单位文秘网 2021-07-08 08:11:40 点击: 次
摘要:2018年是1997年诺化奖得主博耶和斯科教授的百年华诞,他俩作为现健在诺奖得主中年龄最长的双子寿星而耀映诺坛。腺苷三磷酸(ATP)是细胞内能量流的重要物质和普遍载体,在所有动植物和微生物的新陈代谢中都扮演着极为重要的角色。ATP的发现和认识过程是20世纪生命科学领域的重大进展。简明扼要地介绍了博耶和斯科先生生平与家庭成员;主要学术成就与贡献以及所获荣衔与奖项;诺奖得主中的长寿寿星,同时还阐述了ATP的发现和认识简史以及与其相关联的诺奖得主概况。
关键词:诺贝尔奖(诺奖);诺贝尔物理学奖(诺物奖);諾贝尔化学奖(诺化奖);诺贝尔生理学或医学奖(诺医奖);诺贝尔自然科学奖(诺自科奖);长寿寿星;腺苷三磷酸(ATP);ATP酶(ATPase);ATP合酶(ATP synthase);离子泵;氧化磷酸化;电子传递链(ETC);化学渗透理论(学说);结合变换机制(BCM)
3 ATP的发现和认识简史以及博耶和斯科博士的主要学术成就与贡献
1929年德国生物化学家洛曼(Hans Karl Heiich Adolf Lohmann,18981978)从骨骼肌和肝脏抽提物中首次分离出一种焦磷酸盐和AMP相联系的化合物,后来被证实它就是ATP。[1]洛曼在迈尔霍夫(1922PM22*)实验室的研究合作者是L.Jendrassik。同年哈佛医学院生物化学实验室的科学家也独立地分离出ATP。[2]1934年洛曼发现加入ATP可促使透析过的肌肉抽提物催化磷酸肌酸(CP)水解成肌酸(C)和无机磷酸盐Pi(inorganic phosphate),同时它被分解成AMP和2份磷酸。由此他推断ATP在以下磷酸肌酸水解过程中只是充当“辅酶”的角色:①AMP+2CP→ATP+2C;②ATP+2H2O→AMP+2Pi。这2个反应的总反应式是2CP+2H2O→2C+2Pi,这个反应式后被称为洛曼反应(Lohmann reaction)。1935年洛曼进一步地确定了ATP的分子式。同年前苏联(今俄罗斯)生物化学家恩格尔加德(Vladimir Aleksandrovich Engelgardt,18941984)首先注意到肌肉收缩需要ATP,故ATP曾被称为肌苷酸(inosinic acid)。此前,科学家们只是把ATP作为分解代谢的最终产物来看待。随着研究的深入,发现所有动植物和微生物的细胞内都含有ATP。英国生理学家和生物物理学家希尔(1922PM21*)在后来总结肌肉收缩能量变化的研究时,称ATP的发现是“肌肉生理研究的革命”。[3]
美国籍德国裔生物化学家李普曼(1944年入籍,1953PM22)自1930年代起就把研究重心转移到ATP方面,期间发现丙酮酸氧化和乙酸活化都同磷酸盐有某种联系。1941年他发表重要的综述性论文《磷酸键能在代谢中的产生和利用》,[4]阐述了磷酸键在能量转换和生物合成中的核心作用并首创“高能磷酸键”(energy–rich phosphate bonds)这一重要概念,文中还提出了ATP循环假说:异养生物(又称化养生物,包括绝大部分动物;与此相对的是光养/自养生物,包括绝大部分绿色植物和光合微生物)细胞从营养物分子,特别是碳水化合物、脂肪的降解过程中获取自由能,使ADP转化为ATP,然后ATP再通过降解,将其自由能供给细胞的需能。ATP是将细胞内产能过程所产生的自由能传递到需能过程的化学能通用中介载体。李普曼荣获诺医奖的理由是“因他发现辅酶A及其在中间代谢中的重要性”(for his discovery of co–enzyme A and its importance for intermediary metabolism)。
