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/#R9] 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/#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/#R31]。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] , 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 ]]。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]]。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]]。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]。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。
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]]。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。
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]]）。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）。
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[[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 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R18|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[ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R75|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 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R76|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 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R52|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 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R11|11]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R12|12]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R18|18]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R23|23]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R24|24]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R53|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[ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R11|11]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R14|14]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R18|18]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R19|19]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R23|23]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R24|24]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R53|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。
- 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 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R77|77]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R78|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 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R79|79]] - [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R82|82]] ]。
Cosic [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R83|83]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R84|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[[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R80|80]] - [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R82|82]] ]。第一个是静态（亚稳态）、低熵和高度极化，被称为_“Fröhlich 状态”//。Jaeken [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R85|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 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R85|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”_ [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R80|80]] - [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R82|82]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R85|85]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R86|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[ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R85|85]] ]。
- 在70年代初期的第三独立的方法是采取达维多夫[ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R87|87]] - [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R90|90]]，也[[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R91|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）[ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R89|89]] ]（有关概述，请参见 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R91|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 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R92|92]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R93|93]] ]。最近直接证据支持了这种适应症 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R94|94]]]。一种更复杂的孤子类型是动作电位 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R91|91]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R95|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[ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R14|14]]，[[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R18|18]]，[[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R19|19]]，[[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R36|36]]，[[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R39|39]]，[[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R95|95]] ]与凌的AIH，波拉克的GSH和协议_弗罗利希波_概念[ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R80|80]] - [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R82|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 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R12|12]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R18|18]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R19|19]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R36|36]] ]）。
- Del Giudice 小组 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R86|86]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R96|96]] - [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R99|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//[ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R80|80]] - [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R82|82]]，[[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R86|86]]，[[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R96|96]]，]和R-根据 AIH 和 GSH [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R85|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[ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R85|85]]]]。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_[ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R100|100]] ]推导，他们已经统一了 Fröhlich 和 Davydov 的观点。
