酶在高效率和专一性两个方面都非常像催化剂。例如, 有一种叫做过氧化氢酶的酶, 可以催化过氧化氢分解成水和氧。虽然现在溶液中的过氧化氢也可以用铁屑或二氧化锰来催化, 但是, 在相同重量的情况下, 过氧化氢酶加快分解的速率要比任何无机催化剂都快得多。在10℃时, 每一分子的过氧化氢酶每秒钟能够使44000分子的过氧化氢分解。所以, 只要有浓度很小的酶就能完成它的功能。
由于同样的原因, 只要服用少量能干扰一种主要酶作用的物质 (毒物) , 就能结束生命。将重金属以氯化汞或硝酸钡等形式给人服用后, 它们就会与许多酶活性所必不可少的巯基发生反应。那些酶停止作用, 生物体就会中毒。像氰化钾或氰化氢一类的化合物, 用它们的氰基与其他主要酶的铁原子结合, 很快就能使动物死亡。
在常见的毒物中, 一氧化碳是个例外。一氧化碳基本上不作用于酶而与血红蛋白分子结合 (血红蛋白是一种蛋白质, 但不是一种酶) 。在一般情况下, 血红蛋白把氧从肺运送给细胞, 但是被一氧化碳缠住后, 就不能运送氧了。不使用血红蛋白的动物不受一氧化碳的伤害。
酶具有高度专一性, 过氧化氢酶就是一个很好的例子, 它只分解过氧化氢而不分解任何其他物质; 而无机催化剂, 如铁屑和二氧化锰等, 不仅可以分解过氧化氢, 而且可以催化许多其他反应。
怎样解释酶的高度专一性呢? 隆哥和朗缪尔关于催化剂的行为像中间人的学说提出了一种答案。假定我们认为一种酶和它的底物 (酶催化其反应的物质) 形成一种暂时的结合, 这样, 这种酶的形状或构型可能起着非常重要的作用。显然, 每一种酶必定有一个非常复杂的表面, 因为它有许多不同的侧链从肽主链上突出出来。这些侧链中有的带负电荷, 有的不带电荷; 有的大, 有的小。人们可以设想, 每一种酶可能都有一个正好与某种底物相配合的表面, 换句话说, 它与底物的配合就像钥匙配锁一样。因此, 它很容易与那种物质结合, 而很难或根本不与其他物质结合。这样就可以解释酶的高度专一性了: 每一种酶都有一个定做的表面 (打个比方) , 用来和一种特殊的化合物结合。如果是那样的话, 蛋白质由那么多不同的单元组成, 而且由活组织制造出那么多的种类, 就没有什么可奇怪的了。
酶作用的这种学说是英国生理学家贝利斯在他的著作中首先提出的。他研究的是一种叫做胰蛋白酶的消化酶。1913年, 德国化学家米歇里斯和他的助手门腾利用这个学说研究出了米歇里斯-门腾反应式, 描述了酶执行其功能的方式, 使这些催化剂变得不那么神秘了。
人们发现, 如果有一种在结构上与某种底物类似的物质存在的话, 就会减慢或抑制底物的这种酶促反应。这也证实了这种锁钥观点。最有名的是关于琥珀酸脱氢酶的例子: 这种酶能够催化从琥珀酸中脱去两个氢原子的反应; 如果有丙二酸 (和琥珀酸非常相似) 存在, 这个反应就不能进行。琥珀酸和丙二酸的结构式如下:
这两个分子之间惟一的区别就是在琥珀酸的左侧多一个CH2基。因为丙二酸的结构与琥珀酸相似, 所以大概丙二酸可以附着在琥珀酸脱氢酶的表面。一旦丙二酸在酶的表面上先占据了琥珀酸要附着的点 (打个比方说) , 它就会一直堵塞在那里, 酶就失去了作用。就酶的正常功能来说, 丙二酸使酶中了毒。这种作用叫做竞争性抑制。
支持酶-底物复合物学说的最确实的证据来自光谱分析。人们推测, 如果一种酶与它的底物结合的话, 在吸收光谱方面应当有变化: 结合物所吸收的光应当不同于单独的酶或单独的底物所吸收的光。1936年, 英国生物化学家基林和曼, 在过氧化氢酶溶液中加入它的底物过氧化氢以后, 探测到颜色的改变。美国生物化学家钱斯进行了光谱分析, 发现在吸收图样中有两种渐进的变化, 一个接着一个。他认为, 图样的第一种变化是由于酶和底物在以一定的速率形成复合物, 而第二种变化是因为随着反应的完成, 这种结合在减慢。1964年, 日本生物化学家八木宣称, 他分离出一种由D-型氨基酸氧化酶和它的底物丙氨酸松散结合而组成的酶-底物复合物。
现在又出现了一个问题: 催化作用是需要整个酶分子呢, 还是需要它的某一部分就够了呢? 这在理论上和实践上都是一个重要的问题。今天酶已被广泛应用: 被用来制药、制造柠檬以及许多其他化学品。如果不必用整个酶分子, 而用它的某一小片段就可完成反应, 或许这一活性部分可以人工合成, 从而使生产过程不必依赖利用像酵母、霉菌和细菌一类的活细胞了。
已经朝着这个目标取得一些有希望的进展。例如, 诺思罗普发现, 当在胃蛋白酶分子的酪氨酸的侧链上加上一些乙酰基的时候, 酶就失去部分活性; 但是, 当把乙酞基加在胃蛋白酶的赖氨酸的侧链上时, 酶的活性没有任何损失。因此, 酪氨酸一定与胃蛋白酶的活性有关, 而赖氨酸显然无关。这是第一次表明, 酶可能含有其活性不需要的部分。
最近, 另一种消化酶的活性部位被更准确地确定出来, 这种酶叫胰凝乳蛋白酶。胰腺最先分泌出它时不带活性, 叫做胰凝乳蛋白酶原。这个没有活性的分子通过扯裂一个单肽键 (由胰蛋白酶来完成) 而转变成有活性的分子: 好像是暴露出单个氨基酸就会给胰凝乳蛋白酶以活性。现在已经证明, 把一个DFP (二异丙基氟磷酸) 分子附着在胰凝乳蛋白酶上, 就会停止这个酶的活性。人们推测, DFP附着在一种主要氨基酸上。由于DFP的标记作用, 已经证认出那个氨基酸就是丝氨酸。事实上, 人们发现DFP还附着在其他消化酶的丝氨酸上。在每次发现中, 丝氨酸都是处在4个氨基酸排列顺序的同一个位置上: 甘氨酸-天门冬氨酸-丝氨酸-甘氨酸。
已经证明, 只有这4个氨基酸组成的肽表现不出催化的活性。显然, 酶分子的其余部分也以某种方式起着作用。我们可以把这4个氨基酸顺序 (活性中心) 看成是一把刀的刀刃, 如果没有刀把, 它就毫无用处。
