阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第18部分

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第十二章　蛋白质

第十二章　蛋白质

示　踪　剂

虽然可以利用所有这些方法对新陈代谢进行研究，但是仍然
使化学家们好像处于一种从屋外向里观瞧的境地。他们能够说明
总的循环，但要查明活的动物体内实际发生的情况，他们需要一些
追踪的方法，非常详细地了解新陈代谢各个阶段的各种事件的过
程，也就是追踪各种特定分子的实际命运。实际上，在本世纪初就
发现了追踪的技术，但是化学家们未能很快地充分利用这些技术。

首先沿着这个途径开创前进的是德国生物化学家努普。　1904
年，他想出了一个方法：用带有标记的脂肪分子喂狗，然后观察这
些分子会发生什么变化。他把一个苯环连接在链的一端，给脂肪
分子做上标记；他使用苯环是因为哺乳动物体内没有能够分解苯
环的酶。努普推想：苯环在尿中出现时所携带的东西可能会告诉
我们一些有关脂肪分子在体内怎样分解的情况。他的推想是正确
的：排出的苯环总是附带着一个双碳的侧链。他由此推断，身体一
定是每次从脂肪分子上分解出两个碳原子。（前面我们已经看到，　
40多年后，对辅酶　A的研究证实了他的推断。）

一般脂肪上的碳链都含有偶数的碳原子。如果使用链上含有
奇数碳原子的脂肪又会如何呢？在这种情况下，要是一次截去两
个碳原子的话，最后在苯环上就会只附带一个碳原子。努普用这
种脂肪喂狗，最后的结果果然如此。

努普在生物化学上使用了第一种示踪剂。1913年，匈牙利化
学家赫维西和他的同事德国化学家帕内特想出了另一种标记分子
的方法：放射性同位素。他们从利用放射性铅开始。第一个生化


阿西莫夫最新科学指南

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实验就是以铅盐溶液的方式测量一棵植物吸收了多少铅。由于植
物吸收铅的量确实太小了，用任何可以利用的化学方法都测量不
出来。但是，如果使用放射性铅，利用铅的放射性就很容易测量出
来。赫维西和帕内特给植物施加上这种带有放射性标记的铅盐溶
液；每过一段时间，他们就烧掉一颗植物，然后测定它的灰烬的放
射性。用这种方法，他们能够确定植物细胞吸收铅的速率。

但是苯环和铅是非常不利于生理的物质，用它们来作标记很
容易破坏活细胞正常的化学反应。最好能够使用实际参与体内一
般代谢作用的原子（如氧、氮、碳、氢、磷等原子）来作标记。　


1934年约里奥…居里夫妇证实了人工放射性以后，赫维西立
即转到这个方向上来，开始使用含有放射性磷的磷酸盐。他用这
种盐测定了植物中磷酸盐的吸收量。遗憾的是，活组织中的一些
主要元素的放射性同位素（尤其是氮和氧）是不稳定的，因为它们
的寿命很短，最多只有几分钟的半衰期。但是，一些最重要的元素
中的确有可以用作标记的稳定同位素。这些同位素是碳…13、
氮…15、氧…18和氢…2。在通常情况下，它们产生的量非常小（大约
为　
1％或更少）。比方说，在氢　
…2中，“浓缩”天然氢就可以使氢作
为含氢分子的特殊标记进入身体，而任何化合物中有重氢都可以
用质谱仪探测出来。质谱仪是利用重氢多余的重量将重氢分离
的。这样，人们就可以在全身追踪带有标记的氢的命运了。

事实上，氢是人们使用的第一种生理示踪剂。　
1931年尤里分
离出氢…2（氘），这时人们可以用氘来示踪了。用氘作为示踪剂最
先弄清楚的几件事情之一是，体内的氢原子并不像人们曾经认为
的那样固定在它们的化合物上。结果证明，它们总是从一种化合
物到另一种化合物，穿梭般地来回跑动，在糖分子、水分子等的氧
原子上不停地交换位置。因为无法把一个一般的氢原子与另一个
相区别，所以，如果没有氘来泄露，这种穿梭活动是发现不了的。