- 第五个独立的方法来自量子非线性光学 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R101|101]] - [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R106|106]] ]。使用专门开发的光学仪器，Popp [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R101|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 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R102|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 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R103|103]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R104|104]] ]，但在死亡时不存在。生物光子可能由 DNA 产生 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R98|98]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R103|103]] - [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R106|106]]] 和微管，其中受激水起着特殊的作用 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R98|98]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R99|99]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R106|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 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R92|92]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R104|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 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R88|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。
- Ingber [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R107|107]] , [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R108|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//[ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R109|109]] ]。观察到的预应力 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R107|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 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R108|108]]]]。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 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R108|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[ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R110|110]] ]，所以机械相干性与_电相干性相一致_[ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R109|109]] ]。由于许多蛋白质、多蛋白质系统和细胞器与细胞骨架 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R111|111]] ]相连，并且可以直接受到沿细胞骨架网络 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R92|92]] - [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R94|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。 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R109|109]]]。
- 最后，Ho [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R49|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 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R49|49]] ] 和 Abbott [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R112|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 [ [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R113|113]] - [[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3527877/#R116|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]]。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。
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）。
与 Na + /K +泵的工作相关的一个中心主题是 ATP 如何为该系统和其他系统提供能量。MT 提供的观点与凌在他的 AIH 中的观点有最根本的不同。根据 MT，能量来自 ATP 的水解。MT 遵循 Lipmann [ 8 ]的想法，即 ATP 的磷酸酐键是一种_高能键，_能够在水解时将其结合能注入系统。这意味着肌动蛋白-肌球蛋白强结合的初始阶段构成比松弛状态下分离的肌动蛋白和肌球蛋白更高的能量状态（参见：之前给出的关于肌肉收缩的讨论 [ 75]）。这是正相反泠的视图[ 12，18 - 26，51 ]。根据 Ling 的 AIH，ATP 的两个特性是其作为细胞过程增能剂的机制：(1) 它可以与细胞基质的某些蛋白质上的主要结合位点结合，从而_吸附能将_系统提升到亚稳态高能低熵 R 态（R 态为高能态）；(2) 它也可以通过这些蛋白质的 ATPase 活性从这些结合位点中消除。后一个特性对于功率输出中涉及的 R 到 A 转换很重要。
关于第一个特性，吸附的自由能是巨大的：-39.7 kJ/mol 吸附在（A 态）肌动蛋白 [ 124 ] 上，-46.0 kJ/mol 吸附在 G-肌动蛋白上 [ 125 ]。在（A 态）肌动球蛋白的情况下，G-肌动蛋白吸附常数的平衡为 9.84×10 6 [ 126 ]，这意味着984万个 ATP 分子中只有 1 个保持游离状态。这也意味着ATP_在体内_大分子拥挤的情况下没有机会长距离传播。因此，产生 ATP 的酶必须靠近利用它的系统。ATP 吸附在恢复 R 状态中的作用已得到公认，最明显的是在解锁肌动球蛋白的严密性的情况下。76 ]。Ling 在 EMOC 制剂上的实验 [ 51 ] 和 Clegg [ 52 ] 在_卤虫_孢囊上的实验证明了所得 ATP 细胞基质集合的稳定性。然而，关于酶结合 ATP 水解的确切时刻可能仍然存在一些讨论：在 R-to-A 转变开始之前或之后。
关于 ATP 的第二个特性，大多数可以吸附 ATP 的蛋白质也具有 ATPase 活性。但水解的时刻可能不被视为“能量注入”。首先，这会忽略上面提到的高吸附能。其次，酶结合的 ATP 水解通常接近平衡 [ 127 , 128 ]。在经典观点中，后一种观察并没有被否认，但可能会导致无法识别的混乱（参见上面关于肌动球蛋白形成的争议，它有时被认为是一个神秘的_“麦克斯韦恶魔”_ [ 129 ]）；这是由于没有对细胞生理学采取整体方法以及多年来一直忽视 Ling 的 AIH 的结果。ADP 和 P i 的吸附常数远远低于ATP。这允许 ADP 和 P i分离，这实际上是运动性的。因此，存储在高能低熵 R 态的能量可以在 R 到 A 过渡期间以逐步的方式并伴随着 P i和 ADP 的释放被挖掘并转化为功。Ling 的 ATP 机制与 R 态的高能低熵状态密切相关，证实并增加了薛定谔的想法的细节：“生命以负熵为食”。
在以上对 ATP 特性的讨论之后，Na + /K + -ATPase 的当前模型被问题所包围。为什么没有提到ATP的吸附能？当磷酸基团从 ATP 转移到蛋白质上的天冬氨酸残基时，很可能在 ATP 结合的时刻而不是在下一步期间实现高能量状态。反应步骤，不是真正的水解而是转移酶活性，如何成为“能量注入”？为什么不考虑膜表面结构水的影响？鉴于威金斯的数据 [ 61 , 62] 通过改变水结构来合成 ATP，并且考虑到水结构的变化可能会在熵的基础上产生巨大的自由能差异，这个问题应该引起立即的实验验证。为什么没有看到一种结合离子的结合偏好（亲和力）的变化有利于另一种（例如 Na +而不是 K +或相反）是在 Ling 的 AIH 中定量描述的过程，它指出这些（观察到的）亲和力变化是由基数吸附剂施加的诱导效应引起的？在酶的运输周期中发生的两种亲和力变化可以用从吸电子效应到给电子效应的变化来解释；这已经被证明了。事实上，在实验条件下，可以使Na + /K + ATPase 合成ATP。通常说需要足够大的 Na +和 K +梯度来实现这一点。然而，邮政_等_。[ 130 ] 用纯化的蛋白质成功合成ATP_没有离子梯度_。他们得出结论，“钠离子与无机磷酸盐形成的磷酸酶上的低亲和力位点结合足以诱导活性中心的构象变化，从而使磷酸基团转移到二磷酸腺苷”[ 130 ]。P i对酶的磷酸化步骤需要 Mg 2+和 K +的存在，而 ADP 和磷酸酶合成 ATP 的后续步骤受到 Mg 2+ 的抑制和 Na + 的刺激. 通过扭转因果关系，人们可以获得 ATPase 方向的过程。这些发现虽然不受 AIH 的启发，但完全将注意力从 MT（基于离子梯度）转移到 AIH（基于吸附及其诱导效应）[ 18 ]。
为什么不考虑胶体环境中 ATP 的特性？正如每个生物化学家在制备分析混合物时所发现的那样，ATP 高度溶于普通水中。但奇怪的是，化学家和生物学家都没有认识到 ATP 更广泛的物理特性，这些特性决定了它在胶体“系统”中的行为。没有人知道 ATP 如何在一些常用胶体系统（细胞、细胞影、由纯化的 Na + /K + -ATPase重组的囊泡）的组分中分布。目前已知的是 ATP 是两亲性的：log P = 1.64，其中 P 是辛醇/水系统中 ATP 的分配系数 [ 131 ]（为了比较，己醇 log P = 1.46 [ 131]）。ATP 的两亲性表明它不仅在溶液中_游动_，而且必须根据局部亲水性和疏水性分布在任何胶体系统的组分中。具有内置 Na + /K + -ATPase 的细胞、细胞影和重建的囊泡都包含脂质和酶分子，这些分子也具有疏水域（参见 [ 132 ] 的综述）。由于不知道 ATP 的两亲性如何影响所研究的胶体系统的性质，因此支持 Na + /K + -ATPase泵送功能的数据不能被视为证据；重组 Na + /K + 的那些也不能囊泡，通常被认为是有力的证据。回想一下 Wiggins 和 MacClement [ 62 ] 用醋酸纤维素薄膜合成 ATP的实验。
Na + /K + -ATPase的功能是什么？先前关于红细胞鬼影实验的讨论（第 6 部分：第 3 点）清楚地表明 Na +排除和 K +积累取决于位于细胞质中的某些物质，而后者取决于 ATP。在充满细胞基质的红细胞鬼影的情况下，可以做出很好的猜测。Ling 表明，血红蛋白与肌动蛋白（两者都吸附 ATP）以及一种尚未确定的次要细胞基质成分是造成红细胞影中 Na +和 K +含量的原因[ 12 , 18 , 19 , 24 - 26 ]]。Keller-mayer 小组在整个红细胞上获得的结果 [ 121 - 123 ] 和 Ling 用 EMOC 制剂进行的实验 [ 51 ] 证实细胞基质对两种离子的数量负责，并且它们的浓度不取决于膜定位的 Na + /K + -ATPase 的工作。然而，在完整细胞中，Na +和 K +离子必须穿过质膜，这表明 Na + /K +-ATPase 负责通过膜的通量，但不负责细胞内浓度。它甚至可能是通量的调节剂，正如最近的见解所表明的那样，Na + /K + -ATPase 具有受体功能 [ 14 , 133 ]。该函数与其与细胞骨架的连接性的观察结果一致[ 134 , 135 ]。它的功能绝对不是维持_稳态能量学_，正如不同类型红细胞中 Rb +吸收和释放速率的差异所证明的 [ 123 ]。在后一项研究中得出的结论是 Na + /K +-ATPase 参与 Rb + (K + )的摄取，这可以被哇巴因抑制，但 Rb + (K + ) 的分布/含量不受该酶或哇巴因的影响。这表明 Rb + (K + ) 分布/含量可能主要由吸附定义。因此，Na + /K + -ATPase 不是细胞能量学的重要参与者，但属于 Ling 细胞基质的细胞质 K +吸附和水极化 ATPase 是。
