et cad 8 4 : 生命 的 化 学 | ( 英 ) S. 罗斯 著 ho 译 pau 中 科 院 植物 所 图 书馆 NT $0014799 A 4 & 介 《生命 的 化 学 ?从 什么 是 生物 化 学 讲 起 ? 讲 到 构成 生物 体 的 元 素 、 分 子 和 细胞 ,又 进一步 讲 到 分 子 和 细胞 的 构成 及 其 发 挥 功能 的 方式 ? 景 后 归结 到 生命 起 源 的 问题 上 系统 地 、 深入 浅 出 地 、 生 动 地 介绍 了 生物 化 FITS. ABM 1966 年 初版 和 1970 年 修订 后 再 版 以 来 ， 到 如 今 BAR IAF R RRA KD, Steven Rose THE CHEMISTRY OF LIFE Hazell Watson & Viney Ltd, 1977 生命 的 化 学 (KH) S. 罗斯 著 潘 希 明 iz 责任 编辑 BA eek he WK 北京 朝阳 门 内 大 街 137 号 + Ow ee aly Ell 新 华 书 店 北京 发 行 所 发 行 ”“ 各 地 新 华 书店 经 售 * 1983 年 7 月 第 一 版 开本 : 787x10923 -1/32 1983 年 7 月 第 一 次 印刷 印张 : 8 印 数 ; 0001—8, 600 字数 : 181,000 统一 书号 : 13031。2319 AHS : 3172。13 一 10 x ft: 1.00 元 A aK FE cet eee eeeceneeneeeeeeeeeeeesene ence eee et eee eeneeneea ene ea eee eaes ill BAAR FCM 1970 SERRE RE ceeeeeeeeeeeeeeedeceeceeeeeceeeeeneneas 人 绪论 . 生物 化 学 是 研究 什 友 的 2? pp 1 第 一 章 ” 开 场 自 pp 9 第 二 章 Ns es OC 18 Nas ly is oe OEE 33 PTO PE ABs eee ece cee ec ec ec eee cesecece eens esneneeeaeenenens sé Ee ais a al | Bost Cee eee 90 Ee aa nal“) |) 6 die ge Pad ibe Sd Aas 99 oe we 能源 pp 109 第 作 章 合成 途径 139 第 九 章 ”细胞 的 结构 :PN 164 pe seo 7 eee eee 134 第 十 一 章 细胞 的 作用 人 213 oe Oe Ns 8 4 Ss ee 2 eee eee 23] 第 十 三 章 ” 一些 未 解决 的 间 题 pp 246 e ie ~ < . ‘ . ¥ * e ws > . s ° “ - 4“ . . 3 , fy ~~ — 。 ; =~ on : sa es ee 大 a q . 和 4 5 t P * ‘ < - > 4 十 a ' x 于 a 4 s ° Pe ee a ee 下 aa re, 5 - k t wa ot 4 « = 9 “> og - oa 4 Palit a - - * 才华 人 es ee ge ee ee 严 和 ‘ . J » 四 ds * My 区 -时 . “pte tee 2CO, 由 两 个 离子 结合 生成 的 化 合 物 《〈 例 如 NaCl) 叫做 盐 . 在 化 学 上 , 盐 通常 是 由 酸 和 碱 两 种 化 合 物 进行 反应 生成 的 . 酸 是 一 种 含有 和 氢 离 子 (H+) 的 物质 (例如 氢 氧 酸 HCIU; 而 碱 则 含 有 由 氧 和 和 氧 结合 成 的 羟基 离子 (OH-)。 和 氧 氧化 钠 ( 苛 性 苏打 ， NaOH) 就 是 一 个 例子 .在 溶液 中 ， 酸 和 碱 反应 生成 盐 和 水 ， 例如 : NaOH + HCi —> NaCl + H,O 但 是 ,我 们 要 讨论 的 绝 大 多 数 物质 根本 不 是 盐 ， 而 是 元 素 碳 的 化 合 物 . 碳 的 化 合 物 在 生物 体 中 分 布 得 如 此 广泛 , KR 量 如 此 之 多 ， 使 得 对 这 些 化 合 物 的 研究 从 对 其 他 化 合 物 的 研 究 分 了 出 来 , 冠 以 有 机 化 学 的 特殊 名 称 。 碳 原子 与 其 他 原子 化 合 时 所 依从 的 规律 基于 这 样 的 事实 : ” 碳 原 子 在 有 可 能 时 ， 倾向 于 与 四 个 其 他 原子 化 合 。 Alt, 最 简单 的 有 机 化 合 物 就 是 甲烷 (沼气 ) ,分 子 式 是 CH 在 讨论 碳化 合 物 时 ,一 般 不 采 用 无 机 化 学 的 简单 表示 法 ,而 尽量 采用 分 子 图 象 ,因为 分 子 内 的 原子 实际 是 以 空间 分 布 而 存在 的 . 例如 : H | H—C—H H 是 三 维 甲烷 分 子 的 二 维 图 象 ， 表 示 甲 烷 的 碳 原子 实际 上 完全 由 氨 原 子 围绕 着 . 尽管 如 此 , 这 也 只 不 过 是 甲烷 分 子 实际 的 三 维 结构 的 近似 图 ; 如 果 用 放大 倍数 足够 高 的 显微镜 观察 甲烷 分 子 ， 可 以 看 出 它 根本 不 是 平面 的 ， 而 是 棱锥 形 的 ( 见 右 图 )、 H ain 我 们 要 画 出 的 所 有 的 结构 式 , 跟 甲烷 的 结构 一 样 , 只 不 过 是 分 子 真正 的 三 维 结构 的 二 维 图 象 ; 碳 原 子 化 合 时 服从 的 规律 是 它 总 要 和 四 个 其 他 原子 相 结 合 , 因此 四 根 连接 线 ( 键 ) 总 是 从 碳 原子 向 外 延伸 的 。 但 若 遇 到 二 氧化 碳 〈CO:) 这 类 情况 , 其 中 碳 原子 只 与 三 个 氧 原 子 结 合 , 它 的 分 子 便 画 成 : O=C=0 表示 碳 原子 与 氧 原子 相连 不 是 单 键 而 是 双 键 . 分 子 空间 图 象 还 能 揭示 分 子 的 一 些 其 他 特征 ， Plan, 我 们 研究 分 子 式 为 CHO 的 物质 时 ， 会 发 现 有 两 种 可 能 的 结 构 , 用 下 列 式 子 表示 : ee: H H--c—c—c€ ® CH,- CH,- CHO Oo H—C—C—C—H ~- ® CH,-CO- OH, 这 两 种 物质 的 性 质 截 然 不 同 , 前 者 是 丙 醛 ,由 一 种 细菌 作用 在 带 辛 辣 味 的 物质 上 生成 的 ;后 者 我 们 都 很 熟悉 ,是 带 有 香气 的 丙酮 , 它 是 指甲 潜 和 飞机 涂料 的 易 挥发 的 主 溶剂 .因此 ,有 机 化 合 物 分 子 的 空间 结构 和 排 布 对 其 性 状 来 说 是 很 关键 的 ， 有 些 物 质 ( 象 丙 醛 和 内 酮 ) 总 的 化 学 组 成 相同 ， 但 结构 和 排 布 不 同 , 这 样 的 物质 称 为 寞 构 体 . 寞 构 现象 在 组 成 生物 体 的 化 学 物质 中 普遍 存在 ,我 们 会 经 常 遇 到 . 碳 原 子 的 另 一 个 性 质 是 ， 它 不 仅 能 连接 成 很 长 的 直 链 (如 我 们 已 讲 过 的 那些 化 合 物 那 样 ) ,而 且 能 形成 支 链 : ee 12 。 H | H--H=c=H H axe -—— C — C—O-H CH, . CH(CH,) »- CH,OH | a, H H HT 甚至 还 能 生成 环 状 化 合 物 : 1 ie ae tah PA i | Yom € Cc | H 每 当 我 们 讨论 的 分 子 含 有 几 个 夸 原 子 的 时 候 ， 知 能 指出 我 们 所 说 的 是 那 一 个 常常 是 有 用 的 . 为 了 能 做 到 这 一 点 ， 可 把 分 子 中 的 碳 原 子 编 号 ,从 分 子 的 一 闯 纺 起 ,一 般 是 从 人 靠近 特 殊 基 团 的 一 端 算 起 ,一 直 编 到 另 一 瘦 。 例 如 乙酸 ,编号 首先 从 羧基 的 碳 原子 编 起 : CH; COOH 2 1 这 种 编号 法 的 优点 ,在 讨论 较 长 、 较 复杂 的 分 子 时 就 明显 了 . 随 着 本 书 内 容 的 深信， 我 们 将 介绍 更 多 的 碳化 合 物 的 性 质 , 但 是 尽管 碳化 合 物 很 复杂 ,我 们 仍 会 发 现 : 从 最 简单 的 有 机 酸 到 最 大 \ 最 复杂 的 蛋白 质 或 核酸 , 它们 的 结构 和 性 状 , 都 受 同 样 的 , 我 们 在 这 儿 所 讲 的 普 损 规律 的 支配 。 生物 体 的 化 学 物质 没有 什么 神秘 或 不 能 说 明 的 . 这 些 物 质 虽 然 可 能 很 复 杂 ，, 不 稳定 ,需要 特殊 的 处 理 方法 ,但 是 所 遵循 的 都 是 化 学 \ 物 理学 等 方面 的 定律 . 一 些 生物 学 定义 生物 学 家 关心 的 是 关于 活 的 有 机 体 的 种 类 和 行为 的 描 e 13 。 Zl 常见 的 一 些 有 机 基 团 Ethy] | | re AEE ; mM € Weare —. Double bond aa = H - CHO ee 了 Aldehyde No H BF 、 - CH,OH —C—OH Alcohol Hu . 酮 WA ve Ketone Pin 人 O * COOH 一 c& OH H | H - CH,NH, 一 c-NC Amine | H H i: H G H y: NE Mitte G Cc C) 7 7 NS Benzene ring e 14 « 2 MAD F HK 量 长 度 (长 轴 ) Oh os (A) Cis K) SURF CA) 1.6 10-** 110-8 (NH bis rien 1.2x10- 75 2% 10-8 RMB | ete y10-| es1.000,000 | 320x107 1% 10-16 40,000,000 7 典型 的 病毒 至 2X10 至 1,000;000,000| >*!° 典型 的 细菌 细胞 8x 10-7 1x%10-4 典型 的 动物 细胞 110X10~’ 1785x1073 人 80,000 200 述 . 生物 学 的 一 个 分 支 一 一 生理 学 是 研究 生物 体内 部 活动 方 式 的 . 例如 , 动物 生理 学 家 研究 肝 \ 心 `. 旨 、 脑 \ 肺 等 作用 的 功 能 和 机 理 . 植物 生理 学 家 研究 植物 的 叶 、 花 和 根 的 作用 . 植 物 和 动物 的 各 种 组 织 在 显 繁 镜 下 观察 时 ， 呈 现 出 象 一 行 行 整 齐 堆放 的 , 形状 很 有 规则 的 小 盒 , 小 盒 彼此 以 很 薄 的 壁 分 开 。 每 个 小 盒 称 为 细胞 , 使 细胞 彼此 分 开 的 壁 称 为 膜 ， 图 1 是 一 些 细胞 的 略图 ,图 19 是 一 个 详细 的 细胞 图 .动物 和 植物 的 细 胞 ,对 于 生理 学 家 来 说 , 就 象 原子 对 于 化 学 家 一 样 , 都 是 可 研 究 的 最 小 的 独立 的 个 体 . 但 是 ， 当 我 们 不 想 研 究 细胞 之 间 的 关系 ,上 只 想 研 究 单个 细胞 内 发 生 的 事件 时 , 那 我 们 所 作 的 工作 就 不 属于 生理 学 ,而 属于 生物 化 学 了 ,这 在 后 面 很 快 就 会 知道 的 . 除了 多 细胞 的 生物 如 各 种 植物 和 动物 外 ， 还 有 许多 种 单 细胞 生物 .霉菌 (如 酵母 )`\ 细 菌 和 病毒 等 的 全 部 活动 ,都 集中 在 一 个 微小 的 细胞 内 ， 比 活动 较 少 的 植物 和 动物 的 细胞 要 小 ~ TSf。 j< 0.001 厘米 -一 一 为 细菌 动物 细胞 一 一 周围 是 柔软 的 薄膜 ， 中 央 黑 糊 糊 的 斑点 是 核 ; 核 与 其 他 颗粒 将 在 第 九 章 讲述 . 植物 细胞 与 此 相似 > 有 一 硬 壁 ; 象 一 个 硬 纸板 盒 ; 内 部 还 有 一 些 含 叶 绿 素 的 颗粒 得 多 . 另 一 个 都 很 熟悉 的 单 细胞 动物 的 例子 ,是 所 有 使 用 过 显微镜 的 生物 学 学 生 都 在 某 个 时 期 研究 过 的 池塘 里 的 小 生 物 一 一 变形 虫 . 病毒 比 一 般 的 细胞 小 许多 倍 ， 变 形 虫 比 一 般 的 细胞 稍微 大 点 。 但 是 中 等 大 小 的 动物 细胞 或 植物 细胞 , 在 大 小 和 结构 上 都 很 相似 一 一 直径 大 致 在 二 分 之 一 厘米 左右 ， 重 量 十 万 分 之 一 克 左 右 . 一 个 体重 约 为 80 公斤 的 人 ， 其 身体 的 细胞 达 100,000,000,000(10") 个 之 多 。 不 同 物种 的 细胞 ,比方 说 鼠 和 人 的 细胞 ,或 者 营 类 和 蕾 薇 花 类 的 细胞 ,其 性 质 相 互 间 稍 有 差 别 ; 任 一 物种 的 不 同 串 官 的 细胞 也 是 这 样 ,譬如 肝 细 胞 与 胃 细 ° 16 。 Wea ee » 3X A A 2 He 2a HB a HT 8 A Ze. 正如 以 后 我 们 会 看 到 的 那样 ， 只 是 差别 不 象 相似 性 那样 显著 ME. 本 书 大 部 分 篇 幅 将 讨论 许多 种 生物 的 大 多 数 器 官 的 细 胞 的 化 学 问题 , 这 些 细 胞 是 理想 的 ,典型 的 动物 细胞 ; 我 们 只 在 很 后 面 的 部 分 才 比 较 详 细 地 讨论 不 同 物种 和 器 官 的 细胞 彼 此 间 在 生物 化 学 上 的 实际 差别 . 我 们 把 生物 化 学 分 成 了 几 个 部 分 。 有 了 这 段 开 场 白 , 我 们 就 可 以 直接 讨论 其 中 的 第 一 部 分 了 ; 这 部 分 是 讲述 构成 活 细胞 的 各 种 物质 的 化 学 性 质 的 ,可 以 称 为 分 析 有 机 化 学 “第 二 章 和 第 三 章 )。 第 二 章 i. D F 我 们 认为 人 体 是 非常 紧密 的 .平常 我 们 只 能 通过 查看 身 体 的 外 表 来 推断 它 的 内 部 活动 . 一 个 人 身体 健美 ,皮肤 无 瑕 ， 是 会 感到 欣 奈 的 ， 若 是 查看 一 下 用 脖 的 皮下 肌肉 或 者 体内 的 肋骨 ,也 会 很 满意 .通常 , 至 少 在 身体 健康 的 情况 下 , RNA 会 注意 到 我 们 身体 内 的 肺 \ 胰 、 肝 和 肾 这 些 器 官 , 通过 解剖 取 出 来 , 看 上 去 和 我 们 吃 的 家 畜 的 噩 官 没 有 多 大 差别 . 尽管 不 喜欢 这 样 ,但 是 这 也 是 可 以 想象 得 到 的 . 生物 化 学 家 要 作出 的 努力 更 大 . 他 们 认为 , 人体 甚至 可 以 说 不 是 由 器 官 组 成 的 ,而 是 由 数目 相当 庞大 的 \ 只 有 用 显 微 镜 才 能 看 见 的 一 个 个 细胞 组 成 的 ， 而 每 个 细胞 又 是 由 许多 不 同 的 化 学 物质 组 成 的 , 这 些 物 质 均 能 提纯 、 结 晶 ; 能 测 出 其 分 子 量 和 结构 ; 还 有 一 点 ,就 是 能 不 共 地 贮存 在 瓶子 里 ,与 其 他 来 源 不 那么 神圣 的 普通 物质 一 道 放 在 架子 上 . 生物 化 学 家 这 样 设想 有 机 体 的 时 候 , 他 马上 意识 到 尽管 有 机 体 间 ,比方 说 肝 和 脑 , 蝇 牛 和 人 之 间 看 来 似乎 完全 不 同 ,但 组 成 它们 的 细胞 之 间 以 及 构成 细胞 的 化 学 物质 之 间 的 相似 之 处 却 是 很 大 的 . 接着 便 展 开 了 长 期 激烈 的 争论， 反对 把 有 机 体 分 解 成 化 学 物质 . 但 是 炼金 术士 们 知道 ,要 是 把 尿 浓 缩 的 话 ,就 会 结晶 出 尿素 ;要 是 把 许多 蚂蚁 放 在 曲 颈 瓶 中 蒸馏 ,就 会 制 成 带刺 激 性 的 甲酸 . 并 且 , 人 们 从 古 时 候 就 已 经 知道 ,可 把 植物 的 种 子 或 果实 通过 发 酵 或 蒸馏 制 成 醇 。 这 样 的 化 学 物质 , BARS 许多 物质 ， 在 我 们 称 之 为 生物 化 学 分 析 的 研究 时 期 开始 以 前 很 久 就 为 人 们 所 知 了 。 在 十 九 世纪 的 时 候 , 化 学 家 利用 日 益 e 18 。 提高 的 技术 ,从 活 组 织 提 取出 了 很 复杂 的 物质 ,在 这 个 过 程 中 化 学 家 已 开始 变 成 生物 化 学 家 了 . 若 把 这 个 时 期 研究 的 物质 列 成 表 , 这 个 表 将 比 以 往 任何 时 候 的 都 要 长 ， 要 测定 人 体 中 的 各 种 化 学 元 素 是 比较 简单 的 ,有 焚化 炉 、 天 平和 在 处 理 较 简单 的 矿物 分 析 问 题 的 过 程 中 发 展 起 来 的 各 种 技术 就 行 了 . 表 3 列 出 了 这 种 分 析 结 果 .， 氧 、 所 和 碳 三 种 元 素 的 比例 占 压 倒 优 势 . 表 中 最 后 的 数字 说 明了 产生 这 种 情 况 的 原因 ,， 人 体重 量 的 很 大 部 分 是 水 , 这 就 是 氧 和 氧 最 多 的 原因 ,其 他 多 数 化 学 物质 几乎 全 都 是 碳 的 化 合 物 , 同 时 带 有 氢 和 和 氧 ; 有 时 也 带 有 氮 , 偶 尔 带 有 硫 . 绝 大 多 数 的 全 和 磷 化 合成 表 3 人 体 的 组 成 CEs op) yy RK 物 重量 百分比 %2 氧 65 碳 18 氢 10 所 3 元 ue 2 磷 1.1 钾 0.35 se Bit 0.25 ay 0.15 A 0.15 ey ie at 铜 、 水 60 一 80 水 和 固体 物质 a 15—20 各 3—20 5 115 fF 小 的 有 机 分 子 0 一 无 机 分 子 al 磷酸 钙 , 形 成 了 坚硬 的 物质 , 称 为 骨骼 .但 是 ,尽管 这 样 ,水 占 大 部 分 这 一 结论 仍 是 对 的 ,正如 霍 尔 丹 〈Haldane) 所 说 的 ,其 至 连 坎特伯雷 大 主教 的 身体 也 是 水 占 65%. 仅仅 分 析 这 些 元 素 是 如 何 化 合 的 就 是 一 项 较 复 杂 的 工 作 , 直 到 今天 也 未 能 完全 分 析出 来 .虽然 这 样 , 在 某 一 精确 度 下 还 是 可 以 讨论 化 合 物 分 类 的 ， 即 使 对 每 一 种 化 合 物 并 不 是 都 清楚 。 最 粗糙 的 ， 也 是 基本 的 一 种 分 类 法 ， 可 用 实验 来 说 明 。 取 一 点 组 织 , 例 如 肝 或 肌肉 的 组 织 切 片 , 把 它 和 冷 稀 酸 二 起 用 研 杆 和 研 乓 研磨 ,得 到 一 种 浓 的 汤 状 物 (如果 认 为 这 二 叫 法 不 准确 的 话 , 那 正式 的 说 法 是 “ 匀 浆 汶 ， 然 后 过 滤 分 离 可 洲 性 与 不 溶性 两 部 分 .这 时 可 溶性 部 分 几乎 全 都 是 该 组 织 的 低 分 子 量 的 物质 ， 也 就 是 说 ， 这 些 物 质 的 分 子 量 可 达 10000 友 右 ， 而 不 溶性 残渣 ,典型 地 带 有 白色 或 浅 褐色 ,是 很 稠 的 糊 状 物 , 含有 高 分 子 量 的 物质 (分 子 量 高 达 数 百 万 ), 即 蛋白 质 类 、 核酸 类 、 多 糖 类 以 及 各 种 各 样 的 脂肪 类 物质 。 大 多 数 生 物化 学 家 都 对 大 分 子 物质 感 兴趣 . 然而 在 这 里 , 我 们 必须 先 从 活 细胞 中 容易 看 到 的 最 普通 最 重要 的 简单 分 子 开始 . 实验 中 所 用 的 稀 酸 的 可 溶 物 ， 通 常 也 可 溶 于 完整 的 细胞 内 的 溶液 中 ,这 样 的 物质 主要 是 一 些 简单 的 无 机 离子 ,显著 的 有 带 正 电荷 的 钾 . 钠 、 钙 、 镁 等 离子 , 带 负 电荷 的 氯 离子 、 磷 酸 根 离子 ;其 次 还 有 某 些 有 机 化 合 物 ,最 重要 的 是 脂肪 酸 类 、 糖 类 、 所 基 酸 类 以 及 嗓 叭 和 喀 啶 碱 基 . 磷酸 酯 类 磷酸 根 离子 与 其 他 无 机 离子 不 同 , 它 是 很 重要 的 ,因为 它 很 容易 与 许多 有 机 化 合 物化 合 。 正 磷酸 的 分 子 趟 为 HPO. ° 20 « 亦 可 用 图 表示 为 : OH O=P—OH H 但 是 , 我 们 常常 把 它 的 分 子 式 简 写成 @. 正 磷酸 很 容易 生成 释 酸 盐 ， 例 如 与 钠 或 钾 生 成 磷酸 盐 ; 又 能 与 有 机 醇 生成 磷酸 酯 ， 在 理论 上 ,磷酸 酯 可 有 单 酯 . 双 酯 和 会 酯 : OH OH wT O=P 一 OH O=P—OR' O=P—OR’ OR Nor Nor ARS 双 酯 ' BiB 《其 中 R 代 表 任 一 有 机 醇 ) 但 是 在 上 述 萃 取 物 中 , 可 能 只 有 单 酯 和 双 酯 , 所 有 含 醇 基 〈 一 CHJOH) 的 有 机 化 合 物 均 能 生成 这 样 的 酯 ,因此 还 可 能 遇 到 糖 的 磷酸 醒 、 氨 基 酸 磷酸 酯 , 状 酸 磷酸 酯 、 酰 胺 磷酸 酯 和 核 音 磷酸 酯 . 磷酸 酯 确实 有 能 力 使 一 个 本 来 相当 不 活泼 的 有 机 化 合 物 变 得 在 生物 化 学 上 很 活 恋 : 我 们 常会 发 现 : 当 细 胞 合成 或 转化 一 个 有 机 分 子 的 时 候 , 第 SEITE RR. MRR LACS 4: Ro RS = RY, Blin: OH OH OH aot? —0-—o8 Peo gdda 三 磷酸 这 样 的 二 磷酸 和 三 磷酸 在 生物 化 学 上 也 是 很 常见 的 ， 甚 至 比 单 确 酸 还 活 没 。 Aa hy BRR 细胞 最 简单 的 有 机 成 分 中 有 一 系列 互相 有 关系 的 酸性 物 质 ( 脂 肪 酸 类 )。 最 简单 的 脂肪 酸 是 乙酸 ,其 他 的 脂肪 酸 都 相 e 21. WAH H+). 这 些 脂肪 酸 和 其 他 几 种 同类 型 的 脂肪 酸 均 能 从 绝 大 多 数 活 组 织 的 提取 物 中 纯化 出 来 . 其 中 有 几 种 酸 在 试管 中 是 十 分 粘 汪 的 液体 , 绝 大 多 数 的 酸 是 白色 粉末 ,都 易 溶 于 水 ,生成 很 弱 的 酸 , 表 4 一 些 常见 的 酸 各 称 类 “型 SER 一 元 酸 证 Monobasic Gas eae cA | Dibasic CH, - COOH 二 元 ,本 CH + COOH ne | Dibasic CH - COOH es CH, - C1IOH - COOH COOH * BB | CHOH Hydroxyacid | CH, - COOH COOH | CH, } mB | ee 酸 HO—C—COOH Hydroxyacid | CH, | COOH : MO : tae FY Ad 酸 Keto acid te rs Cook 酮 酸 CO - COOH 草 酰 乙 酸 Keto acid CH, - COOH SR, CRFETHE, TRRFETITRR MTT e 22 e 里 。 这 些 酸 , 从 化 学 上 说 , 并 没有 引起 人 们 很 大 的 兴趣 ,可 是 在 生命 上 却 有 重大 意义 。 对 于 细胞 来 说 , 最 重要 的 是 容易 迅 速 地 进行 一 些 复杂 的 化 学 反应 ， 在 生命 的 每 一 时 刻 都 在 进行 着 许 许多 多 这 样 的 反应 ,在 这 些 反应 中 ,这 些 简单 的 酸 及 其 有 关 的 物质 起 着 主要 的 作用 . 缺乏 这 些 酸 和 糖 类 , 组 成 细胞 的 蛋白 质 和 脂 类 就 象 一 全 极 好 的 复杂 机 器 失去 控制 一 样 ， 运 转 就 会 发 生 故 障 . 糖 类 糖 类 通 式 可 写成 CaH:.O.; 最 简单 的 糖 ，n 一 3， 可 以 写 出 两 种 可 能 的 异 构 体 的 分 子 式 : CH,OH - CHOH: CHO 2,3- 二 羟基 丙 醛 ( 醛 式 糖 ) CHOH . CO .CHOH ”二 羟 基 丙 酮 ( 酮 式 糖 ) & ARE (—CHO) HHERAE, SARE (>C 一 O) 的 糖 MAB. 但 是 , 若 把 2,3- 二 羟基 丙 醛 分 子 式 较 完 整地 写 下 来 的 话 ,， 就 能 看 到 还 有 更 复杂 的 情况 . 2,3- 二 羟基 丙 醛 能 写 出 两 种 可 能 的 结构 ,这 两 种 结构 除了 一 个 是 另 一 个 的 镜像 外 ， 其 他 方面 就 没有 不 同 的 了 ,因此 这 两 种 结构 是 异 构 体 : CHO CHO .— —OH HO— : +H CH,OH . 0 (十 )-23- 二 羟基 丙 醛 (一 )-2?3- 二 羟基 丙 醛 如 有 果 我 们 试 着 翻动 所 画 的 一 个 分 子 式 ， 使 它 直 接 倒 合 到 另 一 个 上 ，, 这 两 个 分 子 式 不 同 之 处 就 清楚 了 。 它们 只 不 过 是 互 为 镜像 ,或 象 左手 和 右手 的 手套 一 样 , 仿佛 相同 , 却 不 能 重 合 . 因此 ,它们 是 一 种 特殊 的 异 构 体 , 称 为 旋光 异 构 体 .虽然 这 两 个 分 子 在 化 学 上 是 难以 区 分 的 ， 但 它们 的 物理 性 质 却 不 完全 相同 , 常 背 形 成 不 对 称 的 镜像 结晶 。 旋光 蜡 构 体 的 发 现 °e 23 e 者 巴 斯 德 用 酸 浸泡 不 同 的 异型 结晶 ， 第 一 次 分 离 了 两 种 旋光 异 构 体 更 重要 的 是 两 种 异 构 体 与 平面 偏振 光 互 相 作用 的 方 式 不 同 *. 我 们 用 在 2,3- 二 羟基 丙 醛 或 二 羟基 丙酮 的 第 2 和 第 3 个 矶 原子 之 间 连 续 加 CHOH 基 团 的 方法 ,可 以 画 出 n 大 于 3 的 糖 的 分 子 . 加 了 以 后 会 发 现 ,每 增加 一 个 新 的 碳 原子 ;分 子 就 增加 一 个 新 的 非 对 称 中 心 ， 因 此 就 成 了 增加 异 构 体 的 集中 点 了 . 增加 到 n 一 6 时 , 这 些 糖 通称 为 已 糖 , 此 时 将 有 十 六 种 可 能 的 醛 式 糖 异 构 休 和 十 六 种 酮 式 糖 异 构 体 。 幸 而 细胞 有 很 强 的 辨别 力 。 每 一 组 的 一 半 异 构 体 ， 其 中 以 《一 )-2, 3- 二 产 基 丙 醛 为 基础 形成 的 醛 式 糖 ， 在 自然 界 根本 没有 发 现 过 ; 以 (一 )- 二 羟基 丙酮 为 基础 形成 的 酮 式 糖 也 只 有 很 少 的 几 种 是 常见 的 .在 醛 式 糖 中 最 重要 的 是 葡萄 糖 ， 半 乳糖 和 甘露 糖 . 在 酮 式 糖 中 , 我 们 只 需要 说 一 下 果糖 就 可 以 了 。 果糖 虽然 是 基于 (十 )- 二 羟基 丙 醛 的 ,但 它 使 平面 偏振 光 左 旋 。 CHO CHO CHO CH,OH inborn pO ages are sist i HOCH HOCH HOCH HOCH H COH H COH H COH ee H COH HCOH H COH ss H,COH H,COH H,COH (十 )- 半 乳糖 (+)-HER ”〈 十 )- 葡 葡 糖 (十 )- 果 糖 在 生物 学 上 ， 糖 类 的 重要 性 在 于 它们 是 有 机 体 利用 的 绝 *# 尤其 是 平面 偏振 光 透 射 过 2?3- 二 羟基 丙 醛 的 两 种 异 构 体 的 咨 液 时 ， Ril 会 发 现 ? 光 的 偏振 平面 被 旋转 (LEAH A BR SE A EY 旋转 的 方向 相反 。 如 果 观 察 到 通过 一 个 异 构 体 的 光 的 偏振 平面 是 右 旋 的 《+)， 那 通过 另 一 个 异 构 体 的 光 的 偏振 平面 就 是 左旋 的 (一 六 旋转 光 的 偏振 平面 的 这 种 能 力 对 于 能 画 出 不 同 镜像 的 所 有 分 子 都 是 普遍 存在 的 ? 象 非 对 称 的 2?3- 二 羟基 丙 醛 就 是 这 样 。 © 24 。 大 部 分 能 量 的 正常 能 源 ; FH HIE Se hs ARS th — 切 活动 所 需 的 能 量 . 己 糖 有 一 个 重要 性 质 ,能 形成 环 状 结构 , 如 用 图 解 , 生成 环 的 过 程 如 下 : CHO HCOH HCOH HOOH HOCH HOCH 0 “HOoH ——- BéoH HCOH _HC 一 H,COH ’ H,COH (这 两 个 分 子 的 分 子 式 相同 )。 但 是 表示 环 的 较 好 方法 却 是 : i H ,C-—O, #H ves Ni wr by i bu 以 后 , 我 们 常用 这 种 方法 表示 葡萄 糖分 子 .。 当 葡 萄 糖 溶 于 水 时 ， 几 乎 全 都 是 闭环 型 《确切 地 说 是 99.97%). 画 成 这 种 型 式 ，CHOH 基 团 的 非 对 称 性 会 看 得 更 清楚 ; 有 些 -OH KEW 在 环 平面 上 ,余下 的 -OH 倒挂 在 环 平面 下 . 其 他 己 糖 异 构 体 ， 在 分 子 图 中 ,-OH 基 竖 立 或 倒挂 在 环 平面 上 下 的 情况 稍 有 不 同 . 酮 式 糖 亦 能 以 类 似 的 闭环 型 存在 ,例如 果糖 , 但 是 , 这 时 环 是 五 元 环 : 5 oe 环形 糖 还 能 互相 化 合 , 生成 多 个 糖 单元 相连 接 的 链 。 例 如 一 个 分 子 的 工 号 碳 原子 通过 氧 原 子 与 第 二 个 分 子 的 另 一 个 碳 原 子 连接 , 通常 是 与 4 号 碳 原子 连接 . 这 种 键 就 是 所 谓 的 配 糖 键 . 一 个 葡萄 糖分 子 与 一 个 果糖 分 子 化 合生 成 的 化 合 物 就 是 一 个 例 子 : H 2 OH Ow 4 OH HL_ H HO H OH HO H RIMte MER Gea. 同样 ,两 个 葡萄 糖分 子 也 可 以 结合 成 麦 藻 糖 : CH2OH CH,OH. 于 H oF , H 9 On OH H HO OH H 人 H H OH, 这 一 结合 过 程 可 以 无 限制 地 重复 进行 ,形成 多 个 糖 单元 的 链 ， 这 种 链 可 以 是 有 几 百 个 糖 单元 的 长 链 ,这 就 是 糖 类 (另外 也 称 为 多 糖 ), 也 是 我 们 即将 讨论 的 第 一 个 大 分 子 化 合 物 . 虽然 最 重要 的 糖 是 含 6 个 矶 原子 的 糖 (2 一 6), (HEA e 26 e 些 糖 含 7 SRT» REA 4—5 HF. 2 一 5 时 , 称 YR BREN REA. ROR, RUS 存在 ,其 形状 如 下 : ies GN ' HOCH, Ke OH Ku < H H OH OH 2- 脱 氧 核糖 , 它 是 在 位 置 2 的 碳 原子 失去 氧 形 成 的 ,我 们 不 入 会 遇 到 核糖 和 脱氧 核糖 ， 它们 都 是 复杂 的 核 萌 酸 分 子 的 重要 HOCH, OH H H H H HO 4H 气 基 酸 类 氨基 酸 是 蛋白 质 大 分 子 的 德 块 ,每 个 氨基 酸 除 含 瑞 ` 气 和 氧 外 ,还 含有 氮 , 并 且 可 以 写成 通 式 : NH, R—C—COOH H 其 中 了 可 以 是 多 种 不 同 基 团 中 的 任何 一 个 ; 最 简单 的 情况 是 R 为 氨 , 这 时 这 个 氨基 酸 就 成 了 甘氨酸 : NH, H—C—COOH | H e 27 e 表 5， 在 蛋白 质 中 常见 的 一 些 氨基 酸 # ay F 式 CH;* CH: COOH ABE Ala. | NH, HOOC + CH,: CH. COOH 天 冬 氮 酸 Asp. | NH, HS +CH,-:CH+COOH Rta Cyst. | NH, HOOC +: CH,:* CH,“ CH+ COOH SEE Glut. | 人 H,N- OC. CH,. CH,. CH - COOH BRE Gline. | NH, CH, - COOH HAs Gly. | NH, x RES Ti Pou - CH, - CH - COOH CH, | NH, ~ S_¢H,- CH - COOH si NN - aA - NH, NH REG i a - COOH CH,——CH, HO - CH, - CH - COOH 丝氨酸 | NH, CH,- CH - CH - COOH PAR | | OH NH, 一 -一 er 本 . NH, * 总 共有 二 十 种 左右 . 天 然 的 氨基 酸 总 共有 二 十 种 左右 ; 每 种 纯 的 氨基 酸 都 是 微 带 2 28 % Oe a — - —— 特殊 气味 的 白色 粉末 . HERR NMED FH I TR 5 和 糖 类 一 样 ,氨基 酸 也 存在 异 构 体 , 由 于 彼此 互 为 镜像 ,所 以 COOH COOH H,N—C—H H —C—NH, ei, CH, (十 )- 丙 氨 酸 〈 一 ) 丙 氨 酸 而 且 只 有 一 种 异 构 体 是 天 然 存在 的 ,这 也 和 糖 类 一 样 ;这 种 异 构 体 是 以 〈-)-2,，3- 二 羟基 丙 醛 为 基础 形成 的 .其 他 异 构 体 尽管 能 被 某 些 细菌 加 以 利用 ,但 动物 细胞 却 既 不 能 制造 ,也 不 能 利用 . 考察 一 下 氨基 酸 的 分 子 式 就 知道 ， 氮 基 酸 含有 一 个 酸性 基 团 《羧基 -COOH) 和 一 个 碱 性 基 团 (氨基 -NH2). 在 中 性 深 液 里 ,这 两 种 基 团 都 会 电离 ,更 准确 地 说 , 水 中 氮 基 酸 的 分 子 却 应 为 : 象 这 样 含有 正 负 两 种 电荷 的 离子 (有 时 称 为 兼 性 离子 ) 有 许多 重要 的 化 学 性 质 . 由 于 氮 基 酸 被 连接 到 形成 蛋白 质 的 链 上 时 仍然 保持 这 些 性 质 , 所 以 值得 扼要 地 说 明 一 下 . 让 我 们 来 看 看 把 酸 加 到 氮 基 酸 的 中 性 溶液 里 会 发 生 什么 情况 . 各 种 酸 都 含有 氢 离 子 (H+), 氮 基 酸 和 和 氢 离 子 0HT+) 发 生 反 应 : NH?+ NHt | R—C—COO- + Ht+ = R—C—COOH | H H 氢 离 子 (H+) 和 氨基 酸 电离 了 的 羧基 化 合 , KN ARRAS 子 携带 一 个 净 正 电 倚 。 可 是 向 氨基 酸 盗 被 加 碱 , 也 就 是 加 羟 e。 29 。 基 离 子 (OH-) 便 会 出 现 这 样 的 反应 : NHt NH, R—C—COO- + OH- == R—C—COO~ + H,O | H H 羟基 离子 (OH-) 除 掉 了 氮 基 酸 的 氢 离 子 , 现 在 氨基 酸 就 携带 负电 荷 了 .因此 ,由 于 溶液 的 酸 碱 性 不 同 , 氨 基 酸 可 以 带 正 电 荷 , 也 可 以 带 负 电荷 ,还 可 以 呈 中 性 . 关于 酸 碱 性 的 概念 在 这 里 应 再 说 一 下 .虽然 全 面 讲述 这 个 问题 属于 物理 化 学 教科 书 的 事 ,但 生物 化 学 家 却 发 现 ,不 管 这 个 问题 就 不 能 深入 讨论 下 去 . RNA, 酸 溶 液 含有 氢 离 +, 碱 深 液 含有 羟基 离子 。 氨 离 子 和 羟基 离子 可 由 水 电离 生 成 : | H,O == Ht+ 十 OH- 这 是 个 可 逆反 应 ;在 可 逆反 应 中 ,反应 物 的 相对 浓度 总 是 趋向 于 恒定 的 平衡 点 。 因 此 ,在 任何 水 溶液 中 , 氢 离 子 和 羟基 离子 的 数量 之 比 是 一 定 的 。 知道 了 氢 离 子 的 量 , 自然 也 就 知道 了 羟基 离子 的 量 。 因此 , 增加 溶液 中 的 羟基 离子 的 另 一 种 方法 是 减少 溶液 中 的 氢 离 子 。 然 后 可 以 根据 溶液 的 氢 离 子 浓度 确 定 溶液 的 酸 碱 性 .溶液 的 氢 离 子 浓度 愈 高 ,酸性 愈 强 .测量 溶液 的 氢 离 子 浓 度 所 用 的 标 度 是 pH， 该 标 度 (是 氨 离 子 浓度 的 负 对 数 ) 从 0 到 14,0 和 14 分 别 为 该 标 度 的 酸 和 碱 的 端点 。 中 点 pH 为 7, 表示 中 性 . 当 把 氢 离 子 加 到 溶液 里 的 时 候 , pH 下 降 ; 当 除 去 氢 离 子 (加 入 羟基 离子 ) 时 , pH 升 高 .但 是 溶液 中 有 氨基 酸 存在 时 ， 与 我 们 已 经 知道 的 一 样 , 氨基 酸 趋向 与 加 入 的 Ht+ 或 OH- 离 子 化 合 ; 当 除去 H+ 或 OH- BTN, ABABA IL pH 变 化 。 按 这 种 方式 起 作用 的 物质 称 为 缓冲 剂 , 缓冲 剂 消除 氢 离 子 或 羟基 离子 ， 起 着 pH 调节 剂 的 作用 。 这 种 调节 作用 对 于 es 30 。 平衡 精细 的 活 细胞 内 的 酸碱度 极为 重要 ,否则 ,酸碱度 的 剧烈 变化 很 容易 引起 疾病 . oh fo die 正如 氨基 酸 是 蛋白 质 的 基点 一 样 ， 另 一 组 大 分 子 一 核 酸 的 砌 块 是 由 两 种 简单 的 环 状 化 合 物 ， 即 味 叭 和 了 喀 啶 衍生 而 BRAY. fin—CH i lig Ne ScH NSC” i ial Nl HCL Pe: HC、N gH | 喀 喧 ra 最 常见 的 喀 啶 衍生 物 是 胞 喀 啶 、. 尿 喀 喧 和 胸腺 喀 啶 ,而 最 常见 的 叮 叭 衍生 物 则 是 腺 嗓 哈 和 乌 叮 吟 . 这 些 物 质 大 都 不 以 游离 状态 存在 ,而 是 与 糖 和 核糖 化 合 ， 以 化 合 物 的 状态 存在 .通常 还 有 一 个 或 多 个 磷酸 基 . 这 样 的 分 子 含 有 了 嗓 叭 或 喀 啶 ,核糖 和 磷酸 , KARR, 以 强调 它 们 在 形成 核酸 时 的 重要 地 位 ， 根据 存在 的 磷酸 基 的 数目 (要 记 住 ,我 们 已 经 指出 了 各 磷 酸 基 是 如 何 迅 速 地 转变 成 多 磷酸 基 的 ), 可 以 生成 核 背 酸 一 磷 oo —wik | Sw, SME ， N 一 CH CH 区 二 的 内 痪 和 C HCOH nr ."C | lI | HCOH Pee) wre | 腺 味 叭 核糖 w 31 。 酸 、 二 磷酸 和 三 磷酸 .我 们 原来 说 过 ,把 磷酸 基 加 到 某 一 物质 Lb, 会 提高 该 物质 的 生物 反应 活性 . 依照 这 条 规则 ; BEB, 尤其 是 它 的 三 磷酸 化 合 物 ， 是 生物 化 学 家 不 得 不 研究 的 具有 最 高 生物 反应 活性 的 物质 .在 我 们 将 要 讨论 的 所 有 化 学 物质 中 ， 没 有 什么 比 腺 背 三 磷酸 提 到 的 次 数 更 多 了 ， 以 后 将 把 它 简写 为 ATP。 © 32 。 第 三 章 大 分 F 前 面 我 们 讨论 的 小 分 子 化 合 物 ， 是 界 于 有 机 化 学 和 生物 化 学 之 间 的 化 合 物 ， 有 机 化 学 家 只 要 有 时 间 和 原料 , 从 右 旋 旋光 异 构 体 开 始 进行 合成 ， 就 能 用 传统 方法 把 其 中 绝 大 多 数 的 化 合 物 合成 出 来 ; 物理 化 学 家 能 准确 地 测定 这 些 化 合 物 的 结构 ;有 机 化 学 家 和 物理 化 学 家 都 能 肯定 ,他 们 研究 的 分 子 在 各 方面 都 与 在 活 的 有 机 体内 发 现 的 分 子 完全 相同 。 至 于 大 分 子 , 情 况 就 复杂 了 ; 若 从 头 开 始 合成 与 细胞 制造 的 完全 相同 的 蛋白 质 、 核 酸 或 糖 的 分 子 , 几 乎 是 不 可 能 的 .甚至 合成 也 总 是 要 求助 于 细胞 所 使 用 的 合成 工具 酶 *。 纯 化 和 研究 大 分 子 时 ， 不 用 人 工 合成 的 ,而 用 细胞 制造 的 , 那 要 简便 得 多 。 大 分 子 最 重要 的 东西 是 它们 都 有 一 定 的 个 性 ;比较 简单 的 分 子 就 没有 .两 个 葡萄 糖分 子 或 两 个 ATP 分 子 , 无 论 来 源 如 何 , 都 是 相同 的 ,这 和 两 个 硫酸 铜 的 分 子 或 两 个 水 分 子 相 同 的 情况 是 一 样 的 。 但 对 大 分 子 来 说 , 在 重复 单位 连接 成 的 长 链 内 , 极 敏感 部 位 的 种 类 和 排列 都 有 一 定 的 空间 位 置 ,这 足以 使 不 高 明 的 化 学 家 和 许多 传统 的 分 析 工 具 无 能 为 力 。 即 使 这 样 ;也 极 难 使 细胞 乔 错 , 细 胞 在 识别 分 子 量 高 达 数 百 万 数量 级 的 大 分 子 发 生 的 精细 变化 时 所 具有 的 准确 度 ， 与 最 好 的 计算 机 一 样 高 。 一 个 典型 例子 是 含有 约 三 百 个 氨基 酸 的 血红 蛋白 的 情况 。 当 血红 蛋白 链 中 氨基 酸 顺 序 改 变 ， 只 有 两 个 氨基 酸 彼此 互相 交换 位 置 ,就 足以 阻止 血红 蛋白 起 正常 作用 ,引起 所 * 不 过 最 近 * 完 全 不 用 酶 来 合成 小 蛋白 质 〈 激 素 胰 岛 素 ) CARAT RD. ° 33 。 ENRRABAIE. 以 后 我 们 会 遇 到 许多 类 似 的 情况 ， 因 为 这 种 结构 的 独特 性 是 有 生命 和 无 生命 的 东西 之 间 的 主要 差 别 之 一 . | 大 分 子 是 生命 的 原材料 ; 人 的 肌肉 、\ 皮 肤 和 汗毛 是 蛋白 纤 维 ; 在 皮下 ,类 脂 化 合 物 的 大 分 子 形成 了 一 层 皮 下 脂肪 层 ; 在 我 们 周围 , 树 皮 和 植物 的 茎 都 是 细 长 的 ,紧密 排列 的 糖 纤维 素 分 子 。 生 物体 的 感觉 乃 是 互相 作用 的 大 分 子 的 复杂 网 络 的 感 觉 . 化 学 家 给 这 些 大 分 子 下 了 一 个 简单 的 定义 ， 认 为 这 些 物 质 的 分 子 量 在 10,000 以 上 ， 物 理性 质 还 不 太 清 楚 , 是 由 简单 的 低 分 子 量 的 单元 聚合 而 成 (连接 成 长 链 ) 的 。 除 此 之 外 ， 化 学 家 多 半 认 为 大 分 子 不 是 他 们 研究 的 对 象 。 这 样 ; 我们 便 终 于 谈 到 了 真正 的 生物 化 学 领域 了 。 生物 化 学 家 研究 大 分 子 的 方法 有 点 特别 ;但 它们 还 宁愿 使 用 这 些 方法 , 因为 这 是 他 们 研究 出 来 的 。 因 此 ,我 们 会 逐渐 发 现 , 研究 大 分 子 不 得 不 抛弃 化 学 家 的 某 些 传统 观点 。 大 分 子 很 难说 纯 与 不 纯 , 因为 几乎 没有 纯度 标准 .. 人 们 从 活 组 织 提取 大 分 子 ， 在 这 禅 做 的 过 程 中 ， 没 法 不 打 乱 细胞 的 微妙 平 衡 ,使 其 受到 酸 \ 盐 溶液 \ 有 机 溶剂 ,离子 键 合 树脂 和 其 他 许多 化 学 物质 的 作用 .最 后 剩 下 的 物质 , 若 不 进行 水 解 * 或 氧化 之 类 的 剧烈 处 理 , 就 不 能 进一步 分 解 ,或 若 不 采用 强 引 力 场 或 强 电场 这 样 的 物理 方法 ， 就 不 能 分 解 ， 我 们 就 可 以 宣称 获得 了 “ 纯 ? 蛋 白 “ 纯 ?类 脂 化 合 物 或 任何 其 它 的 “ 纯 ? 物 质 。 我 们 可 以 青 定 地 说 ， 我 们 是 按 自 己 工 作 的 情况 说 这 些 活 物质 纯 与 不 纯 的 ;我 们 费 了 很 大 的 劲 才 分 开 的 大 分 子 间 的 相互 联系 ;也 象 纯 样 品 的 组 成 那样 ,在 细胞 内 是 十 分 重要 的 .但 是 ;特别 在 生 * 水 解 是 加 入 水 使 某 种 物质 的 分 子 分 解 。 水 解 一 般 是 把 读物 质 醒 血 酸 或 希 碱 溶液 加 热 来 实现 。 ee 34 。 oem 物化 学 的 初期 ,不 这 样 做 是 不 行 的 ， 别 无 他 法 . 在 提出 细胞 是 如 何 起 作用 的 问题 之 前 ， 一 定 要 先知 道 细胞 是 由 什么 组 成 ， RY. AUG, RMR AK D F WIE AD FD RAF BK 分 析 它 们 ， 研 究 它 们 的 结构 ， 画 出 各 单元 连接 的 顺序 .到 这 里 ,生物 化 学 的 分 析 工 作 可 以 说 完成 了 . 最 后 ,我 们 再 把 这 个 大 分 子 放 回 到 它 原 来 所 在 的 细胞 里 ， 设 法 描述 该 分 子 在 特定 . 的 生物 环境 下 , 会 有 什么 性 状 和 为 什么 会 有 那样 的 性 状 。 这 样 ,我 们 就 进入 了 另 一 个 研究 阶段 . lm 类 (HR) 大 们 很 早 就 知道 了 己 糖 类 的 葡萄 糖 和 果糖 可 以 借助 于 配 将 键 结合 ,生成 的 分 子 含 两 个 将 单位 , 称 为 二 糖 ， 配 糖 键 是 通 过 一 个 糖 单位 的 第 一 号 碳 原子 和 另 一 个 糖 单位 的 第 二 、 第 三 : 第 四 或 第 关 号 碳 原 子 形成 的 。 生成 的 二 糖 , 在 第 二 个 糖 单位 留 下 了 一 个 自由 的 矶 原子 , 它 是 1 SRF, Old: CH,OH CHOH eae O OH 因此 还 有 可 能 再 形成 配 糖 键 : CH,OH | CH,OH CH,OH 这 个 过 程 能 无 限 地 重复 进行 下 去 . 三 个 糖 单位 连 成 一 串 组 成 三 糖 ,由 多 于 三 个 糖 单位 组 成 的 聚合 物 称 为 低 聚 糖 ? 由 许多 糖 e 35 e 单位 (这 时 所 说 的 许多 是 指 多 于 十 个 ) 组 成 的 聚合 物 称 为 多 糖 . 在 配 糖 键 形成 的 过 程 中 , 由 于 每 个 糖分 子 丢失 一 个 水 分 子 , 因 此 多 糖 的 通 式 为 〈CeHioO;)。。 典型 的 多 糖 , 如 淀粉 , a 可 以 达到 几 百 , 至 于 纤维 素 ，a 可 以 是 300 到 2500 SIRE 何 一 个 数字 ， 多 糖 广 泛 地 分 布 在 动 \ 植 物体 中 , 它 既 是 结构 物质 《例如 纤维 素 )， 又 是 贮存 食物 的 化 合 物 〈 例 如 淀粉 、 糖 原 )。 随 着 糖 链 中 糖 单位 数目 的 增多 ,多糖 的 物理 性 质 也 随 着 改变 .. Be 和 二 糖 ,例如 葡萄 糖 和 蔗糖 ,是 水 溶性 的 ,有 甜 味 ; 随 着 分 子 量 的 增加 ,溶解度 降低 .味道 也 变 了 一 一 淀粉 的 味道 与 糖 是 完 AI. 但 是 , 链 长 到 一 定 程 度 , 再 多 多 少 个 糖 单位 ,似乎 性 质 上 的 差异 也 不 再 增 大 了 . 就 是 增加 或 减少 十 个 ` 二 十 个 、 其 至 一 百 个 糖 单位 , 好 象 几乎 不 改变 其 分 子 的 性 质 . 任何 时 候 也 不 能 说 “这 ”就 是 某 多 糖 的 分 子 量 ; 一 把 淀粉 是 由 许多 各 种 不 同 长 度 的 链 组 成 的 ， 得 到 的 最 准确 的 分 子 量 也 是 一 个 平均 值 ,甚至 这 个 值 也 由 于 样品 来 源 和 纯化 方法 不 同 而 不 同 . 显然 ,在 多 糖 链 内 , 变化 的 范围 是 相当 大 的 . 例如 , 除 链 内 的 单位 数 可 以 改变 之 外 ， 多 糖 链 内 还 可 以 有 其 它 的 改变 : C1) 改变 任何 一 个 或 者 所 有 的 糖 单位 (例如 半 乳 糖 可 以 代替 葡萄 糖 ). (2) 改变 任何 一 个 或 所 有 的 糖 单位 之 间 的 连接 点 《例如 第 一 号 碳 原 子 到 第 六 号 碳 原 子 都 可 以 代替 第 四 号 碳 原子 ， 作 为 连接 点 )。 (3) 一 个 糖 单位 的 第 一 号 碳 原 子 连 接 到 已 经 是 糖 链 一 部 分 的 葡萄 糖 的 一 个 碳 原 子 上 , 这 就 有 可 能 生成 支 链 。 这 样 的 支 链 可 以 是 一 个 单位 长 ,也 可 以 是 几 个 单位 长 ; 支 链 本 身 还 可 以 再 分 支 , 象 树 校 的 分 支 一 样 [图 2 (a)]. 就 糖 的 分 子 来 看 , 当 它 由 1000 个 单位 组 成 时 , 任何 一 个 e 36 。 单位 都 可 以 是 十 六 种 不 同 的 已 糖 异 构 体 之 一 《这 是 仅 就 已 糖 来 说 的 ， 更 不 必 说 还 可 能 (a) 糖 单位 排列 的 几 种 方式 是 成 糖 呢 ) ,每 个 单位 与 邻 近 的 单位 又 可 能 以 五 种 方 六 式 相连 接 ， 每 种 方式 又 都 有 一 对 应 异 构 体 ， 面 对 异 构 体 数目 这 样 大 的 分 子 ， 我 们 千 万 不 要 失掉 信心 ， 因为 尽管 由 这 种 变化 引起 〈b) 纤维 素 中 直 链 长 分 子 并 排 排列 的 可 能 的 异 构 体 数 目 相当 rs BET gps Tarn Sele 大 ， 可 以 比 取样 管内 各 种 ez 分 子 的 平均 数 大 好 多 ， 但 (c) 赛 璐 荔 中 杂乱 存在 的 直 链 长 分 子 是 看 来 实际 上 存在 的 异 构 体 只 是 一 个 比较 小 的 数 SY 目 , 甚 至 在 这 些 化 合 物 中 ， 天 然 存 在 的 更 少 ， 一 些 次 A 要 的 变化 对 最 终 产 物 状态 的 影响 并 不 十 分 重要 ， 在 SEA TN 二 wind Seen | 结构 时 ， 完 全 可 以 忽略 不 th. 幸运 的 是 ,虽然 这 样 ， 研究 其 结构 确实 还 有 十 分 好 的 方法 . 约 25 个 单位 第 一 步 显 然 是 测定 实 际 存在 的 单 糖 中 的 糖 , 这 可 以 用 水 解 多 糖 的 方法 进 2 糖 类 分 子 行 ,这 是 十 分 容易 的 (通常 需要 很 浓 的 盐酸 或 硫酸 )， 水 解 时 ， 糖 单位 间 所 有 的 配 糖 键 断裂 ， 同时 释放 出 组 成 的 糖 ， 然 后 分 ° 37 e 离 ， 鉴 定 . 如 果 只 有 一 种 糖 就 好 了 ( 当 多 糖 是 所 谓 的 单 多 糖 时 ,情况 就 是 这 样 )， 那 就 几乎 达到 了 目的 ， 王 爆 一 下 就 可 以 了 .- 如 果 存 在 着 两 种 或 多 种 糖 ， 就 必须 和 弄 清楚 糖 与 糖 之 间 连 接 的 详细 情况 。 幸而 各 种 糖 相连 , 其 顺序 都 是 一 种 简单 的 重 复 ,， 例 如 葡萄 糖 和 半 乳 糖 单 位 交替 相连 . 各 种 连接 顺序 可 以 通过 改变 水 解 的 操作 方法 ,用 较 温 和 的 条 件 、 较 短 的 水 解 时间 来 测定 .在 这 样 的 条 件 下 ,多 糖 链 不 完全 断裂 到 单 糖 ,而 只 是 部 分 水 解 成 许多 小 碎片 , 每 个 碎片 含有 几 个 糖 单位 . 正如 同 全 水 解 产物 一 样 , 然后 对 各 种 碎 记 加 以 分 离 ， 再 测定 其 结构 假设 原 多 糖 含 等 比例 的 葡萄 糖 和 半 乳 糖 ， 这 个 链 断 多 成 的 多 种 低 聚 糖 可 能 有 : gluc-gluc, gluc-gluc-gluc, gluc-gluc-gluc-gluc 和 gluc-gluc-gluc-gluc-gal, (其 中 glue A wR, gal 为 半 乳 糖 残 基 ， 下 同 ). 还 可 能 A: gal-gal, gal-gal-gal 和 gluc-gal-gal, litt Tay DA 3 ae el HE ARS EY i es 组 成 的 ,在 这 两 种 链 彼此 连接 处 有 葡萄 糖 和 半 乳 糖 的 分 支点 . 另 一 种 情况 是 ,如 果 水 解 产物 是 碎片 : gluc-gal-gluc， gal-gluc-gal, gal-gluc-gal-gluc 等 等 ， 显然 ;所 研究 的 多 糖 链 中 ， WEARER Ze HY. ee 38 e 在 研究 这 种 互相 交替 连接 的 较 复 杂 的 结构 型 式 时 ， 生 物 化 学 家 找到 了 一 些 专 一 的 酶 ， 这 些 酶 能 水 解 一 些 糖 残 基 间 的 键 ,而 对 另 一 些 糖 残 基 间 的 键 就 不 能 水 解 . 可 是 ,所 有 这 类 方 法 ,最 后 都 必须 解决 将 碎片 缀 合 在 一 起 ,其 位 置 怎样 才 准 确 这 一 复杂 的 难题 。 看 来 最 可 能 的 一 种 方法 是 使 用 计算 机 求解 ， 最 近 曾 将 一 种 与 此 类 似 的 方法 用 于 测定 蛋白 质 的 结构 . 要 测 出 多 糖 的 结构 型 式 ， 需 要 知道 糖 的 分 子 量 . MRA 道 链 长 和 分 支点 的 数目 ， 用 化 学 方法 可 以 获得 一 些 有 关 的 资 料 , 然而 一 些 物理 方法 通常 是 必 不 可 少 的 。 这 些 物 理 方法 包 括 测 定 分 子 的 沉降 速度 ， 即 糖分 子 在 离心 试管 内 受 超速 离心 机 的 强 离心 力 的 作用 沉降 到 管 底 的 沉降 速度 〈 最 新 式 的 离心 机 能 产生 比重 量 高 300,000 倍 的 离心 力 场 ); 测定 多 糖 溶液 的 粘 清 性 和 疹 透 压 ; 测 定 多 糖 的 和 射线 衍 射 图 , 即 和 射线 穿 透 被 测 物 质 的 晶体 时 ,在 光敏 板 上 形成 的 衍射 图 象 , 这 个 过 程 称 为 X 射线 衍射 . 使 用 这 些 技术 现 已 提供 了 许多 了 解 多 糖 组 成 的 基础 次 料 ,， 随 着 越 来 越 多 的 植物 、 细 菌 和 动物 的 组 织 被 分 析 研 究 , 一 些 新 的 至 今 未 知 的 多 糖 正在 不 断 地 被 发 现 ， 其 中 许多 多 糖 的 糖 单位 和 支 链 连接 的 型 式 是 非常 复杂 的 . 但 是 最 常见 的 多 糖 ， 结 构 很 简单 ， 其 中 来 自 植 物 源 的 有 二 种 一 一 纤维 素 和 淀 粉 ; 来 自动 物 源 的 有 一 种 一 一 糖 原 .。 纤维 素 天 然 纤维 可 以 说 基本 上 是 由 纤维 素 构 成 的 .棉花 亚麻、 木材 、 纸 , 甚至 人 造 丝 全 都 是 由 纤维 素 构 成 的 , 特别 是 棉 属 植 物 的 毛 , 百 分 之 九 十 以 上 是 纯 纤 维 素 . 在 世界 上 ,纤维 素 比 任 何其 他 有 机 化 合 物 都 多 ,因为 它 构成 了 植物 4 和 某 些 细菌 ) 结 MANA. ree © 39 。 is ope Br on ee 一 > 水 解 纤维 素 除 了 得 到 葡萄 糖 外 什么 也 没有 .部 分 水 解 生 成 葡萄 糖 1-4 连接 的 二 糖 和 三 糖 . 因此 , 纤维 素 是 由 1-4 连 接 的 葡萄 糖 单位 直 链 组 成 的 .分子量 的 测定 值 是 50;000 到 400,000， 这 意味 着 每 个 分 子 的 葡萄 糖 残 基 在 300 到 2500 个 之 间 . 以 天 然 纤 维 的 形式 存在 的 纤维 素 ， 其 价值 恰恰 在 于 它 的 葡 芍 糖 链 是 长 的 直 链 . 这些 长 的 直 链 能 顺 着 同一 方向 捆扎 在 一 起 ,形成 结晶 型 的 纤维 丝 , 它 比 同样 直径 的 高 级 钢丝 的 强度 AK. 长 的 纤维 丝 是 由 同一 取向 的 纤维 素 分 子 束 组 成 的 , 单 独 的 分 子 束 称 为 胶 束 .每 个 胶 束 从 纤维 素 纤维 的 电子 显微镜 照片 上 很 容易 看 到 . 结晶 学 学 者 利用 测定 胶 束 大 小 的 方法 ， 已 经 能 推断 出 大 量 的 有 关 纤 维 素 的 纤维 分 子 的 内 部 构 型 。 从 生物 化 学 家 的 观点 看 ,虽然 对 天 然 结 构 感 兴趣 ,但 更 加 感 兴趣 的 还 是 纤维 的 强度 ， 因 为 就 是 这 种 高 强度 使 纤维 素 构成 了 植 物 细胞 的 骨架 当 分 子 的 一 致 取向 丧失 时 , 胶 束 被 搅乱 ,因而 有 许多 不 同 取向 ,纤维 就 丧失 了 它 的 强度 ;这 种 分 子 取向 非 一 致 的 纤维 ,在 工业 上 用 来 制造 赛 璐 表 [图 2(c)]. 除了 纤维 素 外 ， 其 他 许多 多 糖 都 有 助 于 维持 植物 结构 . 形成 木材 许多 典型 性 质 的 阿拉 伯 聚 糖 和 木 聚 糖 ， 是 由 成 糖 中 的 阿拉 伯 糖 和 木 糖 构成 的 ; 而 果 胶 则 是 在 植物 果实 中 发 现 的 ， 用 来 做 食用 凝 胶 , 它 是 由 半 乳 糖 、 阿 拉 伯 糖 和 糖 酸 半 乳糖 醛 酸 的 高 分 支 链 形成 的 . 淀粉 淀粉 具有 多 糖 类 的 特征 ,作为 养料 贮存 在 植物 体内 ,贮存 ”的 器 官 如 块 蕉 .果实 和 种 子 , 含有 高 达 百 分 之 七 十 的 淀粉 ; 需 要 食物 时 ,淀粉 又 能 分 解 成 葡萄 糖 . 跟 纤 维 素 不 同 , 淀 粉 是 粒 - 状 物 , 毫 无 晶体 结构 ,但 它 也 是 由 葡萄 糖 单位 通过 1-4 链 连 接 ° 40 e (不 过 与 纤维 素 链 中 连接 的 异 构 形式 稍 有 不 同 ) 而 成 的 ， 淀 粉 是 两 种 多 糖 的 混合 物 : 一 种 是 直 链 的 ， 叫 作 直 链 淀 粉 ， 大 约 250 一 300 葡萄 糖 单位 长 ; 另 一 种 是 支 链 的 ， 叫 作 支 链 淀粉 ， 它 的 链 是 由 1-4 直 链 以 1-6 作 分 支点 与 支 链 连 接 在 一 起 构成 的 , 每 个 支 链 有 25 个 左右 的 葡萄 糖 单位 , 当 把 生成 的 分 子 画 出 来 时 , 看 上 去 比 什 么 东西 都 象 研 豆 丛 [图 2(d)]. 这 是 淀粉 和 纤维 素 的 主要 差别 . REBT, 支 链 淀粉 构成 了 淀粉 的 百 分 之 所 十 到 八 十 左右 。 用 热 有 机 溶剂 溶解 支 链 , 使 直 链 沉淀 的 方法 , 很 容易 把 这 两 种 链 分 离开 .淀粉 形成 浆 糊 的 能 力 取 决 于 高 度 分 支 的 支 链 淀粉 . 虽然 淀粉 是 最 普通 的 贮藏 多 糖 ， 有 时 也 会 发 现 贮藏 有 果 糖 的 聚合 物 ,例如 在 菊 芋 和 芦笋 中 就 有 果糖 的 聚合 物 , 有 果糖 聚合 物 可 能 是 这 些 蔬菜 的 味道 相当 别致 的 原因 ， eR 动物 体 贮藏 的 多 糖 主要 是 糖 原 , 多 贮存 在 肝 胜 和 肌肉 内 . 糖 原 是 葡萄 糖 的 聚合 物 ， 类 似 于 支 链 淀粉 ， 但 是 分 支 程度 更 高 , 沿 链 每 12 一 18 个 葡萄 糖 单位 就 有 一 个 分 支点 .也 存在 其 他 非常 复杂 的 动物 多 糖 ,专门 用 来 作 粘 液 或 润滑 液 ,如 鼻子 或 关节 的 粘液 和 润滑 液 ， 其 中 最 常见 的 是 透明 质 酸 和 硫酸 软骨 素 酯 , 常常 发 现 它们 与 脂 类 或 蛋白 质 的 分 子 结合 在 一 起 . 一 般 说 来 ,虽然 这 样 ,但 是 多 糖 在 动物 体内 所 起 的 生物 化 学 作用 ， 却 不 如 在 植物 体内 的 作用 重要 . 多 糖 在 植物 结构 上 的 巨大 作用 ,在 动物 体内 被 脂 类 和 和 蛋白 质 代 替 了 ; 脂 类 和 蛋白 质 的 物理 变性 和 化 学 变性 的 可 能 性 ,要 比 糖 的 聚合 物 大 , 因此 能 使 动物 更 灵活 ,适应 性 更 强 。 动 物 只 有 昆虫 和 节肢 动物 ( 例 如 翅 ) 利 用 多 糖 作为 结构 组 分 ,它们 都 用 硬 而 脆 的 壳 多 糖 组 成 所 谓 的 外 骨骼 ， 人 恰恰 是 外 骨骼 使 昆虫 有 了 明显 的 大 小 限制 e 41 。 至 少 对 动物 来 说 ,依赖 多 糖 骨骼 是 没有 前 途 的 . i fe & 在 第 二 章 开 头 , 我 们 讲 了 一 个 实验 ,该 实验 是 将 组 织 切片 “ 和 冷 酸 一 起 磨 碎 , AaB. 不 溶性 残 复 主要 是 由 大 分 子 组 成 的 ， 如果 这 些 不 溶性 残 瘟 现在 用 有 机 溶剂 如 乙醚 、 乙 醇 \ 丙 酮 或 氯仿 等 提取 的 话 , 则 其 中 大 部 分 被 溶解 ,形成 略 带 黄色 的 溶液 .溶解 物 是 细胞 的 全 部 脂 类 , 脂 类 是 生物 化 学 家 对 通称 为 脂肪 类 物质 的 叫 法 ， 这 是 以 其 中 了 解 得 最 清楚 的 一 种 物质 的 名 字 起 名 的 . 脂 类 有 各 种 各 样 的 类 型 , 除了 不 溶 于 水 而 溶 于 有 机 溶剂 的 性 质 外 ,几乎 没有 什么 共性 . 脂 类 的 定义 是 根据 操作 情况 下 的 ， 这 点 比 迄 今 遇 到 的 任 何 定义 都 明显 . 它 除 包括 脂肪 外 ,还 包括 油 类 、 蜡 类 、 和 磷脂 类 及 其 衍生 物 ， 以 及 属于 省 类 的 在 结构 上 与 其 余 各 类 脂 化 合 物 完全 不 同 的 一 大 批 化 合 物 . 虽然 不 能 说 所 有 的 脂 类 都 是 酯 ， 但 是 绝 大 多 数 的 脂 类 都 是 由 醇和 有 机 酸化 合生 成 的 酯 。 酯 键 ， 是 按 下 面 的 反应 式 形 成 的 : R. COOH 十 R .OH == R= COOR’ + H,O | 其 中 R 和 R’ 表示 任何 一 个 有 机 基 团 。 脂肪 类 和 油 类 典型 的 脂肪 是 一 种 十 六 个 或 十 八 个 碳 原子 长 的 直 链 脂肪 酸 与 甘油 的 化 合 物 . 甘油 是 一 种 甜 的 \ 粘 稠 的 液体 ,含有 三 个 Bt. 油 与 脂肪 的 不 同 只 在 于 油 在 常温 下 是 液体 , 也 就 是 说 油 是 低 烷 点 的 脂肪 . 典型 脂肪 的 分 子 式 为 : CH,OOCR CHOOCR’ | CH,OOCR” e 42 « HOR R’.R” 不 一 定 都 是 相同 的 ， 这 个 通 式 有 许多 种 可 能 的 变型 。 但 是 , 实际 上 百 分 之 八 十 以 上 的 脂肪 含有 下 述 三 种 酸 中 的 一 种 或 多 种 : 软 脂 酸 [CH;(CH,),,COOH] 硬 脂 酸 [CH;(CH,),¢COOH ] 油 酸 [CH;(CH,)7,CH = CHCCH2)7COOH ] 这 三 种 酸 都 是 简单 的 直 链 酸 ; 油 酸 与 其 他 两 种 酸 不 同 , 它 有 双 键 ( 见 表 1). 脂肪 就 是 根据 所 含有 的 酸 而 命名 的 , 因此 三 硬 脂 酸 甘油 脂 就 含有 三 个 硬 脂 酸 ; 如 果 脂 肪 含有 一 个 油 酸 和 二 个 软 脂 酸 ,这 个 脂肪 就 是 二 软 脂 酸 油 酸 甘 油 酯 . 大 们 还 会 发 现 , 在 天 然 存 在 的 脂肪 中 ;有 许多 种 化 合 物 混 合 在 一 起 ,虽然 混合 的 具体 比例 取决 于 脂肪 的 来 源 , 但 并 不 是 完全 任意 的 .然而 有 些 混合 比例 较为 常见 . 在 植物 体 中 , 多 半 都 是 带 双 键 的 酸 , 如 油 酸 ; 柑 榄 油 几 乎 是 纯 的 三 油 酸 甘油 酯 (植物 体内 较 独 特 的 酸 的 比例 要 比 动物 体内 的 高 ). 另 一 方 面 , 在 动物 体内 , 单 键 的 酸 却 是 很 常见 的 . 由 于 脂肪 的 熔点 直接 与 组 成 它 的 酸 中 存在 的 双 键 数 有 关 〈 双 键 越 多 ,熔点 越 低 ), 植物 脂肪 在 常温 下 多 半 都 是 液体 , A 此 称 为 油 ， 如 果 油 的 双 键 氢化 而 饱和 ，, 便 发 生 固化 (硬化 ), 这 就 是 在 生产 人 造 黄油 中 用 氢 还 原 植 物 油 所 使 用 的 操作 方法 . 相反 ,暴露 于 空气 中 的 脂肪 将 沿 脂肪 酸 链 氧化 ,形成 双 键 而 液 化 ,常见 的 奶油 变 哈 喇 , 就 是 这 一 复杂 过 程 的 第 一 步 。 奶油 是 一 些 动物 脂肪 的 混合 物 , 变 哈喇 是 某 些 酯 不 断 进行 缓慢 水 解 ， 同时 释放 游离 酸 的 过 程 , 其 中 有 带 腐 臭 气味 的 丁 酸 . ABD 时 另 一 种 常见 的 臭 味 是 甘油 的 热 解 产物 丙烯 醛 所 产生 的 脂肪 类 的 主要 功能 ,与 多 糖 中 的 糖 原 和 淀粉 一 样 ,是 起 食 物 仓库 的 作用 . 动物 吸收 的 多 余 食 物 将 以 脂肪 (动物 脂肪 ) 组 织 的 形式 贮存 起 来 , 以 备 不 时 之 需 。 皮下 脂肪 层 还 可 作为 热 ¢° 43 3 BY ae 1K BA IE LARA LB ER SERIA a EWAT, FARA-BORAMGAN. 蜡 类 是 脂 类 中 的 旨 , 这 种 酯 的 酸 和 醇 有 很 长 的 链 , 比 脂肪 的 链 还 要 长 ， BRE 体 表 起 保护 作用 ,例如 它 可 以 阻止 昆虫 、 tee acer 水 份 . 磷脂 另 一 些 较 重 要 的 脂 是 含 磷 的 脂 . 这 些 化 合 物 在 结构 上 比 脂肪 简单 ， 通 常 以 称 为 脂 蛋 白 的 复合 体 存在 于 与 蛋白 质 和 其 他 非 脂 物质 有 密切 关系 的 组 织 内 。 磷脂 事实 上 只 有 溶解 于 有 机 溶剂 才能 与 搭配 的 蛋白 质 分 开 。 与 脂肪 一 样 ， 磷 脂 是 甘油 的 衍生 物 , 只 不 过 甘油 的 二 个 羟 基 被 脂肪 酸 酯 化 (这 里 的 脂肪 酸 与 在 脂肪 中 见 到 的 类 似 ) ,而 第 三 个 羟基 却 是 通过 磷酸 与 含 氮 的 化 合 物化 合 ,例如 与 氨基 酸化 合 . 磷脂 的 功能 与 脂肪 完全 不 同 , 它 们 与 食物 贮存 根本 无 关 ， 而 结构 却 跟 植 物 多 糖 中 的 纤维 素 一 样 . 有 时 在 整个 器 官 的 组 织 内 都 含有 磷脂 ,例如 在 脑 内 ,许多 磷脂 都 已 经 从 脑 分 离 出 来 了 . 它们 极其 重要 的 功能 是 作为 各 个 神经 的 绝缘 体 . EMD 的 动物 细胞 里 ,磷脂 却 构成 支架 ,其 他 的 一 切 都 是 建造 在 其 上 HW. 如 果 把 细胞 比 做 办 公 室 或 工厂 , 蛋白 质 就 是 这 个 工厂 里 的 机 器 , 糖 是 电源 ,磷脂 是 墙壁 天花板 ` 地 板书 桌 和 工作 x Cle 省 类 化 合 物 省 类 化 合 物 ， 虽 然 只 是 由 于 能 溶解 于 有 机 溶剂 而 包括 在 站 类 里 ， 但 这 一 类 物质 在 结构 上 和 组 成 上 与 脂肪 和 磷脂 都 完 SAR. 这 一 类 化 合 物 的 基本 结构 都 是 由 17 个 碳 原子 连 成 的 四 个 相 并 的 碳 环 , 彼 此 只 稍 有 不 同 : e 44 。 胆固醇 就 是 一 个 典型 的 省 类 化 合 物 , 它 含有 二 十 七 个 碳 原子 ， 在 省 核 碳 原子 3 处 有 一 羟基 : 2CH; CH, * nm ®CH.CH,.CH,.CH,.CH CH, 22 au 24 * CH,” 1" CH, HO 由 胆 男 醇 还 可 衍生 出 其 他 省 类 化 合 物 ,包括 一 些 维生素 (例如 维生素 D), 若干 药物 和 毒物 ,起 消化 作用 的 胆 半 酸 和 许多 激 素 , 尤 其 是 性 激素 . 胆固醇 的 一 些 衍 生物 在 血 流 中 循环 , 它 还 是 动脉 和 静脉 管 壁 的 组 成 部 分 . 人 们 普遍 认为 ， 人 体内 的 胆 固 醇 紊乱 与 动脉 疾病 有 关 ，, 例 如 与 冠状 动脉 血栓 形成 有 关 。 II 和 蛋白质 类 大 体 的 组 织 与 冷 稀 酸 一 起 研 碎 ， 一 经 用 有 机 溶剂 提取 出 脂 类 后 ， 实 际 剩 余 的 全 部 不 溶性 残 得 都 是 蛋 晶 质 和 核 蛋 白 . 蛋白 质 这 一 名 称 EGR (Mulder) 根据 化 学 家 柏 济 力 阿 斯 的 建议 在 1838 年 提出 的 ,用 以 指 他 在 动 植物 物质 中 发 现 的 一 类 含 氮 的 化 合 物 ， 蛋 日 质 一 词 来 源 于 希腊 语 , 原 意 指 ` 最 早 的 东西 ， 这 个 词 选择 得 很 好 , 因为 绝 大 多 数 的 生命 都 与 蛋白 质 的 活性 有 关 ; 细 胞 的 能 量 首先 主要 用 于 制造 蛋 白 质 , 然 后 再 用 。45 。 它们 进行 大 量 的 各 种 不 同 的 工作 。 事实 上 ，, 蛋白 质 是 如 此 重 要 ,甚至 使 人 们 难以 决定 是 蛋白 质 的 发 展 要 适应 生命 的 要 求 ， 还 是 生命 的 进化 要 符合 蛋白 质 的 要 求 . 蛋白 质 到 底 是 什么 ? 它们 是 一 些 大 分 子 , 水 解 后 除了 得 到 氨基 酸 的 混合 物 外 ,实际 上 什么 也 没有 . 在 蛋白 质 中 , 氨基 酸 是 由 肽 键 连接 的 .。 肤 键 是 由 一 个 所 基 酸 的 氨基 连接 到 第 二 个 氨基 酸 的 羧基 上 形成 的 ， 下 面 是 甘 氮 酸 和 两 氮 酸 之 间 形 成 肽 键 的 反应 式 : H H, oe i ions, a 4 | “oH HZ YS ee -甘氨酸 AAR HEME ARM +k 所 以 , 肽 键 就 是 两 个 氨基 酸 之 间 形 成 的 键 ， if ++ CEN GS 4 On: 再 生成 的 分 子 就 叫做 肽 .在 这 个 反应 式 里 ， 由 于 分 子 内 有 两 个 氨基 酸 残 基 , 所 以 更 确切 地 规定 为 : Belk, Ex 下 , 应 该 叫做 甘 氨 酰 替 丙 氨 酸 二 肽 . 这 两 个 氨基 酸 连 接 成 肽 键 后 还 剩 下 甘氨酸 的 一 个 自由 的 氨基 -NH: 和 丙 氨 酸 的 一 个 自由 的 羧基 -COOH， KH, 这 两 个 基 团 以 后 还 可 以 跟 其 他 的 氨基 酸 形成 肽 键 ， 例 如 跟 丝 氨 酸 进行 下 面 的 两 个 反应 中 的 任 何 一 个 : 甘 氨 酰 替 丙 氨 酸 十 丝氨酸 一 > 甘 氨 酰 替 丙 氨 酰 替 丝 氨 酸 十 H:O (1) 丝氨酸 十 甘 氨 酰 替 丙 氨 酸 一 > WARE HAMBEA AG +H,0 (2) KATSKSKM SABRE, HENEAADARKE © 46 e eae LL a —~~=~°~°=~———— 物 ， 有 不 同 的 物理 性 质 和 化 学 性 质 . 而 且 , 对 一 个 三 肽 来 说 ， 还 可 能 有 六 个 不 同 的 异 构 体 ,其 中 的 两 个 前 面 已 经 讲 了 ,还 有 丙 氮 酰 替 丝 氨 酰 替 甘 氨 酸 , 丙 氨 酰 替 甘 氨 酰 蔡 丝氨酸 , 丝 氮 酰 蔡 两 氮 酰 替 甘 氨 酸 和 甘 氮 酰 替 丝 氮 酰 蔡琴 氮 酸 ， 这 些 氮 基 酸 的 名 称 很 烦琐 ， 以 后 我 们 把 它 缩写 成 氨基 酸 表 中 所 示 的 标准 的 简称 ,从 这 些 分 子 式 看 ,显然 每 个 肽 含有 一 个 N 末 端 和 一 个 C Abin KA HEED FS RUN Aiwa aN. 这 类 肽 可 以 经 一 些 相当 烦琐 的 有 机 合成 途径 来 制备 一 一 在 本 世纪 初 , 费 舍 合 成 了 含 18 个 氨基 酸 残 基 的 十 八 肽 ,取得 了 显著 的 成 就 ,其 后 只 有 阿布 德 电 尔 顿 《Abderhalden) 和 福 德 尔 (Foderr) 两 人 超过 了 费 舍 , 合成 了 含 19 个 氮 基 酸 残 基 的 十 九 KK. 但 是 , 当 人 们 面 对 着 天 然 存在 的 多 肽 链 (每 个 链 含 有 几 百 个 所 基 酸 ) 的 时 候 , 这 些 成 就 尽管 是 一 些 最 卓越 的 有 机 化 学 家 多 年 研究 的 成 果 , 也 会 显得 黯然 失色 . 这 类 多 肽 通称 为 蛋白 质 ; 长 链 多 肽 与 短 链 的 蛋白 质 之 间 的 差别 纯粹 是 字面 上 的 不 同 , 只 有 几 个 氨基 酸 的 肽 (通常 二 个 或 三 个 ) 在 细胞 里 确实 存 在 , 某 些 肽 激素 有 八 个 到 十 个 氮 基 酸 . 但 是 ,生物 化 学 家 关心 的 主要 是 多 肽 蛋白 质 . py 我 们 认为 ,对 于 三 肽 来 说 ,有 六 个 异 构 体 是 可 能 的 .但 是 随 氨 基 酸 数目 的 增加 ,可 能 的 异 构 体 数目 是 非常 大 的 。 辛 格 (Synge) 曾经 计算 过 ,一 个 大 小 比较 适中 的 蛋白 质 , 分 子 量 为 34,000, 有 288 +R, AMAA REY 20 种 中 的 12 种 不 同 的 氨基 酸 构成 ,那么 这 种 蛋白 质 的 异 构 体 的 数目 就 达 102 个 ; 每 个 异 构 体 只 要 有 一 个 分 子 , 那 总 质量 就 有 10" 克 。 由 于 地 球 的 重量 才 10” 克 , 所 以 很 显然 ,这 些 异 构 体 中 只 有 极 小 部 分 是 存在 的 .即使 如 此 ,这 一 小 部 分 蛋白 质 的 数目 也 大 得 惊人 . 现在 差不多 已 经 提纯 了 几 百 种 了 ， 任 何 一 个 活 的 生物 体 所 具 有 的 理化 性 质 不 同 的 蛋白 质 总 数 , 很 可 能 达 数 千 种 之 多 ,同时 se 47 « 还 有 大 量 的 资料 证 明 ,甚至 各 物种 的 表面 上 类 似 的 蛋白 质 , 在 结构 上 和 氨基 酸 的 组 成 上 也 不 完全 相同 . Ait, 在 地 球 上 的 生命 范围 内 ,一 定 有 几 百 万 种 不 同 的 蛋白 质 . 然而 在 这 里 ,我 们 碰 到 了 蛋白 质 生 物化 学 中 的 主要 难题 ， 即 如 何 准 确 地 解释 我 们 所 指 的 独特 的 蛋白 质 结构 : 假定 每 一 种 具有 确定 氨基 酸 顺 序 的 多 肽 链 就 是 一 种 蛋白 质 ， 并 且 任 何 链 只 要 改变 其 中 一 个 氨基 酸 或 一 个 氨基 酸 的 位 置 ， 就 成 了 一 种 不 同 的 链 了 (我们 早 就 说 过 ， 镰 状 细胞 贫 备 的 确诊 资料 表 明 , 实 际 情况 确 是 如 此 ), 那 我 们 如 何 区 别 各 种 蛋白 质 链 ,又 如 何 获得 纯 的 蛋白 质 呢 ? 蛋白 质 的 种 数 比 我 们 讨论 过 的 另外 两 种 大 分 子 都 多 ,答案 取决 于 设计 的 专用 工具 ,这 些 工具 要 能 处 理 精 细 \ 灵 敏 的 蛋白 质 链 ,而 又 能 在 提纯 过 程 不 破坏 蛋白 质 ， 这 些 分 析 工具 正在 不 断 地 向 前 发 展 ; 新 的 分 析 技 术 正 不 断 地 揭示 :， 一 度 认 为 是 纯 的 蛋白 质 , 实际 上 是 由 几 种 不 同 的 组 份 组 成 的 ,蛋白 质 纯 度 的 确定 ,几乎 每 经 十 年 甚至 每 经 一 年 都 要 改变 .最 简单 的 第 一 步 是 把 蛋白 质 按照 溶解 性 的 不 同 进 GDR: 有 的 溶 于 纯 水 ,有 的 溶 于 各 种 盐 溶 液 ; 有 少数 根本 不 A. 于是， 早期 文献 完全 以 “ 白 蛋白 ”( 易 溶 于 水 状 “ 球 蛋 自 ” (可 深 于 稀 盐 溶液 , 但 不 溶 于 水 )“ 谷 蛋白 ”( 可 溶 于 稀 酸 和 碱 溶液 )“ 醇 深谷 蛋白 ”( 可 溶 于 70% HCE) ABER" 际 不 溶 于 任何 溶剂 ) 为 基准 进行 分 类 . 这 种 分 类 不 是 没有 意 义 的 ,因为 各 类 之 间 深 解 性 的 差别 ,在 一 定 程度 土 反映 了 基本 结构 的 某 些 差别 ， 但 是 这 种 分 类 所 指出 的 相似 点 也 有 可 能 不 存在 . 现今 纯化 大 多 数 可 溶性 蛋白 质 已 有 了 一 套 通 用 的 方法 ， 尚 算 简单 . 首先 需要 有 一 些 能 辨认 你 要 进行 纯化 的 具体 蛋白 ROK. 若 蛋白 质 是 一 种 酶 , 那 是 很 容易 的 ,因为 它 能 催化 某 一 特定 的 反应 ,而 别 的 蛋白 质 都 不 能 催化 这 个 反应 ,因此 其 e 48 。 HEARERS heEX MR RERUN. 凡是 不 含有 能 催化 这 个 反应 的 蛋白 质 的 部 分 就 不 含有 这 种 酶 . 同样 , 蛋 白质 若是 含有 与 其 结合 得 很 牢固 的 重金 属 离子 如 铁 离 子 ( 金 - BEA). 那 它 也 可 以 被 示 踪 原子 标记 ; 其 他 能 被 标记 的 基 团 . 有 磷 蛋 白 的 磷酸 和 粘 蛋白 的 糖 . 利用 这 些 方法 研究 了 多 种 蛋白 质 在 盐 溶液 (一 般 选用 硫 酸 铵 溶液 ) 中 或 有 机 溶剂 (乙醇 或 丙酮 ) 中 不 同 的 溶解 度 ,蛋白 质 对 酸 和 碱 不 同 的 稳定 性 ， 在 重力 场 和 电场 〈 离 心 沉淀 和 电 泳 ) 下 蛋白 质 不同 的 迁移 率 ( 消 度 ), 一 些 物质 对 某 些 蛋白 质 吸 附 而 对 另 一 些 蛋白 质 不 吸附 (色谱 法 ) 的 情况 . 关于 色谱 法 也 许 应 该 特别 说 一 下 ， 因 为 色谱 法 正在 迅速 成 为 最 重要 的 生物 化 学 分 析 方 法 之 一 . 某 些 人 造 树脂 和 某 些 象 纤维 素 、 氢 氧化 铝 这 样 的 材料 ,与 溶 有 带电 离子 的 溶液 混合 搅动 时 ， 总 是 把 这 些 离子 从 溶液 中 吸取 出 来 ， 并 把 它们 吸附 住 。 若 把 人 造 树脂 装 人 玻璃 圆 简 里 , 并 从 树脂 柱 顶 端 倒 人 这 种 溶液 , 那么 在 柱 底 出 现 的 液体 事实 上 没有 溶质 . 这 一 原理 已 用 于 国内 几 种 使 水 软化 的 装置 中 . 如 果 使 用 蛋白 质 溶液 ， 则 和 蛋白质 将 被 吸附 在 树脂 柱 上 ,不 过 再 加 水 或 盐 溶 液 , 可 以 把 它们 洗 脱 下 来 . 洗 脱 时 每 一 种 蛋白 质 都 以 特有 的 速度 向 下 移 动 ,因此 原 混合 物 中 的 各 种 蛋白 质 ,一 种 接 一 种 地 相继 到 达 柱 底 ， 其 速度 取决 于 用 来 洗 脱 的 溶液 的 性 能 和 pH 值 . 如 果 用 若干 支 试管 分 开 收集 柱 底 流出 的 溶液 ,一 次 收集 几 泣 , 有 些 试 管 会 收集 到 一 种 蛋白 质 ， 另 一 些 试管 则 会 收集 到 另 一 种 蛋白 质 , 这 样 即 可 完成 蛋白 质 的 分 离 ， 这 是 一 个 很 好 的 分 离 方 法 ， 俄国 植物 学 家 茨 维 特 “(Tswett) 最 早 用 此 法 分 离 了 植物 色素 中 各 种 有 色 物 质 。 现 代 色谱 法 已 发 展 到 不 仅 能 根据 蛋白 质 分 子 的 离子 电荷 分 离 蛋白 质 ， 而 且 还 能 根据 蛋白 质 分 子 的 形状 和 大 小 分 离 蛋白 质 , 这 就 是 所 谓 的 凝 胶 排 阻 色谱 法 . ensd495e RVIA—MES RW, TRA EE ae 这 多 半 取 决 于 我 们 所 指 的 纯 是 什么 意思 。 在 蛋白 质 化 学 的 早 期 ,非常 注意 除去 蛋白 质 内 的 一 切 痕 量 的 非 蛋 白 物 质 例 站 金 属 离子 、 脂 类 的 碎片 或 糖 类 的 碎片 .但 是 现在 清楚 了 ,在 活 细 胞 里 有 许多 与 细胞 本 身 无 关 、\ 而 与 蛋白 质 结合 得 很 紧 的 物质 要 把 这 样 的 物质 除去 ,即使 能 做 到 ,也 可 能 生成 二 些 化 学 上 的 氨基 酸 链 ,然而 这 些 氨基 酸 链 并 不 是 我 们 真正 所 需要 的 ;重要 的 是 尽 可 能 分 离 出 非常 接近 天 然 蛋白 质 的 物质 一 “即使 这 SALAD EAE NR HERE. ne 人 们 只 能 用 对 蛋白 质 连 续 进 行 分 析 的 办 法 ， 来 判断 该 蛋 白质 是 否 真 的 与 其 他 蛋白 质 分 离 了 。. 如 果 在 超速 离心 、 电泳 或 色谱 法 的 条 件 下 ,蛋白 质 仍 不 能 分 成 几 个 组 份 的 话 ; 那 公 天 概 就 是 某 种 单一 的 分 子 了 .。 通 常 纯 蛋 白质 是 能 结晶 的 ， 然 而 甚至 这 一 点 也 不 是 纯 的 绝对 标准 ; 能 结晶 的 蛋白 质 中 还 可 能 有 百 分 之 五 到 百 分 之 十 的 其 他 蛋白 质 ， 要 除去 这 些 蛋白 质 是 很 困难 的 。 但 是 只 有 当 人 们 确信 蛋白 质 是 纯 的 时 ; 才能 设法 测定 它 的 结构 : 结构 问题 有 两 个 方面 ， 第 一 是 确定 分 子 中 氨基 酸 排 列 的 顺序 ; 第 二 是 要 研究 分 子 本 身 空 间 排列 的 方式 , 是 直线 形 的 ， ACH, 卷 成 球形 的 或 其 他 什么 形状 的 。 第 二 个 问题 在 理 论 上 与 多 糖 面临 的 问题 基本 相似 。 第 二 个 问题 与 蛋白 质 的 特 性 关系 较 大 。 由 于 多 糖分 子 差不多 呈 平 面 型 , 所 以 实际 二 看 不 到 它 本 身 与 我 们 所 画 的 二 维 图 象 有 多 大 差别 ;反之 ; 午 自 质 不 是 平面 型 的 , 它 有 极其 精微 的 三 维 结构 ,只 搞 清 蛋白 质 内 氨 基 酸 之 间 的 简单 顺序 并 没有 完全 揭示 分 子 的 结 梅 只 说 明了 整个 分 子 的 功能 . 分 子 的 形状 是 由 多 种 因素 决定 的 ;通常 把 它 称 为 该 分 子 的 二 级 结构 ， 人 们 马上 会 说 ,氨基 酸 的 顺序 和 二 级 结构 问题 ;不 论 哪 三 e 50 9 个 ,对 于 绝 大 多 数 蛋白 质 分 子 来 说 都 没有 解决 ;只 有 一 两 种 蛋 白质 分 子 的 这 两 个 问题 才 接近 于 解决 但 是 至 少 现在 知道 怎 样 解 决 这 两 个 问题 了 。 关 于 氨基 酸 的 顺序 ,唯一 好 办 的 一 点 ， 是 多 肽 链 决 不 会 象 多 糖 那样 分 支 ; 只 有 线性 顺序 问题 需要 解 决 。 但 这 不 是 说 许多 蛋白 质 不 是 由 若干 个 多 肽 链 组 成 的 ; 它 们 确 是 由 几 个 多 肽 链 组 成 的 ,可 是 ,如 同 我 们 以 后 会 看 到 的 那 样 , 链 间 是 以 键 结合 的 ,而 不 是 以 肤 键 结合 的 ; 这 是 属于 蛋白 质 二 级 结构 的 问题 . “与 多 糖 一 样 ， 解 决 氨基 酸 顺序 的 第 一 步 是 搞 清楚 存在 有 哪 一 种 氨基 酸 , 为 此 水 解 蛋白 质 , 然后 依次 分 离 , 测定 每 一 种 AEG. 定量 测定 蛋白 质 中 存在 的 多 达 二 十 种 的 不 同 的 氨基 酸 ,通常 是 一 件 繁重 的 工作 , 会 耗费 许多 个 月 的 时 间 , BER 近 的 十 多 年 中 ,由 于 色谱 法 的 出 现 , 整 个 测定 过 程 已 全 部 自动 化 了 . 现在 氨基 酸 的 自动 化 分 析 装置 已 成 了 实验 室 的 标准 设 备 了 . 唯一 的 麻烦 是 氨基 酸 分 析 所 提供 的 信息 局 限 太 大 。 根 据 氨基 酸 与 蛋白 质 的 分 子 量 的 相互 关系 ， 可 以 决定 每 个 氨基 酸 在 原来 蛋白 质 分 子 内 出 现 了 多 少 次 ， 但 是 很 难 推导 出 它们 接合 的 方式 . 因此 ,人 们 必须 利用 我 们 在 讨论 多 糖 结构 时 所 讲 过 的 “ 交 PER SOR, 根据 分 析 蛋 白质 的 许多 小 段 获得 的 信息 ; 设法 建立 完整 的 蛋白 质 图 象 。 这 里 重要 的 是 找 出 形成 分 子 的 N 未 端 和 C 未 端的 是 哪些 氨基 酸 。 幸运 的 是 , 有 一 些 酶 和 化 学 斌 剂 专门 能 和 C 未 端 或 N 未 端的 氨基 酸 结 合 ， 利用 这 些 酶 和 试 剂 , 可 以 确定 蛋白 质 链 的 始 端 是 哪 一 个 氨基 酸 ,终端 又 是 娜 一 个 氨基 酸 , 一 旦 两 端的 氨基 酸 弄 清楚 了 ， 下 一 步 就 要 制备 一 组 部 分 水 解 产 物 ， 也 就 是 把 蛋白 质 分 解 成 具有 2 个 到 5 个 氨基 酸 长 的 碎片 , 然后 分 别 测定 每 个 小 链 中 氨基 酸 的 顺序 。 部 分 水 解 ° 51 。 BR ARK EM REE RARE PEA. 还 有 几 种 能 4) fe 2E 5 EROS 1 2S AE EE A BEE, 不 能 进攻 哪些 键 . 例如 存在 于 消化 液 中 的 胰 和 蛋白酶 , 能 分 解 CONH 键 的 C 端 是 赖 氨 酸 或 精 氨 酸 的 任何 肽 键 , 于 是 产生 了 一 些 在 C 端的 氨基 酸 是 赖 氨 酸 或 精 氨 酸 的 肽 . 胰 凝 乳 蛋白 酶 是 另 一 种 消化 酶 ， 能 分 解 CONH 键 的 C 端 的 是 苯 丙 氨 酸 或 栈 氨 酸 的 肽 键 . 许多 其 他 蛋白 质 分 解 酶 也 有 类 似 的 作用 . 当 利用 这 些 方法 得 到 蛋白 质 部 分 水 解 产 物 后 ， 剩 余 的 全 部 工作 是 分 离 这 些 产物 ,测定 每 个 单个 小 链 的 顺序 ,以 后 再 设 法 把 它们 全 都 放 在 一 起 , 组 成 一 个 最 可 能 的 结构 。 桑 格 及 其 剑桥 大 学 的 同事 研究 出 了 一 种 小 的 蛋白 质 胰岛 素 的 结构 ， 这 种 胰岛 素 的 氨基 酸 少 于 60 个 , 分 子 量 只 有 12000; 他 们 在 不 到 十 年 间 , 做 了 这 些 工作 ,解决 了 这 个 不 算 难 的 问题 , 于 1956 年 发 表 了 关于 一 种 蛋白 质 的 全 部 顺序 的 论文 ， 成 了 解决 这 方 面 问题 的 第 一 个 人 .由 于 这 一 成 就 ,1959 年 桑 格 获得 了 诺 贝 尔 奖 金 . 在 授奖 时 ,已 经 提出 了 另外 几 种 蛋白 质 的 结构 ,现在 已 经 清楚 或 接近 于 和 弄 清 楚 的 是 核糖 核酸 酶 (124 RE) 凝 乳 蛋白 酶 原 (246 个 氨基 酸 ) 和 血 蛋 白 的 血红 蛋白 (574 个 所 基 酸 ) 这 几 种 蛋白 质 中 的 氨基 酸 的 全 部 顺序 .19672 年 的 蛋白 质 结 构图 表 集中 列 了 200 种 不 同 的 多 肽 链 的 氮 基 酸 顺 序 ， 虽 然 其 中 许多 蛋白 质 分 子 都 是 一 些 基本 的 血红 蛋白 的 变异 分 子 以 及 与 细胞 颜色 有 关 的 细胞 色素 C 的 变异 分 子 .“ 蛋白 质 分 子 的 形状 现在 已 能 测定 了 ， 它 与 测定 氨基 酸 的 详细 情况 无 关 , 甚 至 知道 了 氨基 酸 的 全 部 顺序 ,也 未 必 能 指出 分 子 的 独特 形状 . 正如 我 们 讲 过 的 那样 , 虽然 蛋白 质 决 不 会 形成 支 链 ,但 是 两 个 链 能 依靠 许多 次 级 键 互 相 结 合 , 就 这 一 点 来 讲 , 一 个 链 也 可 折 倒 回 来 , 它 的 两 个 完全 不 同 的 区 域 彼 此 依 人 靠 次 级 键 互相 结合 , 使 分 子 保持 马蹄 铁 状 。 根据 这 一 事实 可 e 57 。 对 和 蛋白质 分 子 形状 进行 部 分 测定 ， 在 这 些 次 级 键 中 , 效力 最 大 的 是 由 半 胱 氨 酸 构成 的 次 级 键 HS . CH, - CH . COOH ‘eft RAR 一 个 半 胱 氨 酸 分 子 的 -SH 基 能 很 容易 地 与 第 二 个 半 胱 氨 酸 分 子 的 -SH 基 结合 ,生成 二 硫 键 …: CH,- CH . COOH SNH, 5 NH, a. - CH - COOH 如 果 两 个 半 胱 氨 酸 处 在 蛋白 质 链 的 不 同 部 分 ， 或 处 在 两 个 独 立 的 链 上 ， 则 这 样 的 链 相互 趋 近 ， 并 且 通 过 二 硫 键 结合 在 一 起 。 许多 蛋白 质 都 具有 这 种 半 胱 氨 酸 键 . 例如 在 胰岛 素 中 ， 它 的 分 子 由 两 个 链 组 成 ,两 个 链 之 间 有 两 个 二 硫 键 , 而 且 还 有 第 三 个 二 硫 键 连结 其 中 一 个 链 上 相隔 很 远 的 两 个 部 分 .在 核 糖 核酸 酶 中 , 它 的 分 子 是 一 个 单 链 分 子 , 有 四 个 二 硫 键 , 把 这 * eee cod f 5 | HN Lili eit aS ciate Seca ee (2) RSA: 两 个 链 由 二 硫 键 连 在 一 起 《b) 核糖 核酸 酶 ; 一 个 链 缠绕 成 球形 ,由 二 硫 键 固定 图 3 两 个 蛋白 质 链 Seo OED CSL 3) 有 五 个 二 硫 键 . 陈 了 大 六 键 外 ， 链 间 的 交叉 连接 还 有 由 一 个 链 的 酸性 基 团 和 另 一 个 链 的 碱 性 基 团 之 间 生 成 盐 构成 的 键 ， 由 羟基 生成 的 酯 键 ， 由 结合 在 一 起 的 氢 和 氧 原子 之 间 形 成 的 弱 相 互 作用 (虽然 这 两 个 原子 正式 属于 不 同 的 链 ,但 它们 事实 上 依靠 所 谓 的 氢 键 连结 着 )， 最 后 还 有 由 一 个 链 的 一 部 分 带 正 电 荷 的 基 团 和 另 一 部 分 的 带 负电 荷 的 基 团 之 间 形 成 离子 型 的 相互 吸引 力 . 还 有 许多 这 样 强 的 相互 作用 没有 完全 搞 清 楚 , 另外 还 有 许多 不 很 强 的 作用 ， 这 些 作用 共同 构成 了 蛋白 质 分 子 二 级 结 构 的 基础 . 分 子 的 形状 在 决定 蛋白 质 性 质 时 是 非常 重要 的 : 这 是 因 为 决定 其 形状 的 一 些 键 相对 说 来 是 弱 的 和 不 定 的 ;因此 对 pH 和 温度 的 改变 特别 敏感 ， 也 就 是 蛋白 质 分 子 通常 是 那么 脆弱 的 缘故 ， 根据 蛋白 质 分 子 的 形状 ， 蛋 白质 可 以 分 成 纤维 蛋白 和 丈 蛋白 .顾名思义 ,纤维 蛋白 是 直 链 的 ,而 球 蛋白 的 链 则 是 无 规 则 地 缠绕 在 一 起 ,成 球状 . 纤维 蛋白 是 人 体 的 组 织 蛋 白 , 包 括 ， 头发 、 指 甲 和 绒毛 中 的 角 蛋 白 ， 皮 肤 和 结缔 组 织 中 的 胶原 蛋 白 , 妥 和 动脉 中 的 弹性 蛋白 , 丝 中 的 丝 心 蛋白 。 这 些 蛋白 质 全 都 是 不 溶性 的 , 较 能 抗 酸 、 碱 和 高 温 . 这 些 分 子 的 抵抗 性 , 跟 纤维 素 分 子 的 抵抗 性 一 样 ， 是 形成 有 序 的 半 晶 体 结构 的 能 力 的 反映 。 对 于 生物 化 学 家 来 说 , 它 的 优点 在 于 可 以 摄制 晶 状 结构 的 和 射线 照片 ,并 利用 这 些 照 片 推导 出 分 子 的 形状 . 我 们 要 研究 的 最 简单 的 纤维 蛋白 是 丝 心 蛋 白 ， 它 是 由 丝 中 提取 出 来 的 ,在 X 光 下 它 的 分 子 是 有 规则 的 重复 型 式 ,每 个 重复 单位 是 7 埃 (A) 长 [1 埃 (A) 等 于 10° BK). ;假定 这 种 丝 心 蛋白 分 子 的 链 可 以 展开 成 “Z” 字 ， 由 于 每 个 氨基 酸 残 基 se。 54 e 长 是 5A, 所 以 每 个 重复 单位 可 以 看 作 是 2 个 氨基 酸 长 ， 一 个 完整 的 Z 字 应 当 是 两 个 氨基 酸 长 .两 个 Z 形 链 处 于 并 排 位 Hy, ahaa shi care 错 地 将 两 个 链 连 在 一 起 . AAAS Rie, pain C VAY A No ye N ae 了 图 4 丝 心 蛋 日 分 子 由 这 种 重复 的 型 式 可 以 得 到 伸展 的 链 形成 的 网 络 ， 这 充分 解 释 了 丝 心 蛋白 形成 的 X 光 照片 . 虽然 这 样 ， 但 其 他 蛋白 的 分 子 是 比较 复杂 的 。 对 角 蛋 白 进行 的 分 类 实验 表明 ,有 的 角 蛋 白 用 水 漫 泡 时 , 它 的 纤维 能 全 长 一 倍 .经 水 淄 不 能 伸 长 的 角 蛋 白 称 为 “ PEA, SKE 伸 长 的 称 为 8 角 蛋 白 . 在 英国 利兹 , 阿 斯 特 伯 里 (Astbury) 进 行 了 研究 ,发 现 伸 长 的 8 角 蛋 白 的 和 光照 片 实际 上 与 丝 的 丝 心 蛋白 的 和 光照 片 是 一 样 的 。 那么 ，c 角 蛋 白 的 存在 形式 一 定 比 丝 心 蛋白 的 形式 更 紧缩. 为 说 明 这 一 结构 ,科学 家 们 作 了 巨大 的 努力 ,提出 过 许多 有 价值 的 建议 ,最 后 直到 1951 年 , 美 国 的 波 林 (Pauling) MEE (Corey) 才 终 于 得 出 结论 : 如 果 它 的 分 子 绕 成 发 条 状 构 型 , 象 松散 的 发 条 一 样 , 就 叫 "螺旋 结 构 , 这 种 型 式 是 一 种 能 满足 一 切 必要 条 件 的 唯一 的 型 式 ， 螺 旋 状 结构 如 图 5(a) 所 示 , 更 详细 的 情况 如 图 5Cb) 所 示 。 在 天 然 的 形状 中 ;a 螺旋 是 每 十 八 个 氨基 酸 纤 5 整 圈 或 3.7 个 氨基 BH; 随 着 螺旋 的 盘 纤 ， 这 些 氨基 酸 的 排列 彼此 上 下 交 错 ,通过 氢 键 联结 在 一 起 ,所 以 整个 结构 很 稳定 。 当 c 角 蛋 白 分 子 伸展 时 ;螺旋 被 拉 直 , 就 象 被 拉 直 的 发 条 一 样 , RABE e 55 « 开 的 8 角 蛋 白 的 丝 心 蛋白 构 型 。 波 林 和 科 雷 后 来 修改 了 蛋白 质 分 子 的 螺旋 图 形 , 提 出 螺旋 线 不 是 绕 着 一 根 直 的 轴 延 什 ; 而 是 绕 着 一 根 螺旋 形 的 和 轴 延伸 ;因此 象 盘 绕 的 灯丝 线圈 二 样 (图 5c)。 ALA MELE JL OR ETE BO SE LL SBE FPR Ze 起 .他们 提出 ,毛发 和 指甲 中 的 蛋白 ,是 六 条 “ 螺旋 形 的 链 以 第 七 条 螺旋 形 的 链 为 轴 绕 成 的 . 所 有 的 纤维 蛋白 似乎 都 是 按 类 似 角 蛋白 或 丝 心 蛋白 的 型 式 构成 的 。c 角 蛋白 的 螺旋 构 型 在 球 蛋 白 中 也 存在 ,但 是 在 球 蛋白 中 ,整个 螺旋 状 都 是 弯曲 的 , 形成 了 紧密 的 球状 ， 角 蛋白 分 子 好 象 被 水 手 用 一 条 拉 紧 的 绳子 着 意 绕 成 的 绳 球 .分 子 的 球状 是 由 许多 双 硫 键 和 弱 离子 相互 作用 维持 的 .在 这 种 形式 中 , 蛋白 质 分 子 是 可 溶 的 , 在 化 学 上 又 很 活泼. 酶 激素 以 及 一 般 在 细胞 内 能 找到 的 所 有 的 蛋白 质 分 子 ， 事 实 上 都 是 球状 的 ， 而 纤维 蛋白 则 帮助 组 成 细胞 壁 或 填 满 细胞 之 间 的 空隙 . 在 下 一 章 讲 酶 的 作用 和 第 十 章 讲 激素 的 作用 时 ， 我 们 会 遇 到 许多 球 蛋 白 。 即使 这 样 , 在 这 里 还 是 值得 概述 二 下 它们 的 一 般 竹 质 ， 在 许多 方面 , 球 蛋 白 溶液 的 性 质 类 似 于 组 成 它 的 氨基 酸 溶液 .因此 蛋白 质 与 氨基 酸 一 样 , 是 兼 性 离子 , 带 有 正 负 两 种 电荷 ， 因 而 可 充 作 缓 冲剂 ， 阻 止 溶液 的 pH a AY Be 变 ， 但 是 ,由 于 蛋白 质 分 子 的 复杂 性 , 它 的 溶液 比 氨基 酸 的 淤 液 远 为 敏感 ， 尤 其 是 对 pH 值 和 温度 的 变化 特别 敏感 . 显 而 易 见 ， 这 是 由 于 分 子 的 形状 取决 于 存在 着 的 许多 离子 间 的 豆 相 作用 和 链 的 各 个 部 分 之 间 的 弱 键 的 缘故 .大 天 地 改变 溶液 的 pH 值 , 使 其 远离 中 性 ， 便 会 改变 这 个 分 子 的 电荷 分 布 ,就 象 氨基 酸 发 生 的 情况 一 样 。 然而 当 电 荷 分 布 改 变 时 , SSR 分 子 实际 就 开始 解体 了 ,各 部 分 之 间 的 键 断 开 ,分子 入 展 , 表 失 了 紧密 的 球形 , 从 溶液 中 析出 。 一 个 典型 的 例子 是 牛奶 中 加 些 栈 , 牛 奶 就 < 变质 *, 牛奶 蛋白 结 块 ,从 乳 清 中 析 轴 . Ye « 56 。 (a) . - 18 氨基 栈 图 5 《〈a) 蛋 白质 的 螺旋 结构 。 螺旋 是 每 十 八 个 氨基 酸 绕 3 圈 ， 曙 旋 由 气 键 固定 。(b) 波 林 的 < 螺旋 结构 特写 .〈c) 某 些 超 螺旋 结构 BZARAKIAN, LEHRMSELAUNDR ERE W60—70°C 时 , 蛋白 的 二 级 键 开 始 断裂 ， 而 县 蛋 自 质 迅 速 从 溶液 中 析出 ,失去 原来 的 结构 。 鸡 蛋 搅拌 后 加 热 , 卵 清 蛋白 也 RARE. 另外 , 蛋白 质 溶液 经 简单 的 轻微 摇动 后 亦 ”可 引起 二 级 结构 破坏 ， 鸡 蛋 也 是 一 个 很 好 的 例子 一 一 当 轻 微 摇动 蛋清 时 ,蛋白 质 就 开始 沉淀 ,生成 物 与 开始 时 的 蛋白 质 深 液 完全 不 同 , 这 常用 于 制作 蛋白 甜 饼 . 破坏 蛋白 质 二 级 结构 的 所 有 过 程 都 称 为 变性 .。 这些 过 程 通常 是 不 可 逆 的 。 球 蛋白 一 旦 裂解 ,就 不 能 复原 了 ;而 且 正 如 我 们 将 要 看 到 的 那样 ,生物 体 的 主要 活动 之 一 ;是 通过 确保 细 胞 内 的 pH 值 ` 温 度 等 条 件 决 不 超过 某 一 限度 , 使 蛋白 质 不 致 变性 . 无 生命 存在 时 ,蛋白 质 本 来 就 是 不 稳定 的 . IV 核酸 类 我 们 要 研 究 的 最 后 一 类 大 分 子 是 核酸 的 分 子 . 1868 年 ， 梅 斯 切 (Friedrich Miescher) 在 图 比 贡 从 丢弃 的 外 科 绷 带 上 的 脓 液 细胞 核 分 离 出 了 不 寻常 的 含 磷 化 合 物 . 他 把 这 种 化 合 物 称 为 核 素 ( 核 蛋白 质 ), 还 进而 指出 ,在 许多 其 他 稍 带 不 好 闻 的 气味 的 物质 中 ,尤其 是 在 鳞 鱼 的 精液 中 ,都 有 类 似 的 物质 。 很 明显 ,这 种 新 物质 就 是 已 知 的 核酸 ,实际 上 它 广 泛 地 分 布 在 活 组 织 中 .虽然 后 来 发 现 它 们 不 完全 局 限 在 细胞 核 内 ,但 是 这 个 名 称 保留 下 来 了 ， 成 了 一 类 化 合 物 的 通称 ， 很 从 以 后 ,人 们 逐渐 了 解 了 核酸 在 遗传 和 蛋白 质 合 成 中 的 作用 ， 这 个 名 称 实 际 上 也 就 获得 了 新 的 意义 ,并 认为 是 合理 的 人 们 发 现 , 动物 核酸 最 好 的 来 源 之 一 是 胸腺 .胸腺 是 幼 小 动物 的 一 个 重要 事 宦 〈 尤 其 是 小 牛 ), 它 分 泌 出 一 种 至 今 还 不 知道 其 性 质 的 激素 ,但 在 动物 发 育 长 成 后 , 它 就 萎缩 了 . 现 已 知道 , 由 胸腺 提取 的 核酸 ,经 水 解 能 得 到 味 哈 和 喀 啶 碱 \ 糖 、 e 58 。 PERATURE BROS AM RO , Ee ARE 3b Me Pee ACL BR MRE, BRED Be 所 有 这 些 物质 在 前 一 章 我 们 都 已 讲 过 了 .由 细菌 、 植 物 和 酵母 提取 出 来 的 核酸 与 胸腺 核酸 不 同 ,这 类 核酸 含 尿 喀 啶 而 不 是 胸腺 喀 啶 , 含 核糖 而 不 是 脱氧 核糖 最初, 人 们 曾 认 为 这 些 差别 表明 存在 着 两 种 核酸 ,一 种 是 动物 核酸 , 另 一 种 是 植物 核酸 , 但 是 以 后 弄 清楚 了 ， 含 核糖 和 尿 喀 啶 的 核酸 也 存在 于 动物 体 中 ， 事 实 上 所 有 的 细胞 均 含 有 这 两 种 核酸 . 含 脱 氧 核糖 的 核酸 就 是 在 细胞 核 中 发 现 的 ; 另 一 种 核酸 分 布 得 更 广泛 . 现在 这 两 类 核酸 分 别 称 为 核糖 核酸 (RNA) 和 脱氧 核糖 核酸 (DNA). DNA 和 了 RNA 两 种 核酸 ， 以 与 不 同 量 的 蛋白质 相 结合 衣 形式 存在 于 组 织 中 , 这 类 和 蛋白质 , 尤其 是 在 细胞 核 中 与 DNA 相连 的 蛋白 质 , 其 性 质 是 非常 独特 的 ; 显著 的 是 它 的 强 碱 性 ， 含 大 量 的 精 氢 酸 .， 这 种 蛋白 质 通称 为 组 蛋白 , 而 连接 有 蛋白 质 的 核酸 则 称 为 核 蛋 白 。 由 组 织 提 取 核 酸 时 ,有 一 个 问题 是 ， 若 除去 紧 紧 连 着 的 蛋白 质 所 用 的 方法 是 很 剧烈 的 ， 便 会 破坏 核酸 本 身 ， 就 不 能 用 .由 于 核酸 比 蛋白 质 稳定 得 多 ， 这 一 问 题 比较 容易 解决 ;核酸 对 弱酸 和 弱 碱 ,对 近 一 百度 的 高 温 都 是 ” 稳定 的 ， 而 这 样 处 理 却 能 使 娇嫩 的 蛋白 质 分 子 很 快 地 毁 掉 。 因此 , RNA 可 从 酵母 制备 ， 把 酵母 溶解 于 90" 的 洗涤 剂 溶液 中 进行 提取 , 而 DNA 则 是 从 胸腺 中 用 碱 或 盐 溶液 、 接 着 用 和 氧 仿 提取 来 制备 的 。 用 这 些 方 法 得 到 的 核酸 ， 是 带 白色 的 纤维 状 物质 (DNA 外 表 上 很 象 石棉 姓 十 分 稳定 ,在 没 受到 多 少 损害 时 ,能 贮存 一 段 较 长 的 时 间 .， 它 的 分 子 量 约 为 数 千 万 数量 级 ; 与 蛋白 质 或 多 糖 一 样 ， 它 是 由 一 系列 重复 的 简单 单位 连 成 的 链 组 成 的 。 正如 我 们 将 要 说 明 的 那样 ,虽然 存在 着 许多 种 不 同 的 DNA 和 RNA, 要 把 一 个 DNA 从 甚 DNA 的 混合 物 中 分 离 出 来 ， 是 蛋 e。 59 e 白质 生物 化 学 中 非常 关键 的 问题 ,现在 似乎 还 没有 什么 方法 . 这 至 少 部 分 是 由 于 不 同 分 子 的 物理 性 质 彼 此 之 间 差 别 不 够 明 显 , 要 找 出 分 子 在 溶解 度 和 稳定 性 方面 的 差别 比较 困难 ,这 和 蛋白 质 在 这 方面 亦 比 较 困 难 是 一 样 的 ._ DNA 的 色谱 分 析 指 出 ,由 任何 组 织 获 得 的 “总 ”DNA， 都 可 以 分 成 很 多 稍 有 差别 的 部 分 ,而 现在 已 经 习惯 于 把 从 任何 器 官 获得 的 “总 DNAS 作 是 一 种 门 总 是 讲 胸腺 DNA, FF DNA 3S, 实际 上 , 小 牛 胸腺 DNA 的 许多 性 质 与 小 牛 肝 DNA 的 确 稍 有 Al, RE RNA 的 性 质 与 豚鼠 肾 RNA 的 性 质 也 稍 有 差别 . 蛋白 质 只 由 氮 基 酸 组 成 , 糖 只 由 单 糖 组 成 ,但 是 核酸 却 由 ete RA. Alt, 核酸 重复 单位 的 基本 型 式 比 其 他 大 分 子 的 重复 单位 的 基本 型 式 要 复杂 .很 早 就 知道 了 ，, 碱 、 糖 和 磷酸 结合 为 核 背 酸 , KHER ERE 到 磷酸 上 的 . 话 虽 然 这 样 涪 ， 但 核 苷 酸 彼此 又 如 何 连接 呢 ? 早期 假设 四 个 碱 \ 糖 和 磷酸 基 连 在 一 起 ,成 为 所 谓 的 四 核 苷 酸 重复 单位 ,但 是 早 就 发 现 了 这 种 假设 与 由 实验 测 到 的 DNA 和 RNA 碱 的 比例 是 矛盾 的 . 尽管 这 样 ,四 个 碱 之 间 必 然 存在 着 某 种 关系 ， 因为 美国 纪 约 的 查 加 夫 (Erwin Chargaff) 已 经 注意 到 : 对 于 RNA 来 说 ， 腺 味 叭 加 胞 喀 啶 的 量 总 是 等 于 鸟 呆 叭 加 尿 喀 了 啶 的 量 ; 而 对 于 DNA 来 说 ,关系 更 为 精确 , 在 任何 一 个 DNA 样品 中 , BAA 喀 啶 的 量 总 是 相等 的 , 腺 叮 叭 与 胸腺 喀 啶 的 比 , 乌 呆 叭 与 胞 喀 了 啶 的 比 正 好 为 1， 而且, 对 这 两 种 主要 的 比例 ，DNA 总 是 处 FEN KARE ARREST Zeke mies We ASM ERS KD TL). «Ae Bo 使 核酸 各 组 成 单位 的 排列 型 式 还 不 能 很 快 弄 清楚 ， 这 一 点 却 已 很 明显 ,就 是 核酸 妃 是 一 种 高 度 组 织 化 的 \ 排 列 得 十 分 整齐 的 化 合 物 .。 e 60 e 在 核酸 分 子 内 , 碱 \ 糖 和 磷酸 的 排列 在 二 十 世纪 三 十 年 代 和 四 十 年 代 就 发 现 了 ,要 证 明 却 很 难 ,涉及 到 一 些 复杂 的 有 机 化 学 技术 , 但 是 结论 现在 已 经 完全 确定 下 来 了 .RNA 的 每 个 RE RN FoF: : CH.OR 2 碱 基 其 中 糖 的 1 号 碳 原 子 与 碱 基 相 连 ,3 号 碳 原 子 与 磷酸 相连 . 核 BRAAK RNA 时 ,一 个 核 痛 酸 的 磷酸 和 第 二 个 核 将 酸 的 糖 的 5 号 碳 原子 之 间 连 接 成 键 : ° OH © | | ? OH ® 因此 , 链 键 是 通过 磷酸 糖 酯 建立 的 ,可 用 示意 图 表示 如 下 . 5 $1 « Be RR 然而 在 RNA 分 子 中 ， 四 个 碱 基 沿 链 排列 的 顺序 是 可 变 的 . 虽然 只 有 四 个 碱 基 ， 但 是 沿 链 交换 数 百 次 得 到 不 同 的 排 列 数 , 即 使 比 蛋白 质 异 构 体 的 数目 小 ,也 是 很 大 的 . 人 们 对 从 组 织 中 提取 出 来 的 RNA 分 子 里 的 碱 基 实 际 排列 情况 的 认识 ， 依赖 于 现在 所 掌握 的 分 析 方 法 . 水 解 能 把 RNA 分 成 许多 核 昔 酸 的 碎片 ,这 种 方法 得 到 的 资料 较 少 ; 部 分 水 解 , 即 用 各 种 SPORE THF, iE ARERR BASH 些 高 效 的 核酸 分 解 酶 , 结果 是 很 有 价值 的 . 从 胰 脏 提取 的 核 糖 核酸 酶 的 专 一 性 很 重要 ， 因 为 看 来 该 酶 好 象 是 优先 攻击 喀 MRA RRM RE ZA. 例如 ,这 种 酶 把 核酸 链 分 割 成 : pupupy | py| py| pupy| pupupy| py| ( 式 中 pu FUREM, py 代表 喀 啶 ) 得 到 2pupupy 十 pupy 十 3py。 但 是 ， 尽 管 现在 已 经 创造 了 许 多 很 好 的 方法 ,对 RNA 和 DNA 在 遗传 学 、 蛋 白质 合成 方面 的 全 部 问题 亦 有 极 大 兴趣 ， 可 是 对 分 子 中 沿 链 排列 的 详细 顺序 仍然 了 解 得 不 多 ,至 少 对 分 子 量 很 高 的 RNA Bixee. 对 几 个 可 溶性 的 ,每 个 分 子 大 约 有 80 个 核 苷 酸 的 RNA 的 结构 (所 谓 的 转移 RNA, 见 第 八 章 ), 在 近 几 年 已 测定 出 来 了 ， 主要 是 由 美国 的 科学 工作 者 测定 的 . DNA 重复 单位 的 结构 ,类 似 于 RNA， 用 脱氧 核糖 简单 地 替换 核糖 就 可 以 了 ,因此 眼 RNA 一 样 , DNA 链 也 是 通过 35 whe = 糖 磷酸 键 连接 的 ， 在 每 个 糖 即 脱氧 核糖 残 基 的 1 号 碳 原 子 上 ZARA Reem. 但 若 这 是 全 部 的 情况 , 那 为 什么 在 不 同 的 碱 基 的 量 之 间 似 乎 存在 着 独特 的 有 规则 的 比例 呢 ? DNA 分 子 在 溶液 中 显示 出 纤维 状 的 特征 和 性 状 ， 表 明和 它 是 刚性 和 线形 分 子 ， 象 僵硬 的 柳条 一 样 . DNA 分 子 的 这 些 性 质 也 表 BA DNA 分 子 要 比 这 种 简单 的 链 有 一 些 更 为 复杂 的 结构 . 伦敦 的 威 尔 金 斯 (Wilkins) 利用 和 射线 所 做 的 研究 ,在 二 十 世纪 五 十 年 代 初 就 证 实 了 这 一 点 ， 指 出 核酸 分 子 内 是 一 个 有 规则 的 重复 序列 , 每 个 重复 单位 长 28 A .两 个 核 苷 酸 残 基 间 的 距离 从 磷酸 到 磷酸 只 有 ?7A, 因此 DNA 必然 有 用 某 种 方 式 形 成 的 一 种 超级 结构 . SIRE (Watson) MEH se (Crick) 解决 了 威 尔 金 斯 在 1953 年 提出 的 这 一 问题 (为 此 ,这 三 个 人 在 1962 年 获得 了 诺 贝 尔 奖 金 . 沃 特 森 还 写 出 了 《 双 螺 旋 结 构 》 一 书 ， 书 中 以 略 带 小 说 的 笔法 描述 了 DNA 的 结构 ) 得 出 了 DNA 的 螺旋 结构 的 答案 . 几乎 与 此 同时 ， 波 林 和 科 雷 也 解决 了 角 和 蛋白 结构 问题 ， 得 出 了 角 蛋 白 是 c 螺旋 结构 的 答案 . KRM BWA DNA 螺旋 结构 ， 是 每 十 个 核 音 酸 绕 一 圈 ( 读 者 可 能 还 记得 , 蛋白 质 是 用 3.7 个 氨基 酸 绕 一 圈 ), 两 个 DNA 链 拧 在 一 起 , 绕 同 一 轴 形 成 的 双 螺 旋 结 构 .。 两 条 链 通过 许多 碱 基 连 结 在 一 起 . 当 沃 特 森 和 克 里 克 按 比例 制 出 了 自己 设计 的 结构 模型 时 ， 他 们 发 现 只 有 一 个 链 上 的 每 一 个 腺 味 叭 对 着 另 一 个 链 上 的 胸腺 喀 啶 ， 每 一 个 鸟 叮 叭 对 着 一 个 胞 喀 喧 ,两 条 链 才能 结合 在 一 起 . 在 这 个 时 候 , 也 仅仅 在 这 个 时 候 , 两 股 才 结 合 在 一 起 ,每 一 对 碱 基 间 的 弱 氢 键 使 它们 彼 此 牢固 地 保持 在 适当 的 位 置 上 . 腺 味 哈 和 胸腺 喀 啶 这 种 梯 头 - 枯 眼 式 的 排列 的 作用 如 图 6(a) 所 示 ; 对 双 链 的 蛋白 质 来 说 , 这 种 排列 所 起 的 作用 如 图 6(b). KRAMER RBH 了 三 维 结构 模型 ， 如 图 6(c)。 整 个 学 说 圆满 地 解释 了 XX 射 线 + 63 « (a) Bie EA -TRAR ABS BE 分 析 的 结果 ， 也 阐明 了 为 什么 各 种 碱 基 量 的 比 是 恒定 的 这 个 使 人 困惑 的 问题 . 根据 他 们 提出 的 DNA 的 结构 ， 还 可 以 预 料 到 腺 嗓 叭 的 量 等 于 胸腺 喀 啶 的 量 ， 鸟 叮 叭 的 量 等 于 胞 喀 啶 NE , 正 与 化 学 测定 的 结果 相同 . 在 这 种 模型 中 ,尽管 有 序 的 碱 基 所 处 的 位 置 受到 限制 ,可 容许 的 异 构 体 数目 事实 上 与 RNA 异 构 体 的 数目 是 相同 的 ;也 © 64 = 就 是 说 ,是 一 个 天 文学 上 的 大 数目 . 要 找 出 碱 基 的 顺序 ,会 碰 到 要 找 出 RNA 的 顺序 时 遇 到 的 类 似 问 题 ， 跟 RNA 的 分 子 一 样 ， 碱 基 的 顺序 仍然 没有 解决 . 也 许 解决 这 些 问题 最 有 希望 的 方法 得 联系 到 这 样 的 事实 : 正如 我 们 将 要 看 到 的 那样 , 当 我 们 来 讨论 蛋 白 质 合 成 机 制 时 ,如果 给 出 蛋 白 质 的 结构 ,就 可 能 预计 DNA 和 RNA 的 结构 , 亦 有 助 于 对 它们 的 合成 ， 但 是 这 类 讨论 ， 产 格 地 说 ， 已 经 属于 生物 化 学 的 一 个 不 同 的 领域 了 丁 。 e 65 e 第 四 章 功 wB 直到 目前 ,我们 讲 过 的 生物 化 学 都 是 静态 的 , 讲 的 是 事物 而 不 是 事件 ;是 照片 而 不 是 电影 。 为 了 得 到 这 样 的 图 片 ,我 们 不 得 不 有 意 地 在 某 一 时 刻 破 坏 活 的 组 织 ， 系 统 地 把 它 裂 解 成 各 化 学 物质 . 但 是 在 这 样 做 的 过 程 中 , 我 们 恰恰 忽略 了 活 物 与 死 物 的 一 些 不同 之 处 . 活 物 的 蛋白 质 、 核 酸 、 脂 类 和 糖 类 无 论坛 样 看 , 都 与 刚 死 的 动物 一 样 。 然而 没有 人 会 把 死 的 误 认为 活 的 , 或 把 活 的 误 看 成 死 的 。 在 我 们 所 讨论 的 这 个 化 学 领域 内 ,人 体 已 被 简化 成 了 化 学 符号 ,那么 生命 哪儿 去 了 ?我 们 能 用 化 学 语言 讨论 我 们 所 知道 的 存在 于 生命 和 无 生命 之 间 的 差别 吗 ? 当然 能 . 但 是 ,要 这 样 做 ,就 必须 改变 由 长 期 研究 细胞 化 学 得 到 的 观点 。 我 们 一 定 不 要 再 问 生 命 是 由 什么 构成 的 , 而 只 能 问 它们 是 如 何 存在 的 ?对 于 我 们 所 讲 的 高 度 组 织 化 的 分 子 来 说 ,它们 有 一 个 十 分 重要 的 共性 ,与 较 低 级 的 化 学 物质 相 比 ， 都 很 不 稳定 。 周围 环境 的 pH 和 刘 度 的 变化 一 且 超 过 某 一 限度 ,它们 便 很 快 分 解 .。 因此 在 活 的 系统 里 , 趋 于 超过 允许 范围 的 任何 变化 都 一 定 受 到 抵制 . 我们 在 前 面 已 讲 到 氮 基 酸 溶液 如 何 趋 于 消除 由 加 酸 或 加 碱 引 起 的 溶液 的 pH 的 变化 。 氨基 酸 象 缓冲 剂 一 样 ,起 到 了 阻止 pH 变化 的 作用 . 同样 , 活 的 有 机 体 也 象 缓冲 剂 一 样 , 阻止 周围 环境 的 变化 。 简单 的 化 学 体系 抵制 周围 环境 变化 时 ， 遵 循 法 国 化 学 家 勒 夏 特 利 (Le Chatelier) 提出 的 原则 ; 法 国生 理学 家 贝尔 纳 发 现在 活 的 有 机 体内 也 进行 着 同样 的 过 程 ( 现 在 通称 为 体内 动态 平衡 )。 e 66 « 大 分 子 具 有 的 第 二 个 特征 是 它们 完全 不 象 一 般 的 物质 . 生命 如 此 大 量 地 制造 这 样 的 物质 ， 也 会 使 化 学 家 的 合成 技术 AGA. 在 活 细胞 中 , 这 样 的 分 子 不 能 纯粹 由 随机 的 化 学 反应 生成 ,必须 按照 精确 计划 的 途径 合成 ,这 种 合成 途径 的 特 殊 效 果 , 远 远 超过 了 化 学 家 所 能 达到 的 成 果 。 这 一 定 是 细胞 内 有 辩 别 力 极 强 的 机 制 ， 它 能 辨别 甚至 象 氨基 酸 的 4 异 构 体 和 | 异 构 体 或 葡萄 糖 和 半 乳 糖 这 些 极 相近 的 化 合 物 之 间 的 差 别 ， 可 以 这 样 说 ,如 果 合 成 工作 一 次 全 部 完成 ,如 果 只 是 按 要 求 的 量 和 规定 的 适当 结构 合成 脂 类 、 蛋 白质 和 糖分 子 , 它 们 能 不 断 地 发 挥 作 用 ,直到 完全 磨损 需要 更 换 为 止 的 话 ,那么 第 二 个 问题 也 许 就 不 这 样 突 出 了 . 但 是 实际 并 不 是 这 样 。 放射 性 同位 素 在 生物 化 学 上 的 传统 用 法 ， 是 丹麦 哥本哈根 的 赫 维 西 (Hevesy) 在 二 十 世纪 二 十 年 代 首 创 的 ， 美 国 的 舍 恩 海 默 (Schoenheimer) 继承 和 发 展 了 这 种 方法 . 他 证 明 人 体 所 有 的 成 份 均 处 于 永 不 停息 的 流动 状态 ; 蛋白 质 , 脂 类 、 核 酸 分 子 总 是 处 在 不 断 的 更 新 过 程 中 , 原 有 的 分 子 分 解 , 新 的 分 子 合成 ， 取代 它们 的 位 置 ， 他 甚至 发 现象 骨骼 和 软骨 这 样 稳定 和 不 起 反应 的 组 织 内 的 分 子 ( 通 常 认为 反应 性 极 弱 的 分 子 ), 寿命 也 RG. 人体 周身 , 不 经 变化 能 活 几 天 以 上 的 分 子 是 例外 的 不 符 侣 二 般 规 律 的 现象 .这 种 大 量 的 永 不 停息 的 分 子 流 是 处 在 合成 和 分 解 的 平衡 中 ， 象 汽车 和 电视 机 在 大 规模 生产 条 件 下 处 在 不 断 的 生产 和 废弃 的 过 程 中 一 样 . 这 一 发 现 引起 了 生物 化 学 观念 的 变革 .事情 已 弄 清 楚 了 , 活 细胞 的 主要 功能 ,也 许 就 是 从 内 部 不 断 地 更 新 自己 . 因此 ,甚至 在 开始 与 外 部 环境 起 作用 以 前 ,细胞 或 活 的 动 物 就 不 得 不 具备 能 起 这 种 作用 的 机 制 ;首先 , 它 能 借以 保护 自 己 不 被 外 部 环境 溶解 和 破坏 ， 第 二 要 能 利用 简单 的 分 子 不 断 e 67 。 地 合成 本 身 的 复杂 部 份 . 其 中 有 两 个 问题 与 生物 化 学 动力 学 部 分 有 关 : (1) 细胞 如 何 开 始 进行 合成 大 分 子 所 必要 的 、 高 度 复 杂 的 大 量 的 化 学 反应 ? (2) 细胞 如 何 获得 完成 更 换 任 务 所 需要 的 能 量 ? 因为 很 明显 , 我 们 一 直 讲 的 活性 指 的 是 功 . 要 把 几 百 个 氨基 酸 集中 在 精确 的 点 上 ,依靠 肽 键 把 它们 连接 在 一 起 ,缠绕 折 受 成 生成 物 的 分 子 , 最 后 还 要 把 它 送 到 细胞 内 合适 的 位 置 上 ,这 一 切 意 味 着 对 分 子 不 得 不 做 功 . 同样 ,为 消除 或 排出 无 害 \ 有 害 或 危 险 物 质 ,， 把 细胞 的 pH 值 保 持 在 要 求 的 范围 内 ， 都 需要 作 功 . 当然 ,细胞 一 开始 对 它 的 环 谤 起 作用 一 一 肌 细胞 收缩 ,神经 传 HE RIK , 制 激素 细胞 分 让 一 些 激 素 一 一 更 要 作 功 了 . Im 和 能 这 样 使 用 “ 功 和 “能 这 两 个 术语 ,读者 也 许 还 不 习惯 。 物理 学 上 ， 功 的 概念 是 简单 明了 的 ; 当 我 们 从 地 上 举 起 重 物 时 ，, 我 们 就 做 功 了 . 所 做 的 功 是 用 举 起 的 重量 乘 它 所 经 过 的 垂直 距离 来 量度 的 . 同样 ， 这 个 重 物 一 经 举 起 ， 就 具有 了 势 能 *; 当 放 开 时 ， 它 沙 到 地 上 ， 在 下 落 的 过 程 中 ， 反 过 来 做 功 一 一 它 能 够 通过 请 轮 与 另 一 重 物 偶 联 , 例 如 ,可 以 用 来 驱动 古 时 的 (没有 发 条 的 ) 时 钟 . 同样 ,从 物理 学 上 来 说 ,这 就 是 我 们 都 知道 的 能 量 守恒 定律 一 一 我 们 从 一 个 体系 获取 的 功 ， 决 不 会 多 于 开始 时 我 们 对 该 体系 作 的 功 . TARY SED POS gS IES, BE) BREET. CH BAERS BIE, EA ek. 只 有 把 重 锤 再 次 升 高 ,也 就 是 再 把 一 些 势 能 输入 该 体系 后 , 钟 * 严格 地 讲 * 具 有 能 量 的 不 是 重 物 * 而 是 作用 在 它 上 面 的 重力 场 。 当 把 该 重 物 举 高 时 就 把 能 量 贮存 到 这 个 重力 场 里 了 ; 当 重 物 落下 来 时 ， 就 还 回 能 EXT. | e 68 。 才能 再 走 . 能 量 守 恒定 律 ,使 理解 物理 体系 中 的 功 的 概念 比较 容易 ， 但 是 不 能 立即 就 清楚 功 和 能 也 是 化 学 反应 的 因素 .现在 让 我 们 来 考查 一 下 碳 和 和 氧 化 合 , 生成 二 氧化 碳 的 反应 。 我 们 写 出 这 个 方程 式 : Ci + O,;— CO; 但 是 ;在 这 样 写 时 ,没有 写 出 一 个 重要 事实 一 一 即 在 反应 进行 期 间 , 每 燃烧 12 克 碳 * 大 约 释放 出 100000 卡路里 ## 热 。 事 实 上 ;该 方程 应 该 写成 如 下 的 形式 , 才 更 正确 : C 十 0; 一 > CO, 十 100000 卡 我 们 可 以 把 这 些 卡 路 里 作为 热源 使 用 ， 把 煤 放 在 蒸汽 机 里 燃 浇 或 用 蒸汽 机 来 带动 发 电机 时 ， 这 些 热量 还 可 以 转变 成 其 他 形式 的 能 . 这样, 在 这 个 化 学 体系 内 释放 出 来 的 能 ,就 可 以 直接 转变 成 我 们 前 面 讨论 过 的 物理 体系 的 能 一 例如， 我 们 可 以 烧 煤 来 发 电 , 用 电 驱 动 古老 的 时 钟 以 代替 时 钟 的 重 锤 。 同样 ， 能 量 守恒 定律 不 但 适用 于 物理 体系 ， 也 适用 于 化 学 体 系 . 当 碳 与 氧 反 应 时 ,该 体系 释放 能 量 , 释 放 能 量 时 体系 就 失 去 能 量 。 要 把 CO, 再 转变 成 C 十 0;, 需要 供应 和 CO, 生成 时 失去 的 热量 相同 的 卡路里 . 因此 反应 C 十 O, 一 > CO, 可 称 为 放 热 反 M> Me Rh CO, —> C +0, 则 称 为 吸 热 反应 . 细胞 完成 的 绝 大 多 数 反应 是 吸 能 的 ,这 些 反 应 需要 能 源 . 那 这 个 能 源 是 什么 呢 ? AMAA, 在 太阳 内 部 发 生 的 复杂 的 核 聚变 ， 每 天 释放 出 大 量 能 量 ， 并 以 热 和 光 的 形式 射 到 地 球 * 这 是 克 原 子 量 "“* 即 以 克 为 单位 表示 的 碳 的 原子 量 ( 即 12)，。 同 样 氧 的 克 原子 量 是 16 克 ?* 水 的 克 分 子 量 是 18 克 ， * 卡路里 是 研究 热量 时 使 用 的 能 量 单位 ; 一 克 水 温度 升 高 IC 所 需要 的 热 量 大 约 是 工 卡 (等 于 4.18 HA), e 69 e 上 ,植物 利用 光 能 , 通过 固定 COL, 合成 糖 类 和 多 糖 类 ， 例 如 葡 萄 糖 和 淀粉 . 以 后 植物 需要 能 量 时 , 便 会 分 解 葡萄 糖 和 多 糖 ， 又 释放 出 能 量 . 动物 没有 这 种 初级 能 源 ， 它 们 必须 找到 以 糖 的 形式 贮存 的 现成 的 能 源 供应 . 当然 许多 较 高 等 的 动物 还 吞 食 一 些 吃 植物 的 动物 ， 植 物 本 身 又 利用 动物 排出 的 象 二 氧化 碳 之 类 的 废物 ,从 而 形成 了 一 个 互相 依存 的 循环 . 但 是 ,关于 整个 循环 的 最 重要 之 处 ,是 循环 的 全 过 程 都 遵 循 能 量 守 恒定 律 . 人 们 已 做 了 许多 这 样 的 实验 : 实验 时 , 把 动物 或 自愿 实验 的 人 放 在 一 个 闭 密 的 房子 里 关 几 和 天， 然后 测 量 以 食物 的 形式 供给 的 能 量 和 被 他 们 利用 的 能 量 ， 象 放出 的 热 .排出 的 二 氧化 碳 、 氮 的 排泄 物 和 所 做 的 功 〈 例 如 骑 固 定 自 行车 ).。 在 最 严密 的 实验 限制 下 ,人 和 动物 都 遵从 能 量 守 恒定 律 ,输入 和 输出 的 能 量 恰好 平衡 . 与 人 体 一 样 , 细 胞 也 遵从 能 量 守 恒定 律 ;在 讨论 许多 化 学 合成 和 细胞 的 活动 时 ， PUTESS nS lt aes 需要 的 能 量 是 从 哪里 来 的 . 当然 ,细胞 能 量 的 主要 来 源 是 葡萄 糖 . 葡萄 糖 的 完全 和 氧 化 按 下 列 方程 式 进行 : C.H,,0; + 60, 一 > 6CO, + 6H,0 + 673000 村 细胞 进行 这 个 反应 时 采用 一 种 绕 弯 的 方式 。 它 通过 一 系列 反 应 分 解 葡萄 糖 , 每 次 只 释放 出 一 点 能 量 . 要 是 这 样 大 量 的 能 量 一 次 全 部 释放 出 来 , 那 细胞 是 对 付 不 了 的 ;大 部 份 能 量 会 以 热 的 形式 散发 出 来 ,完全 毁 掉 细胞 . 对 于 葡萄 糖 , 细 胞 能 控制 它 逐 步 分 解 ， 以 便 提 供 一 个 平稳 的 能 源 一 恰 如 原 子 能 发 电 站 能 利用 和 控制 原子 裂变 以 热 的 形式 释放 出 的 能 量 ， 并 能 使 其 转变 成 大 量 有 用 的 能 量 一 样 . 葡萄 糖 要 通过 近 三 十 个 不 同 的 反应 才 转 变 成 CO， 每 一 反应 部 能 释放 出 少量 的 能 量 。 因 此, 细胞 获得 的 是 “小 包 衷 ” e 70 « 形式 的 能 量 , 能 仔细 地 加 以 保存 , 又 能 有 条 不 率 地 加 以 利用 。 但 是 重要 的 是 要 注意 ,归根 结 底 , 葡 萄 糖 不 管 是 通过 直接 氧化 生成 二 氧化 碳 ,还 是 通过 多 个 不 同 的 中 间 反 应 生成 二 氧化 碳 ， 它 所 释放 出 的 总 能 量 , 恰 好 都 是 相同 的 .为 了 说 明 问题 ,让 我 们 来 看 看 下 面 这 个 反应 : V—Z 十 100000 卡 假设 该 反应 可 以 通过 生成 多 个 中 间 产 物 W,，X,Y 的 形式 进 行 ,我 们 就 可 以 写 出 如 下 的 方程 式 : V 一 > W + 25000 卡 W 一 >X 十 25000 + X 一 > 站 十 25000 卡 Y 一 >Z 二 25000 卡 EMV —>Z+ 100000 卡 V 无 论 通 过 哪 种 途径 转变 成 Z， 在 反应 过 程 中 总 能 量 的 改变 始终 是 相同 的 . 这 是 能 量 守 恒定 律 的 另 一 个 结果 , 其 意思 是 说 ,细胞 在 采取 拐弯 的 方式 释放 自由 能 的 过 程 中 ,什么 也 没有 丢失 , 倒 获得 了 许多 东西 . ATP FERRER KR RERH AISNE? 最 终 ,细胞 将 用 这 些 能 量 来 完成 某 一 项 任务 .但 是 ,与 此 同时 ,能 量 若 不 浪费 的 if ,就 一 定 要 找到 某 种 方式 贮存 起 来 . 实际 情况 是 ,葡萄 糖 氧 化 成 二 氧化 碳 的 反应 ,许多 其 他 产能 反应 也 一 样 ,释放 出 的 可 即时 利用 的 全 部 能 量 都 用 于 合成 一 种 特殊 的 化 合 物 : REE 磷酸 ， 简 写 为 ATP。 要 记 住 ， 腺 苷 是 由 腺 味 叭 和 核糖 生成 的 核 背 ,能 磷 酰 化 ,首先 得 到 腺 苷 一 磷酸 (AMP), 然后 是 腺 背 二 磷酸 (ADP) ， 最 后 得 到 ATP. 如 果 我 们 把 ATP 画 成 示意 图 ATP 的 合成 途径 或 ATP 到 腺 苷 的 水 解 途径 , 那 我 们 就 会 得 到 下 列 一 组 反应 : e 71 s and ce + H,0° (1) A-®)®) + © + 8000% A_G) +H,0 (2) a + A—(P) + (P) + 8,000 # A—(P) + HO + A+(®) + 3,004 (3) ATP 的 两 个 末端 磷酸 , 每 一 个 水 解 时 都 得 到 8000 卡 , 而 第 三 个 末端 磷酸 即 最 后 一 个 磷酸 ,水 解 时 只 得 到 3000 卡 . 