呼吸鏈作為“生命引擎”的工作原理和中醫陰陽五行理論的陰陽元素

徐建興 中國科學院生物物理研究所 呂 斌 溫州醫學院 attardi線粒體生物醫學研究院

呼吸鏈作為“生命引擎”的工作原理和中醫陰陽五行理論的陰陽元素

徐建興 中國科學院生物物理研究所 呂 斌 溫州醫學院 attardi線粒體生物醫學研究院

寄語

這篇短文是我們對呼吸鏈酶系結構與功能基礎研究成果的一種領悟，意在建立一個互通的話題，讓西方科學家能了解中醫理論的科學基礎，也呼喚中國的科學家在繼承傳統中醫文化的同時也要與時俱進地推動中醫科學理論向現代科學理論的滲透和發展?？茖W的發展是靠創新的思維，如果你思考了別人沒有想過的問題，也許你就會有一個新的思想境界和開辟一個新的科研領域。發展中醫是中國科學家的特殊使命，重要的是如何使古老的中醫理論與現代科學概念的接軌。

引言

皇帝內經是中國傳統醫學的寶典，陰陽五行相生相克是中醫理論的核心內容之一，診脈開方是延續了幾千年中醫看病的特征。脈搏的本質是心臟泵血功能的表現，診脈是醫生通過手感體察患者病情的手段。心臟泵血是要把氧氣和營養物運送到身體的每一個細胞，同時又把細胞代謝的廢物和二氧化碳排出體外。大約有28種之多的不同脈象反映出患者不同病理狀態下對氧氣和營養物的需求狀況。氧氣和營養物是在線粒體中被呼吸鏈利用的，營養物借助于呼吸鏈的電子傳遞功能被氧氣氧化，儲存在營養物中的太陽能在呼吸鏈氧化的過程中緩緩釋放出來并轉化為一種驅動力，推動線粒體中的ATP酶制造能量載體分子ATP以維持細胞的生命活動。人體是由巨大數量的細胞組成，每個細胞中有很多的線粒體，而每個線粒體內又有相當數量的呼吸鏈在不斷轉化能量驅動生命活動。因此，呼吸鏈的功能是人體生命活力的重要體現者，脈象的變化顯然與呼吸鏈功能狀態的變化相關。因此，了解呼吸鏈的結構及其功能對深入理解中醫理論的科學內涵顯然是有益的。為了使人們易于理解呼吸鏈的功能，我想把呼吸鏈稱作“生命引擎”，目的是使深奧的學術名詞變為大眾易于接受的科普語言。

“生命引擎”的概念

“引擎”是一種能量轉換器，它把太陽能轉化為驅動力推動機器的運轉。如汽車、輪船和飛機都裝有發動機，發動機就是一種“引擎”，它的作用是把儲存在燃油中的太陽能轉化為推動汽車、輪船和飛機在陸?？招凶叩尿寗恿?。

“生命引擎”是細胞內的能量轉換器，它的功能是把儲存在食物中的太陽能轉化為推動細胞生命活動的驅動力，執行這一功能的器件就是定位于線粒體內膜上的呼吸鏈和ATP酶。呼吸鏈和ATP酶偶聯在一起很像是一部“生物分子發電機”，呼吸鏈的功能如同是發電廠的燃煤鍋爐，不過它燃燒的不是煤而是營養物，ATP酶如同是一部“分子發電機”，不過它產生的不是電流而是能量載體分子ATP。一個細胞內含有很多的線粒體，在線粒體的內膜上又有相當數量偶聯在一起的呼吸鏈和ATP酶，如此構成了細胞中龐大的“生物分子發電機組群”驅動著細胞的各種生命活動，如肌肉能收縮運動、神經能傳導信號、大腦能學習記憶和思考、細胞能繁殖和更新，組織器官能及時修復損傷保證正常發揮生理功能等等。

“生命引擎”工作原理的突破性發現

呼吸鏈的主體結構是四個橫跨在線粒體內膜上的膜蛋白復合物I、II、III和IV，按照它們各自氧化還原電位的高低順序排列組成一條電子傳遞鏈。ATP酶也是一個跨膜蛋白，常常被叫做復合物V。食物在體內經消化分解和線粒體內的三羧酸循環作用被轉化為呼吸鏈可以利用的營養物，這些營養物通過呼吸鏈的電子傳遞作用溫和地被氧化成CO2和H2O，這是一個釋放能量的生物氧化過程，其效果相當于把食物中儲存的太陽能釋放到線粒體中?？茖W家對呼吸鏈的研究已經有近百年的歷史了，研究的核心問題就是探討呼吸鏈是怎樣與ATP酶合作制造ATP的，也就是線粒體的氧化磷酸化分子機制。多個學說的爭論演繹促成了豐富多彩的生物能力學發展史，1961年Mitchell提出的化學滲透學說贏得了最多的實驗證據，并于1978年獲得諾貝爾獎。按照Mitchell的理論，呼吸鏈氧化營養物釋放出的能量是在線粒體內膜上以跨膜質子梯度差（ΔμΗ+）的形式成為一種驅動力，驅動ATP酶制造ATP，細胞就是通過消耗ATP分子獲得生命活動所必需的動力。然而，科學家定量地檢驗Mitchell理論的時候總發現實驗檢測到的ATP數量比理論計算的數量少一些，似乎總有少量ΔμΗ+沒有用到合成ATP上，于是探討偏差的來源成為Mitchell理論以后科學家們研究的焦點，質子漏學派的出現就是這一時期的代表。

