世界生物學史之十五: 20世紀前期生物大分子和代謝途徑研究的進展

世界生物學史之十五: 20世紀前期生物大分子和代謝途徑研究的進展　　一. 對生物大分子的認識 生物化學起源於19世紀的生理化學，發展於20世紀。起先，由於一些有機化學家對動植物化學的研究，開始認識了組成生命的重要物質──蛋白質、核酸、糖和脂肪的化學成分和部分結構。科學家們用了100多年的時間,到1940年才全部闡明了組成蛋白質的20種氨基酸。19世紀末、20世紀初，德國化學家E.菲舍爾和F.霍夫邁斯特先後分別提出蛋白質的結構是由肽鍵把各種氨基酸連接為長鏈的理論，並指出了天然氨基酸都是L系(左旋)的。但直到1929年,瑞典化學家T.斯韋德貝里用他自己發明的超速離心機進行了測定後才證明了蛋白質的大分子本質。1869年，J.F.米舍爾發現核酸以後，德國生化學家A.科塞爾和美籍俄裔的生化學家P.A.T.列文等從世紀交替時起到20世紀30年代，對核酸的結構作了系統的研究,發現核酸是由4種不同的含氮的雜環化合物（嘌呤和嘧啶的衍生物，通稱鹼基）同核糖、磷酸結合成核苷酸，然後再聚合為大分子。1929年P.A.T.列文發現，由於核糖含氧量不同,而有脫氧核糖核酸(DNA)與核糖核酸(RNA)之分。由於當時條件的局限,他根據不夠精確的測定，誤以為核酸中4種鹼基的含量相等,於1921年提出關於核酸結構的錯誤的「四核苷酸」假說，把複雜的核酸結構簡單化了。30年代這一假說被普遍接受，影響了人們揭示核酸作為生命物質的重要功能。直到40年代中期核酸在遺傳上的功能被肯定，才有人再次用剛建立不久的精確方法進行分析，發現四種鹼基含量並不完全相等。這才推翻了「四核苷酸」假說，有助於以後DNA雙螺旋結構模型的建立。　　　　二.代謝基本途徑、酶和生物能本質的闡明生物體內代謝途徑複雜多端，在20世紀前葉基本上闡明了糖、脂肪和蛋白質三種主要物質的分解代謝途徑。　　　　1897年，德國生化學家 E.畢希納發現離開活體的釀酶具有活性以後，極大地促進了生物體內糖代謝的研究。釀酶發現後的幾年之內，就揭示了糖酵解是動植物和微生物體內普遍存在的過程。英國的F.G.霍普金斯等於1907年發現肌肉收縮同乳酸生成有直接關係。英國生理學家A.V.希爾，德國的生物化學家O.邁爾霍夫、O.瓦爾堡等許多科學家經歷了約20年，從每一個具體的化學變化及其所需用的酶、輔酶以及化學能的傳遞等各方面進行探討,於1935年終於闡明了從葡萄糖（6碳）轉變其中乳酸（3碳）或酒精（2碳）經歷的12個中間步驟，並且闡明在這過程中有幾種酶、輔酶和ATP等參加反應。　　 脂肪酸的代謝一直遵循著從1904年德國生化學家F.克諾普建立的β-氧化理論,即從羧基端依序以兩個碳為單位解離。　　 蛋白質的代謝則主要是氨基的去向問題。1930～1938年,經蘇聯生化學家A.E.布勞恩施泰因、克里茨曼和M.李約瑟夫人等許多科學家的努力，基本上闡明了氨基的轉化過程。1932年德國生化學家H.A.克雷布斯發現了氮的代謝廢物尿素是由轉化的氨基通過鳥氨酸循環不斷產生的。這一發現不但闡明了尿素生成的途徑，而且給代謝途徑建立了「循環形式」的新概念。　　　　三羧酸循環這一代謝基本途徑的闡明是H.A.克雷布斯於30年代末在英國作出的。他總結分析了前人在與呼吸作用有關的化學物質的化學結構及其變化和自己的實驗結果，指出，檸檬酸經過一系列的已知的變化可以變為草醯乙酸，而草醯乙酸也可以變為比它多兩個碳的檸檬酸，從而提出檸檬酸循環的設想。在這個過程中產生了二氧化碳和水。但是對於同草醯乙酸結合的兩個碳原子化合物的來源問題，H.A.克雷布斯只是提出設想：是糖酵解或脂肪酸β-氧化的產物。證實這一重要設想的是德國出生的生物化學家,O.邁爾霍夫的學生和助手、1939年到美國工作的F.A.李普曼。