在氨基酸链上活性中心 (刀刃) 也不一定全都在一起。我们来看一看核糖核酸酶。因为已经知道它的124个氨基酸的准确顺序, 所以可以设想一些方法, 有意地变换链上的某一个氨基酸, 看看这种变化对酶的作用有什么影响。结果发现, 有3个氨基酸是酶作用所特别需要的, 但是它们相隔很远。它们是第12位的组氨酸、第41位的赖氨酸和第119位的另一个组氨酸。
当然, 这种分离的情况只存在于被看成是一长串的链中。在工作分子中, 链卷曲成一个特殊的立体构型, 由跨越各圈的4个胱氨酸固定位置。在这样的分子中, 3个必要的氨基酸被聚集在一起, 形成一个紧密结合的单元。
在对溶菌酶的研究中, 使活性中心的问题变得更加明确。许多地方 (包括眼泪和鼻涕) 都有溶菌酶, 它能催化分解组成细菌细胞壁的某些物质的主要键, 从而使细菌细胞溶解, 就好像它能使细胞壁破裂, 使细胞里面的东西漏出来似的。
溶菌酶是第一个对结构进行全面立体分析的酶 (1965年) 。经过这种立体分析可以证明, 受溶菌酶作用的细菌细胞壁的分子正好与酶结构上的一个裂隙相符。人们发现主要键位于谷氨酸 (第35位) 侧链上的一个氧原子和天门冬氨酸 (第52位) 侧链上的另一个氧原子之间。这两个位置通过氨基酸的折叠而聚集在一起, 相隔的距离正好可以配上一个要攻击的分子。在这样的情况下, 断开键所需要的化学反应很容易发生。溶菌酶就是以这种方式专门组织起来发生作用的。
此外, 有时还会发生这样的情况, 酶分子的刀刃根本不是一组氨基酸, 而是性质完全不同的一种原子结合物。我将在本书的后面讲几个这方面的例子。
我们不能随意改变刀刃, 但是我们能否改变一下刀把而不损害这一工具的使用价值呢? 刀把有自己的用途, 这是没有疑问的。酶在其自然状态下似乎很不平稳, 不用怎么扭曲就能呈现多种不同的形状。当给活性部位增加底物时, 酶就按照底物的形状调整自己的形状, 由于分子的非活性部分的"退让", 所以它们配合得非常紧密, 催化作用的效率也很高。形状稍微不同的底物就不会那样充分地利用这种"退让", 因而不会受到什么影响--实际上, 还可以抑制酶作用。
而且, 酶还可以简化, 可能要以损失部分 (而不是全部) 效率为代价。例如, 像胰岛素一类的蛋白质就有许多不同的种类存在, 这就促使人们相信, 简化是可能的。胰岛素是一种激素, 而不是一种酶, 但是它的功能具有高度专一性。在胰岛素G链的某一位置上, 有一段3氨基酸顺序, 在不同的动物体内排列顺序不同: 在牛体内为丙氨酸-丝氨酸-缬氨酸; 在猪体内为苏氨酸-丝氨酸-异亮氨酸; 在羊体内为丙氨酸-甘氨酸-缬氨酸; 在马体内为苏氨酸-甘氨酸-异亮氨酸, 等等。但是, 这些胰岛素中的任何一种都可以代替其他任何一种, 而且都能执行同样的功能。
此外, 有时把一个蛋白质分子切去一大段对它的活性没有什么严重影响 (如同把刀把或斧子把弄短一点不会使其效率损失多少一样) 。适当的例子是一种叫做促肾上腺皮质激素 (ACTH) 的激素。这是一种由39个氨基酸组成的肽链, 氨基酸的排列顺序现在已经完全确定下来, 从C末端一直去掉15个氨基酸也不会失去这种激素的活性; 而从N末端 (打个比方说, 刀刃) 去掉一两个氨基酸, 它就会立即失去活性。
对从木瓜树的果实和树液中提取的木瓜蛋白酶也进行了同样的实验。它的酶作用与胃蛋白酶相似。从N末端去掉胃蛋白酶分子的180个氨基酸, 看不出它的活性有什么降低。
因此, 至少可以设想, 酶将会进一步简化到可以大量人工合成的程度。那时候, 合成酶就会以比较简单的有机化合物的形式大规模生产, 并应用于各个方面。这将是化学小型化的一种方式。
阿西莫夫最新科学指南·蛋白质·新陈代谢·把糖变成乙醇《阿西莫夫最新科学指南·蛋白质》
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新陈代谢
一个像人体这样的生物体就是一座种类繁杂的化工厂: 它吸入氧气并喝水; 它把碳水化合物、脂肪、蛋白质以及其他原料作为食物吃进去, 又把各种未消化的东西和细菌以及由细菌引起的腐败产物排出来; 它还通过肺排出二氧化碳, 通过肺和汗腺排出水, 并排泄尿, 由尿带出许多溶解的化合物, 其中主要是尿素。这些化学反应决定着身体的新陈代谢。
通过检查进入身体的原料和排出的废物, 我们就可以知道体内发生的一些情况。例如, 由于进入体内的氮大部分是由蛋白质供给的, 所以我们知道, 尿素一定是蛋白质新陈代谢的一种产物。但是, 在蛋白质和尿素之间, 有着一条漫长而又曲折复杂的路径。身体的每一种酶只能催化一种特殊的微弱反应, 大概只能重新排列两三个电子。身体的每一个大的转变都要涉及到许多步骤和许多酶, 即使看上去像微小的细菌那样的生物, 也必须利用几千种不同的酶和化学反应。
这一切可能看上去极其复杂, 但这正是生命的本质。通过增加或减少适当的酶的产生, 就可以微妙地控制各种组织中的大量复杂的反应。酶控制体内的化学反应, 就像手指在弦上的复杂动作控制小提琴的演奏一样; 没有这种复杂性, 身体就不能完成它的多种功能。
组成身体新陈代谢的反应不计其数, 要追踪这些反应的过程就等于要追踪生命的轮廓。企图详细追踪这个过程, 企图弄明白同时发生的无数个反应之间的相互紧密配合, 看来可能确实是一件极其艰巨甚至没有希望的工作。艰巨是事实, 但并不是没有希望。 把糖变成乙醇
化学家们对新陈代谢的研究, 是从努力查明酵母细胞怎样把糖变成乙醇开始的。1905年, 两位英国化学家哈登和W.J.扬提出, 这个过程与含磷酸基糖类的形成有关。哈登和W.J.扬最先注意到, 磷在新陈代谢中起着重要作用 (从那时起磷的作用日益突出) 。哈登和W.J.扬甚至在活组织里发现了一种由含有两个磷酸基 (PO3H2) 的果糖组成的糖基磷酸酯。这种二磷酸果糖 (有时仍叫做哈-杨二氏酯) 是被明确证认出来的第一种代谢中间物, 即在从化合物被摄入体内到化合物被排出体外的过程中, 被认识到的第一种暂时形成的化合物。哈登和W.J.扬就这样创立了中间代谢的学科, 专门研究这些中间产物的性质及与它们有关的反应。由于这项工作以及对在酵母使糖转化成乙醇过程中有关酶的进一步研究工作, 哈登分享了1929年的诺贝尔化学奖。
