综述：Nath 关于 ATP 合成与水解的研究工作指南

本文围绕 Nath 在 ATP 合成与水解领域的研究展开，详细阐述了其理论（如扭转机制、双离子理论），涉及 FOF1-ATP 合酶结构、合成与水解机制、相关疾病中的作用等，为该领域研究提供了全面参考。

　　

1. 引言

ATP 合酶是生物能量转换的关键酶，也是自然界最小的旋转分子马达。过去三十年，人们对其参与的生物能量转导分子过程的理解发生了重大转变。Mitchell 的化学渗透理论认为质子跨膜运动产生的 “质子动力” 是 ATP 合成的唯一驱动力，但该理论存在诸多不足，受到众多实验数据的质疑。Boyer 提出的双位点 “结合变化机制” 也面临挑战。20 世纪 90 年代以来，ATP 合酶详细结构的揭示推动了对相关机制的重新评估，Nath 提出的扭转机制和双离子理论应运而生。

2. F₁-ATP 酶和 F_OF₁-ATP 合酶的结构

20 世纪 90 年代结构研究的进展，让人们能深入探究 ATP 合酶的分子机制。此前，理论工作多基于经典生化研究，认为 ATP 合成是水解的简单逆转，但后来发现并非如此。例如，Pi 结合具有能量关联特性，水解模式下存在 MgADP 抑制而合成模式下没有，且未证实存在单位点合成。Nath 的扭转机制是唯一符合微观可逆性原理的理论。目前已有多种生物来源的 ATP 合酶结构被解析，但其复杂结构的测定成本高、人力需求大，且有限的分辨率难以提供精确的机制细节和动力学信息。

3. ATP 合成的分子机制：Nath 的双离子能量耦合理论和扭转能量转导及 ATP 合成机制

3.1 F_O中的事件序列和扭矩产生

扭转机制阐述了离子在 F_O中的转运、扭矩生成、传递以及 ATP 合成等过程。在合成模式下，阴离子和质子依次通过 F_O中 a-c 亚基界面，其相互作用产生扭矩和能量，以机械扭转形式存储在 γ 亚基中，进而促使 F₁中催化位点发生构象变化，实现 ATP 的合成。该过程涉及跨膜质子浓度梯度（ΔpH）和局部电势（Δψ），二者驱动转子单向旋转，揭示了非化学渗透的能量耦合模式。具体过程为，阴离子先通过膜产生局部 Δψ，随后质子沿浓度梯度通过两个非共线半通道，在 c 亚基的 Asp-61 结合位点结合和释放，引发电荷不平衡和静电相互作用，导致转子旋转，最终使 γ 亚基产生扭转应变，为 ATP 合成供能。

3.2 c 寡聚体中 c 亚基的数量

研究发现，F_O单位中 c 寡聚体的 c 亚基数量因物种而异，而 F₁单位始终有三个催化位点。扭转机制表明，γ 亚基顶部旋转 120° 合成一分子 ATP，与 c 亚基数量无关。c 亚基数量的变化可视为对局部环境条件的进化适应机制，因为合成 ATP 所需能量恒定，而局部电势越低，所需 c 亚基数量越多，阴离子或质子 / ATP 比率也越高。

3.3 F₁中的事件序列和完整机制

F_O产生的能量用于 F₁的三个催化位点合成 ATP。与之前 Boyer 提出的结合变化机制不同，扭转机制认为催化是不可逆的，不存在位点间的协同作用，且过程中的所有步骤都需要能量。每个质子通过 F_O使酶的中央茎底部旋转 30°（c 寡聚体含 12 个亚基时），当积累足够扭转能量时，γ 亚基顶部旋转 120°，促使 β 催化位点发生相对运动、变形和配体置换，实现 ATP 合成。在合成催化循环中，每个 β 亚基经历五个构象变化，而 Boyer 的机制只有三个构象，不足以描述催化循环。此外，扭转机制还解决了 F_O和 F₁对称性不匹配的问题。

3.4 Nath 双离子理论中反离子 / 阴离子的鉴定

ATP 合成的驱动力源于质子和膜透性阴离子的顺序运动。经过多年研究，确定了琥珀酸和苹果酸分别是氧化磷酸化和光合磷酸化中最可能参与的阴离子。琥珀酸在特定 pH 范围内能提供合适的单阴离子：双阴离子比例，维持氧化还原复合物的稳态，其不同物种形式还能解释生物膜相关的泄漏和滑移现象。

