阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第14部分
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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
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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）。
第十二章 蛋白质
第十二章 蛋白质
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
期，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
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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，
1/25 000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
第十二章 蛋白质
第十二章 蛋白质
场所。
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代表乙酰化）。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
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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
雷特循环。
利用精氨酸除去氮以后，剩下的氨基酸的碳主链就可以通过
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
第十二章 蛋白质
第十二章 蛋白质
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
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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。
第十二章 蛋白质
第十二章 蛋白质
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�
