降低反應進行所需的活化能的物質辩棒。對于維多利亞時代的科學家來說，任何參與呼吸的催化劑似乎都含有鐵，因為鐵對氧具有高親和力——例如生銹——但也可以可逆地結合氧一睁。一種已知含有鐵钻弄，并可以可逆地與氧結合的化合物是血紅素，這種色素賦予紅細胞以色彩者吁；也正是血液的顏色窘俺，為呼吸是如何在活細胞中進行的，提供了第一條線索复凳。
諸如血紅素之類的色素是有顏色的瘤泪，因為它們吸收特定顏色的光（光帶，如彩虹中的光）并反射其他顏色的光育八。被化合物吸收的光的譜系被稱為其吸收光譜均芽。當結合氧時，血紅素吸收光譜中的藍綠光和黃光单鹿，但反射紅光，這就是為什么我們看到的動脈血為鮮艷的紅色深纲。靜脈血中仲锄，當氧從血紅素中脫離時，吸收光譜也發(fā)生了變化湃鹊。脫氧血紅素吸收光譜中的綠光儒喊，并反射回紅光和藍光。這使靜脈血呈紫色币呵。
鑒于呼吸發(fā)生在細胞內怀愧，研究人員開始在動物組織而不是血液中尋找類似的色素。首次成功來自一位名叫查爾斯.麥克芒恩（Charles MacMunn）的愛爾蘭實習醫(yī)生余赢，他在他的馬廄上的干草閣樓里的一個小實驗室里工作芯义，在業(yè)余時間進行研究。他會通過墻上的一個小缺口看著病人走進來妻柒，如果他不想被打擾扛拨，他會通知他的管家。1884年举塔，麥克芒恩在組織里發(fā)現了一種色素绑警，其吸收光譜的變化方式與血紅素相似。他聲稱這種色素肯定是備受追捧的“呼吸色素”央渣，但可惜的是麥克芒恩無法解釋其復雜的吸收光譜计盒，甚至無法證明光譜完全歸因于它。他的研究結果就這樣無聲的被人們遺忘了芽丹，直到劍橋的波蘭生物學家大衛(wèi).凱林（David Keilin）于1925年重新發(fā)現了該色素北启。據說凱林是一位才華橫溢的研究員，鼓舞人心演講家，很善良暖庄，他將此發(fā)現的首要功勞歸在麥克芒恩身上聊替。事實上，盡管如此培廓，凱林比麥克芒恩的觀察結果走的更遠惹悄，他發(fā)現光譜不是源于一種色素，而是三種肩钠。這使他能夠對困擾麥克芒恩的復雜吸收光譜做出解釋泣港。凱林將這種色素命名為細胞色素（Cytochromes，細胞的色素）价匠，并根據條帶在吸收光譜上的位置分別加上a当纱，b和c后綴以示區(qū)分。這些后綴今天仍在使用踩窖。
然而坡氯，奇怪的是，凱林的細胞色素不與氧氣直接發(fā)生反應洋腮。顯然有些東西被忽視掉了箫柳。這一被忽視掉的環(huán)節(jié)是由德國化學家奧托華寶（Otto Warburg）（在柏林）闡述的，他因此項工作獲得了1931年的諾貝爾獎啥供。我用“闡述”這個詞悯恍，是因為華寶的觀察是間接的，并且非常巧妙伙狐。和血紅素不同涮毫，呼吸色素而在細胞內肯定是以極少量存在的，不能被當時粗略和現成的技術直接分離研究贷屎。相反罢防，華寶利用了一種奇怪的化學特性——一氧化碳在黑暗中將與鐵化合物結合，并在有光時與它們分離——以計算出他稱之為“呼吸酵素”（注1）的吸收光譜唉侄。這一光譜結果是屬于一種鐵氯化合物（haemin component）的篙梢，與血紅素和葉綠素（在光合作用中吸收陽光的植物中的綠色色素）類似。
有趣的是美旧，呼吸酵素對光譜中的藍色部分強烈吸收渤滞，卻反射回綠色，黃色和紅色光榴嗅。 這呈現一種棕色色調妄呕，而不是血紅素那樣的紅色，也不像葉綠素的綠色嗽测。然而绪励，華寶發(fā)現簡單的化學變化就可以使該酵素變成紅色或綠色肿孵，其光譜與血紅素或葉綠素非常相似。這使他在諾貝爾獎演講中表達了一個假說疏魏，即“血液色素和綠葉色素都來自這種酵素……顯然停做，這種酵素比血紅素和葉綠素誕生的更早〈竽”他的話暗示呼吸作用是在光合作用之前進化出來的蛉腌，這是一個有遠見的結論，正如我們將要看到的那樣只厘。
