书城科普读物探索未知-化学史话
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第8章 现代化学(3)

米歇尔,瑞士生物化学家。出生于一个卓越的科学家家庭。他的父亲约翰·弗里德里希和伯父威廉·希斯都是巴塞尔大学解剖学教授。米歇尔起初在巴塞尔学习医学,但感到他的轻度耳聋症对于一个内科医生来说可能是一种障碍。遂转向攻读生理化学。因此,从1868年到1870年他在蒂宾根的菲利克斯·霍珀赛勒指导下学习有机化学并在莱比锡的卡尔·路德维希实验室学习生理学。1871年他被任命为巴塞尔的生理学教授。

正是1869年在蒂宾根研究脓细胞的时候,米歇尔获得了十分重要的发现。当时人们认为这样的细胞主要是由蛋白质构成,但是米歇尔注意到某种不属于迄今已知的任何蛋白质物质的存在。事实上他能证明这种物质完全不是蛋白质并且不受消化蛋白酶——胃蛋白酶的影响。他还证明了这种新的物质仅仅来自细胞核,因此叫它“核质”。米歇尔不久就证明可以从许多其他细胞获得核质,它除了含有通常的有机分子成分——碳、氧、氮和氢外,还含有磷,这是不寻常的。直到1871年,被霍珀赛勒(他想证实这些结果)推迟了的米歇尔论文才得以发表。在这篇论文中,他宣布在大量细胞核中存在着非蛋白质的含磷分子。

1889年理查德·奥尔特曼给它重新命名为核酸。直到1953年詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克宣布它的结构之前,人们才清楚了该分子在细胞中的准确作用。米歇尔在自己的短暂生命结束前,继续研究从莱茵河大麻哈鱼的精液中提取的核质。他花了许多时间苦思受精化学,甚至在1874年推测“如果谁想假定一种简单的物质……是受精作用的特定原因,无疑他首先想到的是核质”。不幸的是米歇尔没有在这个基础上继续做下去,他宁可去探索受精作用的物理模型。然而别的有机化学家积极地继续了他的研究工作。1893年,奥尔布雷克特·科塞尔成功地识别了四种核酸碱基。

德国生物化学家科塞尔(1853~1927年),先后任马尔堡和海德堡大学生理学教授(1895~1923年)。他最初学医,后来在菲利克斯·霍珀-赛勒影响下转向生物化学。在斯特拉斯堡(1877~1881年),科塞尔是霍珀赛勒的助手,继续了关于称为核质的细胞物质的研究,已证明核质含有蛋白质和非蛋白质部分以及碳水化合物。科塞尔还研究过精子中的蛋白质,他是第一个分离出组氨酸的人。由于他在细胞和蛋白质方面的成就,他被授予1910年诺贝尔生理学或医学奖。

据知,核酸以两种形式存在,一种在动物的胸腺中,另一种在酵母中。科塞尔证明胸腺核酸含有四种氮的化合物:腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶,而酵母核酸的不同之处在于含有尿嘧啶而不是胸腺嘧啶。尿嘧啶的结构式如下:酵母核酸中,同时还存在着碳水化合物和磷,然而并不知道它的结构和功能。莱文的工作对这些问题得出某些结论。

美国生物化学家莱文,莱文1891年从圣彼得堡获医学博士学位后,随他的家庭移居美国并在纽约哥伦比亚大学攻读化学课程。后来到德国在埃米尔·费歇尔和阿尔布雷希特·科塞尔指导下学习化学,他们引导他研究核酸。1905年他到新组建的洛克菲勒医学研究所工作并在那里度过他的后半生。

1909年莱文发现存在于酵母核酸中的碳水化合物是戊糖核糖,然而直到1929年才成功地鉴定了胸腺核酸中的碳水化合物。它也是一个戊糖,但是缺少核糖的一个氧原子,因此叫做脱氧核糖。

这是首次发现脱氧核糖核酸,因此核酸也就有脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)之分。他们还证明它是由更简单的核苷酸组成,而核苷酸则是依碱基、核糖、磷酸的顺序连接而成。由于当时分析不够精确,得到了核酸中四种碱基含量相等的错误结果,从而推导出错误的“四核苷酸假说”。这个假说提出由四个含不同碱基的核苷酸相连接成为一个基本单位,再聚合成核酸大分子。

莱文在确定核酸为与蛋白质无关而存在的真正的分子方面取得了成功,但是他为这种阐明所付出的代价是给它们强加一个不合理地简单而重复的结构。因此,当探索达到分子水平的生物个性时,更复杂和多变的蛋白质结构比核酸“单调的”形式更受优待,并且一代生物化学家曾错误地在氨基酸的无穷潜力中寻找基因的结构。

当莱文去世前不久听到关于奥斯瓦尔德·艾弗里证明脱氧核糖核酸起决定性作用的第一流研究工作时,他是怀疑的。过了13年,詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克提出了他们的著名的双螺旋结构并完成了莱文和其他生物化学家在20世纪初开始的革命。

其间,英国化学家托德在核苷、核苷酸和辅酶化学研究中作出了决定性的贡献。为此,他获得了1957年诺贝尔化学奖。

到目前为止,我们对核酸已取得如下认识:

像多糖和多肽一样,核酸也是聚合物质,其分子量高达几百万。核酸存在于除哺乳动物血红细胞以外的所有活细胞内。核酸有着几乎多到无限的可能结构,使得信息能以密码的形式记录在分子结构中,这种方式就像使用少数几种语言符号就能表达这本书中许多概念的情况有些类似。这些被贮存的信息据信能控制下一代的遗传特征以及有机体的许多不断发展的生命过程。

核酸可以分为两类,一类含有脱氧核糖,另一类含有核糖。前者叫脱氧核糖核酸(DNA),后者叫核糖核酸(RNA)。DNA主要存在于细胞核中,而RNA主要存在于核外细胞质中。

核苷酸是DNA或RNA的重复单元。这类物质含有一个单糖单位、一个含氮的碱和一或两个单位的磷酸。

DNA及RNA是多核苷酸,这些分子的分子量高达几百万原子质量单位。它们的可能结构的数目似乎是无限的,因为DNA是细胞核中染色体的主要部分,可以合理地设想,生物有机体的特征被编码于DNA中。据估计,现有二百万种以上不同的生物体。即使每种个体只要求一种不同的DNA结构,以便使每一个个体都具有独特的特征,那也将要有相当数量的核苷酸组合。目前认为,某些类型的RNA可将DNA结构中的密码信息转移至细胞中的细胞质区域,在那里它们将控制数以千计正在进行的反应。

已经鉴定出三种主要的RNA。它们是信使RNA(mRNA)、转移RNA(tR-NA)和核糖体RNA(rRNA)。每种都有其特征的分子量和碱基组成。信使RNA通常是最大的,分子量在25000~100万原子质量单位之间,它们包含有75~3000个单核苷酸单位。转移RNA的分子量在23000~30000原子质量单位之间,包含有75~90个单核苷酸单位。核糖体RNA的分子量在mRNA和tRNA之间,并且构成细胞中RNA总量百分之八十。

三、糖类的研究

糖类又称碳水化合物,其中包含糖、淀粉、糊精、纤维素等。在生理上,其中尤其在营养生理上和科学技术上是极其重要的物质。在自然界再也没有其他有机物的量能比得上纤维素那么多了。碳水化合物也是其他种种天然产物的重要成分。在这些产物中,碳水化合物与各种醇、酚、酸等化合成糖苷和丹宁的形式存在,因此,化学家当然应该尽力把碳水化合物的结构研究清楚。

在19世纪,费歇尔已经在碳水化合物的组成和结构方面做了开创性的工作,此处无庸赘述。虽然费歇尔的直链结构式可以大体上表示出这些碳水化合物的性质,但是却无法解释为什么碳水化合物在溶解后有阻碍分子重排的现象。显然,碳水化合物的分子除费歇尔结构式所表示的形式以外,可以采取其他形式。后来,科学家们逐渐知道了糖分子的骨架结构不是E.费歇尔所想像的那种链式结构,而是环状结构。

尽管费歇尔为两个甲基葡萄糖甙指定了环结构,从而正确地解释了这两个化合物的存在。但他却未把这种环结构扩大到葡萄糖本身,因为他感到这种扩大是不适宜的。他并没有认识到这个问题与1846年迪布伦弗特发现的变旋现象有关,迪布伦弗特发现新制葡萄糖溶液旋光不稳定,逐渐减小到比旋光达到+52.5°为止。1895年坦莱特报导了两个葡萄糖异构体的制备,一个比旋光为+113°,另一个比旋光为+19°。将这两个异构体溶于水后,它们的比旋光改变到+52.5°。

1903年,爱德华·阿姆斯特朗(1878~1945年)证实α-葡萄糖甙用苦杏仁酶水解得高旋光构型的葡萄糖(α),而用麦芽酶来乳化β-葡萄糖甙得到低旋光构型的葡萄糖(β),这样就揭示了费歇尔的甲基葡萄糖甙存在两种构型的葡萄糖。在以后的30年里,由于对含氧环性质的特别注意,人们进行了有关糖分子结构的研究。