因 此 ,三 个 分 子 ATP、ADP 和 AMP 之 间 有 很 大 的 差别 . 前 两 个 分 子 与 AMP 相 比 , 称 之 为 高 能 的 ,而 AMP 则 称 为 低能 的 . 虽 然 这 些 专用 术语 只 不 过 是 生物 化 学 家 对 这 三 种 化 合 物 水 解 自 由 能 的 一 种 简略 的 说 法 ,但 它们 之 间 还 是 有 本 质 差别 的 .大 多 数 磷酸 酯 水 解 时 至 多 只 能 得 到 3000 卡 ,， 是 AMP 的 磷酸 键 水 解释 放出 来 的 ; ADP 和 ATP 水 解释 放出 的 能 量 比较 多 ,其 原 因 是 理论 化 学 上 的 一 个 复杂 问题 ,在 这 里 与 我 们 关系 不 大 ; 重 要 的 问题 是 细胞 对 这 一 性 质 的 利用 . 现在 已 习惯 用 波形 符号 一 表示 被 水 解 的 高 能 键 , 以 便 与 低能 键 相 区 别 . 因此 ,AITP 可 写成 A—_®~@®~O®; 有 关 ATP 高 能 键 的 一 件 重 要 事情 是 , 它们 提供 了 一 个 简 便 方 法 来 贮存 由 葡萄 糖 氧化 释放 出 的 能 量 . 在 葡萄 糖分 步 氧 化 成 CO; 的 过 程 中 , 无论 什么 时 候 ， 只 要 该 反应 进行 到 获得 了 多 于 8000 卡 热 的 某 一 点 时 ， 这 个 反应 便 马 上 与 由 ADP 和 磷酸 合成 ATP 分 子 的 反应 偶 联 . 或 许 在 相反 的 时 刻 ` 相反 的 位 置 , 细胞 需要 8000 卡 的 能 量 时 , 所 需要 的 全 部 能 量 都 通过 水 解 ATP 分 子 ,， 把 其 能 量 送 回 到 循环 系统 ,同时 释放 出 ADP 和 磷酸 . 因此 ATP-ADP 系统 可 看 作 是 能 量 存 取 的 一 个 “ 银 行 往来 账 ”, 细胞 可 以 向 其 贮存 氧化 葡萄 糖 赚 得 的 能 量 ,， 以 后 e 72 e 细胞 缺少 现款 "时 ,又 能 提取 出 来 。 ATP 不 是 唯一 的 高 能 化 合 物 。 另 一 种 高 能 化 合 物 是 磷 BELA (CrP). ZN ‘CH, ~CH,.COOH 与 ATP 一 样 ,磷酸 肌 酸 也 能 水 解 ,产生 肌 酸 (Cr) `. 无 机 磷酸 和 AH 8000 卡 的 能 量 。 其 次 , 在 不 需要 能 量 、 也 不 释放 能 量 的 条 件 下 ,ATP 和 肌 酸 彼此 之 间 还 可 以 互相 转移 高 能 键 . A-®)~P)~®) + CC = 人 ~@ + OH 这 个 反应 在 细胞 的 能 量 平衡 中 也 起 作用 ， 因 为 磷酸 肌 酸 仍 能 把 能 量 进一步 贮存 起 来 ; 当 所 有 的 ADP 均 已 转变 成 ATP 时 ， 能 库 装 满 了 ，ATP 开始 把 磷酸 转移 到 肌 酸 上 ,生成 磷酸 肌 酸 ， 又 释放 出 ADP ,结果 又 可 进行 将 其 转变 成 ATP 的 反应 。 另 一 方面 , 当 ATP 贮 量 较 低 时 ,可 把 磷酸 由 磷酸 肌 酸 转 回 到 ADP， 生成 ATP， 装 满 ATP 的 贮存 库 . 如 果 ATP-ADP 系统 是 细 胞 能 库 的 活期 存款 账户 的 话 ， 那 磷酸 肌 酸 就 是 死期 存款 账 户 . 因此 ， 我 们 可 以 说 这 是 细胞 借以 取得 所 需 能 量 的 一 种 方 法 . 许多 种 不 同 的 反应 都 能 生成 ATP. 同样 ,许多 种 不 同 的 反应 都 能 吸收 贮藏 在 这 个 分 子 内 部 的 卡路里 .. 本 书 其 余 绝 大 多 数 的 篇 幅 都 用 于 讨论 合成 和 利用 ATP 的 一 些 途 径 . RT 将 会 看 到 ,在 葡萄 糖 \ 脂 肪 酸 和 氨基 酸 分 解 的 时 候 ， ATP RA 成 ;在 合成 大 分 子 , 肌 收缩 ,神经 传递 信息 ,把 所 要 的 物质 运送 到 细胞 内 、 将 不 要 的 物质 从 细胞 内 运 走 的 时 候 ，ATP 又 分 解 可; 细胞 任何 一 步 活动 都 由 这 个 通用 的 能 量 ` 货 币 ” 的 可 用 性 o 73 。 控制 着 . 在 ATP 缺乏 时 , 细胞 就 变 得 筋疲力尽 , 停止 执行 许多 生 理 功能 ; 在 绝望 中 , 细胞 开始 打开 最 后 剩 下 的 食物 贮备 。 当 ATP 丰富 时 ,细胞 放松 ， 减 慢 葡 萄 糖 的 氧化 ， 使 用 过 剩 的 能 量 , 合成 可 长 期 贮存 的 脂肪 和 糖 类 . 如 果 有 哪 一 种 物质 应 列 为 生化 动力 学 中 心 的 话 ,那么 这 种 物质 就 是 ATP. 合成 和 作 功 所 需要 的 能 最 ATP ADP+P 由 食物 获得 的 能 量 BAA ERMA SAF RMT ATP ay 这 种 关键 作用 的 意义 , 曾 获得 1953 年 的 诺 贝 尔 奖金 . 在 本 章 开始 时 ， 我 们 拟定 了 研究 生物 化 学 动力 学 领域 的 两 个 问题 : 细胞 如 何 完成 它 所 承担 的 化 学 转化 的 任务 ?为 完 成 这 样 的 任务 , 它 在 什么 地 方 获得 所 需要 的 能 量 ? 我 们 现在 对 第 二 个 问题 已 经 做 了 总 的 回答 . 但 是 在 我 们 继续 更 充分 地 回答 这 个 问题 前 ,有 必要 再 考虑 一 下 第 一 个 问题 。 Il i 几乎 没有 化 学 反应 是 完全 自发 进行 的 . 绝 大 多 数 反应 都 需要 引发 . 即使 热力 学 上 适宜 进行 的 反应 ， 像 我 们 在 前 一 节 讨论 的 碳 在 氧 中 的 燃烧 反应 ,完全 依靠 本 身 也 不 能 燃烧 起 来 。 ow es 正 像 谁 都 知道 煤 要 设法 点 燃 一 样 ， 煤 在 通常 条 件 下 是 绝对 稳 定 的 ,温度 不 超过 某 一 点 时 ,一 直 不 与 氧 反 应 .但 是 一 旦 达到 这 一 点 ,反应 就 激烈 地 向 前 进行 ,一 直到 缺 了 煤 或 缺 了 氧 才 停 止 反应 .在 燃点 未 达到 以 前 , 煤 将 无 限期 地 呆 在 炉 内 , 绝 不 燃 烧 ; 要 使 煤 燃 烧 而 不 得 不 加 到 煤 上 的 热量 ,相当 于 该 反应 的 活 化 能 煤 一 旦 点 燃 ， 释 放出 的 能 量 就 比 引起 燃烧 所 加 的 能 量 要 多 得 多 ,但 是 尽管 如 此 , AAR, 也 是 不 会 烧 起 来 这 时 煤 块 等 待 点 燃 的 情况 ， 很 像 一 个 小 球 处 在 很 高 的 山坡 顶 上 的 小 沟 里 ( 见 图 7). 图 7 ”一 个 小 球 处 在 很 高 的 山顶 上 的 小 沟 里 ， 需 要 给 它 少量- 的 活化 能 , 才能 使 它 从 小 沟 里 滚 出 来 . 它 一 旦 滚 出 来 就 径 直 向 下 滚 , 释 放出 势能 “e> 这 个 小 球 由 于 处 在 山顶 上 而 具有 势能 ， 要 把 势能 释放 出 来 ,就 必须 把 少量 的 活化 能 以 推 的 形式 施加 给 它 , 使 它 足 以 洲 出 小 沟 ,越过 山顶 . 化 学 家 可 以 毫 无 困难 地 为 反应 物 提 供 活 化 能 . 他 可 以 在 试管 里 对 反应 加 热 ; 若 是 气体 ,可 以 提高 气体 压力 ;若是 液体 ， 还 可 以 改变 其 pH 值 . 所 有 这 些 事情 ,细胞 一 件 也 不 能 做 . 细 胞 所 合成 的 化 学 物质 ,如 果 温 度 升 高 ,大 大 地 超过 了 377, 或 者 pH 大 大 地 偏离 了 7.0, 就 开始 分 解 . 那么 为 使 反应 能 够 开 始 * 如 何 提供 必要 的 活化 能 呢 ? © 75 e SR Ih aK AERA RAS 足够 的 ATP 来 提供 必要 的 能 量 , 但 这 样 会 消耗 掉 贮 存 的 宝贵 的 ATP.。 然 而 正如 我 们 将 看 到 的 那样 ,有 时 候 却 不 得 不 这 样 做 . 但 是 ,现在 已 经 发 现 了 在 大 多 数 情况 下 ,能 够 绕 过 这 个 困 难 的 方法 细胞 无 论 做 什么 事情 都 是 依靠 二 些小 的 巧 劲 ; 而 不 是 蛮 力 。 在 图 7 中 , 把 小 球 举 高 使 它 越过 山顶 的 另 一 种 方 法 ,是 沿 后 山坡 不 断 地 滚动 小 球 , 一 直到 找到 二 点 , 在 这 点 由 头 相当 低 ,， 只 需 用 最 小 的 推力 就 能 使 小 球 深 下 出 去 .在 化 学 上 ,这 意味 着 ,如 果 我 们 要 进行 反应 Ae | (1) 虽然 该 反应 从 热力 学 上 看 是 有 利 的 ， 但 是 也 还 需要 相当 高 的 活化 能 ， PURER 反 应 按 下 列 方 程式 进行 A +X 一 > AX (2) AX —>B+xX (3) 和 式 A —>B . (4) 其 中 和 式 反应 (4) 与 原来 我 们 感 兴趣 的 反应 (1) 是 相同 的 . 只 有 在 反应 (2 和 (3) 的 活化 能 很 低 , 反 应 能 自发 进行 时 ， X 才 对 我 们 有 用 。 在 这 种 情况 下 , 作为 反应 (2) 和 (3) 的 结果 的 反应 (4), HHA RHETT. 当 这 个 反应 发 生 时 ，, 我 们 也 就 达到 了 目的 ,也 就 找到 了 山顶 上 相当 低 的 一 点 ,足以 使 小 球 从 HA PUR, 而 不 必 花 费 较 多 的 能 量 来 开 一 个 口子 了 。 要 注意 的 是 ,在 反应 示意 图 中 , 我 们 引出 了 X， BRAXSTAZR 应 ,但 是 在 反应 终了 时 , 它 却 依然 不 变 . 象 入 这 样 的 物质 叫做 催化 剂 ， 对 一 个 反应 不 得 不 施加 活 化 能 的 过 程 叫 催化 . 催化 在 化 学 上 是 一 种 相当 普遍 的 现象 ， 在 实验 室 和 工业 生产 中 有 很 多 用 途 。 石 油 催化 裂化 生产 汽 e 7T6 。 油 和 其 他 衍生 物 或 在 油 类 还 原 过 程 中 采用 “ 拉 内 镍 “ 作 催 化 剂 , 使 其 双 键 饱和 转化 成 脂肪 ,例如 人 造 奶油 的 过 程 ， 就 是 众 所 周知 的 催化 裂化 过 程 . ” 酶 类 催化 作用 在 生物 化 学 上 实际 是 很 普遍 的 ， 这 类 生物 化 学 催化 剂 统称 为 酶 .我 们 在 绪论 中 曾 讲 过 比 奇 纳 兄 弟 如 何 出 名 的 :他们 将 酵母 与 砂 在 研 钵 中 磨 碎 ， 制 成 能 使 糖 催化 发 酵 生 成 乙醇 的 匀 浆 ,首次 从 匀 浆 中 提取 出 了 酵母 的 制备 物 。 BE 如 所 有 的 催化 剂 一 样 , 其 作用 服从 于 一 般 规 则 。 这 些 规则 的 要 点 是 ,即使 年 看 起 来 , 酶 的 那些 难以 置信 的 多 方面 的 功能 好 象 几乎 无 法 理解 似 的 ， 酶 还 是 只 能 做 一 些 明 确 规定 好 了 的 工 作 ; 并 且 决 不 能 做 一 些 违 反 化 学 和 物理 学 一 般 规律 的 工作 , (1) 催化 剂 绝 不 能 催化 热力 学 上 不 适宜 进行 的 反应 。 它 绝 不 能 把 不 可 能 进行 的 反应 改变 成 能 进行 的 反应 ， 只 能 将 难 于 进行 的 反应 改变 成 较 易 进行 的 反应 . 4R-BRIEIUE Ja PEACH ASA A] RE ORAS EX. (2) 催化 剂 绝 不 能 改变 反应 过 程 。 如 果 反 应 在 没有 催化 剂 存在 的 情况 下 是 A 一 B, 那 么 催化 剂 所 能 做 的 全 部 工作 便 是 使 A 一 了 反应 较 易 进行 . 它 不 能 创造 出 A 一 C HRM. (3) 催化 剂 不 能 改变 反应 的 平衡 状态 。 在 可 逆反 应 A+B=—=C+D 中 ;如 果 反 应 物 混 合 在 一 起 达 足 够 长 的 时 间 , 不 管 反 应 开始 时 只 有 A 和 了 B, 还 是 只 有 C 和 了 D，, 或 者 四 者 都 有 ,最 后 (A+B) 5 (C+D) 之 间 必 将 达到 一 个 特征 的 ， 十 分 精确 的 比 。 不 管 反应 是 由 酶 催化 ,还 是 本 身 进 行 达到 平衡 状态 ,这 个 比 都 是 *“ 拉 内 镍 是 由 含 30% 镍 的 镍 铝 合金 制 得 的 镍 催化 剂 。 es 77 。 相等 的 . (4) 尽管 这 样 ,在 一 定 的 条 件 下 ,催化 剂 还 是 可 以 对 反应 施加 直接 影响 。 因 此 ,如 果 反 应 A 一 了 B -和 A 一 C 是 热力 学 上 两 个 可 能 的 反应 的 话 ， 则 催化 剂 可 以 把 一 个 反应 所 需要 的 活化 能 降 到 低 于 另 一 个 反应 ， 从 而 帮助 选择 采用 哪 一 个 反应 .在 细胞 内 沿 着 代谢 途径 的 一 些 关键 位 置 上 的 某 些 酶 就 具有 这 种 定向 作用 ,这 是 很 重要 的 . 《5) 最 后 ,催化 作用 的 一 般 规则 还 有 ,尽管 催化 剂 可 以 参 予 它 所 催化 的 反应 , 但 是 在 最 后 , 从 反应 的 混合 物 来 看 , 它 要 复原 ,并 没有 变化 . 这 一 点 已 在 前 面 的 方程 (2) 和 (3) 中 体现 出 来 了 . 这 意味 着 极 大 量 的 反应 物 分 子 能 反复 使 用 极 少量 的 催化 剂 。 例 如， 某 些 酶 能 非常 迅速 地 被 使 用 和 释放 出 来 ， 以 致 酶 的 一 个 分 子 每 分 钟 就 可 以 催化 改变 五 十 万 个 反应 物 的 分 子 , 因 此 酶 对 细胞 内 的 一 些 变化 施加 的 影响 ,与 酶 存在 的 实际 量 完全 不 成 比例 . 其 次 , 酶 是 细胞 用 来 处 理 、 切 割 分 子 以 及 把 分 子 的 原材料 组 合成 分 子 的 一 种 工具 . 一 组 酶 可 以 通过 较 长 的 代谢 途径 从 葡萄 糖 上 拆 邹 下 CO; 来 ,， 另 一 组 酶 可 以 由 许多 氮 基 酸 组 合成 蛋白 质 或 从 一 些 脂肪 酸 组 合成 脂肪 . 然而 , 酶 有 一 种 专 一 性 ， 可 以 把 它 与 其 他 的 非 生物 催化 剂 区 别 开 来 . 非 生 物 催化 剂 ， 象 拉 内 镍 ， 会 很 容易 地 催化 同一 种 类 的 各 个 反应 一 一 加 氧 还 原 反 应 ， 而 酶 对 它们 催化 和 不 催化 的 反应 有 很 高 的 选择 性 . 它们 不 是 通用 的 工具 ,而 是 按 各 种 不 同 规格 定做 的 工具 ;细胞 对 实际 要 完成 的 每 一 种 反应 ,都 需要 不 同 的 酶 . 这 种 专 一 性 也 不 是 完全 绝对 的 ; 当 存 在 着 能 催化 酯 水 解 的 酶 时 ,例如 酯 酶 ,只 要 在 R 基 团 和 了 R' 基 团 之 间 有 了 酯 键 , 反 应 e 78 « oer Se = - 7 — eat OOo ll el R « COOR’ + H,O = R- COOH + R’OH BEASHTH. MAL is R BAM R 基 团 的 性 质 ， 其 他 一 些 酶 选择 性 稍 强 些 ， 要 求 它们 与 之 起 作用 的 这 个 | 分子 至 少 有 一 半 是 确定 的 ,例如 酸性 磷酸 酯 酶 催化 水 解 反应 : ROPO;H, 十 H,O == ROH + H;POQ,. 而 且 , R 可 以 是 许多 可 能 的 基 团 中 的 任何 一 个 ,但 是 如 果 这 个 分 子 的 磷酸 那 一 半 被 别 的 什么 东西 取代 了 ， 酶 就 立即 拒绝 起 fF AA. 然而 ,对 于 大 多 数 酶 来 说 ,绝对 专 一 性 是 个 规律 ， PlaoFZ 酸 脱 所 酶 催化 乳酸 氧化 成 丙酮 酸 : CH, CH, CH(OH) ==> és + 2(H) CO,H ee 乳酸 Aas 而 对 于 非常 近似 乳酸 的 化 合 物 例如 羟基 丁 酸 就 不 能 催化 ， 羟基 十 酸 CH(OH) CO,H Tt AAR FL i AS FL ECE AE SAY 不 起 作用 ,并 且 对 该 酸 的 两 种 旋光 异 构 体 也 能 辨别 ,只 对 其 中 一 种 起 催化 作用 . 绝 大 多 数 酶 , 跟 这 种 酶 一 样 ,是 按照 一 定 规 格 合成 的 ,专门 催化 一 种 反应 . 由 于 细胞 妥 完 成 许多 不 同 的 反应 ， 这 意味 着 在 任何 一 个 细胞 里 一 定 有 许多 种 不 同 的 酶 .而且 实际 情况 确实 真是 这 样 . 现在 已 经 识别 出 近 一 千 种 不 同 的 酶 了 ， 而 且 每 天 还 在 发 现 新 酶 .一 位 酶 化 学 家 曾经 开玩笑 说 ， 有 机 化 学 家 提出 的 任 何 一 个 已 知 的 反应 ， 他 却 保 证 能 在 活 的 生物 体内 找到 某 种 酶 «90 « 来 催化 它 . 现在 还 没有 人 能 证 明 他 是 错 的 . 实际 上 ， 酶 现在 已 开始 成 为 工业 合成 化 学 的 手段 之 一 . 许多 新 的 物质 ， 特 别 是 药物 和 抗菌 素 , 已 借助 酶 生产 出 来 了 . RAAF, 震 为 酶 提供 合适 的 反应 条 件 和 足够 的 能 与 之 起 作用 的 初始 原 料 (能 与 酶 起 作用 的 物质 叫 酶 的 底 物 )， 酶 实际 上 将 不 断 地 分 解 底 物 ,制造 反应 产物 . 当然 ， 并 不 是 任何 一 个 细胞 都 具有 已 发 现 的 所 有 的 酶 . 许多 酶 是 非常 专 一 化 的 , 只 存在 于 特殊 的 细菌 和 真菌 中 。 但 是 绝 大 多 数 细胞 一 定 要 有 至 少 二 百 种 不 同 的 酶 .人 们 会 反复 地 发 现 , 这 二 百 种 同样 的 酶 , 存在 于 鼠 \ 人 BMRA 香 石 竹 类 植物 、 食 用 菌 类 和 效 鱼 等 物种 的 细胞 中 ,需要 由 这 些 酶 催化 的 反应 是 十 分 普遍 的 . 首次 制 得 的 纯化 结晶 酶 是 尿素 酶 (美国 的 萨 姆 纳 在 1926 年 制 得 ). 从 那 时 以 来 ,分 离 提纯 了 大 量 的 结晶 酶 ,大 概 有 150 到 200 种 . 所 有 这 些 酶 经 证 明 都 是 蛋 日 质 .事实 上 ,尽管 许多 酶 连 有 非 蛋 白 物质 ,例如 金属 离子 或 核 背 酸 等 ,但 是 所 有 酶 的 主要 成 份 都 是 蛋白 质 ,这 可 以 看 做 是 一 条 普 过 的 规律 酶 动力 学 现在 对 酶 催化 反应 动力 学 已 经 做 了 非常 深入 细致 的 研 究 ， 这 不 只 是 因为 它 是 生物 化 学 中 能 用 数学 进行 仔细 研究 和 严密 分 析 的 几 部 份 之 一 ， 还 由 于 酶 反应 的 许多 特性 符合 我 们 概述 过 的 催化 行为 的 一 般 规 律 ， 其 余 大 部 份 特 性 都 能 由 酶 是 蛋 日 质 这 一 反 推 导出 来 . 因此 ,如 果 研 究 酶 与 它 的 底 物 的 反应 随时 间 变 化 的 过 程 ， 将 产物 的 量 对 时 间作 图 ,会 得 到 一 条 象 图 8 的 曲线 . 起 初 ,该 反应 很 快 , 生成 了 大 量 产物 ; 以 后 反应 平稳 ,最 后 ,反应 停止 . 反应 所 以 终止 是 因为 所 有 的 底 物 都 转变 成 了 产物 ， 或 是 因为 生成 的 产物 量 _160 4 时间 —__—_—$ $< 图 8 在 不 同 温度 时 ， 酶 反应 随时 间 变 化 的 曲线 酶 在 反应 期 间 受 某 些 副作用 的 影响 ， 例 如 受 pH 变化 的 影响 而 钝 化 ,或 是 因为 达到 了 可 逆反 应 的 平衡 点 ,此 时 底 物 与 产物 均 为 平衡 时 的 浓度 . 图 8 还 表示 ,如 果 提 高 反应 进行 的 温度 ， 不 仅 初始 反应 速度 加 快 ( 这 和 所 有 化 学 反应 一 样 , 温度 升 高 ， 反应 加 快 ), 而 且 酶 的 稳定 性 减弱 ,很 快 就 钝 化 。 大 多 数 哺乳 动物 的 酶 起 作用 的 最 佳 温度 是 35° 到 40"C， 人 体 通 常 都 维持 在 这 一 温度 范围 内 ， 而 鱼 和 其 他 冷血 动物 的 酶 起 作用 的 最 佳 多 度 通常 都 比较 低 . 最 大 活性 2 图 9 酶 活性 和 pH 之 间 的 关系 酶 的 热 不 稳定 性 是 它 的 蛋白 质 本 性 的 一 种 表现 。 另 一 种 e 8l 。 表现 是 对 pH 的 敏感 性 . 所 有 酶 都 有 一 个 起 作用 最 快 时 的 pH fh, 4 pH 稍微 偏离 这 一 值 时 ， 它 的 催化 活性 就 由 峰值 急 剧 降落 下 来 . 图 9 是 酶 的 典型 的 pH 曲线 ， 很 清楚 ,这 一 效应 与 蛋白 质 结构 在 pH 变化 时 而 发 生 的 变化 有 关 。 大 多 数 酶 最 佳 的 pH 值 并 不 远离 中 性 pH7.0, 有 些 酶 , 象 唾 液 的 淀粉 酶 ,起 作用 的 最 佳 pH 值 稍 偏 碱 性 ， 有 些 酶 最 佳 PH 值 竟 高 达 9 至 10, 而 其 他 一 些 酶 , RACK RSS SERRE 条 件 下 (pH 为 2 一 3) 起 作用 的 . 酶 作用 的 机 制 酶 是 如 何 起 作用 的 ? “人们 认为 它 跟 所 有 的 催化 剂 一 样 ， 先 与 底 物 生成 一 复合 物 , 然 后 分 解 ,释放 出 酶 和 反应 产物 。 详 细 研 究 酶 反应 机 制 ,尤其 是 在 改变 条 件 和 改变 反应 物 的 量 时 ， 测定 酶 将 底 物 转化 成 反应 产物 的 反应 速度 ， 从 而 在 理论 上 证 实 了 这 一 设想 。 这 是 在 实验 测定 出 来 以 前 很 久 就 证 实 了 的 。 最 近 已 能 由 实验 直接 证 实生 成 了 这 种 复合 物 . 在 某 些 情况 下 ,例如 底 物 对 光 的 吸收 和 发 射 有 特征 波长 (如 许多 有 机 化 合 物 都 有 特征 波长 ) 时 ,利用 分 光 光 度 计 通 过 观察 这 个 反应 和 反 应 物 对 光 吸 收 的 变化 ， 即 可 看 到 由 酶 和 底 物 构成 的 复合 物 的 生成 和 分 解 。 最 近 几 年 , 一 些 日 本 生物 化 学 家 已 经 分 离 出 氨 基 酸 氧化 酶 和 它 的 底 物 生成 的 紫色 结晶 形 的 复合 物 . 知道 酶 和 底 物 之 间 生 成 复合 物 是 一 回 事 ; 说 明 任 何 一 种 酶 反应 的 精确 细节 是 另 一 回 事 ， 这 主要 是 因为 酶 本 身 是 蛋白 质 , 它 的 实际 化 学 结构 在 很 大 程度 上 还 不 清楚 。 但 是 似乎 可 以 肯定 ,尽管 酶 分 子 很 大 ,然而 实际 的 复合 物 只 涉及 氨基 酸 链 的 一 小 部 份 , 也 许 只 有 6 个 或 12 个 氨基 酸 长 , 该 链 的 其 余部 份 , 在 反应 的 整个 过 程 中 只 能 起 很 微弱 的 作用 。 这 个 关键 的 区 域 叫做 酶 的 活性 中 心 。 链 的 活性 中 心 处 在 适当 的 pH 下 ， e 82 。 有 一 独特 的 构 型 ,组 成 它 的 氨基 酸 携带 着 电荷 ,形成 一 个 在 不 同 程度 上 精确 地 适合 底 物 分 子 的 空间 ; 底 物 分 子 进入 这 个 空 间 就 象 一 把 钥匙 插 人 一 把 对 应 的 锁 内 一 样 的 吻合 ， 电 人 荷 和 其 他 的 分 子 间 力 将 底 物 与 酶 的 表面 连结 在 一 起 ， 结 果 是 底 物 分 子 被 激活 ,易于 起 反应 生成 产物 ， 底 物 一 经 转变 成 反应 产物 ， 就 不 再 适合 这 个 酶 表面 的 空间 了 ， 于 是 被 砍 放 到 周 轩 的 答 训 内 ,为 另 一 个 底 物 分 子 腾 出 了 活性 中 心 . 酶 在 按 底 物 分子 改 变 本 身 的 形状 时 ， 自 己 的 蛋白 质 链 靖 常 不 够 合适 ,便利 用 其 他 物质 做 成 这 一 构 型 ,一 些 金属 离子 就 是 最 常 使 用 的 物质 之 一 ,特别 是 镁 离子 和 锰 离 子 , 它 们 都 有 两 个 正 电 荷 ， 因 此 能 在 蛋白 质 链 和 带 负 电荷 的 底 物 之 间 形 成 一 个 很 有 用 的 键 。 有 时 ,整个 化 合 物 与 酶 的 表面 键 连 在 一 起 , 以 有 助 于 该 反应 的 进行 , 如 核 昔 酸 就 是 这 样 . 通常 如 果 没 有 这 些 附加 物 , 酶 是 无 力 起 作用 的 . BERET SHWRRD REP RARE A ETA 馏 水 中 , i Fe BE ERAS I Ws SPA A. BEBE RAVE MIL, MIWADEUEMANKS SEN DRE 透 出 去 , 进 到 周围 的 水 中 ,但 微 孔 大 小 又 足以 阻止 大 的 蛋白 质 分 子 通 过 .因此 经 几 个 小 时 后 , 袋 内 将 只 剩 有 蛋白 质 了 ,所 有 金属 离子 ,， 核 背 酸 和 其 他 低 分 子 量 的 物质 都 涂 透 出 去 了 . 如 打 酶 的 活性 取决 于 这 些 物质 中 的 任何 一 种 的 话 ， 那 酶 现在 就 不 再 起 作用 了 ， 直 到 把 该 物质 重 又 加 进去 才 会 重新 起 作用 。 这 一 分 离 高 、 低 分 子 量 的 物质 的 过 程 称 为 透析 ,过 去 常用 这 种 方法 了 解 许 多 有 关 酶 起 作用 的 情况 . 这 些 能 促进 酶 起 作用 的 物质 被 称 为 活化 剂 , 也 叫做 辅酶 辅酶 常 是 金属 离子 或 象 核 苷 酸 这 样 一 类 物质 。 有 时 辅酶 连 到 酶 表面 是 如 此 之 坚固 ,以 致 就 连用 透析 法 也 不 能 把 它 移 去 ;这 时 ， 它 称 为 辅 基 。 然而 活化 剂 、 辅 酶 和 辅 基 全 都 具有 同一 功 e 83 e 能 , 将 酶 剪裁 成 适合 于 底 物 的 形状 。 在 图 10h, 我 们 画 出 了 一 个 假设 的 酶 的 示意 图 ,说 明 酶 、. 辅 因子 和 底 物 之 间 的 关系 . 随 着 蛋 日 质 结构 知 识 的 增多 ， 我 们 可 以 了 解 更 多 的 酶 作 用 机 制 . 现在 只 知道 很 少 几 种 酶 在 活性 中 心 周围 有 关于 氨基 酸 顺 序 的 资料 ,还 知道 各 种 不 同 的 酶 ,例如 磷酸 酯 酶 类 和 酯 酶 类 ,其 活性 中 心 之 间 有 显著 的 相似 性 . 十 分 明显 ,几乎 所 有 这 些 酶 ,在 活性 中 心 似乎 全 都 有 一 个 或 多 个 丝氨酸 ,而 其 他 种 类 的 酶 则 有 含 硫 的 氨基 酸 半 胱 氨 酸 ， 因 此 可 以 认为 在 这 些 情 况 下 ，-SH 基 团 对 复合 物 的 生成 是 起 作用 的 . 很 可 能 在 最 近 几 年 里 有 关 酶 作用 机 制 的 某 些 一 般 规 律 会 搞 请 楚 . 对 酶 的 抑制 在 酶 蛋 白 质 的 活性 中 心 化 学 剪裁 极其 精确 ， 这 意味 着 任 何 改变 酶 分 子 活性 中 心 形 状 的 东西 都 会 妨碍 酶 与 底 物 形 成 复 合 物 。 有 些 酶 的 活性 依赖 活性 中 心 电 荷 的 特殊 分 布 情况 , 这 样 的 酶 在 pH 的 变化 改变 了 电荷 分 布 时 便 会 迅速 钝 化 。 有 些 酶 活性 依赖 巷 基 -SH， 因 此 与 斑 基 起 反应 的 任何 物质 都 会 使 酶 钝 化 (例如 , 象 铬 盐 或 示 盐 都 能 使 酶 鳄 化 有些 酶 的 活性 依赖 金属 离子 的 活化 作用 ， 当 酶 的 活化 离子 锌 其 他 金属 离子 取代 时 ,例如 被 铀 或 铁 离子 取代 ， 酶 就 不 起 作用 了 . 这 时 ， 引 起 酶 鳄 化 的 物质 称 为 抑制 剂 ,对 酶 的 抑制 可 以 是 可 逆 的 ,也 可 DRA, 取决 于 一 定 的 周围 环境 。 如 果 该 过 程 是 不 可 逆 的 话 ,就 可 以 说 酶 中 毒 了 . 我 们 记得 , 酶 不 仅 一 定 要 剪裁 成 适合 底 物 的 形状 ,而 且 底 物 本 身 也 必须 精确 地 跟 酶 表面 上 它 可 使 用 的 空间 吻合 ， 这 却 提出 了 抑制 作用 的 另 一 种 形式 .如 有 果 底 物 分 子 有 很 大 改变 的 if, 它 将 不 再 符合 留 给 它 的 空间 ,反应 就 不 能 进行 了 . 但 是 ， 如 果 只 是 稍微 改变 的 话 ， 那 它 还 完全 可 以 象 原来 的 分 子 一 样 ms 84 « o ‘seca oe = © oy he 图 10 酶 \ 底 物 和 辅 因子 (2) 反应 前 ” 底 物 和 酶 加 上 辅 因 子 聚 集 到 一 起 . Gb) 反应 期 间 所 有 的 组 份 都 锁 在 一 起 ?于 是 底 物 分 子 活化 。 () 反应 后 ”释放 分 解 了 的 底 物 分 子 ， 酶 作 好 进行 下 一 个 反应 的 准备 . 溜 进 活性 中 心 ,但 是 一 经 汐 到 那里 ,将 不 能 象 原 底 物 那 样 进行 反应 ,会 留 在 硬 挤 进 去 的 活性 中 心里 ,从 而 阻止 活性 中 心 与 真 正 的 底 物 的 反应 。 该 过 程 十 分 类 似 于 要 用 钥匙 打开 门 , 只 是 es 85 e 这 把 钥匙 稍微 差 了 点 ; 我 们 可 以 把 它 播 进去 , 但 打 不 开门 ,也 不 能 把 它 取出 来 , 锁 被 卡 住 了 . 当 底 物 和 抑制 剂 两 者 可 以 看 成 是 为 酶 的 同 二 活性 中 心 彼 此 竞争 时 ， 这 种 抑制 作用 就 叫做 竞争 性 抑制 作用 .一 个 有 趣 的 例子 是 : 有 些 细菌 生长 需要 对 氨基 苯 甲 酸 . 血液 和 组 织 中 有 痕 量 的 这 种 酸 存在 , 就 足以 供 这 些 细菌 繁 衍 。 然而 与 对 氢 基 茉 甲酸 密切 相关 的 物质 磺胺 ( 即 对 氨基 茶 磺 酰胺 ) 就 会 与 它 争夺 细菌 酶 , 塞 住 细 菌 酶 ,从 而 阻碍 细菌 生长 . COOH SO-NH, . | jy ne Chee” ZA ZA | | NH, NH, 对 氢 基 共 甲 酸 对 氨基 茶 磺 酰胺 因此 , 磺胺 类 药物 防治 一 些 细 蓝 引起 的 疾病 帮 很 有 效 . 按 类 似 原 理 还 找到 了 许多 其 他 药物 和 抗菌 素 ， 即 先 找 到 一 种 对 细 菌 很 必要 而 对 多 数组 织 并 不 重要 的 酶 ， 然 后 找 出 该 酶 的 竞争 性 抑制 剂 。 最 近 研 究 交 症 的 防治 也 是 按 同 一 思路 进行 的 . 近年 来 还 知道 了 另 一 种 抑制 酶 的 形式 . 虽然 我 们 至 今 列 举 的 许多 抑制 剂 和 活化 剂 都 在 酶 的 活性 中 心 或 活性 中 心 周转 起 作用 ,但 是 活性 中 心 当 然 只 是 复杂 精确 的 蛋白 质 分 子 的 一 小 部 份 . 然而 , 该 分 子 其 余部 份 对 于 酶 所 起 的 作用 并 不 全 是 多 余 的 ,因为 在 保持 精确 剪裁 成 的 构 型 中 的 活性 中 心 时 ,涉及 到 该 分 子 精 细 的 三 维 形状 . 现在 已 经 证 明 , 有 些 分 子 通过 与 酶 分 子 的 活性 中 心 完 全 不 同 又 隔 得 很 远 的 部 份 的 相互 作用 来 影响 酶 . 这 种 相互 作用 能 引起 酶 分 子 构 型 电荷 的 变化 ,导致 活性 中 心 的 变化 , 因而 活化 或 抑制 酶 . 这 些 变化 通称 为 变 构 效应 ,现在 已 经 清楚 ,对 酶 活性 很 多 精细 的 控制 都 是 通过 这 种 es 86 。 变 构 效应 的 调节 来 实现 的 ,这 是 细胞 顺利 进行 活动 所 必需 的 ， 我 们 将 在 第 十 章 加 以 讨论 . 酶 的 分 类 | : 虽然 我 们 在 后 面 要 跟 起 作用 的 酶 和 酶 所 催化 的 反应 打 不 少 交 道 , 但 是 我 们 现在 还 应 再 说 两 名。 如 果 生 物化 学 家 不 打 算 把 自然 界 提供 给 他 的 物质 分 类 的 话 ,他 就 算 不 上 是 科学 家 ， 根据 情况 , 酶 有 若干 种 分 类 法 ,而 不 是 只 有 一 种 . BN ARIE 常 是 在 酶 作用 的 底 物 名 称 后 加 词尾 〈-ase) KA. Bl on BB Hs (esterases) 能 水 解 酯 Cester) ,琥珀 酸 脱氧 酶 (succinic dehy- drogenase) 能 从 琥珀 酸 (succinic acid) 上 脱 去 氢 等 等 . 不 过 我 们 已 经 发 现 有 些 例外 ;英文 名 pepsin 〈 胃 和 蛋白酶 ) 和 trypsin 〈 胰 蛋白 酶 ) 业 已 确立 ,甚至 Schardinger enzyme〈 阔 丁 格 酶 ) 或 old yellow _ enzyme〈 老 黄 酶 ) 虽然 在 英文 中 是 外 来 词 ， 也 仍然 见 诸 英文 文献 . 酶 最 符合 逻辑 的 细 分 类 法 是 根据 它们 催化 的 反应 类 型 分 类 , 据 此 可 有 许多 分 法 ,我们 采用 鲍德温 (Ernest Baldwin) 的 分 类 法 ,此 法 将 酶 分 为 五 类 : (1) 水 解 酶 ; (2) 加 成 酶 ; (3) 转移 酶 ; (4) FAR - 《5) 氧化 酶 . 这 种 分 类 法 的 名 称 清 楚 地 表示 出 了 各 种 不 同 的 反应 类 型 .水 解 酶 能 催化 其 底 物 的 水 解 反 应 ,消化 酶 和 其 他 酶 如 酯 酶 (这 是 我 们 已 经 碰 到 过 的 ) 是 这 类 酶 的 典型 . 加 成 酶 能 使 两 种 物质 结合 在 一 起 ,例如 ,这 种 酶 能 把 CO, 加 到 另 一 种 物质 上 . BR 乙酸 脱羧 酶 就 是 一 种 这 样 的 酶 ， 它 能 催化 草酸 和 丙酮 酸 互相 e 87 « 转化 的 反应 : CO,H 丙酮 酸 草 酰 乙酸 转移 酶 能 催化 下 列 类 型 的 反应 : A—B+C—A+B-C ! 其 中 B 从 A 转 移 到 C 上 . RHHBRESRHSR. SAE 芽 糖 分 子 有 两 个 头 尾 相连 的 葡萄 糖 单位 ， 麦 芽 糖 酶 能 从 两 个 麦芽 糖分 子 开始 ,把 它们 转 楷 成 丙 糖 和 葡萄 糖 : 葡 糖 - 葡 糖 十 葡 糖 - 葡 糖 一 = 葡 糖 - 葡 糖 - 葡 糖 十 葡 糖 (258%) (C#FB) (A ) 这 样 FE-PE OS ee LR, SERULIR MHI BH, BINA IE PRE 酯 分 子 的 一 部 份 磷酸 转移 ， 并 固定 到 该 分 子 的 另 一 部 份 上 。 氧化 酶 能 催化 底 物 的 氧化 (或 者 较 常 见 的 是 脱 氢 化 ,这 当然 与 氧化 是 一 回 事 )， 乳 酸 脱 氢 酶 就 是 这 种 酶 ,是 我 们 已 经 遇 到 过 的 一 个 例子 . 可 以 坦白 地 说 ,这 种 分 类 法 有 任意 性 ,并 不 很 严格 . 有 时 不 容易 确定 一 种 酶 属于 哪 一 类 ;例如 ,麦芽 糖 酶 也 能 催化 麦 代 糖 直 接 水 解 ,因此 可 以 把 它 看 作 是 一 种 水 解 酶 ,也 可 以 看 作 是 一 种 转移 酶 .大 多 数 的 酶 一 定 要 由 酶 在 细胞 内 起 的 生理 作用 来 决定 属于 哪 一 类 .然而 ， 只 要 我 们 也 允许 一 些 例外 情况 的 话 , 分 类 还 是 有 用 的 。 最近, 国际 生物 学 协会 酶 分 会 已 经 成 立 了 系统 命名 委员 会 ， 该 委员 会 决定 首先 要 一 并 废除 那些 无 关 紧要 , 易 使 人 误解 的 名 称 , 代替 的 办 法 是 给 每 个 酶 一 个 号 数 ; 以 免 混 乱 . 但 是 科学 家 在 好 多 方面 都 象 过 去 的 铁路 机 车 爱好 ° 88 e | «SAB SRRSABREZRERSE TERIA MER KWRE 机 车 . 对 于 真正 的 葡萄 糖 -6- 磷 酸 酯 酶 , 酶 化 学 家 要 经 过 一 段 很 长 的 时 间 后 ， 才 会 高 兴 地 放弃 自己 的 习惯 叫 法 而 采用 EC. 3.1.3.9. 的 叫 法 。 °e 89 。 第 五 章 代谢 途径 利用 提纯 的 酶 很 容易 研究 催化 反应 . BRE RAMBLE Ha,» ARR BUER ERKNAAREREN. 想 要 研究 酶 反应 动力 学 ,生物 化 学 家 可 以 早上 到 实验 室 去 ,从 冰箱 里 取出 一 瓶 酶 晶体 或 溶液 ,把 它 跟 底 物 混合 起 来 ,在 不 同时 刻 分 析 反 应 混合 物 , 测 定 生成 了 多 少 产 物 .。 但 是 利用 活 细 胞 时 ,情况 就 不 这 样 简 单 了 .细胞 内 有 许多 酶 ,一 种 酶 反应 的 产物 本 身 , 很 可 能 是 另 一 反应 的 底 物 . 反应 进行 得 很 快 , 在 很 短 的 几 秒 或 几 分 钟 内 , 底 物 分 子 就 可 能 经 过 十 余 种 酶 的 处 理 ,由 原来 开始 时 的 底 物 变 得 完全 两 样 了 .例如 ， 进 入 细胞 的 葡萄 糖分 子 ， 很 快 地 转变 成 一 系列 的 产物 .其 中 有 些 葡 萄 糖 被 制 成 氨基 酸 ;有 些 分 解 , 转 变 成 脂肪 酸 , 再 转变 成 脂 类 ;有 些 被 氧化 成 二 Atk. 这 些 中 间 转 化 过 程 , 每 一 步 都 是 由 一 系列 酶 按 顺 序 起 作用 完成 的 ,整个 过 程 就 像 大 工业 生产 线 从 一 闪 送 进 钢板 ， 由 另 一 端 出 来 了 汽车 或 洗衣 机 一 样 ,秩序 井然 ,效率 又 高 。 在 大 工业 生产 线 上 ， 每 步 操作 都 依靠 前 面 已 进行 了 的 操 作 才 能 成 功 , 因 此 在 生产 线 的 开始 部 分 ,操作 有 微小 的 改变 或 HR ,都 会 影响 后 面 制 出 来 的 每 一 件 东 西 ; 对 生产 线 的 操作 进 行 干扰 ,制造 出 来 的 东西 就 不 是 汽车 和 洗衣 机 ,而 是 一 大 堆 表 乱 切 割 成 的 废钢 铁 了 . 因此 , 生物 化 学 家 在 设法 探索 和 说 明 细胞 的 代谢 途径 时 会 不 断 发 现 ， 要 做 到 这 一 点 就 不 得 不 严重 地 破坏 细胞 的 机 能 ,使 代谢 全 部 陷于 停顿 ， 但 是 ,如 果 要 了 解 细胞 作用 过 程 的 全 貌 ， 了 解 细胞 转化 底 物 分 子 的 始末 途径 是 非常 重要 的 。 因此 , 要 尽量 绘 出 细胞 完成 的 各 种 中 间 化 学 转 EAS" IA”. Bate A”. 抑 制剂 现在 用 来 研究 这 些 中 间 转 变 过 程 ( 即 代谢 途径 ) 已 经 有 许 多 好 的 方法 了 。 在 这 里 我 们 只 举 出 其 中 的 两 种 方法 .这 两 种 方法 已 经 一 再 证 明 是 非常 有 用 的 . 第 一 种 方法 , 要 求 选择 某 一 物质 ， 该 物质 专门 阻止 按 顺 序 起 作用 的 一 组 酶 中 的 一 种 酶 的 作用 .让 我 们 来 看 看 这 样 的 反应 顺序 : nL M'--*N AK OMAR, HH K-ase MGR L, MR L- ase Mek L #245 RRM, JA» M-ase 酶 将 M 转 变 成 N. MRA 一 种 抑制 剂 , 这 种 抑制 剂 能 阻止 M-ase 了 酶 将 M 转 变 成 N, R 们 把 它 加 和 人 该 体系 的 话 , 这 时 会 发 生 什么 现象 呢 ? M 不 断 被 制 成 ,但 却 不 再 进一步 被 利用 。 因此 该 体系 中 M 的 量 逐 渐 增 加 。 随 着 它 的 浓度 增加 ， 反 应 工 一 M 的 平衡 开始 有 利于 世 的 时 刻 就 会 到 来 ， 当 这 种 情况 出 现时 ， 由 工 产生 M 将 减 慢 下 来 , 最 后 完全 中 止 . 但 是 ， 同 时 酶 K-ase 还 将 继续 将 开 转 变 成 工 , 所 以 该 体系 中 工 的 量 也 将 开始 增加 . 最 后 ，K-ase 将 停 IETF. 这 种 情况 的 结果 怎样 呢 ? ”如果 我 们 在 无 M-ase 的 抑制 剂 时 分 析 该 组 织 的 话 ,我 们 只 会 得 到 人 和 N; 因 为 和 M 消耗 与 制造 一 样 快 . 但 是 有 抑制 剂 存在 时 , 分 析 结 果 将 表明 还 有 和 M 存 在 .因而 我 们 知道 L 和 M 一 定 是 在 KK 和 N 之 间 的 途中 生成 的 ， 这 就 好 象 是 我 们 要 研究 开 过 高 速 公 路 的 汽车 和 卡车 的 制造 厂 和 型 号 似 的 .在 正常 条 件 下 ,它们 开 得 太 快 ， 我 们 不 能 使 它们 停 下 来 检查 . 但 是 如 果 我 们 在 路 上 安装 交通 指挥 灯 的 话 ， 车 辆 会 慢 下 来 和 停 住 , 最 后 将 拦住 一 长 列车 辆 ， 我 们 就 可 以 从 容 不 迫 地 进行 检查 了 . 使 用 抑制 剂 研究 K>N 的 反应 顺序 ,结果 告诉 我 们 , 工 ° 91 « 和 M 是 中 间 产 物 ， 然 而 我 们 还 不 知道 反应 顺序 如 何 。 下面 的 两 个 反应 顺序 上 一 工 一 NM 一 全 或 K>M—>LON, 哪 一 个 都 有 可 能 . 把 许多 现象 结合 起 来 研究 , 一定 会 帮助 我 们 决定 一 个 正确 的 反应 顺序 。 首先 ， 我 们 可 以 分 离 酶 K-ase 和 L-ase， 证 明 K-ase fil L, L-ase 制备 M。 但 是 ,其 他 酶 也 可 能 存在 ;我 们 就 不 知道 了 .其 次 ,我 们 可 以 证 明 在 抑制 剂 存在 时 , M 在 工 前 积累 ,说明 M 的 使 用 首先 被 阻止 ,而 阻止 志 的 使 用 仅 处 于 次 要 地 位 。 最 后 , 我 们 还 可 以 利用 有 关 荆 和 M 化 学 结构 的 知识 .我 们 知道 ,每 一 种 酶 只 催化 一 种 反应 ,因此 我 们 可 以 预计 工 在 化 学 上 比较 象 K; M 较 类 似 N。 KERB 会 上 的 一 个 游戏 一 样 ,在 这 个 游戏 中 ,一 次 改换 一 个 字母 将 一 个 词 转变 成 另 一 个 词 ， 条 件 是 改换 字母 后 得 到 的 中 间 词 也 要 有 意义 。 假 设 一 定 要 从 BOAT 到 LEND， 并 知道 其 途径 一 定 要 通过 BENT, 那 我 们 就 可 以 通过 下 列 途 径 到 达 LEND. BOAT — BEAT — BENT — BEND — LEND 中 间 三 个 词 的 其 他 排列 都 不 符合 这 条 规则 . 每 个 酶 只 能 改变 该 词 中 的 一 个 字母 ,如 果 我 们 正确 地 看 懂 了 这 条 游戏 规则 , 那 应 该 能 按 正确 的 顺序 把 它们 排 好 . 利用 抑制 剂 研究 这 类 反应 途径 的 例子 是 很 常见 的 ， 以 后 我 们 将 要 讨论 的 绝 大 多 数 的 代 谢 途 径 ( 第 七 章 ), 都 是 用 这 种 方法 来 研究 的 . 同 位 素 法 研究 代谢 途径 普遍 使 用 的 第 二 种 方法 是 放射 性 同位 素 法 . 普通 的 碳 , 原 子 量 是 12, 但 是 还 存在 着 碳 的 同位 素 , 其 原 子 量 是 14， 跟 所 有 的 同位 素 一 样 , 碳 同位 素 在 化 学 上 和 普通 的 碳 原 子 完全 一 样 , 参与 普通 碳 原子 的 所 有 化 学 反应 。 它们 e 92 。 ene 之 间 的 一 个 差别 是 , 碳 14 是 放射 性 的 ,而 碳 12 不 是 放射 性 的 . 现在 已 能 较 容易 地 制备 以 同位 素 代 替 普通 碳 原子 的 碳化 合 物 了 . SERN BOKER TAR 14 的 原子 代替 的 话 , 葡 RS AONE. 如 果 这 时 把 这 种 葡萄 糖 送 给 某 一 组 织 的 细胞 代谢 ， 葡 萄 糖 转变 成 的 所 有 物质 都 贮 集 一 定 比 例 的 标记 碳 14。 Alt, 处 于 葡萄 糖 代谢 途径 中 的 任何 一 种 物质 都 有 放 HE. 通过 分 析 该 组 织 和 鉴别 放射 性 的 化 合 物 , 我 们 能 指出 哪些 物质 是 由 葡萄 糖 转变 生成 的 ， 哪 些 物质 不 是 由 葡萄 糖 转 变 成 的 ， 而且, 如 果 我 们 在 不 同时 刻 分 析 , 便 会 得 出 这 些 物质 在 代谢 途径 中 的 顺序 . 以 下 面 反应 序列 为 例 ， 人 式 中 我 们 从 放射 性 X' 标记 的 少量 化 合 物 A 开 始 .， 反应 一 开 始 , 放 射 性 B-X' 就 开始 生成 ，B-X 的 放射 性 逐渐 增加 .由 于 生成 的 B-X' 越 来 越 多 ，C-X' 也 开始 有 放射 性 了 ， 然 后 D-X' 也 有 放射 性 了 . 与 此 同时 , 由 于 A-X' 被 耗 尽 , B-X'" 的 图 11 利用 同位 素 显 示 的 代谢 途径 放射 性 开始 时 在 A-X" th, 以 后 通过 B-X" 和 C-X® 慢 慢 转移 到 D-X"， 揭 示 了 该 反应 顺序 是 A-X—>B-X—>C-X—>D-X es。 93 。 放射 性 将 慢 慢 下 降 . 最 后 便 会 发 现 只 有 D-X 有 放射 性 了 . 我 们 亦 可 绘 出 不 同 的 中 间 产 物 的 放射 性 随时 间 变 化 的 曲线 图 (All). 研究 这 一 曲线 图 马上 就 会 得 出 这 个 反应 的 顺序 . 在 这 一 方法 中 使 用 的 放射 性 同位 素 , 称 为 “ 示 踪 物 "。 在 代谢 研究 中 , 除 碳 以 外 , 也 采用 磷 和 硫 的 放射 性 同位 素 ， 有 时 还 用 氮 、 氧 和 氢 的 放射 性 同位 素 . 示 踪 法 已 经 获得 了 巨大 的 成 功 . 在 四 十 年 代 舍 恩 海 默 首 次 利用 示 踪 法 揭示 了 整个 代 谢 生 物化 学 都 与 之 有 关 的 人 体 组 成 的 动力 学 状态 ; 卡尔 文 (Melvin Calvin) 利用 示 踪 法 得 到 了 了 解 光 合作 用 中 固定 二 氧 化 碳 的 初始 阶段 的 线索 .最 近 甚 至 利用 此 法 研究 了 标记 氮 基 酸 组 合成 蛋 日 质 的 机 制 . 如 果 没 有 这 种 方法 , 大 部 分 代谢 活 动 的 情况 是 根本 不 可 能 知道 的 . cane 怎样 做 代谢 实验 代谢 实验 最 简单 的 方法 是 使 用 整体 动物 ， 如 果 我 们 用 已 知 组 成 的 食物 或 含 放射 性 示 踪 物质 的 食物 喂 动物 ， 然 后 分 析 血 流 \ 尿 和 娄 便 中 各 种 成 份 的 变化 ,就 能 获知 机 体 对 食物 的 利 用 和 食物 经 代谢 的 最 后 结果 .但 是 这 种 方法 的 潜力 显然 是 有 限 的 ,我 们 得 到 的 信息 限于 代谢 的 第 一 阶段 和 最 后 阶段 ,甚至 我 们 对 最 终 产物 能 增加 多 少 重量 也 搞 不 清楚 ， 我 们 得 出 的 结 论 ， 差 不 多 和 从 各 种 食品 杂货 以 及 垃圾 箱 里 的 东西 推断 一 户 人 家 的 行为 活动 所 得 到 的 结论 处 在 同一 水 平 上 ， 虽 然 得 出 了 一 些 结论 , 但 也 完全 可 能 是 骗 人 的 ， 我 们 可 以 这 样 说 ,“ 当 用 蛋白 质 喂 动物 时 , 不 以 类 便 排 出 的 氮 大 部 分 从 尿 里 排泄 , 这 表明 动物 处 于 氨 平 衡 中 , 既 不 增加 氨 也 不 减少 氨 : 假如 通过 遗传 性 机 能 失常 、 病 变 或 手术 能 使 动物 在 某 些 方面 出 现 变异 的 话 , 那 就 可 以 按 实验 需要 改良 整个 动物 ， 细 菌 的 遗传 性 缺损 即 突 变 ,容易 被 诱发 ,例如 通过 射线 辐射 或 « 94 « Do ye iF 放射 源 照射 诱发 ,已 被 广泛 用 来 研究 细菌 代谢 了 . 这 些 遗 伟 性 缺损 常常 以 缺乏 一 种 专用 酶 的 形式 表现 出 来 ， 利 用 酶 的 这 种 缺损 进行 的 代谢 研究 ， 与 使 用 上 述 的 专用 酶 抑制 剂 进行 的 代谢 研究 是 同一 类 型 的 .。 在 动物 体内 遗传 性 缺损 是 比较 少 ”的 ,在 人 体内 , 葵 酮 尿 和 尿 黑 酸 尿 两 种 遗传 病 , ERIS A 的 典型 病例 , 是 体内 累积 了 异常 的 代谢 物 引 起 的 。 在 这 两 种 情况 下 ,两 种 少见 的 物质 均 在 尿 里 排泄 出 来 了 ,分 析 它 们 出 现 的 原因 ， 已 经 得 到 了 有 关 人 体内 氨基 酸 代谢 机 制 很 有 价值 的 资料 . 例如 ,在 尿 黑 酸 尿 中 , 异常 代谢 物 是 尿 黑 酸 , 还 发 现 如 果 不 准 氨基 酸 进 入 患者 的 食物 ,尤其 是 氨基 酸 酷 氨 酸 不 存在 时 ， 那 患 者 就 不 再 排泄 尿 黑 酸 了 。 这 就 表明 尿 黑 酸 处 在 栈 氨 酸 分 解 的 途径 中 ,因此 还 能 揭示 该 途径 中 的 几 步 过 程 .但 是 ,尽管 取得 了 这 样 的 成 功 ， 利 用 整个 动物 所 能 得 到 的 代谢 资料 还 是 有 限 的 . 使 用 完整 的 动物 往 后 的 下 一 步 实验 是 使 用 离 体 的 完整 器 官 ( 心 胜 、 胃 或 脑 ), 并 且 用 人 造 的 动脉 和 静脉 系统 向 这 个 器 官 输 大 和 输出 代用 血 来 代替 它 的 正常 血 源 . 这 样 的 准备 工作 称 为 灌注 器 官 ,这 能 使 该 器 官 活着 , 即 只 要 保持 在 体温 和 供给 它 带 有 氧 和 葡萄 糖 的 人 造血 流 ， 无 论 从 那 点 看 它 都 能 保持 正常 的 功能 ;长 达 许多 小 时 .灌注 的 人 造血 经 动脉 进入 组 织 器 官 ， 又 经 静脉 离开 组 织 器 官 ， 通 过 比较 从 动脉 进入 和 从 静 脉 离开 的 人 造血 的 成 份 ， 能 获得 许多 有 关 该 组 织 器 官 吸收 和 利用 各 种 物质 的 资料 . 这 种 灌注 系统 技术 的 明显 价值 ， 在 于 能 按 外 科 医 生 的 愿 望 ;暂时 使 某 些 器 官 离 体 , 进行 一 些 很 难 的 手术 , 因而 促进 了 这 种 灌注 系统 的 加 速 发 展 。 当然 , 这 种 灌注 系统 也 是 在 发 展 大 造 肾 胜 和 心脏 的 前 进 道 路 上 的 一 个 阶段 ， 现 在 人 造 肾 胜 和 « 95 e 心脏 已 在 医院 里 普遍 使 用 了 .生物 化 学 家 从 这 里 可 以 了 解 到 很 多 东西 . 例如 , 比较 灌注 的 肝 和 脑 表 明 ， 这 些 器 官 吸收 , 利 用 葡萄 糖 和 氨基 酸 (例如 谷 氨 酸 ) 的 能 力 有 很 大 差别 .对 这 些 差别 的 了 解 导 致 了 这 样 的 发 现 : 与 肝脏 相 比 , 脑 倾 向 于 把 输 人 的 葡萄 糖 转变 成 谷 氨 酸 ,而 肝 则 是 或 者 氧化 输入 的 葡萄 糖 ， 或 者 用 葡萄 糖 合成 糖 原 .这 种 差别 提供 了 揭示 不 同 器 官 在 生 物化 学 上 专门 完成 不 同 生理 功能 的 途径 ， 但 是 还 不 能 提供 某 些 决定 性 的 资料 ， 例 如 有 关 将 葡萄 糖 转变 成 谷 氨 酸 或 糖 原 的 精确 途径 的 资料 . 在 比 完整 的 器 官 更 简单 的 组 织 水 平 上 ， 生 物化 学 家 找到 了 一 个 能 更 加 自由 地 操纵 和 控制 的 系统 ， 而 该 系统 还 要 保留 足够 的 原 器 官 特性 ， 使 他 能 完全 肯定 正在 描绘 的 是 一 个 真实 的 ,而 不 是 错误 的 代谢 途径 图 。 如 果 制 备 了 薄 的 组 织 切 片 并 迅速 将 其 转 到 温 的 , 充 了 氧 的 、. 具 有 合适 组 成 的 介质 中 ,利用 这 种 方法 就 可 以 连续 几 个 小 时 观测 该 组 织 切片 吸收 氧 和 放出 二 氧化 碳 的 情况 ,其 速度 与 完好 无 损 的 器 官 呼吸 速度 相 比 ,并 不 是 很 差 的 . 这 是 进行 这 种 观测 的 一 种 新 的 极 有 用 的 方法 。 这 类 切片 的 存活 部 分 取决 于 切片 的 制备 和 介质 的 组 成 。 关 于 介质 ， 人 们 正在 研究 为 组 织 切 片 配备 人 造 环境 ,既然 要 使 组 织 切 片 活 下 去 ， 人 造 环 境 就 一 定 要 具有 真实 环境 的 许多 条 件 . 关于 介质 最 重要 的 事情 是 它 必 须 含 有 缓冲 剂 ， 使 pH 大 致 保持 在 7.4 左右 ; 含有 少量 的 钠 、 钾 、 钙 、 镁 离子 ; 含有 切片 的 底 物 源 ,例如 葡萄 糖 ; 还 要 有 可 靠 的 氧 供应 .其 他 有 机 物 根 本 不 需要 ;切片 在 这 种 简单 的 介质 中 ,好 象 还 是 原来 器 官 上 的 一 部 分 ,借助 于 毛细 作用 还 得 到 有 规律 的 供血 ,继续 保持 着 原 来 的 行为 。 其 他 唯一 的 要 求 是 , 从 机 体 切 下 组 织 要 迅速 制 成 切片 ,并 要 切 得 很 薄 , 足 以 确保 溶解 在 该 介质 中 的 氧 能 自由 地 到 达 切 片 的 各 个 部 分 ,使 它 的 细胞 能 进行 呼吸 。 实 际 上 ,这 种 e 96 。 切片 也 能 用 小 刀片 徒手 削 成 厚 约 0.3 到 0.5 毫米 ,1 平方 厘米 的 大 小 . 这 种 方法 好 就 好 在 实验 者 能 精确 控制 所 有 的 实验 条 件 ; 能 改变 周围 介质 的 组 成 ,供给 切片 无 数 种 可 能 底 物 中 的 单 独 一 种 或 组 合 起 来 的 多 种 ， 能 在 事先 决定 的 时 间 准 确 地 开始 和 停止 反应 ,能 精确 地 测量 耗 用 了 多 少 氧 , 产 生 了 多 少 二 氧化 碳 和 贮 集 了 多 少 产 物 . 许多 年 来 ， 对 切片 行为 的 研究 仍 在 继续 提供 大 量 的 宝贵 资料 ,这 没有 什么 可 奇怪 的 . 葡萄 糖分 解 、 氨 基 酸 互相 转变 和 脂肪 酸 合成 的 详细 机 制 问 题 已 利用 组 织 切片 解决 了 .而 且 越 来 越 有 可 能 利用 组 织 切 片 解决 由 胰岛 素 和 甲状 腺 素 之 类 的 激 素 调节 剂 和 由 钊 、 钙 之 类 的 简单 离子 调节 和 控制 的 细胞 代谢 形式 的 更 加 一 般 性 的 问题 . 利用 组 织 切片 , 有 可 能 获得 作为 统一 整体 并 与 各 部 分 和 谐 结合 的 细胞 活动 图 象 。 这 种 图 象 是 .当代 生物 化 学 的 讨论 题目 . 在 低 于 组 织 切 片 的 水 平 上 ， 根 据 一 个 组 织 的 酶 的 刘 提 或 温和 的 机 械 破 碎 而 建立 的 一 些 方法 ,能 将 各 个 细胞 彼此 分 开 ， 使 其 大 致 不 受 损 伤 . 对 由 几 种 细胞 组 成 ,而 每 种 细胞 都 对 总 的 生物 化 学 过 程 发 生 一 定 作 用 的 器 官 来 说 ， 由 于 接着 进行 离 心 分 离 ,将 细胞 进行 分 类 ( 见 第 九 章 ), 这 种 方法 的 用 处 正在 增 加 . 在 低 于 组 织 切 片 的 最 后 一 级 水 平 上 ， 利 用 实验 室 中 的 多 浆 装 置 , 相 当 于 厨房 里 的 绞 碎 机 ，, 或 用 研 乓 和 研 村 研磨 ,可 以 将 一 个 组 织 完全 破碎 。 这 种 方法 会 破坏 细胞 的 组 织 结构 , 使 其 向 溶液 里 释放 出 许多 酶 ， 这 些 酶 的 活性 用 别 的 方法 是 不 容 易 研 究 的 ， 因 为 在 用 切片 和 完整 器 官 的 实验 中 ， 由 于 种 种 原 因 , 酶 的 活性 被 遮 丽 了 . 单个 酶 反应 动力 学 ,用 匀 浆 研究 比 用 切片 或 露 官 容 易 得 多 ,由 于 这 个 理由 ,可 以 利用 匀 浆 研究 高 级 组 织 结构 内 初次 观测 到 的 反应 的 详细 机 制 ， 匀 浆 化 的 另 一 种 ee。 97 e 形式 ,正如 我 们 在 第 九 章 中 将 要 见 到 的 那样 ,适用 于 制备 部 分 纯化 的 亚 细 胞 体系 ， 该 体系 含有 能 催化 一 个 特定 反应 顺序 的 所 有 的 酶 .线粒体 的 制备 物 就 是 一 个 例子 ， 它 含有 氧化 和 磷 酸化 的 一 整套 酶 ( 见 第 六 章 ). 从 这 些 总 的 论述 ， 我 们 现在 可 以 马上 转 到 讨论 土 述 方法 所 揭示 的 一 些 较 重 要 的 代谢 途径 了 。 ee 98 e 第 六 章 产能 反应 代谢 途径 有 许多 分 类 方法 . 在 一 些 较 旧 的 教科 书 里 , 代 谢 途 径 通 常 分 为 两 类 : 一 类 是 现存 物质 分 解 成 较 简 单 的 化 合 物 的 途径 ,例如 蛋白 质 分 解 成 氨基 酸 , 氮 基 酸 再 继续 分 解 和 氧 化 ; 另 一 类 代谢 途径 正好 与 此 相反 ,是 从 简单 物质 合成 复杂 物 质 , 即 用 氨基 酸 合成 蛋白 质 . 分 解 反应 称 为 分 解 代 谢 反 应 , 合 成 反应 称 为 合成 代谢 反应 ， 任 何 时 刻 发 生 的 分 解 代 谢 反 应 和 合成 代谢 反应 总 起 来 就 是 该 细胞 的 总 代谢 过 程 . 另 一 种 分 类 法 是 把 这 些 反 应 分 成 产能 反应 和 耗 能 反应 ， 一 般 说 来 , 产能 反应 是 分 解 代谢 反应 , 耗 能 反应 是 合成 代谢 反应 . 但 是 ,不 是 所 有 的 分 解 代 谢 反 应 都 产生 能 量 . 实际 上 细胞 进行 的 许多 复 杂 的 降解 过 程 都 是 需要 能 量 的 ， 但 是 细胞 完成 这 些 反 应 仍然 是 为 了 除 掉 一 些 本 身 不 需要 的 物质 . 在 这 里 我 们 主要 讨论 细 胞 生成 ATP 的 反应 ,在 下 一 章 讨 论 运 用 ATP 的 途径 . 生物 和 氧化 细胞 通过 氧化 食物 可 以 得 到 绝 大 部 分 的 能 量 . 氧 由 肺 从 空气 中 吸收 ,进入 血 流 ,与 红色 的 含 铁 色 素 血 红 蛋 白 生 成 一 种 松散 的 复合 物 ， 当 循环 的 血 波 到 达 身 体 的 含 氧 量 较 低 的 组 织 时 ,血红 蛋白 和 氧 的 复合 物 解 离 ,， 把 氧 释 放 到 溶液 中 , 氧 穿 过 SARE. 细胞 产生 的 二 氧化 碳 返回 血 流 , 流 到 肺 脏 , 被 肺 清除 出 去 , MEA ZEA. 这样, 细胞 就 能 得 到 源源 不 断 的 充足 的 氧 来 帮助 其 产生 所 需 的 能 量 . 氧化 是 一 种 趋 于 产生 很 高 自由 能 的 反应 ;我 们 已 经 讲 过 ， e 99 e — 305) FA i AEN ,放出 的 能 量 为 673000 卡 . 但 是 这 样 大 量 的 能 决 不 允许 一 下 子 全 部 释放 出 来 ; 实际 上 它 是 通过 一 组 酶 连续 起 作用 , 分 几 步 释放 的 . 这 些 步骤 形成 了 一 条 代 谢 途 径 ,也 是 我 们 要 予以 详细 讨论 的 第 一 条 代谢 途径 . 让 我 们 先 若 虑 一 下 氧化 反应 本 身 的 特性 . 通常 我 们 把 氧 化 反应 的 方程 式 写成 : A +0,— AO, (1) 其 中 A 为 一 种 可 氧化 的 底 物 ， 氧 化 成 Ao:。 把 氧 加 到 分 子 上 是 氧化 的 一 种 形式 ,然而 还 有 其 他 氧化 形式 。 其 中 一 种 形式 是 根据 下 述 反 应 除去 氢 ， AH, 十 X 一 人 A 十 XH， (2) 在 反应 (1) 里 ,我 们 利用 氧 将 A 和 氧化。 在 反应 (2) 里 ;我 们 利用 另 一 种 物质 X 除 去 了 氢 , 即 氧化 了 A, 而 X 则 被 还 原 . 在 这 个 反应 里 , 氧 本 身 甚至 未 参与 反应 ,就 完成 了 氧化 . 氧化 还 有 第 三 种 形式 . 要 了 解 这 一 点 ;我 们 一 定 要 记 住 ， 氧 原子 可 看 成 是 由 带电 荷 的 氢 离 子 Ht 加 上 一 个 带 负电 荷 的 He 组 成 的 . 在 水 溶液 里 ，H+ 离子 和 ON 离子 同时 存 在 ,就 许多 方面 而 言 ， 从 一 个 带电 离子 上 除去 一 个 电子 ， 相当 于 它 被 氧化 。 因此 , 当 双 电荷 的 铁 离子 即 亚 铁 离子 转变 成 正 三 价 的 铁 离子 时 ,进行 的 也 是 氧化 反应 : Fett — e — Fettt (3) 所 有 这 些 反 应 都 是 在 细胞 里 发 生 的 ,但 总 的 说 来 ,细胞 完成 第 二 、 三 种 反应 比较 容易 , 而 且 是 在 没有 氧 直接 参与 下 完成 的 。 不 过 反应 1) 确实 很 重要 .有 一 些 酶 称 为 氧化 酶 ， 催 化 它 的 底 物 由 空气 中 的 氧 直接 氧化 .在 绝 大 多 数 的 细胞 中 都 发 现 了 这 些 酶 ,而 证 植物 细胞 里 尤其 普遍 . 其 中 的 多 酚 氧 化 酶 ,其 作 用 是 吃 苹 果 要 削 皮 的 人 所 误 知 的 . 革 果 含有 一 种 痕 量 的 称 为 儿 茶 酸 的 化 合 物 ， 此 化 合 物 在 多 酚 氧 化 酶 的 作用 下 能 氧化 成 «© 100 « 复杂 的 瞳 棕色 物质 . 当 把 苹果 切 开 时 ,切口 暴露 于 空气 中 ,多 酚 氧化 酶 就 开始 起 作用 ,使 切口 逐渐 变 成 标 色 但 一 般 说 来 ,细胞 还 是 易于 以 方程 式 (2) 进 行 氧化 的 . 在 原则 上 ,细胞 的 氧化 器 是 由 象 方程 式 (2) 中 的 和 那样 的 一 系列 物质 和 一 些 能 催化 这 种 反应 的 酶 组 成 的 . 我 们 把 象 入 这样 的 物质 称 为 氢 载 体 ， 催化 这 类 反应 的 酶 是 脱氧 酶 ,通常 对 其 氧 化 的 单一 的 底 物 是 专 一 的 ， 因 此 对 细胞 能 氧化 的 每 一 种 物质 都 有 一 种 脱氧 酶 .例如 我 们 已 经 讲 到 的 乳酸 脱氧 酶 . 另 一 方 面 , 氨 载 体 本 身 不 全 都 是 专 一 的 ; BLE, 在 细胞 内 专 一 的 脱 氢 酶 一 经 形成 了 氢 由 方程 式 (2) 中 的 A 传 递 到 X 的 初始 环节 ， 同一 组 载体 全 都 能 用 于 氧化 过 程 . 氢 载 体 是 按 势能 逐渐 降低 的 顺序 排列 的 ， 因 此 和 氧 原子 每 次 由 一 载体 传递 到 另 一 载体 时 就 释放 出 一 些 能 量 , 并 以 ATP 的 形式 贮 集 起 来 . 在 一 连 串 氧化 的 末尾 ， 氧 本 身 当 然 一 定 要 出 现 *, 否则 最 末 的 氧 载体 ,比方 说 Z, 一 旦 被 还 原 , 就 无 法 脱 去 氢 ， 因 此 最 末 一 个 载体 由 氧化 酶 将 其 氧化 ， ZH, + (O) 一 >Z + H,O (4) 然后 在 这 一 过 程 中 , 我 们 以 高 势能 底 物 AH: 开始 ， 将 氢 治 一 组 载体 传递 ,每 次 都 释放 一 些 能 , 直到 最 后 , 最 末 一 个 载 体 将 它 传 递 给 氧 , 于 是 便 结 合成 一 个 水 分 子 。 事实 上 ,这 个 过 程 的 作用 象 以 前 常用 来 磨 谷物 的 水 车 一 样 . 水 往 和 人 到 水 车 顶 部 在 高 势能 处 的 水 斗 里 (因为 它 能 下 降 数 英尺 ). 第 一 个 水 斗 减弱 了 它 的 落 势 ,在 这 样 做 的 时 候 , 本 身 也 就 开始 了 运动 , 从 而 带动 了 轮子 转动 . 水 注 和 人 第 二 个 水 斗 里 , 水 车 又 获得 了 能 量 , 炙 续 运 动 。 然 后 水 注入 第 三 个 水 斗 , 第 四 个 水 斗 , 最 后 水 到 了 水 车 的 底部 , 便 流 入 河 里 .一 组 水 斗 向 下 落 的 时 候 , 水 在 *# 虽然 这 样 , 正 如 我 们 将 要 看 到 的 那样 * 有 些 细菌 能 用 其 他 物质 如 亚 硝酸 作 为 氧 源 ?而 不 用 空气 。 e101 。 各 部 分 的 势能 被 提取 出 来 使 水 车 转动 . 跟 水 一 样 , SEA 传递 的 过 程 中 ,经 过 一 些 载 体 时 ,可 利用 的 能 量 被 逐步 提取 出 HE. NAD 绝 大 多 数 氨 载体 的 特性 现在 已 经 清楚 了 .当初 次 研究 脱 氨 酶 时 ,人 们 发 现 ,， 脱 氢 酶 如 果 被 透析 ， 就 会 失去 活性 . WE 性 的 辅 因 子 明 显 地 活 透 出 来 了 ， 留 在 透析 包 里 的 蛋白 质 酶 是 无 活性 的 。 被 分 离 出 来 的 辅 因 子 命名 为 辅酶 I， 但 是 接着 确 定 了 它 就 是 方程 式 (2) 中 的 物质 X, 第 一 个 氧 载体; 显然 没有 它 方程式 (2) 的 反应 就 不 能 进行 ;脱氧 酶 和 从 A 收 集 来 的 氢 无 关 . 现在 证 明 , 在 化 学 上 ,X 即 辅酶 1 是 一 种 核 昔 酸 :， RR RES BR, 简称 为 NAD。 我 们 把 它 写 出 来 , SBE 的 组 成 会 更 加 清楚 : 获 酰 胺 -核糖 -磷酸 -磷酸 -核糖 - 腺 味 叭 这 个 分 子 活 涛 的 一 端 即 实际 接受 氢 的 部 分 ;是 获 酰 胺 核 昔 酸 ， 反应 如 下 : H H. UH sony 本 C、 ets Re Sc--CONH, +2H HC C—CONH, i = HO eH 2H HC. CH i . | Bi 一 人 @ 一 0”~ 核糖 一 @@ 一 OH 几乎 所 有 的 脱氧 酶 都 能 使 氨 原 子 从 它 的 底 物 直接 转移 到 NAD, 氧 原子 可 以 从 许多 不 同 点 到 达 NAD ,就 好 象 乘客 涌 向 火车 站 一 样 , 但 是 所 原子 一 经 上 了 车 ,就 在 同一 条 路 上 奔 向 终 ROTA. 有 一 条 分 支 途 径 能 使 一 些 底 物 的 氢 完 全 绕 过 NAD, 同时 至 少 还 有 另 一 条 干线 通 向 氧 , 这 条 干线 以 与 NAD 102。 ee ee eee 关系 密切 的 物质 获 酰 胺 腺 嗓 叭 二 核 苷 酸 磷酸 (或 NADP) 为 起 点 一 一 我 们 将 在 下 一 章 讨论 它 的 意义 ; ”但 是 这 两 条 途径 与 NAD 途径 相 比 只 起 次 要 作用 . 从 NAD 直到 终点 氧 , 途 中 有 一 些 车 站 ,总 共有 六 个 之 多 。 到 达 NAD 的 氢 原 子 要 顺 次 通过 这 六 个 车 站 才能 到 达 终 点 氧 。 由 于 有 关 的 一 些 化 学 反应 的 复杂 性 和 这 些 反应 与 生成 ATP 的 反应 偶 联 ,由 于 沿 氢 载 体 途径 传递 的 速度 很 快 , 所 需 时 间 只 有 一 秒 的 千 分 之 几 ，, 研究 载体 的 化 学 性 质 极为 困难 . 尽管 在 四 十 多 年 或 更 长 的 时 间 里 ,许多 生物 化 学 家 ,包括 德国 人 沃 伯 格 ,英国 人 基 林 (David Keilin) 以 及 近期 的 美国 人 格林 (David Green) 和 蔡 斯 〈Britton Chance) 等 著名 的 科学 家 的 努力 研究 ， 仍 有 许多 奥秘 没有 揭 开 . 我 们 在 这 里 画 出 的 示意 图 大 致 是 根 所 现在 的 资料 画 的 ， 但 是 几乎 可 以 肯定 ， 这 决 不 是 最 后 的 结 论 . 在 离开 NAD 的 头 两 个 站 是 在 结构 上 与 NAD 没有 多 大 差别 的 物质 。 跟 NAD 一 样 ， 这 两 种 物质 通过 还 原 接 受 氢 原 子 , 又 通过 氧化 脱 掉 氨 原子, 给予 随 后 的 载体 ， 其 中 的 第 一 种 物质 是 黄 素 , 黄 素 呈 黄色 ,具有 荧光 ， KE 黄 素 分 子 由 三 个 并 连 着 的 环 组 成 : 但 是 ,分 子 实际 起 作用 的 部 分 是 中 间 和 右边 环 上 的 一 对 氮 , 它 们 能 反复 地 氧化 和 还 原 : 。 103 。 eee ais eo Cc — H 与 我 们 已 讲 到 的 其 他 生物 活性 物质 一 样 ， 黄 素 能 象 核 昔 酸 一 样 化 合 ,连结 到 核糖 磷酸 上 ,有 时 也 可 以 连结 到 腺 味 叭 核 昔 酸 上 ,生成 黄 素 单 核 苷 酸 (FMN) 或 黄 素 腺 嗓 哈 双核 昔 酸 (FEAD).. 黄 素 核 苷 酸 与 NAD 不 一 样 ,， 前 者 能 牢固 地 与 蛋白 质 结合 ,用 透析 法 是 除 不 掉 的 。 这 样 的 蛋白 质 通 称 为 黄 素 蛋 白 (FP)。 黄 ” 素 蛋 白 参 与 的 典型 反应 是 NADH: WAI: NADH, + FP == FPH, + NAD 在 此 反应 中 ,可 以 认为 黄 素 蛋 白 的 蛋白 质 部 分 能 催化 NAD 的 氧化 ,因此 是 一 种 酶 一 NAD 脱氧 酶 . 已 知 的 还 有 另 一 种 FP 酶 ,能 使 琥珀 酸 氧化 成 富 马 酸 : CH, - COOH CH - COOH + FP == | + FPH, CH, - COOH CH - COOH 这 种 酶 的 存在 ， 意 味 着 琥珀 酸 的 氢 原 子 不 经 NAD 就 能 直接 转移 到 黄 素 上 ,这 是 至 今 发 现 的 一 条 主要 的 分 支 途 径 ; 氧 原子 除 绕 过 NAD Jb, 可 以 通过 这 条 途径 被 迅速 传递 到 氧 原子 处 . 现在 还 不 清楚 ， 为 什么 琥珀 酸 的 氧化 途径 与 其 他 绝 大 多 数 底 物 的 氧化 途径 不 同 , 但 是 催化 这 个 反应 的 琥 班 酸 胶 气 酶 ,肯定 是 十 分 复杂 的 柄 类 在 氢 载 体 途 径 中 ,离开 FP 的 下 一 站 ， 几 乎 可 以 上 衣 定 是 另 一 种 反复 氧化 和 还 原 的 分 子 , 称 为 柄 , 即 辅酶 Q. 柄 类 是 一 种 带 两 个 氧 原 子 的 六 碳 环 分 子 , 易 还 原 成 气 配 。 。104 。 ai -ec R- 及 0 QH R 可 以 是 各 种 各 样 的 基 团 ,将 这 个 分 子 只 作 些 小 的 改动 ,就 是 维生素 王 的 分 子 ， 它 与 维生素 玉 也 很 相近 . 虽然 这 样 ,看 来 这 个 氢 载 体 还 不 是 这 两 种 物质 中 的 任何 一 种 ，R 是 一 种 长 链 脂肪 酸 残 基 , 这 种 物质 称 为 辅酶 Q. 辅酶 Q 也 许 参与 还 原型 的 黄 素 蛋 折 的 氧化 ,从 黄 素 蛋 日 接受 两 个 氧 原子 ,接着 这 两 个 氢 原 子 又 传递 到 下 一 个 载体 细胞 色素 b， 它 反 过 来 又 被 氧化 Si 细胞 色素 前 面 我 们 讨论 的 是 氢 通 过 交替 加 减 直接 传递 ， 如 100 页 土方 程 (2) 所 示 。 沾 氢 载 体 途 径 再 向 下 一 个 区 域 运 动 时 ,我们 就 从 氢 的 这 种 传递 类 型 转 到 了 另 一 种 传递 类 型 ， 即 通过 交替 氧化 和 还 原 铁 离子 来 传递 ,如 方程 (37) 所 示 。 ARTA KAR TMF: H—>Ht+e7 该 电子 通过 铁 离 子 交替 氧化 和 还 原 的 方式 ， 沿 氧 载体 途径 向 下 传递 四 个 站 : Fet+ == Fett+ 十 er 与 此 同时 ,作为 氢 原 子 的 一 部 分 的 H+， 则 被 暂时 存放 在 氢 载 体 蛋 白质 周围 的 水 中 ,最 后 又 被 拖 回来 与 氧 反 应 ， 在 NAD 和 和 氧 之 间 的 这 一 段 氢 载 体 途 径 上 ， 构 成 各 站 的 物质 是 一 些 密 切 相 关 的 称 为 细胞 色素 的 蛋白 质 . 每 一 种 细胞 ° 105 。 色素 都 有 一 个 含 铁 离子 的 辅 基 一 一 血红 素 ， 宇 固 地 结合 在 其 蛋白 质 表 面 上 .因此 细胞 色素 与 血液 的 血红 和 蛋白 类 似 , 并 与 血红 蛋 日 一 样 ,都 是 红色 的 ,能 与 氧 直接 反应 。 由 醒 放 出 的 所 原子 ,转移 到 第 一 个 细胞 色素 (细胞 色素 b) 上 , 它 捕 住 电子 ,使 铁 离子 Fe ”还 原 成 亚 铁 离子 ,而 把 We 放 于 周围 的 介质 中 . 电子 由 细胞 色素 b 传递 到 第 二 种 细胞 色 素 即 细胞 色素 a. o 的 铁 离 子 被 还 原 成 亚 铁 离子 ,b 的 亚 铁 离 ， 于 又 被 氧化 成 铁 离子 。 以 同一 方式 ， 该 电子 又 从 细胞 色素 a 传递 到 细胞 色素 a, 然后 再 传递 到 细胞 色素 a, SRL, 各 细 胞 色素 象 一 系列 兰 球 队员 一 样 工作 着 ， 把 电子 球 从 一 个 色素 传递 到 另 一 个 色素 ,每 传递 一 次 就 更 接近 终点 氧 一 步 通过 细胞 色素 as 最 后 到 达 了 终点 , 也 就 是 到 了 和 氢 载 体 传 递 途 径 最 后 的 反应 ， 细 胞 色素 a 的 还 原型 的 亚 铁 离子 ， 通 过 将 电子 传递 给 氧 而 被 氧化 ;二 个 电子 二 个 氢 离 子 和 一 个 氧 原 子 同 时 起 反应 生成 水 . 2Fe + 2H* + O —=> 2Fet** + HO 细胞 色素 a 通过 消耗 氧 的 方式 来 氧化 前 面 的 细胞 色 系 而 起 作用 ,因此 有 时 就 把 它 看 成 是 一 种 酶 , 称 之 为 细胞 色素 氧 Ache. 附带 说 一 下 , 氰 化 物 能 阻止 还 原型 的 细胞 色素 的 氧化 ,这 就 是 氰 化 物 在 体内 引起 中 毒 的 原因 . 如 果 细 胞 色素 不 能 被 氧 化 ， 氢 的 传递 不 能 进行 ，ATP 也 不 能 制 成 。 结果 便 由 于 能 量 缺乏 而 迅速 死亡 . 另 一 方面 , 氧化 型 的 细胞 色素 能 通过 接受 由 氢 载 体 途 径 返 回 的 电子 而 被 还 原 ， 有 些 麻 醇 药 物 就 是 通过 减 慢 还 原 时 的 速度 起 作用 的 ,结果 便 降 低 了 一 点 能 量 , 这 是 很 现在 我 们 可 以 把 氢 传 递 途径 上 所 有 的 站 按照 从 底 物 到 氧 的 顺序 全 都 写 出 来 了 ,包括 绕 过 NAD 的 琥珀 酸 分 支 途 径 : 。 106。 - 4 P ee ee ee ee AS Hee 一 > FP 所 Q 一 > 细胞 色素 b 一 > 细胞 色素 c: 一 -> AH,—>NAD—> FP/ 细胞 色素 a 一 > 细胞 色素 2 二 >O， ”在 画 这 样 的 反应 链 时 ， 我 们 不 知道 是 否 忽 略 了 哪个 必要 的 环 节 ， 也 不 能 完全 肯定 琥珀 酸 分 支 途径 与 NAD 的 主要 途径 偶 联 的 详细 情况 ， 但 是 我 们 可 以 肯定 这 个 图 的 主要 轮廓 是 正确 的 . 氧化 磷酸 化 氨 原 子 沿 一 系列 载体 传递 到 氧 的 目的 是 为 取得 可 使 用 的 能 量 , 因 此 ,我 们 预计 可 能 会 发 现 氢 原子 沿 载体 途径 向 下 进行 时 的 反应 会 与 ATP 的 合成 过 程 偶 联 在 一 起 . 实际 情况 的 确 也 是 这 样 ， 要 通过 载体 途径 发 生 氧 化 ， 必 须 有 ADP RR. 在 氧化 的 时 候 ,， 这些 物 质 逐 渐 用 完 ， 同 时 ATP 形成 . 当 所 有 的 ADP 或 磷酸 被 用 完 时 , 氧化 就 停止 。 因 此 它们 之 闻 的 偶 联 机 制 , 很 象 汽 车 发 动机 和 轮子 之 间 靠 一 些 传 动机 构 联动 那样 。 氧化 使 发 动机 运转 ， 接 着 使 轮子 转动 ， 也 就 是 合成 ATP.。 但 是 我 们 若是 通过 刹车 即 除 掉 ADP 供应 使 轮子 停 转 的 话 , 那 发 动机 就 停止 了 ,也 就 是 氧化 终止 了 . 在 汽车 里 ,我 们 可 以 解 开 发 动机 和 轮子 之 间 的 偶 联 来 让 发 动机 不 停止 运转 ， 即 把 排挡 放 在 空挡 上 , 让 它 空转 细胞 也 有 这 种 使 氧化 和 磷酸 化 解除 偶 联 的 机 制 ， 这 留待 以 后 讨论 细胞 如 何 调节 其 活性 时 再 讲 。 但 是 通常 这 两 个 过 程 总 是 紧密 地 联系 在 一 起 的 . 如 果 对 用 去 的 ADP 和 磷酸 以 及 合成 的 ATP 进行 定量 研 究 ,我们 会 发 现 , 每 一 对 氢 原 子 通过 载体 途径 , 即 由 NADH: 传 递 到 氧 期 间 ,消耗 三 个 ADP 分 子 , 合成 三 个 ATP 分 子 . 那么 ATP 合成 的 偶 联 点 在 哪儿 呢 ? 通过 观测 , 我 们 知道 琥珀 酸 氧 化 时 生成 的 ATP 分 子 数 不 是 三 个 而 是 两 个 , 这 就 为 我 们 提供 了 解答 问题 的 线索 。 由 于 琥珀 酸 和 NAD 两 条 途径 在 柄 这 一 。107。 步 开 始 合 并 ,从 此 两 条 途径 相同 , 因此 ， 在 NAD 途径 上 的 额 外 的 ATP ,一 定 是 在 NAD 和 柄 之 闻 生 成 的 ,而 那 两 个 ATP 分 子 则 是 在 柄 和 和 氧 之 间 生 成 的 . 实际 上 较 精 确 的 分 析 指 出 ， 在 黄 素 蛋白 氧化 NADH, 期 间 合成 一 个 ATP 分 子 ， 在 柄 氧化 - 还 原 期 间 合 成 一 个 ATP 分 子 , 在 整个 细胞 色素 阶段 合成 第 区 使 ATP 合成 与 所 传递 两 者 偶 联 起 来 的 传动 装置 的 性 质 我 们 只 知道 一 个 大 概 . 人 们 认为 ， 氢 载体 与 至 今 尚 未 并 清 楚 的 中 间 体 化 合 , 接 着 氧化 ,在 这 个 过 程 中 生成 高 能 键 ， 于 是 这 种 高 能 键 经 几 个 阶段 再 转变 成 ATP， 利用 磷酸 化 的 中 间 体 和 ADP, 通 过 转移 磷酸 ,实际 合成 ATP 等 儿 个 阶段 , 已 用 实验 证 明了 . 尽管 进行 了 大 力 的 研究 ， 但 关于 磷酸 化 的 中 间 体 的 性 质 仍 有 许多 问题 没有 弄 清 ， 甚 至 连 它 是 否 真 的 存在 也 有 大 杯 疑 ， 所 以 有 些 近 代理 论 提 出 : ATP 的 合成 过 程 ， 跟 穿 过 氢 载 体 序 列 和 脂 蛋白 复合 物 ( 其 中 包括 氧化 磷酸 化 系统 ;我 们 在 第 九 章 讨 论 它 的 详细 情况 ) 的 实际 化 学 结构 的 电子 和 和 氢 离 子 的 物理 分 离 过 程 密切 相关 .目前 虽然 每 一 种 理论 都 有 一 些 研 究 工作 者 拥护 ,但 是 这 些 理论 彼此 对 立 , 都 还 处 在 纯 理 论 推测 阶 Be. * 108 。 2 第 七 章 能 ik - 食 物 细胞 利用 前 一 章 讨论 过 的 方法 所 氧化 的 一 些 高 能 底 物 都 ERM. 单 细 胞 生物 体 象 变形 虫 , 是 吞 吻 整 块 食物 一 一 实际 上 细胞 是 吞食 营养 颗粒 ,把 营养 颗粒 吸 进 自己 的 内 部 . 但 是 对 于 较 复 杂 的 动物 ， 食 物 只 有 分 解 成 便于 细胞 吸收 和 处 理 的 较 小 分 子 后 才能 到 达 细 胞 . 这 种 分 解 过 程 称 为 消化 , 消化 过 程 的 详细 情况 早已 为 人 们 熟悉 了 . ZARA, 食物 经 口 、 胃 、 肠 里 一 系列 酶 的 作用 而 分 解 . 使 食物 分 解释 放出 糖 类 的 有 咋 液 和 胰 液 中 的 淀粉 酶 ,释放 出 蛋白 质 的 有 骨 里 的 胃 和 蛋白 酶 、 肠 里 的 胰 蛋 白 酶 、 糜 蛋白酶, 释放 出 脂肪 类 的 有 肠 里 的 脂 酶 , 结 果 得 到 了 糖 类 、 氮 基 酸 类 、 脂 肪 酸 类 的 混合 物 . BADER 收 , 糖 类 和 和 毛 基 酸 类 便 直 接 进 入 血 流 中 ,脂肪 类 间接 进入 血 六 中 . 在 饮食 良好 的 人 体内 ,细胞 能 不 断 地 获得 所 需 的 食物 , 因 为 这 些 分 子 比 较 小 的 物质 溶解 在 循环 的 血液 中 ， 细 胞 可 以 随 意 从 血液 中 获得 .在 正常 情况 下 , 糖 类 分 解 可 以 满足 细胞 所 需要 的 大 部 分 能 量 ， 虽 然 如 此 , 正如 我 们 将 要 看 到 的 那样 ,如 果 能 量 的 需要 量 增 加 ， 脂 肪 酸 和 和 氨基酸 两 者 也 都 能 分 解释 放 出 能 量 , 用 以 合成 ATP，, 满足 细胞 的 需要 . 葡萄 糖 的 代谢 机 体内 血 流 中 的 葡 区 糖 可 作为 细胞 的 一 个 稳定 能 源 . 许 SHA ELLA, APRS FASE EE e109 e 的 葡萄 糖 ， 多 余 的 葡萄 糖 转 变 成 糖 原 贮 存 起 来 ， 以 备 不 时 之 需 . 如 果糖 原 贮存 已 经 满 了 , 肝 细 胞 就 开始 把 剩余 的 葡萄 糖 转化 成 脂肪 , 将 其 贮存 在 身体 里 各 个 适当 的 地 方 。 就 是 这 种 简单 的 防止 出 现 缺 乏 葡萄 糖 的 防御 性 机 制 ， 使 那些 生活 优 裕 而 且 有 虚荣 感 的 人 大 为 扫兴 ， 这 些 人 每 天 所 吃 的 提供 葡萄 糖 的 东西 ,要 比 身体 实际 所 需要 的 多 ; 但 是 在 世界 人 口中 , 处 在 葡萄 糖 缺 乏 的 危险 线 上 的 人 占 很 大 比例 ,对 于 这 些 人 (还 有 动 物 ) 来 说 , 为 了 使 能 源 的 潜力 一 点 不 浪费 , 这 是 绝对 必要 的 机 制 .我 们 将 在 下 一 章 讨 论 合成 脂肪 和 糖 原 的 详细 机 制 . 目前 ; 我 们 关心 的 是 葡萄 糖 作为 能 源 直 接应 用 的 过 程 和 结果 . 葡萄 糖分 解 分 两 个 阶段 完成 . 在 第 一 阶段 ,六 碳 的 葡萄 糖分 子 、 分 解 成 二 个 含 三 个 碳 原子 的 丙酮 酸 碎片 ;在 这 个 过 程 中 仅 释放 出 少量 能 量 . 葡萄 糖 这 一 阶段 的 分 解 ， 能 在 无 氧 的 情况 下 完成 , 称 为 糖 酵 解 .在 第 二 阶段 ,丙酮 酸 经 一 系列 酸性 中 间 体 完全 氧化 成 二 氧化 碳 和 水 .这 一 阶段 释放 出 大 量 的 能 量 ,是 需要 氧 的 阶段 , 称 为 葡萄 糖 的 氧化 。 | 当 细 胞 急速 需要 大 量 能 量 时 ， 就 可 能 出 现 需 氧 量 超过 血 流 中 血红 蛋白 向 细胞 所 能 供应 的 量 . 这 种 情况 发 生 时 ,细胞 就 依靠 没有 氧 的 那 一 段 的 分 解 反应 ， 即 葡萄 糖分 解 的 糖 酵 解 反 应 。 由 此 得 到 的 能 量 是 比较 少 的 , 但 它 确 实意 味 着 细胞 有 对 付 万 一 缺 氧 的 第 二 条 防线 。 在 没有 氧 存 在 的 情况 下 ， BSR 的 分 解 称 为 无 氧 糖 酵 解 。 结果 生成 丙酮 酸 ,， 细胞 将 其 还 原 成 乳酸 , 然后 释放 到 血 流 中 。 无 氧 糖 酵 解 能 为 肌肉 任何 一 次 持 续 的 激烈 运动 提供 能 量 ,例如 一 百 码 赛跑 ,的 确 可 以 测量 出 运 动员 在 这 种 运动 后 血 流 中 乳酸 的 含量 大 大 增高 了 。 许 多 细菌 遵循 这 样 的 糖 酵 解 途径 ,酵母 将 糖 发 酵 成 乙醇 时 ,也 遵循 这 样 的 糖 酵 解 途径 . 其 次 ， 对 很 多 生物 体内 的 糖 酵 解 进行 了 长 时 间 的 研究 后 © 110。 得 知 , 糖 酵 解 实 际 上 是 葡萄 糖 降解 的 一 种 通用 途径 .许多 先 驱 者 的 工作 都 是 研究 酵母 的 ,因为 科学 家 也 好 ,不 是 科学 家 也 好 ,对 生产 乙醇 总 是 有 特殊 的 兴趣 ; 只 是 后 来 才 发 现 , CAM 明 过 的 酵母 引起 的 发 酵 反 应 顺序 ， 与 人 的 肌肉 里 进行 的 反应 顺序 是 相同 的 .在 本 世纪 初 ,从 德国 比 奇 纳 兄弟 和 英国 哈 登 (Harden) 以 及 杨 格 〈Young) 开始 研究 这 个 反应 顺序 起 ， 花 “了 许多 年 才 全 部 搞 清 .在 本 世纪 三 十 年 代 , 德国 人 埃 布 登 和 迈 耶 霍 夫 , 把 这 个 反应 顺序 的 详细 情况 全 部 研究 出 来 了 ,因此 在 他 们 之 后 ， 通 常 把 糖 酵 解 途径 称 为 埃 布 登 - 迈 耶 霍 夫 途 径 。 该 途径 的 氧化 部 份 从 丙酮 酸 到 二 氧化 碳 是 比较 难 的 ， 直 到 五 二 年 代 中 时 才 完 全 搞 清 . 在 阐明 这 个 问题 的 过 程 中 , 匈牙利 人 斯 伍 特 - 戈 吉 〈Szent-Gyorgyi)、 英 国人 克 雷 布 斯 和 呐 格 斯 顿 (Ogston) 以 及 美国 人 奥 乔 (Ochoa) MAY SSL EER 杰出 的 . 正如 我 们 根据 已 经 了 解 的 有 关 酶 反应 的 情况 所 预料 的 那 样 , 细胞 分 解 葡萄 糖 要 经 过 一 条 又 长 又 难 的 途径 . 使 葡萄 糖 一 直 分 解 到 丙酮 酸 需 要 的 酶 多 达 十 种 ， 接 着 把 丙酮 酸 氧化 成 二 氧化 碳 和 水 又 需要 十 种 酶 . 这 个 反应 顺序 极其 重要 , 我 们 在 这 里 必须 尽量 加 以 详细 讨论 ， 特 别 是 它 还 可 作为 我 们 以 后 讲 到 的 许多 反应 顺序 的 典范 ,以 后 讲 这 些 反 应 顺序 时 ,就 不 再 象 这 样 对 每 一 步 都 详细 地 加 以 讨论 了 .性急 的 读者 可 以 从 这 里 浏览 到 图 12 ,再 浏览 到 图 13， 毅 力 强 的 读者 则 可 以 从 这 里 了 解 葡萄 糖分 解 的 详细 情况 . ”葡萄 糖分 解 的 第 一 步 年 看 起 来 很 奇怪 : 其 要 求 将 葡萄 糖 磷酸 化 .事实 是 要 使 葡萄 糖 能 参与 随后 的 反应 ， 必须 供给 它 一 定量 的 活化 能 ， 细胞 不 用 ATP 就 没有 方法 人 应 活化 能 ,这 四 只 是 许多 这 类 情况 中 的 一 个 例子 . 幸而 以 后 AITP 能 够 再 生 并 有 多 余 ， 磷 酸化 由 已 糖 激酶 催化 完成 : ， CHO CHO CHOH CHOH CHOH + ATP 一 ~ CHOH + ADP. ee CHOH CHOH Hay | | 葡萄 糖 -6- 磷 酸 CHOH H cao 图 ， ey] 然后 由 磷酸 已 糖 激酶 将 葡萄 糖 -6- 磷 酸 转化 成 果糖 -6- 磷 酸 ， 依靠 磷酸 果糖 激酶 再 花费 一 个 ATP 分 子 ， 第 二 次 使 糖 磷酸 化 ,生成 果糖 -1;,6- 二 磷酸 . HOH 葡萄 糖 -6- 磷 酸 -一 ~ ie = al -磷酸 (2) 5 HOH ”CHOH CHOH CHOH | CHO-® cH,o—® CH,OfFf CO CHOH + ATP 一 CE (3) Rise [ GOH 果糖 -1 6- 二 磷酸 CHOH CHOH CH,O—@® CH:O 一 @ 在 第 四 步 反 应 里 ,果糖 -1,6- 二 磷酸 由 醛 缩 酶 将 其 分 解 成 两 个 B= EIR FT RE. e112. cHO-® — cH0—® co | (eee : co 二 源 基 丙 柄 研 酸 CHOH CH 果糖 -1，6- 二 磷酸 | 一 一 20H (4) CHOH CHO ) CHOH CE {Se ae CH,O—® CH,O—® RE, BER FAX PO AY ZL ZE TH a RAP. SSH MRS, RET At ATP 来 磷酸 化 葡萄 糖分 子 使 它 活化 , 为 分 解 作 好 准备 . 现在 要 有 一 个 重新 获得 这 些 ATP 的 过 程 。 二 羟基 丙酮 磷酸 和 甘油 醛 -3- | 磷酸 虽然 结构 不 同 , 但 总 的 分 子 式 相同 ,实际 上 是 异 构 体 . 在 | 这 个 顺序 靠 后 的 各 反应 中 ,只 有 甘油 醛 -3- 磷 酸 可 以 被 细胞 利 «oF. 于 是 又 有 一 种 酶 将 二 羟基 丙酮 磷酸 转变 成 它 的 异 构 体 甘 油 醛 -3- 磷 酸 , 这 种 酶 就 是 磷酸 丙 糖 异 构 酶 , 从 而 确保 原 已 糖 分 子 的 两 部 分 都 能 用 掉 ; CH,0- 一 ® CH,O—@® ceenmae | a fst d Hae-3-mR (5) 2 ie U7 降解 的 下 一 阶段 是 把 甘油 醛 -3- 磷 酸 氧化 成 一 磷酸 甘油 酸 , 原则 上 ,可 以 把 这 个 反应 写成 CH:0 一 (B) cH0-(B) OH 十 (O) + CHOH duo. coou 但 是 ,事实 上 这 些 反 应 的 详细 情况 是 比较 复杂 的 . 4113， 我 们 知道 ,氧化 是 一 种 产能 过 程 , 细胞 必须 利用 甘油 醛 -3- 磷 酸 氧化 时 释放 出 的 能 量 来 合成 一 个 ATP OF. 人 们 发 现 ,有 关 的 酶 是 一 种 脱 氢 酶 ,而 且 进 行 氧 化 还 需要 输 酶 NAD, 其 次 , 这 个 氧化 过 程 的 反应 , 就 是 我 们 在 前 一 章 中 讨论 过 的 脱氧 酶 反应 的 第 一 个 实例 ， 而 除了 这 个 过 程 的 复 杂 性 外 ,还 发 现 这 个 反应 不 只 需要 辅酶 NAD, 还 需要 ADP 和 无 机 磷酸 , 这 是 在 合成 ATP 的 反应 进行 过 程 中 所 消耗 的 两 种 HD . -ii 这 个 反应 分 两 个 阶段 进行 。 在 第 一 个 阶段 , 由 甘油 醛 磷 酸 脱 氢 酶 催化 ,生成 NADH:, 甘 油 醛 -3- 磷 酸 转 变 成 1,3- 二 磷 BSH HER: . CH.O-(P) CH,0—(P) CHOH + NAD + BO + (P) = CHOH + NADHs (6) CHO moe (P) O 甘油 醛 - 3 -磷酸 1?3- 二 磷酸 甘油 酸 ”但 是 在 甘油 酸 的 位 置 1 处 的 磷酸 残 基 ， 和 位 置 3 处 的 磷 酸 残 基 ,与 分 子 其 余部 分 的 连接 键 是 不 同 的 ,后 者 是 一 个 高 能 键 . 因此 , 它 这 时 就 能 与 ADP 反应 生成 ATIP: Ca.0-{P) i 3 CHOH + ADP = CHOH + ATP fi (7) aga () COOH 1?3- 二 磷酸 甘油 酸 -3 -磷酸 甘油 酸 _ 个 葡萄 糖分 子 利 用 两 个 ATP 分 子 产生 了 两 个 甘油 醛 -3- 确 酸 分 子 .现在 ,两 个 甘油 醚 -3- 磷 酸 分 子 已 经 被 氧化 成 两 个 大 © 114.6 ee ew Be ———— or a 7 酸 甘 油 酸 分 子 了 , 同时 合成 了 两 个 ATP 分 子 。 因此, 到 这 里 Aik, 净 增 能 量 是 零 , 但 是 我 们 一 定 不 要 坪 记 甘油 醛 -3- 磷 酸 的 氧化 《反应 6) 还 给 我 们 生成 了 两 个 NADH, OT. mT 从 上 一 章 知 道 两 个 NADHL 分 子 经 氢 载 体 途 径 也 能 被 氧化 ， 这 又 轮 到 它们 来 合成 ATP 了 . 在 糖 酵 解 的 下 一 步 反 应 发 生 之 前 ， 磷 酸 甘 油 酸 必须 进行 内 部 重 排 ， 分 子 中 剩 下 的 磷酸 由 位 置 3 转移 到 位 置 2。 这 个 重 排 是 由 磷酸 甘油 酸 变 位 酶 引起 的 : cH.0—(©) er CHOH = cao_@) 六 boon 3 door 3 -磷酸 甘油 酸 2 -磷酸 甘油 酸 这 个 系列 中 的 第 九 个 反应 ,要 从 确 酸 甘油 酸 中 消除 水 的 元 素 ， 生成 磷酸 烯 醇 式 丙 柄 酸 : CH2OH CH, bi0-® # bo ~ we @® 4F H.0 (9) JOH COOH 2- 磷 酸 甘 油 酸 ”磷酸 烯 醇 式 丙酮 琶 有 催化 作用 的 酶 是 烯 醇 酶 ( 烯 醇 酶 需要 Mg++ 离子 作 活化 剂 ， 氟 化 钠 能 与 镁 离子 生成 一 种 复合 物 ,约束 住 镁 离子 ,从 而 抑制 住 烯 醇 酶 ;这 也 许 就 是 氟 化 物 的 最 重要 的 ,也 是 唯一 的 毒害 作 FA). FE Mee Be BS Bz Di BAD) , RE HR SF Bizk, 2 号 碳 原 子 上 的 磷酸 键 转变 成 高 能 键 . 因此 利用 丙酮 酸 磷 酸 激酶 催化 , 就 能 合成 另 一 个 ATP 分 子 : e115 CH CH2 bo ~@®) + ADP 4-08 4UATP 前 COOH , OH RRA CAB) ARR 这 个 反应 的 产物 除 ATP 9}, CB) 丙酮 酸 , 该 产物 可 目 发 地 变 成 丙酮 酸 异 构 体 : eRe w'- . j H COOH (SE) AR AMR 到 这 里 我 们 停 下 来 看 看 发 生 了 什么 事 . 从 一 个 葡萄 糖分 子 开始 ,我们 利用 两 个 ATP 分 子 使 其 磷酸 化 ,生成 果糖 -1;,6- 磷酸 . 然后 我 们 把 果糖 分 解 成 两 个 含 三 个 碳 原子 的 甘油 醛 磷 酸 分 子 , 每 个 甘油 醛 磷酸 分 子 轮流 产生 两 个 ATP OF, 在 反 应 (7) 中 生成 一 个 ,在 反应 (10) 中 生成 一 个 (因此 ,每 个 葡萄 糖 分 子 消 耗 了 两 个 ATP 分 子 ， 而 合成 了 四 个 ATP 分 子 ， 净 增 两 个 ATP 分 子 . ) 但 是 我 们 还 把 两 个 辅酶 NAD 转变 成 了 NADH,, NADH, 能 被 氧化 ,重新 生成 NAD，, 在 此 过 程 中 ,又 合成 了 六 个 ATP 分 子 . 因此 在 需 氧 的 条 件 下 ， 又 合成 六 个 ATP 分 子 , 这 样 糖 酵 解 过 程 就 净 增 八 个 ATP OT. 但 是 ,正如 我 们 在 本 章 开 始 时 所 说 的 那样 , 糖 酵 解 在 没有 氧 存 在 时 也 能 进行 . 在 这 种 条 件 下 ， 我 们 必须 找到 重新 氧化 NADH, 的 其 他 方法 . 动物 细胞 做 这 件 工 作 选 用 的 方法 ,是 利 用 NADH, 把 丙酮 酸 还 原 成 乳酸 : CH; : ie ; + NADH, = CHOH + NAD (12) COOH COOH eee 乳酸 。 116。 “re ~ ATP ADP eo ees +R RE ATP ADP 果糖 1;6, 二 磷酸 二 羟 丙 陋 磷 酸 ， 甘油 醛 -3- 磷 酸 ATP, NADH, 3- 磷酸 甘油 酸 2- 磷 酸 甘油 酸 H,O ”磷酸 ( 烯 醇 式 ) 丙酮 酸 Rais ATP (i) 丙酮 酸 : eve a te N 乳酸 = eR 图 12 ” 糖 酵 解 途径 起 催化 作用 的 酶 是 我 们 早 就 熟悉 的 乳酸 脱 气 酶 . 注 : 图 12 中 的 “果糖 1,6， 二 磷酸 ?应 为 “果糖 -1;6- 二 磷酸 ， 。117。 LL Se a ee aL Kw C12) RAT ERA LOA FL 酸 是 糖 酵 解 反应 的 最 终 产 物 。 如 果 没 有 氧 存 在 ,， 它 就 不 能 再 进一步 代谢 了 。 细胞 经 不 起 在 其 内 部 形成 高 浓度 的 乳酸 ,部 分 原因 是 有 几 个 糖 酵 解 反应 是 可 逆 的 ， 如 果 最 终 产 物 积累 太 多 ,一 开始 就 可 能 沿 错误 途径 进行 下 去 ; 另 一 部 分 原因 是 人 们 一 定 会 发 现 , 高 浓度 酸 的 存在 会 引起 pH 的 变化 , 而 必须 找到 某 些 方法 来 防止 pH 的 变化 . AL ARB LAL Zh, 由 血 流 带 走 . 这 就 完成 了 糖 酵 解 途径 ;整个 反应 顺序 概述 于 图 12. 葡萄 糖 的 氧化 糖 酵 解 途径 以 生成 丙酮 酸 而 结束 ; 但 是 ， 当 氧 供应 充足 时 ,丙酮 酸 本 身 又 进一步 被 氧化 成 二 氧化 碳 : CH;COCOOH + 5(0) 一 > 3CO, + 2H,O (13) 这 个 氧化 过 程 的 详细 机 制 包括 一 整套 的 反应 ， 在 反应 期 间 , 释 放出 的 大 量 能 量 , 达 细胞 正常 需要 量 的 四 分 之 三 .全 面 痢 明 这 个 过 程 在 实验 上 困难 很 多 ， 一 个 原因 是 这 个 过 程 包括 许 多 辅助 因素 ， 再 有 一 个 原因 是 这 个 过 程 包括 许多 反应 物 的 循 环 ,这 些 反应 物 不 断 地 分 解 和 重新 生成 .这 个 过 程 的 循环 特性 是 相当 重要 的 ， 在 相当 长 的 时 间 里 使 许多 实验 工作 者 迷 感 不 解 , 直 到 1937 年 英国 谢 非 尔 德 的 克 雷 布 斯 和 匈牙利 布达佩斯 的 斯 任 特 - 戈 吉 , 提 供 了 有 关 实 验 上 的 线索 以 后 , 才 日 渐 清 楚 , 丙酮 酸 的 脱羧 在 这 个 反应 顺序 里 ,第 一 步 是 从 丙酮 酸 除去 二 氧化 碳 , 同 CH,COCOOH + (0) 一 > CH;COOH + CO, (14) 丙酮 酸 - 乙酸 了 虽然 这 样 ;实际 生成 的 产物 根本 不 是 乙酸 ,而 是 在 乙酸 和 含 硫 的 辅酶 叫做 辅酶 A 之 间 形 成 的 一 个 化 合 物 . 辅酶 A, 在 1950 年 由 利 普 曼 发 现 ， 它 象 许多 其 他 辅酶 一 样 , SARE BEB ,但 是 ,从 与 乙酸 反应 的 观点 看 , 这 个 分 子 的 重要 部 分 不 是 核 背 酸 的 一 端 ,而 是 -SH 基 团 的 一 端 .这样 , 我 们 就 可 以 把 这 个 辅酶 简写 成 辅酶 A-SH. 丙酮 酸 脱 羧 反 应 的 另 一 个 重 要 特性 , 跟 我 们 已 经 讨论 过 的 其 他 氧化 反应 一 样 , 是 通过 生成 NADH, 消除 氢 进 行 氧化 ,而 不 是 通过 氧 参 与 反应 进行 氧化 : CH,COCOOH + CoA.SH + NAD 一 >” CH;CO~SCoA + CO, (15) Fa RAR 乙酰 辅酶 A + NADH, 应 该 注意 ,乙酰 基 和 辅酶 之 间 的 键 用 特殊 的 ~ 号 表示 ,说 明 它 是 高 能 的 ; 在 合适 的 条 件 下 ， 能 用 于 合成 ATP. 虽然 这 样 , 正 象 我 们 将 看 到 的 那样 , 至 少 在 动物 组 织 内 , 它 还 可 以 贮 存 起 来 . 在 写 反 应 (15) 时 ， 我 们 还 没有 揭示 出 围绕 丙酮 酸 脱羧 的 全 部 复杂 性 .实际 还 水 及 到 另外 两 个 辅 因 子 和 几 个 酶 . 其 中 一 个 辅 因子 是 维生素 B,， 它 的 化 学 名 称 是 硫 胺 素 焦 磷酸 (TPP), 二 十 世纪 二 十 年 代 ， 英 国 剑 桥 的 彼得 斯 (Peters) 发 现 , 喂养 的 动物 缺乏 维生素 B, 时 ， 丙 酮 酸 就 会 在 血 流 中 聚集 起 来 自从 那 时 以 来 ,人 们 就 猜想 硫 胺 素 参 与 了 这 个 反应 ,但 是 只 在 近 几 年 才 把 这 个 反应 的 正确 机 制 搞 出 来 .第 二 个 辅 因 子 是 另 一 种 含 硫化 合 物 一 一 硫 辛 酸 ， 它 在 这 个 反应 期 间 被 交 替 氧 化 和 还 原 . 目前 采纳 的 反应 方程 (15) 的 流程 图 中 ， 丙 酮 酸 先 与 硫 胺 素 焦 磷 酸化 合 ,， 生 成 “乙酰 TPP”" 和 二 氧化 碳 。 然 后 乙酰 基 转 移 到 硫 辛 酸 上 ,释放 出 TPP ,再 从 硫 辛酸 转移 到 CoA - SH 上 ， 释放 出 还 原型 的 硫 辛酸 。 最 后 利用 NAD 将 硫 辛 酸 再 次 氧化 ， 119° 生成 NADH:， 这 样 就 在 形式 上 完成 了 上 述 方程 式 (15) 所 表 示 的 反应 流程 。 em a CEN | 通过 将 丙酮 酸 转 变 成 乙酰 辅酶 A， 我 们 已 经 消去 了 一 个 CO, 分 子 ， 合 成 了 一 个 还 原型 的 NADH, OF. BRP 基 中 的 两 个 碳 原子 有 待 氧化 成 二 氧化 碳 。 只 是 在 这 里 , 我 们 才 进 入 了 与 克 雷 布 斯 的 名 字 联 在 一 起 的 反应 循环 .该 循环 六 程 的 轮廓 见 图 13. PA 乙酰 辅 酶 AC2C) Frighe (6C) HZ CC) NADH SEE (6C) : NADH, 草 酰 琥珀 酸 〈6C) SRR (4C) RE WEMHM (AC) Co, wa- 羡 成 二 酸 〈5cCy FPHy _ RHE (4C) C02, ATP, NADH -图 13 符 楼 酸 循环 该 循环 基本 的 特征 ,是 乙酰 辅酶 A 的 二 个 矶 原子 的 碎片 ， 被 用 来 和 四 个 碳 原子 的 酸 一 一 草 酰 乙 酸化 合 ， 生 成 六 个 碳 原 子 的 柠檬 酸 。 然后 柠檬 酸 又 进行 分 解 ， 首先 生成 五 个 矶 原子 «120° 的 “- 酮 戊 二 酸 ， 其 次 生成 四 个 碳 原 子 的 琥珀 酸 , 放出 两 个 二 5 ; L , | 氧化 碳 分 子 .。 然后 琥珀 酸 再 转变 成 草 酰 乙酸 ， 整 个 循环 重 又 ”开始 . 这 个 走马 灯 式 的 循环 ,就 细胞 而 言 ,有 用 的 东西 是 它 具 备 了 按照 需要 释放 能 量 的 系统 应 有 的 全 部 关键 性 质 ， 即 为 了 慢 慢 释 放 忆 酸 潜能 , 它 逐 渐 地 分 解 乙酸 分 子 。 正如 我 们 将 看 到 的 那样 ,这 个 循环 是 非常 重要 的 ,不 仅 因为 它 是 葡萄 糖 氧化 的 最 后 阶段 , 而 且 在 许多 其 他 物质 的 代谢 中 也 是 这 样 . 以 后 我 们 会 看 到 , 在 脂肪 酸 和 氨基 酸 的 分 解 中 , 分 解 产物 如 何 生成 ， 尔后 它们 各 自在 某 个 地 方 又 如 何 进入 该 循环 走马 灯 式 的 运 动 , 从 而 被 氧化 . 在 该 循环 的 第 一 个 反应 (16) 中 ，, 乙酰 辅酶 A 与 草 酰 乙酸 化 合 , 生 成 柠 榜 酸 . 这 个 反应 是 需 能 的 ,利用 乙酰 辅酶 A 的 高 能 键 可 以 引发 这 个 反应 ， 在 反应 中 ,释放 出 还 原型 的 辅酶 A， CoA-SH， 催 化 这 个 反应 的 酶 是 检 柑 酸 缩合 酶 CH,CO~SCoA CH,COOH 十 + H,O == HO—C—COOH .h CoA.SH (16) O=C —COOH oe, CH,COOH CH,COOH 草 酰 乙酸 柠 榜 酸 然后 柠檬 酸 借助 于 乌 头 酸 酶 转变 成 它 的 异 构 体 一 一 异 柠 檬 酸 ， 实 际 乌 头 酸 酶 是 通过 消去 柠檬 酸 的 一 个 水 分 子 起 作用 的 (但 是 生成 的 乌 头 酸 仍 然 与 这 个 酶 联结 着 ,根本 不 释放 到 细 胞 的 溶液 中 去 ) ,以 后 再 把 水 归还 回去 进行 异 构 化 \17): CH,-COOH CH,-COOH CH,COOH %, 2 1, HO 一 C 一 COOH 过 -一 > C-COOH CH.COOH (17) CH,-COOH CH-COOH CH(OH )COOH rR 乌 头 酸 异 柠檬 酸 e 121° a *£2A- LEFT RBRAC KERR, ABBA oh ROR. WI, AAT hl AB HI) — Pe eS 化 . 在 这 个 过 程 中 ， 一 个 NAD 分 子 锌 还 原 成 NADH,*. KX 两 个 反应 以 方程 (18) 表 示 为 : CH:.COOH | CH,-COOH CH-COOH +(NAD)—>CH-COOH + (NADH,)—> CHOH-COOH CO-COOH TRE 草 酰 琥珀 酸 CH,COOH = + CO, (18) CO-COOH cx- 酮 戊 二 酸 a- 酮 戊 二 酸 在 酸性 基 团 (COOH) 的 次 一 位 有 一 个 酮 基 >CO) ,在 这 一 点 上 类 似 丙 酮 酸 . 因此 , 它 能 参与 类 似 于 丙酮 酸 所 进行 的 反应 ,氧化 脱羧 反应 〈 见 方程 15)。 有 关 的 机 制 非 常 相 似 , 要 求 有 硫 胺 素 焦 磷 酸 、 硫 广 酸 、 辅 酶 A 和 NAD 存在 。 生成 物 类 似 于 由 丙酮 酸 生成 的 乙酰 辅酶 A， 是 高 能 的 琥珀 酰 辅酶 A(19). 2 CH,COOH CH,COOH , CH, 十 CoA.SH + patie ray ie ae + NADH, + CO, (19) Betas ca- 柄 成 二 酸 现 珀 酰 辅 酶 A 琥珀 酰 辅酶 A 能 将 它 的 高 能 键 转移 到 ADP 上 ,释放 出 辅酶 A， 生成 琥珀 酸 和 ATP(20): CH,-COOH CH,-COOH + ADP + ® CH,-CO~SCoA CH,-COOH HEPA HRS A FAR _ @0) + ATP + CoA-SH * RAMA FE SL ik FS NADP 来 替代 辅酶 NAD， 生 成 NADPH,; 选用 这 种 酶 的 意义 在 第 八 章 就 会 清楚 ， © 122。 最 后 ,琥珀 酸 通过 延 胡 索 酸 和 革 果 酸 转变 成 草 酰 乙酸 ,这 些 反 应 是 由 琥珀 酸 脱 氢 酶 、 延 胡 索 酸 和 苹果 酸 脱 氧 酶 催化 的 . 在 政 珀 酸 脱 氢 酶 催化 的 一 步 反 应 ， 生 成 了 一 个 还 原型 的 黄 素 蛋 性 自分 子 ,由 苹果 酸 脱 氢 酶 催化 的 一 步 反 应 , 生成 一 个 NADH, 0 CH,-COOH — 2H CH-COOH +H,O CHOH-COOH — 2H CO-COOH ; ce: ety TS: gen CH,-COOH bisa! of oon ‘ 琥珀 酸 EMRE TRE 草 酰 乙 酸 这 个 循环 以 重新 生成 齐 酰 乙酸 而 完成 《 见 图 13). 人 们 还 可 以 观察 到 ， 进 行 这 个 循环 需要 供应 能 与 乙酰 畏 i 酶 A 起 反应 的 草 酰 乙酸 . 当然 ， 草 酰 乙酸 在 这 个 循环 每 完成 一 个 周期 时 ,就 一 定 重 新 生成 , 不 过 发 现 许多 细胞 ,尤其 是 细 苑 的 细胞 能 利用 草 酰 乙 酸 的 一 个 辅助 来 源 避 免 把 这 样 重要 的 “引物 ”用 光 ， 对 此 人 们 并 不 会 感到 意外 .， 草 酰 乙酸 脱羧 酶 就 可 提供 一 个 草 酰 乙酸 的 辅助 来 源 ， 它 催化 二 氧化 碳 直 接 固定 到 丙酮 酸 上 ,生成 草 酰 乙酸 ,如 方程 式 (227) 所 示 : COOH CH, CH, Co 十 | = | (22) Cc ei COOH 丙酮 酸 草 酰 乙酸 其 次 ,利用 一 片 精细 的 组 织 , 可 以 看 到 许多 细胞 都 有 一 个 这 样 的 机 制 , 通过 这 个 机 制 , 由 丙酮 酸 衍生 来 的 乙酰 辅酶 A， 为 子 进 行 氧化 ,一 定 与 草 酰 乙 酸化 合 , 而 草 酰 乙 酸 本 身 就 是 两 酮 酸 衍 生 的 一 个 反应 的 产物 . AIP 的 产量 现在 我 们 试 算 一 下 经 柠檬 酸 循环 得 到 的 ATP 总 量 . 共 21236 (a) 丙酮 酸 人 乙酰 辅酶 A+ 1 分 子 NADH, =3ATP ~ (b) 蜡 柠 榜 酸 全 x- 酮 成 二 酸 十 工分 子 NADH, = 3ATP. : (c) cw- 酮 戊 二 酸 人 琥珀 酰 辅 酶 A 十 1 OF NADH = 3ATP | (d) S8sak eg A— HAR = 1 ATP (e) HEH EMAM + 1 分 子 FPH, = 2ATP (f) 苹果 酸 ~ 草 酰 乙酸 十 1 分 子 NADH, =3ATP _ 总 和 15ATP 因此 ,一 个 丙酮 酸 分 子 产 生 了 十 五 个 ATP 分 子 . in FSW GMS) FE RDF 再 借助 于 柠檬 酸 循环 氧化 葡萄 糖 , 生 成 三 十 个 ATP 分 子 . 还 必须 把 葡萄 糖 和 丙酮 酸 之 间 已 经 生成 的 八 个 ATP 分 子 加 进 去 ,最 后 结果 是 葡萄 糖 完全 氧化 成 二 氧化 碳 和 水 ,总计 能 生成 三 十 八 个 之 多 的 ATP 分 子 ， 由 于 每 个 ATP 分 子 的 未 端 磷酸 水 解 的 时 候 , 释放 出 的 能 量 约 为 8000 卡 , 所 以 葡萄 糖 氧化 的 时 候 捕获 的 总 能 量 等 于 38 x 8000 BN 304000 卡 。 我 们 可 以 把 它 与 葡萄 糖 完全 氧化 释放 出 673000 卡 的 能 量 比较 一 下 。 因此 , 当 细 胞 以 最 大 的 效率 工作 时 ,细胞 能 设法 捕获 和 重 新 获得 有 用 形式 的 能 量 ， 不 少 于 它 的 葡萄 糖 燃烧 时 释放 出 的 能 量 的 百 分 之 四 十 五 。 这 个 效率 等 于 最 现代 化 的 烧 油 或 烧 煤 的 发 电站 的 效率 ,但 是 , 我 们 必须 记 住 , 跟 这 种 发 电站 一 样 ， 这 样 的 计算 只 适用 于 在 锅炉 内 进行 的 能 量 转化 。 正 当 我 们 开 始 计算 总 效率 的 那 一 刹那 ,就 不 得 不 考虑 在 燃料 输送 到 锅炉 ， 以 及 接着 能 量 由 锅炉 向 外 输送 时 所 发 生 的 能 量 损失 .发 电厂 的 总 效率 或 细胞 的 总 效率 ， 要 比 百 分 之 四 十 五 这 个 假定 值 低 得 多 . 葡萄 糖 氧 化 的 其 他 系统 糖 酵 解 途径 和 谷村 酸 循环 是 最 普遍 的 葡萄 糖 氧化 系统 ， 。124。 而 实际 发 现 的 葡萄 糖 氧化 系统 决 不 只 这 两 个 ， 现 在 已 经 知道 柠檬 酸 循环 有 许多 变型 ,存在 于 各 种 不 同 的 器 官 和 物种 中 ,并 且 还 知道 了 几 个 辅助 循环 或 支 路 。 现 已 充分 证 实 了 , 特别 是 利用 同位 素 示 踪 法 证 实 ， 几 乎 所 有 的 组 织 里 都 进行 这 种 柠檬 酸 循环 ， 但 是 在 活 细胞 内 使 用 该 循环 或 转换 到 其 他 途径 氧化 葡萄 糖 的 情况 通常 都 难于 定量 计算 . 在 某 些 组 织 中 ， 氧 化 30 一 40%% 葡萄 糖 最 常见 的 另 一 途 径 ， 是 以 发 现 它 的 两 位 生物 化 学 家 的 名 字 命名 的 ， 称 为 沃 伯 格 - 迪 肯 斯 途径 (他 们 在 三 十 年 代 发 表 的 著作 中 概述 了 这 一 途 径 ).〈 这 条 途径 有 时 还 用 另 一 名 称 , BN RPE”) ER _ 糖 酵 解 途径 一 样 , 这 条 途径 也 是 从 葡萄 糖 -6- 磷 酸 开始 的 , 但 是 在 连结 NADP 的 酶 系统 中 ,， 葡萄糖-6- 磷 酸 被 氧化 ， 脱 关 成 五 个 碳 原子 的 糖 磷酸 即 5- 磷 酸 核 酮 糖 , 它 是 核糖 的 异 构 体 . 六 个 这 种 5- 磷 酸 核 酮 糖分 子 由 六 个 葡萄 糖 -6- 磷 酸 分 子 生成 ,然后 通过 错综复杂 的 反应 混在 一 起 化 合 ,再 次 重新 合成 五 个 葡萄 糖 磷酸 分 子 ， 其 净 结果 相当 于 一 个 葡萄 糖分 子 被 氧化 成 二 氧化 碳 ， 在 氧化 过 程 中 , 生成 了 三 十 六 个 ATP 分 子 , 比 糖 酵 解 途 径 和 桂 榜 酸 循环 偶 联 生成 的 ATP 分 子 少 二 个 . 这 个 支 路 的 优点 是 只 需要 很 少 的 酶 , 因为 涉及 的 反应 很 少 ,同时 这 些 反应 和 反应 使 用 的 酶 ,与 植物 在 光合 作用 中 的 反应 和 使 用 的 酶 极为 相似 . 由 这 些 事实 得 出 一 种 看 法 ， 这 个 支 路 是 在 其 他 途径 以 前 发 展 起 来 的 。 可 能 在 动 植物 刚 从 其 简单 的 祖先 区 划 出 来 的 时 候 就 发 展 起 来 了 ( 见 第 十 二 章 )。 如 果 是 这 样 的 话 , 糖 酵 解 途径 就 可 能 是 一 条 后 发 展 进 化 起 来 的 较 高 级 的 途径 . 糖 Jn 酵 iF 最 后 应 该 提 一 下 的 是 葡萄 糖 进 入 氧化 系统 的 情况 ， 直 到 © 125° 现在 ;我 们 一 直 把 葡萄 糖 看 作 能 “自由 ”* 进 类 细胞 的 糖 , 并 且 氧 化 前 能 通过 已 糖 激酶 被 磷酸 化 .在 具有 自己 的 糖 原 贮备 的 细 胞 中 , 主要 是 肝 细 胞 和 肌 细 胞 , 葡萄 糖 也 可 由 糖 原 酵 解 产 生 -. 有 一 种 酶 叫 磷酸 化 酶 ， 可 以 裂解 糖 原 链 中 连接 各 葡萄 糖 单位 ZN. 这 个 反应 需要 无 机 磷酸 ， 而 且 各 葡萄 糖 单位 多 葡 萄 糖 -1- 磷 酸 形式 释放 出 来 (237: CH,OH CH,OH CH,OH Tc Tes fons ey ae ee ee ed ee 转变 成 葡萄 糖 -6- 磷 酸 , 它 是 我 们 已 经 讨论 过 的 葡萄 糖 代谢 途 径 中 直接 出 现 的 一 种 化 合 物 . Alt, 我 们 可 以 把 葡萄 糖 代 谢 的 第 一 阶段 描绘 成 图 14 所 示 的 样子 磷酸 化 酶 fA 一 一 -一 ”> 荷 萄 糖 -1- 磷 酸 ATP Pes, 了 葡萄 糖 ET 葡萄 糖 -6- 磷 酸 一 CO: oa slid hlashi 途径 戊 糖 磷酸 支 路 FRE © 126° Rk, EHS BERNA sea 磷酸 化 酶 .我 们 在 后 面 〈《 第 十 一 章 ) 将 会 看 到 ,由 于 这 两 种 酶 居于 对 葡萄 糖 代谢 有 重要 意义 的 起 始 扣 ， 它 们 就 能 控制 葡萄 糖 氧 化 的 整个 途径 和 按 细胞 对 能 量 的 需要 调节 葡萄 糖 氧化 的 速度 . 脂肪 酸 的 氧化 动物 通常 由 糖 获 取 直 接 需 要 的 能 量 ， 当 糖 过 剩 时 ， 便 把 剩余 的 糖 转变 成 脂肪 ， 然 后 把 这 些 脂肪 贮存 在 体内 各 个 不 显 眼 的 部 位 (常见 的 地 方 是 皮下 ,在 这 个 地 方 它 还 有 另外 一 个 功 能 ， 即 帮助 把 体内 的 器 官 与 温度 经 常 变化 的 外 界 隔离 开 来 )， 以 供 不 时 之 需 . 在 急需 时 ,就 动员 脂肪 “贮备 ,将 脂肪 运送 到 肝脏 ,再 氧化 以 产生 能 量 . 当然 ,饮食 中 的 一 些 脂肪 , 即使 在 正常 的 、 健 康 的 动物 体内 也 自始至终 在 分 解 着 ,但 是 只 有 当 动 物 由 于 饥饿 或 体内 代谢 途径 被 干扰 如 患 了 糖尿 病 ， 不 能 有 效 地 利用 葡萄 糖 时 ， 脂 肪 才 真 正在 体内 能 量 总 平衡 中 起 主要 作 FA. . 在 这 样 的 情况 下 ,肝脏 的 脂肪 含量 开始 升 高 ,因为 体内 各 处 的 脂肪 均 在 这 里 聚集 以 供需 要 . 生动 地 称 为 “脂肪 肝 ? 的 情 况 就 出 现 了 . 脂肪 代谢 的 一 些 产物 也 开始 在 肝脏 、 血 流 和 尿 中 积 集 起 来 ， 这 些 产物 包括 有 四 个 碳 原子 的 酮 酸 乙 酰 乙 酸 (CH;COCH,COOH) 和 它 的 一 些 衍生 物 ， 主 要 是 86- 羟基 丁 酸 (CHCHOHCHCOOH) 和 丙酮 (CHCOCH:)。 这 些 物质 都 属于 中 世纪 所 宣称 的 “ 酮 体 ”， 人 体内 有 这 些 物 质 存在 也 是 糖 尿 病 最 大 的 危险 之 一 ,因为 它们 都 有 毒 . 其 次 ,脂肪 代谢 有 一 些 特性 在 医学 上 相当 重要 ,也 许 就 是 由 于 这 个 原因 ， 对 它 的 研究 可 回 亢 到 对 葡萄 糖 氧化 的 研究 那 么 和 久 以 前 .。 由 于 从 二 十 世纪 初叶 的 努 普 (Knoop) 到 当代 德 ° 127» 国 的 利 伦 (Lynen)、 美 国 的 格林 和 莱 宁 格 尔 CLehninger) 等 一 系列 杰出 的 研究 工作 者 -- 直 在 延续 着 ， 认 识 也 随 着 提高 ， 我 们 现在 不 必 再 设法 描述 这 项 研究 的 许多 音 变 ， 倒 是 可 以 讲 讲 当前 对 这 个 问题 的 一 些 看 法 . 旨 肪 本 身 是 由 长 链 脂肪 酸 以 酯 键 与 甘油 相连 而 组 成 的 ， 它们 扎 化 的 第 一 步 先 由 脂肪 酶 水 解 ， 释 放出 甘油 和 游离 脂肪 酸 . 甘油 被 ATP 磷酸 化 ,生成 磷酸 甘油 ， 然 后 由 NAD 连接 酶 氧化 成 二 羟基 丙酮 磷酸 ,也 许 读者 还 记得 , 它 是 在 糖 酵 解 图 中 葡萄 糖 降解 的 直接 途径 中 出 现 的 一 种 化 合 物 . ”由 此 开始 ， 甘油 将 沿 着 我 们 已 经 画 出 的 途径 进行 ， 生 成 三 氧化 碳 和 水 (24): CH,OH CH,OH CH,OH TP NAD | CHOH 一 > CHOH “= 一 Co (24) | | | CH,OH CH,O—® CH;O 一 @ 这 时 ， 脂 肪 氧化 的 问题 就 转 为 脂肪 衍生 出 来 的 脂肪 酸 的 变化 问题 了 .根据 六 十 多 年 以 前 努 普 的 实验 结果 ， 直 链 的 硬 脂 酸 〈 十 八 个 碳 原子 八 软 脂 酸 ( 十 六 个 碳 原 子 ) 和 油 酸 (十 八 个 碳 原 子 并 带 有 一 个 双 键 ) 等 通过 一 次 断裂 掉 两 个 碳 原 子 的 反应 被 氧化 ， 因 此 硬 脂 酸 首 先 转变 成 软 脂 酸 ， 然 后 转变 成 十 四 个 碳 原子 的 酸 , 再 变 成 十 二 个 碳 原子 的 酸 , 十 个 碳 原子 的 酸 等 等 ， 一 直到 变 成 正好 是 四 个 碳 原子 的 乙酰 乙酸 ， 乙 酰 乙 酸 接着 分 解 成 二 个 碳 原子 的 乙酸 碎片 . 象 这 样 一 次 消去 三 个 碳 原 子 的 氧化 称 为 6- 氧化 ,因为 它 是 在 与 脂肪 酸 链 末端 的 酸性 基 团 相 距 两 个 碳 原子 的 位 置 ( 照 化 学 上 的 说 法 , 是 在 6- 位 ) 发 生 氧化 AY. 虽然 这 样 ， 脂肪 酸 的 8- 氧化 跟 葡 萄 糖 氧 化 一 样 ， 并 不 能 自发 地 进行 ; 需要 活化 能 的 引发 . 这 一 能 量 也 和 葡萄 糖 氧化 一 样 , 是 靠 ATP 供给 的 ; 必须 把 两 个 高 能 磷酸 键 的 能 量 取出 © 128° eo ee Cie, eee 来 ， 才 能 引发 这 些 反应 . 这 两 个 磷酸 键 来 自 同一 个 ATP 分 子 , 所 以 ATP 分 子 分 解 成 了 AMP. 虽然 这 样 ,，8- 氧 化 在 利用 ATP 能 量 上 与 葡萄 糖 氧 化 不 同 , 8- 氧 化 不 是 通过 磷酸 化 底 物 分 子 (例如 象 葡萄 糖 酸 那样 ), 而 是 通过 脂肪 酸 与 辅酶 A 化 合 而 进行 的 , 这 个 辅酶 与 丙酮 酸 和 wx- 酮 戊 二 酸 氧 化 所 用 的 辅酶 是 相同 的 ,我 们 早已 遇 到 过 了 ,是 硫 激酶 (25 ): RCN,-CH,-CH,-COOH + CoA-SH + ATP == R -CH,-CH,-CH,-CO + SCoA + AMP + 2@ (25) 这 时 ， 脂 酰基 -辅酶 人 经 黄 素 蛋 白 脱 氢 酶 的 作用 被 氧化 (267: R -CH,-CH,-CH,-CO-SCoA + FP ~ => R -CH,-CH=CHCO-SCvA + FPH, (26) fo BERS A EB 8 KF HE HE Bl En» FSB TB -FEB- 辅酶 A(27): R -CH,-CH=CH-CO-SCoA + H,O = R -CH,-CH-CH,CO-SCoA (27) ou 此 时 另 一 个 连接 NAD APLAR -H A 转变 成 8- 酮 脂 酰基 -辅酶 A(28): R.CH,.CH.CH,.Co.SCoA + NAD | : OH => R-CH,- C-CH,-CO-SCoA + NADH, (28) | O XARA 8- 酮 硫 解 酶 作用 与 另 一 个 辅酶 A 分 子 起 反应 (29): R WE REA shot + CoA-SH OD ==> R-CH,-CO-SCoA + CH;-CO-SCoA (29) 最 后 这 个 反应 成 功 地 分 解 了 这 个 酸 的 碳 链 ， 释 放出 了 乙酰 畏 酶 A 和 比方 程式 (25) 的 原 分 子 少 二 个 碳 原子 的 脂肪 酸 的 辅酶 。 129。 A 衍生 物 . 这 个 反应 通称 为 硫 解 。 在 反应 中 , 在 不 需 从 ATP 取得 能 量 的 情况 下 ， 就 把 一 个 辅酶 A 分 子 加 到 脂肪 酰 的 残 基 上 了 .， 硫 解 反应 本 身 提供 了 足够 的 能 量 进行 加 成 , 也 不 需要 外 部 能 源 . 因此 ， 除 了 释放 出 一 个 乙酰 辅酶 A 分 子 以 外 ， 硫 解 反应 还 生成 脂肪 乙酰 辅酶 A， 脂 肪 乙酰 辅酶 A 这 时 就 可 以 - 参与 我 们 讨论 过 的 反应 序列 了 , 此 序列 从 反应 (26) 开 始 ， 也 就 是 说 ,每 当 一 个 脂 酰 辅 酶 A 的 分 子 通过 从 反应 《26) 到 反应 《29) 的 序列 , 即 氧化 \ 水 合 、 氧 化 和 硫 解 反 应 序列 ;就 生成 一 个 乙酰 辅酶 A 子 分 子 和 一 个 脂 酰 辅酶 A 分 子 , 后 者 比 它 的 母体 少 二 个 碳 原子 , 且 能 用 同样 的 方法 继续 增殖 因此, 脂肪酸 分 子 反复 通过 由 四 个 反应 构成 的 这 组 反应 ， 每 通过 一 次 就 从 碳 骨 架 上 削 掉 一 片 ,作为 乙酰 辅酶 A 释放 出 来 . 我 们 可 以 指出 六 个 碳 原子 的 已 酸 照 这 样 进行 的 全 过 程 : CH,-CH,-CH,-CH,-CH,+CO-SCoA y : CH,-CH,-CH,-CO-SCoA + CH,-CO-SCoA + NADH, + EPH, + a) CH,-CO-SCoA + CH,-CO-SCoA + NADH, +FPH, (30) 于 是 ， 看 来 我 们 从 已 酸 得 到 了 三 个 乙酰 辅酶 入 分子 ,二 企 NADH, 分 子 和 二 个 FPH: 分 子 . 当 乙酰 辅酶 A 经 柠檬 酸 循 环 被 氧化 时 ,每 个 分 子 产生 十 二 个 ATP 分 子 ; 二 个 NADH; 分 子 相 当 于 六 个 ATP 分 子 ， 二 个 黄 素 蛋白 分 子 又 相当 于 四 个 ATIP 分 子 . 因此 , 己 酸 经 过 整个 生物 氧化 过 程 产 生 的 AIP 量 共计 为 36 加 6, 加 4, 即 为 46 个 分 子 . 由 于 我 们 是 从 已 酸 开 始 的 ,生成 己 酰 辅酶 A 时 ， 消 耗 了 二 个 ATP 分 子 ， 所 以 净 增 的 AIP 是 44 个 分 子 . 这 可 以 跟 葡 萄 糖 氧化 时 产生 38 个 ATP 分 子 进 行 比较 . Aas RS 生生 人 和 和 原子 的 糖 类 释放 出 更 多 的 可 用 自由 能 . 然而 ,氧化 作用 乍 看 起 来 也 许 不 象 那 样 有 成 效 ， 因为 在 计 e¢ 130 a 算 中 我 们 已 经 假定 ， 所 有 的 酸 都 分 解 成 乙酰 辅酶 A， 接 着 氧 化 .但 实际 上 ,我们 已 经 看 到 ,在 饥 钱 或 患 糖尿 病 的 时 候 ,脂肪 酸 成 了 机 体 主 要 能 源 的 条 件 下 ,大 量 的 乙酰 乙酸 积累 起 来 .此 刻 乙 酰 乙 酸 的 一 个 来 源 ， 是 由 脂肪 酸 氧 化 时 生成 的 二 个 乙酰 辅酶 A 分 子 化 合 而 成 (317): CH,-CO-SCoA + CH,-CO-SCoA => CH;-CO-CH,-CO-SCoA + CoA.SH (31) 同位 素 示 踪 实验 的 资料 可 以 证 实 , 在 脂肪 酸 氧 化 的 时 候 , 乙酰 乙酸 事实 上 是 利用 这 个 途径 生成 的 . 然而 ， 肝 脏 积累 随后 又 排出 的 每 一 个 乙酰 乙酸 或 其 衍生 物 分 子 的 事实 ， 意 味 着 有 两 个 潜在 的 乙酰 辅酶 A 分 子 没有 被 利用 ,没有 经 过 柠檬 酸 循 环 的 途径 被 氧化 而 释放 出 其 潜能 .为 什么 呢 ? ”主要 由 于 脂肪 酸 氧 化 只 在 糖 缺 乏 的 条 件 下 才 发 生 ， 所 以 大 们 发 现 细 胞 使 用 这 种 不 经 济 的 方法 浪费 宝贵 的 能 源 的 情况 会 感到 非常 惊奇 。 要 是 照 这 样 丢 掉 乙 酰 乙 酸 ， 就 是 把 还 没有 燃烧 到 一 半 的 燃料 扔 掉 了 . 看 来 理由 似乎 与 村 檬 酸 循环 起 作用 所 采用 的 方法 有 密切 关系 .我 们 前 面 讲 过 ,为 了 使 这 个 循环 得 以 进行 ,乙酰 辅酶 A 一 定 要 与 草 酰 乙酸 化 合 , 生成 柠檬 酸 . 虽然 在 理论 上 只 要 求 草 酰 乙酸 具有 能 起 催化 作用 的 量 就 行 了 ， 因 为 这 个 循环 进行 一 整 周 ,就 持续 重新 生成 草 酰 乙 酸 , 但 是 尽管 如 此 , 实际 上 细 ” 胞 似乎 必须 提供 四 加 的 草 酰 乙酸 源 ， 例 如 通过 本 章 前 面 的 反 应 (22) 提 供 . 在 这 样 的 反应 中 , 草 酰 乙酸 是 由 丙酮 酸 生 成 的 . 但 是 丙酮 酸 仅 存在 于 葡萄 糖 氧化 的 途径 中 ， 不 存在 于 脂肪 酸 氧化 的 途径 中 . 在 我 们 刚刚 讨论 的 这 组 反应 中 根本 不 生成 两 AAA. 由 此 可 见 , 在 糖 类 缺乏 的 时 候 , 草 酰 乙 酸 的 供应 一 定 会 显著 地 减少 . 因此 当 生 成 的 一 系列 乙酰 辅酶 A 分 子 排队 等 待 与 草 酰 乙酸 连结 ,看 上 去 好 象 很 忙 的 时 候 , 柠 檬 酸 循环 一 定 会 es 1l3le Ka mle PR. _ 由 于 乙酰 辅酶 A 的 量 不 断 增加 ， 因而 增加 的 大 量 乙酰 畏 ss A 分 子 便 有 按 反应 (31) 彼 此 化 合 的 趋势 ， 然 而 似乎 是 ; 在 糖 不 存在 的 情况 下 ,被 迫 转 到 由 脂肪 供应 自由 能 时 ,细胞 便 会 发 现 , 即 使 糖 存在 , 能 供给 必要 的 草 酰 乙酸 , 它 也 不 能 以 尽 可 能 高 的 效率 使 用 这 些 乙 酰 辅酶 A. 