3.5 ATP 合成过程中 F_O亚基的离子转运和能量转导

离子跨膜转运的去溶剂化自由能惩罚是理解 ATP 合酶的关键难题。Nath 利用改进的静电理论和固体物理理论，描述了离子通过膜转运蛋白的能量景观和动力学。在 ATP 合成中，质子和阴离子结合到 F_O亚基的特定结合位点，形成 “高能中间体”，导致离子 - 蛋白相互作用和旋转，实现能量高效转导。在对称性匹配的情况下，c 转子每通过一对电荷旋转 30°，四次这样的过程积累的能量足以合成一分子 ATP。

3.6 化学渗透理论对基本物理定律的违背

Nath 的研究重点之一是揭示化学渗透理论的缺陷。该理论存在诸多问题，如质子动力的推导错误，无法充分驱动 ATP 合成，还违反了高斯定律。Nath 通过数学分析指出这些问题，而他的双离子理论成功克服了这些困难，为 ATP 合成机制提供了更合理的解释。

4. ATP 水解的分子机制

4.1 Nath 的 ATP 水解扭转机制

为构建统一理论，Nath 分析了 ATP 水解的相关数据和理论。Senior 团队的研究表明 ATP 水解通过三位点机制进行，这与 Boyer 的结合变化机制相矛盾。Nath 的三位点分析及后续改进，结合新的数据，揭示了 ATP 水解过程中两个催化位点依次发生的过程。在稳态 V_max水解时，每个催化位点经历特定的构象变化，整个酶的催化位点构象变化也有特定顺序。此外，¹⁸O 交换实验进一步验证了 Nath 的扭转机制，同时表明 ATP 合成和水解的宏观逆转并非简单的化学反应逆向进行，ATP 合酶的构象变化在其机制中至关重要。

5. 整合：物理和数学分析

5.1 动力学 / 热力学分析与分子机制洞察

构建新理论需要对实验数据进行严格的动力学 / 热力学分析。通过对离子转运产生扭矩的动力学方案进行数学分析，得到的动力学参数能描述不同条件下 ATP 合成的相对速率。进一步结合阴离子转运的分析，提供了包含 H⁺ - A^?共转运和 c 转子单向旋转的分子模型。对实验数据的分析还表明，扭转机制中 ATP 合成是不可逆过程，不存在协同作用，且 ATP 在合成模式下作为抑制剂存在竞争性抑制。

5.2 ATP 合成的热力学效率

细胞水平的 P/O 化学计量比一直是个难题。研究发现，以往对哺乳动物细胞中机械（最大）P/O 比的计算存在错误，导致对细胞 P/O 比的估计需要修正。通过综合考虑 ATP 反应的供应和需求侧来计算机械 P/O 比，能更准确地评估 ATP 合成的热力学效率。线粒体氧化磷酸化的热力学效率约为 41%，实际 P/O 比因能量损失而与理想值不同，这些损失与琥珀酸的多种形式相关，而扭转机制能很好地解释这些差异。

5.3 电中性原理

Nath 的 ATP 合成机制遵循电中性原理，即通过动态的电生成离子转运方式，依次转运二羧酸单阴离子和质子，使整体电中性得以维持，同时利用离子梯度能量驱动 F_O马达旋转。化学渗透理论中支持稳态电生成离子转移的物理论证和计算违反高斯定律，而双离子理论通过局部电场和整体电中性的离子转运解决了这一问题。

5.4 能量转移的静电模型

基于之前的理论和建议，Nath 开发了 ATP 水解过程中能量转移的静电模型。该模型通过利用电荷间的静电排斥，定量估计了 ATP 水解过程中各个步骤的标准状态吉布斯自由能分布，强调了化学能直接转化为机械能与 γ 亚基旋转和肌肉收缩中肌球蛋白解旋的相关性。