注1：呼吸作用可以在黑暗中將細胞暴露于一氧化碳來使之停止烙丛，并通過重新照射細胞再次開始，這導致與一氧化碳的分離羔味。華寶認為呼吸速度取決于一氧化碳（CO）在照射后分離的速度河咽。如果他以容易被該酵素吸收的波長照射，CO會迅速分離赋元，他就會測量快速的呼吸速率忘蟹。另一方面，如果該酵素不吸收特定波長的光搁凸，則CO不會分離媚值，并且呼吸將保持關閉。通過使用31種不同波長的光（由火焰和蒸汽燈產生）照射該酵素坪仇，并測量每種情況下的呼吸速率，Warburg拼合出了該酵素的吸收光譜垃你。
電子傳遞鏈（呼吸鏈）
盡管取得了這些重大進展椅文，但華寶仍然無法領會呼吸作用到底是如何進行的。在他獲得諾貝爾獎時惜颇，他似乎傾向于認為呼吸是一步到位的過程（釋放束縛在葡萄糖中的所有能量）皆刺，并且無法解釋大衛(wèi).凱林的細胞色素在整個過程中如何起作用。與此同時凌摄，凱林正在提出呼吸鏈的概念羡蛾。他想象氫原子或者至少是它們的組成成分，即質子和電子锨亏，會從葡萄糖中剝離出來的痴怨，然后從一個個細胞色素的鏈條中傳遞下來，就像消防員傳遞水桶一樣器予，直到它們和氧氣反應生成水浪藻。這一系列小步驟的優(yōu)勢在哪里？任何見過20世紀30年代興登堡災難事件——有史以來建造的最大齊柏林飛艇——結局照片的人乾翔，都會承認氫氣與氧氣反應會釋放巨量的能量爱葵。凱林表示，通過將這一反應分解為多個中間步驟，每一步都可以釋放出少量且可控制的能量萌丈。這種能量可以在以后（以某種方式仍未知的方式）用于諸如肌肉收縮的工作赞哗。
凱林和華寶在20世紀20年代和30年代一直保持著通信，他倆在很多方面都意見相左辆雾。諷刺的是肪笋，反而是華寶給了凱林的呼吸鏈的概念更多信證，他在20世紀30年代發(fā)現了呼吸鏈中一個額外的非蛋白質成分乾颁，現在被稱為輔酶涂乌。由于他的新發(fā)現，華寶在1944年獲得了第二個諾貝爾獎英岭，但是湾盒，作為猶太人，他被希特勒禁止領獎（盡管受到華寶的國際聲望的影響诅妹，希特勒并沒有關他監(jiān)禁罚勾，或者對他做更糟糕的事）】越疲可惜的是尖殃，凱林對呼吸鏈結構和功能的深刻見解從未使其獲得諾貝爾獎，這毫無疑問是諾貝爾委員會的疏忽划煮。
于是可以合并成如下的整體圖景送丰。葡萄糖被分解成較小的片段，這些片段被送進一個逐步剝離循環(huán)往復的前后相連的反應弛秋，即三羧酸循環(huán)（Krebs Cycle器躏，注2）。這些反應將碳原子和氧原子剝離出來蟹略，并將它們作為二氧化碳廢物排出登失。氫原子與Warburg的輔酶結合并進入呼吸鏈。在那里挖炬，氫原子被分裂成電子和質子揽浙，它倆接下來的路徑不同。我們稍后會研究質子會如何進行意敛；現在馅巷，我們將專注于電子。它們通過一串電子載體沿著整條鏈進行傳遞草姻。每個載體依次被還原（獲得電子）令杈，然后被鏈中的下一個環(huán)節(jié)氧化（失去電子）。這意味著呼吸鏈形成了一串兒氧化還原反應碴倾，因此就像一根細小的電線逗噩。電子以每5至20毫秒約1電子的速率從一個載體向下傳輸到另一個載體掉丽。每個氧化還原反應都釋放能量——也就是說，每個都釋放出可用于做功的能量异雁。在最后一步中捶障，電子從細胞色素c傳遞到氧氣，在那里它們與質子重新結合形成水纲刀。最后的反應發(fā)生在華寶的呼吸酵素中项炼，其由凱林重新命名為細胞色素氧化酶，因為它使用氧氣來氧化細胞色素c示绊。凱林的這一命名今天仍在使用锭部。
