相干行为以及水和 K+的结合状态意味着另一种生物能学模型：负熵而不是高能键

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https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/

Laurent Jaeken 和 Vladimir Vasilievich Matveev

由于假定的普通细胞水和可自由溶解的细胞质 K+的热噪声，对相干细胞行为的观察不能整合到广泛接受的膜（泵）理论 (MT) 及其稳态能量学中。然而，Ling 反驳了 MT，并提出了基于相干性的替代方案，表明静止 (R) 和行动 (A) 是具有不同能量水平的原生质的两个不同阶段。R 态是一种连贯的亚稳态低熵态，因为水和 K +与未折叠的蛋白质结合。A 态是高熵态，因为水和 K+自由的。R-to-A 相变被认为是一种为生物工作释放能量的机制，取代了高能键的经典概念。在 endergonic A 到 R 相变期间的后续失活需要代谢能量的输入以恢复低熵 R 状态。Matveev 的天然聚集假说允许将球状蛋白质的能量细节整合到这个视图中。

关键词： 熵，相干性，极化水，未折叠蛋白，天然聚集，关联诱导假说。

在物理学家中，一直有人对生命现象的基本物理方法感兴趣。与数学不同，物理学总是需要模型或机制，没有这些模型或机制，该学科的工具将不适用。细胞生理学向物理学家提出了两种相反的活细胞模型：(i) 细胞是一个由膜界定的气泡，内部有电解质溶液；(ii) 细胞是相对于周围流体的不同相。这些模型之间的主要区别在于细胞内水和K +（细胞的主要阳离子）的物理状态。对于第一个模型，细胞中的水和 K +是自由的。膜（泵）理论（MT）成立在此基础上[ 1 - 7]。它描述了大量相互关联的生理现象（溶质分布、跨膜运输、细胞电位、渗透行为、运动方面等）。其基本概念之一，即 Na + /K +泵使用来自ATP高能键水解的连续能量供应[ 8 ]，与稳态能量学密切相关。比喻生命可以比作燃烧的蜡烛。相比之下，细胞是不同相的想法构成了许多体相理论的基础[ 9 - 15https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R8https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R9https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R15] 以完全不同的方式描述相同的生理现象。根据后者，水和K +结合在细胞中，原生质类似于一滴凝胶。

当然，这些根本不同的模型需要非常不同的物理方法。MT 未能提供创建细胞的通用物理方法的关键想法。相反，对各种具体问题进行了物理分析，例如对膜电位、肌肉收缩、蛋白质构象等的解释[ 16 ]。然而，这些知识的碎片不能组合成细胞的整体理论。单独的主题就像整个细胞在破碎的物理镜子中的反射。这些碎片是由不同的作者使用不同的物理方法获得的，通常相互矛盾。另一方面，薛定谔[ 17] 提出了细胞的统一观点，但他的想法对细胞生理学影响不大，主要在物理学家之间讨论。在我们看来，这是因为 MT 在生理学家和更广泛的生物学跨学科领域中拥有最广泛的追随者。不幸的是，MT 被证明与薛定谔思想的规模不相容。我们想证明薛定谔的想法与细胞的体相模型完全兼容。但这将带来另一种细胞能量学模型。

凌的协会感应假说（AIH）[ 11，12，18 - 26 ]是在活细胞的体积相的方法来生理现象的最高成就。Ling 认为，细胞是一个整体系统，因为水和 K +被吸附到细胞蛋白基质上，使这三种生理相关成分作为一个整体发挥作用。由于具有天然未折叠构象的蛋白质网络，它强烈地结合、定向和极化水，细胞获得了连贯行为的能力。由于水是束缚的，运动受限，空间有序，细胞的熵低于有自由水的细胞。水的熵贡献非常重要，因为水占细胞质量的大部分（其细胞内浓度约为 44 M）。K +的束缚态是对熵减少的另一个贡献。此外，存在相互连接的蛋白质分子网络，称为“细胞基质”'，降低了系统蛋白质组分的熵。所有这些特征都是处于静止状态（R 状态）的细胞所固有的：松弛的肌原纤维、静止电位、不活跃的分泌过程、未受精卵、休眠孢子和囊肿等。因此，处于 R 状态的细胞是具有协同特性的蛋白质-水-K +复合物。这个复合体表现为一个单一的连贯整体。

在从 R 态到活性态（A 态）的原生质相转变过程中，复合物发生转变，水和 K +变为游离态。系统的熵增加。系统的自由能减少（因为熵的贡献）。释放的能量用于生物工作：肌原纤维收缩、动作电位、分泌、受精、发芽等。因此，在这种观点中，熵在细胞能量学中起着关键作用，这使得 Ling 的细胞模型与薛定谔的观点在性质上是一致的。

相变的物理概念不够详细，无法充分说明细胞生理学。然而，最近发表的 [ 15 ]天然聚集假说(NAH) 提供了特定的生理和生化细节。在 R 到 A 的相变过程中，天然未折叠的蛋白质形成临时的二级结构，这些结构仅与与它们互补的二级结构相互作用。天然未折叠蛋白和球状蛋白暂时形成新的活性功能系统。这个过程的能量方面是本文的直接目标。我们认为，活细胞中的能量转换机制（其释放和利用）必须包括蛋白质吸附特性的变化作为关键事件。水和 K +离子是该机制中的主要吸附剂。ATP 被视为蛋白质吸附特性的调节剂。生物工作的能量来源不仅仅是ATP，而是具有有序结构和相干特性的超分子ATP-蛋白质-水-K +复合物。

我们更大的目标是吸引物理学家、物理化学家、细胞生物学家和生物化学家对所讨论问题的关注。我们希望提供来自不同科学学科的思想的新综合。现在是联手的时候了。

1930 年，著名生理学家 AV Hill [ 2 , 3 ] 的一项重要实验似乎奠定了“膜（泵）理论”（MT）的基础。该理论认为 (a) 细胞被完整的质膜描绘，将离子和其他溶质的外部溶液与细胞质溶液分开，(b) 质膜发挥一些泵活动，被认为是观察到的浓度梯度的原因离子的数量，当使用能斯特定律计算时，它们不处于热力学平衡状态。© 这种非平衡情况导致稳态细胞能量学，其中依赖代谢的泵送不断补偿被动泄漏。

在 1930 年之前，MT 领域的想法与体相理论相匹敌，其中细胞质的胶体相被认为是造成细胞内部与其周围环境之间浓度差异的原因。为了停止无休止的争论，Hill [ 2 ] 确定了中性分子尿素在静止肌肉细胞的细胞质和它们沐浴的林格溶液之间的分配系数。他发现它接近一个。因此他得出结论，细胞内的水与细胞外的水具有相似的特性。他还得出结论，为了解释测量的渗透压 [ 3 ]，细胞内最丰富的离子 (K +) 必须在溶液中。这些推论似乎反对胶体细胞质的可能性。他们暗示细胞内的水环境必须是溶液，因此应该应用能斯特定律。这导致了膜泵必须存在并且细胞表现出稳态能量学的结论。Hill 的实验导致体相理论的大多数支持者转而采用 MT。