1918年, 德国化学家迈尔霍夫证明, 动物细胞 (如肌肉细胞) 分解糖的方式和酵母基本相同, 从而使开始时只涉及酵母细胞的问题具有了更加广泛的重要性。主要差别是: 在代谢这一特殊的过程中, 动物细胞的分解作用不如酵母细胞彻底。例如, 它不是把6个碳的葡萄糖分子一直分解成2个碳的乙醇 (CH3CH2OH) , 而只是分解成3个碳的乳酸 (CH3CHOHCOOH) 。
迈尔霍夫的研究首次说明了一个普遍的原理: 在一切生物 (从最简单的到最复杂的) 体内, 新陈代谢所经历的途径是一样的, 只有一些微小的差别。从此这个原理为世人所公认。由于迈尔霍夫对肌肉中乳酸方面的研究, 他和英国生理学家希尔一起分享了1922年的诺贝尔医学与生理学奖。希尔是从肌肉产生热的角度研究肌肉的, 他所得出的结论与迈尔霍夫从化学研究中得到的结论非常相似。
在1937-1941年期间, 在圣路易华盛顿大学工作的科里夫妇 (C.F.科里和G.T.科里) , 研究出了从糖转化成乳酸过程中的各个步骤的细节。他们利用组织提取液和提纯的酶来使各种糖磷酸酯发生变化, 然后像玩拼板游戏一样把所有这些变化拼集在一起。他们提出的各个步骤变化的图式至今仍然没有什么改动。科里夫妇分享了1947年的诺贝尔医学与生理学奖。
在糖转化成乳酸的过程中, 产生一定的能量, 这种能量为细胞所利用。酵母细胞在使糖发酵时就靠这种能量来生活, 肌肉细胞在必要的时候也是如此。重要的是, 要记住这种能量是在不使用空气中的氧的条件下得到的, 因此, 即使当肌肉需要消耗较多的能量, 而通过血流较慢的速率给肌肉供氧的反应满足不了这种需要时, 肌肉仍能工作。然而, 随着乳酸的积聚, 肌肉就会越来越疲劳, 最后肌肉必须休息, 直到氧把乳酸分解掉。
阿西莫夫最新科学指南·蛋白质·新陈代谢·代谢能量《阿西莫夫最新科学指南·蛋白质》
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代谢能量
下一个问题是: 由糖分解成乳酸所产生的能量是以什么方式供给细胞, 而细胞又是怎样利用这种能量的呢? 德国出生的美国化学家F.A.李普曼从他1941年开始的研究中找到了一个答案。他证明, 在碳水化合物代谢过程中形成的某些磷酸化合物, 在连接磷酸基和分子其余部分的键上, 储存着大量的能量。这种高能磷酸键被转移给所有细胞中都有的能量载体, 这些载体中最有名的就是ATP (腺苷三磷酸) 。ATP分子和某些类似的化合物可以说是身体能量的"零用钱"。它们把这种能量储存在整齐的、大小适宜而又随时可取的"口袋"里。当磷酸键被水解断开时, 这种能量就能转换成把氨基酸合成蛋白质的化学能, 转换成传导神经冲动的电能, 或者经过肌肉收缩转换成动能等等。虽然在任何一个时候ATP的储量都很少, 但总是够用 (只要生命存在) , 因为旧的ATP分子一用完, 新的ATP分子立即形成。
由于这一重要发现, F.A.李普曼分享了1953年的诺贝尔医学与生理学奖。
哺乳动物的身体不能像酵母那样把乳酸转变成乙醇, 而是通过另一种代谢途径, 绕过乙醇, 把乳酸直接分解成二氧化碳 (CO2) 和水。在进行这种分解时, 身体消耗氧, 而且产生的能量比葡萄糖变为乳酸的不需要氧的转换所产生的能量多得多。
代谢与消耗氧有关, 这个事实提供了一种追踪代谢过程 (即查明在代谢过程中产生的中间产物) 的简便方法。比如说, 在连续反应的某一步骤上, 某一种物质 (例如琥珀酸) 被怀疑是中间底物。我们可以把这种酸和活组织 (或在许多情况下和单一的酶) 混合在一起, 测定出这种混合物的耗氧速率。如果耗氧快, 我们就可以确信, 这种特殊的物质确实能够促进这个过程。
德国生物化学家瓦尔堡设计了一种可以用来测定耗氧速率的关键仪器, 叫做瓦尔堡测压计。它是由一具小烧瓶 (在里面将底物和活组织或酶混合) 和一个细U型管组成的, U型管的一端连接着烧瓶, 另一端的口开着。在U型管的下部装有带色的液体。当酶和底物的混合物从烧瓶里的空气中吸收氧时, 就会在烧瓶里形成少量的真空, 因而连接烧瓶那一侧的U型管里的带色液体就会上升。利用这种带色液体上升的速率, 就可以计算出耗氧的速率 (图12－4) 。
图12－4 瓦尔堡测压计
瓦尔堡的活组织耗氧实验为他赢得了1931年的诺贝尔医学与生理学奖。
瓦尔堡和另一位德国生物化学家维兰德证认了乳酸分解过程中的放能反应。在一系列的反应过程中, 成对的氢原子被一种叫做脱氢酶的酶从中间产物上脱掉。这些被脱掉的氢原子在一种叫细胞色素的酶的催化作用下又与氧化合。在20世纪20年代后朗, 瓦尔堡和维兰德对这两个反应哪一个更重要争论不已, 瓦尔堡认为是耗氧, 维兰德认为是脱氢。最后, 基林证明这两个步骤都是必不可少的。
德国化学家克雷布斯继续研究出了由乳酸变成二氧化碳和水的全部反应顺序和中间产物。这叫做克雷布斯循环, 也称做柠檬酸循环, 因为柠檬酸是这一过程中形成的主要产物之一。由于他在1940年完成的这项成就, 克雷布斯和F.A.李普曼分享了1953年的诺贝尔医学与生理学奖。
