综述：ATP体内合成的关键问题

这篇综述深入探讨了ATP合成（ATP synthase）在体（in vivo）过程中的核心机制，提出基于Nath双离子理论（two-ion theory）的新视角，系统解析了线粒体（mitochondria）和叶绿体（chloroplast）膜上电化学梯度（Δψ/ΔpH）的形成与协同作用，揭示了质子（H+）与反离子（如琥珀酸/苹果酸）跨膜转运对ATP合酶构象变化（γ-subunit rotation）的驱动机制，为癌症（cancer）、阿尔茨海默病（Alzheimer）等代谢相关疾病提供理论突破。

　　

Abstract

ATP合成是生命体能量代谢的核心过程。本文基于Nath双离子理论，提出线粒体和叶绿体膜上电化学梯度（Δμ_H + Δμ_A）的形成需经历三个时空分离的步骤：电势（Δψ）的建立、化学梯度（ΔpH）的生成及其协同驱动ATP合酶（F₀F₁-ATPase）构象变化。研究表明，质子（H⁺）通过电子传递链（ETC）泵送形成初始Δψ，而反离子（如琥珀酸/苹果酸）的跨膜转运（通过DAPIT亚基通道）促使ΔpH形成，两者共同构成驱动力（driving force）。

Introduction

ATP合成机制争议聚焦于Mitchell化学渗透理论（chemiosmotic theory）的数学缺陷——其方程log{H⁺}_L/{H⁺}_R = pH_R ? pH_L + ΔE/Z因对数性质导致ΔE/Z≡0，无法解释膜电位起源。Nath通过双离子理论（公式4：df = n(Δμ_H + Δμ_A)）提出协同转运模型：线粒体中琥珀酸二价阴离子（succinate^2-）与H⁺形成8:2比例（对应Δψ/ΔpH≈4:1），而叶绿体中苹果酸（malate^2-）占比8/14（Δψ≈60%）。

代谢流与膜电位动态

线粒体代谢存在“断裂的克氏循环”现象：大量柠檬酸（citrate）和α-酮戊二酸（α-KG）通过柠檬酸-苹果酸穿梭（citrate-malate shuttle）输出胞质，导致琥珀酸短缺。胞质苹果酸（浓度≥10 mM）回补线粒体，维持草酰乙酸（OAA）供给。这种代谢重编程与癌症（如琥珀酸脱氢酶突变）和心脏病相关。

叶绿体能量捕获特性

光照初期，光合系统II（PSII）反应中心形成局域电势（local Δψ），随后水光解产生H⁺建立高ΔpH（≈3单位）。外源苹果酸可激活叶绿体ATP合酶，暗示其与线粒体代谢偶联。类囊体膜脂质组成差异导致Δψ仅为线粒体的1/4（≈60 mV）。

ATP合酶结构奥秘

冷冻电镜显示ATP合酶存在对称性失配：F₁头部三聚体（α₃β₃）与F₀ c₈-环（mitochondria）或 c₁₄-环（chloroplast）的数目差异需柔性连接（如γ-subunit扭曲）化解。保守的a亚基Arg-210和Asp-61残基可能构成琥珀酸通道，而DAPIT亚基的丢失实验暗示其参与代谢物转运调控。

未解之谜与展望

当前争议包括：1）ATP合酶激活的Δψ/ΔpH阈值（线粒体≈65 mV/0.2 pH单位）；2）伪循环光合磷酸化（pseudocyclic phosphorylation）中超氧阴离子（O₂^-）对质子梯度的贡献；3）癌症细胞中琥珀酸/富马酸比率失调如何通过表观遗传（histone acetylation）影响代谢。未来研究需整合结构生物学与活细胞代谢流分析，以验证双离子理论的普适性。