1957 年 Skou [ 27 : review ] 发现质膜蛋白 Na + /K + -ATPase 与 Na +和 K +活性转运的生理过程共享一些关键特性，表明这种位于膜上的酶实际上是 Na + /K +泵。但在达成普遍协议之前，还进行了大量额外的研究。Hoffman [ 28 ] 证实 ATP 确实是直接的代谢中间体。从当时流行的 Lipmann [ 8 ]观点来看，ATP 的高能键的水解将充当瞬时注射器能量进入泵。Hilden等人[ 29 ] 在 1974 年将纯化的 Na + /K + -ATPase重组为磷脂囊泡，这通常被认为是该酶泵送活性的明确证据。一年后，Glynn 和 Karlish [ 30 ] 写了一篇被广泛引用的综述，回顾了当时所做的所有工作，遗憾的是没有提到一个重要的替代解释，即“关联归纳假设”（AIH），由 Ling 在之前的十年 [ 11 ] 并在两年前的一次国际会议上发表 [ 31 , [32 ]](https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R32)https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R29https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R30https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R11https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R31https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R32]。虽然 Ling 的替代方案实际上仍然未知——但迄今为止也没有被反驳——MT 迅速发展成为一种毋庸置疑的范式，似乎是对大量相互关联的生理现象的唯一解释。这似乎由耦合传输机制[解释非平衡梯度和离子和其它溶质通过膜位于泵的直接作用的运输和间接33 ]（对于另一个解释见[ 12，18，19 ];反式-上皮转运见 [ 18 , 34]）。通过说明如何低分子量溶质的浓度可以保持在稳定状态下，渗透平衡，因此细胞体积说明是[ 27 ]（对于另一个解释见[ 11，14，18，19 ]）。向外泵送 3 Na +以换取向内2 K +的电不平衡[ 35 ] 被视为静息电位的存在和观察值（-70 mV）的解释，似乎阐明了兴奋性的特性一些细胞类型[的7 ]（对于其他的解释见[ 11，14，18，19 , 36 - 39 ])。线粒体和细菌中依赖呼吸的质子转运以及内部和外部体相之间的光驱动质子转运被认为通过化学渗透作用在这些细胞器和细菌中激发膜依赖性 ATP 合成 [ 40 ]（其他解释参见 [ [18]](https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R18) , 41 - 44 ])。显然，尽管来自许多不同方面的许多批评，膜定位离子泵的想法成为经典细胞生理学的一个很大且非常核心的部分的核心。最近的两篇评论涵盖了这一问题的现状和历史发展：一篇由凌 [ 25] 讨论 MT 及其替代方案 (AIH) 的利弊；另一个由 Glynn [ 45 ]撰写，不幸的是，他继续只讨论 MT。

这里从更广泛的背景中选择了三种反对 MT 及其稳态能量学的观察结果（有关历史回顾，请参见 [ 25 ]）。它们是： (a) 支持生命连贯行为的观察数量迅速增加；(b) 大量证据表明细胞水在很大程度上是结构化的；© 大量证据表明细胞 K +主要处于结合（吸附）状态。这三种观察结果直接相互关联，因为（某些）蛋白质对水和 K +的吸附特性确保了连贯行为和直至分子水平的高度有序。由于游离水（约 44 M）和游离 K +引起的紊乱（大约 0.15 M），正如 MT 的主角所争辩的那样，不会支持大多数连贯过程。水的状态和 K +的状态之间还有一个额外的联系，在希尔实验的讨论中已经给出。希尔实验中测量的肌肉细胞渗透压可以用两种方式解释。当水是自由的时，这意味着没有胶体，因此没有胶体渗透压。然后只有蛋白质的正常渗透压，这是不够的。因此，主要的细胞内溶质 K +（约 0,150 M）也必须是渗透活性的，即它必须是游离的。相比之下，当水结构化时，必须有一个胶体相，胶体的渗透压远高于其摩尔活性（有时称为胶体渗透压）的预期，这对于细胞来说几乎可以自行解释测量渗透压 [ 12 , 18 , 19 ]。因此，K +应该通过被结合而在渗透上无活性。过去 50 年的观察最终支持第二种可能性。但是，应该如何解释希尔的发现呢？

1973年，Ling等人[ 31 ]在Hill的实验后得到证实，也用尿素以外的许多溶质进行了大量类似的实验。他们发现像尿素这样小的物质的分配系数确实接近于 1，但对于较大的中性分子，它们肯定低于 1：分子越大，系数越低。很明显，希尔对尿素的选择是非常不幸的（这也是最著名的科学家容易犯的严重错误的一个例子）。Ling等人的更详尽的研究， [ 32 ]（后来测试了许多其他物质 [ 11 , 18 - 20]) 得出相反的结论：(a) 细胞内的水不能是普通的水，必须是结构化的，(b) 细胞内的 K +不能在溶液中，而必须大量结合，以及 © 细胞质必须是胶体状的，具有溶解力与普通水中的溶解力大不相同。研究的溶质包括钠盐。的Na的分配系数+显示出完全解释其梯度，而不需要泵送[ 11，18 - 20，25 ]。几乎所有细胞水的结构化和极化状态以及细胞内K +的物理状态大量吸附都使用各种现代技术进行了证明。接下来的两节将简要概述一些主要证据。

由于缺乏在分子水平上描述这种水的物理理论，早期关于结合水的想法失败了。1965年，凌[ 46] 发展了这样一个理论，并将其作为他的 AIH 的一部分。简而言之，它指出一个表面，例如聚合物基质，当它带有足够强的正 (P) 电荷（这些可能是部分正电荷，如如-NH基团）与足够强的负（N）电荷（这些可能是部分负电荷，例如-CO基团）定期交替，共同形成所谓的“NP-NP-系统”；或交替（部分）正（P）和中性（0）位点形成“P0-P0-系统”，或交替（部分）负（N）和中性（0）位点形成“N0-N0” -系统'。与聚合物紧密接触的水分子将通过聚合物电荷在空间上定向，但此外，聚合物的更强偶极子会在水分子中引起更大的偶极矩，因此水分子也变得电极化。因此，吸附水的偶极矩高于本体水的偶极矩。结果是一层接一层地诱导出更多的水层。玲 [46 ] 称为极化多层水或PML 水. 它表现出长程动态结构。较高的总偶极矩使多层稳定，因为它导致更强的氢键，这使其成为大多数在普通（大量）水中高度溶解的溶质的不良溶剂。水分子的平移和旋转自由度降低，每个水分子在特定位置的停留时间增加。总之，这使得 PML 水的所有物理化学特性都不同于普通水的物理化学特性。这就是测试细胞中是否存在 PML-水的方法。PML-水的异常特性首先在合适聚合物的无生命模型系统中进行了研究，然后与细胞水的特性进行了比较 [ 11 , 18 - [21 ]](https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R21)]。最近审查了从这种方法获得的结果以及更新的理论背景 [ 20 ]。