克雷布斯循环为在呼吸中利用分子氧的那些生物 (即除少数几种厌氧菌以外的所有生物, 厌氧菌依靠与氧无关的化学反应的能量) 产生了所需要的大部分能量。在克雷布斯循环的不同点上, 一种化合物会失去两个氢原子, 这两个氢原子最终要与氧化合成水。这个"最终"隐藏了许多细节。这两个氢原子由一种细胞色素分子传递给另一种细胞色素分子, 直到最后一种细胞色素氧化酶才把这两个氢原子传递给分子氧。沿着细胞色素的行列, 形成ATP (腺苷三磷酸) 分子, 为身体提供了自身化学反应所需能量的"零用钱"。克雷布斯循环的每一圈总计形成18个ATP分子。因为整个过程涉及到氧和为形成ATP而积聚的磷酸基, 所以这整个过程叫做氧化磷酸化, 这是活组织的一个关键反应。如果这个反应受到任何严重干扰 (如一个人吃了氰化钾) , 几分钟之内就会致死。
参加氧化磷酸化的全部物质和酶都包含在细胞质内的小颗粒里。这些颗粒是德国生物学家本达1898年首先发现的, 当然, 当时他并不了解它们的重要性。他把它们称为线粒体 (他误认为它们是"软骨的丝") , 这个名称就这样保留下来。
一般线粒体呈橄榄球形, 约 1／10 000英寸长, l／25 000英寸粗 (1英寸=2．47厘米) 。一个一般细胞含有大约几百个到上千个线粒体。非常大的细胞可以含有几十万个, 而厌氧菌里一个也没有。第二次世界大战以后, 电子显微镜的研究证明, 线粒体虽然很小但有自身的复杂结构。线粒体有一个双层膜, 外膜光滑, 内膜精巧地折叠成脊, 以增大表面积。沿着线粒体的内层表面有几千个叫做基粒的微小结构。看来这些基粒就是进行氧化磷酸化的实际场所。
阿西莫夫最新科学指南·蛋白质·新陈代谢·脂肪的代谢《阿西莫夫最新科学指南·蛋白质》
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脂肪的代谢
在此期间, 生物化学家在研究脂肪的代谢方面也取得了进展, 已经知道, 脂肪分子是碳链, 它们可以水解成脂肪酸 (最常见的有16个或18个碳原子长) , 并且每次可以从分子上分解两个碳。1947年, F.A.李普曼发现了一种相当复杂的化合物, 它在乙酰化中起作用, 即把一个二碳片段由一种化合物转移给另一种化合物。他把这种化合物叫做辅酶A (A代表乙酸化) 。3年以后, 德国生物化学家吕南发现辅酶A与脂肪的分解有密切关系。辅酶A一旦附着在一个脂肪酸上, 就会接连发生四个步骤的反应, 最后在辅酶A附着的链的那一端的末尾断掉两个碳原子; 接着另一个辅酶A分子附着在剩余的脂肪酸上, 再断掉两个碳原子, 这样继续进行下去。这个过程叫做脂肪酸氧化循环。由于这项成就和其他成果, 吕南分享了1964年的诺贝尔医学与生理学奖。
一般说来, 蛋白质的分解显然一定比碳水化合物或脂肪的分解复杂得多, 因为蛋白质的分解涉及到二十来种不同的氨基酸。在某些情况下这个分解过程比较简单: 一个氨基酸上有一种微小的变化就可能把这个氨基酸变成一种能够进入柠檬酸循环的化合物 (如脂肪酸断掉的两个碳的片段那样) 。但是氨基酸主要还是通过复杂的途径分解的。
现在我们再回到蛋白质转变成尿素上来, 这个问题我在酶一节中已经谈过了。这种转变碰巧比较简单。
有一个原子团是尿素分子成为精氨酸侧链的一部分所必不可少的。这个原子团可以被一种叫做精氨酸酶的酶截下来, 剩下一种被截短的氨基酸, 叫做鸟氨酸。1932年, 克雷布斯和他的一位同事亨斯雷特, 在利用大鼠肝组织研究尿素的形成时发现, 当他们把精氨酸加到大鼠肝组织里时, 大鼠肝组织产生大量的尿素--实际上, 远远超过他们加入的精氨酸的每个分子都分解所能产生的量。克雷布斯和亨斯雷特断定, 精氨酸一定起着使尿素反复产生的催化剂的作用。换句话说, 在精氨酸分子被精氨酸酶截去其尿素结合部分以后, 剩下的鸟氨酸又从其他氨基酸中获得氨基 (加上从体内得到的二氧化碳) , 重新形成精氨酸。就这样精氨酸分子反复分解, 再形成, 再分解, 一直进行下去, 每次都产生一分子的尿素。这个过程叫做尿素循环, 也叫做鸟氨酸循环或克雷布斯-亨斯鲁特循环。
利用精氨酸除去氮以后, 剩下的氨基酸的碳主键就可以通过各种途径分解成二氧化碳和水, 同时产生能量 (碳水化合物、脂肪和蛋白质的新陈代谢全过程见图12－5) 。
图12－5 碳水化合物、脂肪和蛋白质新陈代谢全过程示意图
阿西莫夫最新科学指南·蛋白质·示踪剂·胆固醇《阿西莫夫最新科学指南·蛋白质》
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示踪剂
虽然可以利用所有这些方法对新陈代谢进行研究, 但是仍然使化学家们好像处于一种从屋外向里观瞧的境地。他们能够说明总的循环, 但要查明活的动物体内实际发生的情况, 他们需要一些追踪的方法, 非常详细地了解新陈代谢各个阶段的各种事件的过程, 也就是追踪各种特定分子的实际命运。实际上, 在本世纪初就发现了追踪的技术, 但是化学家们未能很快地充分利用这些技术。
首先沿着这个途径开创前进的是德国生物化学家努普。1904年, 他想出了一个方法: 用带有标记的脂肪分子喂狗, 然后观察这些分子会发生什么变化。他把一个苯环连接在链的一端, 给脂肪分子做上标记; 他使用苯环是因为哺乳动物体内没有能够分解苯环的酶。努普推想: 苯环在尿中出现时所携带的东西可能会告诉我们一些有关脂肪分子在体内怎样分解的情况。他的推想是正确的: 排出的苯环总是附带着一个双碳的侧链。他由此推断, 身体一定是每次从脂肪分子上分解出两个碳原子。 (前面我们已经看到, 40多年后, 对辅酶A的研究证实了他的推断。)
一般脂肪上的碳链都含有偶数的碳原子。如果使用链上含有奇数碳原子的脂肪又会如何呢? 在这种情况下, 要是一次截去两个碳原子的话, 最后在苯环上就会只附带一个碳原子。努普用这种脂肪喂狗, 最后的结果果然如此。