细胞能量学由细胞基质决定。因此，进一步澄清凌的“细胞矩阵”概念可能很重要。细胞基质填充的红细胞鬼影和 EMOC 制剂的结果确实表明，与_泵送功能_相当的东西（在 Fröhlich 的意义上）连接到细胞矩阵。但是与 MT 看待泵的方式有四个主要区别：(a) 活动位于细胞质中，而质膜的贡献很小；(b) 活动只需要很短的时间，在 A 到 R 过渡的那一刻，而不是一直需要；© 在 R 状态期间，在离子和其他溶质分布方面建立了物理平衡，而不是持续消耗能量的稳态；(d) 能量来自 ATP 吸附而不是来自 ATP 水解 [ 136 ]。
Ling [ 12 , 18 - 26 ] 之前给出的_细胞矩阵_定义是一个函数定义。他主要不关心它的形态或组成。当然，许多属于细胞骨架的蛋白质参与细胞基质的功能 [ 18 , 111 ]，许多是 ATPases 或 GTPases，但单体肌动蛋白和微管蛋白，它们可能只是松散地相互连接，也会极化水并吸附 K + [ 18 ]，而它们可能_通过_散布的极化水协同作用。一些膜蛋白和膜表面也符合他的定义 [ 18]。因此，将 Na + /K + -ATPase 视为细胞基质的一部分是没有问题的，但这意味着要考虑胶体环境和相关水的特性，并对膜模型持开放态度 [ 18] ]。
在最近的工作中，Ling 创造了术语_“纳米原生质”_ [ 24 , 26 ]（Matveev [ 132 ] 使用术语_“生理原子”：保留特征属性的最小结构）以更加强调生命的结构和功能单位不一定占据整个细胞质甚至大部分细胞质的事实。它们可以相当小。在红细胞中，血红蛋白连同肌动蛋白和尚未被表征的微量蛋白质可能符合细胞基质的概念，并且其极少量仍可被认为是纳米原生质。细胞基质和纳米原生质定义的基础是它的成分——蛋白质、水和离子——具有_在两种替代状态中的任何一种状态下作为相干组合存在的能力，即静止和活跃的活（或死）状态。 ' [ 24 ]。
这个定义意味着在给定的时刻，细胞的某些部分可能处于活动状态，而其他部分则处于非活动状态。因为在活动期间会产生新的 ATP，并且因为在大多数细胞中的许多部分在特定时刻处于活动状态，细胞可能会持续忙于 ATP 生产。这种情况可能会给人一种类似于稳定状态的错误印象，助长了燃烧蜡烛的比喻。它可能会掩盖这样一个事实，即某些部分实际上是不活动的，因此在那一刻不消耗能量。在这方面，肌原纤维或_卤虫_囊肿的研究非常有指导意义，因为可以获得完整的 R 状态。
应该认识到，R 状态很难研究，因为如果没有具体措施，大多数_体外_制备方法以及用于光学和电子显微镜的固定方法都会丢失细胞基质的重要特性。这使得对许多实验以及许多蛋白质 X 射线衍射分析的正确解释变得非常困难。这无疑有助于让 MT 继续前进。也许 MT 是一个很好的细胞理论，细胞基质被破坏，捕获了 A 状态的某些方面，但对 R 状态毫无价值。
总而言之，Ling 的提议 [ 12 , 18 - 26 , 46 ] 不是 ATP 的水解为细胞过程提供能量，而是它对某些细胞基质蛋白的吸附，建立了长期（元）稳定的 R 状态_一旦建立_，无需进一步的能源消耗，他的 EMOC 准备充分证明了这一点。图上的红线（11) 描绘了他对细胞能量学的看法。现在要解决的问题是他的能量模型是否完整？据凌说。然而，在他的 AIH 中几乎没有提到球状蛋白，尽管他同意它们_在体内_发生。它们的存在对细胞能量学有影响吗？我们认为确实如此，尽管只是次要的方式。在我们看来，球状蛋白质的热力学可以用图（）中的绿线来描述。11); 并且必须将这一行添加到 Ling 呈现的视图中。我们的观点基于 Matveev 最近的_“本地聚合假设”_（NAH）。
Matveev 的 NAH [ 15 ] 的三个方面对本文至关重要。首先是他所属的纳索诺夫学派所做的关于R态和A态的一些物理性质的工作，证明R-to-A和A-to-R确实是相变. 在这项工作中，R 和 A 状态及其转换的含义与 Ling 的 AIH 中的相同（并且与 MT 不兼容）。其次，他认为天然聚集是活细胞中各种生理过程的普遍机制。第三，他对天然蛋白质_在体内的_划分 从结构和能量的角度来看，R 状态期间的构象分为两个明确定义的组，第一组产生红线，第二组产生绿色线。11）。第二组的添加允许能量模型的总体轮廓，它与 MT 的稳态模型有根本区别，完全采用 Ling 的熵模型，但增加了一些与球状蛋白质相关的方面。
Nasonov 和 Ling 一样，属于继续相信细胞体相性质的一小群科学家。和凌一样，他也研究了活细胞的 R 态。这是一个被严重忽视的研究领域，可能是因为在 R 状态期间没有任何事情发生，因此没有太多可衡量的。了解它的唯一方法是与 A 状态进行比较。在这个比较中，可以遵循一些一般的物理参数。所做的大部分工作都以俄语出现，因此在西方几乎不为人知。Nasonov和Ling的追随者Matveev[ 15 ]在他对2010年的回顾（英文）中总结了Nasonov学派的一些主要成果，并加入了他自己的成果并与Ling的工作建立了联系。
Nasonov 学派 [ 10 ] 研究了一个显着的现象，即非常不同的物理（pH、静水压力、机械作用）和化学刺激，当它们的强度超过某个阈值时，能够将静息细胞（R 状态）转变为活动状态（A 状态）。发现所有这些不同的刺激都会在非常不同类型的活细胞的物理化学特性（粘度、浊度、疏水性、结构）中产生一组类似的一般非特异性同时变化。Matveev [ 132 ] 称其为_“活细胞的普遍反应”或“原反应”_。
细胞的激活导致双相转变。宏观粘度在静止水平以上先降低后升高；细胞质先变透明，然后变浑浊，超过静息水平；通过活体染色研究的细胞质的疏水性首先下降，然后上升到静止水平以上；等等。第一步仍然可以被认为是 R 状态的一部分，是一种低于激活阈值的现象（就像神经元中的发电机电位的情况）。当超过小区的阈值时启动第二步。它被称为_“激发阶段”并对应于本文中讨论的 R 到 A 转换。在结构层面上，当在光学显微镜下观察活细胞时，广泛的光学空白区域看起来非常均匀，而在激发时会出现额外的结构，固定后也可以看到这些结构。因此，激发态和死亡（固定）态之间存在一些相似性。Ling [ 12 ] 和 Matveev [ 15 ] 都认为死亡状态是不可逆的“过度激活”状态，而生理活动状态总是可逆的。病理状态，例如癌细胞，介于两者之间：过度激活但可逆的状态（另见 [ 104 , 117]）。为了在电子显微镜中看到相当无结构的 R 态，需要采取特殊的预防措施。然后可以观察到非常均匀且非常精细的凝胶状结构，Porter_等人[ 137 ] 将其描述为_“微小梁晶格”_。相反，在经典电子使用的程序显微镜揭示某种_过激活_死亡状态[ 15，71，137 ]，其特征在于更粗糙的结构。与静止状态相比，激活状态的所有这些特性都让人联想到_离_体（球状）蛋白质_在体外_聚集期间发生的情况[ 138]- 140 ]。因此，纳索诺夫提出了他所谓的“细胞兴奋和损伤的变性理论”，该理论提出必须_在体内_蛋白质变性的阶段寻找细胞活化过程中所有观察到的物理化学性质变化的原因。