一个重要的问题涉及定向极化多层膜的厚度。Giguère 和 Harvey [ 47 ] 研究了距离为 10 µm 的两个平行抛光 AgCl 板之间的水膜，意外地发现它甚至在 -176°C 下也不会冻结。红外吸收光谱与 31°C 时的吸收光谱无法区分。这意味着大约涉及 30,000 层水分子。该实验具有高度可重复性，表明这种情况代表了真正的平衡状态，而不仅仅是过冷情况下的亚稳态平衡。最近，Ise等人（[ 48 ]，另见 [ 49]) 获得了悬浮在有序和无序水中的乳胶粒子的显着微电影摄影，揭示了后者的长随机轨迹，正如布朗运动所预期的那样，而前者则是几乎没有运动的四方准结晶图案. 这是非常了不起的，因为单个粒子彼此相距几微米，但排列成四边形图案。此外，Zheng 和 Pollack 的实验（[ 50 ]，另见 [ 49 ]）产生了距离亲水凝胶和肌肉制剂表面数百微米的水极化。所有这三组观察结果都支持 Ling 的结论 [ 20 ]，即理想化的系统可以无限地提高水对水的吸附能。

将他的 NP-NP 系统理论应用于细胞，Ling [ 46 ] 推断只有一种分子结构足够丰富，可以解释所有或几乎所有细胞水的高度极化。它由处于完全延伸构象的蛋白质肽键的主链 NH-CO 基团组成。在没有干扰侧基（参见例如明胶）的情况下，多肽的骨架几乎完美匹配，足以桥接细胞中相邻蛋白质之间的距离。凌 [ 12 , 18 - 21] 然后证明未折叠蛋白质的游离 NH-CO 基团确实能够强烈结合水，并通过形成多层来定向和极化水。尽管扩展的蛋白质本质上是线性聚合物而不是理想化的表面，Ling 认为，“通过相对少量的细胞内蛋白质来有效地极化整个细胞水，存在很大的余量，这些蛋白质假定 NP-NP 的完全扩展构象-NP 系统' [ 20 , p. . 127 ]。

未折叠蛋白质基质对水的定向和极化的特征在于非常低的熵。然而，问题是：展开这些蛋白质的能量从何而来？Ling [ 18 - 26 ] 发现它来自于 ATP 稳定吸附到关键蛋白质上的 ATP 结合位点，这些蛋白质与其他蛋白质一起形成完全延伸的蛋白质 PML-水的自动协同连接的蛋白质 - 水 - 离子集合并吸附了 K +（见下文），他将其定义为细胞基质. 这种蛋白质-水-离子复合物在细胞或细胞部分处于静止（非活性）状态（R 状态）时发生。松弛的肌原纤维是一个明确定义的例子。这种状态虽然低熵，但在没有永久能量供应的情况下可以长期维持 [ 51 , 52 ]的意义上来说是稳定的 [ 51 , 52 ]，在卤虫包囊的情况下甚至可以维持数年[ [52]](https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R52)]。然而，它的低熵表明它仍然是亚稳态的。其显着的稳定性是由于 ATP 的稳定结合（吸附），发挥强大的诱导作用导致多肽解折叠，通过整个连接的细胞-基质系统自动协同传递。实际上，传播的感应效应具有三个主要效应。它导致蛋白质解折叠、水结合和极化以及 K +吸附 [ 11 , 53 ]。这个概念以这个理论的名义澄清了“关联”和“归纳”这两个词：“关联-归纳假设” [ 11 , 18 - 26 ,46 ]。

在 Ling 介绍他的细胞基质概念 [ 31 ]的那一刻，体内未折叠蛋白的想法会遭到很多怀疑。当时普遍认为蛋白质在体内以折叠构象存在，主要是因为它们是从活体材料中分离出来并在体外继续发挥作用的。如今，存在未折叠或部分未折叠的蛋白质，通常称为“内在非结构化”蛋白质（或 IDP）[ 54 - 58]，开始被识别。根据来自一级结构数据库的估计，所有人类蛋白质的 40% 包含至少一个由 30 个或更多氨基酸组成的固有无序片段，25% 可能在其整个长度上无序。其他蛋白质被认为在体内呈球状[ 57 ]。即使用于得出这些数字的方法可能远非准确，也不能再忽视 IDP 和球状蛋白的出现。这些发现动摇了关于蛋白质 3D 结构与其基础功能之间关系的经典观点 [ [58]](https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R58)]。应该注意的是，与 IDP 相关的想法可能并不完全符合 Ling 对完全扩展的细胞基质蛋白的看法，但可能存在很大的重叠。主要区别在于，Ling 对完全延伸的蛋白质的看法附加了一个整体基本完整的替代生理学。如果必须找到对 IDP 发生的解释，AIH 可能会给出一些重要的答案。毫无疑问，通过了解这一广泛的替代方案，现代蛋白质生物物理学领域将受益匪浅。

Pollack [ 14 ] 还提出了一个非常广泛的体相理论：他的“凝胶-溶胶-假设”（GSH）。它建立在凌的 AIH 的基本方面。它接管了后者的大部分概念，为其添加了额外的证据，并在这个广泛的背景下解释了许多生理过程。AIH 和 GSH 都在他非常易读的书“细胞、凝胶和生命的引擎” [ [14] 中得到了处理](https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R14)]。在这本书中，波拉克从胶体科学的角度进一步探索了细胞。给出了生理情况的许多细节，其中特定蛋白质的受控展开与功能相关联，并解释了现有数据。到 Ling 的 AIH 中已经描述的细胞过程列表（ATP 的作用、离子分布、溶质转运、渗透性、细胞体积控制、细胞电位、氧化磷酸化、上皮转运、肌肉收缩、蛋白质合成的控制、生长、分化和其故障），波拉克添加了胞吐作用、变形虫运动、纤毛跳动、有丝分裂染色体置换和胞质分裂过程。他还指出，可能还有另一种额外的机制来获得多层水的取向和极化。诸如肌动蛋白和微管蛋白之类的细胞骨架蛋白的亲水表面的某些结构域在正确的距离（如 Ling 所定义）处表现出棋盘式的电荷模式，以实现水极化，即使在折叠状态下也是如此。这意味着并不总是需要蛋白质解折叠，尽管它在许多情况下肯定会发生。

在从1965年[泠的文章46 ]，并且在某些他的其他出版物[的18，19，21 ]，当结合到互补电荷的适当的棋盘图案一些附图示出了水分子的取向。这些图以静态方式示意性地描述了二维情况。然而，水具有三维结构。卓别林 [ 59 , 60] 建立模型来展示极化水在三个维度上的表现。他描述了水簇的两种主要构象，每一种都由 280 个强结合的水分子组成，就好像它是一个单一的大分子一样。有了这个模型，他几乎可以解释水的所有特性，包括许多异常现象。发现这两种构象很容易相互转化而不会破坏分子内或分子间的氢键。一种构象具有高密度（HDW，高密度水）并且是非极化的；它在普通水中占主导地位。另一种构象具有低密度 (LDW)、极化并大量存在于细胞中。K +似乎很适合 LDW 的中心腔，而 Na +才不是。后一种离子在 HDW 中具有更高的溶解度，这与 Ling [ 18 , 19 ]的观察结果一致。基于这一发现，卓别林提出了第三种水极化机制，即吸附在蛋白质羧基上的K +离子作为成核位点，形成具有高极化的 LDW 簇，水极化由此进一步扩展。

这个想法与 Wiggins [ 61 ] 对 HDW 和 LDW 特性的广泛研究是一致的。她表明，这两种类型的水都可以在醋酸纤维素薄膜中存在的小孔（平均直径为 2 纳米）中获得。某些离子（K +、NH 4 +、Cl -、HCO 3 -、HSO 4 -、H 2 PO 4 -）似乎非常适合 LDW 簇的中心腔并表现出合理的溶解度。其他 (H + , Li + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+) 不适合，但适合并在 HDW 中显示出良好的溶解性。令人惊讶的是，还发现在高浓度下，第一组诱导 LDW 转化为 HDW，而第二组在高浓度下诱导 HDW 转化为 LDW。这些特性使得生成循环成为可能。在一项非凡的实验中，Wiggins 和 MacClement [ 62 ] 成功地从 ADP 和 KH 2 PO 4合成了 ATP(5 mM) 在 100 mM KCl 存在下，醋酸纤维素的孔形成水的微域，并且没有额外的能量输入。与酶催化反应的主要区别在于它需要几天时间，但可以从机制中学习。很可能水解和生物合成酶，包括 ATP 酶和 ATP 合酶，进化为这种较旧的 HDW-LDW 循环的催化剂。提出了关于水的两种状态如何影响阳离子泵和其他酶的机制的建议。这是研究这些酶，包括 Na + /K + -ATPase的真正机会。

水极化的三种机制（Ling、Pollack 和 Chaplin）并不相互排斥。然而，它们的相对贡献仍有待确定。这三种机制以及更普遍的水取向和极化思想也与Kaivarainen的新相基本物理理论完全一致，称为“固液相新分层物理理论”，该理论源自基本原理[ 63 ] . Kaivarainen 将他的理论应用于细胞生物学。

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Edit:2021.09.22<markdown>

在 Hill [ 2 , 3 ]的实验为MT 奠定了基础之后，其他一些实验似乎证明了细胞 K +是免费的。然而，后来证明这些实验或其解释也存在问题 [ 12 , 18 , 19 , 22 , 64 ]。相比之下，大量不同的方法都指向边界 K +。其中一些研究不允许我们决定吸附发生的位置和类型。然而，其他人则非常具体地提供了这些信息。

限制 K + 的指示包括： (a) Ling等人对分配系数的研究。[ 32 ] 上面讨论过，说明Hill [ 2 , 3 ] 只研究尿素就发现了异常；(b) 没有完整细胞膜的静息肌细胞（EMOC 制剂：见下文）能够维持正常的细胞内 K +浓度至少两天 [ 51 ]；© 证明卤虫孢囊在不消耗能量的情况下可存活四年 [ 52 ]；(d) 对各种细胞类型和 K +离子电导率的测量的重新研究青蛙肌肉细胞的流动性，给出比游离 K +低得多的值，并提供令人信服的解释，为什么一些早期的研究给出了高值 [ 12 , 18 , 19 , 22 ]；(e) 证明使用 K +选择性电极很容易损伤细胞，导致活性测量值过高，因此可以为那些给出低值的实验装置提供更多信心 [ 18 , 19 , 22 , 64 ] ; (f) 红细胞的 X 射线吸收边缘精细结构测定结果与相同浓度 KCl 溶液的对照测量结果明显不同 [65 ]; (g)神经元、肌肉细胞和大肠杆菌的39 K + NMR 光谱，其产生的弛豫时间比 0.1 M 至 0.4 M KCl 溶液的弛豫时间短得多，与吸附在 Dowex-50 阳离子交换上的 K + 的弛豫时间相当树脂 [ 66 , 67 , 12 , 18 , 19 , 22 ]; (h) 证明内部和外部42 K + 的关系https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R66https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R67https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R12https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R18https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R19https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R22浓度遵循朗缪尔的吸附等温线，通过研究以不同方式竞争相同吸附位点（未标记的 Cs +和未标记的 K +）的抑制剂的影响，给出了真正的吸附证据[ 19 , 68 ]。

1952 年，Ling 已经推断出 K +可能被吸附到蛋白质的 β-和 γ-羧基上 [ 11 , 12 , 18 , 19 , 22 ]。Kellermayer等人，[ 69 ] 表明，在用非离子去污剂 Brij 68 处理活细胞后，K +仍与细胞骨架蛋白结合数分钟，而如果它可自由溶于细胞溶胶中，则会在细胞溶胶中检测到其释放。秒。此外，还证明了蛋白质羧基浓度和 K +浓度之间的化学计量关系[ [19]](https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R19)]。然而，最令人信服的结果来自主要由 Edelmann [ 70 - 72 ] 使用最精细的制备技术和先进的分析方法对青蛙 Sartorius 肌肉进行的广泛的电子显微镜研究。使用冷冻干燥的包埋和冷冻水合厚切片未染色的化学未固定标本，因此可以直接观察K +（迄今为止最丰富的金属）的位置。或者，使用其中 K +被其电子密度更高的竞争者 Rb +、Cs +或 Tl +部分取代的样品。在所有情况下 K +或其类似物优先位于 A 波段，其中肌球蛋白的头部完全存在，在 Z 线具有较弱的电子密度。量化是通过电子探针 X 射线微量分析（另见 [ 73 ]）和激光微探针质谱分析获得的。使用86 Rb 和134 Cs对单个风干 [ 19 ] 或冷冻完全水合肌肉纤维 [ 72 ] 的放射自显影显示相同的特定定位。

PML-water 和吸附的 K +存在于单元中，这一点和前面的部分已经对此进行了大量论证，是达到相干性的必要条件。一致性需要正确范围的最近邻交互。MT 应用的能斯特定律基于溶质分子的独立性，即不存在相互作用，因此随机行为随之而来。连贯细胞行为的论据是下一节的主题，实际上是高阶有序性的补充论据，也与水和主要阳离子 K + 相关。

在他的著作《生命是什么？》Schrödinger [ 17 ] 认为，许多重要细胞成分的浓度太低，无法以有意义的方式应用统计定律。DNA 和一些调节物质，甚至小细胞和亚细胞区室中的离子都是这种情况。特别是，薛定谔设想了扩散定律，这也是能斯特定律的一部分。举个例子：在肝细胞中，处于中性 pH 值的平均线粒体基质在状态 IV 期间包含六个游离质子，在状态 III（完全激活和收缩）期间仅包含一个游离质子。如何用那个 [ 74]？为了减轻这一不可否认的困难，薛定谔提出细胞过程可以利用连贯机制，类似于在接近绝对零但适用于体温的物理系统中发现的机制。他的论点是，这种机制要精确得多，并且能够在低于热噪声水平的情况下运行，这正是解释生命所需要的。他的提议在很大程度上被忽视了，主要是因为当时所有的数据，特别是希尔的发现 [ 2 , 3]，指出扩散定律和能斯特定律为细胞生理学提供了准确的解释。因此，对生命连贯性的研究起源于生物科学的边缘。将对生命连贯性问题的几种独立方法进行审查。

1. Ling 的 AIH [ 11 , 53 ] 可能是第一个将连贯性作为中心主题的广泛生理学理论：实际上是活细胞中所有活动的主要机制。在 R 状态下，细胞基质被视为亚稳态的高能低熵极化相干整体，一种协同连接的蛋白质 - 水 - 离子复合物。它是一个连贯的静态系统，对各种非常微弱的刺激极为敏感。当由刺激传递并由 Ca 2+介导的能量（或其他介质）达到激活阈值，整个系统发生构象变化，导致 A 态，极化程度较低，能量较低，熵较高。R 态和 A 态之间的能量差异可归因于熵的增加，用于生物功：机械、电、化学、传输功和相干发射（见下文）。较高的熵是由于细胞基质蛋白的折叠，因此吸附的水层去极化并与 K +一起解离。这正是薛定谔所想象的：负熵激发的生命过程。
   构象变化本身也是一个连贯的过程，但属于动态类型。这可以从无规卷曲折叠成 α 螺旋（或其他类型的蛋白质二级结构）的全有或全无特征以及与之相关的长链的全有或全无特征来理解。范围水去极化。生物学工作是在这种构象变化开始时进行的，因为突然形成的二级结构带来了与其他活化分子的相互作用，其中也出现了具有相互作用能力的二级结构（另见 [ [15]](https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R15)]）。肌动球蛋白的形成就是一个很好的例子。在这个动态过程结束时，工作完成后，细胞矩阵最终处于 A 状态，它的相干性要低得多；甚至可能离不可逆转的死亡状态不远了。在肌肉细胞中，A 状态称为尸僵。然而，在健康的活细胞中，新陈代谢会合成新的 ATP，它与细胞基质的 ATP 结合蛋白结合并恢复高能低熵 R 状态。蛋白质再次展开，重新吸附和极化细胞水，重新吸附 K +. 代谢因此带来反向构象变化，也是一个动态的连贯过程。新陈代谢是阻止死亡状态继 A 状态的因素。它负责在功率输出后恢复到 R 状态。这种 R-to-A-to-R 循环及其能量学已经由 Ling 在他的第一本书 (1962, [ 11 ]) 中提出。它由图 ( ) 中的红线图形表示。11)（绿线将在本文末尾解释）。
   https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/figure/F1/
   图。1）
   天然未折叠蛋白 (NUN)（红线）和天然折叠蛋白（NF）（绿线）在静止状态 (R)、动作状态 (A) 以及 R-to-A 和 A-to 期间的能量水平-R 相变。在 A 状态期间，NUN 蛋白的能量水平相对于 NF 蛋白的能量水平约为。对于这两个组，它介于完全未折叠状态（参见：R 状态期间的 NUN 蛋白）和完全折叠状态（参见：R 状态期间的 NF 蛋白）之间的某个水平。确切的值取决于蛋白质的种类，但 NUN 蛋白质的 R 到 A 转换的能量差异总是大于 NF 蛋白质。在 R 状态期间，NUN 蛋白是无活性的。它们展开，极化细胞水并吸附 K +，创造高能低熵亚稳态。他们需要足够强烈的刺激才能离开他们的高能盆地（阈值）。NF 蛋白在 R 状态期间也是无活性的，因为它们紧密折叠，将它们的反应中心隐藏在里面。需要稍微熔化到中间状态才能暴露这些中心并使它们活跃。代表糖酵解和呼吸的框架指向将燃料、氧气、ADP 和 P i转化为 CO 2、H 2 的过程O、ATP 和辐射（相干热和废热），但不打算位于能量轴上。在 NUN 蛋白从 R 到 A 转变期间释放的熵源能量用于激活 NF 蛋白和用于生物工作（生理功能）。在 NUN 蛋白从 R 到 A 的转变过程中释放的K +、P i和 ADP 被认为会激活糖酵解和呼吸的主要速率控制酶，这与已知的变构机制一致。因此形成的新 ATP 吸附到 NUN 蛋白质上并导致它们的 A 到 R 转换。随后降低 K +和 ATP 活性使糖酵解和呼吸失活。NF 蛋白的 A-to-R 失活要么需要少量能量才能离开其 A 态高能盆地，要么是一个自发过程，可能取决于具体情况。因此，两种可能性都用虚线表示。
   小提示：根据Ling [ 18 ]，在肌肉细胞局部含肌球蛋白的隔室中释放相当多的K +会导致水向该区域产生强烈的局部单向渗透通量，这是导致收缩的主要力量，一种解释伴随肌肉增厚的机制。除了这个有趣的提议，关于肌肉收缩的能量学还存在一个非常深入的争论。牢固的蛋白质 - 蛋白质（肌动蛋白 - 肌球蛋白）连接的形成，当单独考虑时，乍一看可能意味着熵的减少。如果 MT 的假设是正确的——即如果细胞水和 K +的物理状态在 R 和 A 状态期间保持不变 - 肌肉收缩是“无序到有序的过渡”的经典结论[ 75 ] 似乎合乎逻辑。但所有证据都支持 Ling 的另一种观点，即在 R 到 A 过渡期间水的解吸和去极化以及 K + 的解吸。随后，由于肌动球蛋白形成而引起的熵的小幅减少在很大程度上被由于水的释放和去极化以及 K +解吸引起的熵的大幅增加所抵消。因此，恰恰相反：肌肉收缩是“从有序到无序的转变”。通过添加 ATP 释放严密性 [ 76] 是对凌和薛定谔观点的最终佐证。卤虫孢囊长期存活，测量为零能耗 [ 52 ]，也与此相符。上述争议说明了 MT 不涉及生命研究的整体物理方法的问题，并强调需要一种新的细胞能量学模型。
   根据Ling [ 11 , 12 , 18 , 23 , 24 , 53 ] 引起R-to-A和A-to-R构象变化的机制是基于Lewis的诱导效应：化学基础，因此也是生物化学的。这种机制包括所谓的“主要吸附剂”在诱导部位产生的诱导作用及其长程在细胞基质的协同连接的蛋白质中传播和扩散。基数吸附剂是与细胞基质上的控制结合位点（基数吸附位点）结合的控制物质。它们包括：各种外部和内部刺激、激素、神经递质、生长因子、第二信使、核苷酸和其他变构调节剂、药物等。例如，在肌原纤维的情况下，Ca 2+是激活剂和ATP恢复 R 状态。这些网站的结合水，K +，等等，被称为“正规吸附位点”，而结合位点ATP或Ca 2+是基数吸附位点，因为它们的控制功能和一对多的效果。事实上，一个 ATP 分子与一个相应的 ATP 结合基数吸附位点结合的诱导（吸电子）效应在整个自合作互连的蛋白质系统中传播和传播，不仅到达所有这些蛋白质，而且到达所有相关的 PML -水和所有吸附的 K +。蛋白质的临时化学修饰（例如磷酸化）可以起到与主要吸附剂相似的作用。