今天,我们知道的碳水化合物分子的环状结构,就是根据霍沃思的研究结果而来的。

霍沃思为英国生物化学家,1920年到达勒姆大学任有机化学教授,几年以后任化学系主任。1925年被伯明翰大学化学系聘为教授和系主任。1937年,因“在碳水化合物和维生素方面的研究成果”和瑞士卡勒共享诺贝尔化学奖。

他的这项研究工作开始于苏格兰的圣·安得鲁斯大学。这个大学的化学教授T.珀迪和他的接班人欧文发现了一个很好的研究碳水化合物的方法,他们制备了糖的甲基醚,并对碳水化合物的化学作出了重要贡献。这时,珀迪是霍沃斯的老师,霍沃斯把这个方法大大加以改进,将这些醚非常有效地用于测定环发生闭合的位置。1926年左右,霍沃斯和赫斯特显然了解到甲基葡萄糖甙普遍以吡喃环的构型存在。后来霍沃思提出呋喃环结构也是可能的,尽管葡萄糖的平衡主要在吡喃一边。

霍沃斯的成果成了所谓碳水物化学上的文艺复兴或第二个黄金时代。到了1928年,他们提出了麦芽糖、纤维二糖、乳糖、蜜二糖、棉籽糖的化学组成和结构,还对淀粉、纤维素、木聚糖、菊糖等多糖的基本化学结构,以及糖的内酯及其旋光性进行了研究,为糖类化学的基础研究做出了重要贡献。

糖类是靠植物从水及大气中的二氧化碳合成的。因为合成反应是由具有光能的量于所激发,故此过程称为光合作用。这是一个吸收能量的过程,因此糖类是高能化合物。这些化合物是植物和动物的新陈代谢过程的重要能量来源。葡萄糖和其他某种单糖是细胞的快速能量来源。多糖(例如淀粉)中贮存了大量的能量。仅在多糖分解为单糖以后,其中贮存的能量才能被活细胞所利用。

某些复杂的糖类也被细胞用于结构之目的。例如木材的结构性质即部分来自纤维素。

已知单糖大约70种,其中20种是天然存在的。由于这些单糖具有许多能与水形成氢键的羟基,所以和很多有机化合物不同,它们极易溶于水中。

多糖的分子量已知可以超过百万。淀粉是多糖的一种。淀粉分子包含有许多连在一起葡萄糖单位。淀粉以覆盖有蛋白质的颗粒形式存在于植物中。这些颗粒受热时被破坏,其中所含的部分淀粉可溶于热水,可溶的是直链淀粉,剩余的是支链淀粉。

在结构上,直链淀粉是由α-D-葡萄糖单位组成的直链聚合物。对于直链淀粉分子量的研究表明,一个链平均含有大约200个葡萄糖单位。支链淀粉是由α-D-葡萄糖单位的分支链构成的。它的分子量通常大约相当于1000个葡萄糖单位。支链淀粉部分水解产生称为糊精的混合物。当然,完全水解产生葡萄糖。像淀粉在植物中一样,糖原是动物的能量贮存库。糖原与支链淀粉有基本相同的结构(葡萄糖单位的分支链),但糖原的分支更多。

纤维素是自然界中最丰富的多糖。与直链淀粉一样,它由D-葡萄糖单位组成。纤维素结构与直链淀粉结构间的差别在于D-葡萄糖单位之间连接方式不同。在纤维素中,所有的葡萄糖单位都是β环形式的,与此相反,在直链淀粉中为α环。大约2800个β-D-葡萄糖单位通过β键合连接在一起,形成一纤维素分子。棉花(约98%是纤维素)的性质可以通过它的亚微观结构来解释。一小组纤维素分子(每个分子有2000~9000个D-葡萄糖单位)由氢键几乎平行地联系在一起时,就形成了微纤维。微纤维是能看到的最小微观单位。宏观的纤维就是许多微观纤维的集合。棉花的吸水性质很容易用小的水分子由氢键固定在纤维束间的毛细管中来解释。淀粉与纤维素的不同结构是它们的可消化性有差别的原因。人及食肉动物不像许多微生物那样具有分解纤维素结构所必需的酶。

生物化学所研究涉及的领域还很广泛,这里就不一一叙述了,如果感兴趣可以自己寻找相关的资料阅读。

四、激素

在人和动物体内经常分泌着具有不同专一生理功能的激素,调节控制着生长、发育、生殖、新陈代谢等。它是人体内调节一系列生理变化的重要物质。

激素这个词(希腊文,我能激起活性)是伦敦大学生理学家威廉·利斯和斯塔林于1902年发现分泌素之后提出的。这个多肽激素是从十二指肠粘膜中分离出来的,它能促进胰液的分泌。较早时,就曾有人提出过存在化学分泌的说法,这种分泌作用能调节人体内的化学组成。