1945年他從研究生物化學能的重要傳遞物──ATP入手,發現了活性很強的含兩個碳原子的化合物──輔酶A。正是輔酶A促進了兩個碳原子化合物同草醯乙酸的縮合。後來直到50年代初，才弄清了丙酮酸氧化脫羧後同草醯乙酸縮合的整套多酶體系。　　 在代謝途徑的研究過程中，能量的產生和轉化始終是一個引人注意的問題。英國生理學家A.V.希爾和O.邁爾霍夫分別於1912和1922年發現肌肉收縮過程中伴隨著能量變化。1929年，德國生化學家C.H.菲斯克和K.洛曼等分別從肌肉中分離出腺苷三磷酸(ATP)。1935年,K.洛曼測定出ATP的分子式。與此同時,發現不論在糖酵解或三羧酸循環等代謝過程中,都有伴隨著ATP磷酸根的放出或 ADP得到磷酸根的變化──化學能量高效率的傳遞方式。1941年F.A.李普曼引入「高能磷酸鍵 (～P)」的概念。1949年美國生化學家E.P.肯尼迪和A.L.萊寧格報道了線粒體含有三羧酸循環所需要的全部酶系統，並且與磷酸化偶聯，產生大量ATP,而酵解作用則在細胞質中進行。以後線粒體就成為能量代謝研究的主要材料。　　 關於在代謝物氧化過程中,氫如何變為水的問題,曾有過不少爭論。O.瓦爾堡在第一次世界大戰前後，經過多年的研究,到20年代初明確提出氧分子能使2價鐵變為3價鐵，3價鐵使代謝物氧化的同時又還原為 2價鐵。他稱這種鐵的化合物為呼吸酶，但他所用的鐵是血紅素燒成的灰。O.瓦爾堡從事這項研究的副產品就是後來為世界各國生化實驗室內所廣泛採用的瓦伯呼吸儀。但他的結論卻引起不少爭論。德國化學家H.O.維蘭德在1912～1913年間用一系列的實驗表明，細胞內代謝物的氧化主要是由於酶的作用先脫氫，脫下的氫再同氧結合為水。不久就分離出脫氫酶。於是，在O.瓦爾堡和H.O.維蘭德之間,對究竟是先激活氧還是先激活氫的問題上,發生了一場歷時十餘年的爭論。英國寄生蟲學家和生物化學家D.基林於1924年用實驗表明在細胞中廣泛存在的、含鐵的細胞色素在代謝物氧化過程中起氧化作用。為此，O.瓦爾堡同D.基林間也發生了爭論。到20年代末，經過D.基林和匈牙利生物化學家（第二次世界大戰定居美國）A.聖捷爾吉等的努力，明確了代謝物的氧化過程中既有脫氫作用，也有氧被激活的作用，還有細胞色素在中間的作用。50年代許多人的工作結果表明代謝物在細胞內從脫氫到同氧結合為水，是一個多步驟的電子傳遞過程。這裡同位素示蹤技術對代謝途徑的最後確定起著決定性的作用。從 1932年美國化學家 H.C.尤里發現氫同位素「氘」，1933年匈牙利化學家G.C.de海韋希製得放射性P32，特別是40年代初原子反應堆建立以後，在生化研究上很快得到了應用。如德國出生的生物化學家R.舍恩海默在美國於1933年用氘研究脂肪酸代謝，1937年用N15研究蛋白質代謝，發現代謝物質間存在著動態平衡。此後，同位素應用日益廣泛，成為生物化學研究的一種重要手段。酶究竟是大分子還是小分子，在20年代前半期還在爭論不休。1926年，美國生物化學家J.B.薩姆納成功地從刀豆中提取出能分解尿素的尿素酶結晶，並證明這個結晶是蛋白質。4年後美國生物化學家 J.H.諾思羅普又得到胃蛋白酶和胰蛋白酶的結晶，並證明它們也是蛋白質。從此，酶是蛋白質的概念才被肯定。30年代，發現酶除了大分子蛋白質的部分以外，還有許多種輔酶配合著起作用。經過包括O.瓦爾堡等許多生物化學家的研究證明了許多維生素，如B2、B2、B3、…等都得各種輔酶必不可少的成分。至於酶反應的原理和動力學，又為人們開闢了一個廣闊的研究新領域。酶的專一性的研究在20世紀初已見端倪。E.H.菲舍爾就曾提出「鎖鑰理論」。即在酶同反應底物的結構之間有一定的互相嵌合的關係。以後又有不少修改和補充。60年代初D.小科什蘭提出了根據比較充分的「誘導配合理論」。1965年法國分子生物學家J.莫諾出了調控酶活性的「變構」理論。