努普在生物化学上使用了第一种示踪剂。1913年, 匈牙利化学家赫维西和他的同事德国化学家帕内特想出了另一种标记分子的方法: 放射性同位素。他们从利用放射性铅开始。第一个生化实验就是以铅盐溶液的方式测量一棵植物吸收了多少铅。由于植物吸收铅的量确实太小了, 用任何可以利用的化学方法都测量不出来。但是, 如果使用放射性铅, 利用铅的放射性就很容易测量出来。赫维西和帕内特给植物施加上这种带有放射性标记的铅盐溶液; 每过一段时间, 他们就烧掉一颗植物, 然后测定它的灰烬的放射性。用这种方法, 他们能够确定植物细胞吸收铅的速率。
但是苯环和铅是非常不利于生理的物质, 用它们来作标记很容易破坏活细胞正常的化学反应。最好能够使用实际参与体内一般代谢作用的原子 (如氧、氮、碳、氢、磷等原子) 来作标记。
1934年约里奥-居里夫妇证实了人工放射性以后, 赫维西立即转到这个方向上来, 开始使用含有放射性磷的磷酸盐。他用这种盐测定了植物中磷酸盐的吸收量。遗憾的是, 活组织中的一些主要元素的放射性同位素 (尤其是氮和氧) 是不稳定的, 因为它们的寿命很短, 最多只有几分钟的半衰期。但是, 一些最重要的元素中的确有可以用作标记的稳定同位素。这些同位素是碳-13、氮-15、氧-18和氢-2。在通常情况下, 它们产生的量非常小 (大约为1％或更少) 。比方说, 在氢-2中, "浓缩"天然氢就可以使氢作为含氢分子的特殊标记进入身体, 而任何化合物中有重氢都可以用质谱仪探测出来。质谱仪是利用重氢多余的重量将重氢分离的。这样, 人们就可以在全身追踪带有标记的氢的命运了。
事实上, 氢是人们使用的第一种生理示踪剂。1931年尤里分离出氢-2 (氘) , 这时人们可以用氘来示踪了。用氘作为示踪剂最先弄清楚的几件事情之一是, 体内的氢原子并不像人们曾经认为的那样固定在它们的化合物上。结果证明, 它们总是从一种化合物到另一种化合物, 穿梭般地来回跑动, 在糖分子、水分子等的氧原子上不停地交换位置。因为无法把一个一般的氢原子与另一个相区别, 所以, 如果没有氘来泄露, 这种穿梭活动是发现不了的。这一发现表明, 氢原子在体内到处跑动, 如果把氘原子附着在氧上, 那么, 不管有关化合物是否发生全部的化学变化, 氘原子都会散布到全身。因此, 研究人员必须查明, 在一种化合物中发现的氘原子是通过某种确定的酶促反应到那里去的, 而不只是通过穿梭或交换的方法跑去的。可庆幸的是, 附着在碳上的氢原子不交换, 所以, 沿碳链发现的氘具有代谢的意义。
1937年, 德国出生的美国生物化学家舍恩海默和他的同事们开始使用氮-15, 进一步强调了原子的游动习性。他们用带有氮-15标记的氨基酸喂养大鼠, 过一定的时间以后把大鼠杀死, 然后分析大鼠的组织, 看哪些化合物中带有氮-15。他们又一次发现交换是重要的。一个带有标记的氨基酸进入身体以后, 很快就发现几乎所有的氨基酸都带有氮-15。1942年, 舍恩海默出版了一本书, 名为《身体成分的动态》。这个书名就说明了同位素示踪剂给生物化学带来的新面貌。原子完全摆脱实际化学变化, 在繁忙的道路上不断地往返游动。
使用示踪剂使人们对代谢过程逐渐有了详细的了解。它进一步证实了诸如糖的分解、柠檬酸循环以及尿素循环的总图式。它使人们认识了更多新的中间产物, 找到了许多其他的反应途径, 等等。
由于核反应堆的发展, 在第二次世界大战以后有100多种不同的放射性同位素可以大量利用, 示踪研究工作进入了高速发展阶段。一般的化合物在反应堆中用中子轰击, 取出后就会带有多种放射性同位素。在美国 (我大概可以说几乎是在全世界, 因为美国很快就制造了供其他国家科学研究使用的同位素) 每一个生物化学实验室都已经开始利用放射性示踪剂进行研究工作了。
现在, 稳定同位素中又增加了放射性氢 (氚) 、放射性磷 (磷- 32) 、放射性硫 (硫-35) 、放射性钾 (钾-42) 、放射性钠、放射性碘、放射性铁、放射性铜和最重要的放射性碳 (碳-14) 。碳-14是由美国化学家卡门和鲁宾1940年发现的。使他们感到惊奇的是, 经证明碳-14的半衰期是5000多年--人们从未想到轻元素中会有一种半衰期这么长的放射性同位素。
胆固醇
碳-14解决了化学家们多年来未能解决而且他们似乎根本无法解决的一些问题。在这些问题中, 他们首先解决的一个问题就是胆固醇是怎样产生的。维兰德 (由于他在研究有关胆固醇的化合物方面的成就, 获得1927年的诺贝尔化学奖) 等人经过多年的艰苦研究, 终于提出了如下的胆固醇结构式:
胆固醇在体内的功能还不完全了解, 但是很明显这种物质是非常重要的。在神经周围的脂肪鞘里, 在肾上腺里, 以及在某些蛋白质的结合物里, 发现都有大量的胆固醇。过量的胆固醇能够引起胆结石和动脉粥样硬化。最值得注意的是, 胆固醇是整个类固醇族 (甾族化合物) 的原型, 类固醇的核就是你在以上分子式中所看到的四环结合物。类固醇是一组固态的、类似脂肪的物质, 其中包括性激素和促肾上腺皮质激素。毫无疑问, 它们都是由胆固醇形成的。但是, 胆固醇本身在体内又是怎样合成的呢?
在他们得到示踪剂的帮助以前, 化学家们对这个问题毫无认识。最先用示踪剂研究这个问题的是舍恩海默和他的同事里顿伯格。他们让大鼠喝下重水后发现, 重水的氘出现在胆固醇分子中。这个结果本身并不重要, 因为仅仅通过交换气就可以到胆固醇分子中去。但是, 1942年 (在舍恩海默悲惨地自杀以后) , 里顿伯格和另一位同事德国血统的美国生物化学家K.E.布洛赫, 发现了一条比较明确的线索。他们把示踪剂氘连接在乙酸离子 (一种简单的二碳基因, CH3COO－) CH3基的碳原子上, 然后用这种乙酸离子喂大鼠。氘同样出现在胆固醇分子中, 这一次它不可能是通过交换到那里去的: 它一定是作为CH3基的一部分被结合到胆固醇分子中去的。
二碳基团 (乙酸离子就是其中的一种) 好像是代谢的一个总交叉路口。这样看来, 这种基因很可能起着合成胆固醇的材料库的作用。但是, 它们到底是怎样形成胆固醇分子的呢?