   与非合作性相比，合作性的基本特征是近邻站点之间的能量相互作用。它在理论推导的“阳和灵协同吸附等温线”中进行了定量描述[ 11 , 14 , 18 , 19 , 23 , 24 , 53]。该方程允许通过实验精确验证自动、异质和非协同吸附现象，并已被 Ling 的团队应用于他们自己的许多实验以及文献中的许多现有数据。它类似于（但比）Hill 开发的描述氧合血红蛋白解离曲线的经验方程。Ling还表明，多肽骨架具有独特的高极化率和部分共振特性，使其成为传播诱导效应的高速公路，导致水吸附和极化或解吸和去极化。传播的感应效应也到达侧链，导致 K +β-和γ-羧基的吸附或解吸以及对带正电荷的侧基的一些类似影响。基于诱导效应，所有主要吸附剂被分为两组（最终为三组）：产生吸电子诱导效应的那些（例如ATP）和产生供电子诱导效应的那些（例如Ca 2+）。第三种可能性，电子中性效应，可能与功能过程不太相关。
   2. 在 1960 年代后期，研究接近绝对零的物理系统中相干行为的先驱Fröhlich [ 77 , 78 ] 开始探索生理温度下生命系统中相干行为的可能性。作为一名物理学家，他从一个完全不同的角度来解决这个问题，即从电动力学。生物体大多由处于相系统中的偶极（介电）分子构成，是一种准固态。这意味着电力和粘弹性（机械）力可能会永久相互作用。新陈代谢的功能是将生命系统“泵”到兴奋状态。需要注意的是，后一种思想与Ling 的R-state 是一致的。Fröhlich 使用“泵”这个词以不同于其在 MT 中的含义的方式，因为通过这种泵浦获得的激发态可以是亚稳态的。他以Ling 看到的ATP 在恢复高能R 状态的功能的方式使用泵浦。随后的激发态的特征是具有相干性质的集体振动模式。这认为，蛋白质、核酸和一些更大的集合体（如膜）的巨大偶极结构，以及它们巨大的电场（10 7V/m)，开始以属于系统的不同组件共有的特征频率振动。这些集体振荡源于电偶极位移和机械位移的耦合。共振可能导致机电振荡（声子或声波）和电磁辐射（光子）的发射，这可能会像激光一样表现出相干性。它们在相当长的距离内传播，因此它们最终可以在生物体之外进行测量。这是获取有关这些连贯集体模式存在的信息的方式。或者，生物体可以受到适当频率的极低强度的影响，这将导致通过共振激发相应的细胞功能。对这些所谓的两种方法“相干激发”已经过实验测试并取得了积极的结果 [ 79 - 82 ]。
   Cosic [ 83 , 84 ]小组在他们的“共振识别模型”中进一步阐述了这个想法。他们使用计算将氨基酸序列转换为频率模式。当对发挥类似功能的蛋白质进行此操作时，总是会发现一个典型的共同频率，表明该功能，但也可以在其目标的频谱中找到。因此，这是他们通过共振相互吸引和识别的特征。蛋白质相互作用的频率范围是 10 13到 10 15Hz（相当于近红外、可见光和近紫外光谱）。计算并测量了共同频率，发现测量值与计算结果相匹配。作者得出的结论是，蛋白质相互作用的特异性基于每种相互作用或功能特定频率下的共振电磁能量转移。
   弗勒利希描述3种相干激发[的80 - 82 ]。第一个是静态（亚稳态）、低熵和高度极化，被称为“Fröhlich 状态”。Jaeken [ 85 ] 认为，Ling 和 Pollack 在生理和分子细节中描述的 R 状态（凝胶状态）符合Fröhlich 状态的更一般的物理描述，用频率表示。这两种描述都唤起了通过输入代谢能 (ATP) 获得的低熵、亚稳态（静态）、高度极化、长程相干、激发（高能）状态。该弗勒利希状态其特点是所有模式凝聚成单一频率，表现出相干性。显然，这是由于凌的描述中所有部分之间的自动协作链接。其次，Fröhlich 还描述了一种动态类型的相干性，称为“Fröhlich 波”。Ling 和 Pollack 分别用生理学和分子学术语描述的 R-to-A（凝胶-溶胶）和 A-to-R（溶胶-凝胶）相变均表明 [ 85 ] 在物理术语上符合Fröhlich波。第三，Fröhlich 设想了连贯循环过程的存在，称为“极限循环” [ 80 - 82 , 85 , 86]。例如在长时间的肌肉活动期间发生的动作状态的有节奏的连续性——如果根据 Ling 的 AIH 或 Pollack 的 GSH（但不是根据 MT）来理解——就是这种极限循环的例证[ 85 ]。
   3. 在70年代初期的第三独立的方法是采取达维多夫[ 87 - 90，也91审查。他将量子力学应用于蛋白质 α 螺旋，并从理论上表明后者可能能够沿其长度传导非分散的一维弹性晶格脉冲，这被称为“达维多夫孤子”。非线性物理学中使用“孤子”的概念来描述任何类型的波的无损传输。在达维多夫孤子的情况下，机械脉冲沿 α-螺旋（在非极性环境中）的色散通过对纵向酰胺 2 氢键的增强感应效应在电子上精确抵消，从而达到相干性。类似地，Davydov 还描述了“电孤子”和“质子孤子”（电子电荷的无损位移，分别是沿着 α 螺旋的质子电荷）[ 89 ]（有关概述，请参见 [ 91 ]）。据信，这些类型的孤子中的一种或多种会沿着微丝和微管传播，从而为它们提供传输和处理数据的能力 [ 92 , 93 ]。最近直接证据支持了这种适应症 [ 94]。一种更复杂的孤子类型是动作电位 [ 91 , 95 ]，这是一个经过充分研究的静止到动作到静止 (R-to-A-to-R) (gel-sol-gel ）双相位转换[ 14，18，19，36，39，95 ]与凌的AIH，波拉克的GSH和协议弗罗利希波概念[ 80 - 82 ]。这些研究表明，正如 MT 支持者所认为的那样，动作电位远不止是过时的临时渗透性变化概念（参见 Ling [ 12 , 18 , 19 , 36 ]）。
   4. Del Giudice 小组 [ 86 , 96 - 99 ] 遵循第四条路径，从量子场动力学开始。的现象，这在他们的理论被描述为“玻缩合”和它的反向，在这里称为“玻解聚”中，示出以对应于的描述弗勒利希波[ 80 - 82，86，96，]和R-根据 AIH 和 GSH [ 85 ]，to-A（凝胶-溶胶）和 A-to-R（溶胶-凝胶）相变。实际上，上述四种独立的方法都可以以凌的生理范式为基础统一起来[ [85]](https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R85)]。这种统一是通过解释非线性薛定谔方程的四个相干解来实现的，该方程由 Tuszinsky等人[ 100 ]推导，他们已经统一了 Fröhlich 和 Davydov 的观点。
   