由于术语_“蛋白质变性”，可能会产生误解。在许多教科书中，“变性”一词适用于球状蛋白质。在这种情况下，变性通过连续的展开步骤进行，直到获得完全展开的无规卷曲。这个过程是吸热的。热变性是实现它的方法之一。根据 Ling 的 AIH，R 状态期间的细胞基质由具有“完全延伸”蛋白质的蛋白质-水-离子复合物组成。波特的微小梁点阵 [ 137 ] 的结构可能与这个概念兼容。马特维耶夫 [ 15] 给出了“变性”的新定义，这使得该术语也适用于后一组蛋白质。这个新定义与尚未广为人知的 R 状态概念密切相关。该定义源于蛋白质的“天然”或“天然”状态是它如何_在体内_R 状态中发生的想法。对于天然紧密折叠的球状蛋白，变性_行为对应于展开的阶段。然而，对于天然完全延伸的蛋白质，变性_行为对应于折叠过程。Matveev [ 15 ] 将后一种想法表达如下：'在天然状态下，关键细胞蛋白是惰性的、无反应能力的；它们彼此不相互作用，也不与其他生物聚合物相互作用。Clegg 对_卤虫_孢囊的观察证明了所有蛋白质在 R 状态期间都可能失活[ 52 ]。在这些囊肿中，甚至糖酵解和呼吸也必须停止：零活性。现在_有了_新的定义：“失去惯性状态就是变性” [ 15 ]。当完全延伸的蛋白质变性（在 R 到 A 过渡期间）出现临时二级结构并且这些结构具有“反应能力”时_以特定的方式。特殊性突然出现在舞台上。另一方面，紧密折叠的球状蛋白质是惰性和非反应性的，因为它的反应性结构，因为它们具有疏水区域，隐藏在球体内部。活化后，它们会发生部分熔化，产生_中间状态，从而使反应结构暴露出来，准备进行特定的相互作用。因此，当紧密折叠的球状蛋白质在 R 到 A 转变期间部分变性时，这会通过轻微熔化发生，足以暴露其反应性二级结构并使它们“具有反应能力”_。
首先，上面的描述表明，关于变性和激活的过程（惰性 R 状态的丧失），蛋白质分为两个明确定义的组：Ling 描述的天然完全展开的蛋白质，以下称为_'NUN-蛋白质'_ ; 和天然紧密折叠的蛋白质，对应于蛋白质的更经典图片，至少在几十年前，以下称为_“NF-蛋白质”。这种划分对于理解细胞能量学非常重要，因为：（1）尽管关于_体内_蛋白质的经典思考方式已经迅速发展，但它仍然强烈偏向于 MT，并且与相干性和_体内_状态不相容。水和钾+，所以关于细胞能量学的错误想法可能会持续一段时间；(2) Ling 的观点通过连贯性和_体内_水和 K + 的状态消除了这些问题，但在他的细胞基质概念中，他只描述了 NUN-蛋白质，只用了几句话来讨论球状蛋白质。例如，在他 1992 年的书（[ 19 ]，第 72 页）中，他做出了明确的区分：“在球形天然蛋白质中，水合作用仅限于极性侧链。… 在纤维蛋白中，一些主链 NH-CO 基团没有锁定在大分子内的 H 键中，因此可以自由吸水。……极性侧链通常会吸收相对少量的水”，而在进一步的几页（第 100 页）中，他谈到了 NUN 蛋白：“完全延伸的蛋白质和活细胞中的水吸附都遵循布拉德利的多层吸附”_。这揭示了为什么他很少讨论 NF-蛋白质。事实上，为了解释整个细胞的吸水作用，NF-蛋白质是相当无关紧要的。他计算出，如果所有蛋白质在天然状态下都是球状的，那么只有大约 6.25% 的细胞水会受到影响。然而，下文将讨论 NF 蛋白确实对细胞能量有贡献，尽管它是次要的。
从能量上讲，在 R 状态期间存在两组蛋白质，NUN 和 NF 蛋白质，也遵循蛋白质解折叠的热量测量。这些研究表明，与完全展开状态相比，完全折叠状态的稳定性在 +20 到 +80 kJ/mole [ 54 ] 之间，因此展开状态需要外部能量输入才能存在。鉴于 AIH，上述能量值清楚地表明，更接近于 +20 kJ/mol 的较低值的蛋白质可以以很大程度上未折叠的状态存在，其能量输入来自于 ATP 的吸附，在-45 kJ/mol [ 45 , 124 , 125 的数量级]。这些是 NUN 蛋白，以高能量水平为特征。它们的激活导致折叠，这是一个放热过程并允许输出功率。由于周围水的吸附和极化，ATP-蛋白质-水-离子的非活性集合具有非常低的熵。因此，功率输出由熵驱动。显然，对于接近于 +80 kJ/mol 的较高值的蛋白质，更可能_在体内_处于完全折叠的球状状态。这种状态本身是稳定的，因为它占据了最小的能量井。然而，它们的活性_中间态_保持在较高的能级，因此需要能量输入（活化能）。这些是更经典的球状或 NF 蛋白。
现代蛋白质生物物理学支持相当稳定和可重复的中间状态的存在，中间状态与其他状态之间有一个阈值，位于紧密折叠的小球和完全未折叠蛋白质的两个极端之间 [ 55 ]。邓克尔_等人。[ 141 ] 提出了“熔融_球体_”的概念和“预_熔融_球体”的_Uversky [ 142 ]概念。由于该领域目前正在发展，这里优先使用更通用的术语_“活性中间”状态_，特别是因为 NAH 处理任何类型的生理过程，并非所有情况都需要相似。NAH 认为，球状蛋白质在隐藏其反应位点（天然状态）的最紧凑的完全折叠状态下是无活性的，并且通过过渡到更松散的中间状态而被激活，从而使反应位点暴露于周围环境并具有反应能力。通过松开紧密折叠的状态来激活球状蛋白质显然是 endergonic。可以得出的结论是，由于_体内_球状蛋白的存在是不可否认的，它们激活的内分泌性质也不能否认，如图中的绿线（11) 必须添加。
什么有利于_本地聚合_的概念是 (1) 给定的蛋白质可以以非活性惰性状态和一种或多种活性功能状态存在；(2) 在活性状态下会出现具有相互作用能力的二级结构，并且可以暴露于其他活化的生物分子（不一定只是蛋白质，实际上是任何类型的配体），从而可以暂时发生生理活动。NAH 的基本原理在于以下事实：(a) A 状态期间每种生理过程所需的特异性在 R 状态期间不存在，而是出现在 R 到 A 过渡的开始蛋白质变性机制（新定义）；(b) 尽管有多种不同的刺激和多种多样的特定生理反应，但蛋白质变性的共同机制（新定义）总是伴随着相同的与蛋白质-水-离子相变相关的所有物理化学参数的_非特异性_或_普遍_变化；© 功能聚集体的形成不是随机布朗过程的结果（如有关 IDP 的文献 [ 56 ] 中所述），而是与有关连贯性的文献（见前文）和Cosic 的_共振识别模型_[ 83 , 84 ]。对于这些概念的进一步更详细的处理，包括一些说明性的例子，可以参考参考文献 [ 15 ]。