考察對呼吸鏈研究的歷史資料我們發現人們似乎忽略了一個很重要的問題那就是呼吸鏈會不會老化喪失參與制造ATP能力的問題。這個問題是從熱力學原理的思考中提出來的，根據熱力學原理，任何“熱機”都做兩種“功”，即“實功”和“虛功”。實功又叫“有用功”，是指“熱機”消耗能量做了對使用者有用的事情，而虛功則是“熱機”做實功的同時不可避免的要消耗一部分能量去克服機械摩擦等各種阻力，這部分消耗的能量實際上做了對使用者無用的事情，所以也叫做“無用功”。呼吸鏈作為“生命引擎”也和所有的“熱機”一樣要做兩種“功”，Mitchell的理論闡明的呼吸鏈電子傳遞制造ATP的過程相當于“熱機”做“實功”的分子機制，那么呼吸鏈作為“生命引擎”做不做“虛功”呢？

20年前，我們的實驗室開始探討呼吸鏈是否做“虛功”和怎樣做“虛功”的問題。這是一個尚無前人研究過的問題。經過十幾年的實驗論證，我們取得了大量的實驗證據證明了呼吸鏈是以漏電旁路的方式做“虛功”的。我們發現，呼吸鏈的細胞色素c介導了兩條電子漏旁路，這兩條旁路都是超氧自由基的代謝路徑→H2O2→H2O【參考文獻】。眾所周知，和H2O2是會損傷呼吸鏈自身的氧毒性分子，所以呼吸鏈漏電制造氧毒性分子損傷“生命引擎”的過程和“熱機”做“無用功”克服摩擦生熱引起機器老化的過程如出一轍。這是呼吸鏈研究的一個革命性的發現，以電子漏旁路的方式做“虛功”說明有一部分ΔμΗ+沒有參與制造ATP而是以漏電的方式參與了自由基代謝的過程。做“虛功”消耗一部分ΔμΗ+不僅僅回答了Mitchell理論偏差的來源，更重要的是電子漏旁路產生氧毒性分子造成的損傷就是衰老和疾病的根源，呼吸鏈漏電自損傷的過程就是“生命引擎”做虛功而老化的過程，熱力學原理完全適用于探討人體的衰老和疾病。

“生命引擎”與中醫陰陽平衡理論

如果我們把“生命引擎”做“實功”比做“陽”，把做“虛功”比做“陰”，那么“生命引擎”就成為最小的“陰陽元素”，把每個元素的陰陽集合起來就是整體的陰陽，這樣看來呼吸鏈與中醫陰陽五行理論之間的關系就很密切了。

西醫看待生命是深入到細胞內部從基因和蛋白的分子水平上進行分析，中醫則把人體看作是一個統一的整體從人體與環境的相互關系上分析問題。人體是一個高度進化了的多細胞生物，從單細胞生物到多細胞生物的進化出現了細胞功能的特化和細胞與細胞之間關系的復雜化。細胞有確定的數目是多細胞生物的一種特征，這種現象最早在線蟲和輪蟲中發現，如輪蟲類中的椎尾水輪蟲全身體細胞核共958個，其中皮膚及附屬結構301個，咽167個，消化道76個，泌尿生殖系統43個，肌肉系統247個，后腦器官4個。顯然多細胞生物從整體上存在細胞和細胞之間的相互感知和相互控制，這也是中醫理論的生物學基礎。胎兒是從一個受精卵細胞分裂增殖發育而成，最初形成的就是腦和神經束，然后發育出各種器官和組織。在胚胎發育的過程中，所有的細胞之間都有自然建立起來的親緣關系。這種關系是以神經細胞為核心的全體細胞在整體水平上的相互感知和相互控制。在中醫理論里，是用經絡、氣血和陰陽三個概念來描述人體的這種整體性的?！敖浗j”是細胞與細胞之間信息交流的網絡，信息的流通是經絡的存在方式，中醫理論里把信息的流通稱作“氣血”，流通不暢就是病?！皻庋痹谖鞣饺说母拍罾锖苋菀渍`解為“氣是Gas, 血是Blood”，其實在中醫理論里“氣血”是對人體物質代謝的總稱，“氣”強調物質代謝的過程，“血”強調代謝過程中的物質?！皻鉁觥本褪谴x不暢造成代謝中間物的累積，“疏通氣血”是中醫治病的基本原則，如針灸、拔罐、按摩、刮痧等等各種治療手段都是為了打通阻滯的代謝通路或者疏散累積的代謝中間物，謂之疏通氣血?！瓣庩枴蔽逍欣碚撌侵嗅t對人體各部器官協調統一的一種描述，（金）（木）（水）（火）（土）五行是描述人體器官功能的五個“功能域”，（金）是肺與大腸，（木）是肝膽，（水）是腎與膀胱，（火）心和小腸，（土）是脾和胃。五個“功能域”之間的協調和相互適配構成人體總的生理功能。胚胎發育早期最先形成神經束，所以精神和心理因素在五行“功能域”之間的協調中具有重要的地位，中醫理論強調喜傷心、怒傷肝、思傷脾、恐傷腎、悲傷肺，就是描述了精神和心理因素在整體和諧中的地位和作用。中醫理論用陰陽平衡來描述五行“功能域”的和諧，不和諧就是陰陽失衡, 調理陰陽是中醫看病的基本原則。心肝脾肺腎的功能都是由大量功能特化了的細胞來完成的，而每一個細胞中實際上是成千上萬的“生命引擎”在工作，因此，每一個“生命引擎”自身的陰陽狀態就決定了人體整體的陰陽平衡。把“生命引擎”做“實功”制造ATP比作“陽”，是因為它為生命活動提供了足夠的動力。把“生命引擎”做“虛功”產生氧毒性分子比作“陰”是因為氧毒性分子的有害作用導致“生命引擎”的損傷而降低制造ATP的能力。（金）（木）（水）（火）（土）五個“功能域”之間存在相生相克的關系，所謂（金）生（水）、（水）生（木）、（木）生（火）、（火）生（土）、（土）生（金）的相生關系就是指功能上的促進，是助陽的功能。（金）克（木）、（木）克（土）、（土）克（水）、（水）克（火）、（火）克（金）的相克關系就是指功能上的制約，是滋陰的功能。每個“功能域”都被另一個“功能域”所促進，即“相生”關系，同時又被第三個“功能域”所制約，即“相克”關系。如（金）由（土）生被（火）克，（木）由（水）生被（金）克，（水）由（金）生被（土）克，（火）由（木）生被（水）克，（土）由（火）生被（木）克。如此，用“生命引擎”做“實功”和“虛功”的熱力學原理來解釋中醫陰陽五行相生相克理論是合乎邏輯的科學思維。