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1. 第五个独立的方法来自量子非线性光学 [ 101 - 106 ]。使用专门开发的光学仪器，Popp [ 101 ] 获得了所有生物在可见光和紫外线区域的极弱光子发射（不要与生物发光混淆）的定量测量值，Gurwitsch 和 Gurwitsch 于 1922 年首次观察到 [ 102 ]。他证明了这些所谓的“生物光子”的相干（激光）特性，定义为生物体产生的相干光子 [ 103 , 104 ]，但在死亡时不存在。生物光子可能由 DNA 产生 [ 98 , 103 - 106] 和微管，其中受激水起着特殊的作用 [ 98 , 99 , 106 ]。它们的相干性质允许生成全息图，具有后者的所有显着特性，包括分布性和极高的信息密度，并提供建设性（细胞内）和破坏性（细胞间）干扰的可能性 [ 92 , 104 ]。Popp 提出，生物光子非常适合协调位于细胞、组织、器官甚至整个身体中远处的其他独立分子的行为；他们可以以光速做到这一点。波普 [ 88 ] 概括地总结道：'生物光子很可能提供必要的活化能，以便在正确的时间、正确的地点触发细胞中的所有生化反应。在这方面，他们对共同的观察负责，即一个身体作为一个单一的单位，尽管它由无数的单个分子组成。正是这种行为的统一性构成了薛定谔挣扎的问题。当然，如 MT 所假设的，如果生物光子必须穿过非相干细胞质，那么生物光子的相干性质将被分散。
   6. Ingber [ 107 , 108 ] 证明了细胞骨架的张拉整体特性。后者由抗压支柱（微管）的三维结构组成，通过预应力微丝和中间丝以间接方式相互连接，具有更高的弹性，或者通过相互滑动获得等效于弹性。在力学中，这种系统被称为“张拉整体结构”。它们表现出张拉整体特性，这意味着它们在响应外部机械力时表现为一个统一的整体，这些力分布在整个网络上并导致全局重新排列。通过这种方式，细胞也实现了机械相干[ 109 ]。观察到的预应力 [ 107 ] 意味着细胞骨架——也在静止时——储存机械能，因此从机械角度来看，R 态也是一种高能结构，补充了 Ling 的观点。这种特性使其对微弱的机械影响非常敏感。由于细胞通过整合素和连接复合物与相邻细胞和细胞外基质相连，细胞外基质也表现出张拉整体性，因此整个组织甚至器官都表现出张拉整体性。张整体概念使我们能够解释机械刺激如何通过与核骨架的连接影响细胞质和细胞核中的细胞信息处理 [ [108]](https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R108)]。它在转录水平上的一些影响参与了正常和异常的形态发生，如癌症 [ 108 ]。因为细胞骨架和细胞外基质（即胶原蛋白）都表现出压电特性[ 110 ]，所以机械相干性与电相干性相一致[ 109 ]。由于许多蛋白质、多蛋白质系统和细胞器与细胞骨架 [ 111 ]相连，并且可以直接受到沿细胞骨架网络 [ 92 - 94 ]的数据处理的影响，因此化学相干性也可能与机械相干性和电相干性相一致。 [ 109]。
   7. 最后，Ho [ 49 ] 追求连贯性应该反映在其结构组织中，直到原子和分子水平的想法，走到偏光显微镜下，确实直接观察了整个活细胞，甚至生物体器官的结构连贯性，证明薛定谔的早期提议是完全合理的。Ho [ 49 ] 和 Abbott [ 112 ] 回顾了生命有机体确实是量子相干的，可以被视为宏观量子系统的迹象。最近，量子相干的存在在光合作用装置的部分体外实验中被直接测量 [ 113 - 116 ]。
   
   鉴于所有这些直接和间接的证据线，以及来自这么多不同独立方法的强大理论基础，它们都指向同一个方向，生命的连贯行为不能再被忽视。此外，应用正在迅速发展，特别是在诊断和治疗医学中，因为越来越强烈的迹象表明缺乏足够的一致性是癌症的主要原因 [ 117 ]。遗传缺陷似乎起源于较晚，次要是由于一致性不足，这以非特异性和渐进的方式破坏了分子和基因调控网络 [ [117]](https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R117)]。尽管有所有这些一致性的证据，以及水的吸附和极化以及 K +吸附到细胞基质蛋白的证据，但一般教科书和大学课程对这些数据的吸收存在重大持续障碍。这种阻碍就是MT的持久性。因此，必须适当地给出一些反对 MT 重要方面的额外证据，即 Na + /K +泵的概念。

下面讨论的证据并不反对 Na + /K + -ATPase的存在，也不反对目前所理解的其工作机制的主要步骤 [ 27 ]，而是反对对这种酶/转运蛋白的思考方式作为负责细胞质中 Na +和 K +稳态浓度的泵。