1950年, 当可以利用碳-14的时候, K.E.布洛赫重复了这个实验, 这一次他在乙酸离子的两个碳上分别使用了不同的标记。他用稳定示踪剂碳-13标记出CH3基上的碳, 用放射性碳-14标记出COO－基上的碳。他把这种化合物喂给一只大鼠, 然后分析大鼠的胆固醇, 看这两个带有标记的碳在胆固醇分子的什么地方出现。这种分析是一项艰巨的任务, 需要精细的化学技术。K.E.布洛赫和许多其他实验者为此工作了多年, 对胆固醇碳原子的来源一个一个地予以确认。最后形成的图式表明, 乙酸基因可能首先形成一种叫做鲨烯的物质。这是一种体内非常稀少的三十碳化合物, 以前从来没有人想到要给予认真关注。现在它好像是通往胆固醇道路上的一个中间站, 生物化学家们怀着强烈的兴趣开始了对它的研究。由于这项工作, K.E.布洛赫和吕南分享了1964年的诺贝尔医学与生理学奖。
阿西莫夫最新科学指南·蛋白质·示踪剂·血红素的卟啉环《阿西莫夫最新科学指南·蛋白质》
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血红素的卟啉环
生物化学家们用和解决胆固醇合成大致相同的方法, 探索了血红素的卟啉环结构。卟啉环是血红蛋白和许多酶中的一种关键结构。哥伦比亚大学的谢敏用各种方法给甘氨酸作上标记, 然后喂鸭。甘氨酸 (NH2CH2COOH) 有两个碳原子。当他用碳-14标记CH2基的碳时, 碳出现在从鸭血中提取的卟啉中。当他标记COOH基的碳时, 放射性示踪剂不在卟啉中出现。总而言之, CH2基参与卟啉的合成, 而COOH基不参与。
谢敏和里顿伯格合作, 发现甘氨酸的分子不仅在活动物体内能够结合到卟啉中去, 而且在试管内的红血球里也能结合到卟啉中去。这个发现使事情简单化了, 人们可以得到更加明确的结果, 而避免宰杀或伤害动物。
后来, 谢敏用氮-15标记甘氨酸的氮, 并用碳-14标记甘氨酸的CH2基的碳, 然后把这种甘氨酸与鸭血混合在一起。之后, 他小心地剖析了所产生的卟啉, 发现卟啉分子中4个氮原子全部来自甘氨酸。4个小吡咯环 (分子式见第十一章) 的每个环上, 都有一个邻近的碳原子来自甘氨酸。在吡咯环之间起桥梁作用的4个碳原子也是这样。这样就剩下了卟啉环本身的12个其他碳原子和各种侧链上的14个碳原子。已经证明, 这些碳原子来自乙酸离子, 有些来自CH2基的碳, 有些来自COOH基的碳。
根据示踪原子的分布情况, 人们可以推断出乙酸和甘氨酸进入卟啉的方式。首先形成一个单吡咯环, 然后两个单吡咯环结合成双吡咯环, 最后, 两个双吡咯环化合物结合在一起, 形成四环卟啉结构。
1952年, 英国化学家韦斯托尔通过一种独立的研究途径分离出了一种叫做卟啉原 (胆色素原) 的纯化合物。因为这种化合物经常出现在卟啉代谢有缺陷的人的尿里, 所以人们怀疑它和卟啉有某种关系。结果证明, 它的结构和单吡咯环的结构正好完全相同。谢敏和他的同事们假定, 这种结构是合成卟啉最初的步骤之一。卟啉原就是一个重要的中间站。
后来又证明, δ-氨基-γ-酮戊酸 (ALA) 能够供给红血球合成卟啉环所需要的全部原子。这是一种与半个卟啉原分子的结构相类似的物质。最有说服力的结论是: 细胞首先由甘氨酸和乙酸形成δ-氨基-γ-酮戊酸 (在这个过程中, 甘氨酸的COOH基变成CO2而被去掉) , 而后两个δ-氨基-γ-酮戊酸分子结合, 形成卟啉原 (一个单吡咯环) , 卟啉原再依次先结合成一个双吡咯环, 最后结合成四吡咯环的卟啉。
阿西莫夫最新科学指南·蛋白质·示踪剂·光合作用·光合作用的过程《阿西莫夫最新科学指南·蛋白质》
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光合作用
在示踪研究所取得的全部成就中, 最伟大的大概要属追踪形成绿色植物的一系列复杂步骤了--地球上的全部生命都要依赖于绿色植物。
如果动物只靠互相吞食为生, 动物界就不会存在下去。热力学第二定律告诉我们, 在循环的每一阶段, 都会失去某种东西。任何动物都不能将它吃的食物里所含的碳水化合物、脂肪和蛋白质全部储存起来, 也不能全部利用食物里的能量。大部分 (实际上, 绝大部分) 能量必然变成无用的热而被浪费掉。这样, 在吃的每一阶段, 都会损耗掉一些能量。因此, 如果所有的动物都是严格的食肉动物的话, 那么在非常少的几代内, 整个动物界就会灭绝。实际上, 要是这种情况, 首先动物界就根本不会出现。
令人庆幸的是, 事实上绝大部分动物是食草动物。它们以地里的草、树叶、种子、坚果和水果为食, 或者靠吃海草和布满海洋上层的微小绿色植物细胞为生。只有少数动物能够过上食肉的奢侈生活。
至于植物本身, 如果没有外来的能源供应, 它们的处境也不会比动物好。它们用简单的分子 (如二氧化碳和水) 合成碳水化合物、脂肪和蛋白质。这种合成需要输入能量, 而且植物是从最丰富的能源--阳光那里获得能量的。绿色植物把阳光的能量转变成复杂化合物的化学能, 而这些化学能可以养活所有的生命 (某些细菌除外) 。这个过程是德国物理学家J.R.梅耶1845年最先明确指出的。J.R.梅耶是能量守恒定律的创始人之一, 因此他特别注意能量平衡的问题。绿色植物利用阳光的过程叫做光合作用 (源自希腊语, 意思是"被阳光聚集在一起") 。
光合作用的过程
17世纪初期, 比利时佛兰芒化学家范黑尔蒙特对植物生长最先进行了科学研究。他把称过重量的土壤倒在一个桶里, 在里面种了一棵小柳树。他发现, 虽然小树长大了, 但是土壤还是同以前一样重。大家对此感到非常惊奇, 因为人们一直想当然地认为植物是从土壤中得到它们所需要的物质的。 (实际上, 植物确实从土壤中摄取矿物质和离子, 但摄取的量很小, 不容易称量出来。) 如果植物不是从土壤中得到所需要的物质, 那么, 它们是从什么地方得到的呢? 范黑尔蒙特断定, 植物一定是用水制造它们的物质的, 因为他经常给植物浇水。他的推断只有一部分是正确的。