如果我們想象人體的能量來自眾多“生命引擎”的功能，那么“生命引擎”功能狀態的好壞就直接影響著身體生理狀況的好壞。呼吸鏈漏電偏高會導致氧毒性分子產生過多而造成有害作用，因此引起病理狀態。這一點我們在大量的動物實驗中已經觀察到了，如小鼠運動耗竭時呼吸鏈漏電明顯增高，衰老小鼠比年輕小鼠漏電水平高，小鼠中毒、長瘤、甲亢等病理狀態都能測到電子漏增高的現象?？梢哉f病理狀態就是患者（金）（木）（水）（火）（土）五行“功能域”的“生命引擎”功能異常狀態的表現。呼吸鏈電子漏被看作“陰”是因為它產生潛在有害的氧毒性分子會造成“生命引擎”的損傷，呼吸鏈電子傳遞被看作是“陽”是因為它產生載能分子ATP使細胞得到足夠的能量供給。呼吸鏈電子傳遞與電子漏的相互轉化正好體現了中醫陰陽平衡的變化，陰陽平衡的失調就是呼吸鏈漏電比例脫離正常生理狀態的反映。各個器官細胞中呼吸鏈漏電狀態變化的多態性就是病理狀態的多樣性，不同的漏電程度乃至漏電方向的不同都會引起不同的病理征兆。因此線粒體的分子熱機原理與中醫陰陽平衡理論之間有著非常密切的關聯，這種關聯反映了呼吸鏈微觀電子水平的變化與人體宏觀整體生理功能之間的關聯。

診脈開方是延續了幾千年中醫看病的特征，脈動實際上是心臟跳動在腕部血管上的反應，血液是把氧氣和營養物送到人體的每一個“生命引擎”上，營養物通過“生命引擎”被氧氣氧化的過程如同燃燒，是把營養物中儲存的太陽能釋放出來推動生命活動的過程。因此，不同器官功能區“生命引擎”的異常表現肯定會在脈象中反映出來。診脈實際上是醫生用手指在“寸”“關”“尺”三個部位上感知來自不同器官“生命引擎”陰陽狀態的信息，判斷出五行“功能域”陰陽平衡的失調，再通過五行“功能域”之間相生相克的關系開具處方把患者失去平衡的五行“功能域”“生命引擎”的陰陽狀態調整到正常的平衡狀態，這就是中醫診脈開方治病的原理。

結束語

中醫理論是華夏祖先數千年中醫治療經驗的積累和總結，它有著樸素的語言，深厚的哲理，是現代生命科學出現之前就已存在的對生命現象的理解和描述。如何讓這個古老的生命科學理論與新生的現代生命科學理論接軌是人類文化發展的重要課題，重要的是概念上的溝通和認識上的協調，互相否定無助于科學的發展。這篇短文是一個嘗試，用現代生命科學對呼吸鏈酶系結構與功能的研究結果去詮釋古老的中醫陰陽五行理論，讓西方生命科學家能理解古老中醫的科學原理并對其產生研究的興趣。一旦中醫理論成為全世界生命科學家共同有興趣的研究對象時，人類對自身健康的控制將進入一個新的更加自主的階段。

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