1948年英国生物化学家托德(1957CH)等人在实验室采用化学方法首次人工合成腺苷并随后合成ADP和ATP,[5]接着又率先人工合成黄霉素腺嘌呤二核苷酸FAD(flavin adenine dinucleotide)。[6]托德荣获诺化奖的理由是“因他对核苷酸及其辅酶的研究”(for his work on nucleotides and nucleotide co–enzymes)。
关于生物体内ATP形成机制的研究一直是生命科学家们所关注的重点和热点。早在1937年,丹麦生物化学家卡尔卡(Herman Moritz Kalckar,19081991)[7]就发现ATP合酶与细胞呼吸有关,从而开创了细胞呼吸研究之先河。19401950年代,科学家们进一步地观察到在细胞呼吸或光合作用期间,线粒体或叶绿体内的ATP浓度明显上升。
在活细胞中伴随着呼吸链的氧化过程所发生的能量转换和ATP的形成称氧化磷酸化(oxidative phosphorylation),关于其电子传递链ETC(electron transport chain)的偶联机理,目前学术界主要有以下3种假说:①化学偶联假说(chemical coupling hypothesis):1953年由澳大利亚生物化学家斯莱特(Edward Charles "Bill" Slater,FRS,19172016)首先提出,该假说认为电子传递过程释放的化学能导致含高能键中间产物的形成,后者被转移到ADP而形成ATP。[8]此假说在1950年代占据统治地位并流行一时,有关氧化磷酸化问题曾经几乎都用它来解释,但人们至今仍未能在线粒体中分离到与之相类似的高能共价中间产物。②构象偶联假说(conformational coupling hypothesis):1964年由博耶首先提出,[9]它认为呼吸链上的电子传递使呼吸链中蛋白质发生构象变换(即低能构象转变为高能构象),使能量暂时储存在肽链的折叠之中,然后这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。文献[10~12]是博耶在这方面进一步研究的重要著述。因测定构象甚为困难,支持此假说的实验证据太少。③化学渗透学说(chemiosmotic hypothesis):有时亦称化学渗透偶联学说。1961年英国生物化学家米切尔(1978CH)[13]基于有关ATP合酶与细胞呼吸之间的关联研究而首先提出,起初并未引人注意。该学说认为,细胞呼吸链的各组成成分在线粒体内膜中呈不对称分布。当电子在膜中迂回传递时,所释放的能量将质子(H+)由膜内(基质)泵至膜外(内外膜间隙),从而使内膜外的质子浓度高于内膜内,即内膜外较内膜内pH值更低一些。这样形成的跨膜质子电化学梯度包括2个内容:跨膜的电位差和膜内外的pH差。在这个梯度的驱动下,质子穿过膜上的ATPase复合体回流入膜内,其能量促使ADP+Pi合成ATP。[14]1966年该学说得以进一步完善而趋于成熟,[15]1974年认识到是跨膜质子驱动势推动ATP合酶催化合成ATP。[16]至1970年代中期,该学说已获大量实验证实而开始流行,最终由文献[17]通过囊泡重建方法而确立其统治地位:在人为施加电化学势的驱动下,含有纯净ATP合酶的囊泡催化了ATP的合成。实验表明,人为地改变酸碱环境,造成内膜两边的离子浓度差,也可促使ATP的形成。化学渗透学说很好地解释了线粒体内膜中电子传递、质子电化学梯度建立以及ADP磷酸化之间的关系,但也有不尽人意之处。[18]米切尔荣获诺化奖的理由是“因他通过制定化学渗透理论对理解生物能转换所作的贡献”(for his contribution to the understanding of biological energy transfer through the formulation of the chemiosmotic theory)。目前得到主流学界公认的是化学渗透理论,其余2个假说因实验证据不足而得不到学界普遍认可。
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