用 Matveev 的话总结 [ 15 ]：“可以确定两种极端的蛋白质状态：完全折叠（球状蛋白质）和完全未折叠状态。在这些非活动（原生）状态之间，可以存在许多中间的、活动的形式；正是这些形式产生了本地聚合。
这个新的提议基于 Ling 的 AIH 并由 Matveev 的 NAH 扩展，如图所示。11）。红线是 NUN 蛋白（见前：第 4 节第 1 点），绿线是 NF 蛋白。下面给出了从 R 到 A 再到 R 的每个阶段的完整概述。
考虑到整个活细胞，R 态是一种亚稳态的高能低熵态，长期稳定，正如 EMOC 制剂 [ 51 ] 和 Clegg 对_卤虫_孢囊 [ 52 ]的工作所阐明的那样。术语_“亚稳态”用于表示 R 态的高能特性的稳定性，但也表示它可能陷入低能态，因为它离热力学平衡很远（详见 [ 143 ]） ）。然而，作为玲[ 51] 在他的 EMOC 准备中指出，这仍然是一种物理平衡，既不需要泵送活动，也不需要连续的能量供应，正如 MT 错误地认为的那样。R态可以存在于高能量盆地中，因此离开该盆地需要少量的外部能量。这少量可被视为一种_活化能，例如由活化主要吸附剂如Ca 2+（或其他活化剂）的吸附能传递。外部刺激引入的能量必须足以达到阈值；如果不是，则 R 状态持续存在。
在 1960 年代后期，Prigogine [ 144] 开发了远离平衡并以动态行为为特征的非线性系统的热力学。他从他的新观点讨论了生命系统。在活动期间（R 到 A 和 A 到 R 的转变），生命系统确实是动态的，因此可以应用他的热力学。如果 MT 是正确的，这些热力学也适用于 R 状态，因为 MT 将 R 状态视为需要连续泵送活动的稳态，即作为动态系统。然而，如上所述，Ling 毫无疑问地证明了 MT 是错误的，R 态是一种亚稳态，处于物理平衡但远离热力学平衡。这意味着 Prigogine 的热力学不能用于描述 R 状态。就在最近，Prokhorenko 和 Matveev [ 143] 推导出_远离平衡的静态（亚稳态）非线性系统_的_热力学_。它们是从第一原理发展而来的，并立即应用于 Ling 对细胞 R 状态的描述。因此，Ling 的 R 态被置于牢固的热力学基础之上。
现在必须将构成 R 状态的蛋白质分为上述两组。构成 Ling 细胞基质的 NUN 蛋白负责 R 状态是亚稳态高能低熵状态的事实。它们与结合 ATP 结合的稳定性是这种状态的静态特征的原因，而在 A 到 R 过渡期间 ATP 结合的过程负责将系统提升到高能低熵盆地。NF 蛋白在 R 状态期间自身是稳定的，因为它们以完全折叠的构象存在，对于蛋白质来说，这代表了最小能量池。两组能级的总和给出整个系统在 R 态的高能级。它等于 NUN 蛋白质的能量水平减去 NF 蛋白质的能量水平。
R 到 A 的转换是由外部刺激或内部信号引发的，其强度足以克服阈值。它主要是间接传递到适当的细胞内位点，例如由 Ca 2+介导。后者反过来作用于带有用于激活的主要吸附位点（例如 Ca 2+结合位点）的NUN 蛋白。这种结合产生的强诱导作用通过协同连接的细胞基质（NUN-蛋白质系统）自动协同传递，并释放与 R-to-A 相变相关的非特异性作用，以及一系列特定的功能效应，这取决于特定蛋白质之间的特定相互作用（参见 NAH）。
同样，必须区分这两组蛋白质。NUN-蛋白质的折叠是exergonic，由此相关水的解离和去极化以及结合K + 的解吸导致熵的大量增加。从存储的低熵产生功率输出。然而，NF-蛋白质轻微解折叠成活性中间构象是endgonic。在这个新模型中提出，必要的能量从 NUN 蛋白的放能反应转移到 NF 蛋白。这种能量转移的机制将在本文末尾给出。整个系统的 R 到 A 转换的净增能性质等于 NUN 蛋白释放的能量减去 NF 蛋白吸收的能量，并且始终具有净增能特性，因此可以保证功率输出。
天然聚集是一个广泛的概念，涉及在 R 到 A 过渡 [ 15 ]开始时临时形成蛋白质与任何类型的配体（其他蛋白质、多核苷酸、底物、离子等）的活性功能复合物。两种或更多种 NUN 蛋白的聚集体的形成（例如肌动球蛋白形成）是放热的，NUN 蛋白与 NF 蛋白的形成是净放热的。不排除两种 NF-蛋白质之间的相互作用，但能量上只有在两种蛋白质的活化能以某种方式传递后才有可能，最终这种能量必须来自 NUN-蛋白质系统的 R-to-A 转变或直接来自外部刺激。
在 A 状态中，NUN 蛋白和 NF 蛋白处于完全不同的情况。肌动蛋白和肌球蛋白可以作为细胞基质 (NUN-) 蛋白的例子 [ 12 , 14 , 18 , 70 , 73 , 134 ]。它们具有未折叠区域 [ 14 , 75 ]，使水极化 [ 14 , 18 , 73 ]，吸附 K + [ 68 - 73 ]，具有 ATP 的主要吸附位点并表现出 ATPase 活性 [ 12 , 14 ]。结果表明，在激活肌原纤维后，S肌球蛋白和肌动蛋白的1 头之后是 P i的释放，允许强结合，这反过来导致动力冲程，然后才释放 ADP [ 145 ]。这些连续的步骤一起代表了 R 到 A 的转换，这是一个动态的动态过程。ADP 解离后，系统进入其稳定（静态）低能量盆地，即肌球蛋白头不含核苷酸的 A 状态（严密）。除非添加 ATP ，否则肌原纤维将保持这种严密状态 [ 76 , 145 ]。这一事实说明了 A 状态的静态和稳定性质，就其涉及 NUN 蛋白而言。相反，在 A 状态期间，NF 蛋白可能保持活性，因为它们处于高能功能状态，如上所述_活跃的中间状态_。将 NF 蛋白提升到其活性中间状态的能量可以被认为是一种活化能，应该直接从刺激或 NUN 蛋白的 R-to-A 转换中传递。能量转移机制如下所述。
总之，A 状态既有 NUN 蛋白的静态低能量成分，也有 NF 蛋白的动态（相对）高能量成分。然而，在 A 状态期间 NF 蛋白的高能水平低于在 R 状态期间 NUN 蛋白的高能水平，因此 R 到 A 的转变总是会发生。
糖酵解和呼吸作用产生新的 ATP。在产生大量 ATP 之前，需要一些 ATP 来激活这些途径（例如己糖激酶和磷酸果糖激酶反应）。因此，细胞总是需要最少量的 ATP（另见 EMOC 实验）。在健康细胞中，在 A 状态期间对 ATP 的最低需求仍然足够，因此代谢活动会产生更多的 ATP，从而降低 ADP/ATP 比率。由于这些蛋白质的吸附系数非常高（对于肌动球蛋白：9.8×10 6 [ 46]）。ATP 的吸附能（接近 45kJ/mol）将细胞基质的 NUN 蛋白提升回 R 态的非活性（亚）稳定高能低熵盆地。如前所述，Ling 明确表示，ATP 的吸附能而非水解能是造成这种 A 到 R 转变的原因 [ 12 , 18 - 26 , 46 ]]。NF-蛋白质可以通过下面讨论的几种机制恢复到它们的低能量无活性完全折叠状态。它们的失活本身是消耗性的，但最终需要少量能量才能到达它们占据的高能盆地的边界。是否需要这么少量可能取决于具体情况；因此，在图（11）。这取决于激活状态是真正的能量池还是只需要激活能量来启动它的瞬态，在这种情况下，它然后放热向下流动。