一个世纪以后, 英国生理学家黑耳斯指出, 植物主要是用一种比水更微妙的原料来制造它们的物质的, 这种原料就是空气。半个世纪以后, 荷兰医生因根豪茨证实, 空气中的养分是二氧化碳。他还证明, 植物在黑暗中不吸收二氧化碳; 吸收二氧化碳需要光。与此同时, 氧的发现者普里斯特利已经了解到, 绿色植物能放出氧。1804年, 瑞士化学家索绪尔证明, 正如范黑尔蒙特所指出的那样, 水被合成到植物的组织里。
19世纪50年代, 法国采矿工程师布森戈在完全没有有机物的土壤里种植植物, 于是又有了一个重大发现。他用这种方法证明, 植物只能从大气的二氧化碳中得到它们所需要的碳。可是, 植物不能在没有氮化合物的土壤里生长, 因此, 它们从土壤里得到所需要的氮, 而不能利用大气中的氮 (已经证明, 某些细菌除外) 。从布森戈时期起人们才明白, 土壤供给植物的直接养分仅限于某些无机盐, 如硝酸盐和磷酸盐。有机肥料 (如粪肥) 给土壤增加的正是这些成分。化学家们开始提倡施加化肥, 因为化肥既能很好地达到这种目的, 又能免除难闻的气味, 还能减少传染疾病的危险, 已经查出很多疾病与农家粪堆有关。
这样, 光合作用过程的轮廓就确定下来了。在阳光下, 植物吸收二氧化碳, 并把二氧化碳和水化合成自己的组织, 在这一过程中放出"剩余的"氧。因此, 事情清楚了, 绿色植物不仅供给食物, 而且更新地球的氧供应。如果没有这种更新的话, 那么, 几个世纪内, 氧就会降到一个很低的水平, 大气里就会充满二氧化碳, 窒息动物的生命。
地球上的绿色植物制造有机物和释放氧的规模是非常巨大的。俄国血统的美国生物化学家、光合作用的主要研究者拉宾诺维奇估计, 地球上的绿色植物每年要化合1500亿吨的碳 (来自二氧化碳) 和 250亿吨的氢 (来自水) , 并释放出 4000亿吨的氧。在这一巨大成绩中, 属于陆地上森林和田野里的植物的只占10％; 90％我们要归功于海洋里的单细胞植物和海草。
阿西莫夫最新科学指南·蛋白质·示踪剂·光合作用·叶绿素《阿西莫夫最新科学指南·蛋白质》
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叶绿素
我们还只是有了光合作用过程的轮廓。详细情况又是怎样的呢? 1817年, 法国的佩尔蒂埃和卡芳杜分离出了一种最重要的植物产物, 就是这种产物使绿色植物成为绿色的。因此, 他们把这种化合物叫做叶绿素 (源自希腊语, 意思是"绿色的叶子") 。 (后来他们还发现了奎宁、马钱子碱、咖啡碱及一些其他特殊的植物产物。) 而后, 1865年, 德国植物学家萨克斯证明, 叶绿素并不是一般地弥散在所有的细胞中 (尽管叶子看上去绿色很均匀) , 而是局限在小的亚细胞体内。这种亚细胞体后来称做叶绿体。
现在问题清楚了, 光合作用是在叶绿体内进行的。叶绿素对光合作用过程是必不可少的, 但是只有叶绿素是不够的。不论怎样小心地提取, 所得到的叶绿素本身在试管里都不能催化光合反应。叶绿体通常比线粒体大得多。有些单细胞植物, 每个细胞只有一个大的叶绿体。但是, 大多数植物细胞含有40来个较小的叶绿体, 每一个叶绿体的长和粗都是一般线粒体的2～3倍。
叶绿体的结构看上去比线粒体更为复杂。叶绿体的内部是由许多伸展在壁与壁之间的薄膜组成的。这些薄膜叫做片层。在大多数种类的叶绿体中, 这些片层在一些地方变厚变深以形成基粒, 叶绿素分子就是在这些基粒里发现的。
如果把基粒内的片层放在电子显微镜下研究, 会看到它们也好像是由刚能看得见的微小单位组成的, 就像浴室地面上的瓷砖一样铺得整整齐齐。每一个这样的单位可能就是一个进行光合作用的单元, 含有250～300个叶绿素分子。
叶绿体比线粒体更难完整地分离出来。直到1954年, 波兰血统的美国生物化学家阿诺恩才从破碎的菠菜叶细胞中获得十分完整而且能够把全部光合反应进行到底的叶绿体。
叶绿体不仅含有叶绿素, 而且含有全套的酶及有关的物质, 它们都恰当而巧妙地排列着。叶绿体还含有细胞色素。依靠细胞色素, 它可以把叶绿素捕捉到的光能, 通过氧化磷酸化, 转变成ATP (腺苷三磷酸) 。
叶绿体的情况如此, 那么, 叶绿体中最有代表性的物质叶绿素的结构又是什么样的呢? 在几十年的时间里, 化学家们利用他们掌握的各种工具来研究这种关键的物质, 但进展很慢。最后, 1906年, 德国的威尔施泰特 (即后来发现色谱法的那个人, 但他错误地坚持酶不是蛋白质) 证明, 叶绿素分子的中心部分是金属镁。 (由于这项发现及其他关于植物色素的研究, 威尔施泰特获得1915年的诺贝尔化学奖。) 威尔施泰特和H．费歇尔继续研究叶绿素分子的结构, 这个任务用了整整一代人的时间才告完成。到20世纪30年代, 已经确定, 叶绿素有一个基本上和血红素 (H.费歇尔曾破译的一种分子) 相类似的卟琳环结构。血红素在卟琳环的中心有一个铁原子的地方, 叶绿素则有一个镁原子。
R.B.伍德沃德消除了对于这一点的一切疑虑。这位合成大师1945年合成了奎宁; 1947年合成了马钱子碱; 1951年合成了胆固醇; 1960年他又创造了新记录, 合成了一种与威尔施泰特和H．费歇尔所提出的分子式完全符合的分子, 而且, 请注意, 这种分子具有从绿叶中分离出来的叶绿素的全部性质。由于这项成就, R.B.伍德沃德获得了1965年的诺贝尔化学奖。
叶绿素在植物里到底催化了什么反应? 直到20世纪30年代, 人们所知道的还只是二氧化碳和水进去, 氧出来。分离出来的叶绿素不能发生光合反应, 这个事实使研究工作更加困难。只有完整的植物细胞 (至少也要完整的叶绿体) 才能进行光合反应; 因此, 这个被研究的系统是非常复杂的。
作为最初的猜想, 生物化学家们认为, 植物细胞首先利用二氧化碳和水合成葡萄糖 (C6H12O6) , 然后利用这种葡萄糖, 加上土壤中的氮、硫、磷和其他无机元素, 继续合成各种植物物质。
从理论上看, 葡萄糖似乎可能是通过一系列步骤形成的, 首先把二氧化碳中的碳和水化合 (放出二氧化碳中的原子氧) , 然后再把这种化合物 (CH2O, 即甲醛) 聚合成葡萄糖。六个甲醛分子可以合成一个葡萄糖分子。