第十二章　蛋白质

第十二章　蛋白质

这一发现表明，氢原子在体内到处跑动，如果把氘原子附着在氧
上，那么，不管有关化合物是否发生全部的化学变化，氘原子都会
散布到全身。因此，研究人员必须查明，在一种化合物中发现的氘
原子是通过某种确定的酶促反应到那里去的，而不只是通过穿梭
或交换的方法跑去的。可庆幸的是，附着在碳上的氢原子不交换，
所以，沿碳链发现的氘具有代谢的意义。　


1937年，德国出生的美国生物化学家舍恩海默和他的同事们
开始使用氮…15，进一步强调了原子的游动习性。他们用带有
氮…15标记的氨基酸喂养大鼠，过一定的时间以后把大鼠杀死，然
后分析大鼠的组织，看哪些化合物中带有氮　
…15。他们又一次发现
交换是重要的。一个带有标记的氨基酸进入身体以后，很快就发
现几乎所有的氨基酸都带有氮　
…15。1942年，舍恩海默出版了一
本书，名为《身体成分的动态》。这个书名就说明了同位素示踪剂
给生物化学带来的新面貌。原子完全摆脱实际化学变化，在繁忙
的道路上不断地往返游动。

使用示踪剂使人们对代谢过程逐渐有了详细的了解。它进一
步证实了诸如糖的分解、柠檬酸循环以及尿素循环的总图式。它
使人们认识了更多新的中间产物，找到了许多其他的反应途径，
等等。

由于核反应堆的发展，在第二次世界大战以后有　
100多种不
同的放射性同位素可以大量利用，示踪研究工作进入了高速发展
阶段。一般的化合物在反应堆中用中子轰击，取出后就会带有多
种放射性同位素。在美国（我大概可以说几乎是在全世界，因为美
国很快就制造了供其他国家科学研究使用的同位素）每一个生物
化学实验室都已经开始利用放射性示踪剂进行研究工作了。

现在，稳定同位素中又增加了放射性氢（氚）、放射性磷（磷　
…
32）、放射性硫（硫　
…35）、放射性钾（钾　
…42）、放射性钠、放射性碘、放


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射性铁、放射性铜和最重要的放射性碳（碳　
…14）。碳…14是由美国
化学家卡门和鲁宾　
1940年发现的。使他们感到惊奇的是，经证明
碳…14的半衰期是　
5　000多年——人们从未想到轻元素中会有一
种半衰期这么长的放射性同位素。

胆固醇

碳…14解决了化学家们多年来未能解决而且他们似乎根本无
法解决的一些问题。在这些问题中，他们首先解决的一个问题就
是胆固醇是怎样产生的。维兰德（由于他在研究有关胆固醇的化
合物方面的成就，获得　
1927年的诺贝尔化学奖）等人经过多年的
艰苦研究，终于提出了如下的胆固醇结构式：

CH3　


CH3　
CH　CH2　CH2　CH2　CH　
CH3　

CH　CH3

CH2　


CH2　C　CH2　

CH3

CH2　

CH　CH　CH2　
CH2　C　


CH　

CH　CCH2　
OH　CH2　CH　


胆固醇在体内的功能还不完全了解，但是很明显这种物质是
非常重要的。在神经周围的脂肪鞘里，在肾上腺里，以及在某些蛋
白质的结合物里，发现都有大量的胆固醇。过量的胆固醇能够引
起胆结石和动脉粥样硬化。最值得注意的是，胆固醇是整个类固
醇族（甾族化合物）的原型，类固醇的核就是你在以上分子式中所
看到的四环结合物。类固醇是一组固态的、类似脂肪的物质，其中
包括性激素和促肾上腺皮质激素。毫无疑问，它们都是由胆固醇
形成的。但是，胆固醇本身在体内又是怎样合成的呢？　