这 表明 细胞 在 这 方面 能 力 软弱 甚至 显得 无 用 , 而 且 再 次 充分 表明 ， 就 能 量 来 说 ， nate 以 代替 糖 的 东西 其 他 能 大 我 们 已 经 说 过 ,脂肪 只 在 动物 缺乏 葡萄 糖 时 才 用 作 能 源 . ERR, URUK, 体内 脂肪 贮存 量 开始 下 降 ， 最 后 也 要 用 光 的 。 那 就 必然 在 别 的 地 方 寻找 可 氧化 的 底 物 . 在 体内 剩 下 的 唯一 物质 是 蛋白 质 ， 这 也 是 体内 提供 能 量 的 最 后 一 种 手段 。 蛋白 质 对 于 生命 是 如 此 重要 , 以 致 细胞 最 不 愿意 将 其 变 成 能 源 , 然 而 如 果 其 他 的 供应 全 都 中 断 的 话 , 最 后 也 要 开始 利用 它们 ,以 便 渡 过 维持 生命 的 ATP 的 合成 中 断 的 那 侦 时 间 。 这 就 好 象 是 在 所 有 的 燃料 都 烧 光 了 , AMELIA 的 情况 下 开始 砸 碎 僚 具 , 把 它 当 作 燃 料 扔 到 火 里 一 样 . 显然 , 这 个 过 程 不 能 无 限期 地 继续 下 去 ; 在 正常 情况 下 ， 身体 维持 着 “ 氨 平 衡 ", 由 肠 以 氨基 酸 的 形式 吸收 的 氮 量 , 栓 好 等 于 “用 旧 的 ”和 蛋白质 分 解 、 处 理 以 及 以 尿素 的 形式 由 尿 里 排 泄 时 释放 的 氮 量 .在 饥饿 时 , 氮 平 衡 被 破坏 : 为 得 到 能 量 , 生 成 的 蛋白 质 部 分 被 氧化 ,以 尿素 的 形式 把 增加 的 氮 排 泄 ; 身 体 开始 较 快 地 分 解 蛋白 质 ,其 速度 要 比 蛋白 质 生成 的 速度 快 ,使 蛋白 质 不 能 更 新 . 排泄 的 氮 量 一 天 一 天 地 增高 , 最 后 显著 地 急剧 上 升 ,好 象 身体 根本 就 不 能 贮存 蛋白 质 ,此 后 紧 接着 的 就 是 死亡 . © 132 6 :1 三 对 于 好 的 蛋白 质 ,不 愿 把 它 作为 能 源 耗 用 掉 , 这 是 可 以 理 解 的 。 除 此 之 外 ,对 蛋白 质 中 含有 的 氨 进 行 安全 处 理 很 困难 ， 使 细胞 对 蛋白 质 的 使 用 变 得 很 复杂 .。 对 于 动物 的 能 源 来 说 ， 氨 是 无 用 的 ,趋向 以 氨 (NEH5) TURE. (EU, UE 危险 的 有 毒物 质 ;向 血 流 中 注射 很 少量 的 氨 就 能 致命, 因此 机 体 必 须 找到 一 个 无 毒 处 理 系统 来 处 理 蛋 白质 代谢 过 程 中 产生 的 氨 . 这 可 以 通过 把 氨 转 变 成 无 毒 的 尿素 COM), KU 到 ; 尿素 能 通过 血 流 进 入 肾 ,以 后 排 油 到 尿 里 , 就 不 必 担心 自 体 中 毒 了 . 尿 中 所 含 的 尿素 甚 多 ,甚至 身体 健康 ,各 器 官 功能 正常 的 人 也 是 这 样 ， 这 一 事实 表明 ， 蛋 白质 分 解 一 直 都 在 进行 着 . 我 们 已 经 知道 , 在 细胞 不 停 地 从 事 着 的 , 称 为 “机 体 成 份 的 动 态 ”的 自我 更 新 中 ,蛋白 质 与 细胞 合成 的 其 他 大 分 子 一 道 是 如 何不 断 地 进行 着 分 解 和 再 合成 的 、 显 然 ,在 这 种 分 解 过 程 中 ， 细胞 重新 获得 的 一 切 能 量 , 象 在 脂肪 、 氨 基 酸 和 蛋白 质 的 分 解 中 ,甚至 在 糖 类 丰富 的 情况 下 ,细胞 也 重新 获得 使 机 体 的 能 量 平衡 所 需 的 能 量 。 虽 然 如 此 ,在 正常 情况 下 ,这 种 分 解 对 机 体 能 量 平衡 的 贡献 却 是 很 小 的 . 蛋白 质 的 氨 转 变 成 尿素 的 过 程 ， 几 乎 只 能 在 肝脏 内 进行 (切除 肝 胜 的 狗 , 喂 无 氨 食 物 能 活 一 段 时 间 , PERE RR 物 会 很 快 死亡 ， 因 为 这 时 已 无 法 防止 以 氨 的 形式 释放 出 来 的 氨 造 成 的 中 毒 了 )。 尿素 生成 的 机 制 主要 是 克 雷 布 斯 在 二 十 世纪 三 十 年 代 发 现 的 ， 眼 乙酰 辅酶 A 的 氧化 机 制 一 样 ， 这 是 一 个 有 相当 大 的 理论 意义 的 循环 过 程 。 但 是 因为 它 不 是 细胞 的 能 源 ,所 以 在 这 里 我 们 就 不 进一步 讨论 了 . 蛋白 质 所 能 提供 的 这 种 能 量 ， 是 通过 组 成 它 的 氨基 酸 的 矶 骨架 氧化 得 到 的 :由 于 氨基 酸 有 许多 种 ,各 种 氨基 酸 之 间 结构 又 有 非常 大 的 差别 ,所 以 氨基 酸 有 几 个 不 同 的 氧化 途径 ， 133 。 这 是 并 不 奇怪 的 . 虽然 这 样 , 但 这 些 途 径 的 降解 原理 都 是 相 (ARS; 在 降解 的 初始 阶段 , 先 使 氨基 酸 脱 掉 氮 基 * 再 使 脱 氮 的 分 子 转变 成 正好 是 在 葡萄 糖 或 者 脂肪 酸 氧化 途径 上 的 物质 ， 就 可 以 利用 我 们 已 经 讨论 过 的 反应 途径 来 处 理 了 .能 产生 葡 萄 糖 氧化 的 中 间 产 物 和 柠檬 酸 循环 的 中 间 产 物 的 氢 基 酸 》 通 称 为 成 糖 氨基 酸 ， 而 能 转变 成 处 于 脂肪 酸 代谢 途径 中 的 中 间 产物 的 氨基 酸 , 则 称 为 成 酮 氨基 酸 . 有 几 种 途径 能 使 氨基 酸 除 去 扼 . 其 中 一 种 途径 是 直接 氧 化 ,氨基 酸 首先 经 此 途径 脱氧 ,两 个 氨 转 到 受 体 上 ， 然 后 进行 水 解 ,释放 所 (反应 32， 33): R -CH-COOH == R+C-COOH + 2H (32) | 氨基 枉 亚 氨 基 酸 R.C -COOH | + H,O == R-CO-COOH + NH, (33) TR A Ot re 反应 (33) 的 另 一 种 产物 是 酮 酸 ， 酮 酸 以 后 的 情况 取决 于 它 的 R 基 团 本 身 的 特性 . (32) 这 类 反应 是 由 氨基 酸 氧 化 酶 催化 的 。 第 二 类 反应 (33) 是 自发 进行 的 ,不 需 酶 催化 。 最 重要 的 ABBA EAA BIA. 这 个 酶 能 使 谷 氮 酸 转 变 成 w- 酮 戊 二 酸 (347: COOH COOH | { CH, 78, Cee 二 =- 一 人 + NHy (34) CH, CH, | : | CHNH, CO | COOH COOH 当然 ,x- 酮 戊 二 酸 是 柠檬 酸 循环 中 一 系列 酸 中 的 一 种 ,有 关 它 的 情况 我 们 已 经 讨论 过 了 。 Sas. ° 1346 虽然 这 样 , 谷 氨 酸 脱氧 酶 反应 的 重要 性 ,在 于 除了 这 种 酶 外 ,细胞 中 存在 的 氨基 酸 氧化 酶 都 是 很 弱 的 ,或 者 对 天 然 存在 的 氨基 酸 1- 异 构 体 不 是 专 一 性 的 ,而 对 非 天 然 存 在 的 氨基 本 d- 异 构 体 则 是 专 一 性 的 . 总 之 除 谷 氨 酸 外 , 其 余 的 氨基 酸 脱 去 本 身 氮 的 方法 都 稍 有 不 同 , 这 种 选择 的 途径 称 为 转 氮 过 程 。 许多 氢 基 酸 都 存在 有 转氨酶 , 因此 从 任何 一 个 氨基 酸 和 wx- 酮 戊 二 酸 开始 ,都 能 进行 下 列 交 换 反 应 (357): cooH cooH R R cu, is A ES RES apg ENE em (33) da sy coos fete COOH a BER “xx- 酮 戊 二 酸 a-Me BAR 在 转氨酶 的 作用 下 ,氨基酸 把 它 的 氨基 -NH: 与 w- 酮 戊 二 酸 的 MAZES He, 释放 出 相应 的 酮 酸 和 合 氮 酸 . 酮 酸 能 沿 自己 的 代 谢 途 径 继 续 进 行 , 谷 氨 酸 在 谷 氨 酸 脱 氢 酶 的 作用 下 脱毛 ,再 次 生成 x- 酮 戊 二 酸 . 通过 这 种 方式 可 以 把 反应 (34) 和 (35) 偶 联 在 一 起 ,还 能 提供 另 一 个 现在 已 经 熟悉 的 ,细胞 又 很 喜欢 的 循环 过 程 (图 15).。 这 条 途径 , 实质 上 会 使 所 有 的 氨基 酸 卷 进 代谢 的 小 涡 中 ,从 而 获取 它们 的 洪 能 ， _a- 丽 戊 = 酸 | >NEs 氨基 酸 Ni 氨 酶 = 5 RBS o- fi , 合 氢 酸 。135。 脂肪 ， 毛 基 酸 和 糖 类 的 互相 转变 机 制 所 有 的 细胞 都 能 代谢 葡萄 糖 . 但 是 脂肪 酸 和 氨基 酸 主要 在 肝脏 内 才能 被 利用 .在 饥饿 的 时 候 ， 虽 然 肝脏 能 利用 脂肪 获得 它 所 需要 的 一 切 能 量 ， 但 是 其 他 组 织 如 果 没 有 向 它们 调 运 能 量 的 方法 , 那 就 会 趋 于 缺乏 能 量 .在 体内 长 距离 传递 "能 量 包 ”最 方便 的 方法 , 是 以 “葡萄 糖 小 包 ” 的 方式 传递 。 因 此 ， 肝脏 必须 把 它 使 用 的 食料 转变 成 糖 ,以 利于 功能 较 少 的 组 织 。 实际 上 , 这 要 求 肝 细胞 具有 一 个 从 葡萄 糖 到 乙酰 辅酶 A 这 个 反应 序列 的 逆序 列 ， 因 为 脂肪 和 氨基 酸 在 氧化 的 时 候 可 产生 乙酰 辅酶 A 这 种 物质 . 幸而 在 讨论 葡萄 糖 氧 化 途径 时 ， 我 们 已 经 描述 过 的 反应 几乎 全 都 是 可 逆 的 。 假若 处 在 正 向 反应 条 件 , 那 要 能 使 催化 果糖 -1,6- 二 磷酸 分 解 成 丙酮 酸 [反应 (4) 到 (117)] 的 所 有 酶 都 沿 原 途径 的 逆 方 向 起 作用 。 果糖 -1,6- 二 磷酸 本 身 , 是 葡萄 糖 在 两 个 ATP 分 子 \. 已 糖 激酶 、 磷 酸 果 糖 激酶 、 磷 酸 己 糖 异 构 栈 等 的 帮助 下 合成 的 [反应 (1) 到 (3)]. 已 糖 在 引发 分 解 时 必然 要 消耗 掉 两 个 ATP 分 子 , 因 为 已 糖 激酶 反应 和 磷酸 果糖 激酶 反应 是 不 可 逆 的 . 但 是 存在 有 磷酸 酶 , 它 能 水 解 已 糖 磷酸 , 杰 放出 游离 的 己 糖 ， 还 有 无 机 磷酸 ， 而 不 释放 ATP。 利 用 它们 的 帮助 ,果糖 二 磷酸 可 以 重新 转变 成 葡萄 糖 : 己 糖 激酶 ATP 果糖 激酶 , ATP (36) 葡萄 糖 葡萄 糖 -6- 磷 酸 二 -一 全 果糖-6- 磷 酸 果糖 -6- 磷 酸 因此 , 丙酮 酸 和 葡萄 糖 由 一 个 可 逆 的 反应 序列 联结 起 来 。 但 TE: 图 36 中 右边 的 一 个 “果糖 -6- 磷 酸 ? 应 为 “果糖 -1,6- 二 磷酸 ”。 ¢ 136° 是 ,脂肪 和 氨基 酸 能 产生 乙酰 辅酶 A 或 柠檬 酸 循环 的 中 间 产 物 , 如 wx- 酮 成 二 酸 ,而 不 是 丙酮 酸 . 在 葡萄 糖 氧 化 原理 图 中 ， 丙酮 酸 经 过 一 个 实际 看 来 是 不 可 逆 的 复杂 的 反应 序列 ， 氧 化 脱羧 生成 乙酰 辅酶 A (方程 14 到 15). 为 了 重新 合成 丙酮 酸 , 我 们 必须 利用 更 间接 的 方法 .本 章 前 面部 份 的 反应 (21) 和 (22) 表示 一 种 方法 , 某 些 类 型 的 细胞 利用 此 法 从 草 酰 乙 酸 (或 苹果 酸 ) 开 始 ,能 重新 合成 丙酮 酸 。 因 为 草 酰 乙 酸 、 苹 果 酸 这 两 种 物质 是 在 柠檬 酸 循环 过 程 中 生成 的 ， 所 以 乙酰 辅酶 A 和 柠檬 酸 循环 的 中 间 产 物 都 能 生成 丙酮 酸 。 虽然 这 些 反应 实 际 进 行 途径 的 各 个 细节 不 可 能 完全 画 出 来 ， 也 不 能 肯定 是 否 所 有 物种 的 细胞 都 有 这 种 机 制 ， 但 是 看 来 细胞 显然 有 一 些 方 A ae BGR 一 > 葡萄 糖 磷酸 -> 果糖 -1，6- 二 磷酸 会 成 PR Ala PB 图 16 脂肪 \ 糖 类 和 和 蛋白 质 的 相互 关系 “137。 法 ,在 必要 时 能 通过 这 些 方法 从 其 他 食物 获得 葡萄 糖 . 同样 ， 葡萄 糖 本 身 也 能 用 作 合 成 脂肪 酸 、 氨 基 酸 \ 脂 肪 和 和 蛋 百 质 的 初 始 底 物 , 这 将 在 下 一 章 讨论 .我 们 现在 能 把 所 有 这 些 相 互 关 系 概括 在 一 张 综 合 图 《图 16) BY. «133 6 第 作 章 合成 途径 ”众所周知 ,破坏 容易 建设 难 . 虽然 细胞 分 解 它 的 成 份 , 采 用 的 方法 确实 很 巧妙 ， 但 是 这 些 方法 的 主要 目的 只 不 过 是 提 供 一 个 比较 平稳 ,比较 简便 地 分 解 分 子 , 释 放 潜 能 的 系统 .分 子 在 此 系统 中 被 击 打 , 推 挤 , 形成 合适 的 形状 ， 象 破碎 场 的 汽 车 一 样 , 没 人 理会 它们 原来 是 什么 东西 ;最 后 全 部 分 子 都 经 柠 檬 酸 循环 分 解 成 二 氧化 碳 排出 . 对 比 之 下 ,合成 却 是 一 项 复杂 而 细致 的 工作 , 象 汽车 厂 的 生产 装配 线 要 生产 出 装配 得 精密 、 缺 点 最 少 \ 高 度 准确 完善 的 汽车 一 样 . 生物 的 合成 途径 要 求 从 细胞 最 基本 的 合成 材料 如 简单 的 酸 、 二 氧化 碳 和 氨 开 始 , 合成 无 数 糖 、 脂 肪 、 蛋 白质 \ 核 酸 等 精细 的 大 分 子 . “与 某 些微 生物 或 植物 不 同 ， 动 物 在 生物 合成 上 并 不 是 多 才 多 艺 的 .植物 和 一 些 细菌 只 从 二 氧化 碳 和 太阳 能 开始 就 能 合成 碳 链 ， 而 其 他 许多 细菌 则 能 靠 乙 酸 这 样 的 似乎 是 非 营养 物 生长 .动物 细胞 需要 的 东西 要 多 得 多 ; 它 在 开始 合成 工作 之 前 ,必须 得 到 糖 \, 几 种 不 同 的 氨基 酸 和 各 种 各 样 的 维生素 的 供 给 。 Cb, 动物 是 靠 其 他 生物 的 能 力 来 合成 它 所 需要 的 物 质 而 过 寄生 生活 的 ; 动物 由 于 不 必 站 在 一 个 地 方 伸 长 双 臂 获 吾 阳 光 , 也 不 必 到 农村 去 寻找 乙酸 , 它 可 以 做 别 的 更 有 意义 的 事情 。 即使 这 样 , 也 不 应 该 低估 我 们 自己 体内 差劲 的 细胞 制 造 蛋白 质 或 脂肪 的 技能 ; 它们 仍然 要 比 知 道 怎样 仿制 的 科学 家 干 得 好 得 多 . ”即使 植物 和 动物 之 间 在 合成 能 力 上 有 差别 ， 所 有 生物 体 ©1396 还 是 有 许多 共同 的 特性 ,并 采用 一 些 共 同 而 重要 的 合成 途径 。 某 些 特性 是 所 有 生物 合成 法 所 共有 的 . 首先 , 许多 生物 合成 途径 都 使 用 能 量 ， 正 如 我 们 在 前 一 章 讨 论 的 许多 催化 体系 都 是 能 量 的 供应 者 一 样 。 在 葡萄 糖 、 脂 肪 酸 或 氨基 酸 氧 化 时 产 生 的 大 量 ATP, 转 过 来 又 用 于 合成 新 的 糖 、 脂 肪 和 蛋白质 等 的 SF. 我 们 已 经 指出 , 这 些 大 分 子 一 直 由 细胞 不 断 地 进行 更 新 ,因此 , 即使 是 健康 的 完全 成 熟 的 动物 ,也 是 一 生 中 都 忙于 合成 新 的 大 分 子 。 如 果 说 不 是 不 可 能 , 也 是 很 难 估计 刚好 有 多 少 细 胞 的 ATP 为 此 而 被 使 用 ._ 但 是 可 以 计算 出 在 非常 活 小 的 细胞 里 ， 每 一 个 ATP 分 子 转变 成 ADP 时 被 提取 出 来 的 能 量 ， 并 且 也 可 计算 出 每 分 钟 多 次 利用 可 氧化 的 底 物 重新 合 成 ATP 所 消耗 的 能 量 .还 可 以 肯定 ， 无 论 ATP 的 利用 效率 多 女 高 ， 生 物 合成 效率 同 细胞 提取 利用 生物 氧化 时 释放 出 的 能 量 的 效率 一 样 , 百分之百 的 效率 是 不 存在 的 ; 的 确 ,我 们 会 看 到 ,细胞 在 合成 任何 一 种 特定 物质 时 ， 不 得 不 消耗 的 ATP 分 子 的 量 , 几 乎 总 是 要 多 于 氧化 该 物 所 能 获得 的 量 . 当然 ,这 也 就 是 没有 食物 人 为 什么 会 死 的 原因 ， 甚 至 我 们 在 开始 对 周 围 环 境 实际 做 功 之 前 ,就 需要 不 断 地 从 外 界 获 得 能 量 , 供 应 我 们 自己 身体 的 需要 ;以 维持 机 体内 部 的 活动 。 - 其 次 , 所 有 的 生物 合成 途径 都 是 需 能 的 ， 在 这 个 意义 上 ， 这 些 途 径 是 至 今 我 们 已 讨论 过 的 分 解 代谢 反应 途径 的 逆 过 程 。 在 另 一 种 意义 上 , 许多 生物 合成 途径 也 是 分 解 代谢 反应 途径 的 逆 过 程 . 我 们 已 经 讨论 过 的 产能 反应 是 通过 氧化 它 的 底 物 进行 的 ,在 另 一 方面 , 由 于 要 合成 较 复 杂 的 分 子 , 所 以 生 物 合成 要 求 把 较 简单 的 原料 分 子 还 原 。 正 如 细胞 氧化 过 程 是 由 辅酶 ， 特 别 是 NAD 催化 的 一 样 , 我 们 将 会 发 现 , 细胞 的 还 原 过 程 也 是 需要 辅酶 的 ,这 种 辅酶 虽然 不 是 NAD， 但 却 是 与 它 密 切 相 关 的 氨 供 体 , 即 磷酸 化 的 NADP 一 一 这 种 化 合 物 我 。140。 们 在 讨论 少数 氧化 脱 氢 酶 反应 中 氢 受 体 的 作用 时 已 经 讲 到 ¥: 现在 应 该 清楚 了 ,生物 合成 是 一 个 比 氧 化 更 复杂 的 过 程 ， 但 这 还 远 远 没 有 完全 凋 明 这 种 过 程 。 上 一 章 所 讨论 的 许多 催 化 反应 都 是 可 逆 的 这 一 事实 ， 使 研究 生物 合成 问题 复杂 化 了 一 -我 们 已 经 了 解 了 细胞 从 乙酰 辅酶 A 或 丙酮 酸 开始 ， 是 如 何 利用 逆 糖 酵 解 途径 合成 葡萄 糖 的 ， 于 是 人 们 很 自然 地 认 为 , 生物 合成 途径 通常 是 氧化 途径 的 逆反 应 。 许多 著名 的 研 究 工作 者 ,特别 是 在 糖 原 和 脂肪 合成 方面 的 研究 工作 者 ,由 于 没 能 认识 到 纯化 的 酶 虽然 能 催化 试管 里 的 正 反 应 和 逆反 应 ， 但 是 在 细胞 里 却 不 可 能 做 到 这 一 点 ,因而 被 引入 歧途 。 反应 条 件 和 反应 物 的 相对 浓度 ， 可 能 总 是 有 利于 一 个 方向 的 反应 而 不 利于 另 一 个 方向 的 反应 .细胞 要 采用 同一 组 酶 来 分 解 分 子 和 合成 分 子 , 确实 是 非常 错误 的 节约 行为 . 得 到 的 结果 是 非常 混乱 的 ,好 象 在 一 间 拥 挤 的 商店 里 , 许多 人 上 楼 , 许多 人 下 楼 , 拥挤 不 堪 . 在 管理 得 井井有条 的 百货 商店 里 有 两 个 楼 梯 , 醒目 地 标 出 “上 ”和 “下 ”。 在 近 五 六 年 时 间 里 , CAB 了 细胞 的 做 法 与 此 一 样 . 我 们 现在 来 看 一 下 几 个 典型 的 “上 行 ”楼 梯 的 例子 . 糖 原 的 合成 动物 的 葡萄 糖 聚 合 物 糖 原 ， 主 要 是 由 肝 细 胞 和 肌 细 胞 合 PRAY. 糖 原 合 成 的 起 始 物质 , 可 看 作 是 为 细胞 提供 直接 需要 的 能 量 后 剩 下 的 葡萄 糖 ， 我 们 可 以 把 糖 原 看 成 是 葡萄 糖 单位 RT aE ATP 分 子 中 的 能 量 而 活化 和 结合 成 的 . 我们 原来 讲 过 , 糖 原 经 磷酸 化 酶 的 作用 而 分 解 ,生成 可 氧化 的 葡萄 糖 ?该 反应 从 葡萄 糖 单位 组 成 的 链 和 无 机 磷酸 开始 ,从 链 上 一 次 裂解 下 一 个 葡萄 糖 -1- 磷 酸 分 子 。 磷酸 化 酶 的 反应 是 可 逆 。141 。 的 。 如 果 有 葡萄 糖 磷酸 和 少许 糖 原 链 的 “引物 ”人 (其 长 度 可 不 必 多 于 两 个 葡萄 糖 单位 ), 纯 化 的 磷酸 化 酶 就 能 在 试管 里 完成 糖 原 合 成 反应 一 一 把 葡萄 糖 单位 贴 在 引物 链 上 ， 释 放出 无 机 BR. 尽管 磷酸 化 酶 反应 的 平衡 , 事实 上 大 大 地 偏向 于 糖 原 分 解 而 不 是 糖 原 合 成 ,但 是 长 期 以 来 人 们 认为 ,这 就 是 细胞 内 合成 糖 原 的 真正 途径 ,因此 ,即使 在 人 工 试管 的 情况 下 ， 葡 萄 糖 磷酸 也 必须 有 很 高 的 浓度 才能 进行 这 种 合成 反应 ; 一 直到 六 年 前 才 搞 清楚 ,在 活 细胞 里 , 糖 原 是 按 比 磷酸 化 酶 反应 的 逆反 应 更 复杂 的 另 一 途径 合成 的 ， 在 这 条 新 的 反应 途径 中 ,反应 平衡 明显 地 离开 糖 磷酸 一 侧 , 移 向 聚合 物 链 形成 的 一 侧 . 在 此 突破 之 后 ， 跟 着 阿根廷 人 勒 洛 亚 (Luis Leloir) 得 到 了 一 种 新 的 (从 尿 喀 啶 衍生 出 来 ) 辅 酶 。 它 就 是 辅酶 尿 苦 三 磷酸 (UTP), 在 化 学 上 与 ATP 非常 相似 ;, 跟 ATP 一 样 ,未 端 磷酸 键 是 高 能 键 . 勒 洛 亚 发 现 ，UTP 能 与 葡萄 糖 -1- 磷 酸 反应 ,生成 尿 昔 二 磷酸 葡萄 糖 ,简写 为 UDPG 反应 (1): UDP + 葡萄 糖 -1- 磷 酸 一 > UDPG 十 无 机 磷酸 (1) 葡萄 糖 在 转变 成 葡萄 糖 -1- 磷 酸 时 ， 已 经 获得 了 一 个 AIP 分 子 的 能 量 . All, 在 葡萄 糖 与 UTP 化 合生 成 UDPG 时 ， 它 实 际 已 变 得 非常 活 泌 了 . 附 在 辅酶 UDP 上 ,葡萄 糖 能 进行 一 系 列 的 转变 ,否则 这 些 转 变 是 根本 不 可 能 进行 的 ; 例如 , 它 能 很 快 转变 成 葡萄 糖 的 其 他 几 个 异 构 体 , 如 半 乳 糖 ， 然而 ,从 我 们 的 观点 看 ，UDPG 最 重要 的 反应 是 UDPG 的 转 糖 酶 所 催化 的 反应 . 该 酶 进行 这 个 反应 很 容易 ,而 磷酸 化 酶 进行 这 个 反 应 就 相当 困难 ,通过 这 个 反应 把 葡萄 糖 从 UDP 转移 到 -引物 上 去 也 就 开始 合成 糖 原 链 了 : UDPG + 葡 - 葡 一 > UDP + 葡 - 葡 - 葡 (2) (51) 2142 。 UDPG + 葡 - 葡 - 葡 一 > UDP + 葡 - 葡 - 葡 - 葡 《3) 等 等 这 个 反应 能 无 限 重复 进行 ， 一 直到 这 个 链 最 后 达到 一 个 恰当 的 长 度 为 止 。 与 此 同时 ,游离 的 UDP 利用 ATP 转变 成 UTP: ‘UDP + ATP 二 > UTP + ADP (4) 因此 ， 每 个 葡萄 糖 单位 加 到 糖 原 链 上 都 要 消耗 两 个 ATP 键 ， 若是 合成 实际 由 磷酸 化 酶 催化 ,情况 就 不 会 是 这 样 了 这 并 没有 完全 完成 糖 原 的 合成 ， 因 为 正如 我 们 所 了 解 的 那样 , 糖 原 分 子 不 是 直 链 的 ,而 是 支 链 的 ，UDPG 系统 和 磷酸 化 酶 系统 两 者 都 只 能 使 葡萄 糖 单位 之 间 以 1-4 键 连结 ,聚合 成 直 链 .我 们 回忆 一 下 ,分 支点 是 由 一 段 1-4 连接 的 链 , 以 1- 6 键 连接 到 另 一 段 1-4 连接 的 链 上 形成 的 . 这 种 键 是 由 “分 支 酶 "作用 生成 的 , 这 种 酶 起 作用 的 方式 , 是 拿 一 根 达 到 长 度 的 链 以 1-6 键 把 它 接 到 另 一 个 预先 形成 的 链 的 适当 位 置 上 ， 分 支 酶 选择 位 置 ， 完 成 嫁接 分 支 链 所 遵循 的 确切 规律 还 不 完全 清楚 ,也 许 和 新 旧 分 支点 间 的 链 长 有 关 ， 平均 说 来 沿 原 链 每 12 到 18 个 单位 嫁接 一 新 链 。 在 这 些 分 支点 转 糖 酶 和 分 支 本 合成 昼 原 分 子 ， 每 个 糖 原 分 子 总 计 约 有 200 到 300 SATS He 单位 ,作为 食物 短期 贮存 于 肝 细 胞 和 肌 细 胞 内 . 各 肪 酸 的 合成 脂肪 酸 合成 的 问题 , 跟 糖 原 合 成 的 问题 一 样 ,也 是 生物 化 学 家 走 上 歧途 的 一 个 例子 ; 由 于 脂肪 酸 分 解 的 氧化 途径 很 容 易 地 和 弄 明白 了 ， 化 学 家 们 便 误 认为 它 的 合成 途径 就 是 前 者 的 Wee. 脂肪 酸 按 《 脂 肪 酸 的 氧化 》 一 市 的 酶 系统 ， 通 过 辅 酶 A 的 酸 衍 生物 交替 进行 水 合 和 脱 氢 而 进行 氧化 ， 这 些 反 应 按 顺序 重复 进行 ,每 重复 一 次 ,从 碳 链 末 闪 削 掉 一 个 含 2 个 碳 原子 的 碎片 ,成 乙酰 辅酶 A 释 放出 来 . 在 该 序列 中 , 所 有 的 。143 。 反应 都 是 可 逆 的 ,至 少 在 试管 里 是 这 样 ,直到 数 年 前 人 们 还 认 为 ,这 些 疼 反 应 在 活 细胞 里 是 合成 脂肪 酸 的 一 般 机 制 ， 不 过 一 些 重要 差别 已 经 和 并 清 楚 了 . PIN, 氧化 途径 使 用 辅酶 NAD, 而 在 研究 合成 系统 的 纯化 酶 时 ， 就 已 经 发 现 使 用 NADPH, 作 辅 酶 要 比 使 用 NADH, 好 ,因此 人 们 曾 提出 , 合 成 系统 是 氧化 系统 的 逆 系 统 , 只 有 一 点 不 同 , 即 在 关键 的 还 原 那 一 步 ， NADP 代替 了 NAD: 氧化 NAD R.CHe CH.CH: COWS.CoA CHLC.CH:CO™SCoA (5) 8 8 5R- NADPH3 | 但 是 结果 证 明 ， 这 只 是 为 高 效率 合成 脂肪 不 得 不 进行 的 一 系列 改进 中 的 第 一 步 . 例如 ,生物 化 学 家 曾 观测 到 ,在 含 碳 酸 氢 根 离子 HCO, (将 二 氧化 碳 溶 于 水 便 得 到 这 种 离子 ) 的 溶液 中 制 成 的 细胞 制剂 用 来 制造 脂肪 酸 ， 要 比 在 无 碳酸 氢 根 离子 溶液 中 制造 的 细胞 制剂 好 得 多 , 也 快 得 多 . 这 就 直接 指 出 ， 脂 肪 酸 的 合成 对 二 氧化 碳 有 某 种 需要 ， 但 是 当 用 放射 性 CO, 进行 实验 时 ， 脂 肪 酸 中 却 看 不 到 有 放射 性 .看 来 CO; 是 起 催化 作用 . BRE, 非常 重要 的 还 是 与 糖 原 合 成 相似 的 一 个 理论 问题 . 脂肪酸 氧 化 最 后 一 个 反应 , 是 经 6- 硫 解 化 酶 作用 进行 的 硫 解 (6): R-COCH,CO-S-CoA + HSCoA == R-CO-S-CoA + CH;-CO-S-CoA (6) [参见 方程 式 (29)]. 跟 糖 原 代 谢 中 磷酸 化 酶 的 反应 一 样 ， 虽 然 硫 解 在 理论 上 是 可 逆 的 ,但 是 平衡 却 大 大 地 向 右 偏 移 ;为 了 使 细胞 能 利用 这 一 反应 谷 成 脂肪 酸 ， 就 不 得 不 积聚 乙酰 辅酶 A 和 R-CO:S: CoA， 使 其 达到 很 高 的 浓度 。 此 外 , 在 试管 里 能 进行 的 反应 ， 。144 。 a 在 细胞 里 进行 决 不 是 很 容易 的 . 总 之 , 所 有 这 些 事实 清楚 地 表明 ,存在 着 另 一 条 脂肪 酸 合成 途径 . 1958 年 ， 美 国人 沃克 尔 〈《Wakil) 对 这 条 新 合成 途径 提 供 了 一 些 线索 . 沃克 尔 当 时 在 寻找 一 种 能 使 细胞 借以 绕 过 不 利 的 反应 46) 平衡 系 统 , 发 现 穷 门 是 活化 一 些 反应 物 , BRE 糖 原 合成 中 使 用 UDPG 那样 . 再 次 活化 作用 是 靠 消 耗 ATP 得 到 的 , 并 且 要 靠 一 个 新 辅酶 . 细胞 所 做 的 是 将 乙酰 辅酶 A 转变 成 另 一 种 反应 性 更 高 的 物质 丙 二 酸 单 酰 辅酶 A。 丙 二 酸 是 把 一 个 二 氧化 碳 分 子 加 到 乙酸 上 制 得 的 (7): COOH rs CH;,;COOH + CO, 一 > CH (7) 2 \cooH 显然 ,从 它 的 分 子 式 可 以 看 出 , 它 没 有 乙酸 稳定 , 因而 也 更 活 RB. 为 了 完成 二 氧化 碳 的 固定 , 需要 ATP 形式 的 能 量 ， 而 这 个 反应 确实 是 按 方程 (8) 进 行 的 : aon CH;CO-SCoA + CO, + ATP == CHC +ADP+@® (8) CO-SCoA 对 此 反应 起 催化 作用 的 酶 称 为 乙酰 辅酶 A 羧 化 酶 ， 它 要 在 有 金属 离子 锰 和 维生素 也 的 情况 下 才能 起 作用 . 这 时 ， 丙 二 酸 单 酰 辅酶 A 能 与 另 一 个 乙酰 辅酶 A 分 子 化 合 , 生 成 5- 酮 酸 乙酰 乙酸 , 反应 (9): CH,CO-SCoA + CH, 65 13 一 > CH,CO-CH,CO-SCoA CO-SCoA | + CO, + HSCoA (9) FEB — ARTS A OT. Alt, 二 氧化 碳 就 交替 地 通过 反应 (8) 固 定 , 再 由 反应 (9) 释 放出 来 ,事实 上 起 催化 作 用 ， 正 如 我 们 根据 在 放射 性 标记 的 碳酸 氧 根 存在 下 做 的 实验 《这 个 实验 我 们 已 经 讲 过 了 ) 所 预料 的 那样 . 反应 (8) 和 (9) 的 最 后 结果 是 两 个 乙 醋 辅酶 A 的 分 子 连接 。145 。 起 来 ,生成 一 个 乙酰 乙酰 辅酶 A。 由 于 反应 平 衔 有 利于 合成 ， 所 以 我 们 克服 了 8- 酮 硫 解 酶 反应 (6) 形 成 的 障碍 。 反应 平衡 的 又 一 次 逆转 是 以 一 个 ATP 分 子 为 代价 的 . 现在 的 情况 是 ， 虽 然 细 胞 可 能 通过 氧化 过 程 的 简单 逆转 合成 一 点 脂肪 酸 ， 但 是 大 部 分 脂肪 酸 是 通过 酶 系统 合成 的 . 尽管 酶 系统 的 反应 在 形式 上 与 上 述 反应 相似 ， 但 事实 上 在 一 些 重要 的 方面 是 有 差别 的 。 特 别 是 酶 系统 的 反应 使 用 NADP 作 辅 酶 ,而 不 是 使 用 NAD (FS, 依靠 新 的 中 间 体 两 二 酸 单 酰 辅酶 A, 利用 一 个 额外 的 ATP 分 子 ， 绕 过 很 难 进行 的 硫 解 Ri. 所 有 这 些 事实 总 起 来 就 得 出 了 这 样 的 结论 : 合成 脂肪 酸 的 酶 , 在 细胞 内 被 连接 在 一 起 , 成 了 一 个 大 的 多 酶 复合 物 ， 它 一 个 接着 一 个 地 进行 所 有 的 这 一 序列 的 反应 ， 借 助 于 两 二 酸 单 酰 辅 酶 A、NADPH， 和 ATP 的 帮助 ,在 此 序列 的 一 端 接 收 乙酰 辅酶 A, 在 另 一 端 就 合成 出 了 硬 脂 酸 、 软 脂 酸 和 油 酸 。 正如 我 们 将 看 到 的 那样 ,在 讨论 蛋白 质 合成 时 ,如 第 九 章 细胞 的 组 织 结构 一 节 所 讲 的 ,合成 装配 线 这 样 的 概念 ,在 生物 化学 的 许多 方面 日 显 重要 。 将 脂肪 酸 转 变 成 脂肪 脂肪 在 酯 酶 作用 下 , 经 水 解 转 变 成 脂肪 酸 。 虽然 酯 酶 系 绕 很 容易 逆转 ,但 是 生物 合成 采用 的 途径 是 比较 复杂 的 ,再 一 次 要 求 以 ATP 的 形式 供应 能 量 和 辅酶 A。 由 脂肪 酸 合成 脂 肪 酸 的 三 酸 甘 油 酯 脂肪 , 至 少 已 经 发 现 了 两 条 途径 。 其 中 一 条 途径 是 甘油 首先 用 现在 已 熟悉 的 方法 磷酸 化 法 活化 ， 生 成 ax- 磷酸 甘油 (107: CH,OH CH,OH | CHOH +ATP—>»CHOH +ADP (10) | CH,;OH CH,0-® ‘9 146 ¢ 烷 酰 辅酶 A、 十 八 烷 酰 辅酶 A 或 油 酰 辅酶 A 反 应 〈11，127): CH,OH CH,OOCR CHOH + RCO-SCoA 一 一 > Ritts + CoASH (11) CH,0-® docs CH,0OCR CH;OOCR CHOH + R’-CO-SCoA —» CHOOCR’ + CoASH (12) CH,0-® CH,0-® ”磷脂 酸 产物 是 磷脂 酸 , 它 本 身 就 是 一 种 重要 的 物质 ,是 磷脂 类 和 有 关 的 脂 类 的 起 点 。 磷脂 酸 转变 成 三 酸 甘油 酯 , 首先 需要 在 磷脂 酸 的 磷酸 酯 酶 的 作用 下 , 经 过 水 解 ,消去 磷酸 (不 可 逆反 应 )。 产物 是 二 酸 甘油 酯 , 它 能 与 最 后 的 脂肪 酰 辅 梅 A 反 应 ,得 到 三 酸 甘 油 酯 (13, 14); CH,00OCR CH,O0OCR ei + H,O —> CHOOCR’ + © (13) CH,0-® eee Gal 磷脂 酸 二 酸 甘 油 酯 CH,00CR CH,O0OCR CHOOCR’ + R’’CO.SCoA 一 > CHOOCR’ + CoASH (14) CH,OH éttcodk’ 二 酸 甘油 本 =e 通过 这 条 途径 合成 脂肪 用 了 四 个 高 能 键 : 一 个 用 于 合成 磷酸 甘油 , 另外 三 个 用 于 合成 脂肪 酸 的 辅酶 A 的 衍生 物 . 这 是 一 条 在 脂肪 组 织 内 进行 的 反应 途径 ， 它 为 整个 机 体 合 成 了 脂肪 贮存 物 ， 另 一 条 稍微 比较 经 济 的 途径 , 是 在 象 肠 壁 、 肾 、 肝 这 些 组 织 的 细胞 内 进行 的 ， 在 这 些 地 方 ， 一 种 单 酸 甘油 酯 。 147。 《 即 一 油 酸 甘 油 酯 ) 首先 能 直接 与 一 个 , 接着 再 与 另 一 个 脂肪 BHA OTR RM ,生成 三 酸 甘 油 酯 ,而 对 甘油 不 必 事 先进 行 磷 酸化 . 对 这 些 反 应 起 催化 作用 的 酶 是 单 酸 甘油 酯 转 酰基 iS Abe R A= ATP 分 子 就 能 合成 三 酸 甘油 酯 . 但 是 ,甚至 在 采用 酯 化 效率 如 此 高 的 途径 时 ,细胞 合成 脂 肪 酸 的 整个 过 程 , 仍 说 明 较 之 于 分 解 , 合成 是 多 么 难 , 需 要 多 么 大 的 努力 . 当 我 们 从 合成 象 糖 原 和 脂肪 这 样 相对 简单 的 物 质 转 到 讨论 蛋白 质 或 核酸 的 合成 过 程 时 ,将 会 发 现 , 我 们 会 反 复 地 越 来 越 强 调 这 样 的 情况 . 蛋白 质 的 合成 蛋白 质 的 合成 是 最 重要 的 细胞 合成 活动 之 一 .生长 发 育 的 动物 以 极 快 的 速度 合成 蛋白 质 ; 一 只 生长 发 育 的 鼠 的 肝脏 ， 那 怕 切 除了 70 匈 ， 在 十 二 天 内 便 会 恢复 原来 的 重量 。 WE, 即使 它 的 身体 已 经 达到 体重 的 高 峰 ， 蛋 白质 的 合成 还 将 继续 下 去 . 跟 所 有 的 大 分 子 一 样 , 蛋白 质 是 “机 体 成 份 的 动态 ”部 4>. BA ` 血 红 蛋 白 、 结 构 蛋 白 ( 如 胶原 ) 全 都 处 在 以 不 同 的 速 度 不 断 地 分 解 和 合成 的 过 程 中 .在 正常 条 件 下 ，, 平均 一 个 细 胞 每 分 钟 大 概 合 成 几 千 个 新 的 蛋白 质 分 子 . 这 个 问题 与 我 们 已 经 讨论 过 的 那些 物质 的 合成 问题 ， 在 类 型 上 几乎 是 不 同 的 . 最近 几 年 已 向 解决 这 个 问题 前 进 了 一 大 步 ,这 是 现代 生物 化 学 的 最 大 成 就 之 一 ,有 如 物理 学 上 分 裂 原子 或 宇宙 学 的 相对 论 那样 重要 . 要 解决 它 不 仅 要 吸收 经 典 生物 化 学 的 思想 方法 ， 还 要 吸收 遗传 学 和 “信息 论 ” 这 门 新 学 科 的 思想 方法 。 对 它 的 阐明 不 是 靠 那 一 个 人 的 卓越 才智 ,而 是 靠 世界 上 各 个 实验 室 的 多 年 来 的 艰巨 的 研究 工作 。 这 种 情 况 使 蛋白 质 合成 的 巨著 代表 了 一 类 新 的 科学 发 现 . 这 种 发 现 有 赖 于 现代 科学 的 高 度 组 织 状态 ,因此 ,在 世界 各 国 的 按 不 同 e148 。 q 原理 进行 研究 的 科学 工作 者 ， 不 仅 通过 专业 杂志 的 方式 交流 研究 成 果 , 还 通过 书信 ,电讯 、 ERC BB ARAN DAR Pre ft TT AS SE ee AAR -蛋白 质 的 合成 为 什么 与 多 糖 类 和 脂 类 的 台 合成 如 此 不 同 VES 氨基 酸 之 间 生 成 肽 键 的 实际 化 学 过 程 , 是 我 们 早已 十 分 熟悉 的 反应 。 两 个 氨基 酸 能 通过 去 水 并 生成 二 ERAS AE abies 3) ae . R : R' R R | nr cH. coon H.c—x.cH.coon BZ (15) OH 这 个 反应 是 在 消化 时 水 解 蛋白 质 的 蛋白 质 分 解 酶 (如 胰 蛋 白 酶 \ 胃 和 蛋白酶 ) 所 进行 的 反应 的 逆反 应 . 但 是 这 个 反应 光 靠 这 些 酶 是 不 能 完成 的 ,因为 跟 其 他 一 些 合成 反应 一 样 , 它 是 需要 能 量 的 , 我 们 预计 需要 以 ATP 的 形式 提供 这 种 能 量 . 研究 一 下 细胞 经 党 制造 的 一 些 简单 肽 的 合成 就 可 以 验证 这 一 假设 . 其 中 之 一 是 三 肽 谷 胱 甘 肽 《7- 谷 氮 酰 半 胱 氮 酰 甘氨酸 )， 虽然 这 种 物质 的 实际 功能 还 不 清楚 ， 但 已 在 大 多 数 细胞 中 发 现 了 它 . 谷 胱 甘 肽 是 细胞 以 两 步 合成 的 : 第 一 步 , 谷 氮 酰胺 和 半 胱 氨 酸 缩合 ,生成 *- 谷 氮 酰 半 胱 氨 酰 ;第 二 步 , 二 肽 与 甘 氨 酸 反应 ,生成 7- 谷 氮 酰 半 胱 氨 酰 甘氨酸 .不 出 所 料 , 在 合 成 时 ,两 个 ATP 分 子 被 裂解 了 . 但 是 ， 蛋 白质 合成 的 问题 要 比 上 述 肽 键 生成 的 酶 机 制 复 A. 当 我 们 阐明 了 酶 系统 能 把 葡萄 糖 加 到 生长 着 的 多 糖 链 上 ,分 支 酶 能 按 固 定 的 间隔 加 上 支 链 时 ,就 解决 了 糖 原 的 合成 问题 . 但 是 糖 原 是 只 由 一 种 糖 (葡萄 糖 ) 合 成 的 .甚至 较 复 杂 的 多 糖 , 最 多 也 只 有 三 种 或 四 种 不 同 的 糖 单位 ,以 重复 的 型 式 连接 在 一 起 . .但 是 蛋白 质 链 是 由 二 十 种 不 同 的 氨基 酸 头 尾 相 。 149 。 接 ; 以 一 种 独特 的 \ 不 重复 的 顺序 连接 在 一 起 的 . 每 个 氨基 酸 在 这 个 序列 里 有 它 预 定 的 位 置 , 如 果 顺 序 有 所 改变 ,一 种 氨基 酸 代替 了 另 一 种 氨基 酸 ， 或 者 二 种 或 多 种 氨基 酸 在 链 上 的 顺 序 颠 倒 了 ， 那 就 意味 着 这 个 蛋白 质 不 再 能 履行 它 在 细胞 里 的 生理 功能 了 . 蛋 电 质 的 合成 是 一 个 特殊 的 问题 . a -现在 可 以 明日 ， 为 什么 遗传 学 家 和 控制 论 学 者 《信息 学 家 ) 都 对 蛋白 质 合成 感 兴 趣 了 . 遗传 学 家 关心 细胞 和 有 机 体 eM BA. «EZR (Mendel) 在 十 九 世纪 晚期 开创 了 经 典 遗 传 学 ， 他 研究 了 各 种 花 ( 例 如 杂交 甜 殉 豆 的 花 ) 产 生 不 同 颜色 的 规律 . 与 生物 化 学 同时 出 现 的 ,在 近 二 、 三 十 年 才 发 展 起 来 的 现代 遗传 学 , 与 上 述 的 繁殖 机 制 有 关 . 对 遗传 学 家 来 说 , 蛋白 质 是 控制 细胞 日 党 活动 的 分 子 . 婴 疙 的 蛋白 质 与 他 双亲 的 蛋白 质 是 完全 相同 的 . 但 是 婴儿 却 是 由 两 个 微小 的 生 殖 细胞 融合 在 一 起 生长 发 育成 的 . 这 两 个 微小 的 细胞 ， 在 内 BB— 一 定 已 经 有 了 制造 要 儿 体 站 无 数 个 个 同 细胞 中 见于 种 不 同 的 蛋白 质 的 全 部 详细 指令 和 蓝图 . 控制 论 是 比 生物 化 学 或 遗传 学 更 新 的 一 | 学 科 (这 一 名 称 是 1948 年 才 制定 的 ).。 控制 论 学 者 研究 信息 的 传递 : 信息 从 一 种 形式 转变 成 另 一 种 形式 一 一 人 的 声音 转变 成 无 线 电 波 ,无 线 电波 重 又 转变 成 声音 ;或 者 复杂 的 数学 方程 转变 成 纸 带 上 一 组 孔 , 输 入 计算 机 ,接着 转变 成 计算 机 存 贮 器 磁带 上 一 组 扫描 轨迹 . 控制 论 学 者 就 是 搞 这 类 传递 理论 的 . 对 于 他 人 科 来 说 ,蛋白 质 的 合成 , 恰 是 这 样 一 种 情况 .保证 一 个 新 细胞 准 确 复 制 蛋 白质 链 的 机 制 ， 就 是 将 有 关 蛋 白 质 结 构 的 信息 由 双 亲 细 胞 传递 给 子 细胞 的 机 制 ， 以 后 再 把 子 细胞 存 凡 的 信息 变 回来 合成 蛋 日 质 链 . 现在 我 们 概述 一 下 到 1950 年 前 后 生物 化 学 家 遗传 学 家 和 控制 论 学 家 对 有 关 这 方面 问题 的 看 法 . 问题 是 如 何 将 一 组 = 150» 多 达 300 个 的 氨基 酸 沿 肽 链 头 尾 相 接地 装配 在 一 起 ， 使 得 氨 基 酸 能 按 这 个 链 的 顺序 准确 地 预先 确定 和 复制 .我 们 可 以 设 想 有 两 条 途径 合成 这 种 链 . 一 条 途径 是 先 从 一 个 氨基 酸 开 始 , 再 加 上 第 二 个 氨基 酸 , 加 上 第 三 个 .第 四 个 ,一 直 加 到 链 合 成 完 为 止 ; 另 一 条 途径 是 先 把 合成 这 个 链 所 需 的 氨基 酸 全 部 收集 在 一 起 , 当 它 们 全 都 集合 好 了 的 时 候 , 几 乎 同时 使 它们 彼 此 联结 起 来 ( 象 修复 好 了 的 拉链 一 样 )” 第 二 条 途径 似乎 未 必 可 能 , 若 不 是 第 一 条 途径 出 现 困难 的 话 , 是 根本 不 会 考虑 的 。 我 们 可 以 用 一 个 假设 的 例子 说 明 这 种 困难 . 如 果 我 们 想 要 把 甘氨酸 连 到 丙 氨 酸 上 ,可 以 设想 有 一 个 酶 , 它 能 完成 下 面 的 反 应 : HAR + ARR 一 > H-AAR ( 跟 我 们 开始 讨论 的 谷 胱 甘 肽 的 合成 一 样 ). 我 们 现在 可 以 设 想 有 第 二 个 酶 , 它 能 把 第 三 个 氨基 酸 ,比方 说 酷 氨 酸 加 上 去 : H-AAR + BAR 一 > 甘 - 丙 - 酷 氨 酸 要 把 第 四 个 氨基 酸 加 上 去 , 我 们 就 需要 第 三 个 酶 , 加 上 第 五 ， 需要 第 四 个 酶 . 总 之 要 合成 一 条 有 n 个 氨基 酸 的 链 ， 就 需 要 (n—1) 个 酶 ， 随 着 蛋白 质 链 的 增长 ,加 上 第 Cn 十 1) 个 氨基 酸 就 需要 第 n 个 酶 , 需要 的 信息 量 也 随 着 增加 . 在 决定 是 否 加 第 三 十 五 个 氨基 酸 丝氨酸 时 ， 这 个 酶 必须 在 它 的 活性 中 心 有 一 个 检查 前 面 所 有 二 十 四 个 氨基 酸 的 方法 ， 乔 清楚 这 些 酸 都 是 按 正确 的 顺序 联结 的 . 许多 酶 对 这 种 工作 是 可 以 做 得 很 好 的 ， 但 是 , 这 显然 必须 对 它们 施 以 巨大 的 张力 。 到 第 299 个 酶 把 第 300 个 氨基 酸 加 上 去 的 时 候 , 错误 总 是 难免 的 . 而 正如 我 们 所 知道 的 那样 , 这 些 错误 很 可 能 是 致命 的 . 可 是 还 有 更 大 的 不 合理 性 ， 因 为 我 们 为 了 合成 一 个 含 300 个 氨基 酸 的 蛋白 质 链 假设 了 一 个 过 程 , 为 此 需要 299 Pas. 细胞 里 大 概 有 一 千 种 不 同 的 蛋白 质 ， 为 合成 它们 ， 就 需要 总 共有 299000 “SAR! 而 每 个 酶 又 都 是 蛋白 质 ， 要 合成 .2299000 个 酶 中 的 每 一 个 酶 ,我 们 又 需要 另外 的 299 个 酶 …… 显 然 ; 这 个 论点 是 不 成 立 的 。 -实验 结果 完全 证 明了 应 放弃 蛋白 质 的 酶 分 步 合 成 的 理 tt. 假如 蛋白 质 是 由 肽 的 亚 单 位 稳定 组 合成 的 , 对 活性 蛋白 质 合成 的 研究 就 应 该 证 明 存 在 着 许多 这 种 肽 碎片 .但 是 几乎 从 来 没有 发 现 过 ， 而 发 现 的 总 是 本 身 具 有 特殊 生化 作用 的 专 用 分 子 MAREK), 但 却 不 是 蛋白 质 完整 链 的 前 身 . 同 样 ;假如 把 合成 蛋白 质 链 必要 的 氨基 酸 ， 除 一 种 外 ， 全 都 供给 一 个 组 织 3 可 以 预料 会 生成 大 量 的 肽 小 链 ,表明 生长 着 的 蛋白 质 链 已 经 断裂 ; 断裂 的 地 方 应 该 是 漏 掉 的 氨基 酸 的 位 置 。 但 是 事实 上 ,在 这 样 的 条 件 下 , 合成 活动 全 部 停止 , 从 未 发 现 过 RE Alb, 认为 蛋白 质 是 由 氨基 酸 经 酶 分 步 合成 的 假说 必 FE. : 可 是 , 另外 的 假设 也 同样 不 能 令 人 满意 。 很 难说 明 在 一 个 系统 中 , 300 个 左右 游离 的 氨基 酸 怎 样 自发 地 聚 到 一 起 , 按 准确 的 顺序 连接 成 链 ， 这 种 情况 大 概 是 极 不 可 能 的 ,二 定 存 在 某 种 方法 ,借以 将 氨基 酸 汇集 在 特定 的 位 点 ,一直 等 到 所 有 的 氨基 酸 都 到 了 ,而且 准 确 地 按 允 许 的 顺序 排 好 ,然后 再 连接 起 来 .这 意味 着 存在 着 一 些 位 点 ,在 链 合 成 期 间 , 氨 基 酸 可 以 “停放 ?在 这 些 地 方 . 每 个 位 点 必须 能 识别 不 同 的 氨基 酸 ， 因 此 只 接受 能 相配 的 氨基 酸 ,这 些 位 点 本 身 彼此 的 顺序 ,一 定 和 最 后 蛋白 质 链 的 氮 基 酸 彼此 的 顺序 相同 (B18). 换 名 话说， 蛋白 质 的 合成 要 求 预先 存在 着 一 组 氨基 酸 的 “辨认 位 点 ”5 这 些 位 点 是 预先 存在 的 某 个 大 分 子 的 组 成 部 分 -二 :对 蛋白 质 合成 之 谜 提出 的 这 种 答案 ,生物 化 学 家 、 遗 传 学 家 和 控制 论 学 家 都 很 满意 . 按照 生物 化 学 的 要 求 , 有 人 曾 预 言 存在 着 蛋白 质 合成 的 “模型 ” 或 “模板 ”, 同 时 若 能 说 明 模 板 © 1152 。 ~ ee 受到 遗传 控制 ， 就 能 发 现 蛋 白质 结构 的 信息 在 细胞 间 是 如 何 转移 的 . 这 要 求 模板 应 当 是 什么 样 的 呢 ? 它 必须 是 一 个 与 它 要 合成 的 蛋白 质 的 长 度 有 关 的 大 分 子 . 沼 着 它 的 链 长 必须 是 一 系列 与 蛋白 质 各 单个 的 氨基 酸 相 对 应 的 位 点 。 每 个 这 种 位 点 一 定 能 识别 不 同 的 氨基 酸 , 并 且 只 接受 一 种 氨基 酸 。 我 们 知道 具有 三 种 类 型 的 大 分 子 链 : 糖 、 蛋 白质 和 核酸 . 糖 类 可 以 划 去 ,因为 它 的 链 , 比方 说 糖 原 的 葡萄 糖 链 , 不 会 具有 为 识 别 各 个 氨基 酸 而 设计 的 那样 高 度 专 一 性 的 结构 .我 们 也 不 能 接受 蛋白 质 链 是 以 其 他 蛋白 质 链 作为 模板 而 合成 的 说 法 . 很 明显 ,这 样 一 种 蛋白 质 虽然 能 达到 我 们 拟定 的 专 一 性 的 标准 ， 但 这 将 意味 着 蛋白 质 是 一 类 自我 复制 的 分 子 .。 这 便 会 产生 我 们 在 考虑 酶 分 步 合成 的 可 能 性 时 发 现 过 的 那 种 逻辑 错误 . 可 能 作为 模板 的 还 剩 下 核酸 . DNA 和 RNA 是 大 分 子 链 , 通常 要 比 蛋白 质 链 长 好 多 倍 . 它们 是 由 一 组 四 种 碱 基 沿 链 长 以 复杂 的 , 但 却 是 有 序 的 型 式 排列 起 来 而 组 成 的 . 这 样 的 碱 基 很 容易 编 成 一 个 识别 各 氨基 酸 的 “位 点 ?序列 ， 从 而 也 是 一 个 能 满足 我 们 拟定 的 模板 标准 的 “位 点 ”序列 .因此 核酸 作为 合成 蛋白 质 的 模板 的 主张 是 有 生物 化 学 意义 的 . 同时 它 还 有 遗传 学 意义 .人 们 知道 核酸 与 繁殖 过 程 的 密 切 关系 已 有 一 段 时 间 了 . 遗传 学 家 发 现 , 细胞 分 裂 时 或 两 个 细胞 融合 而 进行 有 性 繁殖 时 ， 新 细胞 控制 生长 发 育 所 需要 的 一 些 指令 ,存在 于 少数 (在 人 体 中 有 四 十 六 条 ) 的 细 线 型 的 物 质 中 ,在 显微镜 下 观察 , 象 是 一 条 拧 成 的 饰 带 . 这 些 细 链 称 为 染色 体 ， 当 细胞 分 裂 繁殖 时 ,每 个 染色 体 分 裂 成 两 半 , 因 此 每 个 子 细 胞 具有 与 母 细胞 同样 数目 的 染色 体 .“ 在 有 性 生殖 中 ， 每 个 母 细胞 可 向 子 细胞 提供 一 半 染 色 体 ， 因 此 每 个 新 细胞 不 管 是 经 有 性 生殖 产生 的 ,还 是 经 分 裂 产 生 的 ,结果 都 有 与 母 细 胞 同样 数目 的 染色 体 . © 1536 « 每 个 染色 体 是 由 许多 小 单位 连 成 一 串 组 成 的 ; -这些 单位 象 项 畔 上 的 小 珠 一 样 : 每 个 单位 即 小 珠 , 负责 向 新 细胞 传递 二 种 专门 的 特征 性 质 .， 黑 头发 、. 蓝 眼睛 ,正常 或 异常 的 血红 蛋 白 , 全 都 是 沿 着 人 的 染色 体 有 多 种 指令 的 例子 .水 珠 即 遗传 单位 , 遗传 学 家 把 它们 叫做 基因 .， 遗传 学 家 在 理论 十 推论 出 基因 的 存在 之 后 很 久 ， 才 得 以 从 电子 显微镜 下 直接 详细 观察 研究 染色 体 , 并 描绘 其 链 上 的 遗传 单位 . 但 是 在 我 们 已 经 建立 的 细胞 生物 化 学 图 象 中 ;细胞 的 日 常 活动 不 是 基因 的 工作 ;而 是 专用 的 蛋白 质 的 工作 ,尤其 是 各 种 酶 的 工作 。 例 如 ,眼睛 色素 或 头发 色素 ;虽然 有 关 如 何 制造 它们 的 指令 存在 于 基因 里 ， 实 际 上 它们 还 是 由 二 系列 酶 制造 的 . 因此 遗传 学 家 提出 , 基因 是 蛋白 质 合成 的 组 织 者 和 控制 者 ， 而 当 发 现 染 色 体 的 原料 是 两 种 核酸 中 的 DNA 的 时 候 , 这 种 联系 似乎 就 完成 了 . 只 有 DNA 才 携带 一 套 复 杂 的 指令 ,由 母 细胞 转移 到 子 细胞 .染色 体 是 由 又 长 又 细 的 螺旋 形 DNA 分 子 组 成 的 ;DNA 分 子 是 由 两 个 DNA 链 按照 沃 特 森 -= 克 里 克 模型 (图 6) 交织 着 ， 并 且 由 碱 性 蛋白 质 组 蛋白 卷 训 着 而 组 成 的 3 天 各 个 光 和 若是 DNA 分 子 的 全 长 表示 染色 体 ， 那 沿 链 每 隔 一 段 较 短 的 距离 必须 形成 基因 ， 如 果 现 代 遗 传 学 的 观测 结果 是 最 后 结论 的 话 ， 那 我 们 准 会 想到 每 个 基因 负责 组 织 一 种 特殊 的 蛋 白质 的 合成 .因此 ,根据 生物 化 学 的 材料 和 遗传 学 的 材料 ， 认 为 核酸 参与 蛋白 质 的 合成 是 有 充分 根据 的 . 那么 ,DNA 本 身 是 我 们 正在 探讨 的 蛋白 质 合成 的 “模型 ” 或 “模板 ” 吗 ? 有 几 个 证 据说 明 未 必 是 这 样 . SCL, 细胞 所 有 的 DNA 均 在 染色 体内 ;染色 体 本 身 , 至 少 在 动物 和 植物 细 胞 中 , 被 封 在 细胞 的 一 个 特定 区 域 , RA. 在 某 些 生 物体 内 ,例如 象 绿 色 植 物 的 藻类 , 用 解剖 法 能 除 掉 它 的 细胞 核 , 因 。154 。 此 能 除 掉 全 部 DNA.。 一 种 摘出 核 的 藻类 细胞 称 为 蝶 状 体 (acetabularia), ， 在 摘出 术 后 能 活 上 好 几 个 星期 , 在 这 个 期 间 它 仍 能 象 完整 的 细胞 那样 高 效率 地 继续 合成 蛋白 质 . 同样 , 也 能 由 不 含 游离 DNA 的 细胞 匀 浆 制备 蛋白 质 ， 它 也 能 把 放射 性 氨基 酸 编 到 新 蛋白 质 中 去 .甚至 用 酶 (DNA 酶 ) 处 理 经 水 解 彻底 除去 了 痕 量 的 DNA 的 匀 浆 ,也 仍然 不 能 阻止 蛋白 质 的 合成 .因此 我 们 一 定 会 得 出 结论 : 虽然 DNA 是 基本 的 遗传 物质 ,因而 最 终 将 负责 蛋白 质 的 合成 ,但 是 并 不 构成 合成 蛋白 质 的 直接 模板 . 另 一 种 核酸 RNA 才 有 这 种 功能 。 我 们 回忆 一 下 第 三 章 就 知道 ;RNA BR DNA 一 样 . 是 由 嗓 吟 和 喀 啶 碱 组 成 的 链 ,在 这 种 情况 下 是 腺 味 叭 ees, 胞 喀 啶 和 尿 喀 啶 . HR DNA 不 一 样 的 是 ， 糖 成 份 不 是 脱氧 核糖 ， 而 是 核糖 本 身 . 并 且 还 与 DNA 不 同 的 是 , 它 的 分 子 不 是 由 两 股 缠绕 成 螺旋 状 的 链 组 成 的 , 而 是 由 单 链 组 成 的 ， 在 细胞 中 发 现 的 RNA 有 三 种 形式 。 有 的 RNA 在 细胞 核 内 与 DNA 结合 , 称 为 信使 RNA; 有 的 RNA 分 子 量 比较 低 , 存在 于 溶液 中 , 称 为 转移 RNA。 剩 下 的 大 多 数 RNA 是 以 微小 的 不 溶 的 颗粒 形态 存在 着 ,分 布 在 细胞 体内 ， 称 为 核糖 核 蛋 白 体 ， 核 糖 核 蛋白 体 占 细 胞 中 全 部 RNA 的 百 分 之 九 十 左右 ， 用 下 一 章 讲 的 方法 能 把 它们 与 组 织 匀 奖 中 的 其 他 物质 分 离开 . 现在 已 经 发 现 ， 在 核糖 核 蛋 白 休 中， RNA 与 蛋白 质 总 是 牢固 地 结合 着 ,要 把 它们 与 蛋白 质 分 离开 非常 困难 . 实验 表明 ， 实 际 上 只 有 在 核糖 核 蛋 白 体 上 才能 合成 蛋白 A. 如 果 研 究 细胞 利用 放射 性 氨基 酸 合成 蛋白 质 , 会 发 现 放 射 往 先 缚 于 核糖 核 蛋 白 体 上 ， 只 在 以 后 才 成 可 溶性 的 蛋白 质 从 核糖 核 蛋 白 体 上 释放 出 来 .已 经 除去 核糖 核 蛋白 体 的 细胞 悬浮 液 是 决 不 可 能 合成 蛋白 质 的 ， 然 而 随后 若 把 核糖 核 蛋白 ©1556 体 又 放 进 去 的 话 , 合成 便 会 迅速 进行 . 但 是 单独 的 核糖 核 蛋 AAEABH. 为 了 把 放射 性 氨基 酸 编 人 新 的 蛋白 质 中 , 需 要 把 含有 某 些 酶 .可 咨 性 低 分 子 量 的 RNA、 能 源 如 ATP 等 细 胞 原料 的 制备 物 加 到 核糖 核 蛋 白 体 上 .因此 有 人 人 提出， 当 核 糖 核 蛋 白 体 的 RNA 携带 合成 用 的 模板 时 ， 可 盗 性 酶 和 RNA 系统 承担 了 使 氨基 酸 准 备 向 模板 转移 的 工作 ， 这 种 准备 工作 的 第 一 步 是 活化 氨基 酸 ， 使 氮 基 酸 有 是 够 的 能 量 形成 肽 链 . 这 步 活 化 过 程 靠 一 系列 氮 基 酸 活化 酶 (每 种 酶 活化 一 种 氨基 酸 ) 和 消耗 ATP 来 完成 。 几乎 所 有 这 些 酶 现在 已 进行 了 部 分 提纯 . 最 先 对 它们 进行 报道 的 是 美国 的 霍 格 兰 德 〈Hoagland) ， 他 观察 到 ,将 细胞 制备 物 酸化 到 pH 为 5 时 作为 一 组 酶 它们 全 部 呈 沉 淀 析出 .因此 有 时 又 把 它们 称 为 “pH5 酶 "。 在 它们 存在 时 ,氨基 酸 与 ATP 起 反应 ,生成 氨基 酸 -AMP 复合 物 : R NH,.CH.COOH + ATP + @ R, | 一 > 酶 -AMP 一 CO.CH.NH, + 焦 磷 酸 (16) 在 使 氨基 酸 向 模板 转移 的 准备 工作 中 的 第 二 步 ， 是 活化 了 的 氨基 酸 从 它 与 酶 的 复合 物 转移 到 转移 RNA (tRNA) 分 +. 对 于 每 一 种 氨基 酸 来 说 ,又 至 少 有 一 种 专用 的 转移 RNA AF, 绝 大 多 数 转移 RNA 都 经 部 分 提纯 并 作 了 研究 ， 已 经 发 现 , 所 有 的 转移 RNA 的 末端 三 个 核 苷 酸 顺 序 是 相同 的 , 成 胞 喀 啶 一 胞 喀 啶 一 腺 苷 序列 ， 利 用 此 序列 与 活化 的 氨基 酸 结 合 ,再 释放 出 酶 . 我 们 还 可 以 看 到 ,为 了 达到 这 个 目的 ,细胞 已 必须 提供 三 十 多 种 不 同 的 酶 了 ,每 一 种 氨基 酸 都 有 一 种 相应 的 酶 ,每 个 活 化 了 的 氮 基 酸 ， 都 有 两 个 相应 的 高 能 磷酸 键 和 二 十 种 不 同 的 © 156。 转移 RNA. 不 仅 酶 对 每 个 氨基 酸 必 须 是 专 一 的 ,而 且 还 必须 引进 一 类 新 的 专用 分 子 一 一 由 二 十 种 转移 RNA 分 子 构成 一 组 ,每 一 种 转移 RNA 能 识别 一 种 氨基 酸 。 这 些 RNA 分 子 末 端的 三 个 碱 基 , 正 如 我 们 所 了 解 的 那样 ,实际 上 是 连接 氮 基 酸 的 ， 并 无 辨认 能 力 ， 因 为 它们 总 是 相同 的 . 辨认 能 力 是 由 沿 RNA 链 其 余 碱 基 有 顺序 的 不 同 决定 的 . 最 近 已 经 测 出 了 7 个 之 多 的 不 同 的 转移 RNA 分 子 的 全 部 结构 ,首次 分 析出 了 它们 的 全 部 碱 基 顺序 . 在 下 一 步 ， 活 化 的 氨基 酸 转 移 到 核糖 核 蛋 晶体 的 蛋白 质 合成 的 位 点 上 . 虽然 在 1961 年 利 普 曼 已 经 提纯 了 转移 酶 ,但 是 转移 机 制 的 详细 情况 现在 还 不 清楚 ， 转 移 酶 还 需要 鸟 背 三 磷酸 作为 辅 因子 , 才能 将 氨 酰 下 NA 连接 到 核糖 核 蛋 白 体 上 . 以 后 RNA 再 由 核糖 核 蛋 白 体 释放 出 来 , 因此 它 所 起 的 作用 大 概 象 一 个 权 子 ,保持 供应 给 模板 活化 了 的 氮 基 酸 , 将 氨基 酸 引 到 正确 的 位 点 ,然后 放 开 . 那 什 么 是 正确 的 位 点 呢 ? RNA 分 子 是 由 四 种 碱 基 排 成 链 组 成 的 . 这 四 种 不 同 的 单位 怎样 排列 成 识别 一 套 二 十 种 不 同 的 单位 的 有 序 结构 的 Ne? 在 二 十 世纪 五 十 年 代 中 期 ,物理 学 家 盖 莫 夫 (Gamow) 回 答 了 这 个 问题 . 他 论证 说 , 如 果 每 个 碱 基 对 应 着 一 个 不 同 的 RRR, 那 碱 基 链 只 能 辨认 四 个 不 同 的 氮 基 酸 . 如 果 每 个 毛 基 酸 需要 2 个 碱 基 组 合 的 密码 , 那 四 个 碱 基 就 可 辨认 16 种 不 同 的 氮 基 酸 ， 因 为 4 种 不 同类 型 的 碱 基 以 2 种 一 组 , 可 有 16 (Bl 4 x 4 种 不 同 的 可 能 结合 方式 . 同 理 , 如 果 3 个 碱 基 对 应 一 个 氨基 酸 , 那 就 能 辨认 64 (BN 4 x 4 X 4) 种 不 同 的 氨基 酸 〈 图 17). 由 于 蛋白 质 中 被 发 现 的 不 同 的 氨基 酸 达 20 种 ， 所 以 沿 RNA 链 每 个 “辨认 位 点 ”对 应 的 最 少数 目的 碱 基 一 定 是 3. 因此 盖 莫 夫 提 出 , 沿 RNA 模板 , 碱 基 被 连续 地 组 织 成 3 个 一 组 ， 每 组 对 应 一 个 特定 的 氮 基 酸 . 因此 对 于 200 个 氨基 。157。 酸 的 蛋白 质 链 来 说 ,要 有 600 个 硫 基 的 RNA 链 的 密码 第 一 第 =>| oy aa a a PHE SER TYR he U PHE | SER TYR Gtk LEU SER 一 在- 村 yA LEU, | >SER 一 G LEU PRO HIS U- ‘gue LEU | PRO | HIS Cke LEU PRO GLUN A...- ; LEU | PRO | GLUN| ARG haut ILEU | THR | ASPN | SER 9 the A ILEU | THR | ASPN]| SER oe ILEU | THR | LYS ARG A MET THR | LYS ARG G VAL ALA ASP GLY U G VAL ALA ASP GLY . VAL ALA GLU GLY A VAL ALA GLU GLY G Al? ”遗传 密码 子 te 这 种 理论 上 的 预言 ,在 1961 和 1962 SMHS 桥 用 病毒 进行 遗传 研究 的 克 里 克 、 布 伦 纳 及 其 同事 所 完全 证 实 。 病 毒 实 际 上 是 蛋白 质 外 皮包 夺 着 的 一 小 包 核酸 .病毒 侵 入 动物 ,植物 或 细菌 的 细胞 里 ,接收 宿主 蛋白 质 和 核酸 的 合成 系统 , 利用 这 些 系统 制造 更 多 的 病毒 蛋白 质 和 核酸 。 用 这 些 物质 复制 几 次 它 自己 的 组 织 结构 ， 直 到 把 宿主 细胞 内 存在 的 所 有 可 用 的 底 物 都 用 光 耗 尽 为 止 。 最 后 , 这 些 病毒 胀 破 宿主 细胞 ,释放 放 个 新 的 病毒 颗粒 以 侵袭 新 的 细胞 ( 见 图 18). & 效 细 菌 的 病毒 称 为 噬菌体 ， 克 里 克 和 布 伦 纳 利用 一 种 鸣 菌 体 ,说 明了 三 个 碱 基 确实 与 一 个 氨基 酸 相对 应 : 3 个 碱 基 三 1 个 氨基 酸 因此 ,在 我 们 具有 的 蛋白 质 合 成 系统 中 ， 能 使 丛 当 活化 了 WARS RNA 链接 触 ,在 这 些 接触 的 地 方 , 每 一 个 单独 的 。158。 AA-:RNA © 单 股 绞 合 的 结合 位 点 mRNA 分 子 (a) (b) (c) (d) 18 “在 核糖 核 蛋 白 体 上 的 蛋白 合成 (a) EMS RNA 的 末端 基 附 着 在 蛋白 质 绪 合 位 点 上 (b) 专用 的 AA-tRNA 4+ HABE mRNA 链 的 . (na 士 1) 密码 了 于 上 (c) 在 AA; 和 AA, 之 间 形 成 肽 键 ? 放 出 下 NA:， | Cd) 生长 着 的 多 肽 链 从 AAIRNA 结合 位 点 移 到 蛋白 质 结合 位 点 。 同时 mRNA 移 到 位 于 AA- 下 NA 结合 位 点 的 《an 十 .2) 密码 子 处 。 氨基 酸 被 三 个 一 组 的 碱 基 辨 认 ， 并 使 该 氨基 酸 保持 适宜 的 位 置 .二 当 与 RNA 链 上 全 部 碱 基 组 相 匹 配 所 需要 的 氨基 酸 完全 满足 时 ， 相 邻 的 氨基 酸 之 间 会 形成 肽 键 , 活化 的 tRNA 分 子 被 释放 到 溶液 中 ,新 的 蛋白 质 分 子 就 从 RNA 模板 上 脱落 下 来 COLA 18). WUT ABEZA HA RE REARR & AER Ne? 1961 # SR SE~ NEAR (Nirenberg) MBA 《Matthaei) 令 人 满意 地 回答 了 这 个 问题 。 他 们 论证 说 ， 如 果 是 只 由 一 种 碱 基 合 成 的 RNA 链 ,这 样 的 链 就 应 该 具有 一 个 能 合成 只 含 一 种 氨基 酸 肽 链 的 模板 . 利用 RNA 合成 酶 一 一 多 核 苷 酸 磷酸 化 酶 ,他 们 合成 了 只 含 一 种 碱 基 即 尿 喀 啶 (多 尿 痛 酸 ) 的 人 造 RNA 链 . 当 在 蛋白 质 合 成 系统 中 试验 它 的 作用 时 ， 他 们 发 现在 它 存在 时 ,只 含 一 种 氨基 酸 ( 葵 基 丙 氨 酸 ) 的 肽 链 被 合成 了 . Alt, eR U-U-U 是 所 基 酸 葵 基 丙 氮 酸 的 ©1596 RNA 识别 部 位 . 尼 伦 伯 格 、 马 太 和 纽约 的 奥 乔 很 快 就 认识 到 了 这 一 突破 的 重要 意义 . 由 四 种 碱 基 的 不 同 组 合 形成 的 RNA Ra OS EAA AAs 到 1966 年 底 ， 实 际 上 整个 RNA 的 氨基 酸 密 码 语言 都 已 知道 了 . SRR Bt 实 是 蛋 日 质 合 成 的 罗 塞 达 碑 ". 核 背 酸 三 联 体 密码 子 和 对 氨基 酸 的 密码 之 间 的 关系 列 于 图 17. 氮 基 酸 只 有 二 十 种 ;RNA 的 4 种 碱 基 密 码 三 个 一 组 的 组 合共 有 六 十 四 种 可 能 , 因此 有 一 些 多 余 的 密码 子 , 例如 ， 不 同 的 三 组 U-C-U，U-C-C，U-C-G 全 都 是 同一 氨基 酸 丝 AWE. 按 控制 论 学 者 的 说 法 ， 蛋 昌 质 的 RNA 密码 是 “ 简 并 的 . 虽然 这 样 ,还 有 几 个 密码 子 根本 不 表示 氨基 酸 ; 而 只 是 信号 ,例如 表示 开始 读 和 -停止 读 MANE AEN 始 端 和 终端 ， 恰 象 大 写字 母 和 句号 表示 一 个 句子 的 开头 和 结 RH. “AS "SETHE U-A-G， 而 “大 写字 母 " 密 码 子 则 是 相当 复杂 的 .在 细菌 中 ,不 管 在 什么 情况 下 ;被 编 在 蛋白 质 链 的 始 端的 都 是 通常 的 蛋 日 质 所 没有 的 独特 的 氨基 酸 甲 酰 蛋 Am. 蛋 日 质 合 成 后 先 脱 落 一 个 里 酰 甲 硫 妥 酸 ， RARE 放出 来 . 模板 RNA 怎样 辨认 tRNA 分 子 带 给 它 的 氨基 酸 呢 ? 看 来 这 个 答案 是 ， 每 个 由 80 个 核 苷 酸 组 成 的 了 NA 分 子 的 构 型 很 特殊 ,很 象 四 叶 章 . EA AR CT A 基 AMP 键 固定 在 适当 的 位 置 上 ; 在 相反 的 一 端 , 发 现 三 个 碱 基 的 顺序 与 模板 上 密码 子 的 顺序 是 互补 的 . 因此 该 顺序 借助 于 氮 键 的 相互 作用 能 与 模板 密码 子 相 连 ， 这 恰 象 DNA 中 的 碱 基 双 螺旋 结合 成 一 体 一 样 . 这 样 , 在 tRNA 上 ， 丝 氨 酸 密 1) 罗 塞 达 碑 (Rosetta stone), 1799 年 在 尼罗河 口 的 罗 塞 达 城郊 发 现 的 埃及 古 碑 * 上 刻 埃 及 象形 文 、 俗 体 文 和 和 希腊 文 三 种 文字 。 该 碑 的 发 现 为 译 解 古 埃及 象形 文字 提供 了 钥匙 。 一 一 译 者 «160° 码 序 列 U-C-G 对 应 着 A-G-C 序列 . 这 些 三 联 体现 已 通称 为 “ 反 密 码 子 ”。 就 是 这 种 密码 子 和 反 密 码 子 的 相互 作用 构成 了 图 18 中 所 画 的 辨认 位 点 ， 肽 键 的 辨认 和 生成 都 是 在 核糖 核 蛋白 体 上 进行 的 . 最近 的 研究 指出 ， 核 糖 核 蛋 白 体 确实 是 两 个 独立 的 颗粒 , 在 图 18 中 把 它们 画 得 连接 在 一 起 了 。 RNA 模板 分 子 穿 过 图 18 的 中 心 , 很 象 录音 机 的 磁带 在 拾 音 磁 头 上 探 过 一 样 . 当 它 通过 拾 音 点 时 ,与 RNA 相连 的 氨基 酸 就 被 刻 人 其 位 .模板 有 两 个 活化 位 点 同时 被 涉及 到 ;在 第 一 个 辨认 位 点 处 ,密码 子 与 反 密 码 子 的 键 生成 ;在 第 二 个 肽 键 位 点 处 ,氨基 酸 通 过 其 RNA 连 到 模板 上 ,这 时 , 氮 基 酸 与 初生 的 蛋白 质 链 上 邻近 的 游离 的 末 端 生 成 肽 键 ,通过 肽 键 相 连 . tRNA 被 释放 出 来 , 核糖 核 蛋白 体 沿 着 模板 移动 去 读 " 下 一 位 点 . 这 一 系列 活动 的 效果 确实 很 象 磁带 录音 机 的 工作 ,因为 核糖 核 蛋 折 体 的 “ 拾 音 磁 头 ” 平 稳 地 通过 模板 磁带 , 边 移 动 边 阅 读 RNA 密码 , 并 将 密码 单词 转变 成 蛋白 质 " 句 子 ". 这 个 系统 使 核糖 核 蛋白 体能 在 给 定时 间 内 读 出 长 模板 分 子 上 的 多 个 位 点 ;事实 上 ,在 积极 合成 蛋白 质 分 子 的 细胞 内 ,利用 适当 的 温和 技术 是 能 将 这 样 的 RNA 模 板 分 子 连同 附着 在 它 各 个 部 位 上 的 几 个 核糖 核 蛋白 体 一 起 分 离 出 来 的 . 这 种 由 模板 保持 在 一 起 的 一 束 核糖 核 蛋白 体 称 为 多 核糖 核 蛋 白 体 ”. 还 有 一 点 要 进一步 说 明 。 我 们 已 经 说 过 , 最 终 控制 细胞 蛋白 质 合成 的 遗传 物质 是 DNA, 它们 都 集中 在 细胞 核 里 , 而 实际 的 模板 却 是 由 RNA 组 成 并 连接 到 核糖 核 蛋 白 体 上 的 . 遗传 信息 怎样 从 DNA 送 到 核糖 核 蛋 白 体 上 的 呢 ? ”现在 已 经 请 楚 , 事实 上 ,RNA 模板 分 子 是 在 细胞 核 的 DNA 上 合成 的 . DNA 作为 RNA 的 模板 , 正 象 RNA 以 后 作为 蛋白 质 的 编码 一 样 . 很 可 能 是 两 股 绞 合 的 DNA 分 子 临 时 展开 ， 其 中 一 股 生 * 161° 成 一 混合 的 DNA-RNA 双 股 杂 化 分 子 ,DNA 链 的 每 一 个 碱 基 与 RNA 链 上 的 互补 碱 基 是 成 对 的 .因为 DNA 的 两 股 中 有 一 股 是 密码 子 股 , 由 于 两 股 是 互补 的 ;所 以 另 一 股 是 反 密 码 子 股 ;RNA 通过 与 DNA 的 反 密码 子 股 的 碱 基 配 对 , 便 获 得 合 适 的 密码 子 顺 序 ， 因 此 就 RNA DHS, 一 个 新 的 RNA DE 就 是 染色 体 DNA 蛋白 质 的 捞 贝 ， 也 就 是 说 ， 是 基因 的 RNA 的 拷贝 ， 这 种 RNA 通称 为 信使 RNA (mRNA)， 它 携带 着 遗 传 信息 向 细胞 核 外 移动 , 移 到 核糖 核 蛋 白 体 上 , BBWS 在 核糖 核 蛋 白 体 上 (并 且 只 有 到 这 时 才 行 ;否则 它 就 象 一 条 没 有 输出 装置 的 磁带 一 样 ), 它 就 能 起 到 蛋白 质 合成 模板 的 作用 5 因此 ,无 论 何 时 , 只 要 要 求 细 胞 合成 新 的 蛋白 质 * 例如 当 病毒 感染 了 动物 细 驳 时 ,或 生物 体 的 突变 引起 细胞 核 DNA 的 变化 或 在 诱导 过 程 中 要 求 一 种 新 酶 ( 见 第 十 章 ) 时 ;* 核 内 就 制 造 出 新 的 mRNA OF, 并 将 其 调 到 核糖 核 蛋 白 体 上 .一 且 BARRE kL AEE LIL SLAW, 这 取决 于 细胞 和 蛋白质 的 类 型 。 有 些 类 型 的 模板 至 少 要 合成 几 百 个 蛋白 质 分 子 后 才 需 要 更 换 ， 正 如 阐明 蛋白 质 合成 的 实 验 在 没有 细胞 核 内 的 DNA 存在 的 情况 下 所 揭示 的 那样 。 在 揭 开 RNA- 蛋 白质 密码 秘密 时 ， 尼 伦 伯 格 和 马 太 实验 合成 的 多 核 背 酸 就 倍 拟 的 是 这 些 信使 RNA SE. 蛋白 质 合成 机 制 的 详细 情况 尚 不 完全 清楚 (利用 细 英 研 究 这 一 机 制 ， 能 向 较 复杂 的 生物 体 推论 多 远 是 遗留 的 问题 之 —), 但 是 事实 确 已 证 明 ， 最 近 十 五 年 是 生物 学 发 展 史 上 的 全 盛 时 期 ， 达 到 了 克 里 克 称 之 为 分 子 生物 学 的 “核心 规律 (CDNA 一 >RNA- 一 > 蛋白 质 的 序列 ) 已 经 搞 清 的 程度 。 .一些 新 的 重要 细节 与 日 俱 增 ,进展 是 如 此 之 快 , 甚至 有 人 预言 * 医 学 或 社会 工艺 学 的 新 领域 一 一 所 谓 的 遗传 工程 -一 即将 出 e。 102 。 ae. ne BL. 这 种 推测 可 能 为 时 过 早 , 但 是 ,如 果 我 们 保证 人 类 智慧 的 光孝 不 减退 的 话 , 人 允许 科学 技术 这 样 发 展 而 产生 的 社会 后 果 ， 在 它 出 现 之 前 而 不 是 出 现 之 后 就 需 妥 加 以 孝 虞 。 ©1636 第 九 章 细胞 的 结构 我 们 一 直 在 讨论 细胞 内 进行 的 反应 ， 似 乎 细胞 本 身 只 不 过 是 一 个 装 满 了 酶 、 底 物 、 辅 因子 等 化 学 物质 稀 溶液 的 赛 璐 珍 SHUN. 由 于 讨论 集中 在 细胞 的 化 学 成 份 和 性 状 上 , 所 以 我 们 不 得 不 略 去 了 不 是 由 生物 化 学 ， 而 是 由 其 它 学 科 积 累 起 来 的 关于 细胞 结构 和 性 质 方面 的 大 量 资 料 ， 我 们 还 没有 完全 讲 清楚 细胞 的 化 学 成 份 和 性 状 一 一 -我 们 已 经 发 现 ， 有 必要 提 一 下 ,在 氧化 磷酸 化 的 过 程 中 存在 着 线粒体 之 类 的 东西 ,在 蛋白 质 合成 过 程 中 存在 着 细胞 核 和 核糖 核 蛋白 体 . BARE, 还 是 以 略 去 这 些 内 容 为 好 ,多 年 来 的 事实 证 明 , 生 物化 学 要 能 作 为 一 个 完整 的 学 科 很 好 地 发 挥 作用 必须 这 样 做 .这 主要 是 出 于 方式 方法 上 的 原因 .一 直到 二 十 世纪 四 十 年 代 一 些 新 的 研 究 工 具 一 一 超速 离心 机 、 化 学 工作 者 无 法 把 他 们 对 细胞 内 的 化 学 物质 的 性 状 的 观察 跟 他 们 的 同事 的 观察 联系 起 来 ， 他 们 的 同事 多 年 来 一 直 是 使 用 光学 显微镜 研究 细胞 ， 把 细胞 描绘 成 具有 由 许多 不 同 的 亚 单 位 (通常 称 为 细胞 器 ) 组 成 的 复杂 结构 .原来 那 种 认为 细胞 是 由 盘子 里 的 奶油 一 样 滑 汐 的 糊 状 物 构成 的 说 法 ， 现 在 看 来 应 该 抛弃 了 ;可 以 认为 细胞 更 象 是 由 果子 次 那样 的 物质 组 成 的 ， 里 面 充 满 了 小 硬块 ， 小 硬块 与 四 周 的 胶 状 物 在 结构 和 成 份 上 通常 是 大 不 相同 的 . 组 织 学 和 细胞 学 是 专门 应 用 显微镜 研究 细胞 的 学 科 ; 它 们 与 生物 化 学 的 关系 ， 已 为 组 织 化 学 和 细胞 化 学 这 两 门 新 的 学 科 所 证 实 。 经 二 百 多 年 发 展 起 来 的 组 织 学 和 细胞 学 技术 ， 。164 。 SS a oe ee > - ae a a ee an ee 包括 这 样 一 些 内 容 : 把 生物 材料 切 成 很 薄 的 薄片, 然后 装 在 显微镜 载 片上 ,用 各 种 各 样 的 染料 对 它们 染色 ,使 各 部 分 带 有 深浅 各 异 的 颜色 ,再 以 不 同 放 大 倍数 的 显微镜 加 以 观察 研究 ， 最 后 设法 把 观察 到 的 二 维 图 象 与 三 维 的 原 活 组 织 联系 起 来 等 . 依靠 这 种 技术 , 早期 的 显微镜 专家 得 以 研究 植物 和 动物 AAA, 指出 这 些 组织 被 分 成 许多 盒 状 分 隔 间 , 由 薄 壁 隔 开 . 器 官 或 机 体 就 是 由 这 些小 盒子 构成 的 ， 恰 象 一 面 墙 是 由 许多 块 砖 砌 成 的 一 样 . 他 们 把 这 些小 盒 叫做 细胞 , 把 薄 壁 叫做 细 胞 膜 〈 见 第 一 章 ). 植物 细胞 膜 本 身 ， 还 被 另 一 较 坚 固 的 纤维 素 的 细胞 壁 保护 层 包围 着 ,因而 得 到 加 强 ， 根据 第 一 种 理论 ,细胞 里 充满 了 透明 的 胶 状 物 , 这 种 胶 状 物 具 有 神秘 的 生命 性 质 , 称 为 原生 质 . 到 十 九 世 纪 三 十 年 代 ， 科学 家 们 已 经 和 弄 清 楚 , 所 有 的 细胞 中 央 都 有 一 个 大 的 椭圆 体 ， 它 比 周围 的 原生 质 暗 些 ， 占 了 整个 细胞 区 域 的 三 分 之 一 。 这 个 檐 圆 体 称 为 细胞 核 ( 后 来 命名 为 核酸 )。 核 由 自身 的 薄 皮 一 一 核 膜 把 自己 与 细胞 的 其 余部 份 隔 开 . 到 十 九 世 纪 八 十 FRAIL TER, 显微镜 专家 已 经 指出 ,细胞 核 周 围 的 原生 质 根本 不 是 透明 的 胶 状 物 ,而 是 块 状 和 粒状 的 ,充满 了 物质 小 微 粒 ， 用 最 高 效 的 显微镜 可 以 看 到 这 些微 粒 ， 它 们 呈 微 小 的 卵 状 \ 杆 状 和 球状 等 特征 形状 , 称 为 线粒体 . 但 是 ,即使 最 高 效 的 光学 显微镜 也 只 能 放大 到 3000 (FE 右 , 在 这 样 的 放大 倍数 下 ,物象 模糊 不 清 , 是 无 法 加 以 区 分 的 .。 到 二 十 世纪 四 十 年 代 的 后 期 ,出 现 了 一 种 新 的 电子 显微镜 , 这 种 显微镜 根本 不 用 光 , 而 是 用 电子 束 来 考查 样品 ,放大 倍数 可 达 一 万 到 一 百 万 倍 以 上 上， 这样, 光学 显微镜 专家 还 不 知道 的 亚 细 胞 结构 的 全 部 情况 , 马上 就 变 得 可 见 了 . 对 细胞 核 和 线 粒 体 的 详细 研究 表明 ,它们 自己 也 有 复杂 的 内 部 组 织 ; 剩 下 的 “细胞 浆 所 此 时 这 一 名 词 已 经 取代 了 原生 质 , ANA Baia © 165° 内 存在 的 是 什么 样 的 胶 状 物 ) 是 由 多 股 线 交织 成 的 精细 的 网 络 ( 即 薄膜 );, 其 中 有 连接 在 一 起 的 微粒 ( 即 核糖 核 蛋白 体 ) 团 ， 看 起 来 象 一 块 鳃 花边 的 台布 。 今天 , 典型 的 动物 细胞 已 绘 成 如 图 19 或 照片 1 所 示 的 样子 . 表 6 列 出 了 构成 细胞 的 各 种 颗粒 的 大 小 ;线粒体 要 比 细胞 核 小 五 十 到 一 百倍 ,微粒 体 比 线 粒 体 更 小 ,可 小 六 十 倍 。 在 细胞 的 这 种 现代 图 象 中 * 几乎 已 经 看 不 到 一 百 五 十 年 前 所 说 的 纯粹 的 原生 质 胶 状 物 子 。 图 19 ”典型 动物 细胞 的 示意 图 在 生物 化 学 家 选择 的 便于 研究 的 单位 一 细胞 内 揭示 出 了 许多 亚 细 胞 结构 ,生物 化 学 家 对 此 有 什么 反应 呢 ? 显然 ,这 些 结构 的 存在 一 定 会 影响 他 想 要 建立 的 细胞 工作 图 象 ; 这 些 结构 在 某 些 方面 一 定 与 已 阐明 过 的 酶 系统 一 一 合成 途径 的 酶 系统 和 降解 途径 的 酶 系统 一 一 有 关 。 如果 细胞 是 象 这 样 一 个 高 度 组 织 化 的 单位 ， 很 可 能 在 细胞 的 生化 功能 的 分 布 上 也 反 了 映 出 它 的 组 织 性 . 可 以 预料 , 某 些 酶 的 活动 是 在 一 个 细胞 器 内 , 另 一 些 酶 的 活动 是 在 另 一 个 细胞 器 内 ,这 种 定 域 对 理解 细 胞 如 何 协调 和 调节 其 活动 是 很 重要 的 。 但 是 生物 化 学 家 要 能 。 166° 验证 这 些 假设 , 必须 先 要 有 可 用 的 方法 来 分 离 各 种 细胞 器 ,并 能 比较 大 量 ( 对 于 生物 化 学 家 来 说 ,大 量 的 意思 是 物质 的 量 要 在 几 十 毫克 的 数量 级 ) MRSA AIK, RMA AR BARKS. | 46 BE bs eM a 离心 时 间 ( 分 ) 离心 场 力 _ 15 ) | 12,000 Pi tk 60 105,000 在 这 样 一 些 方法 的 发 展 过 程 中 ， 事 实证 明 离 心 分 离 技术 是 一 种 极 好 的 方法 .如 果 将 细胞 膜 轻 轻 地 和 弄 破 , 内 部 的 细胞 器 就 会 全 部 释放 到 悬浮 液 中 ， 就 象 拿 着 一 个 装 满 沙 和 水 的 浸 在 TK PRED NRE FG CSR. 这 时 ,如 果 摇 动 得 到 的 * 167。 沙子 悬浮 液 使 其 沉淀 ,比重 最 大 和 最 重 的 沙 粒 将 首先 沉 底 , 接 着 中 等 的 沙 粒 沉 底 , 可 是 有 些 很 轻 的 沙 粒 ,甚至 几 小 时 之 后 仍 悬浮 在 水 中 . 沙 粒 沉降 的 速率 取决 于 如 下 的 因素 : CHEE, 跟 周 围 溶液 相对 密度 (一 个 软木 颗粒 ,即使 很 大 , 无 论 在 水 中 放 多 长 时 间 也 不 会 沉 底 , 因为 软木 的 密度 小 于 水 的 密度 , 颗粒 会 一 直译 在 水 上 ), 最 后 是 它 受 到 的 重力 。 在 我 们 用 沙 和 水 做 的 这 个 实验 中 , 重力 是 恒定 的 ,而 装着 悬浮 液 的 烧杯 也 是 静止 AY, 沙 粒 可 能 需要 几 个 小 时 才能 沉淀 . 然而 增加 指向 杯 底 的 力 的 方法 是 存在 的 . 把 杯子 放 在 电梯 或 火箭 上 ，, 让 其 向 上 升 起 就 是 一 种 方法 .“ 另 一 种 方法 是 把 烧杯 放 在 一 个 长 药 的 末 端 ,很 快 地 旋转 长 臂 , 离 心力 便 会 把 所 有 的 粒子 推 向 离 圆心 最 远 的 烧杯 的 部 分 。 这 种 原理 称 为 离心 作用 , 在 培训 初级 宇航 AN, 这 种 原理 也 用 于 模拟 火箭 加 速 期 间 增 加 的 重力 。 现代 化 的 洗涤 机 附设 有 高 速 旋转 的 乾燥 机 ,其 原理 也 是 如 此 . 在 生物 化 学 家 手 里 ， 离 心 作用 成 了 能 把 生物 材料 的 悬浮 液 中 的 许多 颗粒 迅速 而 有 效 地 分 离 出 来 的 一 种 技术 .。 现代 实验 室 的 离心 机 ， 能 使 装 有 一 升 悬 浮 液 的 试管 以 每 分 60 到 70000 转 的 速度 旋转 ， 这 相当 于 对 悬 译 液 中 的 粒子 施加 一 个 比重 力 高 500,000 倍 的 力 . 通过 细心 选择 时 间 和 速度 的 范 围 ,能 首先 沉淀 和 分 离 出 最 重 的 颗粒 细胞 核 , 接 着 是 次 重 的 颗 粒 线粒体 , 最 后 是 微粒 体 . 微粒 体 分 离 出 来 后 剩 下 的 透明 溶 液 , 是 可 咨 的 细胞 质 部 份 。 速度 和 时 间 的 一 种 选择 结果 列 于 m6. 把 细胞 的 各 种 组 份 都 分 离 出 来 了 ， 就 可 以 研究 它们 所 含 的 酶 和 底 物 . 早 在 从 豚鼠 肝 细 胞 中 提取 出 了 线粒体 的 1934 年 就 进行 了 最 初 的 这 种 观察 ;在 二 十 世纪 五 十 年 代 , 利 用 超速 离 心机 得 到 了 较 详 细 的 资料 。 WE, 细胞 内 何 处 发 挥 何 种 生化 功能 的 情况 基本 上 已 得 到 阐明 ， © 163。 a 胞 | 利用 分 级 分 离 技术 能 够 分 离 的 各 种 细胞 器 中 ， 最 大 最 重 要 的 是 细胞 核 . 现在 已 在 所 有 的 动物 和 植物 细胞 中 发 现 了 细 胞 核 ( 除 某 些 哺 乳 动物 的 红血球 外 )。 它 们 与 细胞 繁殖 机 制 有 密切 关系 . 细胞核 内 含有 细胞 所 有 的 DNA、 少 量 的 RNA 和 相当 大 量 的 与 DNA 密切 相关 的 碱 性 蛋白 质 , 另 一 方面 ,细胞 核 里 的 酶 很 少 ， 在 细胞 核 里 没有 发 现 我 们 讨论 过 的 一 些 重要 合成 和 降解 途径 . 因此 , 核 在 细胞 组 织 内 起 的 作用 ,似乎 主要 是 贮存 遗传 信息 和 向 细胞 以 及 它 分 裂 成 的 子 细胞 传递 遗传 信 息 ( 见 照 片 2). x mt 按 亚 细 胞 结构 大 小 的 顺序 , 下 一 类 颗粒 是 线粒体 。 在 生 物化 学 的 许多 方面 ,线粒体 都 是 最 有 趣 的 , 近年 来 已 经 对 它们 作 了 深信 人 细致 的 研究 . 每 个 细胞 中 的 线粒体 可 多 达 一 百 个 左 右 , 每 个 线粒体 都 呈 卵 状 , 由 膜 包 衷 着 . 在 第 一 层 膜 内 还 有 一 BE ABRSNBAR: 外 膜 是 光滑 的 ,而 内 膜 却 被 拉 成 长 长 的 福 皱 ,在 整个 线粒体 上 都 有 这 种 福 皱 ,因此 在 显微镜 观察 切 AW, 看 见 的 线粒体 象 是 一 堆 奶 油 蛋 糊 饼干。 每 块 饼干 表示 一 登 横 跨 线粒体 的 内 膜 , 而 每 倒 之 间 是 奶油 蛋 糊 ( 它 是 浓缩 了 的 溶液 , 这 种 溶液 充满 了 整个 线粒体 )。 内 膜 的 各 登 通 称 为 峭 COLA 20; 照 片 3). 在 研究 线粒体 的 生化 作用 时 ， 科 学 工作 者 发 现 它们 有 几 类 性 质 截 然 不 同 的 酶 . 在 溶液 中 , 即 所谓 的 奶油 蛋 糊 中 ,含有 通过 柠檬 酸 循环 分 解 丙酮 酸 所 需要 的 全 部 酶 和 辅 因子 以 及 脂 肪 酸 和 氮 基 酸 氧化 所 需要 的 全 部 酶 和 辅 因子 。 这 些 酶 及 其 底 物 , 还 有 辅 因子 , 全 都 集中 在 线粒体 内 , 在 绝 大 多 数 的 组 织 细 © 169。， 胸 里 的 其 他 地 方 都 没有 发 现 这 些 东 西 。 然而 包围 着 这 种 溶液 AU Tir lA RR, 要 比 一 个 简单 的 囊 更 能 把 酶 固定 起 来 。 用 化 学 分 析 \ 电 子 显微镜 和 X 射 线 衍 射 进行 的 研究 表明 ,所 有 的 细胞 膜 显然 都 是 按照 同样 的 基本 型 式 制造 的 。 在 换 的 页 钢 穴 有 一 层 类 脂 物 的 分 于 ,由 蛋白 质 将 其 拉平 . hand stake 因此 ， 几 乎 所 有 的 生物 膜 都 在 内 外 表面 各 带 一 层 蛋白 质 表皮 ;而 在 这 两 层 间 是 类 脂 物 ，。 类 脂 物 层 恰好 两 个 分 子 厚 ;这 些 分 子 排列 成 整齐 的 \ 有 规律 的 型 式 , 很 象 晶 体 ， 膜 的 蛋白 质 和 类 脂 物 部 份 的 确切 性 质 现在 还 不 清楚 . 在 细胞 需要 膜 的 任 何 地 方 ,实际 上 都 是 这 样 的 膜 。 这 种 膜 结构 是 如 此 普遍 和 重 要 ,如 果 把 脂 蛋 白 的 分 子 引 入 水 中 或 稀 盐 溶液 中 ;它们 很 容易 自动 排列 成 胶囊 或 排列 成 连续 的 片 状 ， 其 分 子 排列 型 式 显 然 象 天 然 膜 的 分 子 排列 型 式 . 科学 家 们 正在 把 这 种 自我 组 织 ” 的 人 造 膜 作为 实物 样品 加 有 双 研 究 。 密封 得 紧 紧 的 脂 蛋 白 表皮 是 很 结实 的 ,不 可 溶 的 ,对 内 部 结构 有 明显 的 保护 作用 . Re 肠 皮 一 样 ， 这 层 膜 的 作用 是 把 膜 内 的 东西 和 膜 外 的 水 隔 开 .。 膜 对 允许 哪些 物质 从 外 界 进 入 线粒体 或 允许 哪些 进入 线粒体 的 物质 出 去 表现 出 高 度 的 选择 性 . 膜 不 仅 限制 酶 的 目 由 和 运动， - 本 书 在 后 面 还 要 讲 到 ,各 种 各 样 的 膜 , 例 如 线粒体 膜 ( 见 图 21; 照片 2 还 限制 许多 小 得 多 的 分 子 与 细胞 有 关 的 一 些 运 动 。 。170 。 1. 细胞 . BSAA CH mR Be. Re KCK 围 有 颜色 较 暗 的 \ 卵 形 的 线粒体 ;细胞 质 中 不 清楚 的 阴影 是 内 质 网 。(X25000) (25000) (50000) 间 部 分 是 核 仁 的 细胞 核 的 边缘 ， 二 . ? 构 cy aK 起 a Ws 的 精细 图 为 细胞 核 下 图 为 显示 出 双 ih 细胞 核 。 3. 线粒体 。 上 图 是 为 了 显示 出 刚 而 染色 的 线粒体 .〈X38000) 下 图 是 负 染 的 线粒体 .〈《X770007 4. BRA, 大 的 黑 团 是 一 个 肝 细 胞 中 的 溶 酶 体 . CX32000) 2 KK * a * < 四 ( ) 6. DLA. EFRARRUA Barham eye A, 1, Z, HBB, (X22000) 下 图 为 高 度 放 大 的 肌肉 。 一 条 完整 的 带 显示 出 粗细 不 同 的 纤维 . (X118000) 六 7。 突 触 。 在 把 一 个 神经 细胞 和 另 一 个 神经 细胞 分 开 的 膜 的 暗色 区 域 有 连接 神经 细胞 的 突 。 前 突 触 细胞 含有 线粒体 和 许多 小 得 多 的 圆 形 的 突 触 囊 ; 突 触 训 含 有 传递 物质 ， 后 突 触 细胞 则 没有 这 种 突 触 圳 ，(X53000) ER ET, ME: PREMERA TR, 轩 5X 370000) 下 图 是 在 宿主 细菌 细胞 的 壁 上 的 若 于 群 T; 吃 菌 体 My ”两 个 分 子 厚 的 两 层 类 脂 SA Reig ge Seek a eae toes Se Meebo a Rh eA TERE ASS * a saat ey ie ay ee ve 图 21 单 位 we 线粒体 的 脂 蛋 白 膜 ， 除 了 在 柠檬 酸 和 脂肪 酸 氧化 循环 方 面 有 保持 酶 的 结构 作用 外 , 还 有 另外 的 功能 . BARN 布 着 在 第 六 章 中 已 经 讲 过 的 属于 氧化 和 磷酸 化 系统 的 酶 、 畏 BMRA. 在 我 们 描述 这 些 反 应 时 ， 这样 的 情况 就 逐渐 明 庆 化 了 : 要 用 脱氧 的 方法 使 所 原子 由 初始 底 物 经 各 细胞 色 素 到 最 后 氧化 成 水 的 途径 顺利 传递 ， 显 然 必须 要 有 高 度 的 组 织 性 ， 当 我 们 想起 氨 的 整套 精细 的 传递 系统 与 一 个 传动 系统 偶 联 并 构成 由 ADP 合成 ATP 的 一 套 反 应 时 ， 就 明白 需要 更 高 的 组 织 性 了 .如 果 让 各 种 有 关 的 酶 和 辅 因 子 简单 地 混在 深 液 里 , 是 不 可 能 有 这 样 的 组 织 性 的 。 对 工厂 里 的 时 间 和 机 器 生产 情况 的 研究 表明 ,如 果 要 使 一 个 生产 线 的 生产 顺利 ,进行 各 项 操作 的 机 器 必须 安排 得 很 合适 ， 以 便 使 产品 能 顺利 地 通 过 每 一 道 工 序 。 同样 ,线粒体 的 氢 载 体 途 径 ,一 定 要 严格 按照 有 规律 的 结构 顺序 固定 下 来 . 我 们 使 氢 载 体 和 磷酸 化 系统 附着 在 线粒体 的 脂 蛋 白 膜 上 5 就 可 以 得 到 这 样 的 系统 和 顺序 .根据 威斯康星 的 格林 的 假 说, 氢 载 体 和 磷酸 化 系统 由 两 部 份 组 成 : 即 "基本 颗粒 ”和 一 级 脱 氢 酶 复合 物 ` 《我 们 在 本 章 开 头 时 讲 过 分 级 分 离 技术 , 把 这 种 技术 稍 加 改变 ,就 可 以 用 来 把 它们 分 开 ).。 这 两 部 份 也 可 以 在 电子 显微镜 图 象 上 区 别 开 来 。 一 级 脱氧 酶 复合 物 (包括 。 179 。 琥珀 酸 脱氧 酶 NAD 脱氧 酶 和 脂肪 酰基 脱 氢 酶 之 类 的 酶 ), 它 与 线粒体 外 膜 连 结 在 一 起 .包括 氢 载 体 一 一 磷酸 化 系统 中 番 下 的 部 份 一 一 的 基本 颗粒 ,由 “ 头 ” 和 ”“ 尾 "两 段 组 成 ,因此 它们 Rie WAAR RM He AREAS. 虽然 这 样 , 格林 原理 还 只 是 一 种 推测 ,在 这 方面 还 有 很 大 争论 ,并 不 是 所 有 的 生物 化 学 家 都 同意 他 的 结论 . 如 果 他 是 对 的 ,那么 线粒体 磷酸 化 的 能 力 即 合成 ATP 的 机 制 , 应 该 位 于 太刀 苹果 的 头 内 .但 是 ,如 果 接 受 另 一 种 氧化 磷酸 化 的 模型 ， 合 成 ATP 的 关键 一 步 , 便 是 电子 和 和 氧 离子 在 电子 传递 顺序 中 穿 过 一 个 膜 时 分 离 ， 这 一 步 一 定 是 在 穿 过 电 子 载体 被 嵌 人 的 线粒体 内 膜 时 发 生 的 ._ ATP 的 合成 是 在 它 们 重新 结合 时 发 生 的 , 人 靠 的 是 Ht 向 “下 坡 ” 滚动 穿 过 膜 时 释 放出 来 的 能 量 。 HE, 不 管用 电子 显微镜 最 后 建立 的 线粒体 图 象 是 什么 样 ， 由 于 它 是 丙酮 酸 氧化 、 脂 肪 氧化 和 氧化 磷酸 化 的 部 位 , 线粒体 显然 是 细胞 的 主要 产能 体 , ARR ATP 的 量 高 达 细 胞 的 ATP 总 产量 的 百 分 之 七 十 五 . 因此 把 它 叫做 “细胞 的 发 电站 ”是 不 奇怪 的 . 溶 酶 体 比利时 布鲁塞尔 人 德 杜 维 〈《De Duve) 于 1953 年 在 肝脏 中 发 现 了 在 大 小 上 次 于 线粒体 的 一 类 颗粒 ， 这 一 发 现 对 长 期 以 来 引起 生物 化 学 家 兴趣 的 难题 作出 了 令 人 满意 的 解答 . 经 匀 浆 法 破碎 的 细胞 含有 各 种 各 样 的 酶 ,其 中 有 DNA i, RNA 酶 组织 蛋 白 酶 , 酯 酶 、 磷 酸 酶 等 ; 这 些 酶 几乎 能 分 解 组 成 细胞 的 所 有 物质 ; 它们 能 水 解 核酸 类 、 蛋 白质 类 、 脂 类 和 磷酸 酯 类 等 .细胞 很 容易 死 于 纯化 制备 上 述 任何 一 种 酶 的 过 程 中 . 活 细胞 如 何 控制 它们 并 防止 其 破坏 呢 ? 德 杜 维 证 明 , 这 些 酶 与 其 他 几 种 水 解 酶 都 包含 在 他 称 之 为 溶 酶 体 的 一 类 新 颗粒 中 。180。 CRA Fr 4 ). 在 正常 环境 下 , 溶 酶 体 由 一 层 腊 包 衷 着 ,这 层 膜 把 上 述 这 些 酶 包 衷 在 里 面 , 阻 止 它们 破坏 细胞 其 他 成 份 . 但 是 ,如 果 细 胞 损坏 或 死亡 ， 溶 酶 体 的 膜 就 会 破裂 ， 把 这 些 酶 释放 到 次 芒 中 , 使 细胞 迅速 地 解体 ， 这 样 溶 酶 体 的 功能 象 细胞 的 一 群 坚 狗 一 样 ， 对 健康 无 害 , 却 能 迅速 消灭 有 病 的 或 损坏 了 的 细胞 . 自从 德 杜 维 在 肝脏 内 发 现 了 溶 酶 体 以 来 ,人 们 已 经 证 明 , 它 们 存在 于 动物 的 许多 其 他 器 官 , 而 不 是 所 有 的 器 官 中 , 肯定 它们 具有 一 种 通用 净化 剂 的 作用 . 核糖 核 蛋 白 体 细胞 匀 浆 中 最 小 的 颗粒 核糖 核 蛋白 体 ， 在 高 离心 力 场 下 延长 离心 分 离 时 间 才 能 沉降 .它们 包含 了 细胞 中 的 绝 大 多 数 RNA， 如 我 们 在 上 一 章 了 解 的 那样 ， 担 负 着 合成 蛋白 质 的 任 务 . 核糖 核 蛋白 体 实 际 上 由 两 个 可 分 开 的 亚 颗粒 组 成 , 它们 结合 的 情况 如 图 18 所 示 . 在 合成 蛋白 质 的 时 候 , 只 有 mRNA 符合 并 进 人 图 中 的 凹 口 ， 把 核糖 核 蛋白 体 连接 起 来 成 一 条 链 或 多 核糖 核 蛋白 体 . 与 上 述 的 膜 一 样 ， 核 糖 核 蛋白 体 显 然 具 有 自我 装配 的 有 趣 性 质 ， 如 果 将 每 个 核糖 核 蛋 白 体 的 亚 颗粒 进行 仔细 的 分 级 分 离 ， 能 将 其 分 离 成 三 四 十 个 独立 的 蛋白 质 和 RNA 雁 片 ， 如 果 这 些 碎 片 以 基本 正确 的 比例 混合 在 一 起 ， 各 个 RNA 和 蛋白 质 分 子 , 可 以 象 重新 合成 核糖 核 蛋白 体 一 样 结合 起 来 ,能 沉降 , 亦 能 合成 蛋白 质 .。 这 种 自我 装配 一 定 是 一 种 控制 细胞 和 细胞 器 的 组 织 和 结构 的 基本 过 程 ， 然 而 这 种 过 程 直到 现在 才 开 始 研 究 . i KASRRBREAAHTILM, FREER AR SARA 。 181 « 分 离 技术 将 它们 跟 核 糖 核 蛋 白 体 分 开 的 ,是 一 种 混合 碎片 ;其 中 含有 交织 成 整个 细胞 体 的 膜 状 物 的 细 线 ( 称 为 肉质 网 , 用 显 微 镜 可 以 观察 到 ), 附着 在 网 状 物 上 的 几 种 小 颗粒 , 最 后 还 有 细胞 外 膜 的 碎片 (这 是 在 分 级 分 离 时 细胞 破裂 , 外 膜 被 破坏 产 EMD. 这 些 膜 与 线粒体 膜 一 样 ,其 组 成 不 仅 有 两 个 蛋白 质 层 Ke WARIO, 还 有 许多 酶 和 酶 系统 ,其 中 最 著名 的 酶 是 合成 脂肪 酸 的 复杂 酶 系统 和 分 解 ATP 的 高 效 酶 系统 ， 这 看 a Pie RE aR eS TE obs Et): 细 了 胞 质 当 细 胞 所 有 的 颗粒 全 都 从 晤 译 液 中 沉降 后 ， 剩 下 的 便 是 一 种 透明 的 溶液 ， 其 中 湾 有 在 细胞 完整 时 不 属于 任何 二 种 膜 或 颗粒 的 所 有 物质 ， 它 们 在 各 种 颗粒 和 网 状 结构 之 间 呈 游离 RA. 溶液 中 含有 许多 较 简 单 的 低 分 子 量 的 细胞 成 分 , 例如 钠 、 钾 、 磷 酸根 离子 和 若干 酶 系统 .其 中 最 重要 的 是 糖 酵 解 系 统 : 其 溶液 含有 通过 糖 酵 解 途径 分 解 葡萄 糖 所 需要 的 从 已 糖 激酶 直到 乳酸 脱 氢 酶 的 全 部 酶 ,还 含有 通过 沃 伯 格 - 迪 肯 斯 途 径 氧 化 葡萄 糖 所 需要 的 酶 ,氨基 酸 代谢 需要 的 酶 , 进行 嘎 叭 和 喀 啶 的 生物 合成 和 分 解 需要 的 酶 , 合成 蛋白 质 的 sRNA BOBS, 以 及 我 们 在 本 书 中 没有 讨论 的 许多 其 他 酶 系统 在 讲 到 本 章 之 前 ， 我 们 一 让 是 只 讲 细胞 的 化 学 物质 的 性 状 ， 我 们 并 未 考虑 这 些 化 学 物质 在 细胞 内 的 相互 关系 和 它们 是 如 何 排列 和 组 织 的 。 我 们 现在 知道 了 , 代表 细胞 的 各 种 生 物化 学 功能 的 各 种 酶 系统 ， 决 不 是 任意 和 平均 地 分 布 在 整个 细胞 体内 ,而 是 准确 地 集中 在 细胞 内 的 一 定 区 域 , 轮廓 清晰 . 认识 到 这 一 点 和 利用 特殊 的 显微镜 观察 鉴别 这 些 亚 细 胞 器 的 区 域 ， 使 生物 化 学 家 的 研究 工作 发 生 了 从 研究 孤立 的 酶 和 代 。182。 Pe nT a ee 谢 途 径 到 研究 有 组 织 的 基本 单位 细胞 的 飞跃 . 细胞 里 所 有 的 途径 都 由 许多 中 间 活 化 剂 、 辅 因 于 和 酶 互相 连结 起 来 ;进入 细 胞 的 一 个 葡萄 糖分 子 , 可 能 被 一 大 群 酶 突然 抓 住 ,一 些 原子 被 转变 成 二 氧化 碳 和 用 来 产生 能 量 , 一 些 原 子 被 结合 到 脂肪 上 ， 还 有 一 些 原 子 通过 氨基 酸 并 人 和 蛋白质 . 我 们 在 绪论 里 就 是 把 这 种 研究 称 为 "合成 生物 化 学 ". 既然 我 们 认识 到 是 一 个 很 协 调 的 \ 有 组 织 的 单位 ,设计 得 能 高 效率 地 利用 每 一 种 底 物 以 维 持 其 自身 的 生存 ， 我 们 就 可 以 进而 芳 虑 一 些 调 节 这 个 超级 机 器 顺利 运转 的 高 一 级 的 控制 因素 了 . 9。 183 6 第 十 章 细胞 的 控制 前 几 章 我 们 讲 了 细胞 象 一 个 高 度 组 织 化 的 工厂 ;原料 如 氨基 酸 通 过 细胞 壁 进入 细胞 内 ， 在 核糖 核 蛋白 体 的 生产 线 上 进行 处 理 , 根 据 细胞 核 计划 办 公 室 拟定 的 蓝图 合成 蛋白 质 . 然 后 这 些 蛋白 质 被 送 到 细胞 的 其 他 部 份 ， 它 们 自己 又 对 新 的 原 料 进 一 步 进 行 加 工 。 与 此 同时 , 细胞 的 燃料 葡萄 糖 被 分 解 成 丙酮 酸 , 送 到 线粒体 锅炉 房 , 在 这 里 被 转化 成 实用 的 能 量 ,能 量 被 分 配给 整个 细胞 , 使 细胞 机 器 运转 。 这 个 过 程 是 一 台 精 密 的 联 锁 机 的 运转 状况 : 细胞 的 每 一 部 份 要 活着 ,就 要 依赖 其 他 所 有 部 份 。 如 果 没 有 ATP， 就 无 从 合成 蛋白 质 ; BAS 白质 ,就 不 能 合成 ATP. 但 是 在 这 里 有 些 东 西 还 是 忽略 了 . 我 们 都 知道 ， 人 建 的 工厂 不 管 组 织 得 怎样 好 , 也 不 能 顺利 地 、 无 限期 地 \ 不 加 管理 地 运转 ,会 发 生 事故 ,生产 线 阻塞 , 进 料 不 符合 要 求 ,半成品 积 压 等 情况 .因此 需要 经 常 修 改 生产 计划 ,以 适应 需求 情况 和 不 断 变化 的 形势 .。 为 了 适应 厂 内 外 情况 而 进行 的 修改 ,要 求 不 断 地 作出 新 的 决定 ， 决 定 必 须 建立 在 工厂 于 各 处 的 活动 的 基 础 之 上 , 必须 建立 在 采取 临时 措施 的 能 力 之 上 . 假如 象 工厂 那样 比较 粗糙 的 生产 体系 还 需要 有 决策 系统 的 话 、 那 么 精细 灵敏 的 细胞 机 构 又 需要 多 么 好 的 决策 系统 呢 ? 难道 在 这 里 就 不 能 用 化 学 和 物理 学 ， 而 要 用 超 化 学 和 物理 学 的 生命 性 质 来 解释 吗 ? 对 于 人 们 提出 的 把 生命 看 作 非 化 学 和 物理 学 的 力 的 问题 以 及 其 他 问题 , 今天 的 生物 化 学 家 的 回答 必然 是 否定 的 ， 对 。184 。 FORDE Mt SRK, AN A AE 日 常 活动 中 的 调节 ， 而 且 也 指 细 胞 在 机 体内 从 生 到 死 的 整个 周期 内 的 控制 和 调节 ， 甚 至 机 体 本 身 从 生 到 死 的 整个 周期 内 的 所 有 控制 和 调节 ， 都 可 以 严格 地 用 生物 化 学 的 知识 加 以 解 释 . 对 这 些 调节 过 程 的 解释 还 很 不 全 面 。 RL, 科学 家 们 在 最 近 才 发 现 它 是 生物 化 学 领域 内 的 一 个 问题 . 跟 生 物化 学 方面 的 许多 最 新 进展 一 样 ,要 解释 这 个 问题 ,还 有 待 于 其 他 学 科 的 科学 家 进一步 发 展 有 关 的 实验 工具 和 理论 . “自动 化 "是 控制 论 这 门 科学 中 的 一 个 术语 .“ 自 动 化 "有 助 于 在 经 营 工 厂 时 采取 决策 ,但 也 削弱 了 采取 决策 的 必要 性 对 生物 化 学 方面 的 控制 机 制 的 解释 ;事实 上 是 跟 工 厂 的 “自动 化 ?进程 并 行 发 展 的 . 这 些 新 的 理论 ,把 细胞 描述 成 我 们 所 知 的 自动 化 程度 最 高 的 工厂 . 我 们 所 说 的 自动 化 的 意思 是 ,在 过 去 迷惑 不 解 地 把 这 个 复杂 的 调节 过 程 看 作 是 细胞 有 意识 的 产物 ， 事 实 上 它 恰 好 是 细胞 内 部 物理 结构 和 化 学 反应 序列 相 结合 的 必然 结果 . 这 是 根据 能 写 在 纸 上 的 公式 表达 的 数学 法 则 得 出 的 必然 结论 . 现在 让 我 们 来 看 看 其 中 的 某 些 法 则 吧 . 我 们 可 以 从 研究 调节 某 一 种 简单 酶 反应 的 因子 开始 . 反 应 X <== Y (1) X fig FE X AREER. PTTRE TI ey X EAE RY ATER AER WAH. KER AE: 在 反应 开始 时 溶液 中 存在 的 X、Y 和 和 酶 的 浓度 ,反应 介质 的 温度 ,必要 的 辅 因子 和 离子 活化 剂 的 存在 ,和 X 酶 的 抑制 剂 的 存在 , 最 后 , 反应 平衡 是 处 在 X 完 全 转变 成 了 的 方向 上 ， 或 几乎 不 转变 还 是 处 于 这 两 者 之 间 的 某 一 点 . 这 些 因素 中 的 任何 一 个 或 全 部 都 会 影响 反应 的 速率 ， 也 就 是 会 影响 每 分 钟 转 变 成 了 分 子 的 和 的 分 子 数 ， "185 。 一 般 说 来 ,尽管 已 经 发 现 改变 其 中 一 个 特定 的 因素 ;要 比 改变 其 他 因素 对 反应 速率 的 影响 要 大 ， 但 是 改变 任何 一 个 因 素 也 都 会 改变 反应 速率 .例如 ,温度 和 pH 的 变化 较 沙 时 , 产 生 的 影响 可 以 忽略 ,所 有 的 反应 都 处 在 最 佳 的 浓度 下 ,而 XX 酶 的 催化 活性 却 可 能 只 取决 于 活化 剂 镁 。 在 这 种 情况 下 , 存在 的 镁 量 稍微 改变 一 点 ,对 YY 的 生成 速率 影响 就 很 大 . 现在 让 我 们 看 看 这 些 可 变 因 素 对 反应 途径 的 影响 ， 也 就 是 WwW 经 X 和 Y 中 间 体 转变 成 乙 的 影响 : W =? x ay Sag (2) Wis Xie YR : 对 于 这 三 个 反应 中 的 每 一 个 反应 ， 我 们 说 过 的 这 组 因素 影响 其 速率 .。 但 是 ,在 只 讨论 一 个 反应 时 ,不 存在 在 整个 反应 序列 基础 上 外 加 的 一 个 变量 . 事实 表明 ，, 每 一 种 反应 都 受 其 他 反 应 结果 的 影响 .例如 , 假设 双 酶 反应 对 pH 的 变化 非常 灵敏 ， 而 且 最 后 的 反应 产物 Z 是 一 种 酸性 物质 . 随 着 生成 的 Z 越 来 as ,溶液 的 酸性 就 会 逐渐 增加 。 如 果 这 种 情况 发 生 , 双 酶 将 受到 影响 ， 由 双生 成 和 的 速率 也 将 逐渐 减 慢 . ATER X 逐渐 减少 ,了 Y 和 22 的 量 也 将 减少 . 因此 2Z 的 量 将 停止 增加 , 溶 液 的 酸性 将 逐步 降低 。 马上 W 酶 反应 的 速率 再 次 加 速 ，Z 和 酸性 又 增加 ， 双 酶 反应 速率 又 将 下 降 . 最 后 达到 一 稳定 状 态 . 因此 ,2Z 的 产量 对 双 酶 起 一 种 控制 作用 , AR. WER 的 速率 又 会 控制 Z 的 产量 .这 类 控制 作用 称 为 "反馈 ,这 和 电 热 器 上 的 温度 继电器 或 近 200 年 前 瓦特 (Watt) 蒸汽 机 的 调 节 器 的 原理 是 一 样 的 . 据 此 , 我 们 可 以 写 出 带 反 馈 的 反应 序 列 : W = 二 i a. 1. Z(+H*) (3) e 186 « a 反馈 有 两 种 类 型 . 在 我 们 已 经 讨论 过 的 这 种 类 型 中 ,，Z 的 产 量 抑制 W 酶 一 这 是 负 反 馈 : 但 是 如 果 忆 的 产量 降低 了 pH， 因而 双 酶 反应 加 速 ，Z 的 产量 增加 一 一 这 就 是 正 反 馈 . 对 于 所 有 的 反馈 反应 ， 反 应 的 原理 都 是 一 样 的 一 一 反应 速率 被 一 种 最 终 产 物 所 控制 ,而 该 产物 本 身 并 不 直接 参与 反应 . 我 们 开始 考虑 细胞 内 发 生 的 数 千 个 反应 和 数 百 个 反应 序 列 的 时 候 , 由 于 反应 受 许多 不 同 的 因素 的 控制 ,它们 本 身 又 通 过 产生 酸性 或 碱 性 、 使 用 或 产生 辅 因子 和 抑制 剂 改 变 这 些 因 素 , 马 上 会 使 我 们 感到 大 失 所 望 , 因为 这 人 么 多 反应 在 进行 , 如 何 才能 找 出 什么 反应 是 有 意义 的 ， 或 什么 反应 是 没有 意义 的 呢 ? 这 个 问题 肯定 是 很 复杂 的 , 但 可 以 简化 。 我 们 再 考虑 一 下 反应 序列 : W = X = Y= Z Whe Xie YRS 如 果 我 们 问 , 在 最 佳 条 件 下 , 每 个 酶 反应 的 最 大 速率 是 多 少 ， 并 用 任意 单位 表示 这 些 反 应 速率 的 话 , 比 如 我 们 得 到 : W —> xX = 100 X— Y = 10 (4) Y—>Z=1 我 们 说 ,W 酶 反应 比 X 酶 反应 快 10 LEY RMA. 那 在 双生 成 民 的 过 程 中 , 限制 反应 速率 的 是 哪 一 步 呢 ? 很 清 楚 ,W 酶 生成 XX, 其 速率 是 X 酶 使 用 X 的 速率 的 十 倍 ,而 X 酶 生 成 Y 时 ,其 速率 也 是 了 酶 使 用 Y 的 速率 的 十 倍 . 由 于 X 和 Y 生 成 量 远 远 超过 被 它们 各 自 的 酶 消耗 的 量 ， 所 以 W 转 变 成 Z 的 速率 只 受 立 酶 反应 Y 二 > 2 的 速率 的 限制 .一 个 反应 序列 的 速率 受 该 序列 各 个 反应 中 速率 最 慢 的 反应 所 控制 .在 这 些 条 件 下 ,即使 的 生成 导致 pH 发 生 很 大 变化 , 并 足以 引起 W 酶 * 187。 反应 速率 下 降 十 倍 , Z AERA RE GAAS, AA Z He PAIR 率 不 取决 于 W 酶 而 取决 于 Y 酶 . 乙 不 再 反馈 控制 自己 的 生成 . 于 是 就 反应 序列 的 控制 问题 来 说 ， 唯 一 有 关 的 反应 是 该 序列 最 慢 的 一 个 反应 ， 细 胞 通过 改变 恰 是 控制 一 个 最 慢 的 反 应 速率 的 因素 来 调节 任 一 给 定 的 反应 序列 的 速率 .因此 我 们 可 以 预料 ,在 每 一 反应 序列 中 都 可 以 找到 几 个 关键 的 控制 点. 在 研究 反馈 机 制 和 调节 机 制 时 ,我 们 就 会 看 到 这 样 的 控制 点 . 上 述 情况 至 少 是 理论 预测 的 结果 . 在 研究 控制 细胞 行为 的 规律 中 ,我 们 在 实际 中 运用 该 理论 的 可 能 性 如 何 呢 ? 代谢 的 内 部 调节 剂 一 、 能 量 产生 过 程 的 控制 细胞 所 需要 的 能 量 大 部 份 是 在 线粒体 内 通过 氧 传递 途 径 , 氧 化 底 物 ,制造 ATP RPA USNR). 孤立 地 研究 这 个 系统 中 的 酶 和 载体 ,就 会 发 现 它们 都 能 极 迅 速 地 反应 ;但 是 如 果 完 整 的 线粒体 与 底 物 例如 丙酮 酸 同 时 存在 的 话 ， 那 就 会 发 现 , 丙 酮 酸 的 氧化 的 速率 可 达到 的 最 大 值 , 大 大 低 于 单个 载体 所 显示 出 的 最 大 值 . 由 于 增加 丙酮 酸 量 并 不 改变 这 个 氧 化 速率 ， 所 以 线粒体 显然 必须 有 自己 内 部 的 控制 系统 来 限制 该 速率 , 即 底 物 作为 燃料 燃烧 的 速率 . 如 果 画 出 氧化 过 程 的 简 图 ， 我 们 就 可 以 将 这 个 控制 系统 的 一 些 单位 分 离开 《〈 见 图 22). FAA DL, aH PRBS I RY A: (2) 为 氧化 在 传递 链 末端 产生 的 还 原型 的 细胞 色素 a 所 需 的 氧 不 足 . 但 是 在 正常 情况 下 , 如 果 毒 物 例如 氰 化 物 或 一 氧化 碳 不 存在 ， 细 胞 所 需 的 氧 就 很 充足 ， 细 胞 色素 的 氧化 就 不 是 限 速 氧化 的 一 步 : 。 188。 慢 “ 忆 ‘rh a: San 8 Gabe ace: 底 物 (氧化 ) Is Bike aN Tal scam) ANAD mise Bao X~1+(@) BES I~(P)+ ADP ===ATP +1 图 22 氧化 磷酸 化 的 简 图 (b) 没有 足够 的 无 机 磷酸 和 ADP 来 完成 ATP 生产 与 氧 化 的 偶 联 反应 . 这 种 情况 也 许 不 能 马上 看 出 来 ， 但 是 如 果 ADP 或 磷酸 不 足 ,， 那么 会 出 现 什 么 情况 呢 ? 第 六 章 末 尾部 份 的 慢 反 应 (c) 和 (d) 将 不 会 发 生 。X~ I 这 个 磷酸 化 的 中 间 体 REDE, 反而 会 积 集 起 来 . 因而 第 一 个 氧化 磷酸 化 偶合 的 中 间 体 ( 即 氧化 型 的 载体 ~ X ) 同 样 也 积 集 起 来 ( 见 第 六 章 , 方 f= 13) 6), 而 且 载 体 也 不 能 被 还 原 . 由 于 中 间 体 不 能 被 利用 而 开始 积聚 ， 所 以 氢 沿 载体 系统 从 底 物 传递 到 氧 的 流程 被 破 坏 , 这 样 整个 生产 线 就 呈现 出 混乱 状态 而 停止 生产 了 。 由 此 可 见 , 通 过 电子 传递 链 的 底 物 的 氧化 速率 ,被 线粒体 内 存在 的 ADP 和 无 机 磷酸 的 浓度 所 控制 。ADP 和 磷酸 浓度 较 高 时 , A 化 进行 得 顺利 、` 迅速 ; 浓度 较 低 时 , 氧化 相应 地 进行 得 慢 些 , 然而 ADP 和 无 机 磷酸 的 浓度 本 身 是 受 其 他 因素 控制 的 。 氧化 磷酸 化 的 最 后 一 个 反应 ， 使 它们 转化 成 ATP， 从 而 降低 了 它们 的 浓度 。 因此 任 其 进行 下 去 ,线粒体 将 逐渐 消耗 掉 所 有 的 ADP 和 磷酸 , 并 停止 氧化 底 物 . 但 与 此 同时 , 在 细胞 的 其 他 部 份 将 利用 ATP 提供 合成 蛋白 质 、 肌 肉 收缩 、 神 经 传导 等 的 能 量 。 所 有 这 些 活 动 结果 的 净 反 应 是 : ATP — ADP 十 ® (5) 所 以 , 消耗 能 量 的 反应 将 提高 ADP 和 磷酸 的 浓度 , 趋 回 使 氧 。 189 。 化 加 速 ， 在 任何 一 个 给 定 的 细胞 体系 内 , 底 物 氧 化 的 速率 依 赖 于 ATP 使 用 的 速率 。 因 而 细胞 为 满足 各 种 不 同 的 需要 , 可 以 调整 产生 能 量 的 速率 。 形成 这 种 适应 性 关键 的 一 环 , 是 由 细胞 内 ATP 与 (ADP + 磷酸 ) 的 比率 引起 的 , 这 是 一 个 控制 能 量 代谢 的 关键 性 的 比率 。 就 是 这 一 机 构 把 细胞 的 发 动机 的 运转 与 它 的 轮子 的 转动 联结 起 来 了 . 这 一 机 构 与 所 有 的 机 构 一 样 , 也 能 空挡 运转 。 我 们 假设 一 组 反应 经 高 能 中 间 体 导致 生成 ATP， 现 在 查看 这 些 反 应 ? 我 们 就 能 清楚 这 些 反 应 是 如 何 “ 空 挡 运行 的 ”: X~I1_+@O—1~O0+X (6) I ~@® + ADP == ATP+ I (7) 在 生物 氧化 作用 方面 ，ATP 的 控制 作用 在 于 这 样 一 个 事实 : 如 果 它 不 存在 ,X~ 工 的 浓度 就 会 开始 增加 ,并 且 由 于 X~ 1I 浓度 的 增加 ,其 他 中 间 体 浓度 也 越 来 越 大 ,直到 使 整个 生产 线 混乱 ,经 常 造成 阻塞 而 停止 反应 。 如 果 我 们 能 找到 与 ADP 和 磷酸 无 关 的 消除 X~ I 的 其 他 途径 ,阻塞 现象 就 会 解除 ,氧化 又 会 重新 进行 这 种 解除 机 制 存在 于 如 下 的 反应 中 : X~I 二 HO 一 X+I (8) X~ 1 PA COKE), 贮 集 在 高 能 键 中 的 能 量 不 经 过 与 生 成 ATP 的 反应 偶 联 就 消耗 掉 了 . 如 果 这 种 反应 能 进行 ， 氧 化 就 能 在 跟 磷 酸化 无 关 的 情况 下 重新 进行 。 这 两 个 反应 不 偶 联 , 其 过 程 类 似 汽 车 处 于 空挡 状态 ,结果 是 发 动机 空转 ,不 驱动 轮子 转动 。 有 几 种 药物 和 抗 菌 素 , 还 有 其 他 一 些 毒 物 , 都 具有 这 种 非 偶 联 的 性 能 .生物 化 学 家 也 许 更 为 感 兴趣 的 是 ， 机 体内 自然 产生 的 物质 甲状 腺 素 (是 由 颈 部 甲状 腺 制造 的 ) ,这 种 激素 ,好 象 也 能 使 氧化 不 与 磷 酸化 偶 联 ,不 过 肯定 这 不 是 它 首 先 作用 的 位 点 . 如 果 ADP, 无 机 磷酸 和 和 氧 全 都 很 充裕 ， 在 我 们 刚刚 概述 e 190 。 过 的 氧化 磷酸 化 控制 机 制 中 ， 各 反应 的 速率 没有 一 个 受到 限 fil. 在 这 种 情况 下 , 别 的 反应 就 成 了 限制 因素 , 即 氢 借 助 脱 氢 酶 反应 进入 载体 序列 中 : AH, + NAD == A + NADH, (9) 跟 所 有 的 可 逆反 应 一 样 ， 脱 氢 酶 反应 进行 的 方向 取决 于 各 种 产物 和 底 物 的 相对 浓度 。 因此 该 反应 只 在 AH 和 NAD 的 浓 ERB, AM NADH, 浓度 较 低 时 才 向 前 进行 . 由 于 许多 脱 氢 酶 反应 都 向 这 个 载体 系统 提供 氨 ， 使 NAD 成 了 一 个 公用 的 辅 因子 ,所 以 这 些 反 应 的 速率 取决 于 NAD 和 NADH, 的 相 对 量 . 当 NAD 量 很 高 而 还 原型 的 NADH: 量 却 很 低 时 ， 所 有 的 脱氧 酶 反应 都 是 正 向 进行 的 ， 与 它们 相 联 的 柠檬 酸 和 脂 肪 酸 氧化 循环 开始 运转 ， 平 稳 的 氨 原 子 流 沿 载体 系统 迅速 传 递 到 氧 .。 但 是 如 果 NADH, FARE, NAD 开始 减少 , 脱氧 酶 反应 将 逐渐 减 慢 下 来 ,直到 停止 , 氨 的 传递 也 就 中 止 了 . 现在 我 们 来 看 一 看 ， 比 方 说 如 果 在 肌 细 胞 平稳 的 产生 能 量 和 和 氧化 底 物 时 ， 突 然 叫 它 开始 活动 ， 肌 细胞 会 发 生 什 么 情 we? ATP 浓度 降低 ，ADP 浓度 升 高 , 氨 传 递 加 速 进行 。 由 于 它 的 加 速 ， NADH: 被 再 次 氧化 的 速度 加 快 ，NAD 与 NADH, 的 比率 逐渐 增加 .由 于 这 个 比率 增加 ,氧化 循环 的 脱 氢 酶 反应 便 会 更 快 进行 , 底 物 氧化 得 也 更 快 , 好 象 这 个 循环 旋 转 起 来 了 一 样 . 于 是 细胞 提供 更 多 的 能 量 来 满足 这 一 要 求 ， 这 和 汽车 在 踩 加速 器 的 踏板 时 发 动机 运转 加 快 是 一 样 的 . 当 对 能 量 的 需要 量 降 低 时 , ATP 和 NADH, RE. ARBRE, 氧化 循环 又 降 到 慢 速 运转 了 . 在 能 量 代谢 上 ，NAD 5 NADH, 的 比 所 起 的 控制 作用 还 有 一 个 有 趣 之 处 . 我 们 已 经 讲 到 有 两 种 密切 相关 的 辅酶 NAD 和 NADP， 它 们 能 交替 进行 氧化 和 还 原 。NAD 是 一 个 与 细胞 的 氧化 ,产能 系统 有 关 的 辅酶 , 而 NADP 则 处 在 合成 © 191° (例如 脂肪 的 合成 ) 过 程 中 的 某 处 ; 在 合成 过 程 中 要 向 各 还 原 RMA HERA. 这 些 反 应 需要 NADPH:， 正 如 NAD 与 NADH, 的 比 是 氧化 过 程 的 控制 点 一 样 ，NADP 5 NADPH, 的 比 也 是 限制 合成 反应 速率 的 因素 . 这 些 酶 称 为 转氨酶 , 最 近 已 经 有 人 证 明了 它 催化 可 逆反 应 NADH, + NADP == NAD + NADPH, (10) 因此 ,这 个 反应 氧化 了 一 种 辅酶 ,同时 还 原 了 另 二 种 辅酶 . 在 反应 这 样 进行 时 ， 能 同时 在 相反 的 两 个 方向 上 改变 NAD 与 NADH, 和 NADP 与 NADPH, ZEEE. 这 两 个 比 ， 其 中 一 个 控制 细胞 氧化 途径 的 速率 ; 另 一 个 控制 细胞 还 原 途 径 的 速率 . 通过 改变 这 两 个 比 ， 转 氢 酶 可 帮助 维持 分 解 反应 《〈 即 产能 反 应 ) 和 合成 反应 〈 即 需 能 反应 ) 的 平衡 .而且 最 近 已 经 有 大 提 出 了 一 些 有 趣 的 看 法 ， 认 为 这 种 跷 跷 板式 的 平衡 点 也 受 激素 的 影响 ,这 里 所 指 的 激素 是 省 类 化 合 物 和 性 激素 . 二 、 生 物 合成 途径 的 控制 对 转 氢 酶 的 讨论 已 使 我 们 从 氧化 途径 转 到 了 合成 途径 。 近 三 十 年 来 已 经 详细 地 研究 了 许多 生物 合成 途径 ， 在 这 本 小 册子 里 我 们 只 能 讨论 其 中 的 几 种 , 即 脂肪 、 糖 原 和 蛋白 质 的 合 成 途径 .我 们 在 前 面 几乎 还 没有 谈 到 细胞 用 来 合成 这 些 大 分 子 的 前 身 如 氨基 酸 、 嗓 叭 碱 和 喀 啶 碱 等 的 方法 ， 对 其 中 的 每 一 种 物质 的 合成 来 说 都 有 一 连 串 的 酶 ， 这 一 连 串 的 酶 将 许多 简单 的 分 子 合成 一 个 复杂 的 分 子 . 每 一 串 酶 反应 都 有 自己 专 门 的 限 速 反应 步骤 和 反馈 机 制 ， 其 中 许多 步骤 和 机 制 已 经 详 细 分 析 过 了 。 细菌 之 类 的 生物 体内 的 生物 合成 , 比 人 体内 的 生物 合成 用 途 更 多 . 所 谓 详细 分 析 过 的 步骤 和 机 制 ,主要 是 指 细菌 体内 的 生物 合成 的 步骤 和 机 制 . 虽然 每 一 种 生物 合成 系统 都 显示 出 一 定 的 独特 性 质 ， 看 。 IT92。 来 似乎 还 有 一 些 共 同 的 机 制 。 1956 年 , 美国 纽约 的 昂 巴 格 尔 (Umbarger) 就 提出 这 样 一 种 机 制 . 当时 他 正在 研究 借助 于 天 冬 氮 酸 这 样 简 单 的 氨基 酸 由 葡萄 糖 合成 苏 氨 酸 和 有 异 亮 氨 酸 的 问题 ,发 现 喂食 放射 性 葡萄 糖 的 微生物 ,通常 会 合成 放射 性 的 苏 氨 酸 和 腊 亮 氮 酸 。 但 是 当 这 些微 生物 在 含 非 标记 的 苏 所 酸 和 腊 亮 氨 酸 的 介质 中 生长 时 ， 由 葡萄 糖 合成 的 氨基 酸 就 不 再 带 放 射 性 了 。 Alt, 氨基 酸 的 存在 抑制 了 氨基 酸 的 继续 合 Rm. MERRIE: 这 种 情况 是 沿 生 物 合成 途径 的 第 一 个 酶 被 氨基 酸 抑制 引起 的 ,是 负 反 馈 的 一 个 理想 的 例子 : 天 人 所 区 一 上 > Lh b--> FRB (11) 抑制 这 个 过 程 称 为 最 终 产 物 的 抑制 ,其 意思 是 说 ,氨基 酸 的 合成 是 由 最 终 产 物 氨基 酸 的 量 调节 的 . 随 着 最 终 产 物 氨基酸 的 量 的 逐渐 增加 ， 生 物 合成 的 速度 便 逐 步 减 慢 ; 如 果 它 的 浓度 下 降 , 合 成 速度 便 加 快 . 从 那 时 起 ,人 们 就 发 现 这 种 反馈 控制 形 式 在 生物 合成 系统 中 是 很 普遍 的 ， 在 微生物 体内 和 在 动物 体 内 ,这 一 控制 形式 也 可 能 是 主要 的 调 市 机 制 。 许多 这 样 的 抑 制 靠 一 些 变 构 过 程 起 作用 . 法 国 巴 黎 的 莫 诺 〈Monod) MHRA 〈Jacob) 研究 了 微 生物 体内 更 巧妙 的 控制 方法 ， 获 得 了 1965 年 度 的 诺 贝 尔 奖 金 。 他 们 指出 ,许多 缺乏 处 理 特殊 底 物 的 酶 的 微生物 , 各 与 这 种 底 物 放 在 一 起 的 话 , 它们 会 立即 开始 合成 缺乏 的 酶 . Kis 和 和 雅 各 布 特别 研究 了 缺乏 代谢 半 乳 糖 能 力 的 细菌 . FEEL 糖 作为 底 物 的 情况 下 ,一 个 菌株 上 的 细菌 (虽然 没有 其 他 菌株 上 的 细菌 ， 其 他 菌株 上 的 细菌 甚至 连 合 成 半 乳 糖 酶 的 能 力也 RAT Me TA FLSA UDP-*4 FLIES. 利用 半 乳 糖 开始 ° 1936 SRAM. FPR, BEATA. BIEL 本 身 被 结构 非常 类 似 的 不 能 代谢 的 诡 物 取代 ， 也 能 引起 类 似 蛋白 质 的 合成 。 由 于 适应 底 物 的 酶 能 迅速 合成 ,合成 所 需 的 遗传 信息 必然 一 直 存在 于 细胞 内 。 然 而 在 正常 情况 下 是 不 合 成 这 些 蛋 白质 的 。 产生 这 种 使 人 感 兴趣 的 效应 的 原因 何在 ve? 莫 诺 和 和 雅 各 布 认为 ,这 是 由 于 在 无 异常 底 物 时 ;合成 代谢 这 样 的 底 物 所 需要 的 酶 受到 了 抑制 ， 因 此 保证 了 细胞 不 浪费 时 间或 能 量 ， 去 合成 不 需要 的 生物 合成 途径 所 要 的 酶 .只 有 实在 必要 ,又 没有 其 他 能 用 的 底 物 时 ,细胞 才 停止 抑制 ,合成 有 关 的 酶 。 虽 然 细 胞 保留 着 合成 其 他 东西 的 蓝图 的 DNA itt 传 密码 , 也 还 是 由 于 食物 异常 或 情况 异常 才 值得 合成 。 细胞 为 了 只 合成 代谢 过 程 即时 需要 的 酶 , 才 控制 蛋白 质 的 合成 . 细 胞 显然 很 能 适应 情况 的 变化 ， 从 而 经 受 住 极端 条 件 的 考验 存 活 下 来 . 利用 酶 的 “诱导 ”和 “抑制 "来 进行 这 种 非常 复杂 的 控制 ; 看 来 主要 限于 微生物 。 也 许 由 于 动物 细胞 是 器 官 的 一 部 份 而 动物 器 官 又 是 机 体 的 一 部 份 ,细胞 的 周围 环境 较 稳 定 ,变化 有 一 定 的 限度 , 细胞 不 会 遇 到 突然 变化 的 环境 和 食物 。 而 细 著 就 不 得 不 自行 准备 食物 了 。 在 动物 体内 ,对 环境 变化 的 这 种 精心 调节 看 来 是 由 激素 进行 的 . 三 、 利 用 结构 实现 控制 这 是 有 助 于 调节 细胞 活性 ， 有 助 于 使 能 量 和 代谢 物 的 生 产 与 应 用 相关 联 的 一 些 控制 和 平衡 。 一定 还 有 许多 其 他 种 类 的 控制 和 平衡 ,因为 这 是 生物 化 学 最 新 的 部 份 , 在 这 方面 , 实 验 技术 和 理论 工具 都 很 缺乏 。 虽然 这 样 , 至 少 细胞 控制 的 另 一 种 主要 因素 是 可 以 预测 出 来 的 ， 它 是 细胞 本 身 复 杂 结 构 中 © 194+ ee Diag ate mace 所 蕴含 的 一 种 控制 因素 . 我 们 已 经 讨论 了 细胞 是 如 何 由 一 系 列 亚 细胞 结 梅 的 细胞 器 、 细 胞 核 、 线 粒 体 \ 微 粒 体 、 它 们 周围 的 细胞 质 以 及 由 细胞 膜 形 成 的 细胞 边 春 等 组 合成 的 .每 个 细胞 器 都 含有 特异 的 酶 和 底 物 ,一 个 细胞 器 所 具有 的 这 些 物 质 , 丈 一 个 细胞 器 未 必 能 随意 利用 .例如 危险 的 水 解 酶 被 牢固 地 封 闭 在 溶 酶 体内 ,只 有 在 极端 条 件 下 才 把 它 放出 来 .因此 可 以 把 细胞 看 作 是 由 一 系列 薄 壁 围 成 的 独立 的 “分 隔 空间 组 成 的 ， 有 些 物 质 可 以 穿 过 该 薄 壁 , 而 有 些 物质 则 不 能 . 薄 壁 两 边 的 情况 差异 颇 大 : 酸性 、 碱 性 、 盟 度 、 能 量 的 多 寡 和 必要 的 辅 因 子 如 镁 离子 的 多 少 等 都 不 同 . 不 能 认为 细胞 内 一 种 物质 的 总 浓度 很 高 ， 则 该 物质 在 细胞 内 各 部 份 的 浓度 都 同样 高 。 有 些 区 域 可 能 根本 没有 该 物质 .甚至 稍微 有 一 点 差别 就 可 能 出 现 惊 大 的 后 果 . 线粒体 膜 两 边 的 温差 仅 有 摄氏 0.01 度 ， 看 上 去 并 不 大 ,但 是 膜 这 样 薄 , 致 使 温度 梯度 竟 达 每 厘米 一 万 度 . 在 这 种 环境 下 ， 可 能 有 许多 至 今 还 不 知道 的 控制 系统 发 挥 作 FA. ARPT Al, ABH F 50 FE hy RRA TE BE 穿 过 是 很 严格 的 ， 就 连 非 常 小 的 分 子 通过 自由 扩散 出 人 细胞 和 由 膜 围 成 的 小 区 域 也 受到 限制 . 因此 , 几乎 所 有 的 动物 细 胞 内 部 , 钾 离 子 的 浓度 都 很 高 ， 钠 离子 的 浓度 都 很 低 ， 而 细胞 所 温浴 的 六 体 ( 血 流 和 细胞 外 的 流体 ) 的 组 成 则 恰恰 相反 一 一 钠 的 浓度 高 ， 钾 的 浓度 低 ， 钠 离子 和 钾 离 子 在 特性 、 大 小 \ 形 状 等 方面 几乎 是 相同 的 . 在 非 生 物 的 体系 内 ， 例 如 拿 一 个 赛 Phi aR, Be A eR ELA FS FARRER AS FAK, FEI BREARKENABTURRENART HARA, BA 在 膜 内 外 的 浓度 将 很 快 达到 平衡 . 但 是 细胞 膜 的 行为 就 不 象 这 样 ; 它 看 来 似乎 有 选择 性 , 即 允 许 钾 进入 细胞 ,而 不 许 它 离 开 ; 人 允许 钠 离 开 细 胞 , 而 不 允许 其 进入 。 这 种 选择 性 是 膜 的 非 ° 195° 常 重要 的 性 质 ， 不 靠 组 织 结 构 和 消耗 大 量 的 能 量 是 得 不 到 这 种 选择 性 的 . 事实 上 细胞 膜 只 允许 细胞 需要 的 物质 进 大 ;而 且 在 可 能 的 范围 内 排除 掉 它 不 需要 的 物质 . 同样, 在 细胞 内 的 膜 也 表现 出 对 不 同 的 细胞 成 份 的 选择 性 .线粒体 膜 对 细胞 内 的 钙 离 子 象 真空 吸尘器 一 样 , 将 其 大 量 地 吸 进 和 贮存 起 来 。 这 种 现象 一 定 与 控制 机 制 有 关 ， 我 们 目前 对 这 些 控制 机 制 还 一 无 所 知 . | 但 是 我 们 可 以 从 理论 上 知道 它们 是 如 何 精微 地 控制 细胞 代谢 的 .能 量 调节 系统 中 的 最 后 一 个 例子 就 足以 说 明 这 二 问 题 了 . 我们 已 经 证 明 , 几 乎 细胞 所 有 的 ATP 都 是 在 线粒体 内 合成 的 .新 近 有 些 资料 提出 ,线粒体 膜 可 能 是 ATP 自由 流动 到 细胞 别 的 部 份 的 一 个 屏障 ,又 是 ADP 从 外 部 自由 进 大 线 粒 体重 新 磷酸 化 的 一 个 屏障 .许多 反应 途径 均 以 ATP 的 利用 率 作为 速率 限制 因素 一 一 最 恰当 的 例子 是 葡萄 糖 酵 解 成 丙酮 酸 的 反应 。 这 个 反应 途径 开始 时 的 一 个 关键 步骤 , 是 通过 已 糖 激酶 使 葡萄 糖 磷酸 化 , 接着 立即 进行 第 二 次 磷酸 化 , 果糖 -6- 磷酸 生成 果糖 -1,6- 二 磷酸 (第 七 章 的 反应 1 到 11). 这 两 个 反应 的 动力 学 研究 证 明 , 它 们 是 整个 糖 酵 解 序列 中 最 慢 的 , 因 此 是 限 速 反应 。 在 葡萄 糖 存在 时 , 限制 因素 主要 是 葡萄 糖 的 代谢 物 氧 化 产生 的 ATP 的 利用 效率 。 因 此, 糖 酵 解 应 该 是 正 反馈 的 一 个 例子 ,如 图 23(a) 所 示 . 但 是 事实 上 ,生物 化 学 最 早 的 观测 之 一 ,是 把 葡萄 糖 加 到 生物 的 呼吸 组 织 上 时 ,生物 氧化 作用 就 减弱 ;而 要 增强 糖 酵 解 组 织 的 生物 氧化 作用 ，, 减少 所 用 的 葡萄 糖 就 可 以 了 。 此 效应 以 它 的 发 现 者 的 名 字 命名 为 巴 斯 德 效应 ,最 初 在 酵母 中 发 现 ， 后 来 在 其 他 组 织 中 也 发 现 了 这 一 效应 。 为 什么 葡萄 糖 会 影响 生物 的 氧化 作用 呢 9 在 巴 斯 德 之 后 一 百年 , 人 们 似乎 从 这 样 一 个 事实 中 找到 了 这 个 明显 的 矛盾 问题 的 答案 ， 就 是 细胞 质 © 196。 (a) * 葡萄 糖 RR-1,6--L AR eS AMR 一 一 >CO2H:D (b) Bw 果糖 -1y6- 二 磷酸 Ae C0zH20 ES dat Mi 线粒体 图 23 巴 斯 德 效应 : 结构 控制 的 例子 @) 如 果 没 有 其 他 的 干扰 葡萄糖 氧化 便 是 一 个 正 反馈 的 例子 (>) 但 是 ?线粒体 膜 插 进来 后 > 情况 变 得 复杂 了 ; ADP 和 ATP 的 移动 被 阻止 结果 成 了 负 反 馈 里 的 葡萄 糖 不 能 利用 在 线粒体 上 由 丙酮 酸 氧 化 产生 的 ATP, 而 线粒体 磷酸 化 的 许多 位 点 又 不 能 利用 在 已 糖 激酶 反应 期 间 产生 的 ADP, 在 这 里 ,图 23(a) 所 示 的 正 反 馈 型 似乎 不 适 用 ,适用 的 是 图 23(b) 所 示 的 较 复 杂 的 负 反 馈 . 但 是 这 些 研究 还 处 于 初期 阶段 .在 细胞 内 结构 壁 障 的 作 用 很 可 能 还 要 等 待 生物 化 学 进一步 发 展 后 才能 阐明 ; 目前 我 们 还 只 能 推测 . 细胞 代谢 的 外 部 调节 : 激素 动物 细胞 不 但 有 内 部 的 自我 调节 机 制 或 自动 平衡 机 制 ， 还 必须 构成 一 个 大 的 统一 体 的 一 部 分 . 它 是 一 个 特定 器 官 中 的 无 数 细胞 中 的 一 份子 ， 器 官 又 是 有 机 体 中 许多 互相 依赖 的 部 分 中 的 一 个 . 细胞 生存 不 是 最 终 目的 ; 动物 的 生存 和 通过 生殖 达到 生物 物种 的 生存 才 是 最 终 目 的 。 然而 , 动物 必须 具 © 197。 有 将 机 体内 各 式 各 样 的 细胞 的 功能 结合 起 来 苏 调 成 一 个 整体 的 方法 ， 以 便 能 联合 起 来 对 不 同 条 件 和 刺激 产生 绕 一 而 积极 的 反应 . 动物 为 了 消化 , 要 能 分 刻 唾 小 和 酶 , 为 了 移动 胶体 ， 要 能 收缩 肌肉 ,要 能 合成 额外 的 糖 原 ,或 向 血 流 中 释放 更 多 的 葡萄 糖 . 其 中 许多 活动 都 是 在 神经 直接 控制 下 进行 的 ,神经 将 脑 或 脊髓 的 具体 信息 传递 到 机 体 不 同 部 分 的 各 个 器 官 . 虽 然 我 们 在 下 一 章 将 从 生物 化 学 角度 讨论 神经 是 如 何 传递 信息 的 , 但 是 神经 的 作用 却 是 生理 学 家 研究 的 范围 . 细胞 的 许多 活动 也 通过 一 系列 专门 的 化 学 物质 来 调节 ， 这 些 化 学 物质 是 由 散布 在 全 身 的 一 些小 器 官 合成 的 ， 在 对 某 些 刺激 作出 反应 时 由 器 官 释放 出 来 , 通过 血 流 带 到 全 身 的 各 个 部 分 . 它们 把 专门 的 指令 信息 传递 到 靶 细 胞 ,或 者 促进 ,或 者 抑制 , 或 者 改变 靶 细 胞 的 活动 . 这 批 传递 信息 的 化 学 物质 叫 激素 ; 分 这 激素 的 器 官 通称 为 "内分泌 腺 . 这 些 激素 使 机 体能 对 大 量 的 代谢 功能 加 以 巧妙 的 控制 ， 并 为 了 适应 外 界 环境 的 变化 而 改变 这 些 功 能 . 总 之 ,神经 和 激素 的 作用 之 间 的 差别 可 以 这 样 概括. 神 经 控制 特殊 的 细胞 或 细胞 群 ,实现 一 定 的 , 特殊 的 , 有 限 的 活 动 : 肌肉 收缩 , REA AR aeRO wey. 另 一 方面 ,激素 的 作用 则 是 不 断 地 慢 慢 地 改变 靶 细 胞 的 正常 行为 ， 致使 在 活动 方式 上 产生 小 而 长 期 的 变化 .如果 拿 收音 机 的 波 长 和 音量 控制 之 间 的 差别 来 打 比 喻 ， 神 经 就 是 在 起 作用 的 细 胞 上 选择 一 定 的 波长 ,激素 则 改变 它 的 音量 ,使 其 保持 在 机 体 其 余部 分 所 需 的 最 佳 水 平 . | 这 种 特性 也 意味 着 神经 失去 作用 的 人 ， 与 激素 控制 失去 平衡 的 人 之 间 存 在 着 重大 的 差别 . 通 向 一 个 胶体 或 器 官 的 神 经 受阻 ,会 使 这 个 胶体 或 器 官 联 焉 和 失去 作用 ;而 摘除 一 种 分 泌 激 素 的 腺 体 , 机 体 仍然 可 按 某 种 方式 活动 ,但 却 降低 了 应 付 。 198 « 外 界 环境 变化 的 能 力 .动物 减少 一 种 激素 ,可 能 使 体重 猛 增 ， 或 对 塞 冷 过 敏 ,或 性 行为 异常 ， 这 样 的 差别 是 很 难 确定 的 ,但 是 一 下 就 检查 出 来 了 。 从 生物 进化 上 来 说 , 这 可 能 是 在 协调 和 控制 机 体 活动 上 , 较 之 于 神经 ,激素 是 比较 早 \ 比 较 初级 的 形式 . | 在 任何 情况 下 ,都 会 有 五 十 种 之 多 的 不 同 的 化 学 物质 , 随 着 人 的 血 流 循环 其 中 有 的 物质 能 引起 起 细胞 的 代谢 方式 发 生 很 大 变化 .在 这 里 ， 我 们 不 可 能 讨论 所 有 的 激素 或 其 全 部 功能 ;在 许多 情况 下 ,它们 都 是 极其 复杂 的 ,在 一 两 种 情况 下 ， 我 们 甚至 对 激素 起 作用 的 方式 还 知之 甚 微 。 生 物化 学 家 普遍 认为 ,激素 的 所 有 活性 ,归根 结 底 都 与 激素 改变 某 些 特定 的 限 速 酶 反应 速度 的 作用 有 关 ， 即 可 能 在 某 一 较 灵 敏 的 反应 步 怠 中 ,作为 酶 的 一 种 辅助 因子 起 作用 ,或 通过 增加 酶 存在 的 绝对 量 起 作用 ， 但 是 必须 强调 指出 ， 这 个 假设 尽管 经 多 年 努力 研 究 ,进展 不 大 ,但 还 是 有 可 信之 处 ， 虽然 生理 学 家 能 够 轻而易举 地 说 出 在 整体 动物 的 综合 条 件 下 ,一 种 特定 的 激素 过 多 或 不 足 所 引起 的 后 果 , 但 是 在 活 的 动物 体 中 , 大 多 数 激素 似乎 都 对 靶 器 官 的 蛋白 质 、 脂 肪 \ 糖 和 许多 其 他 物质 的 合成 和 分 解 的 速率 有 影响 一 不 过 生物 化 学 家 发 现 ,甚至 用 组 织 切 片 也 很 难 去 产生 这 些 作用 ,更 不 用 说 在 亚 细 胞 颗粒 或 纯化 了 的 酶 的 水 平 上 了 。 激素 的 许多 作用 , 似 乎 在 起 作用 之 前 都 要 求 整个 机 体 是 完整 的 。 甚 至 当 我 们 能 清 楚 地 证 明 激素 对 纯化 体系 内 特殊 酶 反应 有 影响 时 ， 通 常 也 难 于 把 测 得 的 生化 效应 与 已 知 的 激素 的 生理 活性 联系 起 来 ， 或 很 难 搞 清 正在 测量 的 生化 作用 是 首要 的 还 是 次 要 的 。 对 激素 的 生化 作用 的 了 解 ， 就 象 我 们 从 相当 简单 的 孤立 的 酶 问题 和 代谢 途径 问题 ,转向 整个 细胞 的 综合 机 制 时 ,对 其 他 领域 的 问 题 的 了 解 一 样 , 不 是 本 章 要 讲 的 问题 。 在 这 里 ,我 们 只 能 选 讲 。 199。 这 个 学 科 的 几 个 较 小 的 方面 , 如 果 不 算是 问题 的 答案 ,至 少 是 举例 说 明 某 些 问 题 阻 碍 了 这 条 途径 . 激素 有 许多 种 分 类 方法 ， 最 简单 的 方法 是 按 分 泌 激 素 的 腺 体 分 类 .这 样 可 分 为 甲状 腺 素 ( 颈 部 甲状 腺 分 刻 的 激素 ), 甲 状 旁 腺 素 ( 位 于 甲状 腺 两 旁 的 细小 的 甲状 旁 腺 分 泌 的 激素 六 胰岛 素 和 胰 高 血糖 素 ( 由 胰 脏 分 刻 )。 在 每 个 肾 的 上 面 都 有 一 个 小 腺 体 , 叫做 肾上腺 ,其 中 心 部 位 分 这 肾上腺 素 , 而 其 外 层 《 皮 层 ) 则 分 泌 一 组 省 类 激素 : BSH RAMS. SAMIR 分 记性 激素 一 一 摆 酮 和 败 激素 . 最 后 , 在 人 体内 有 一 个 很 小 的 器 官 , 有 了 静 豆 般 大 小 ,位 于 脑 的 底部 和 嘴 的 上 部 之 间 的 骨 肥 中 ,分 小 高达 25 种 以 上 的 不 同 激素 , 它 最 重要 的 任务 是 控制 体内 所 有 其 他 激素 的 实际 分 泌 量 . 这 一 总 控制 者 就 是 垂体 . 另 一 种 广泛 采用 的 分 类 方法 ， 是 依据 激素 本 身 的 化 学 性 质 进 行 分 类 。 这 样 划分 出 来 的 垂体 激素 、 胰 岛 素 和 胰 高 血糖 素 , 全 都 是 蛋白 质 或 长 链 氨基 酸 ;肾上腺 皮质 激素 和 性 激素 是 东 类 化 合 物 , 具 有 我 们 在 第 二 章 中 讲 过 的 复杂 的 环 结构 ;甲状 腺 素 和 骨 上 腺 素 是 胺 类 化 合 物 . 但 是 这 里 我 们 只 对 激素 作为 细胞 调节 剂 的 生化 作用 感 兴 趣 , 因 此 还 可 以 采用 另 一 种 分 类 法 , 即 根据 激素 主要 控制 细胞 代谢 的 哪 一 方面 把 激素 分 类 . 不 过 我 们 还 必须 强调 一 下 , 这 种 分 法 仅 是 可 能 实现 的 一 种 设想 ， 因 为 我 们 在 这 里 对 激素 的 生理 作用 并 不 感 兴趣 .细胞 代谢 稍微 失去 平衡 就 可 能 产生 产 重 的 后 果 , 其 严重 程度 视 有 关 的 细胞 而 定 , 看 它 是 肝 细 胞 ， 脑 细胞 , DESI. 虽然 生理 学 家 可 能 发 现在 一 种 情况 下 会 引起 脂肪 肝 发 作 ,在 另 一 种 情况 下 会 引起 昏迷 和 神经 迷 乱 ， 在 第 三 种 情况 下 会 出 现 性 发 育 异 常 ， 但 是 在 这 三 种 情况 下 的 。200。 生化 机 制 却 可 能 是 一 样 的 .在 生理 学 上 , 性 激素 控制 青春 期 的 发 育 ` Bae, HEN TAR OAKDALE 毛 之 类 的 第 三 性 征 , 更 不 用 说 一 些 心理 因素 ,例如 性 冲动 本 身 了 . 但 是 这 些 重要 的 特征 中 没有 一 个 和 生物 化 学 家 有 关 至 少 跟 他 的 工作 无 关 ). 已 知 的 至 少 部 分 在 性 激素 控制 下 的 少 数 几 个 生化 反应 之 一 的 NAD/NADPH, 转 所 作用, 不 属于 生 理学 家 研究 的 领域 . 二 、 能 量 代谢 的 调节 AA. 有 颈 部 甲状 腺 分 刻 一 种 激素 , 这 种 激素 的 主要 功能 似乎 在 于 调节 机 体 的 能 量 代谢 。 甲状腺 有 缺陷 的 人 患 甲 状 腺 机 能 减退 ,这 样 的 人 迟钝 , 醋 睡 ,显得 懒 洋洋 的 ;他 们 体重 增加 ;行动 无 力 。 若是 婴儿 得 这 种 病 , 会 长 得 采 小 , 形 如 侏儒 ， 智力 迟钝 ， 甲状 腺 机 能 亢进 的 人 , 相 比 之 下 显得 瘦削 ,容易 激 动 , 眼睛 凸 出 , 经 常 抽 疯 . 这 两 类 症状 都 与 叫做 “基础 代谢 速 36” (BMR) 的 一 种 功能 有 关 , 基 础 代谢 速率 是 指 一 个 人 在 完 全 体 姑 的 条 件 下 ,消耗 食物 提供 能 量 的 速率 . 甲状 腺 缺陷 会 降低 BMR，, 会 从 100 的 标准 速率 降 到 50 以 下 ; AI OLR 进 会 使 BMR 增加 到 150 以 上 ， 甲状 腺 分 沁 的 激素 叫 甲状 腺 素 ,， 用 于 调节 BMR; 它 是 一 种 含 碘 的 由 酷 氨 酸 衍生 而 成 的 氨基 酸 . 人 体 贮 存 的 全 部 碘 几乎 全 都 被 早 状 腺 用 来 合成 甲状 腺 素 了 . 甲状 腺 素 的 结构 为 : 了 了 | NH I é e 201° 造成 甲状 腺 缺陷 的 另 一 个 原因 是 食物 的 含 碘 量 低 ， 当 一 个 人 不 得 不 长 期 食用 这 种 含 碘 量 低 的 饮食 时 一 一 例如 在 英国 某 些 饮 水 中 含 碘 量 异常 低 的 地 方 就 是 这 样 一 甲状 腺 便 增 大 ， 以 便利 用 所 有 的 碘 . 这 种 情况 在 临床 上 通称 为 甲状 腺 肿 K. 在 孤立 的 生化 系统 中 能 观测 到 确切 作用 的 激素 只 有 少数 几 种 ,其 中 之 一 是 甲状 腺 素 ; 特别 是 人 们 已 经 证 明 , 高 浓度 的 甲状 腺 素 对 线粒体 的 氧化 过 程 有 直接 影响 动物 组 织 在 注射 了 甲状 腺 的 提取 物 或 纯化 了 的 甲状 腺 素 后 ， 对 氧 的 消耗 量 会 增加 , 肝 胜 和 肌肉 尤其 是 这 样 。 同 样 ,把 甲状 腺 素 加 到 相同 器 官 的 组 织 切片 上 , 也 会 增加 氧 的 消耗 量 . 甲状 腺 素 似 乎 是 专 门 封闭 在 线粒体 内 的 ， 它 在 那儿 促进 琥珀 酸 脱 氢 酶 的 活性 . 对 于 甲状 腺 素 的 作用 ,有 一 种 解释 认为 ,在 某 一 方面 它 对 磷酸 化 的 氧化 起 * 解 偶 联 剂 ” 的 作用 。 要 记 住 ,“ 解 偶 联 ?就 是 通过 分 离 使 氧化 磷酸 化 系统 处 于 “空挡 ”状态 的 一 种 方法 。 当 发 生 这 种 情况 时 , 氧化 能 在 不 进行 磷酸 化 的 情况 下 发 生 。 也 许 在 正常 情况 下 , 线粒体 氧化 系统 是 利用 这 一 方法 部 分 “ 解 偶 联 ” 的 ,因此 过 剩 的 食物 能 在 散热 时 燃烧 掉 ， 而 不 用 于 合成 ATP. 在 没有 甲状 腺 素 时 ， 也 许 “ 偶 联 ?程度 较 高 ， 因 此 如 果 不 合 成 ATP， 就 根本 没有 食物 能 被 氧化 ， 用 不 完 的 食物 将 全 部 贮存 “ 起 来 , 机 体 的 BMR 将 放 慢 , 身体 将 发 胖 . 甲状 腺 素 过 剩 会 引 起 相当 大 的 解 偶 联 作用 ， 意 味 着 几乎 所 有 被 吸收 的 食物 都 燃 烧 掉 ,没有 什么 贮存 .机体 的 BMR 升 高 ,体重 减轻 . 甲状 腺 素 究竟 如 何 调节 解 偶 联 作用 ，, 现在 还 不 清楚 也 许 它 是 通过 与 线粒体 膜 的 相互 作用 调节 解 偶 联 的 ， 而 不 是 直 接 与 酶 系统 相互 作用 来 调节 解 偶 联 。 线 粒 体 用 甲状 腺 素 处 理 后 , 其 电子 显 微 图 象 显示 出 特征 性 的 改变 ; 同时 线粒体 变 脆 ， 开始 膨胀 , 胀 得 象 小 气球 一 样 。 据 推测 ,这 些 结果 在 某 些 方面 。 202 « 与 激素 的 活性 有 关 , 因为 膜 发 生 的 这 种 变化 ,一 定 影响 组 成 它 的 酶 系统 。 虽然 这 样 ， 还 应 该 着 重 指出 ,对 于 甲状 腺 素 的 机 制 ， 实 际 上 是 对 于 所 有 其 他 的 激素 的 机 制 ， 有 各 种 各 样 的 看 法 .例如 ,有 人 主张 甲状 腺 素 的 作用 恰恰 与 我 们 所 讲 的 “ 解 偶 联 剂 ”的 作用 相反 ,认为 甲状 腺 素 的 作用 之 一 是 加 速 蛋白 质 的 合成 ， 并 推测 特别 加 速 与 氧化 和 磷酸 化 有 关 的 线粒体 的 酶 的 合成 ,他 们 还 用 了 许多 实验 证 实 自己 的 观点 .倘若 ADP 和 磷 酸 的 浓度 不 限制 氧化 速率 的 话 ,由 于 这 种 酶 的 量 越 来 越 多 , 它 就 可 能 加 快 线粒体 内 的 氧化 速率 ， 三 、 糖 代谢 的 调节 | @ 胰岛 素 . 各 种 各 样 的 激素 都 能 影响 机 体 的 糖 代谢 ; 有 些 激素 由 于 促进 糖 原 的 合成 从 而 增加 糖 的 贮存 ; 另 一 些 激 素 会 加 快 糖 原 的 分 解 速率 和 葡萄 糖 的 氧化 速率 . 这 两 类 激 素 ， 是 在 细胞 的 葡萄 糖 控制 系统 强 有 力 的 武器 库 中 又 多 了 一 些 威力 巨大 的 武器 。 在 这 些 激素 中 ,最 有 名 的 , 最 重要 的 , 人 们 最 不 了 解 的 ,可 能 要 算 胰岛 素 了 . 胰岛 素 这 种 激素 是 我 们 已 经 讲 过 的 第 一 个 测 得 了 完整 氨 基 酸 序列 的 低 分 子 量 蛋白 质 ， 它 是 由 主要 负责 制造 肠 的 消化 酶 的 胰 脏 的 某 些 专门 细胞 分 泌 的 。 缺乏 胰岛 素 (通常 是 由 于 制造 胰岛 素 的 细胞 衰 竟 引起 ) 的 病人 体内 ,有 大 量 的 葡萄 糖 进 人 循环 的 血 流 , 但 是 ,肌肉 和 肝 都 不 吸收 葡萄 糖 来 进行 氧化 或 将 其 转化 成 糖 原 . 未 被 吸收 的 葡萄 糖 最 后 便 进入 尿 中 . A 此 ,尽管 大 量 供给 葡萄 糖 , 病人 还 是 减少 了 糖 代谢 , 机 体 不 得 不 转 而 利用 脂肪 和 和 蛋白质 以 弥补 能 量 的 不 足 (于 是 便 导致 了 脂肪 肝 的 症状 )。 胰岛素 缺乏 症 称 为 糖尿 病 . 加 拿 大 的 班 廷 (Banting) 和 贝斯 特 Best) 在 1921 年 已 能 制备 含 胰岛 素 的 胰 脏 提取 物 , 并 且 证 明 ,把 它 注 射 到 患 有 糖 。203。 尿 病 的 病人 身上 ,可 使 葡萄 糖 被 一 些 组 织 直接 吸收 ,从 而 恢复 正常 的 糖 代谢 SHH, 胰岛 素 过 量 又 会 使 进入 肝 和 肌肉 的 葡萄 糖 量 过 大 ， 致 使 其 他 器 官 ， 特 别 是 脑 实际 上 缺乏 葡萄 糖 ， 在 这 种 情况 下 , 如 果 不 及 时 大 量 地 注射 葡萄 糖 使 其 缓解 ， 便 会 立即 出 现 昏 迷 , 甚 至 死亡 .因此 ,为 避免 胰岛 素 吸 收 得 玉 少 或 太 多 ,胰岛 素 的 制造 量 必 须 保 持 微 妙 的 平衡 . 因此 ,从 生理 学 上 看 ,胰岛 素 的 作用 是 所 有 激素 中 研究 得 最 清楚 的 .， 近 三 十 年 来 , 科学 家 们 极力 寻找 激素 起 作用 的 一 种 特殊 的 生化 部 位 ， 然 而 谈何容易 .尽管 用 肝 或 肌肉 的 惑 片 所 做 的 实验 表明 ， 可 以 在 人 造 系统 中 模拟 激素 在 活 的 有 机 体 内 的 性 状 〈 通 过 这 样 的 切片 能 证 明 胰岛 素 促 进 葡 萄 糖 的 吸 We), 但 直到 现在 还 没有 一 个 人 能 成 功 地 证 明 , 胰岛 素 对 纯化 的 酶 系统 有 什么 作用 . 因此 人 们 认为 ,激素 要 在 完好 的 细胞 里 才能 发 挥 作用 (完好 的 细胞 指 有 全 部 分 隔 隔膜 和 有 组 AW 酶 系统 的 细胞 )。 虽然 已 经 证 明 , 胰 岛 素 对 蛋白 质 和 脂肪 的 合 成 有 影响 ,但 是 较 之 于 对 葡萄 糖 代谢 的 影响 ,这 种 影响 是 次 要 的 ， 最 近 的 研究 有 力 地 指出 ,胰岛 素 根本 不 进入 细胞 ,而 是 与 细胞 膜 的 某 些 成 份 互相 作用 .因此 胰岛 素 的 主要 作用 可 能 是 帮助 调节 葡萄 糖 穿 过 细胞 膜 进 入 细胞 的 速率 ， 然 而 这 个 相互 作用 的 例子 , 却 不 能 说 明细 胞 内 的 一 些 继 发 效应 . (b) 胰 高 血糖 素 ， 胰 高 血糖 素 通 过 活化 激酶 从 而 增加 活 化 磷酸 化 酶 的 量 ( 即 糖 原 分 解 的 限 速 酶 的 量 ) 而 起 作用 .这 一 步 有 一 个 后 续 辅 因子 参加 ， 即 AMP 的 衍生 物 环 状 AMP (CAMP) 的 参加 。 虽然 最 初 证 明 CAMP BT RMR 因子 ， 但 是 目前 已 经 证 明 ， 许 多 其 他 激素 的 作用 也 牵涉 到 CAMP, 看 来 似乎 许多 激素 (其 中 有 胰 高 血糖 素 、 肾 上 腺 素 ， 也 许 还 有 胰岛 素 ) 的 第 一 步 都 是 通过 提高 或 降低 细胞 内 CAMP 的 浓度 而 起 作用 。 这 可 能 是 与 细胞 膜 的 互相 作用 ，, BARA «2046 不 进 大 细胞 ， 但 是 由 于 改变 了 生成 CAMPAY AMP- 环 化 酶 的 活性 ， 便 直接 影响 了 CAMP, 细胞 内 激素 的 继 发 效应 是 由 CAMP 产生 的 ,而 不 是 激素 产生 的 。 这 种 概念 是 最 近 几 年 发 展 起 来 的 ,通称 为 第 二 信使 假说 , 它 对 许多 激素 的 作用 机 制 都 能 以 统一 的 理论 加 以 说 明 . (c) 肾上腺 素 . 另 一 种 影响 糖 代谢 的 激素 是 肾上腺 素 ， 是 机 体 对 新 的 或 可 能 出 现 的 危险 情况 作出 反应 而 分 刻 的 ， 因 此 肾上腺 素 又 称 为 “攻守 ”激素 . 在 它 的 影响 下 , 心脏 跳动 加 快 ,流向 肌肉 的 血液 增多 ,有些 肌肉 开始 收缩 , 还 会 出 现在 身 体 准 备 应付 紧 急 情 况 时 产生 的 胃 收 缩 、 肌肉 紧 张 、 周 身 “ 神 经 紧张 ”. 虽然 肾上腺 素 的 主要 作用 都 与 神经 系统 的 功能 有 密切 关 系 ,但 是 它 至 少 还 有 一 个 重要 的 生化 作用 , 即 促进 肌肉 和 肝 中 糖 原 的 分 解 ， 从 而 增加 用 于 氧化 的 葡萄 糖 和 通过 血 流 向 其 他 需要 葡萄 糖 的 器 官 提供 更 多 的 葡萄 糖 . 这 种 促进 作用 看 来 似 乎 是 按照 非常 类 似 于 我 们 已 讨论 过 的 胰 高 血糖 素 的 作用 机 制 进行 的 ， 活 化 磷酸 化 酶 似乎 按照 逐渐 增加 活化 的 磷酸 化 了 的 磷酸 化 酶 与 钝 化 的 脱 磷酸 磷酸 化 酶 之 间 的 比率 进行 . 这 两 种 激素 之 间 的 差别 ， 还 有 肾上腺 素 和 甲状 腺 素 之 间 的 差别 (甲状腺 素 也 促进 氧 的 消耗 ), 在 于 肾上腺 素 作用 的 应 急性 ;肾上腺 以 突然 喷射 的 形式 释放 肾上腺 素 , 迅 速 改 变 葡 萄 糖 代谢 的 平衡 ,但 是 这 些 效用 会 迅速 减弱 , 因为 肾上腺 素 本 身 很 快 就 被 特有 的 氧化 酶 破坏 ,肌肉 里 尤其 是 这 样 。 甲状 腺 素 、 胰岛 素 和 胰 高 血糖 素 , 具 有 长 期 的 调节 作用 ,肾上腺 素 只 在 突 然 需要 的 地 方 和 时 刻 出 现 并 起 作用 .。 现 将 胰 高 血糖 素 和 肾 上 腺 素 的 作用 总 结 于 图 24 中 . (d) 糖 皮质 激素 . 在 肾上腺 皮质 制备 的 多 种 省 类 激素 中 ,有 一 种 特殊 的 激素 , 在 调节 糖 代谢 中 起 着 重要 作用 , 所 以 。 205° 人 区 -1- 磷 酸 a 磷酸 化 酶 oi BES [= » Mgt* 脱 磷酸 WE AL BS ATP) hei MS RS ERA 图 24 葡萄 糖 代谢 的 激素 控制 称 为 糖 皮 质 激素 . 其 中 最 重要 的 化 合 物 大 概 是 皮质 酮 和 皮质 醇 . 在 化 学 上 ， 这 一 类 化 合 物 的 特征 ， 是 在 当 类 分 子 骨 架 的 11 位 碳 原子 处 有 醇 或 酮 的 氧 原 子 ， 下 面 是 皮质 酮 的 分 子 : CHOH c=0 Cas on Be a ACT AS HS C11 - ft -17- #3 Be eS A) 这 类 激素 的 主要 作用 是 增加 肝 中 的 糖 原 , 同 时 , 当 把 这 类 激素 注射 到 实验 动物 体内 时 ,会 影响 负 须 平衡 , 即 增加 蛋白 质 和 氨 基 酸 的 分 解 。 总 之 ,这 类 激素 的 作用 至 少 是 部 分 地 抵 销 胰岛 素 的 影响 ,所 以 在 正常 的 健康 动物 或 人 体内 , 糖 代 谢 是 由 作用 相反 的 胰岛 素 和 糖 皮 质 激素 共同 控制 的 . 糖 皮 质 激 素 的 作用 是 加 速 糖 原 的 合成 和 蛋 日 质 的 分 解 。 s。 200。 这 个 事实 表明 ， 糖 皮质 激素 是 通过 加 速 氨基 酸 向 糖 的 转化 而 起 作用 的 . 事实 上 , WMA PR 结果 的 研究 已 说 明了 这 一 点 . 现在 已 发 现 , 糖 皮 质 诉 素 能 直 接 使 氨基 酸 的 某 些 分 解 酶 〈 特 别 是 肝脏 的 转氨酶 和 氨基酸 氧 化 酶 ) 的 量 增加 几 倍增 加 这 些 酶 的 活性 , 便 会 增加 氨基 酸 转 化 成 尿素 和 三 羧 酸 循环 的 中 间 物 如 w- 酮 戊 二 酸 的 速率 . 尿 素 被 排泄 掉 了 ，x- 酮 成 二 酸 可 被 氧化 或 通过 我 们 已 经 详细 讨 论 过 的 途径 重新 合成 葡萄 糖 和 糖 原 . 这 些 当 类 化 合 物 怎 样 增 加 转氨酶 和 其 他 有 关 酶 的 量 的 情况 , 坝 在 还 不 请 楚 . 这 可 能 是 与 胰 高 血糖 素 的 活化 作用 类 似 的 一 种 活化 作用 的 结果 . 但 是 有 人 提出 的 另 一 种 看 法 认为 ， 这 些 当 类 化 合 物 实际 上 增加 了 酶 的 合成 ， 此 过 程 与 我 们 已 经 讨论 过 的 微生物 体内 酶 的 诱 导 作 用 相 类 似 . 四 、 盐 平衡 的 调节 我 们 已 经 讲 过 了 ,对 细胞 来 说 ,保持 钠 、 钾 、 钙 和 其 他 离子 的 适当 浓度 是 相当 重要 的 .机 体 作为 一 个 统一 整体 , 竭力 保 振 合 适 的 浓度 , 以 保证 循环 的 血 流 中 的 离子 的 成 份 便 定 . 做 到 这 一 点 的 办 法 ,是 除去 不 需要 的 物质 ,主要 是 通过 时 过 滤 和 处 理 血 , 再 通过 尿 把 过 剩 的 和 不 需要 的 物质 排泄 掉 . 用 这 种 方法 除 掉 的 主要 物质 之 一 是 含 氮 的 氮 , 以 尿素 的 形式 排泄 掉 . 但 是 尿 中 除 含 有 废物 和 水 外 ， 还 含有 一 些 有 机 物 和 多 少 不 等 的 许多 无 机 物 。， 有 些 激 素 能 调节 受 肾 影响 的 保留 量 和 排除 量 之 间 的 平衡 . 垂体 的 抗 利尿 激素 控制 以 尿 的 形式 排泄 的 水 量 。 盐 弃 质 激素 是 另 一 类 肾上腺 皮质 激素 ， 即 著名 的 11- 脱 ASRS (DOC), 它 能 帮助 减少 钠 离 子 , 氯 离子 和 碳酸 氢 根 离子 (Nat, cl，HCO; ) 的 排泄 ,帮助 增加 钾 离 子 和 磷酸 一 氢 根 离子 (K*,HPO,~) 的 排泄 ， 甲 状 旁 腺 分 刻 的 激素 甲状 。207。 ram =O 11- 脱 氧 皮质 当 © | 旁 腺 素 , 能 促进 钙 离 子 和 磷酸 一 氧 根 离子 (Ca** 和 HPO, ) 的 排泄 , 主要 用 于 排泄 机 体内 的 磷酸 怖 一 一 骨骼 。 所 有 这 些 BAA ASEM AE FAW ARE RA PF AA BY, REP ARAMARK. Soo 此 ,有 关 的 专门 生化 机 制 还 远 远 没有 搞 请 楚 . 五 、 蛋 白质 代 谢 的 调节 许多 激素 能 间接 影响 蛋白 质 代谢 例如 , SERA 进 糖 原 合成 的 糖 皮质 激素 一 样 ， 通 过 消耗 蛋白 质 和 氨基 酸 的 方式 使 机 体 处 于 负 氮 平衡 状态 ,从 而 间接 影响 蛋白 质 的 代谢 ， 同样 ,在 缺乏 胰岛 素 时 ,身体 就 要 求 通过 消耗 除 糖 以 外 的 物质 来 提供 能 量 , 这 就 促进 了 蛋白 质 分 解 代 谢 ; 而 胰岛 素 过 剩 时 情 况 则 相反 。 但 是 这 些 偶 然 现象 对 蛋白 质 代 谢 的 影响 并 不 是 主 要 的 。 与 调节 蛋白 质 合成 的 关系 最 直接 的 激素 , 叫做 生长 激 素 , 它 是 一 种 垂体 蛋白 质 。 它 是 婴儿 和 青少年 的 正常 发 育 所 不 可 缺少 的 , 缺 了 就 会 患 垂 体 性 侏儒 症 ; 要 注意 这 些 侏儒 患者 与 呆 小 症 者 不 同 , 他 们 在 智力 上 根本 不 受 妨碍 ,而 是 简单 的 减 少 大 小 ,身高 只 能 达到 3 至 4 英尺， 同时 , 在 青少年 时 期 , 生 长 激素 分 泌 量 过 多 则 会 患 巨人 症 ， 身 高 可 长 到 7 至 8 英尺 . 虽然 一 生 都 在 分 这 生长 激素 ， 但 是 它 的 作用 在 发 育 很 快 的 婴 儿 时 期 最 为 明显 ; 在 青春 期 后 , 它 的 活性 似乎 已 降低 ,大 概 是 ee 208。 ae a 其 他 激素 抵 销 了 它 的 活性 . 生长 激素 在 青少年 时 期 的 作用 ， 可 以 通过 一 个 实验 来 说 明 。 我 们 利用 鼠 作 实 验 , 将 其 垂体 摘 除 , 每 天 注射 0.01 毫克 这 样 少 的 生长 激素 , 连续 注射 九天 , 结 条 它 的 体重 竟 会 增加 10 克 . 虽然 对 生长 激素 作用 的 生化 机 理 尚 未 弄 清 楚 ， 但 是 有 人 提出 , 它 的 作用 大 概 是 通过 CAMP 增加 DNA 和 核糖 核 蛋白 体 的 RNA 的 合成 。 还 有 资料 证 明 它 直接 提高 了 在 核糖 核 蛋 FALARE A RAS. BAUMAN, 某 些 激 素 能 改变 一 些 特殊 蛋白 质 的 合成 速率 . 人 们 对 这 种 说 法 产生 了 极 大 的 兴 趣 . 这 样 的 激素 (特别 是 性 激素 , 一 些 省 类 激素 , HAAR 状 腺 素 ) 可 以 看 作 细 菌 体内 的 “诱导 物 一 样 的 东西 ,能 够 启动 负责 一 些 “ 激 素 作用 的 特殊 酶 的 生产 .这 种 设想 认为 ,负责 合 成 特定 酶 的 基因 是 存在 的 , (HEA AR CHET” ) 一 一 大 概 是 因为 被 组 蛋 白 包围 着 的 缘故 .激素 的 作用 是 消除 包围 基因 的 组 蛋白 ,从 而 把 它 打 开 `。. 于 是 这 个 基因 合成 一 个 适 当 的 信使 RNA DT, 信使 RNA 分 子 又 移 到 核糖 核 蛋 日 体 上 开始 合成 新 的 酶 . 有 一 些 这 方面 的 证 据 ,， 例 如 雌 激 素 确实 能 使 负责 在 核 的 DNA 上 合成 信使 RNA 分 子 的 酶 的 活化 , 并 使 新 合成 的 信使 RNA 也 活化 . 然而 这 些 是 否 就 是 这 类 激素 的 主要 作用 呢 , 现 在 还 不 知道 . 六 、 其 他 激素 的 调节 作用 我 们 已 经 讲 了 知 干 种 激素 产生 的 各 种 各 样 的 调节 作用 ， 这 些 互相 之 间 的 作用 能 改变 细胞 的 许多 重要 活性 . 有 几 种 激 素 起 的 作用 是 彼此 矛盾 的 ， 细 胞 最 后 的 状态 必然 取决 于 它们 共同 作用 的 结果 和 每 种 激素 的 相对 量 。 一 种 激素 过 量 或 不 足 都 可 能 造成 严重 的 后 果 , 例如 畸形 、 疾 病 ` 昏 迷 或 死亡 .很 显 然 , 健 康 的 机 体内 ， 一 定 有 一 些 调 节 调 节 剂 的 方法 , 以 保证 每 es 209 。 种 激素 的 量 都 恰如其分 地 满足 整个 动物 体 代 谢 的 要 求 . 这 种 调节 作用 通过 简单 的 呼吸 方法 就 可 以 达到 .由 于 每 种 激素 本 身 就 是 特殊 的 内 分 这 器 官 的 生物 合成 途径 的 产物 ， 所 以 它们 在 血 流 中 的 量 是 受 当 时 合成 速率 的 大 小 控制 的 .而 几乎 所 有 的 主要 激素 的 合成 速率 (胰岛 素 是 一 个 例外 )，, BS 另 一 些 由 垂体 合成 的 激素 的 控制 。 垂体 合成 一 组 肽 激素 , 肽 激素 以 机 体 的 另 一 些 内 分 沁 腺 为 靶 器 。 这 些 较 高 水 平 的 第 二 级 激素 叫做 促 激素 ,包括 促 甲状 腺 激素 、 促 肾上腺 皮质 激素 和 促 性 腺 激素 ， 每 种 促 激素 均 具 有 促进 各 相应 腺 体 合成 和 分 这 主要 激素 的 性 质 . 但 是 在 这 里 可 能 陷 人 危险 的 境地 .垂体 激素 的 合成 又 由 什么 调节 呢 ? 我 们 不 得 不 没完 没 了 地 追溯 各 种 激素 , BAT 我 们 以 前 在 酶 的 问题 上 陷 人 的 那 种 困境 吗 ?” 对 这 个 间 题 的 回 答 分 两 点 ,这 两 点 表明 机 体 发 展 起 来 的 调节 机 制 是 多 委 完 美 ! 垂体 本 身 处 于 脑 的 底部 ， 因 而 至 少 是 部 分 地 处 于 神经 的 控制 之 下 . 第 二 点 , 实验 表明 , 合成 促 激素 本 身 的 速率 ,取决 于 它 们 的 靶 腺 体 激素 的 浓度 . Alb, 甲状 腺 素 的 存在 会 抑制 促 甲 状 腺 激素 的 合成 ， 促 甲状 腺 激素 则 会 促进 甲状 腺 素 的 合成 . 这 一 过 程 尽 管 最 终 是 在 脑 的 高 级 控制 下 ， 但 还 可 看 成 是 一 个 反馈 回路 ( 见 图 25). 因此 激素 的 合成 形成 了 一 个 自 调 节 系 统 , 它 高 效 、 简 单 ,足以 使 控制 学 家 满意 . 这 一 章 一 开始 ， 我 们 就 考虑 在 不 祈求 活 的 生物 有 特殊 性 质 时 是 否 可 以 解释 细胞 适应 外 部 环境 变化 的 能 力 。 我 们 曾 利 用 有 关 化 学 、 物 理学 的 简单 定律 和 控制 论 的 一 些 逻 辑 方 法 ,把 细胞 描述 成 一 个 自动 器 .但 是 我 们 已 经 认识 到 不 能 再 认为 细 胞 是 孤立 的 了 ,必须 把 它 看 作 是 有 机 体 的 一 部 分 ,为 了 整个 机 体 健康 而 繁忙 地 执行 着 特殊 的 任务 。 这 就 意味 着 必须 考虑 机 体 本 身 与 单个 细胞 的 代谢 是 如 何 互相 影响 的 ， 机 体 是 如 何 控 。 210° 2 制 单个 细胞 的 代谢 的 . 这 种 情况 导致 了 本 章 后 半 部 分 关于 激 素 的 讨论 。 我 们 证 明了 激素 也 可 看 作 是 以 自 调 节 机 制 起 作 用 ,以 保证 有 机 体 作 为 一 个 整体 顺利 发 挥 作用 ， Boi HE 甲状 腺 促 甲 状 腺 激素 ; 刺激 ©6999 ess na sn 图 25 激素 合成 的 激素 反馈 控制 在 研究 激素 的 过 程 中 ， 我 们 已 开始 离开 了 我 们 自己 最 初 提出 的 任务 , 即 说 明 单个 动物 细胞 的 化 学 成 份 及 其 作用 ， 在 详细 研究 细胞 的 调节 作用 时 ,我们 发 现 , 对 于 细胞 来 说 , 还 必 须 芳 虑 外 界 环 境 即 整个 的 机 体 的 情况 如 何 。 既 然 我 们 已 经 开 始 对 整个 机 体 的 生化 情况 进行 概述 ， 就 有 必要 进一步 来 讲 这 些 问 题 了 。 对 于 细胞 来 说 , 它 的 外 部 环境 是 由 机 体 提供 的 ,机 体 本 身 的 自动 平衡 系统 维持 体内 成 份 的 恒定 ， 因 而 也 就 使 细 胞 能 作为 整个 统一 体 的 一 部 分 活 下 来 .如果 这 种 环境 变化 太 大 ,细胞 便 会 迅速 死亡 . 但 是 机 体 还 有 一 个 外 部 环境 ， 这 个 环境 远 不 是 温暖 黑暗 的 孕育 细胞 的 环境 ,而 是 一 个 温度 、 温度、 密度 等 都 迅 度 变化 的 弱肉强食 的 环境 ,在 这 个 环境 里 ,食物 并 不 是 通过 流 得 很 快 PYM LMI, 必须 用 技术 去 艰难 地 搜寻 和 猎取 .机 体 需要 维持 体内 平衡 ,但 是 为 了 做 到 这 一 点 ,就 不 得 不 改变 周转 环境 的 不 平衡 系统 . 要 造成 适宜 的 环境 ， 就 必须 改变 环境 。 如 采 温 度 变 了 ,机 体 为 了 使 这 种 变化 逆转 ,就 必须 把 自身 的 各 s。211。 部 分 组 织 起 来 , 对 周围 环境 加 温 或 移 到 有 掩蔽 的 地 方 ， 为 满 足 机 体内 部 无 止境 的 需求 ， 机 体 必 须 不 断 寻 找 食物 、 空 气 和 水 .在 这 种 寻找 过 程 中 , 一 种 生物 必然 与 其 他 的 生物 发 生 不 可 避免 的 斗争 ; 这 些 生 物 也 是 为 了 满足 内 部 的 要 求 而 进行 斗 争 的 .要 对 周围 世界 发 挥 作用 ,就 需要 机 体 在 生化 和 生理 上 更 加 高 度 地 统一 。 如 果 要 达到 生物 化 学 家 的 目标 , 即 从 物理 和 化 学 的 角度 来 解释 活 的 有 机 体 的 全 部 行为 ， 我 们 现在 就 必 须 转 而 研究 这 个 高 度 统 一 的 问题 了 。 ©2126 = 第 十 一 章 细胞 的 作用 就 机 体 对 周围 环境 的 作用 来 说 ,需要 有 三 种 能 力 。 BE, 它 必 须 具 有 接受 外 部 刺激 的 能 力 ， 使 机 体能 根据 外 部 刺激 估 计 在 空间 的 位 置 和 与 其 他 物体 的 关系 ; 它 必须 能 看 、 能 听 、 能 WA .能 知道 食物 和 感觉 危险 等 , 也 就 是 说 , WAAR. BX 些 感觉 器 官 ， 第 二 ,为 了 达到 一 定 的 目的 ,如 获得 食物 或 避免 危害 , 它 必 须 具 有 完成 有 目的 运动 的 能 力 (这 种 运动 是 由 肌肉 实现 的 )。 第 三 , 它 必 须 具 有 能 协调 对 外 界 刺激 的 感觉 与 肌肉 活动 之 间 的 关系 的 能 力 一 一 这 是 脑 和 中 枢 神 经 系统 的 任务 。 我 们 用 一 个 简 图 (图 26) 来 概括 这 种 三 角 关 系 . 我 们 知道 ， 人 的 各 种 感受 器 、 四 肢 和 脑 等 这 些 专 用 的 器 官 , 在 人 体内 占 了 相当 大 的 百分比 . 只 有 依靠 这 些 器 官 的 作 用 ,人 才能 有 意识 地 生活 ; 我 们 满足 于 通过 神经 、 激 素 和 调节 剂 等 的 作用 有 意 或 无 意 地 保持 内 环境 稳定 这 些 专门 的 器 官 要 完成 其 任务 , 同样 需要 专门 的 生物 化 学 成 份 。 这 种 专门 的 生物 化 学 反应 ,大 部 分 都 与 能 量 和 信息 的 转变 \ 传 递 的 方法 有 关 。 这 些 感受 器 必须 将 得 到 的 光 、 热 或 声波 等 信息 转变 成 能 通过 神经 传递 到 脑 的 信息 。 脑 一 定 要 处 理 这 种 信息 来 达到 两 个 目的 : 第 一 ,把 一 组 直接 指令 迅速 发 送 给 肌肉 ; 第 二 , 永久 贮存 或 记忆 这 些 信 息 ,留待 以 后 帮助 决定 机 体 的 活动 .最 后 ， 肌肉 要 通过 收缩 和 放松 的 方式 识别 并 回答 从 脑 发 送 来 的 信 息 . 肌肉 必须 在 收缩 过 程 中 做 机 械 功 ; 要 做 功 就 需要 有 能 源 . 到 现在 , 我 们 已 不 难 讲 出 生物 化 学 家 的 问题 了 ;我们 在 * 213° 这 些 器 官 中 观测 到 了 哪些 能 说 明 其 生理 作用 的 专门 的 化 学 特 性 呢 ? 这 是 一 个 伴随 生物 化 学 而 出 现 的 问题 ,已 存在 很 长 时 间 了 了 :无论 什么 时 候 , 甚至 在 下 班 以 后 , 生物 化 学 家 都 在 谈论 这 Aa. 最 后 , 我 们 完全 是 通过 生命 对 周围 的 无 生命 环境 的 作用 能 力 认 识 了 生命 . 生物 化 学 分 析 不 能 仅仅 停留 在 说 明 机 体 作 为 自 调节 的 内 环境 稳定 体系 是 如 何 组 成 《 即 生命 在 一 瞬 间 内 不 变 的 组 成 ,如 何 起 作用 的 ;从 长 远 来 看 ,我 们 还 必须 研 究 机 体 与 外 甸 关 系 在 生物 化 学 上 的 主要 原因 。 脑 (协调 器 ) 效应 器 官 图 26 肌肉 ,神经 和 脑 事实 上 ,关于 神经 ` 肌 肉 \ 大 脑 方面 的 生理 和 生化 情况 ,我 们 已 经 知道 得 很 多 了 , 由 于 篇 幅 的 限制 ,许多 问题 都 不 能 拿 到 本 书 内 来 讨论 . 例如 ， 我 们 不 得 不 略 去 有 关 感 觉 器 官 如 眼 的 特殊 感受 器 细胞 的 生物 化 学 问题 ， 只 讨论 肌肉 和 神经 的 一 些 ©2146 至 关 重 要 的 特性 . I 肌 - 内 典型 的 骨骼 肌 ( 即 随意 肌 ), 是 负责 四 肢 和 机 体 运 动 的 ,由 一 束 长 的 肌纤维 组 成 , 每 条 纤维 直径 达 0.01 厘米 ， 纵 贯 肌 的 全 长 . 骨骼 肌 的 两 端 分 别 由 妥 连 到 负责 运动 的 骨骼 或 妖 官 上 .这些 肌 纤维 可 收缩 到 松弛 时 长 度 的 百 分 之 六 十 , 收缩 时 牵动 与 之 相连 的 骨骼 , 便 发 生 运 动 . 在 显微镜 下 可 以 看 到 ,每 条 纤维 又 由 一 东 长 长 的 并 排 的 原 纤 维 组 成 ， 原 纤维 的 直径 约 为 0.0001 BK. 这 些 原 纤 维 含 有 收缩 性 的 肌 质 . 跟 其 他 细 胞 一 样 ,这些 原 纤维 也 有 细胞 核 、 线 粒 体 ,微粒 体 和 细胞 膜 ,但 是 利用 显微镜 观察 时 ,很 难 察 觉 这 些 , 看 到 的 只 是 一 根 又 长 又 细 的 有 条 纹 的 管子 。 这 些 条 纹 是 骨骼 肌 原 纤维 最 显著 的 特 点 ;条 纹 的 方向 与 原 纤维 的 纵向 成 直角 ,彼此 间 呈 现 有 规律 的 间隔 , 象 一 个 交通 标示 柱 上 的 黑白 相间 的 标志 一 样 ,而 且 相 邻 的 原 纤维 的 条 纹 全 是 平行 的 ,因此 ,这 些 条 纹 看 来 好 象 一 直 穿 过 了 整个 肌纤维 . 比 起 某 些 平滑 肌 来 说 , 这 些 横 条 纹 是 骨骼 肌 独 有 的 特性 ; 平 消 肌 通 常 不 受 主 观 意识 的 控制 ,然而 却 负 责 i BARE. 用 高 倍 显 微 镜 观 察 这 些 管子 时 ， 可 分 辨 出 明暗 相间 的 条 纹 , 形 成 复杂 而 有 规律 的 花样 , 如 图 27 Pro. 显微镜 专家 把 这 些 条 带 叫 做 工 带 ( 亮 ) 和 和 A 带 ( 暗 ), H 区 (在 暗 A 带 中 间 的 较 亮 的 区 域 ) 和 2Z 线 . 在 每 一 对 Z 线 间 的 部 分 是 一 个 单位 ,叫做 肌 节 ,内 有 一 条 A 带 ,两 条 半 I 带 和 一 条 2Z 线 .每 一 个 单位 的 长 度 还 不 到 0.0002 BK, 因此 ， 每 一 个 原 纤 维 要 有 数 千 个 首 尾 相 联 的 肌 节 . 当 使 用 放大 倍数 更 高 的 电子 显微镜 观察 时 ,可 以 看 出 A 带 和 I Hee, FRAN ER SRA 的 轴线 平行 。A 带 是 暗 的 ,因为 它 的 纤维 较 粗 ;而 工 带 则 是 由 "215。 __{a) (b) eaesessce ssstas == 3 —— 0:84 >|<—— 1-5, —— <0 8. | Cd) WG | 图 27， 在 不同 放大 倍数 下 的 肌肉 细 得 多 的 纤 丝 组 成 的 . 仔细 观察 时 可 看 到 ，I HAZ A 了 A 带 , 填 满 了 A 带 的 粗 纤维 之 间 的 空隙 ,形成 纵 切 面 有 规律 的 结构 .在 插入 区 , 每 条 I 带 细 纤 维 由 A 带 的 三 条 粗 纤维 包 围 着 ， 而 A 带 的 每 条 粗 纤 维 又 由 六 条 工 带 的 细 纤 维 包 国 着 . I 纤维 在 未 播 到 A 带 的 中 心 时 就 停止 了 ， 所 以 A 带 的 浅 色 的 H 区 ,事实 上 是 只 有 粗 的 A 纤 维 的 区 域 UA 28). 精细 的 观 察 表明 , 每 条 I 纤 维 在 插 进 A 带 的 地 方 , 通过 极 细 的 ,毛发 状 的 交 联 与 A 纤 维 连 在 一 起 ( 苑 照片 6). 当 肌 肉 收缩 时 ， 在 显微镜 下 看 到 的 情况 是 纤维 本 身 的 长 度 不 变 , 但 细 的 工 纤 维 更 次 地 滑 人 了 粗 的 A 纤 维 之 间 的 间隙 ， ”216， 图 28 高 倍 放大 的 肌纤维 在 肌 原 纤维 中 纤 丝 的 排列 。A: 纵 剖面 。B 和 C: 横 剖面 显示 出 粗 、 细 的 纤 丝 直至 把 百 区 填 满 为 止 ; 当 互 区 被 填 满 时 ,也 就 达到 了 收缩 的 极 限 . 结果 是 工 带 似乎 不 见 了 , A 带 仍旧 保持 不 变 , 肌 小 节 的 两 条 界线 (Z 线 ) 向 中 心 区 紧缩 . 因此 ,肌肉 收缩 的 机 制 似乎 需要 两 种 互相 联 锁 的 纤维 , 当 纤维 请 到 一 起 时 ,就 发 生 收 缩 , 当 它 们 离开 时 , 就 松弛 . 肌 收 缩 实 际 上 很 象 望 眼镜 收拢 , MARSH Ase. 有 关 有 内 的 看 法 ， 生 物化 学 家 与 显微镜 专家 或 生理 学 家 有 什么 不 同 呢 ? 科学 家 们 早 就 知道 , 纤维 的 收缩 元 几乎 完全 是 由 蛋白 质 组 成 的 . 开始 ,人 们 认为 只 由 一 种 蛋白 质 组 成 ,这 种 蛋白 质 叫 做 肌 球 蛋白 ;后 来 人 们 发 现 , 实 际 上 至 少 是 由 两 种 主要 的 蛋白 质 组 成 的 : 即 由 肌 球 蛋白 本 身 ( 占 总 蛋白 质量 的 54 多 ) 和 肌 动 蛋白 ( 占 20 色 ) 组 成 。 肌 球 蛋 白 是 一 种 大 蛋白 质 《分 子 量 约 500,000)， 而 肌 动 蛋白 则 只 有 前 者 的 九 分 之 一 重 ， 而 且 以 G 肌 动 蛋白 和 FF 肌 动 蛋白 这 两 种 互 变 的 蛋白 存在 .这 些 蛋 白 都 能 分 别 从 肌肉 中 提取 出 来 ， 并 能 证 明 这 两 类 分 子 都 是 长 纤维 状 . 此 外 , 肌 球 蛋白 有 一 个 显著 的 性 质 , 就 是 它 能 在 受到 挤 压 的 情况 下 通过 喷嘴 ,形成 长 的 人 造 纤维 (其 过 程 类 似 。 217。 于 人 造 丝 的 制造 )， 当 肌 动 蛋白 和 肌 球 蛋白 一 起 受 挤 压 时 , 便 形成 一 种 叫 肌 动 球 蛋 白 的 复合 纤维 。 匈牙利 人 斯 特 劳 布 CC. Straub) 和 斯 任 特 - 戈 吉 在 1942 年 发 现 ,如 果 把 肌 动 球 蛋白 纤 MESA ATP 和 适量 盐 的 溶 流 中 , 它 便 会 自发 地 收缩 , 同 时 使 ATP 脱 去 磷酸 。 而 肌 球 蛋白 和 肌 动 蛋白 却 没 有 这 种 性 质 . 人 们 在 震 干 年 前 已 知道 ， 在 肌肉 持续 收缩 的 时 候 ，ATP 和 磷酸 肌 酸 会 分 解 ， 释 放出 ADP 和 无 机 磷酸 。 就 是 在 二 十 世纪 三 十 年 代 初 期 用 肌肉 作 的 这 些 观察 ， 导 致 了 在 生物 化 学 反应 中 对 高 能 磷酸 的 作用 的 认识 。1933 年 , 莫斯科 的 恩格尔 哈 德 (Engelhardt) 指出 ， 在 有 机 球 蛋 白 存在 的 情况 下 ，ATP 被 迅速 分 解 成 ADP 和 无 机 磷酸 。 因 此 , 肌 球 蛋白 似乎 起 ATP 酶 的 作用 。 很 清楚 , 这 些 观测 结果 必然 以 某 种 方式 与 肌肉 收 缩 的 解释 发 生 联 系 . 因此 ,甚至 二 十 年 前 ,生物 化 学 家 就 认为 自己 跟 肌 肉 将 化 学 物质 转化 成 机 械 功 的 机 制 的 核心 问题 关系 但 是 ,只 有 电子 显微镜 出 现 后 ,人 们 才能 把 生物 化 学 的 结 果 与 显微镜 观测 的 结果 明确 地 联系 起 来 。 尔后 的 理论 解释 工 作 , 绝 大 部 分 是 由 英国 的 H.E. 赫 克 斯 利 〈H.E. Huxley) 和 A.F. 赫 克 斯 利 〈A.F. Huxley) 及 其 同事 作出 的 .根据 目前 的 看 法 ,与 肌 球 蛋白 和 肌 动 蛋白 这 两 种 蛋白 质 对 应 的 ,有 两 种 不 同类 型 的 肌 纤 丝 ， A 带 的 粗 纤 丝 是 由 肌 球 蛋白 组 成 的 ，1 带 的 细 纤 维 是 由 肌 动 蛋白 组 成 的 . 当 肌 肉 处 在 收缩 状态 时 ， 在 电子 显微镜 图 象 上 可 以 看 到 一 系列 细微 的 交 联 , 每 间隔 150A 弃 右 有 规则 地 出 现 ,它们 把 两 种 蛋白 质 连 接 成 肌 动 球 蛋 白 复合 体 . 随 着 肌肉 的 收缩 , A 带 和 1 工 带 的 纤 丝 互相 插入 , 交 联 迄 速 地 交替 断 开 又 连 上 . ATP 就 是 负责 断 开 交 联 的 , 断 开 即 是 使 © 218。 在 这 种 或 另 一 种 蛋白 质 上 的 交 联 自由 悬空 。 当 自由 悬空 时 ， 它们 便 会 发 生 摆动 , 直到 找到 一 个 新 的 连接 点 为 止 ， 下 一 个 交 联 是 在 另 一 根 纤 丝 上 进行 连接 的 . 接着 它们 逐渐 变 直 , 于 是 两 条 纤 丝 彼此 互相 交叉 地 拉 着 ， 直 到 它们 之 闻 的 交 联 重文 变 成 直角 为 止 . 在 这 个 新 的 位 置 上 ,在 新 的 ATP 分 子 到 来 再 次 断 开 交 联 之 前 ,它们 是 稳定 的 ,不 能 回 滑 .。 交 联 的 这 种 交 蔡 连 上 和 断 开 的 整个 过 程 , 正 象 拉 开 和 拉 上 拉链 一 样 . 在 整个 收缩 期 间 , 随 着 纤 丝 相互 滑动 , 每 个 交 联 重复 断 开 和 连 上 , 许 多 ATP 分 子 分 解 。 肌肉 处 在 休息 状态 时 ， 存 在 的 ATP 使 交 联 永久 断 开 , 肌肉 松弛 .整个 过 程 见 图 29. ste ae : ATP ATP_>ADP+P ADP 图 29 ” 肌 收 缩 一 一 滑动 纤 丝 模型 在 肌纤维 中 的 交 联 排列 ， 设 计 得 使 粗 纤 丝 能 依靠 一 种 棘 爪 的 作用 拉动 细 纤 丝 .。 图 中 所 示 是 两 条 粗 纤 丝 夹 着 一 条 细 纤 丝 。 交 联 一 端 连接 在 粗 纤 丝 上 ， 另 一 端 交替 地 与 细 纤 丝 连 接 和 断 开 * 同 时 使 其 移动 . 虽然 有 关 肌 肉 作用 的 这 种 模型 有 相当 多 的 证 据 ， 但 是 也 许 还 应 着 重 指出 ,这 还 仅仅 是 一 种 模型 ,尤其 是 在 具体 的 化 学 条 件 下 ， 有 关 交 联 如 何 交替 断 开 和 连 上 的 证 据 还 是 十 分 缺乏 的 . 就 是 由 于 这 个 原因 , 有 人 提出 了 基于 纤 丝 组 织 及 其 运动 中 的 长 程 电力 作用 理论 的 模型 , 用 以 取代 滑动 纤 丝 模型 ， 在 这 些 模型 中 , ATP 的 作用 眼 其 作为 聚 阴离子 的 特殊 结构 及 性 质 的 关系 ， 超 过 了 ATP 在 分 解 肌 动 球 蛋白 反应 上 所 起 的 作 FA. 这 是 一 个 ATP 的 化 学 能 转变 成 肌肉 收缩 的 机 械 能 的 过 219 。 程 , 其 详细 情况 还 有 许多 争论 , I 神 经 在 人 工 系统 中 ， 利 用 直接 的 刺激 ， 通 常 是 利用 温和 的 电 击 ， 可 以 使 肌肉 收缩 . 在 活 的 动物 体内 ,这些 刺 激 是 通过 神 经 传导 的 。 体内 的 任何 一 个 随意 肌 , BAM wat See 经 ; 这 些 神 经 的 作用 , 是 把 指令 传递 到 它们 直接 控制 的 肌肉 。 跟 肌 肉 一 样 ,神经 干 也 是 由 许多 较 小 的 神经 纤维 组 成 的 ;在 下 文 我 们 将 用 神经 这 个 词 来 表示 一 根 单独 的 神经 纤维 .神经 纤 维基 本 上 是 一 根 长 管 , 它 将 神经 细胞 (通常 位 于 脑 和 着 骨 内 ) 的 顶端 与 肌肉 连接 起 来 . 这 个 管子 即 轴 突 , 事实 上 是 一 个 拉 长 了 的 单 细胞 的 一 部 分 , 包 着 它 的 脂肪 物 ( 散 磷脂 ) 是 一 个 保 PE, 它 象 电缆 的 绝缘 橡胶 包 襄 着 金属 丝 一 样 。 我 们 将 会 看 到 , 它 具 有 与 绝缘 橡胶 完全 相同 的 功能 . 在 神经 轴 突 的 顶部 是 神经 细胞 体 (神经 元 ), 它 是 一 个 大 的 萎 形 隆起 ， 内 含 常见 的 全 部 细胞 器 : 核 、 线 粒 体 和 微粒 体 ( 见 照 片 1)。 这 个 细胞 体 与 轴 突 相 比 是 很 大 的 ， 在 轴 突 的 一 端 象 个 太刀 苹果 一 样 . 轴 突 的 下 端 与 肌 细 胞 相 接 , 在 此 处 为 了 形成 宽阔 的 基底 与 肌 细胞 紧 紧 相连 , 它 又 稍 加 散 开 ,结果 与 肌 细 胞 有 了 相当 大 的 接触 面积 . 两 个 细胞 间 的 这 一 接触 部 位 ,叫做 肌 神 经 结合 区 .神经 生 理学 家 把 这 种 结合 命名 为 突 触 。 象 通常 发 生 的 情况 那样 ,如 果 脑 或 脊 伐 跟 肌肉 之 间 相 距 太 远 ,一 个 轴 突 不 能 伸展 到 头 ,只 伸 到 其 间距 的 一 半 ， 由 脑 伸 出 来 的 神经 便 与 第 二 个 神经 的 细 胞 体形 成 一 个 突 触 , 这 个 轴 突 通过 剩 下 的 距离 直达 肌肉 。 我 们 将 会 看 到 ,两 个 神经 细胞 之 间 的 突 触 ,不 仅 是 长 距离 传递 信 号 的 手段 ,而 且 是 修改 由 脑 传 下 来 的 指令 信息 的 一 个 修改 点 ， 在 这 里 把 一 些 附加 因素 考虑 进去 。 由 脑 来 的 信息 穿 过 第 一 神 © 220 。 经 和 第 二 神经 之 间 的 突 触 ,继续 向 下 传递 ,经 第 二 神经 传 到 神 经 肌 突 触 ,在 这 里 引起 肌肉 收缩 .总 之 ,在 必须 把 信息 从 神经 系统 的 一 部 分 传 到 另 一 部 分 时 ， 就 借助 于 突 触 来 传递 信息 。 一 个 类 似 的 系统 是 把 感觉 器 官 (例如 眼 和 耳 ) 的 信息 传 到 脑 ; 在 脑 内 有 许多 突 触 把 许多 神经 细胞 互相 连接 起 来 。 这 样 , 信 息 就 能 在 相当 长 的 距离 上 迅速 地 传递 到 许多 不 同 的 神经 细胞 或 肌肉 ( 见 图 30). 信息 到 达 二 连接 第 二 神经 细胞 体 ， 并 连接 能 修改 突击 点 信息 的 其 他 神经 细胞 体 图 30 脑 的 最 高 级 的 部 位 大 脑 皮 质 内 有 数目 极 大 的 神经 细胞 (¥J 10,000,000,000 ) ,每 一 个 神经 细胞 可 以 形成 与 其 他 神经 细 胞 相 接 的 10,000 个 突 触 点 。 这 种 互相 之 间 的 连接 点 这 样 多 ， 说 明 脑 在 协调 、 比 较 和 控制 感觉 事 官 和 肌肉 的 活动 上 和 在 学 习 经 验 上 具有 惊人 的 能 力 ， 脑 内 连接 神经 细胞 的 这 个 巨大 阵 列 ; 具 有 超过 任何 单个 神经 细胞 行为 的 特性 , 恰 如 一 全 计算机 的 活动 能 力 ， 超 过 了 组 成 它 的 任何 一 个 晶体 管 和 磁带 的 活动 能 力 一 样 . 由 于 这 些 细胞 的 性 质 反 映 出 的 问题 那样 吸引 人 ， 我 们 在 这 里 不 得 不 扼要 地 谈 一 谈 。 作为 生物 化 学 家 , BIE 意 的 是 单个 细胞 的 行为 ,以 后 才 是 大 量 细胞 的 总 行为 ;甚至 我 们 在 这 个 水 平 上 对 神经 细胞 进行 的 摘 述 ， 显 然 已 足以 成 为 详 细 研 究 的 根据 . © 221。 神经 细胞 的 基本 功能 有 三 个 在 太刀 苹果 的 头 部 ,细胞 体 要 接受 与 其 成 突 触 连接 的 其 他 神经 细胞 输入 的 信息 并 作出 反应 .这些 信息 要 沿 轴 突 迅速 向 下 传递 ,最 后 ,在 轴 突 的 底部 穿 过 细胞 膜 传递 到 突 触 另 一 边 的 神经 或 肌肉 细胞 近 十 多 年 来 ,这 三 步 过 程 中 大 量 的 生物 化 学 机 制 已 得 到 阐明 . 我 们 要 了 解 的 这 个 过 程 中 的 最 简单 的 部 分 ， 是 沿 神经 轴 突 本 身 传递 信息 的 方法 . 我 们 曾 说 过 , 神经 纤维 外 面 囊 着 一 层 脂 肪 , 象 一 根 绝 缘 电 缆 . 这 种 说 法 在 这 儿 显 然 就 很 有 用 场 了 . 事实 上 ,信息 是 在 神经 细胞 体 轴 突 出 现 的 地 方 开始 ,以 电 DIA FZ Bg BDAY 20 米 的 速率 沿 神经 纤维 传递 ,通过 神经 轴 et | 我 们 更 为 熟悉 的 电流 可 做 两 种 工作 . 不 断 地 流向 电灯 泡 的 电流 是 灯泡 的 稳定 能 源 ; 如 果 电 流 变 化 , 灯光 就 随 着 闪 动 . 另 一 方面 , 门铃 响 一 会 儿 后 就 得 停止 。 在 这 里 需要 短 时 间 的 放电 来 发 信号 .在 神经 纤维 里 传导 的 是 信号 , 不 是 能 源 . A 此 大 是 记录 电 沿 神经 传导 的 情况 ， 我 们 会 发 现 读数 是 不 稳定 的 ， 例 如 入 们 可 以 从 手电 人 简 的 电池 得 到 稳定 的 电压 值 ， 比 如 说 4 伏 , 但 是 在 神经 的 任何 一 点 却 不 是 这 样 , 当 电信 号 到 达 和 通过 记录 点 时 ,电压 突然 升降 ,然后 便 消 失 了 。. 一 个 电波 就 通 过 了 该 纤维 .如 果 我 们 在 一 个 脉冲 通过 神经 纤维 上 的 某 一 点 时 ,把 电压 升降 的 情况 画 成 一 条 曲线 , 便 得 到 了 图 31. 这 种 异常 现象 的 机 制 是 什么 呢 ? 由 发 电机 或 电池 产生 的 电流 流 过 电缆 时 ,事实 上 是 电子 流 负载 着 电荷 , 沿 金 属 线 从 负 极 流 到 正极 .动物 产生 的 电 , 也 是 由 负载 的 粒子 流 携 带 的 .但 是 载体 不 是 带 负 电荷 的 电子 , ME TIER MRT. 离子 这 样 流动 之 所 以 可 能 ,完全 在 于 我 们 多 次 讲 到 的 一 种 事实 , 即 细 胞 内 的 离子 成 份 是 与 细胞 外 的 离子 成 份 完全 不 同 的 . 在 细胞 内 ，, 钾 离子 浓度 很 高 ,而 钠 离 子 浓 度 却 很 低 ， 在 细胞 外 有 大 量 222 。 aan. 13. 20 时 间 (毫秒 ) 图 31 电位 随 通过 神经 纤维 的 脉冲 而 变化 的 朝 线 的 钠 离子 ,而 钾 离 子 却 很 少 . 在 这 一 点 上 ,神经 细胞 类 似 于 其 他 的 绝 大 多 数 细胞 . 我们 都 知道 , PRED 形式 存在 于 溶液 中 一 一 每 一 个 离子 携带 一 个 电荷 ， 我 们 已 习 惯 于 把 它们 写成 Na AK, 当然 ,细胞 也 含有 许多 其 他 带电 AMAT: 其 中 的 阳离子 有 镁 和 和 钙 离 子 (Mgt+, Cat+), 阴 离 子 有 和 氧 离 子 和 磷酸 氢 根 离子 (CI HPO”). 总 之 ,在 细胞 内 ， 离子 所 带 的 负电 荷 与 正 电 荷 在 数量 上 是 相等 的 ， 因 此 总 的 净 电荷 是 零 ; 细 胞 周围 的 液体 的 带电 情况 也 是 这 样 . “尽管 总 的 正 负电 荷 是 相等 的 ,但 是 在 细胞 膜 的 两 侧 , 钾 离 子 和 钠 离 子 的 浓度 是 不 同 的 ， 这 一 事实 便 引 起 了 一 些 奇怪 的 现象 .因为 在 无 生命 的 系统 内 ,我们 可 以 预期 ,如 果 把 氧化 钾 BRSRWERA—-MEBEAR (eK EE) 隔 开 ，, 钾 离子 可 朝 一 个 方向 穿 过 薄膜 , 钠 离子 可 朝 另 一 方向 穿 过 Gh, 直到 两 种 离子 各 自 的 浓度 在 薄膜 的 两 边 相等 为 止 。 在 有 生命 的 细胞 内 ; 这 种 现象 是 不 会 发 生 的 ， 因 为 细胞 膜 似 乎 不 能 透 过 钠 离 子 ， 它 只 允许 钾 离 子 进入 细胞 内 而 不 允许 其 离 开 ， 甚至 根本 不 允许 钠 离 子 进 和 信 。 不 多 许 通 过 并 不 完全 是 消 ° 223 。 极 的 .如 果 作 一 个 实验 ,把 钠 离 子 注 射 到 细胞 内 ,结果 钠 离 子 会 很 快 通 过 细胞 膜 ， 违 反 钠 离子 浓度 梯度 的 情况 又 被 排除 了 . 因此 细胞 膜 是 一 个 能 选择 区 分 钠 和 钾 离 子 的 动态 系统 . 钠 和 钾 离 子 在 浓度 上 的 这 种 差别 的 作用 是 什么 呢 ? 如 果 钾 离 子 不 按 浓度 梯度 流出 细胞 的 话 ， 那 一 定 是 有 某 种 向 内 作 用 的 力 . 这 种 力 就 是 带 正 电荷 的 钠 离 子 的 作用 ，, 钠 离 子 在 细 胞 膜 外 侧 排 列 起 来 ,形成 一 个 正 电 荷 屏障 ,排斥 带 正 电 荷 的 钾 离子 ,同时 钠 离 子 趋 于 透 过 细胞 膜 吸 引 带 负电 荷 的 离子 ,如 磷 酸根 离子 或 氧 离 子 。 其 净 结 果 是 ， 我 们 得 到 了 如 图 32(a) 所 示 的 轴 罕 , 正 电 荷 沿 它 的 外 表面 排 成 一 行 , 负 电荷 治 它 的 内 表 面 排 成 一 行 .因此 在 膜 的 两 侧 存 在 着 电位 差 ,如果 它 们 之 间 用 一 金属 丝 接 通 , 则 可 记录 它们 之 间 的 电压 .事实 上 ,如 果 把 一 个 微型 玻璃 电极 插 人 轴 罕 ,通过 电压 记录 器 (电流 计 ) 接 到 神 经 的 外 表面 的 话 ,就 可 做 到 这 一 点 .这 个 系统 的 膜 对 钾 离 子 是 可 渗透 的 ,而 对 钠 离 子 则 是 不 可 疹 透 的 ;该 系统 产生 的 理论 电 压 值 也 可 以 计算 ,而 且 计 算 起 来 比较 简单 . 很 幸运 ,理论 计算 和 实验 结果 是 一 致 的 ; 电压 记录 器 显示 出 该 细胞 内 表面 对 外 表面 维持 一 个 65 到 95 毫 伏 的 负电 压 . 这 一 电压 与 手电 简 所 用 的 干电池 或 湿 鞋 电池 产生 的 电压 在 原理 上 是 完全 一 样 的 . 如 果 在 神经 轴 突 上 的 某 一 点 ,由 于 某 种 原因 ,一 组 电荷 降 到 零 , 例 如 应 用 电击 法 使 其 降 到 零 ,我 们 来 看 看 会 发 生 什 么 事 i. 这 种 情况 称 为 神经 的 去 极 化 , 它 的 结果 示 于 图 32(b) 去 极 化 的 结果 将 引起 神经 上 的 某 一 点 ， 膜 的 内 外 表面 上 一 组 正 ABA. 这 样 ,在 膜 的 外 表面 , 某 一 区 域 A 相 对 于 距离 较 远 的 一 区 域 B 是 负 的 ,与 此 相对 应 , 膜 的 内 表面 区 域 B 相对 于 区 域 A 是 负 的 .于 是 在 A 和 了 B 之 间 构 成 了 一 个 微小 的 电路 ， 电流 在 它们 之 间 流 动 。 但 是 到 达 B 的 电流 的 作用 是 使 B 顺 次 去 极 化 ,所 以 对 沿 轴 突 更 远 的 一 点 是 负 的 ;接着 另 一 个 局 部 电 。224 。 i = ore + + + + + + + + + + (2) 在 休止 时 ?神经 膜 的 任 一 侧 均 有 带电 荷 的 离子 它们 间 具 有 一 电位 差 ， A B H+ + + ere See 一 一 一 一 + 十 十 十 一 -一 一 一 一 一 一 一 ry ae 一 + £++ —- ~------- ++ + 一 一 一 一 十 十 十 十 十 十 十 十 十 信息 方向 (b) 在 电流 流动 时 在 A 处 产生 局 部 去 极 化 ?信息 沿 神经 纤维 传递 图 32 神经 的 传导 流 开 始 流动 , 重 又 去 极 化 。 于 是 在 神经 轴 突 的 一 端 去 极 化 导 致 建立 一 系列 局 部 电路 ， 局 部 电路 象 波 一 样 在 轴 突 表面 上 移 动 和 传递 去 极 化 .只 要 初始 刺激 较 大 ,足以 使 电流 流动 ,刺激 就 会 沿 神经 纤维 迅速 传递 下 去 . 神经 刺激 的 这 种 传递 方法 ， 已 提出 多 年 了 ， 最 后 ， 英 国 剑桥 霍 奇 金 〈(Hodgkin)， 凯 恩 斯 (Keynes) 和 他 们 的 合作 者 用 实验 进行 了 证 实 ， 霍 奇 金 还 从 生化 角度 对 这 种 现象 提出 了 令 人 满意 的 解 释 . 我 们 已 经 知道 , 神经 的 休止 电位 是 由 钠 和 钾 离 子 之 间 的 浓度 差 和 渗透 性 的 不 同 来 维持 的 , 霍 奇 金 认 为 ,假如 去 极 化 的 作用 会 改变 膜 的 次 透 人 性 ， 致 使 膜 对 钠 离 子 在 短 时 间 内 成 了 完 SPBEN, 将 会 发 生 什 么 样 的 情况 呢 ? 钠 将 沿 浓度 梯度 迅 速 流 进 神经 轴 突 ， 它 流 进 速度 要 比 钾 离 子 流出 的 速度 更 快 . 随 着 这 种 现象 的 出 现 , 膜 的 电位 将 进一步 下 降 ,因为 正 电 荷 由 外 表面 转移 到 内 表面 . 随 着 膜 电位 进一步 下 降 , 膜 将 变 得 对 钠 离子 更 加 可 少 透 ,结果 是 进入 的 钠 离子 进行 自 刺激 ,成 了 一 个 正 反馈 的 系统 (A 33). © 225 。 钠 离 子 流 人 轴 突 的 情况 ， 一 直 继 续 到 负 80 到 90 毫 伏 的 膜 电位 变 为 零 , 最 后 变 成 正 20 到 30 毫 伏 为 止 。 这 代表 图 31 中 的 波峰 现在 钠 离 子 停止 进入 , 因为 它 这 时 要 迎 着 电位 梯 Evy. 同时 根据 霍 奇 金 的 理论 , 轴 突 对 钾 离 子 的 盗 透 性 也 增加 ,负离子 沿 着 降低 其 浓度 梯度 的 方向 流出 细胞 ,直到 膜 的 电位 降 到 原来 的 负 85 毫 伏 左右 为 止 .电波 沿 轴 突 传递 。 事 实 上 , 钾 离 子 渗 出 时 间 要 稍微 大 于 理论 上 的 必要 时 间 , 电 位 也 稍 大 于 它 的 原 值 , 结果 出 现 了 图 31 的 第 二 个 波 谷 。 在 此 期 间 ， 电位 若 低 于 正常 休止 电位 几 毫 伏 ， 神 经 就 不 能 传递 下 一 个 信 息 . 但 是 在 千 分 之 几 秒 内 , 重 又 恢复 原 电 位 值 , 神 经 又 可 接受 刺激 ,随时 准备 起 作用 . 钠 的 次 透 性 增高 腊 去 极 化 汪汪 图 33 霍 奇 金 理论 已 为 实验 所 充分 证 实 . 利用 放射 性 钠 和 钾 进 - 行 的 研究 ,说 明了 在 神经 受 刺 激 时 ,这 两 种 离子 穿 过 膜 次 人 和 渗 出 细胞 的 变化 ， 人们 早已 知道 ,就 象 理 论 预 言 那 样 ,如 果 把 轴 突 外 面 的 钠 离 子 全 部 除去 ,就 根本 不 可 能 进行 神经 传导 .由 于 这 方面 的 工作 ， 霍 奇 金 获 得 了 1963 年 度 的 诺 贝 汞 医学 奖 人 金 . igo 改变 细胞 膜 通常 维持 的 钠 离 子 和 钾 离 子 的 浓度 ， 就 可 以 改变 膜 电位 . 我 们 所 说 的 发 生 在 膜 上 的 这 种 变化 ,只 能 引起 局 部 浓度 的 迅速 变化 ， 因 此 它们 几乎 不 影响 细胞 内 外 钠 和 特 离子 的 总 浓度 差 . 尽管 有 局 部 变化 ,这 些 浓度 差 仍然 很 大 ,以 致 在 细胞 内 钾 离 子 浓度 下 降 , 钠 离 子 浓度 升 高 ,达到 足以 使 它 钝 化 以 前 , 在 大 神经 上 能 传导 一 百 多 万 个 脉冲 。 不 过 最 后 该 © 226。 神经 必须 调整 浓度 的 变化 ， 恢 复 钠 离 子 和 钾 离 子 之 间 原 来 的 REZ. 读者 还 会 注意 到 ,直到 现在 ,脉冲 传导 一 直 没 有 要 求 神经 输出 能 量 ; 而 膜 涛 透 性 的 变化 则 导致 了 利用 潜伏 在 细胞 膜 两 侧 钠 钾 离子 浓度 差 里 的 电位 能 . 神经 的 工作 就 在 于 再 次 “建立 这 种 电位 能 . 此 外 ，, 证 明 这 个 过 程 的 机 制 的 关键 性 实验 , 是 由 霍 奇 金 、 凯恩斯 和 赫 克 斯 利 完成 的 。 在 实验 中 , 他 们 使 用 了 所 能 找到 的 最 大 的 神经 一 一 乓 鱼 的 巨大 轴 突 ,这 种 轴 突 是 相当 粗 的 , 直 径 长 达 一 毫米 ， 比 较 容 易 把 实验 物质 往 人 到 里 面 和 研究 这 些 物质 的 作用 .。 他 们 首先 证 明了 神经 的 传导 有 赖 于 能 量 代谢 。 氰 化 物 能 阻止 氧化 磷酸 化 ,毒化 神经 ,使 其 很 快 丧失 传导 脉冲 AGED. 但 是 如 果 把 ATP 注 和 人 到 毒化 了 的 神经 里 ， 神 经 再 次 活化 ,能 继续 传导 脉冲 ,直到 所 有 的 ATP 又 被 分 解 完 为止 。 因此 , 恰 如 在 肌肉 里 的 情况 一 样 , 细 胞 为 使 自己 具有 活动 的 能 力 而 吸收 的 主要 能 量 ,是 ATP 的 能 量 . 后 来 的 研究 工作 证 明 ， 为 了 维持 神经 的 钠 离 子 和 钾 离 子 的 浓度 ,事实 上 得 消 码 ATP. 在 钠 离 子 被 排出 细胞 ， 钾 离子 进入 细胞 的 时 候 ，ATP 被 分 解 了 .科学 工作 者 还 发 现 ， 进 入 和 排出 这 两 种 离子 的 过 程 是 有 联系 的 ， 大 约 每 三 个 钠 离 子 和 钾 离 子 穿 过 膜 ， 就 要 耗 用 一 个 分 子 的 ATP. 在 这 个 过 程 中 ， 使 用 ATP 能 量 的 确切 机 制 现 在 还 不 清楚 ,但 是 新 近 积 累 的 证 据 表 明 , ATP 通过 与 细胞 膜 上 的 某 些 位 点 结合 并 使 其 磷酸 化 的 方式 发 挥 作用 .然后 这 些 位 点 负责 把 钠 离 子 由 细胞 内 运送 到 细胞 外 ,接着 它们 脱 磷 酸 , 又 能 和 钾 离 子 结合 , 带 着 钾 离 子 穿 过 膜 , 回 到 细胞 内 。 较 之 于 ATP 分 解 和 肌肉 收缩 相 偶 联 的 详细 机 制 , 人 们 对 这 个 过 程 的 详细 机 制 知道 得 更 少 。 跟 上 个 问题 一 样 ,这 个 问题 也 是 很 难 解 决 的 。 ° 227 。 脉冲 在 突 触 上 的 传递 神经 脉冲 沿 轴 突 以 膜 去 极 化 的 波 传递 .但 是 到 了 突 和 触 就 出 现 了 一 个 不 同 的 问题 .在 接合 处 另 一 边 的 神经 细胞 或 肌 纤 维 的 细胞 膜 , 和 来 脉冲 的 神经 细胞 膜 是 不 连贯 的 。 因此 必须 找到 一 个 跨越 两 个 细胞 之 间 的 间隙 的 方法 。 实质 上 ，, KER 在 一 个 神经 轴 突 的 未 端 ， 去 极 化 波 的 到 达能 作为 触发 器 或 信 号 , 在 第 二 个 神经 的 神经 细胞 和 轴 突 上 启动 相似 的 波 。 这 种 触发 作用 取决 于 存在 的 化 学 递 质 .神经 脉冲 传递 到 突 触 ,刺激 神经 未 稍 ,使 之 释放 出 一 种 化 学 物质 ,这 种 物质 能 扩散 和 穿 过 第 一 个 神经 细胞 膜 ,到 达 第 二 个 神经 细胞 的 细胞 体 (图 34). 在 那里 , 它 引起 细胞 膜 去 极 化 ,触发 第 二 个 神经 的 脉冲 .这 些 ” 递 质 的 化 学 特性 , 似乎 因 所 处 神经 系统 部 位 的 不 同 而 异 . 有 些 递 质 与 我 们 已 经 讨论 过 的 肾上腺 素 这 种 激素 有 关 . 然而 最 常见 的 似乎 是 乙酰 胆 碱 . | 乙酰 胆 碱 是 用 乙酰 辅酶 A 将 脂肪 胆 碱 乙酰 化 而 形成 的 : 在 神经 未 稍 有 负责 胆 碱 乙酰 化 的 酶 .此 酶 与 乙酰 胆 碱 未 身 共 存 于 一 系列 颗粒 中 ,这 些 颗 粒 在 许多 方面 与 溶 酶 体 相 似 , 它 们 的 发 现 者 英国 剑桥 的 惠 特 克 (Whittaker) 将 其 称 为 突 触 小 泡 . 这 些 突 触 小 泡 分 布 在 神经 末 稍 ,在 别 的 地 方 还 未 发 现 过 ,它们 容纳 乙酰 胆 碱 , 使 其 被 束缚 , 呈现 钝 化 形式 .神经 脉冲 到 达 ， 小 泡 被 击破 ,因此 释放 出 乙酰 胆 碱 ;乙酰 胆 碱 穿 过 膜 扩散 过 突 AR, 到 了 第 二 个 神经 细胞 或 肌肉 细胞 . 专门 的 受 体位 点 在 那里 等 待 乙酰 胆 碱 ,与 乙酰 胆 碱 结合 ,引起 第 二 个 神经 细胞 膜 去 极 化 .只 要 去 极 化 足够 大 ,第 二 个 神经 接着 又 被 甬 发 ,发 ， 出 沿 轴 突 传递 的 脉冲 。 最 后 ,乙酰 胆 碱 水 解 成 胆 碱 和 乙酸 ( 照 Fr 7). | 这 样 ， 乙 酰 胆 碱 就 在 把 两 个 细胞 隔 开 的 间隙 处 建立 了 两 e 228 « Shi = SSG P34 ”脉冲 在 突 触 上 的 传递 乙酰 胆 碱 是 在 刺激 脉冲 到 达 突 触 小 泡 并 将 其 击破 后 释放 出 来 的 .乙酰胆碱 扩散 过 突 触 间隙, 到 达 第 二 个 神经 的 受 体位 点 在 此 处 使 第 二 神经 去 极 化 ,然后 被 胆 碱 本 酶 破坏 个 细胞 之 间 的 联系 . BARGE, 神经 和 肌 之 间 的 控制 链 的 连 接 是 很 容易 受 损 害 的 .妨碍 递 质 扩散 穿 过 这 个 空间 的 任何 物 质 , 都 会 阻止 信息 传递 ,许多 能 妨碍 乙酰 胆 碱 或 妨碍 它 后 来 被 胆 碱 酯 酶 破坏 的 药物 , 都 能 截断 突 触 的 传递 , BE HE 获 碱 就 是 这 样 一 种 药 ; 另 一 种 药 是 神秘 的 稍 毒 ,中 美 州 印 第 安 人 和 常常 把 它 芯 在 箭头 上 ， 后 来 的 侦探 小 说 家 所 喜欢 描写 的 一 种 神秘 的 毒药 就 是 箭 毒 .不 过 在 近代 ,能 影响 胆 碱 酯 酶 的 另 一 类 物质 已 用 来 毒害 生灵 .原来 在 德国 的 战争 时 期 研究 成 功 的 有 机 磷 化 合 物 , 就 是 以 这 种 方式 起 作用 的 ,后 来 发 展 成 了 神经 毒气 . 五 十 年 代 中 期 在 波尔图 研制 出 了 一 种 毒性 更 强 的 变 体 《据说 通过 皮肤 吸收 一 毫克 左右 就 可 致死 ), 叫做 V RSH. 这 些 毒 剂 是 已 知 的 最 毒 的 化 合 物 .。 如 果 说 我 们 细胞 内 部 的 活 动 最 终 取 决 于 ATP 的 话 , 那 就 同样 可 以 说 , 控制 和 指挥 我 们 机 体 起 作用 的 能 力 , 取 决 于 乙酰 胆 碱 . 乙酰 胆 碱 虽然 是 最 重要 的 , 但 不 是 唯一 的 递 质 . 特别 在 脑 内 , 许多 神经 细胞 都 通过 几 种 其 他 递 质 互相 接触 . 这 些 中 概 神 经 部 位 的 递 质 的 化 学 特性 还 知道 得 很 少 ， 人 们 提出 了 许 ° 2298 多 可 能 的 递 质 . 氨基 酸 谷 氨 酸 在 脑 内 似乎 具有 一 种 特殊 的 代 谢 过 程 ， 特 别 是 它 转变 成 7-RETR (GABA) 的 时 候 ， 因 此 ， 氮 基 酸 谷 氮 酸 就 可 能 是 一 种 递 质 . 含 氨基 的 物质 ， 例 如 GABA， 就 可 能 形成 脑 传递 机 制 的 基础 .的确 , 象 墨 斯 卡 灵 和 麦角 酸 这 样 一 些 古 怪 的 致 钨 药物 ， 其 许多 性 质 都 可 能 是 由 于 它们 含有 这 类 氨基 引起 的 . 顺便 提 一 句 ， 并 不 是 所 有 的 递 质 都 必需 帮助 信息 穿 过 突 触 ， 有 些 递 质 抑制 由 其 他 神经 细胞 来 的 信息 。 例如 , 根据 抑 制 递 质 和 兴奋 递 质 之 间 的 竞争 ， 互 相 和 矛盾 的 指令 就 可 能 在 突 触 处 得 到 解决 . 较 强 的 指令 将 会 获胜 , 信息 沿 下 一 条 神经 纤 维 传递 或 中 止 。 现在 递 质 的 生物 化 学 , 已 经 成 了 对 药物 作用 机 制 以 及 精神 病 的 化 学 基础 感 兴趣 的 药理 学 家 和 其 他 学 者 的 一 个 颇 出 成 采 的 赋 究 领域 ， » 230° 第 十 二 章 Ayes 我 们 在 前 面 讲 的 ， 是 尽量 根据 化 学 和 物理 学 来 讨论 生物 学 的 单位 《细胞 ) 的 行为 . 但 是 在 讲 到 细胞 时 ,我 们 实际 上 几 乎 总 不 是 指 生活 在 地 球 上 的 无 数 种 不 同 生物 的 细胞 ， 而 是 一 类 特殊 的 动物 一 一 哺乳 类 动物 的 细胞 .我 们 虽然 偶尔 水 及 到 植物 和 微生物 的 生化 领域 ,但 是 离开 本 题 的 话 总 是 很 短 的 ,而 且 总 是 为 了 说 明 有 关 哺 乳 动物 细胞 的 某 一 问题 的 . 就 哺乳 动物 的 细胞 来 说 ， 甚 至 扩展 到 我 们 自身 的 细胞 也 一 样 ,我 们 确实 还 不 很 清楚 . 大 多 数 的 实验 工作 ,也 包括 我 们 一 直 讲 的 一 些 实验 ， 都 是 用 很 少 的 不 同 种 类 的 哺乳 动物 做 A. 鼠 类 、 豚 鼠 类 、 免 类 和 仓鼠 等 , 生物 化 学 家 已 研究 了 于 百 万 次 了 ; WH. BMAS. 牛 、 猪 之 类 的 家 畜 也 都 用 来 做 实验 动 Y. 偶尔 也 用 离 类 如 鸡 和 铝 来 做 实验 . 我 们 总 是 企图 说 明 实 验 动 物 的 生物 化 学 与 人 自己 的 生物 化 学 的 关系 。 但 是 这 些 动 物 仅仅 是 已 知 的 许多 种 哺乳 动物 中 的 很 少 的 一 部 分 ， 而 当 我 们 谈 到 植物 .昆虫 或 微生物 时 ,这 些 生 物 的 种 类 已 远 远 超过 了 哺乳 动物 的 总 和 :我们 进行 的 生物 化 学 研究 似乎 毫 无 意义 了 . 然而 我 们 却 满 有 信心 地 讨论 了 “细胞 ,细胞 的 酶 代谢 和 行为 ， 好 象 不 知道 还 有 那样 多 的 其 他 的 细胞 有 待 研究 似 的 。 我 们 这 样 做 不 是 太 过 于 自信 了 吗 ? 很 幸运 , 我 们 可 以 有 把 握 地 说 不 是 . 人 和 酵母 在 外 表 和 行为 上 确实 有 天 壤 之 别 . 但 是 年 一 看 令 人 惊奇 得 难以 置信 的 是 ,组 成 它们 的 绝 大 多 数 化 学 物质 实际 上 却 是 相同 的 ;几乎 毫 无 例外 ,两 痢 的 蛋 白 质 都 是 由 相同 的 二 十 个 氮 基 酸 组 成 的 , 它 ° 231° (71 et FE Fe A, EAT 糖 类 也 是 由 相同 或 相似 的 单 糖 组 成 的 。 就 是 在 两 种 酶 的 氨基 酸 顺序 稍 有 差别 的 地 方 ， 由 这 些 酶 所 催化 的 代谢 反应 途径 在 很 大 程度 上 仍 是 相同 的 。 葡萄 糖 的 分 解 途 径 ， 原来 是 用 糖 变 成 醇 的 发 酵 作 用 中 的 酵母 来 研究 的 ， 后 来 发 现 与 肌肉 细胞 把 各区 贸 转 化 成 两 本 酸 的 途径 是 一 样 的 唯一 的 差别 在 于 两 本 酸 下 一 步 的 转化 . 辣 样 ,从 一 个 生物 体 提纯 的 一 种 酶 ,可 以 毫 无 困难 地 用 来 研究 另 一 个 完全 不 同 的 生物 体 里 的 反应 .微生物 的 核糖 核 蛋 白 体 和 免 或 鸭 细 胞 的 可 溶性 部 分 ， 可 以 满意 地 进行 协作 来 合 成 蛋白 质 。 虽 然 我 们 只 研究 了 地 球 上 众多 生物 中 的 极 少 生物 的 生物 化 学 性 状 ,我 们 也 还 可 以 比较 成 功 地 预言 ,可 以 由 此 推 断 出 适合 所 有 其 他 生命 形态 的 总 结论 . 糖 、 脂肪 和 和 蛋白质 的 分 解 代谢 和 合成 代谢 的 基本 机 制 ， 在 现 有 的 一 切 生 命 形 态 中 都 是 相同 的 。 在 我 们 考虑 生命 形态 的 各 种 各 样 差 别 的 时 候 ， 这 一 现象 年 一 看 是 多 么 出 人 意外 ,多 么 令 人 惊奇 啊 ! 当 我 们 讨论 到 各 种 生命 形态 之 间 的 勿 容 置疑 的 生物 化 学 上 的 差异 的 时 候 , 这 种 情况 就 更 令 人 惊异 了 。 生物 为 了 生存 要 吸取 所 需要 的 能 量 , 最 大 的 差异 在 于 其 能 源 。 动物、 真菌 、 病毒 和 大 多 数 病菌 , 靠 现 存 的 有 机 化 合 物 为 生 。 我 们 已 经 相 当 详细 地 讨论 了 动物 把 葡萄 糖 氧化 成 二 氧化 碳 ， 并 利用 氧化 过 程 中 释放 出 的 能 量 合成 ATP 的 途径 . 如 果 动 物 没有 生存 所 必须 的 葡萄 糖 ， 又 没有 效率 很 低 的 脂肪 或 蛋白 质 来 代替 葡 萄 糖 ,就 会 很 快 死 掉 。 在 有 葡萄 糖 \ 某 些 必要 的 氨基 酸 和 维 生 素 存在 的 情况 下 ,动物 能 合成 数 千 种 所 需 的 其 他 化 学 物质 . 许 多 细菌 所 需要 的 东西 种 类 很 少 ; 它们 利用 二 个 或 三 个 碳 原子 的 有 机 酸 就 能 活 下 来 ,有 些 细菌 不 需要 氨基 酸 ,而 用 氨 经 转 氨 反应 就 能 制造 它们 自身 需要 的 东西 ，。 有 些 生命 力 很 强 的 细菌 。 232。 和 真菌 ， 在 没有 葡萄 糖 或 氨基 酸 存在 时 ， 与 有 这 些 物质 存在 时 ,都 能 生存 得 同样 好 (或 更 好 )。 其 中 大 多 数 细菌 和 真菌 具 有 了 酶 的 能 力 来 处 理 这 些 物质 , 恰 象 动物 处 理 这 些 物质 那样 , 情 况 不利 时 ,细菌 即使 没有 这 些 物质 也 能 生存 下 来 . 细菌 的 专 一 化 程度 与 动物 相 比 是 很 低 的 ， 所 以 能 在 很 差 的 条 件 下 生 存 . ”第 二 个 大 差别 ， 在 于 有 的 生物 需要 氧 作为 “能 库 ? 并 氧化 其 食物 ,有 的 厌 氧 细菌 从 来 不 需要 氧 ,或 在 没有 氧 的 时 候 也 能 活 下 去 。 这 种 差别 实际 上 没有 看 起 来 那么 大 ， 通 过 发 酵 作 用 获得 自己 所 需 全 部 能 量 的 微生物 ， 是 按照 类 似 于 动物 分 解 葡 萄 糖 的 初始 途径 进行 代谢 的 .不 同 点 仅仅 在 于 起 发 酵 作 用 的 微生物 ,不 能 完成 这 个 过 程 去 氧化 掉 发 酵 的 最 终 产 物 , 不 去 寻 求 各 种 手 妇 来 向 其 排泄 物 (如 乙醇 、 乙 醛 、 乳 酸 或 其 他 必要 的 半 消 化 物 等 ) 获 取 尽 可 能 多 的 能 量 . 在 这 方面 ,动物 有 发 酵 的 微生物 所 没有 的 氧化 能 力 。 但 是 它们 的 基本 生化 情况 相差 并 不 大 ,只 是 效率 比较 大 而 已 . 另 一 种 类 型 的 厌 氧 生物 ,能 在 无 氧 条 件 下 生活 ,不 是 因为 它们 不 氧化 底 物 ， 而 是 因为 它们 有 另 一 种 氢 受 体 和 另 一 种 终 BARRE”. 典型 之 处 是 它们 使 用 硫酸 或 硝酸 作为 它们 的 受 体 ; 例如 ,硝酸 还 原 菌 将 硝酸 (HNO;) 转变 成 亚 硝酸 (HNO))， 这 样 做 时 , 便 获得 了 一 个 氧 原子 ,细菌 就 将 氢 传 递 给 这 个 氧 原 子 并 还 原 成 水 。 硝酸 还 原 菌 最 引 人 人 胜 的 地 方 , 是 其 作用 的 原理 似乎 限 动物 界 大 不 相同 ， 而 实际 上 细菌 把 氨 传 递 到 硝酸 所 经 过 的 电子 传递 途径 ， 与 动物 利用 空气 中 的 氧 所 经 过 的 电 子 传递 途径 却 是 相同 的 ， 电 子 传 递 途径 是 , 底 物产 生 氨 , 授 给 Bi Ss, 脱 氢 酶 把 这 个 氢 传 递 给 中 间 的 氢 载 体 细胞 色素 叭 一 的 差别 是 ,在 最 后 一 步 , 硝 酸 还 原 菌 不 是 利用 细胞 色素 氧化 酶 从 细胞 色素 获得 氢 ， 将 其 传递 给 氧 ， 而 是 利用 一 种 能 将 硝 © 233。 酸 还 原 成 亚 硝 酸 和 水 的 硝酸 还 原 酶 这 种 特异 酶 氧化 细胞 色素 (图 35)。 底 物 ie SS id aR THA Bs Ate HNO;—>HNO;+ H20 OT ae SHARE A35 人 和 硝酸 还 原 菌 之 间 的 差别 自 养 生物 和 异 养生 物 我 们 刚刚 讨论 过 的 各 种 生物 ， 全 都 依赖 现成 的 有 机 化 合 物 为 生 ; 而 有 些 生物 却 能 利用 简单 的 无 机 物 制 造 组 成 自身 所 需要 的 全 部 有 机 物 .后 一 种 生物 叫做 自 养 生物 ,意思 是 它们 与 异 养生 物 比 较 起 来 , 是 自给 自足 的 ; 而 异 养 生物 象 酵母 和 人 ， 则 不 得 不 依赖 糖 和 氨基 酸 来 对 付 无 机 界 的 严酷 的 现实 这 两 类 生物 的 差别 是 生物 化 学 的 真正 分 界线 . 自 养 生物 不 是 通过 氧化 现成 的 原料 来 获得 能 量 ， 而 是 寻 找 另 一 种 能 源 . 典型 的 例子 当然 是 绿色 植物 , 它 捕 获 射 到 地 球 上 的 阳光 ,利用 光 能 来 固定 二 氧化 碳 , 将 其 用 作 有 机 物 的 碳 来 合成 糖 和 淀粉 . 这 个 过 程 称 为 光合 作用 . 绿色 植物 通过 光 合作 用 摆脱 了 蜡 养生 物 的 困境 . 不 单 是 绿色 植物 能 进行 光合 作用 ; 藻类 和 一 些 光 合 细 戎 也 能 进行 同样 的 反应 。 另 一 类 自 养 (化 能 自 养 ) 生 物 利用 某 些 无 机 化 合 物 中 的 潜在 能 量 而 不 是 通过 光合 作用 来 固定 二 氧化 碳 , 例 如 利用 硫 ` 氨 和 和 氢 的 氧化 作 用 来 固定 二 氧化 碳 。 虽然 在 生物 化 学 上 是 引 人 人 胜 的 , 但 是 。 2346 这 些 自 养 生物 似乎 代表 生物 进化 中 的 一 股 逆流 ， 企 图 发 展 在 化 学 上 的 多 种 能 耐 . 难怪 生物 化 学 家 一 直 集中 主要 精力 来 研 究 能 进行 光合 作用 的 生物 ,人 们 甚 致 曾 一 度 认为 ,它们 的 自给 自足 能 力 , 可 能 为 研究 生命 的 起 源 提 供 线索 光合 作用 的 机 制 植物 所 面临 的 问题 ， 在 本 质 上 与 动物 所 面临 的 问题 是 一 样 的 ,就 是 捕获 能 量 , 用 以 进行 生物 化 学 合成 ， 而 要 注意 的 第 一 个 问题 是 ， 植 物 解决 这 些 问 题 通常 是 采用 与 动物 相同 的 方 法 . 它 也 分 解 葡萄 糖 , 释放 二 氧化 碳 和 水 ,捕获 作 为 AITP FE 放出 来 的 能 量 . 这 种 分 解 途径 与 动物 分 解 葡萄 糖 的 途径 是 相 同 的 ; 植物 也 具有 糖 酵 解 的 酶 ， 柠 檬 酸 循环 和 成 糖 磷酸 支 路 Cis tH) WEB. 植物 虽然 在 有 阳光 的 情况 下 显然 要 好 得 多 ,但 是 若 有 葡萄 糖 和 氮 源 ,也 能 在 黑暗 中 生活 很 长 时 间 . A 此 甚至 自 养 生物 若 有 恰当 的 环境 条 件 ， 也 会 象 异 养生 物 那 样 生活 . 这 两 种 生命 形态 之 间 的 真正 差别 ， 在 于 它们 的 葡萄 糖 来 RAR. 植物 具有 利用 光 能 的 能 力 , 能 使 葡萄 糖 氧化 过 程 逆 转 , 这 是 它们 自 养 行 为 的 实质 .它们 能 进行 下 述 反 应 : 6CO, 十 6H2O + 光 能 -> CHO + 60, (1) 它们 在 进行 这 种 反应 时 ,不 仅 为 自己 ,也 为 异 养生 物 提 供 了 有 机 化 合 物 的 唯一 的 最 终 来 源 (当然 ,化 学 家 在 试管 里 合成 的 有 机 化 合 物 除 外 ). 通过 光合 作用 固定 的 CO 的 总 量 是 很 大 的 ,每 年 可 达 一 千 亿 顿 有 机 碳 。 同时 ,这 一 反应 也 不 断 地 更 新 空气 中 的 氧 , 除 掉 呼 吸 时 积累 的 二 氧化 碳 , 形 成 一 个 非常 迅 速 的 转换 过 程 , 使 大 气 中 的 每 个 CO 分 子 , 通过 光合 作用 , 每 Pai 200 年 就 有 一 次 用 于 合成 葡萄 糖 , 每 个 氧 分 子 每 隔 2000 年 左右 就 有 一 次 用 于 合成 葡萄 糖 . 植物 的 光合 机 制 和 异 养 生物 。 235。 的 呼吸 系统 , 提供 了 一 个 有 规律 的 碳 循环 周期 ,这 种 碳 循环 在 每 本 儿童 生物 学 读物 上 都 占据 着 相当 显著 的 位 置 . 但 是 ,我 们 对 光合 作用 的 机 制 了 解 得 越 多 ,就 越 觉得 它 象 我 们 在 动物 体内 发 现 的 酶 反应 序列 . iL, Hie CO, 是 通 过 还 原 CO, 实现 的 , 也 就 是 使 CO. 与 氧化 合 来 实现 的 。 还 原 反应 中 的 氨 , 是 由 方程 (1) 中 的 水 提供 的 .人 们 大约 在 25 年 前 认识 到 还 原 CO; 并 不 涉及 到 光 ， 这 在 阐明 光合 作用 的 机 制 上 首先 向 前 迈进 了 一 大 步 . 实际 上 , 可 以 证 明 固 定 CO; 的 整 个 过 程 能 在 黑暗 中 进行 ,这 样 ,光合 作用 的 关键 步骤 就 可 以 减 少 到 三 步 ， 第 一 步 , 利 用 光 能 分 解 水 分 子 : ED + J6fE ——> 2(H) + (O) (2) 第 二 步 , 所 被 转移 到 适当 的 受 体 上 和 象 我 们 将 要 看 到 的 那样 ， 最 后 转移 到 我 们 熟悉 的 NADP 上 ) ， 氧 作为 氧气 释放 出 来 . 第 三 步 是 暗 反应 ,还 原 的 氨 受 体 又 使 CO; 还 原 并 将 其 固定 ， 在 捕获 光 能 的 光合 作用 的 反应 中 ， 最 关键 的 物质 叶绿素 〈 它 使 植物 时 绿色, 根据 某 些 广告 人 的 说 法 , 还 使 某 些 政 富 呈 绿色 ) 是 极端 重要 的 . 叶绿素 的 分 子 在 结构 上 非常 类 似 于 细 胞 色素 和 血红 蛋白 中 的 血红 素 的 分 子 . 跟 血 红 素 一 样 , 它 是 由 一 系列 四 碳 - 氮 环 连 在 一 起 形成 的 中 间 有 筷 的 环形 体 . 血 红 素 分 子 中 的 孔 由 金属 铁 填 充 ; 而 叶绿素 分 子 中 的 孔 却 由 镁 填充 ;吡咯 环 和 镁 的 这 种 结构 被 射 在 叶绿素 上 的 光 所 激发 ,使 整个 环形 体 颤 动 , SRT MET BRET. 为 了 避免 完全 分 解 ,叶绿素 被 迫 再 次 释放 这 种 能 量 , 用 来 进行 水 的 分 解 Rm. 利用 能 量 和 进行 水 的 分 解 反 应 的 方式 , 至 今 还 不 完全 清楚 . 水 分 解释 放出 化 学 上 的 自由 能 ,再 用 来 由 NADP 合成 一 个 NADPH, 分 子 , 由 ADP 合成 一 个 ATP 分 子 : Chl* + NADP +ADP +@®-+H,0 一 > ChI+NADPH: 二 ATP 二 (O) (激发 态 叶 绿 素 ) 《常态 叶绿素 ) 。 236。 很 显然 ， 这 是 一 个 很 复杂 的 反应 ， 除 了 刚 讲 过 的 叶绿素 外 ,还 涉及 许多 因素 . 在 许多 方面 , 它 是 一 个 与 线粒体 中 氢 的 传递 相 类 似 的 过 程 ,甚至 在 此 过 程 中 ,也 可 能 涉及 到 细胞 色素 本 身 . Ce, 植物 时 片 中 含有 时 绿 素 并 进行 光合 作用 的 这 一 组 织 结构 时 绿 体 ,看 起 来 显然 象 电 子 显微镜 下 的 线粒体 ， NADPH, 和 ATP 两 者 在 光 反 应 中 生成 ,又 在 光合 作用 的 暗 反 应 中 国定 CO, 时 消耗 掉 . 美国 加 利 福 尼 亚 州 伯克利 的 卡 尔 文 和 他 的 同事 ,利用 放射 性 二 氧化 碳 , 说 明了 固定 二 氧化 碳 的 反应 (为 此 卡尔 文 获 得 1961 年 的 诺 贝 尔 奖金 ). 在 这 些 反 应 过 程 中 , CO, 与 二 磷酸 核 酮 糖 (五 碳 ) 这 种 戊 糖 化 合 , 生 成 一 种 不 稳定 的 六 碳 中 间 体 ， 该 中 间 体 分 解 成 两 个 三 碳 的 磷酸 甘 油 酸 : GO2 一 5 核 酮 糖 ”二氧化碳 中 间 体 “磷酸 甘油 酸 磷酸 甘油 酸 是 已 详细 讨论 过 的 葡萄 糖 代谢 途径 中 的 一 种 化 合 物 ， 有 些 磷酸 甘油 酸 用 于 制造 果糖 磷酸 和 葡萄 糖 磷酸 , 有 些 磷酸 甘油 酸 分 子 经 过 现在 还 不 清楚 的 一 些 联 锁 反 应 再 次 合成 磷酸 核 酮 糖 . 最 后 利用 ATP 使 磷酸 核 酮 糖 再 次 磷酸 化 , 变 成 二 磷酸 核 酮 糖 ， 这 个 循环 又 重新 开始 了 .有关 的 大 多 数 酶 ， 正好 是 我 们 已 经 讨论 过 的 戊 糖 磷酸 途径 和 糖 酵 解 途径 的 一 些 BS. 实际 上 只 有 最 初 固定 CO 时 的 酶 是 个 例外 , 这 个 酶 必须 进行 很 复杂 的 反应 ,所 以 它 的 分 子 很 大 ,分 子 量 达 30 多 万 ,也 WA LAS ERB fir. ”但 是 要 注意 的 一 个 根本 问题 是 ， 除 了 分 解 水 和 提供 最 初 能 源 的 反应 外 ,光合 作用 ,固定 CO,、 合 成 糖 类 等 的 所 有 反应 ， 都 沿 着 我 们 在 动物 细胞 的 生物 化 学 中 已 经 讲 过 的 途径 进行 。 我 们 又 一 次 发 现 , 有 些 东西 ,年 看 起 来 好 象 是 进行 光合 作用 的 绿色 植物 和 异 养 动物 之 间 在 生物 化 学 系统 上 的 主要 差别 ， 其 * 237。 实 它们 之 间 有 令 人 惊异 的 相似 之 处 . 比较 生物 化 学 和 生物 化 学 的 发 展 我 们 这 样 讨 论 并 不 是 要 和 否定 各 个 物种 之 间 确 实 存在 的 有 趣 的 生物 化 学 上 的 差别 . 这 些 差别 是 能 根据 生物 化 学 的 发 展 过 程 加 以 说 明 的 .人 大 概 会 感觉 到 自己 比 厌 氧 细菌 更 高 级 ， 人 能 彻底 把 食物 氧化 成 二 氧化 碳 和 水 ， 这 要 有 更 多 的 生化 手 段 和 灵敏 性 ,微生物 则 只 能 利用 葡萄 糖 的 一 小 部 分 潜能 ,将 乙 醇 或 乳酸 这 样 高 能 的 有 用 物质 都 作为 废物 抛弃 掉 。 同样 , 非 常 原始 的 生物 的 细胞 里 既 不 含 核 也 不 含 线粒体 ， 而 比较 发 达 的 生物 的 细胞 里 就 有 细胞 核 和 线粒体 ， 明 显 地 促进 了 细胞 的 稳定 性 和 提高 了 细胞 的 效率 ， 鲍德温 在 研究 排 所 机制 时 ， 举 了 一 个 最 有 意思 的 例子 说 明生 物化 学 的 发 展 . 也 许 读者 还 记得 , 我 们 已 经 讲 过 哺乳 动 物 所 面临 的 处 理 蛋 白质 分 解 时 产生 的 氮 的 问题 ;这 种 氮 是 以 氨 的 形式 存在 的 , 氮 即 使 为 量 很 少 也 是 极 毒 的 因此 动物 为 了 避免 积累 致死 剂量 的 氮 ， 就 把 它 转 化 成 尿素 ， 通 过 尿 排除 掉 . 但 是 并 不 是 所 有 的 动物 都 以 这 种 方式 处 理 氮 。 PIM, 多 骨 鱼 就 排涝 原形 氨 , 不 做 进一步 的 转化 ;而 爬行 动物 和 乌 类 却 不 是 将 氨 制 成 可 溶性 的 尿素 ,而 是 制 成 了 极 不 溶 的 尿酸 ,以 固 体 的 形式 排出 体外 . 氮 尿素 尿酸 H H O ; ) ag | | HN” 一 N、 H O | I c=0 Cc C—N~ 为 什么 会 有 这 种 代谢 差别 呢 ? 鲍德温 指出 , 这 可 能 与 各 < 238 。 Cy eee ee 一 ee ee 种 动物 获得 可 利用 的 水 的 情况 有 关 。 对 淡水 鱼 来 说 , 水 总 是 够 用 的 ,并 且 不 断 地 次 人 和 渗 出 鱼 的 身体 在 这 种 环境 中 , 生 成 的 氨 在 血 流 中 作为 很 稀 的 溶液 就 被 冲洗 到 周围 的 水 中 ， 没 有 时 间 曹 积 到 中 毒 浓度 . 成 水 中 的 多 骨 鱼 的 情况 与 此 类 似 ， 但 它们 生活 在 盐 的 浓度 比 自己 血液 中 盐 的 浓度 高 的 水 中 ， 情 况 比 较 复 杂 ， 它 们 不 得 不 采取 措施 抵制 过 多 的 盐 从 海水 中 进 AKA, 或 体内 有 过 多 的 水 散失 到 海水 中 . 因而 它们 就 只 能 把 一 部 分 氮 以 氮 的 形式 排出 ,把 其 余 的 所 《大 约 三 分 之 一 ) 转 化 成 别 的 低 毒 物质 排出 . 可 是 陆 生 动物 的 情况 却 完全 不 同 . 它们 必须 保存 水 以 免 FH. 因此 它们 不 能 用 大 量 的 水 在 排 氨 以 前 把 氨 冲 痰 ,而 是 把 所 转化 成 毒性 低 得 多 的 尿素 . 对 于 这 种 适应 性 改变 , 蛙 是 一 个 最 有 趣 的 例子 . WR EREUDANBAHA, (eS 时 变 成 陆 生 形态 的 青蛙 时 ,就 改变 了 体内 的 生物 化 学 过 程 , 转 而 采取 合成 尿素 的 方式 排 气 了. 最 后 是 鸟 类 和 疏 行 动物 ， 这 两 类 动物 是 由 蛋 孵 出 的 ; 它 们 的 蛋 与 在 水 中 孵化 的 鱼 卵 不 一 样 , 是 在 于 燥 的 陆地 上 下 的 . 为 了 避免 在 孵 出 前 直 失 水 分 , 蛋 有 不 透水 的 外 壳 . 但 是 这 种 不 透水 性 ,也 意味 着 它们 根本 没有 办 法 处 理 溶 液 中 的 废物 氮 。 这 无 疑 排除 了 将 氮 制 成 氨 的 排泄 办 法 ;甚至 把 氮 转 化 成 尿素 ， 也 意味 着 溶液 中 尿素 的 浓度 在 蛋 孵 出 前 会 逐渐 增高 ， 能 达到 使 胚胎 很 不 舒服 的 程度 (正如 有 人 指出 过 的 那样 ,至 少 足 以 使 胚胎 十 分 难受 ). 因而 所 被 转变 成 不 溶 的 尿酸 ; 尿酸 是 无 害 的 ,可 不 以 溶 沪 的 形式 而 以 固体 团 块 的 形式 排除 掉 。 这 种 情 况 提 供 了 在 生物 化 学 的 水 平 上 进行 自然 选择 的 一 个 引 人 人 胜 的 例子 . 尽管 未 成 熟 的 比较 生物 化 学 ， 是 处 在 成 长 阶段 的 一 门 学 科 , 在 发 展 中 肯定 会 增 漆 更 多 的 东西 ,有 许多 进化 和 演变 的 例 © 239° 子 , 但 是 现在 地 球 上 一 切 生命 形态 的 生化 组 成 和 组 织 都 表明 ， 它们 确实 是 统一 的 ， 这 种 统一 性 与 各 生命 形态 在 总 体 结构 和 行为 上 的 显著 差异 是 十 分 矛盾 的 . 大 多 数 的 人 们 都 不 愿 把 我 们 自身 与 鱼 、 伤 寒 菌 、 交 细胞 和 栎 树 进 行 比较 ， 但 是 事实 却 告 诉 我 们 ,我 们 与 它们 的 共同 之 处 ,要 比 我 们 所 能 推测 到 的 多 得 多 . 那 为 什么 呢 ? 因为 我 们 今天 所 知 的 各 种 生命 形态 , 已 经 历 了 数 十 亿 年 的 发 展 进 化 ， 已 变 成 了 向 各 个 方向 发 展 的 各 种 各 样 的 物种 , 在 外 表 上 已 相差 得 很 远 了 . 但 是 在 进化 的 整个 过 程 中 , 它们 的 生物 化 学 形式 却 没有 多 大 变化 . 对 这 种 情况 的 唯一 使 人 信服 的 解释 是 ， 这 些 生 物化 学 参量 建立 和 固定 以 后 ， 各 个 生物 物种 才 开始 沿 着 生物 学 家 已 经 追 亢 出 的 各 种 不 同 的 途径 发 展 . 根据 生物 化 学 形式 是 相同 的 这 一 点 ， 可 以 肯 定 所 有 现存 的 物种 都 有 一 个 共同 的 原始 祖先 ， 有 关 这 种 原始 祖先 的 外 部 形状 , 现在 只 能 推测 , 而 有 关 它 的 生物 化 学 ,我 们 可 以 肯定 它 与 今天 生物 体 的 生物 化 学 是 相似 的 ， 因 此 可 以 把 这 种 关系 表示 为 : 2 植物 原始 生物 aa 党 ae 生命 的 起 源 这 样 的 分 析 已 把 生物 化 学 家 引 到 了 当代 最 使 人 感 兴趣 的 一 个 问题 上 ， 即 如 何 令 人 信服 地 阑 明 在 地 球 上 的 生命 的 起 源 问题 .如 果 当 代 所 有 的 生命 表现 形式 ,都 能 利用 严格 的 化 学 和 物理 学 原理 加 以 说 明 ,使 每 个 生物 化 学 家 都 信服 的 话 , 那 就 有 。240 « 可 能 利用 化 学 和 物理 学 原理 来 说 明 现在 的 这 些 生命 形态 的 起 源 问 题 . 有 一 种 关于 生命 起 源 的 假说 认为 , 动物 和 人 两 者 的 原始 祖先 ,是 在 某 些 非 化 学 和 物理 学 因素 的 干预 下 形成 的 , 然 后 一 直 在 各 自 的 化 学 和 物理 学 的 环境 下 向 前 发 展 ; 另 一 种 假 说 认为 ,生命 以 这 种 或 那 种 形式 始终 存在 着 ,其 历史 象 宇宙 一 样 悠久 ,根本 不 是 在 哪个 具体 的 时 间或 地 点 产生 的 . 除非 我 们 能 证 明 有 一 种 生命 起 源 的 途径 ， 既 不 违反 化 学 和 物理 学 原理 ,又 能 使 人 信服 ,这 两 种 假设 在 理论 上 既 没 有 一 个 令 人 满意 ,也 根本 没有 必要 . 在 广义 上 说 ,假如 有 这 样 一 个 途径 ， 那 些 细节 是 否 都 必须 由 科学 资料 进一步 加 以 证 实 都 无 关 紧 要 ; 重要 的 事情 是 ,甚至 在 我 们 今天 有 限 的 科学 条 件 下 ， 也 仍 是 要 提出 一 个 合理 的 、 令 人 满意 的 解释 . 如 果 有 人 企图 证 明生 命 不 可 能 按 我 们 所 假设 的 途径 产生 ， 就 为 把 生命 的 实 质 神秘 化 ,从 而 为 批评 我 们 的 假说 的 人 帮 了 人 忙 ， 在 很 长 一 段 时 间 内 ,大 多 数 人 都 绝对 相信 ,从 芯 壹 到 微 生 物 的 每 一 种 生物 都 是 自然 产生 的 . 十 九 世 纪 中 业 ，, 法 国 的 巴 斯 德 经 过 周密 的 研究 得 出 结论 说 ,如 我 们 所 人知 ,无 生命 的 物质 不 能 自发 地 产生 出 生命 来 . 巴 斯 德 说 , 每 一 种 生物 都 是 从 另 一 种 生物 变 来 的 . 这 并 不 会 使 我 们 感到 惊奇 ,因为 当今 世界 的 最 简单 的 生物 也 是 极其 复杂 的 ， 无 生命 的 物质 根本 不 可 能 有 那样 的 分 子 结构 ， 要 从 其 组 成 元 素 构成 有 机 体 ， 实 际 上 是 根本 不 可 能 的 ， 组 成 当代 生命 形态 的 化 学 物质 , 需要 经 特殊 的 催化 反应 才能 合成 ， 这 些 反应 的 特殊 催化 剂 本 身 就 是 生物 体 的 产物 , 不 能 自发 地 生成 . 如 果 我 们 要 探索 具有 现代 生命 特征 的 复合 物 的 起 源 , 我 们 就 必须 假设 ,这 些 具 有 生命 特征 的 复合 物 ,经 过 了 极其 温 长 的 发 展 和 进化 , 才 形 成 了 地 球 上 的 生 命 .地球 上 一 且 出 现 了 我 们 现在 通过 化 石 能 观察 到 的 最 早 的 生命 形式 ,地 球 的 起 源 就 跟 生 命 的 起 源 分 道 扬 灸 了 . «241 为 了 说 明 这 些 特征 产生 的 方式 ， 我 们 就 必须 提出 远古 时 期 地 球 上 可 能 有 的 一 些 合情合理 的 环境 条 件 .。 在 三 十 世纪 三 十 年 代 ， 苏 联 的 奥 帕 林 〈A. I. Oparin) 首次 严谨 而 系统 地 党 试 着 探讨 了 这 方面 的 问题 . 虽然 近 三 十 年 来 的 科学 发 展 和 知 识 积累 要 求 在 许多 细节 上 了 予 与 修正 ， 但 是 论文 的 主要 方面 还 是 非常 令 人 满意 的 。 在 奥 帕 林 之 前 ,因为 人 们 认为 ,远古 时 地 球 的 大 气 主要 由 氧 构成 ,进化 出 现 的 第 一 个 生物 体 ,为 了 捕获 能 量 和 合成 需要 的 有 机 物质 ,必须 能 进行 光合 作用 ,这 就 给 问 题 的 讨论 增加 了 不 少 困难 我 们 知道 , 光合 作用 是 高 度 复杂 的 过 程 ,显然 只 有 经 过 充分 发 展 \ 高 度 完善 的 生物 体 才 有 可 能 进行 这 个 过 程 . 当 奥 帕 林 指出 远古 地 球 的 大 气 决 不 是 富 所 的 ,一 定 与 其 他 行星 的 大 气相 似 ,含有 大 量 的 氢 , 甲 烷 \ 所 和 三 氧化 碳 时 , 这 一 难题 就 解决 了 。 现在 的 大 气 已 经 取代 了 远古 的 大 气 , 恰 栓 是 由 于 生命 经 历 了 千 百 万 年 的 进化 ,把 甲烷 和 三 氧化 碳 转变 成 了 有 机 化 合 物 ， 最 后 才 通 过 光合 作用 释放 出 氧 . | 我 们 可 以 想象 远古 的 地 球 有 浩瀚 而 温暖 的 海洋 ， 海 洋 里 湾 有 来 自 岩石 的 各 种 盐 类 ， 地 面 笼罩 着 由 各 种 气体 组 成 的 对 现代 生物 有 致命 危险 气体 的 大 气 , 在 这 种 环境 下 , 大 量 的 有 机 化 合 物 开始 生成 ， 要 靠 有 还 原作 用 的 大 气 和 由 太阳 不 断 地 射 来 的 光线 和 紫外 线 的 能 量 ， 因 为 在 那样 的 环境 中 ,COA HO, CH, 和 NH, 能 起 反应 ,生成 包括 氨基 酸 、 尿 素 和 许多 其 他 物质 的 混合 物 . 美国 的 米 勒 (Stanley Miller) 做 了 一 个 有 趣 的 实验 ; 证 实 了 这 种 说 法 。 他 对 一 个 闭 密 水 浴 器 内 由 氢 、 甲 烷 和 氨 组 成 的 混合 气体 通电 二 十 多 小 时 , 最 后 生成 的 产物 ,经 分 析 发 现 , 含 有 八 种 以 上 的 不 同 的 氨基 酸 ， 七 种 以 上 的 一 元 羧 酸 和 二 元 阔 酸 , 所 有 这 些 物质 都 是 构成 当代 各 种 生物 体 的 基本 材料 。 最 © 242。 ‘ . 4 vs 8 See ees 一 > 近 类 似 的 实验 甚至 指出 ,在 完全 非 生物 的 这 类 条 件 下 ,能 够 合 成 ATP 和 小 的 蛋白 质 ， 因此 ， 在 远古 的 海洋 里 有 机 物 的 含量 一 定 不 断 地 增加 . 这 些 物 质 相 互 作用 ，, 生成 一 系列 的 新 物质 . 浅海 底 的 泥土 和 岩石 的 表面 ,* 有 铁 、 铂 和 铜 , 具 有 催化 作用 ,有 机 物 开 始 在 这 里 积累 和 聚合 . Alt, 短 链 肽 和 核酸 , 也 许 还 有 糖 类 开始 聚集 ， 凝固 在 岩石 的 表面 上 和 游离 在 海水 中 . 随后 是 这 个 过 程 中 最 关键 的 一 步 . 人 们 早 就 知道 , 溶 有 大 分 子 如 氮 基 酸 或 糖 的 育 合 物 的 溶液 ， 很 容易 破裂 成 含有 凝 RASA ADS NRK» AB AIL EAB SE Aik BD. 在 溶液 中 的 盐 和 低 分 子 量 的 有 机 物 ， 也 趋 于 和 聚合 物 一 起 被 吸入 这 些小 滚珠 中 , 这 种 现象 叫 凝聚 . 用 物理 学 定律 是 完 可 以 合理 地 解释 的 ,只 不 过 解释 比较 复杂 点 . 例如 含 凝 胶 或 阿拉 伯 树 胶 的 溶液 就 能 形成 这 种 凝聚 液 珠 ， 物 理学 的 分 支 学 科 胶 体 学 ,对 此 作 了 广泛 的 研究 . 奥 帕 林 认为 ,在 含有 有 机 桶 合 物 的 远古 海洋 中 ,正如 比 聚 BET wee RRA. AMAA WS Bie TRA BU VS 度 浓 缩 的 小 滚珠 .在 小 滚珠 内 ,聚集 的 各 种 化 合 物 彼此 很 近 ， 互相 起 作用 。 在 有 些 滚珠 内 ,这些 反应 的 结果 会 使 液 珠 不 稳 定 , 例如 由 于 改变 了 pH 值 , 液 珠 又 破碎 了 .虽然 这 样 , 有 些 液 珠 在 较 长 的 时 间 内 仍 保持 稳定 , 随 着 时 间 的 推移 ,又 有 更 多 的 化 学 物质 聚集 到 其 中 , ERE IR KA. 但 是 凝聚 的 流 珠 有 一 个 最 佳 的 大 小 ,如 果 波 珠 凝 聚 得 超出 了 这 个 大 小 , 便 会 破 有 裂 成 两 个 或 多 个 更 小 的 液 珠 .每 个 小 液 珠 的 成 分 都 类 似 于 母 体液 珠 的 成 分 . 这 个 过 程 就 这 样 继 续 下 去 . 不 稳定 的 凝聚 的 液 珠 会 破 2, 它们 的 有 机 物 重 又 用 来 凝聚 成 稳定 的 液 珠 . 稳定 的 凝聚 液 珠 将 长 大 和 分 裂 . 在 液 珠 中 会 形成 越 来 越 复杂 的 聚合 物 . 。243 。 能 象 催 化 剂 一 样 催化 某 些 反应 的 金属 离子 和 核 彰 酸 之 类 的 畏 酶 , 当 其 附着 在 蛋白 质 的 先 质 肽 聚合 物 上 时 ， 活性 便 会 增强 ， 便 会 生成 原 酶 . 经 过 许多 亿 年 ,海洋 便 充 满 了 这 种 稳定 的 能 再 生 的 、 原 始 的 ,半生 命 状 态 的 小 滚珠 . 在 其 长 期 发 展 的 某 一 阶段 ， 便 出 现 了 互相 依赖 .互相 合成 的 核酸 和 蛋白质 分 子 , 生 成 了 现在 负责 遗传 传递 的 DNA-RNA- 蛋 白质 复合 物 的 前 身 . 其 间 , 由 于 凝聚 层 继续 积聚 海洋 中 溶解 的 有 机 物 , 可 积聚 - 的 这 些 物 质 一 定 会 逐渐 减少 . 当 现 存 的 有 机 分 子 不够 用 时 ， -一 定 会 出 现 一 个 进化 时 期 ,在 这 个 时 期 ,自然 选择 必然 有 利于 那些 利用 无 机 能 源 ( 如 硫化 氨 ) 的 凝聚 体 , 在 一 个 短暂 时 期 里 ， 这 样 的 自 养 生物 一 定 很 茂盛 ， 比 当代 的 自 养生 物 分 布 得 广泛 得 多 . 似乎 是 在 这 个 进化 阶段 发 展 了 光合 作用 的 机 制 . 能 进 行 光 合作 用 的 生物 和 自 养 生物 既 已 进化 ， 其 他 生物 的 生存 环 境 就 一 定 会 变 得 好 些 一 一 氧 会 开始 在 大 气 中 出 现 ， 海 洋 中 预 先生 成 的 有 机 物 供应 会 再 次 显著 地 增加 . RA, 在 异 养 和 自 养生 物 之 间 自 调节 的 " 碳 循环 "开始 起 作用 ， 我 们 今天 所 知 的 生命 时 代 便 从 此 开始 . 概略 地 说 ， 这 就 是 近 三 十 多 年 来 俄国 以 及 其 他 国家 的 生 物化 学 家 发 展 的 奥 帕 林 假 说 。 显 然 , 这 种 假说 还 有 许多 问题 . 有 些 是 复杂 的 化 学 问题 ,例如 在 生物 体内 普遍 存在 的 ,而 在 无 生命 的 自然 界 里 却 不 存在 的 如 氨基 酸 或 糖 类 这 些 “ 不 对 称 ”分 子 的 来 源 问题 . 由 更 原始 的 物质 合成 蛋白 质 和 核酸 等 的 聚合 步骤 也 还 没有 令 人 满意 的 说 明 . 其 他 问题 更 富 于 理论 性 和 哲理 性 . 例如 , 在 从 无 生命 到 有 生命 的 进化 中 ， 究 竟 是 在 什么 时 候 超 越 了 它们 之 间 的 界线 的 呢 ? Sink, 与 无 生命 相对 的 生命 的 定义 是 什么 呢 ? 有些 人 针对 这 些 问题 设法 进行 了 一 些 严 格 的 实验 . 例如 许多 生化 遗传 学 家 认为 ， 只 有 一 个 体系 含有 能 进行 精确 的 自我 复制 和 。244 。 发 生 突 变 的 核酸 一 蛋白质 复合 物 时 ， 才 能 认为 该 体系 是 有 生命 的 .而 另 一 些 生化 遗传 学 家 认为 照 这 样 给 生命 下 的 定义 还 不 能 令 人 满意 . 很 明显 , 有 些 象 狗 、 花 \ 酵 母 细胞 之 类 的 东 西 是 有 生命 的 ;有 些 象 盐 \ 尿 素 或 氨基 酸 等 的 分 子 都 是 无 生命 的 . 在 这 两 种 极端 的 情况 之 间 , 有 一 个 充满 了 凝聚 液 珠 、 病 毒 和 一 些 生化 制备 物 如 分 离 出 来 的 线粒体 或 细胞 核 等 的 不 确定 的 中 间 和 领域 。 有 生命 的 东西 和 无 生命 的 东西 之 间 ，, 正 象 在 子 富 中 的 受精 卵 和 长 成 的 成 体 之 间 ， 或 者 生 蛋 和 者 熟 的 蛋 之 间 一 样 , 没有 严格 的 界线 . 生命 和 无 生命 的 极端 情况 是 完全 不 同 的 ， 但 是 无 生命 的 东西 是 通过 无 数 的 小 步 又 转化 到 有 生命 的 . 只 有 处 在 极端 情况 的 某 种 东西 , 我 们 才能 满 有 把 握 地 说 它 有 生命 还 是 没有 生命 . 在 过 去 的 震 干 年 内 ， 这 样 的 问题 在 有 关 生 命 起 源 的 各 种 会 议 上 引起 了 热烈 的 争论 . 但 是 这 些 争论 是 在 物理 学 和 化 学 理论 的 基础 上 展开 的 . 作为 生物 化 学 家 ,我 们 既 没 有 权利 ,也 没有 必要 越过 物理 和 化 学 所 提供 的 理论 界限 . e 245。 第 十 三 章 ”一 些 未 解决 的 问题 在 本 书 中 , 我 们 很 快 地 掠 过 了 现代 生物 化 学 的 领域 。 我 们 尽量 系统 地 在 思想 、 实 验 和 理论 方面 划分 出 各 个 不 同 的 发 展 阶段 来 ,这 种 划分 是 从 生物 化 学 角度 探讨 生命 问题 的 特点 ; 同时 尽量 说 明 ， 现 在 生物 化 学 家 们 如 何 相 信 他 们 能 制 出 一 个 关于 生命 的 总 的 资产 负债 表 ， 这 种 表 能 在 不 同 程度 上 说 明 各 种 生命 行为 的 某 些 方面 .我 们 已 经 说 明 过 的 许多 基础 生命 过 程 , 现在 能 用 十 分 精确 的 分 子 概念 加 以 说 明了 .。 这 里 所 说 的 分 子 概念 ， 与 化 学 家 在 写 简单 的 酸 碱 反应 方程 式 时 使 用 的 分 子 概念 ， 或 物理 学 家 在 描述 反应 分 子 的 电子 的 量子 能 量 时 使 用 的 分 子 概 念 ,是 完全 一 样 的 .对 于 生命 的 其 他 许多 性 质 ; 我 们 远 未 做 到 这 种 程度 ;我 们 的 认识 还 太 肤浅 . 在 本 书 中 ,我 们 对 生物 化 学 的 讨论 ,好 象 一 只 蝴蝶 ,只 在 生物 化 学 花园 里 的 那 些 色彩 最 鲜艳 、 最 有 吸引 力 或 最 了 解 的 那些 花 儿 上 停留 . 在 这 样 做 的 过 程 中 ,我 们 也 许 提 出 了 一 些 不 正确 的 看 法 ， 而 这 却 是 生物 化 学 克服 错误 达到 现代 科学 的 必由之路 。 这 种 作法 也 许 十 分 错误 . 近 三 十 年 来 生物 化 学 的 发 展 确实 是 非常 可 观 的 ,现在 仍然 处 在 发 展 的 高 潮 中 ;还 没有 减 慢 的 迹象 . 生 物化 学 仍 是 一 门 年 轻 的 学 科 ， 许 多 问题 今天 还 是 一 知 半 解 或 理解 错误 ,还 有 待 于 第 二 代 、 第 三 代 的 研究 工作 者 去 彻底 搞 清 楚 . 那么 我 们 当中 那些 象 七 十 年 代 取得 成 就 的 生物 化 学 家 那 样 冒昧 发 表 自 己 的 理论 和 见解 的 人 ， 在 不 可 抗拒 的 科学 发 展 中 ,即使 不 被 遗忘 ,最 多 也 只 是 象 那 些 见解 被 后 人 修正 或 否定 的 人 那样 不 太 受 到 重视 .如 果 我 们 在 本 书 中 侧重 最 近 的 成 果 © 246。 a 和 现代 的 工作 ， 那 也 应 该 记 住 ， 我 们 现代 生物 化 学 的 整个 工 作 ;, 是 建立 在 十 九 世 纪 化 学 家 和 物理 学 家 工作 的 基础 上 的 ,是 建立 在 二 十 世纪 初创 立 生 物化 学 的 先驱 者 的 工作 的 基础 之 上 的 . 我 们 也 不 应 该 筷 记 有 多 少 东西 我 们 还 不 了 解 . 其 中 有 些 没有 搞 清 的 问题 ,我 们 已 在 最 后 几 章 里 提 到 了 ,仔细 地 讲 了 目 前 正在 研究 的 或 当前 还 没有 研究 的 许多 敏感 的 新 领域 . 今 A, 控制 过 程 的 机 制 、 细 胞 的 调节 、\ 细 胞 结构 生物 化 学 的 内 部 细节 ,作为 整个 生物 体 的 一 部 分 的 细胞 的 功能 .遗传 杜 殖 的 生 物化 学 机 制 \ 激 素 控 制 和 记忆 ,更 不 必 说 应 用 生物 化 学 知识 去 防治 疾病 和 营养 不 良 等 一 王 所 有 这 些 问题 ,在 我 们 看 来 ,似乎 在 很 大 程度 上 和 在 许多 方面 ， 都 象 生物 化 学 的 先驱 者 们 在 确 定 蛋 昌 质 结构 ,前 明 柠檬 酸 循环 时 那 伴 难以 解决 . 然而 , 我 们 有 理由 认为 , 要 是 有 资金 和 时 间 , 在 今后 几 年 A, 其 中 许多 问题 是 能 够 解决 或 接近 于 解决 的 . 解决 这 些 问 题 不 仅 对 生物 化 学 本 身 很 重要 ， 而 且 对 生物 化 学 以 外 的 领域 也 很 重要 ， 因 为 基于 生物 化 学 的 研究 成 果 的 一 些 实 际 应 用 技 术 可 能 有 重大 的 意义 ， 亡 今 生物 化 学 和 实际 应 用 技术 的 结合 还 很 少 . 在 酿酒 和 食品 工业 方面 有 一 些 生物 化 学 家 〈 巴 斯 德 也 许 是 这 方面 的 第 一 个 人 ). 虽然 几乎 所 有 药物 作用 方式 的 生物 化 学 基础 理论 还 很 缺乏 ， 但 是 现代 制药 工业 却 占用 了 一 些 其 他 领域 的 人 才 . 由 于 越 来 越 复 杂 的 物质 通过 在 微生物 领 域 的 酶 来 制造 ， 而 不 是 用 化 学 合成 法 来 制造 ， 所 以 工业 微 生 物 是 一 个 正在 兴起 的 领域 .与 工业 损伤 和 污染 相关 而 与 生物 MFR RIE RAIA TARA BUH”. BAN AA 只 不 过 是 个 骗 人 的 东西 . 但 是 在 最 近 几 年 内 可 能 出 现 突破 的 希望 远 不 止 于 此 ,还 可 能 出 现 医 学 技术 的 革命 ， 分 子 生物 学 向 更 复杂 的 遗传 工程 。 247。 : i 科 院 植物 所 图 书馆 AUT A $0014799 学 领域 发 展 ， 对 大 脑 机 制 的 了 解 作为 智能 控制 技术 应 用 等 这 些 可 能 性 , 已 进行 过 热烈 而 详细 的 讨论 . 这 些 技术 都 有 益处 Iho ”这 首先 取决 于 社会 上 是 接受 还 是 否定 它们 .有 些 人 是 ARUBA. 现代 急速 发 展 的 化 学 战 和 生物 战 , 一 所 也 没有 降 低 这 些 技 术 的 意义 . 当 一 些 美国 分 子 生 物 学 家 在 1969 年 底 召 开 一 次 记者 招待 会 ， 在 会 上 宣布 分 离 出 了 大 甩 杆 菌 的 DNA 一 一 一 个 真正 的 基因 时 ， 他 们 曾 表示 担心 ， 他 们 的 工作 . 会 被 用 在 遗传 工程 或 生物 战 上 . 后 来 有 人 宣布 , 出 于 政治 土 的 考虑 , 他 决定 不 做 进一步 的 研究 . 他 的 担心 可 能 显得 有 些 偏激 ;但 在 七 十 年 代 的 背景 下 , 却 是 不 容 忽 视 的 . 对 于 作为 生 物化 学 家 的 我 们 来 说 ， 仍 要 尽量 保证 我 们 的 研究 成 果 不 这 样 使 用 。 如 果 我 们 不 能 保证 做 到 这 一 点 , 那 我 们 就 要 严肃 地 问 道 : 我 们 在 阐明 生命 本 质 方面 应 当 再 走 多 远 呢 ? mR My BELA 1983. 10.12 | 23364 $8174 生 全 的 as 1953 FY} iH. we fie | =| 4 | | = ie : y - Tego leewwe ie 49S 5042 10 封面 设计 : 骆 小 然 “7 天 Wie m 和 ” xc - .- ; a.) ores. —-_ > 4