今天我們知道呼吸鏈是由四個巨大的分子復合物組成的，它們都鑲嵌在線粒體的內膜上（圖5）面褐。 每個復合物都是碳原子的數百萬倍大拌禾，但即便如此，它們在電子顯微鏡下也幾乎看不到展哭。 單個復合物是由許多蛋白質湃窍，輔酶和細胞色素組成的，包括凱林和華寶發(fā)現的那些匪傍。 奇怪的是您市，線粒體基因編碼其中一些蛋白質，而核基因編碼其中另外一些蛋白質役衡，因此復合物是由兩個獨立的基因組編碼的混合茵休。在單個線粒體的內膜中就嵌入了數萬個完整的呼吸鏈。這些鏈看上去在空間上是彼此分離的手蝎，但實際上甚至單個鏈內的復合物似乎在空間上也是彼此獨立的榕莺。
注2：漢斯·克雷布斯（Hans Krebs）爵士因闡明這一循環(huán)而在1953年獲得了諾貝爾獎，盡管許多其他人也對其的詳細理解做出了貢獻柑船。 1937年克雷布斯關于該循環(huán)的開創(chuàng)性論文遭到了《自然》雜志的拒稿帽撑，這是他個人的一個挫折泼各，卻是對幾代失意生物化學家的鼓勵鞍时。除了其在呼吸中的核心作用外，三羧酸循環(huán)也是細胞制造氨基酸扣蜻，脂肪膘盖，血紅素和其他重要分子的起點毛秘。 很可惜這本書無法詳細討論它。
ATP：能量通貨
雖然凱林的早期的呼吸鏈概念在其基本要素上是正確的锦援，但也許最重要的問題仍然沒有答案——能量是如何保存的，而不是當場就用掉戚嗅？能量是通過電子沿呼吸鏈向氧氣傳遞而釋放的雨涛，但卻是在細胞的其他地方消耗掉的，通常是稍后在線粒體外部消耗掉的懦胞。一定得有某種媒介替久，可能是某種分子，可以保存呼吸中釋放的能量躏尉，然后將其轉移到細胞的其他區(qū)域蚯根，并將其用于某種做功中。無論這種媒介是什么胀糜，它都必須具有足夠的適應性颅拦，可用于細胞進行的各種不同類型的工作，并且必須足夠穩(wěn)定以保持完整直至被需要（因為甚至在細胞內短距離移動也需要一些時間）教藻。換句話說距帅，它必須是一種可以用作通用貨幣的分子，或者是可以兌換所提供服務的硬幣括堤。這樣的話碌秸，呼吸鏈就是是造幣廠，可以產生新貨幣悄窃。那么這種貨幣可能會是是什么讥电？
最初的求索閃光來自對發(fā)酵的研究。發(fā)酵在葡萄酒和啤酒釀造過程中的重要性掩蓋了人們對這一過程知之甚少的事實轧抗。對其的化學理解的開端又是來自拉瓦錫恩敌，他測量了所有產物的重量，并宣稱發(fā)酵只不過是糖生成酒精和二氧化碳的化學分裂横媚。當然纠炮，他是對的月趟，但從某種意義上說，他錯過了重點所在恢口，因為拉瓦錫認為發(fā)酵只是一個沒有內在功能的化學過程狮斗。對于拉瓦錫來說，酵母只是恰好催化了糖的化學分解的沉積物弧蝇。
到了十九世紀碳褒，發(fā)酵的學徒分成了兩個陣營 - 那些認為發(fā)酵是一個有功能的生命過程的（大多數是活力論者，他們相信存在一種特殊的生命力看疗，而不僅僅是'化學'）沙峻，以及那些認為發(fā)酵純粹是一種化學過程的（主要是化學家）。長達一個世紀的爭斗似乎由活力論者路易斯.巴斯德（Louis Pasteur）解決了两芳，他證明酵母是由活細胞組成的摔寨，并且發(fā)酵是在沒有氧氣的情況下由這些細胞進行的。事實上怖辆，巴斯德將發(fā)酵描述為“無氧的生命”是复。作為一個活力論者，巴斯德確信發(fā)酵必須有一個目的竖螃，也就是說淑廊，有一個在某種程度上對酵母有益的功能，但即使他自己也承認他對這個目的可能是什么“毫無頭緒”特咆。