反对泵假设的证据正确包括以下内容。

• 在保持在 0°C 的细胞中完全抑制呼吸和糖酵解，阻断 Na +泵的能量供应，不会导致 Na +流出减少。Ling [ 11，另见：12 , 18 , 19 , 22 , 25 ]的这个早期实验后来被凯恩斯和梅塞尔 [ 118 ]用 17-23°C 的细胞证实- 尽管凯恩斯后来采用了 MT - 以及康威等人阿尔。[ 119 ]。对残余能量来源广泛的控制（磷酸肌酸，ATP，ADP，乳酸盐）和散热量测量进行（由灵[讨论11，12, 18 , 19 , 25 ])，证实观察到的 Na +流出独立于连续的能量供应。所有作者都同意数据。以所测量的Na +外排速率，-90 mV的静息电位和计算习惯的MT中的方法，得到的结论-引用灵[ 11，12，18，19，25 ] -是：“由所需的最小能量单独在质膜上的 Na 泵是最大可用能量的 1542% 到 3050%。Minkoff 和 Damadian [ 120 ] 对大肠杆菌所做的可比工作 导致了类似的结论。
  * (2) 普遍的共识[ 27 ]是在神经元中，在没有抑制代谢的情况下，Na + /K +泵消耗了细胞能量的60%左右。然而，还有更多的泵，它们不仅位于质膜中，而且位于更大的细胞内膜区域中。细胞骨架运动、合成代谢、调节等也需要能量。因此，能量短缺仍然是一个问题。如果从 AIH 的角度考虑细胞的 R 状态是一种不消耗能量的（亚稳态）物理平衡（见下面第 4 点的实验证明），那么能量短缺的问题就完全消失了。
  * (3) 几个实验室的研究人员（总结于 [ 12 , 18 , 19 , 25 ]）观察到添加 ATP 后红细胞影制备物中的Na +排斥和 K +积累，但仅限于按照 Bodemann 方法制备时-Passow，产生的鬼影不是纯膜，而是充满细胞基质（主要是血红蛋白、一些肌动蛋白和少量成分）。相比之下，当使用更彻底洗涤的方法制备由纯膜组成的无细胞质红细胞影时（在 [ 12 , 18 , 19 , 25 中讨论）])，从未观察到泵活动。显然，这表明一些在细胞质中是必要的，用于建立依赖ATP的梯度[ 11，12，18，19，23 - 26 ]。
  * (4) 1978 年，Ling [ 51 ] 用所谓的“EMOC 制剂”（EMOC = 有效的无膜（泵）开放式肌肉细胞）进行了一系列长期实验。将孤立的静息蛙 Sartorius 肌肉横向切开，将无膜开口部分插入林格溶液中，而上部封闭且有膜轮廓的部分保持在空气中。在与林格接触的开口部分没有膜结合泵，因为没有膜，而在膜中存在的上部泵无法工作，因为它们不与外部林格溶液接触（这是受控）。Na +和 K +的细胞内浓度尽管开口端有巨大泄漏，但牢房上部至少两天保持不变。Ringer 中放射性标记的40 K +表明，在这段长时间内，确实存在标记从 Ringer 运输到细胞上部，证明在没有有效泵的情况下存在 K +流入。结论出人意料，但直截了当。由于泵在这些 EMOC 制备中肯定是无效的，Na +和 K +的总浓度的恒定性正如 MT 所建议的那样，在单元格的上部超过两天或更长时间不可能是由于稳定状态。只有一种选择：它们必须是由于真正的物理平衡。这也意味着维持这种情况既不需要泵也不需要完整的膜。经典细胞能量学显然需要被与这些观察结果一致的完全不同的机制所取代（或至少使用这种可能性作为“膜”运输实验的额外控制）。
  从前面的部分，可以很容易地推断出对 Ling 进行的 EMOC 实验的合理解释。根据 Ling 的说法，尽管与高 Na +浓度林格直接开放接触，但细胞内 Na +浓度仍然很低，因为 Na +在被细胞质胶体（相互连接的细胞基质）极化的细胞内水中的溶解性非常差；尽管与低 K +浓度林格开放接触，但细胞内高 K +浓度仍然很高，因为 K +主要吸附在同一细胞质胶体蛋白质的 β- 和 γ-羧基上。他为这两个提议收集了大量证据（见前文）[ 11https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R11, 12 , 18 - 26 , 51 ]。这两种效应（吸附水和 K +）共同产生了一种物理平衡，不需要特殊的膜或位于其中的离子泵。当然，完整的细胞有质膜，因此这些离子必须穿过质膜，但是蛋白质如 Na + /K + -ATPase 的功能必须与 MT 假设的不同（见下文）。这些 EMOC 实验似乎无法与稳态理论相协调，也无法解释为什么上述第 1 点到第 4 点中存在的问题。不像 MT 那样将 Nernst 方程应用于总离子浓度，Ling [ 11，12 , 18 , 19 , 25 ] 开发了一组新的公式，其中分配系数、扩散效应和吸附系数的数字和总浓度与活性（游离部分）区分开来。相比之下，MT 甚至没有描述观察到的浓度的公式，并且经常对浓度和活动的概念粗心大意（而不是解释它们的物理性质）。
  * (5). 当作者（无一例外）试图通过实验证明 Na + /K + -ATPase的泵送功能时，他们认为这是这种酶的真正功能，他们对此存在偏见。这就像要求教皇证明上帝的存在。在任何致力于 Na + /K + -ATPase转运功能的研究中，吸附过程都没有被认为是离子泵的真正替代品（见 [ 45 ] 的评论）。尽管如此，至少自 1980 年代初以来，已有大量直接证据表明活细胞中存在 K +束缚态（见 [ 70 ] 的综述）。https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R45https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R70
  * (6) 总是有必要从相反的方法中获得重要的证据：即证明所有其他解释都可以被驳回的证据（就像 Ling 对 MT 所做的那样）。然而，大量实验以及坚实的理论背景指向了对实际 Na +和 K +分布的严肃的替代解释，迄今为止，这仍然有效地没有受到挑战。每项挑战之后都有反驳 [ 20 - 26 ]。
  * (7) 使用 EMOC 制剂 Ling [ 12 , 18 , 19 , 25 ] 做了另一个重要的观察。在较旧的 EMOC 制剂中，开口端的细胞基质逐渐开始降解。在降解部分，Na +浓度较高，K +浓度低于在离开口端较远的非降解部分中发现的正常细胞浓度。Ling 能够观察到局部离子浓度和局部 ATP 浓度之间的良好相关性。发现需要最小的 ATP 浓度来保持水充分极化以保持低 Na +浓度并保持 K +充分吸附以保持高 K +浓度 [ 12 , 18 , 19 ]。Kellermayer 的小组 [ 121 - 123 ]很好地阐述了这种关系。红细胞的功能非常狭隘。这可能解释了为什么细胞内红细胞 Na +和 K +浓度在不同物种之间甚至在同一物种的成员内差异很大，尽管血液中这些离子的浓度非常相似。在人类红细胞中，Na +和 K +浓度与其他细胞一样是正常的。但是狗的红细胞中含有 10 倍以上的 Na +比 K +。如果 MT 是正确的，则必须在 Na + /K +泵的工作中找到这种偏差的原因。如果 AIH 是正确的，原因应该是异常低的 ATP 浓度。虽然活性和/或Na的量之间存在相对良好的相关性+ / K + -ATP酶和Na的稳态水平+和K + [ 122 ]，Rb的摄取率+（一种广泛使用的ķ +类似物) 远高于其渗漏率，与红细胞的种类无关 [ 123]。这损害了泵活动和泄漏率之间的任何紧密耦合，从而损害了整个稳态的想法。相比之下，在研究的不同种类的红细胞中，ATP浓度、Na +和K +含量与细胞内K + /Na +浓度比之间存在明显的关系。所有这些都清楚地表明 ATP 是维持物理平衡的关键因素，但正如第 (1) 和 (7) 点下的实验所证明的那样，ATP 不需要通过水解的方式翻转以保持离子浓度持续的。因此，必须重新解决 ATP 为细胞系统提供能量的方式，尽管 MT 保留了 Lipmann 的“ATP 高能键水解”的想法 70多年来一直在舞台上。
  
  

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Edit:2021.09.22

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