这种用甲醛合成葡萄糖的过程实际可以在实验室里完成, 但方法非常麻烦。人们推测, 植物可能具有加速这种反应的酶。诚然, 甲醛是一种毒性很大的化合物, 但是化学家们猜想, 甲醛变成葡萄糖的速度非常快, 因而使植物在任何时候只能含有极少量的甲醛。这种甲醛学说是拜耳 (靛蓝的合成者) 于1870年首先提出的, 流传了两代人的时间, 只是因为没有一种更好的学说取代它。
1938年, 鲁宾和卡门着手用示踪剂探测绿色叶子的化学作用, 于是又开始重新研究这个问题。利用氧-18 (氧的一种不常见的稳定同位素) , 他们获得一个轮廓清楚的发现: 结果证明, 当用氧一18只标记上施于植物的水时, 植物所放出的氧就带有这种标记; 当用氧-18只标记上供给植物的二氧化碳时, 植物所放出的氧就不带有这种标记。简单地说, 这个实验表明, 植物所放出的氧来自水分子, 而不是来自二氧化碳分子。甲醛学说认为植物放出来的氧来自二氧化碳, 那是错误的。
鲁宾和他的同事试图通过用放射性同位素碳-11 (当时知道的惟一放射性碳) 标记二氧化碳的方法, 来追踪二氧化碳在植物里的命运。但这个尝试没有成功。一则碳-11的半衰期只有20．5分钟; 二则他们当时还没有能够快速而彻底地分离植物里单个化合物的方法。
但是, 20世纪40年代初期, 他们有了必要的工具。鲁宾和卡门发现了长寿命的放射性同位素碳-14, 这样就可以通过一系列的反应来追踪碳。同时, 纸色谱法的发展为简易而彻底地分离复杂的混合物提供了一种手段。 (实际上, 放射性同位素可以使纸色谱法得到很好的改进; 纸上表示示踪剂存在的放射性斑点, 会使放在它下面的底片产生黑点, 因此, 色谱图就能拍下自己的照片, 这种技术叫做放射自显影。)
第二次世界大战以后, 由美国生物化学家卡尔文领导的另一个小组接着进行研究。它们把微小的单细胞植物 (小球藻) 在含有碳-14的二氧化碳里暴露一小段时间, 为的是让它只进行最初阶段的光合作用。然后他们把这些植物细胞捣碎, 在色谱图上把它们的物质分离, 并进行放射自显影。
他们发现, 即使这些细胞在有标记的二氧化碳中仅暴露1又 1/2分钟, 放射性碳原子就会在细胞内15种不同的物质中出现。通过缩短暴露的时间, 吸收放射性碳的物质的数目减少了。最后他们断定, 细胞吸收二氧化碳的碳-14而形成的第一种 (或接近第一种) 化合物是磷酸甘油。 (他们从未探测到任何甲醛, 因此, 那个延续了多年的甲醛学说便悄悄地从画面上消失了。)
磷酸甘油是一种三碳化合物。很明显, 它一定是通过迂回的途径形成的, 因为找不到在它前面的一碳或二碳化合物。他们还找到了两种其他含有磷酸基的化合物, 它们都能在极短的时间内吸收带有标记的碳。它们是两种糖: 二磷酸核酮糖 (一种五碳化合物) 和磷酸景天庚酮糖 (一种七碳化合物) 。研究者鉴定了催化这些糖有关反应的酶, 并研究了那些反应, 最后弄清了二氧化碳分子的行径。
首先, 把二氧化碳加入五碳的二磷酸核酮糖, 形成一种六碳化合物。这种化合物很快分裂成两个, 成为三碳的磷酸甘油; 紧接着, 有关磷酸景天庚酮糖和其他化合物的一系列反应把磷酸甘油聚合在一起, 形成六碳的磷酸葡萄糖; 同时, 二磷酸核酮糖再生了, 又吸收另、个二氧化碳分子。人们可以想象, 六个这样的循环在不停地运转着。每转一周, 每一个循环提供一个碳原子 (来自二氧化碳) , 利用这些碳原子合成一个磷酸葡萄糖分子。六个循环再转一周, 又生产出另一个磷酸葡萄糖分子, 如此反复进行。
从能量的观点来看, 这种循环与柠檬酸循环正好相反。柠檬酸循环把碳水化合物的片段转换分解成二氧化碳, 而二磷酸核酮糖循环用二氧化碳合成碳水化合物。柠檬酸循环给生物体输送能量; 二磷酸核酮糖循环正好相反, 它必须消耗能量。
至此正好与鲁宾和卡门早期研究的结果相符。由于叶绿素的催化作用, 可以利用日光能把水分子分解成氢和氧, 这个过程叫做光解 (源自希腊语, 意思是"由光解开") 。这是日光的辐射能转变成化学能的方式, 因为氢分子和氧分子含有的化学能大于分解成它们的水分子所含的化学能。
在其他情况下, 要把水分子分解成氢和氧需要大量的能量, 例如, 要把水加热到大约2000℃或让强电流从水中通过。但是叶绿素在一般的温度下很容易做到这一点, 它所需要的只是可见光的比较微弱的能量。植物利用它吸收的光能, 效率至少为30％, 有些研究者认为, 在理想的条件下, 它的效率可以接近100％。如果人类能够像植物那样有效地利用能量的话, 我们就大可不必担心我们的食物和能量的供应了。
水分子分解以后, 有一半的氢原子进入二磷酸核酮糖循环, 有一半的氧原子被释放到空气中, 其余的氢原子和氧原子重新化合成水。在化合的过程中, 它们释放出阳光分解水分子的时候给予它们的多余的能量, 而这种能量又被转移给像ATP那样的高能磷酸化合物, 储存在这些化合物里的能量又被用来推动二磷酸核酮糖循环。由于在破译有关光合作用中的反应方面的贡献, 卡尔文获得1961年的诺贝尔化学奖。
的确, 有些生命形态不依靠叶绿素来获得能量。1880年前后, 人们发现了化能自养菌: 在黑暗中吸收二氧化碳但不释放氧的细菌。这些细菌有的靠氧化硫化合物取得能量, 有的靠氧化铁化合物, 还有的喜欢其他一些古怪的化学行为。
然而也有一些细菌含有类似于叶绿素的化合物 (细菌叶绿素) , 因而使这些细菌能够利用光能把二氧化碳转变成有机化合物。在某些情况下, 细菌叶绿素甚至能够利用近红外区的光能, 而一般的叶绿素却无能为力。但是, 只有叶绿素本身才能使水分解, 并把这样得到的大量能量储存下来; 细菌叶绿素的"设备"能力就小得多, 只能凑合着生活。
除了由叶绿素利用阳光获得基本能量以外, 其他任何获得基本能量的方法都必定是行不通的; 比细菌复杂的生物, 只是在非常罕见和特殊的情况下, 才有成功地利用这些方法的可能性。对于几乎所有的生命来说, 叶绿素和光合作用都直接或间接地是生命的基础。
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