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20世纪前期生物大分子和代谢途径研究的进展

    一. 对生物大分子的认识
 生物化学起源于19世纪的生理化学,发展于20世纪。起先,由于一些有机化学家对动植物化学的研究,开始认识了组成生命的重要物质──蛋白质、核酸、糖和脂肪的化学成分和部分结构。科学家们用了100多年的时间,到1940年才全部阐明了组成蛋白质的20种氨基酸。19世纪末、20世纪初,德国化学家E.菲舍尔和F.霍夫迈斯特先后分别提出蛋白质的结构是由肽键把各种氨基酸连接为长链的理论,并指出了天然氨基酸都是L系(左旋)的。但直到1929年,瑞典化学家T.斯韦德贝里用他自己发明的超速离心机进行了测定后才证明了蛋白质的大分子本质。1869年,J.F.米舍尔发现核酸以后,德国生化学家A.科塞尔和美籍俄裔的生化学家P.A.T.列文等从世纪交替时起到20世纪30年代,对核酸的结构作了系统的研究,发现核酸是由4种不同的含氮的杂环化合物(嘌呤和嘧啶的衍生物,通称碱基)同核糖、磷酸结合成核苷酸,然后再聚合为大分子。1929年P.A.T.列文发现,由于核糖含氧量不同,而有脱氧核糖核酸(DNA)与核糖核酸(RNA)之分。由于当时条件的局限,他根据不够精确的测定,误以为核酸中4种碱基的含量相等,于1921年提出关于核酸结构的错误的“四核苷酸”假说,把复杂的核酸结构简单化了。30年代这一假说被普遍接受,影响了人们揭示核酸作为生命物质的重要功能。直到40年代中期核酸在遗传上的功能被肯定,才有人再次用刚建立不久的精确方法进行分析,发现四种碱基含量并不完全相等。这才推翻了“四核苷酸”假说,有助于以后DNA双螺旋结构模型的建立。
   二.代谢基本途径、酶和生物能本质的阐明 
 生物体内代谢途径复杂多端,在20世纪前叶基本上阐明了糖、脂肪和蛋白质三种主要物质的分解代谢途径。
   1897年,德国生化学家 E.毕希纳发现离开活体的酿酶具有活性以后,极大地促进了生物体内糖代谢的研究。酿酶发现后的几年之内,就揭示了糖酵解是动植物和微生物体内普遍存在的过程。英国的F.G.霍普金斯等于1907年发现肌肉收缩同乳酸生成有直接关系。英国生理学家A.V.希尔,德国的生物化学家O.迈尔霍夫、O.瓦尔堡等许多科学家经历了约20年,从每一个具体的化学变化及其所需用的酶、辅酶以及化学能的传递等各方面进行探讨,于1935年终于阐明了从葡萄糖(6碳)转变其中乳酸(3碳)或酒精(2碳)经历的12个中间步骤,并且阐明在这过程中有几种酶、辅酶和ATP等参加反应。
   脂肪酸的代谢一直遵循着从1904年德国生化学家F.克诺普建立的β-氧化理论,即从羧基端依序以两个碳为单位解离。
   蛋白质的代谢则主要是氨基的去向问题。1930~1938年,经苏联生化学家A.E.布劳恩施泰因、克里茨曼和M.李约瑟夫人等许多科学家的努力,基本上阐明了氨基的转化过程。1932年德国生化学家H.A.克雷布斯发现了氮的代谢废物尿素是由转化的氨基通过鸟氨酸循环不断产生的。这一发现不但阐明了尿素生成的途径,而且给代谢途径建立了“循环形式”的新概念。
   三羧酸循环这一代谢基本途径的阐明是H.A.克雷布斯于30年代末在英国作出的。他总结分析了前人在与呼吸作用有关的化学物质的化学结构及其变化和自己的实验结果,指出,柠檬酸经过一系列的已知的变化可以变为草酰乙酸,而草酰乙酸也可以变为比它多两个碳的柠檬酸,从而提出柠檬酸循环的设想。在这个过程中产生了二氧化碳和水。但是对于同草酰乙酸结合的两个碳原子化合物的来源问题,H.A.克雷布斯只是提出设想:是糖酵解或脂肪酸β-氧化的产物。证实这一重要设想的是德国出生的生物化学家,O.迈尔霍夫的学生和助手、1939年到美国工作的F.A.李普曼。1945年他从研究生物化学能的重要传递物──ATP入手,发现了活性很强的含两个碳原子的化合物──辅酶A。正是辅酶A促进了两个碳原子化合物同草酰乙酸的缩合。后来直到50年代初,才弄清了丙酮酸氧化脱羧后同草酰乙酸缩合的整套多酶体系。