虽然在 R 到 A 的转变过程中需要激活 NF 蛋白是不言而喻的，如上所述，能量的来源是相当投机的，因为有很多可能性，不同情况可能有不同的机制。NF 蛋白的活化能可以通过 (a) 直接从刺激本身或 (b) 通过 NUN 系统的中介间接从刺激传递。在后一种情况下，问题是：能量如何从 NUN 系统转移到 NF 系统？
首先，当两组蛋白质之间可能发生直接构象接触时，可能会发生这种能量转移。许多球状 (NF) 蛋白被认为与细胞基质 (NUN 蛋白) [ 111 ] 的元素相关，从而实现这种直接转移。某些蛋白质的分子当时同时具有 NF 段和 NUN 段 [ 58 ]。或者，可以从周围环境中获取能量。事实上，R-to-A 相变的最具穿透力的方面是由于 NUN 系统。局部物理化学环境发生了如此深刻的变化，并以放热熵产生的方式发生，以至于附近的非活性 NF 蛋白在其紧邻的附近有足够的能量被激活。凌氏静息蛋白-水-K协同转化+复合物确实会导致蛋白质微环境中物理条件的变化。之前处于 R 状态的区域变得更具渗透性。物质的扩散通量出现，随之而来的是热力学势的梯度：协同程度越高，这些势梯度就越大。在离子的情况下，会产生电扩散电位。这些潜力可以成为任何类型的生物工作的能源，包括一些球状蛋白质的熔化。蛋白质具有极性差异很大的侧基。这意味着蛋白质是表面活性化合物。活细胞作为胶体系统，表现出许多局部相和相间边界。相间边界是用于吸附各种物质（包括蛋白质）的表面。与 R 态相比，相变从根本上改变了 A 态中物质的分布。这可能导致吸附/解吸的变化。与这些吸附/解吸过程相关的能量可能很容易破坏蛋白质的 R 状态并导致 NF-蛋白质的熔化或 NUN-蛋白质（的新部分）折叠。
长距离的能量转移也是可能的，例如通过变构调节剂、第二信使或离子的穿梭。其他一些长距离能量传输机制通常是相干类型：能量脉冲沿着自动协作连接的蛋白质系统（如微丝或微管）的短距离或长距离传输。_Davydov 孤子_和_电孤子_已被建议用于沿这些传输线的能量传输 [ 92 - 94 ]。生物光子_可以构成另一种机制远距离传输和协调[ 103 - 105 ]。在更局部的层面上 Cosic 的_共振识别模型[ 83 , 84 ] 可能特别重要。
能量模型如图（11) 最终确定了 (a) 随着 R 到 A 过渡的可能激活 ATP 再生系统的机制；(b) 在重新安装 R 状态时其去激活的机制。事件的因果时间序列被认为是最明显的机制。在这个提议中，例如肌动蛋白和肌球蛋白的 R 到 A 转换比 ATP 合成的 R 到 A 转换开始得更早，因为后者必须等待 ADP 从肌动蛋白 [ 146 ] 和肌球蛋白 [ 145 ] 中释放出来，146 ]。类似地，随后的吸附新形成的ATP，以肌动蛋白和肌球蛋白[的124，125，145，146] 在 ATP 合成机制失活之前恢复后一种蛋白质的 R 状态，因为后者必须等待由 ATP 吸附过程引起的 ATP/ADP 比率降低（见图 2）。 11）。
当人们认为 ATP 和 ADP 在_“细胞质”中分布相当均匀并且 ATP 合成和消耗以生理适应速度连续发生时，这一提议可能看起来很奇怪。然而，R-和A-状态在细胞的不同部分同时共存，加上核苷酸的两亲特性，使得游离ATP存在于整个“细胞质”中_的想法成为必要_。_并且是永久合成的。ATP对某些蛋白质的高吸附系数使其在细胞区域的游离浓度几乎为零；该地区的糖酵解很可能会停止。在 R 到 A 过渡结束时，ADP 的突然局部释放必须导致局部定量转化为新的 ATP，然后快速局部吸附。在这个故事中，K +可能起到了主要作用。
K +在R-to-A-to-R循环中的关键调节功能一般没有实现。在最近对单价离子在酶功能中的作用的广泛评论中，Page 和 Di Cera [ 147 ] 写道：“因为 Na +和 K +的浓度在体内受到严格控制，所以 M +不能作为酶活性'。相反，根据 Ling 的 AIH，R 和 A 状态之间的K +活性完全不同，因此 K +可能有效地发挥最重要的调节功能。Ling [ 148 ] 在一篇未被引用的短文中提出了这样的规定。K +由于吸附到细胞基质的 NUN 蛋白上，R 状态期间的活性非常低（约 2.5 mM）。这种结合的 K +然后在 R 到 A 转变开始时突然释放，在 A 状态期间产生高 K +活性（在神经元中约为 150 mM）。一些释放的 K +离子随后可能会与一些其他蛋白质结合。Ling [ 148 ] 提到两种代谢途径尤其被高 K +活性激活：糖酵解和呼吸。丙酮酸激酶 [ 149 , 150 ] 绝对需要高 K +活性，磷酸果糖激酶也是如此 [ 151 ]。线粒体激活依赖于 K+流入 [ 152 - 155 ]，根据 AIH，它是在 R 到 A 过渡开始时启动的。在那一刻，K +可能会真正打开这些通路作为主开关；接下来，与 R 到 A 转换的功率输出相关的 ADP/ATP 比率增加，进一步以变构方式调节通路通量。此外，增加的 ADP 和 P i活性对这些途径具有底物效应。因此，新的 ATP 会迅速生成并与附近的 NUN 蛋白结合。这将重新安装该组的 R 状态，从而重新吸附K +。K +活性再次下降到低值，导致其与调节性糖酵解酶解离并离开线粒体。糖酵解和呼吸再次失活。如果细胞处于完全静止状态，整个细胞中的低 K +活性可能会导致糖酵解、呼吸和其他代谢途径完全停止。细胞中的总 ATP 浓度很高，但它以稳定的方式吸附到 NUN 蛋白上。这至少遵循 Clegg 对_卤虫_包囊的观察[ 52 ]。因此，是时候认识到在 R-to-A 和 A-to-R 转换期间K +活性的巨大变化可能作为 ATP 生成途径的真正开/关开关起作用。
考虑到整个 R-to-A-to-R 循环，K +的影响可能会产生一种自动因果时序机制，使循环能够进行并限制 A 状态的持续时间，也可能在以下情况下“极限循环”，其中可能会出现细胞质 K +振荡。已经描述了线粒体 K +循环 [ 155 ]，但不幸的是，它没有像本文那样从 Ling 的角度进行解释。
薛定谔的“生命以负熵为食”的想法[ 17 ] 在 MT 中找不到它的位置，因为根据 MT，质膜两侧的介质在熵上没有差异（离子和水被认为是自由的双方）。因此，MT 一直是细胞生理学中物理思想和方法传播的最大障碍。因此，细胞生理学与物理和化学（尤其是胶体化学）之间存在巨大差距。很明显，活细胞是一个多相系统，具有许多界面，包括蛋白质表面、蛋白质复合物和不同的超分子结构。对于大多数生物学家术语_“胶体”_，与早期的20相关的日世纪。然而，在过去的二十年里，胶体化学有了很大的发展。现在必须使用所获得的知识来解决细胞生理学问题。正在研究胶体系统（细胞和细胞模型）但可能没有意识到这一点的生物学家如果缺乏物理和胶体化学知识，可能会得出错误的结论。似乎已经证明的事情可能是一个严重的错误。需要结合各专业科学家的努力。Ling 的 AIH 是对生物学感兴趣的物理学家的一个很好的跳板。但更重要的是，每个在生物科学领域工作的人都应该了解 Ling 的 AIH、Pollack 的 GSH 和细胞的相关行为。这种广泛程度和重要性的另一种观点，包括对细胞能量的不同观点，