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螃蟹博士的轮子 精选

已有 19119 次阅读 2015-8-10 14:08 |个人分类:教学与科研|系统分类:科普集锦|关键词:生化,代谢| 代谢, 生化

把克雷布斯 (Krebs) 听成是螃蟹 (Crabs),完全是我那吃货的天性和蹩脚的英语听力造成的,姑且将错就错吧。

 

螃蟹博士准确的全名是汉斯·阿道夫·克雷布斯 (Hans Adolf Krebs),德裔犹太人,生化学家。1937年,螃蟹博士发现了生命代谢中重要的代谢通路——三酸循环(tricarboxylic acid cycle),又称柠檬酸循环(citric acid cycle)或克雷布斯循环(Krebs cycle)。虽然他的论文不幸遭到了被《自然》拒稿的待遇,只能屈尊发表在影响因子很低的荷兰杂志《酶学》(Enzymologia)上。然而,这项工作是如此之重要,使他成为1953年诺贝尔医学奖得主。

 

螃蟹博士的发现为什么重要?我们也许可以从饶毅最近在北大毕业典礼的讲话说起。饶毅说:“从物理学来说,无机的原子逆热力学第二定律出现生物是奇迹;从生物学来说,按进化规律产生遗传信息指导组装人类是奇迹。”他希望:“在你所含全部原子再度按热力学第二定律回归自然之前,它们——既经历过物性的神奇,也产生过人性的可爱。”

 

饶毅这段话,给文艺范添加了些科学韵味。但若是遇上较真儿的物理学家伙,人家不一定会买这个账。因为,从有序到无序这个熵增加的过程,只发生在孤立的封闭系统。对于一个开放的系统,是完全可以做到从无序到有序的。而我们的生命,正是这样一个开放系统。这个系统把我们每天吃进肚子里的食物和吸进肺里的氧气转化成能量,然后用这些能量组装出一个个井然有序又千差万别的生命。

 

这个能量转化的过程,便是我们通常所说的代谢。代谢过程是在线粒体里进行的,在许多的生化教科书中,这个有着双层膜的细胞器被称作是能源工厂(power house)。在这个工厂里,食物中的糖和脂肪被加工成ATP分子。ATP分子有两个磷酸键具有很高的吉布斯能,因而能为其他的生化过程提供能量。若是打个金融时代的通俗比方,ATP可算是细胞中杠杠的硬通货了。有了它,离子可以在离子通道处买入场券,去浓度高的地方凑热闹;收下了ATP的心肌蛋白则会卖力地收缩舒张,让顽主们潇洒地去玩心跳。如此说来,线粒体又有些像细胞中的中央银行或金融中心,把货币分配到需要它的地方去。只不过,这个银行超级经济和高效,从不搞土豪式的囤积居奇,也不玩高富帅的杠杆,更不制造伟光正的泡沫。

 

线粒体的代谢有多经济和高效?可以以心脏为例来说明。若是按每分钟70跳的平均心率来算的话,我们每个人的心脏在一天24小时内要不停地跳十万次以上。这超过十万次的心跳,每天把总量约7000升的血液,通过总长逾16万公里、如河流一样遍布全身的血管,源源不断地输送到身体的各个部位。多少的机械功啊!这么多的机械功又需要多少ATP呢?据不精确的计算,我们的心脏每天要消耗掉5公斤的ATP,而心脏本身的重量,平均只有大约300克。正是这不到300克的心肌细胞里的线粒体,每天要生产5公斤的ATP来维持心脏的正常运作。若是有一秒钟所有的线粒体都罢工了,会是怎样的情形呢?那时候心肌细胞里库存的ATP,就只够维持50次的心跳了,这也正是心肌梗塞致命的原因。所以,没有了线粒体,心跳是玩不起的。

 

螃蟹博士发现的这个三酸循环的轮子,就坐落在线粒体的中心位置,有点儿像中央银行的印钞机。呃,我已经把我知道的金融词汇快用完了,这书有点儿说不下去了,咱还是接着用发电厂说事儿吧。

 


线粒体发电厂


 

电镜下的线粒体

 

 

线粒体结构图解

 

 

文艺范儿的线粒体

 

 

线粒体有双膜,亦有自己的基因(mtDNA),在所有细胞器中独此一份。mtDNA和细菌基因的相似度颇高,因此有理论认为有核细胞在进化的过程中吞噬了细菌,把它们改建成了发电厂。

 

和发电厂需要煤或石油一样,线粒体生产ATP也有两种主要原料,这就是食物里富含的葡萄糖(淀粉)和脂肪酸(脂肪)。有些细胞比较挑食,比如我们的大脑,只用葡萄糖来生产ATP。而勤勤恳恳生命不息搏动不止的心脏,食谱则较广,葡萄糖和脂肪酸都行。从葡萄糖或脂肪酸到ATP的这个生产过程,大概由三个分厂流水作业来完成。一分厂负责预加工,由两个分车间把葡萄糖和脂肪酸分别降解成只有两个碳原子的乙酰。乙酰再由辅酶A这个搬运工给送到二分厂,它的两个碳原子在这里被分解成了二氧化碳。与此同时,电子被传给了尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+) 和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD,(呃,这中文的化学名词太拗口了!)变成了NADHFADH2,这两个分子就是二分厂的产品。NADHFADH2被送到三分厂后,经过一连串的电子转移,释放出的能量便可以被用来进行ATP的组装了。

 

螃蟹博士发现的三酸循环,正是生产NADHFADH2的二分厂。它就像个不停地转动着的轮子,载上乙酰分子,甩出NADHFADH2及二氧化碳。当我们休息的时候,这个轮子就会转的稍慢一些;当我们运动的时候,它又会以十倍于平时的速度旋转起来。这个轮子每载入一个乙酰分子,就会生产出3NADH和一个FADH2分子。这些分子被送到三分厂后,一共能生成11ATP分子。在葡萄糖代谢所产生的38ATP分子中,共有24个是通过三羧酸循环产生的。而一个16碳脂肪酸所产生的131ATP分子,则有96个来自于三羧酸循环。环环紧扣的反应,简洁而高效,让人惟有惊叹化学之美与造化之神奇。


 

三羧酸循环

 

螃蟹博士于1981年谢世,他的学生和博士后又成了生化领域的领军人物。他们喜欢在大会小会上回忆螃蟹博士,说他临终前一个月还追着学生要实验数据。有时他们也会提起他喜欢运动,尤其是骑摩托,他把他心爱的坐骑称作是—— the Krebs cycle.

 

 

螃蟹博士和他的轮子


(本文照片全部来自互联网,特此鸣谢。)



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