   在代谢途径的研究过程中,能量的产生和转化始终是一个引人注意的问题。英国生理学家A.V.希尔和O.迈尔霍夫分别于1912和1922年发现肌肉收缩过程中伴随着能量变化。1929年,德国生化学家C.H.菲斯克和K.洛曼等分别从肌肉中分离出腺苷三磷酸(ATP)。1935年,K.洛曼测定出ATP的分子式。与此同时,发现不论在糖酵解或三羧酸循环等代谢过程中,都有伴随着ATP磷酸根的放出或 ADP得到磷酸根的变化──化学能量高效率的传递方式。1941年F.A.李普曼引入“高能磷酸键 (~P)”的概念。1949年美国生化学家E.P.肯尼迪和A.L.莱宁格报道了线粒体含有三羧酸循环所需要的全部酶系统,并且与磷酸化偶联,产生大量ATP,而酵解作用则在细胞质中进行。以后线粒体就成为能量代谢研究的主要材料。
   关于在代谢物氧化过程中,氢如何变为水的问题,曾有过不少争论。O.瓦尔堡在第一次世界大战前后,经过多年的研究,到20年代初明确提出氧分子能使2价铁变为3价铁,3价铁使代谢物氧化的同时又还原为 2价铁。他称这种铁的化合物为呼吸酶,但他所用的铁是血红素烧成的灰。O.瓦尔堡从事这项研究的副产品就是后来为世界各国生化实验室内所广泛采用的瓦伯呼吸仪。但他的结论却引起不少争论。德国化学家H.O.维兰德在1912~1913年间用一系列的实验表明,细胞内代谢物的氧化主要是由于酶的作用先脱氢,脱下的氢再同氧结合为水。不久就分离出脱氢酶。于是,在O.瓦尔堡和H.O.维兰德之间,对究竟是先激活氧还是先激活氢的问题上,发生了一场历时十余年的争论。英国寄生虫学家和生物化学家D.基林于1924年用实验表明在细胞中广泛存在的、含铁的细胞色素在代谢物氧化过程中起氧化作用。为此,O.瓦尔堡同D.基林间也发生了争论。到20年代末,经过D.基林和匈牙利生物化学家(第二次世界大战定居美国)A.圣捷尔吉等的努力,明确了代谢物的氧化过程中既有脱氢作用,也有氧被激活的作用,还有细胞色素在中间的作用。50年代许多人的工作结果表明代谢物在细胞内从脱氢到同氧结合为水,是一个多步骤的电子传递过程。这里同位素示踪技术对代谢途径的最后确定起着决定性的作用。从 1932年美国化学家 H.C.尤里发现氢同位素“氘”,1933年匈牙利化学家G.C.de海韦希制得放射性P32,特别是40年代初原子反应堆建立以后,在生化研究上很快得到了应用。如德国出生的生物化学家R.舍恩海默在美国于1933年用氘研究脂肪酸代谢,1937年用N15研究蛋白质代谢,发现代谢物质间存在着动态平衡。此后,同位素应用日益广泛,成为生物化学研究的一种重要手段。酶究竟是大分子还是小分子,在20年代前半期还在争论不休。1926年,美国生物化学家J.B.萨姆纳成功地从刀豆中提取出能分解尿素的尿素酶结晶,并证明这个结晶是蛋白质。4年后美国生物化学家 J.H.诺思罗普又得到胃蛋白酶和胰蛋白酶的结晶,并证明它们也是蛋白质。从此,酶是蛋白质的概念才被肯定。30年代,发现酶除了大分子蛋白质的部分以外,还有许多种辅酶配合着起作用。经过包括O.瓦尔堡等许多生物化学家的研究证明了许多维生素,如B2、B2、B3、…等都得各种辅酶必不可少的成分。至于酶反应的原理和动力学,又为人们开辟了一个广阔的研究新领域。酶的专一性的研究在20世纪初已见端倪。E.H.菲舍尔就曾提出“锁钥理论”。即在酶同反应底物的结构之间有一定的互相嵌合的关系。以后又有不少修改和补充。60年代初D.小科什兰提出了根据比较充分的“诱导配合理论”。1965年法国分子生物学家J.莫诺出了调控酶活性的“变构”理论。


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