巴斯德于1895年去世后僅僅兩年季惩，愛德華·畢希納（Eduard Buchner）就推翻了活的酵母是發(fā)酵所必需的信念，他因其工作而獲得1907年的諾貝爾獎腻格。畢希納用的是德國啤酒酵母而不是巴斯德的法國葡萄酒酵母画拾。顯然，德國酵母更加耐操菜职，因為與巴斯德不同青抛，布赫納確實成功地用砂漿在研缽中研磨使其形成糊狀物，然后用液壓機從糊狀物中擠出汁液酬核。如果將糖加入到這種'壓榨酵母汁'中蜜另，并將混合物進行培養(yǎng)，則在幾分鐘內發(fā)酵就會開始愁茁。該混合物以與活酵母相同的比例消耗酒精和二氧化碳蚕钦，盡管體積較小亭病。畢希納提出發(fā)酵是通過生物催化劑進行的鹅很，他將其命名為酶（來自希臘語 en zyme，意為在酵母中in yeast）罪帖。他總結說促煮，活細胞是化學工廠邮屁，其中酶制造各種產品。 畢希納第一次證明菠齿，只要條件適合佑吝，這些化學工廠即使在細胞自身消亡后也可以重建。這一發(fā)現預示著活力論的終結绳匀，以及一種新的感覺芋忿，即所有生命過程最終都可以通過類似的還原論原則來解釋 - 這是二十世紀生物分子科學的主導主題。但是畢希納的遺產也包括：將活細胞降低到只比一個裝滿酶的袋子多一點的地位疾棵，而這一點戈钢，直到今天也依然遮蔽著我們對膜在生物學中重要性的認識，正如我們將要看到的那樣是尔。
使用畢希納的酵母汁殉了，英國的亞瑟·哈登（Arthur Harden）爵士和德國的漢斯·馮·歐拉（Hans von Euler）（以及其他人）在二十世紀的頭幾十年里逐漸將發(fā)酵的一系列步驟拼湊在一起。他們解開了大約12個步驟拟枚，每個步驟都由自己的酶催化薪铜。這些步驟像工廠生產線一樣連接在一起，其中一個反應的產物是下一個反應的起點恩溅。哈登和馮·歐拉因其工作而分享了1929年的諾貝爾獎隔箍。但最大的驚喜發(fā)生在1924年，當另一位諾貝爾獎獲得者奧托梅耶霍夫（Otto Meyerhof）發(fā)現幾乎完全相同的流程也肌肉細胞中發(fā)生著脚乡。不可否認鞍恢，在肌肉中，最終的產品是乳酸每窖，它產生痙攣而不是令人愉快的酒精的沉醉感帮掉，但梅耶霍夫發(fā)現，幾乎所有12個工廠的生產線步驟都是相同的窒典。這是生命基礎統(tǒng)一的一個驚人的證明蟆炊，暗示即使是簡單的酵母也與人類的血統(tǒng)有關，正如達爾文所提出的那樣瀑志。
到20世紀20年代末涩搓，細胞利用發(fā)酵產生能量變得越來越明顯。 發(fā)酵作為備用能源（實際上是某些細胞中唯一的能源）劈猪，通常在主能量發(fā)生器——有氧呼吸失效時——啟動昧甘。因此，發(fā)酵和呼吸被視為平行過程战得，兩者都用于為細胞提供能量充边，一個在沒有氧氣的情況下，另一個在氧氣存在的情況下。但更大的問題仍然存在：各個步驟如何相互結合浇冰，在能量守恒的前提下贬媒，在不同的時間，用于細胞的其他部分肘习？發(fā)酵际乘，是否像呼吸一樣，會產生某種能量貨幣漂佩？
答案出現在1929年脖含，海爾伯格的卡爾洛曼（Karl Lohman）發(fā)現了ATP。洛曼發(fā)現發(fā)酵與ATP（三磷酸腺苷）的合成有關投蝉，ATP可以在數小時內存儲在細胞中以供使用器赞。ATP由結合三個磷酸基團的腺苷組成，這三個磷酸基團首尾相連成鏈墓拜，是一種有些不穩(wěn)定的排列形式港柜。從ATP中分離出末端磷酸基團釋放出大量可用于驅動做功的能量 - 實際上，這滿足了為許多生物過程提供能量的需求咳榜。在20世紀30年代夏醉，俄羅斯生物化學家弗拉基米爾·恩格爾哈特（Vladimir Engelhardt）發(fā)現ATP對于肌肉收縮是必要的 - 當被剝奪了ATP時，肌肉緊張到處于僵直狀態(tài)涌韩，就像在死亡時僵硬的尸體一樣畔柔。 肌纖維分裂ATP以釋放它們收縮和再次松弛所需的能量，留下腺苷二磷酸（ADP）和磷酸鹽（P）：