5.5 整合、集成与统一

Nath 在多篇论文中回应了对其理论的质疑，详细回顾了双离子理论的发展历程。他指出其他理论存在的错误和缺陷，强调了自己理论的优势。双离子理论不仅适用于 ATP 合酶，还适用于氧化磷酸化的氧化还原酶复合物。最近的实验证明了两种离子在复合物 I 中的作用，但相关研究未引用 Nath 的前期工作。此外，Nath 基于扭转能量存储和利用的概念，建立了 ATP 合酶、肌肉和其他分子马达的统一理论。

6. 氧化磷酸化：非平衡耦合过程

Nath 运用生物热力学概念，结合 Bauer 的工作，提出了生物热动力学理论，旨在建立生物耦合和转导的广义热力学公式。以氧化磷酸化中 ATP 合成的状态转变为例，该理论阐释了细胞如何根据能量需求自我调节，验证了 Bauer 的稳定非平衡态概念，并提出了一个新的热力学定律假设。通过计算 Onsager 现象学系数，确定了一些基本热力学参数。该理论还应用于代谢缩放问题，对 Kleiber 定律进行了新的推导，从分子层面解释了哺乳动物物种中体型与代谢缩放的关系。

7. 数学证明启发的分子生物学

Nath 运用图论、组合数学和数论等数学方法，对氧化磷酸化和 ATP 合成中的能量耦合及机械耦合问题进行了严格证明。通过图论方法识别呼吸耦合机制中的 “哈密顿循环”，区分了化学渗透理论和双离子理论；利用组合数学和守恒方程明确区分了 ATP 水解的 2 - 位点模型和 3 - 位点模型；运用数论证明了扭转理论在酶对称性破缺和错配情况下的有效性。

8. ATP 在健康和疾病中的作用

8.1 ATP、细胞凋亡和细胞死亡

细胞凋亡过程中，线粒体通透性转变的分子机制尚不清楚。Nath 提出 F_OF₁-ATP 合酶中 c 环 /a 亚基界面的水通道在凋亡诱导时被 “重新利用”，成为文献中 elusive 的通透性转变孔（PTP）。在凋亡条件下，钙离子取代镁离子结合在 F₁亚基的催化位点，阻断 ADP 的紧密结合，破坏 ATP 合成，导致局部电势改变，使水通道转变为非选择性通道，释放细胞色素 c，引发细胞凋亡和死亡。

8.2 癌症细胞中的 Warburg 效应和 ATP 代谢

Warburg 效应指癌细胞在有氧条件下高摄取葡萄糖并分泌乳酸的现象，其生化机制一直未得到合理解释。Nath 基于化学计量学原理和电子平衡，结合其 ATP 合成统一理论，对该现象进行了定量分析和建模。通过建立 ATP、乳酸和其他关键代谢物的合成、利用和循环机制，准确模拟了原始实验数据，为开发更有效的代谢靶向抗癌药物提供了理论基础。

8.3 ATP、结核病和贝达喹啉的作用模式

贝达喹啉是治疗耐多药结核病的药物，但其作用模式尚未完全明确。Nath 的双离子理论能够解释贝达喹啉的荧光猝灭数据和其解偶联作用，还对细胞生命中的一些问题提供了解释，如 ATP 合成驱动力中 ΔpH 和 Δψ 的相互补偿现象。

9. 其他方面

9.1 肌肉收缩和载运分子马达

在研究 ATP 合成 / 水解机制的同时，Nath 还研究了肌肉收缩的机制，提出了旋转 - 扭转 - 倾斜（RTT）/ 旋转 - 解旋 - 倾斜（RUT）能量存储机制，作为对传统摆动横桥模型和摆动杠杆臂模型的替代。此外，还提出了旋转 - 扭转能量存储机制来解释驱动蛋白、ncd 和非传统肌球蛋白 V 等载运分子马达的运作。这些模型从不同角度阐述了 ATP 水解与运动的耦合以及力的产生机制，但该领域目前仍存在争议。

10. 结论

Nath 在 ATP 合成与水解领域进行了长达三十年的研究，发表了 55 篇期刊论文，构建了统一的理论体系。他的研究运用了多学科的方法，解释了大量分散的数据，为该领域的研究提供了重要参考。希望未来借助现代仪器技术和人工智能，在 Nath 理论的指导下，能更深入地揭示自然界最小生物分子马达的工作机制。