第十二章　蛋白质

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在他们得到示踪剂的帮助以前，化学家们对这个问题毫无认
识。最先用示踪剂研究这个问题的是舍恩海默和他的同事里顿伯
格。他们让大鼠喝下重水后发现，重水的氘出现在胆固醇分子中。
这个结果本身并不重要，因为仅仅通过交换氘就可以到胆固醇分
子中去。但是，　
1942年（在舍恩海默悲惨地自杀以后），里顿伯格
和另一位同事德国血统的美国生物化学家　
K。　E。　布洛赫，发现了
一条比较明确的线索。他们把示踪剂氘连接在乙酸离子（一种简
单的二碳基团，CH3COO—）CH3基的碳原子上，然后用这种乙酸
离子喂大鼠。氘同样出现在胆固醇分子中，这一次它不可能是通
过交换到那里去的：它一定是作为　
CH3基的一部分被结合到胆固
醇分子中去的。

二碳基团（乙酸离子就是其中的一种）好像是代谢的一个总交
叉路口。这样看来，这种基团很可能起着合成胆固醇的材料库的
作用。但是，它们到底是怎样形成胆固醇分子的呢？　


1950年，当可以利用碳　
…14的时候，K。　E。　布洛赫重复了这个
实验，这一次他在乙酸离子的两个碳上分别使用了不同的标记。
他用稳定示踪剂碳…13标记出　
CH3基上的碳，用放射性碳…14标记
出　
COO－基上的碳。他把这种化合物喂给一只大鼠，然后分析大
鼠的胆固醇，看这两个带有标记的碳在胆固醇分子的什么地方出
现。这种分析是一项艰巨的任务，需要精细的化学技术。　
K。　E。
布洛赫和许多其他实验者为此工作了多年，对胆固醇碳原子的来
源一个一个地予以确认。最后形成的图式表明，乙酸基团可能首
先形成一种叫做鲨烯的物质。这是一种体内非常稀少的三十碳化
合物，以前从来没有人想到要给予认真关注。现在它好像是通往
胆固醇道路上的一个中间站，生物化学家们怀着强烈的兴趣开始
了对它的研究。由于这项工作，K。　E。　布洛赫和吕南分享了　
1964
年的诺贝尔医学与生理学奖。


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血红素的卟啉环

生物化学家们用和解决胆固醇合成大致相同的方法，探索了
血红素的卟啉环结构。卟啉环是血红蛋白和许多酶中的一种关键
结构。哥伦比亚大学的谢敏用各种方法给甘氨酸作上标记，然后
喂鸭。甘氨酸（　
NH2CH2COOH）有两个碳原子。当他用碳…14标记　
CH2基的碳时，碳出现在从鸭血中提取的卟啉中。当他标记　
COOH基的碳时，放射性示踪剂不在卟啉中出现。总而言之，　
CH2
基参与卟啉的合成，而　
COOH基不参与。

谢敏和里顿伯格合作，发现甘氨酸的分子不仅在活动物体内
能够结合到卟啉中去，而且在试管内的红血球里也能结合到卟啉
中去。这个发现使事情简单化了，人们可以得到更加明确的结果，
而避免宰杀或伤害动物。

后来，谢敏用氮　
…15标记甘氨酸的氮，并用碳　
…14标记甘氨酸
的　
CH2基的碳，然后把这种甘氨酸与鸭血混合在一起。之后，他
小心地剖析了所产生的卟啉，发现卟啉分子中　
4个氮原子全部来
自甘氨酸。4个小吡咯环（分子式见第十一章）的每个环上，都有
一个邻近的碳原子来自甘氨酸。在吡咯环之间起桥梁作用的　
4个
碳原子也是这样。这样就剩下了卟啉环本身的　
12个其他碳原子
和各种侧链上的　
14个碳原子。已经证明，这些碳原子来自乙酸离
子，有些来自　
CH2基的碳，有些来自　
COOH基