因為細胞的ATP供應有限臣樱，所以必須從ADP和磷酸基團中不斷地再生新的供應 - 當然靶擦，這樣做需要輸入能量，就如將上面的等式反過來看的那樣雇毫。這是發(fā)酵的功能：提供再生ATP所需的能量玄捕。 發(fā)酵一分子葡萄糖可再生兩分子ATP。
恩格爾哈特立即著手解決下一個問題棚放。 ATP是肌肉收縮所必需的枚粘，但僅在氧氣水平較低時才通過發(fā)酵產生。如果肌肉在氧氣存在下收縮飘蚯，那么其他一些過程必須產生所需的ATP馍迄；恩格爾哈特說，這一定是氧氣呼吸的功能局骤。換句話說攀圈，氧氣呼吸也可用于生成ATP。恩格爾哈特試圖證明他的主張峦甩。當時研究人員面臨的困難是技術性的：肌肉不容易研磨用于呼吸研究 - 它們會被破壞并滲漏赘来。恩格爾哈特采用了一種不尋常的實驗模型，可以更容易地操作 - 鳥類的紅細胞。利用它們撕捍，他證明呼吸確實產生了ATP，并且獲得的數量遠遠超過發(fā)酵泣洞。不久之后忧风，西班牙人維羅奧喬亞（Severo Ochoa）證明，單單一個葡萄糖分子通過呼吸作用就可以產生多達38分子的ATP球凰，這一發(fā)現在也使他獲得了1959年的諾貝爾獎狮腿。這意味著有氧呼吸可以利用每分子葡萄糖生產比發(fā)酵多19倍的ATP∨凰撸總產出令人驚訝缘厢。在普通人中，ATP以每秒9??10^20個分子的速率產生甩挫，這相當于每天約65kg的周轉速度（其產生和消耗的速率）贴硫。
一開始，很少有人接受ATP的普遍重要性伊者，但20世紀30年代弗里茨.利普曼（Fritz Lipmann）和赫爾曼.卡爾卡（Herman Kalckar）在哥本哈根的工作證實了這一點英遭，到1941年（在美國），他們宣稱ATP是生命中的“普遍能量貨幣”亦渗。 在20世紀40年代挖诸，這一定是一個大膽的主張，這種主張很容易適得其反法精，并使倡導者的職業(yè)生涯付出代價多律。 然而令人驚訝的是，即使生命是華麗和多樣性的搂蜓，這基本上也是正確的狼荞。在所有研究過的每種細胞中都已經發(fā)現了ATP，無論是植物帮碰，動物粘秆，真菌還是細菌。在20世紀40年代收毫，ATP被認為是發(fā)酵和呼吸的產物攻走，然后在20世紀50年代，光合作用也被列入其中 - 它也產生ATP此再，這次是通過捕獲陽光的能量昔搂。因此，呼吸输拇，發(fā)酵和光合作用這三條生命中的能量高速公路都產生ATP摘符，這是生命基本統(tǒng)一的另一個深刻的例子。
令人困惑的波浪號
人們通常認為ATP具有“高能”鍵，用“波浪號”（?）表示逛裤，而不是簡單的連字符瘩绒。當斷裂時，這種鍵應該釋放出大量的能量带族，可以用來為細胞的各種形式的工作提供能量锁荔。不幸的是，這種簡單的表示實際上并不正確蝙砌，因為ATP中的化學鍵沒有什么特別不尋常的阳堕。不尋常的是ATP和ADP之間的平衡。相對于ADP择克，細胞中的ATP要比本應該的多得多得多恬总，如果第79頁的反應達到其自然平衡的話。如果ATP和ADP在試管中混合在一起并放置幾天肚邢，那么實際上整個混合物將分解成ADP和磷酸基團壹堰。我們在細胞中看到的卻是絕對相反的：ADP和磷酸基團幾乎完全轉化為ATP。