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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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医学诺贝尔之路(1953):柠檬酸循环   

2014-07-10 15:55:23|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:赵承渊

电器通过电力驱动而工作,汽车通过燃烧汽油而奔驰。在自然界中,不依赖电线和发动机的生物却能够通过进食、饮水和呼吸来维持生存。对于动物来说,这些食物、水和空气还能够提供令他们自由行动的能源,这一远远领先于人类智力设计的能量供给方式无时无刻不在体内进行着。毫无疑问,这是大自然的杰作。

碳水化合物、蛋白质和脂类被称作三大营养元素。需氧生物正是依靠燃烧这些营养元素(尤其是糖类)来获取能量。作为较大分子的能量原料,葡萄糖等物质经过生物细胞的处理,最终转变为小分子的二氧化碳和水,同时释放出热量。生物细胞捕获这些能量,并将它们储存在诸如三磷酸腺苷(ATP)的高能磷酸键中,以便于随时取用。探索生物细胞微观世界中的化学反应详情,了解有哪些角色参与了能量获取的全过程,有助于人们了解生物细胞内的这些小小发动机是如何工作的,同时将大大加深人类对于生物体和自然界的认识。

在克雷布斯(Hans Adolf Krebs)博士开始从事这项研究之前,对于上述问题,生物化学家们已经有了一些零碎的成果。只是这些成果相互之间缺乏联系,某些环节还有不小的空缺。克雷布斯是一名犹太人,在上世纪三十年代的德国,犹太人这一身份给他带来了不小的麻烦。纳粹政府禁止犹太人从事医学,于是本来作为临床医师的克雷布斯不得不放弃了自己的专业,移居英国从事基础研究。

当时人们已经知道,是某种二碳化合物在氧化后转变为二氧化碳和水,并同时释放出能量。但这种二碳化合物是什么,人们一直不甚清楚。克雷布斯将之前的研究成果加以分析,提出了自己的理论,即:该二碳化合物在一开始一定是与某种已知的四碳化合物结合成为六碳化合物,再经过多次脱氢和脱羧基逐步重新转化成为四碳化合物,该化合物再一次与另一个分子二碳化合物结合,参与下一次循环。这个理论将已知的反应细节串联了起来,相当完美地解释了二碳化合物的氧化过程。克雷布斯确定,初始形成的六碳化合物是柠檬酸,于是这个反应循环被称为柠檬酸循环或Krebs循环。由于柠檬酸的结构中含有3个羧基,这一循环又被称作“三羧酸循环”。

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 【图片出自维基百科】

至今仍占据生物化学教科书大量篇幅的三羧酸循环问世了。这一成果在后期的实验中得到了证实。人们坚信柠檬酸循环是完美的,然而美中不足的是,那个神秘的二碳化合物还没有露出本来面目。有很长的一段时间,科学家始终找不到合适的二碳对象来嵌入柠檬酸循环,直到李普曼(Fritz Albert Lipmann)发现了乙酰辅酶A。

李普曼同样生于德国,同样是一名犹太人,同样由于纳粹的原因离开德国,只是他的目的地不是英国,而是大洋彼岸的美国。乙酰辅酶A的出现给柠檬酸循环这一拼图补上了最重要的一块,整个体系看上去既流畅又优美。

从葡萄糖进入细胞内氧化开始,经过一环紧扣一环的化学反应,1分子葡萄糖转化为2分子丙酮酸。在没有氧气的条件下,供能结束,丙酮酸转变成为酸性代谢产物。而在有氧的环境下,丙酮酸先经5步反应生成乙酰辅酶A,后者随即进入柠檬酸循环,最终生成二氧化碳和水。这个过程就是糖的有氧氧化。

糖的有氧氧化使能量物质的利用达到最大效率。1分子葡萄糖经过一系列反应,所产生的能量储存于38分子的ATP中。经过测算,这种能量利用效率高达40%。而直到上世纪,蒸汽机的热效率才达到20%以上。

除此之外,柠檬酸循环还可为其他能量物质代谢的桥梁。柠檬酸循环之中的中间产物常常可参与到其他代谢过程之中,这些中间产物还可被拿去作为合成某些新物质的原料。单就代谢而言,细胞内各种体系的相互影响、联系和调节就已经非常精细,令人叹为观止了。

Krebs敏锐的直觉,Lipmann的发现令人们对于细胞内能量代谢的化学过程有了飞跃性的认识。1953年的诺贝尔医学及生理学奖也因此为二人所分享。

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