這有點像往山上抽水 - 它需要大量的能量才能將水抽上去骡湖，但是一旦你在山頂上有一個水庫缀旁，就會有很多潛在的能量可以在以后需要時，將水沖下時獲得勺鸦。一些水電方案以這種方式工作并巍。當需求低時，水在夜間被泵送到高水庫换途。當需求激增時懊渡，它會被釋放。在英格蘭军拟，很顯然剃执，在流行的肥皂劇之后電力需求會大幅增加，因為那時會有有數百萬人同時去廚房懈息，坐上水壺肾档，以用來沖一杯好茶。這種需求的激增可以通過打開威爾士山區(qū)水庫的閘門來滿足辫继，這些水庫在需求穩(wěn)定后的晚上重新填充怒见，為下一次大規(guī)模的茶飲時光做好準備。
在細胞中姑宽，ADP不斷地泵送“到山上”以產生ATP形式的潛在能量儲存遣耍。 ATP的這個儲存等待閘門的打開，從而用于驅動有關細胞的各種任務炮车，就像下山的水流被用來為電氣設備供電一樣舵变。 當然酣溃，生產如此高濃度的ATP需要大量的能量，就像需要大量的能量來將水泵送到山上一樣纪隙。提供這種能量是呼吸和發(fā)酵的功能赊豌。從這些過程釋放的能量用于在細胞中產生與正常的化學平衡相比高的多的水平的ATP。
這些想法有助于我們了解ATP如何用于驅動細胞中的工作绵咱，但它們并未解釋ATP實際形成的方式碘饼。答案似乎在于埃弗瑞.瑞克（Efraim Racker）在20世紀40年代的發(fā)酵研究。 瑞克是生物能量學的巨頭之一麸拄。出生于波蘭派昧，在維也納長大黔姜，他在20世紀30年代末逃離納粹來到英國拢切，就像他的許多同時代人一樣。戰(zhàn)爭爆發(fā)后秆吵，在馬恩島實習后他搬到了美國淮椰，并在紐約定居了幾年。闡釋發(fā)酵過程中ATP的合成機制是他五十多年來的許多重要貢獻中的第一個纳寂。瑞克發(fā)現主穗，在發(fā)酵過程中，通過將糖分解成較小的碎片而釋放的能量用于將磷酸基團連接到碎片上毙芜，這是對化學平衡的對抗忽媒。換句話說，發(fā)酵產生高能磷酸基團中間體腋粥，這些中間體然后轉移它們的磷酸基團以形成ATP晦雨。整體變化在能量上是有利的，就像流下山的水可以用來轉動水車一樣 - 水流與水車的轉動相耦合隘冲。ATP的形成同樣通過偶聯的化學反應發(fā)生闹瞧，因此通過發(fā)酵釋放的能量驅動耦合的能量消耗反應，即ATP的形成展辞。瑞克和整個領域都這樣推測奥邮，類似的化學偶聯模型也可以解釋ATP在呼吸過程中是如何形成的÷拚洌可恰恰相反洽腺！這并沒有提供一種前景，卻開啟了一場持續(xù)數十年的無功追尋覆旱。另一方面已脓，這一問題對最終的解決方案比分子生物學中的任何其他事物對生命本質和復雜性都有更深刻的見解，如果不算DNA雙螺旋結構的話通殃。
問題取決于高能中間體的身份度液。在呼吸過程中厕宗，ATP由被稱為ATP酶（或ATP合成酶）的巨型酶復合物產生，這也是由瑞克和他在紐約的同事們發(fā)現的堕担。多達3萬個ATP酶復合物釘在線粒體內膜上已慢，可以在電子顯微鏡下微弱地顯示出來，像膜上發(fā)芽出蘑菇一樣（圖6）霹购。在1964年第一次看到它們時佑惠，瑞克將它們描述為“生物學的基本粒子”，這個外號在今天似乎更加適用齐疙，正如我們將要看到的那樣膜楷。 ATP酶復合物與呼吸鏈的復合物共享線粒體內膜，但它們與它們之間沒有物理連接：它們分別嵌入膜中贞奋。這就是問題的根源赌厅。這些獨立的復合體如何越過物理間隔相互交流？更具體地說轿塔，呼吸鏈如何將電子流釋放的能量轉移到ATP酶特愿，產生ATP？
在呼吸中，唯一已知的反應是當電子沿呼吸鏈傳遞時發(fā)生的氧化還原反應俩由。已知這些復合物會被依次氧化然后還原毒嫡，但就是這樣：它們似乎與其他分子沒有相互作用。 所有反應都與ATP酶物理分離幻梯。 研究人員推測兜畸，必須有一種高能中間體，就像在發(fā)酵中一樣礼旅，它是利用呼吸釋放的能量形成的膳叨。 然后該中間體將物理移動到ATP酶。 畢竟痘系，化學反應需要接觸菲嘴；遠距離反應對于化學家來說就是邪教。 假想中的高能中間體需要含有與發(fā)酵中形成的糖 - 磷酸基團相當的鍵汰翠，當其被破壞時龄坪，將傳遞形成ATP的高能鍵所需的能量。ATP酶應該催化了這種反應复唤。
正如在科學中經常發(fā)生的那樣健田，在革命的門檻上，大的輪廓似乎完全被理解了佛纫。所有仍有待完成的工作只是填補一些細節(jié)妓局，例如找出這個高能中間體总放，這個中間體后來再被提到時會簡單的以波浪號指代，至少為了維持禮貌的氣氛時會是這樣好爬。 當然局雄，這個中間體是難以捉摸的 - 整整一代人最優(yōu)秀的頭腦和最聰明的實驗科學家花了二十年時間來尋找它；他們提出并拒絕了至少二十個候選存炮，但即便如此炬搭，發(fā)現它似乎只是時間問題。 它的存在是由細胞的化學性質所決定的穆桂，細胞只不過是比一個包著酶的袋子強一點的東西宫盔，就像愛德華·畢希納的門徒所清楚的知道的那樣。酶催化了反應享完，而化學僅僅是關于分子中原子之間的鍵的學科灼芭。
但是一個細節(jié)令人不安，并且對呼吸的化學本質感到困惑：產生的ATP分子數量有差異驼侠。 單個葡萄糖分子可以生成大約28至38個ATP分子姿鸿。實際數字隨時間變化谆吴，雖然它可以高達38倒源，但通常在此范圍的下限。但重要的是缺乏一致性句狼。 因為ATP是由電子沿著呼吸鏈傳遞形成的笋熬，所以一對電子沿鏈向下傳遞產生2到3個ATP：不是整數。當然腻菇，化學反應是關于整數的胳螟，所有曾經努力平衡過化學方程式的人都知道。 半個分子與另一分子的三分之二反應是不可能的筹吐。 那么ATP的產生怎么能需要可變的并且非整數個電子呢糖耸？
另一個細節(jié)也很煩人。呼吸需要一個膜丘薛，沒有它就不能發(fā)生嘉竟。膜不僅僅是一個包含呼吸復合物的袋子。如果膜被破壞洋侨，呼吸就會被解偶聯舍扰，就像失去鏈條的自行車一樣：我們無論如何踩腳蹬子，車輪也不會轉動希坚。當呼吸解偶聯時边苹，通過呼吸鏈的葡萄糖氧化進行得很快，但沒有形成ATP裁僧。換句話說个束，輸入與輸出脫節(jié)了慕购，釋放的能量以熱量的形式消散。這種奇怪的現象不僅僅是對膜的機械損傷的問題：它還可以由許多明顯不相關的被稱為解偶聯劑的化學物質誘導茬底，這些化學物質不會機械地破壞膜脓钾。所有這些化學物質（有趣的是，還包括阿司匹林桩警，以及迷幻劑）以類似的方式解偶聯了ATP生成中葡萄糖的氧化可训，但似乎沒有任何類型的化學共同點。解耦不能用傳統(tǒng)方式解釋捶枢。
到了20世紀60年代初握截，該領域開始陷入沮喪的泥潭。 正如瑞克所說的那樣（用令人聯想到理查德.費曼（Richard Feynman）的著名的量子力學格言）：'任何沒有陷入徹底困惑的人烂叔，都僅僅是沒有理解這個問題谨胞。'呼吸以ATP的形式產生能量，但是卻沒有按照化學的基本規(guī)則蒜鸡，這確實似乎是對他們的蔑視胯努。接下來會如何呢？ 即使這些奇怪的發(fā)現迫切需要根本性的反思逢防，但沒有人為彼得·米切爾（Peter Mitchell）于1961年提供的令人震驚的答案做好準備叶沛。
