前言:
長久下來我們都知道,細胞可將我們日常食物的主要成分 (如蛋白質、脂質和碳水化合物) 轉變成更小的分子化合物,而這些小分子化合物可作為建構細胞以及維持細胞代謝的主要物質。至於這些物質的轉換過程以及能量的轉換,則是以極為複雜的模式發生。在Hans
Adolf Krebs的出現前,已經為人所知的這些知識僅是涉及細節和部分的過程。但卻沒有人知道這些反應彼此是如何聯繫,而且也沒有人能提供一個所有反應機制的轉換流程圖。因此Hans
Adolf Krebs對於這些反應機制的轉換進行研究,最終於明瞭各機制是如何彼此聯繫轉換,也因此偉大的貢獻而獲得諾貝爾醫學生理獎。
得獎者簡介:
Hans Adolf
Krebs於1900 年8月25日誕生在德國的Hildesheim,其父親Georg Krebs是位醫學博士,亦是位耳鼻喉科醫師;而Alma Davidson是她的妻子。
Krebs開始受教於Hildesheim的Gymnasium Andreanum,並於1918至1923年期間,在Freiburg-im-Breisgau、Berlin、Gottingen三所大學研修醫學,且於1925年在Hamburg大學取得醫學博士學位,之後又花費一年時間在Berlin研修化學。而在1926年他被Kaiser Wilhelm學會指派至Berlin-Dahlem教授生物學,並且一直在那服務至1930年,這段期間他也由助理升至教授。
1930年他回到Altona市立醫院與L. Lichtwitz教授一起工作,之後他又到了Freiburg-im-Breisgau大學的醫學診所與S. J. Thannhauser教授一同工作。
1933年6月,政府終止了他的任命,之後他應Frederick Gowland Hopkins先生的邀請至劍橋大學,那時他是以一位Rockefeller的身份,在劍橋大學裡被指派為生物化學示教員,一直待到1934年。
1935年,他被指派至Sheffield大學講授藥理學,而在1938年被遷調至Sheffield大學的生物化學部門。1945年他升格為教授以及醫學研究委員會的研究單位主任。
1954年他被任命為牛津大學生物化學教授,而醫學研究委員會的研究單位也因此轉移至牛津大學。
Krebs的研究主要著重於媒介物的新陳代謝,在這之中他研究哺乳動物肝臟中尿素的合成、鳥類尿酸及嘌呤的合成、食物氧化的中間過程、電解質的主動運輸機制,以及細胞呼吸與adenosine
polyphosphates生成的相對關係。
在他眾多的發表中最值得注目的便是在1957年發表有活體的能量轉換,這是與H. L. Kornberg共同合作的研究成果,主要是在探討有機體提供高能量磷酸的複雜化學過程,這便是所謂的Krebs或citric acid
cycle。
1947年Krebs被推選為倫敦皇家協會的會員。1954年獲得皇家協會的皇家獎章,1958年由於物理學、醫療科學、外科手術上的貢獻,獲得荷蘭頒贈黃金獎章,並獲封騎士爵位。同時他也擁有Chicago、Freiburg-im-Breisgau、Paris、Glasgow、London、Sheffield、Leicester、Berlin
(Humboldt University)、Jerusalem等多所大學的榮譽學位。
其一生主要的研究時期是在1942到1962年間,並於1953年獲頒諾貝爾生理醫學獎,卒於1981年,享年81歲。
研究成果:
在西元1920到1930年這段期間,對於研究糖類經無氧發酵而形成乳酸或乙醇和二氧化碳的中間產物反應,有著重大的進展及發現。換句話說,也就是在西元1930年之前,對於糖類在活細胞內的氧化過程並不是很了解,因此Krebs便對於這中間產物的氧化過程產生了莫大的興趣,而這問題也是值得研究探討的。
但在研究過程中他也遇到不少問題,例如過去研究無氧發酵的方式在這項研究中並不可行,因為這些氧化反應並無法由細胞萃取物中獲得,而另一向困難點是在於這些氧化反應會隨著細胞研磨或是切碎的外力破壞而快速轉變或破壞。
之後便知主要是由於水解酶的影響下,使得核苷酸形式的輔酶被破壞,因此使得氧化反應的活性喪失。
最先研究中間產物的氧化代謝是Thunberg,他有系統地檢測分離自動物組織中具氧化能力的有機基質。他主要發現了一些酸類,如lactate、succinate、furmarmate、malate、citrate和glutamate。而他這些研究成果之後便被Batelli和Stern所證實確認以及延伸研究。但Thunberg、Batelli和Stern他們的研究也僅只限於獨立的觀察,因為他們並無法將主要的氧化過程彼此串接起來。
之後另一項重要的發展是Szent-Györgyi發現雞胸肉特別是合作氧化反應的研究,因為其組織能在研磨破壞後尚維持著氧化的能力,他也因此證實了C4-dicarboxylic
acids(即succinic、furmaric、malic和oxaloacetic acids)的快速氧化以及推論出這些基質為催化過程的一部分。而這項推論最後由Stare和Baumann所證實,其結果如下。
接下來便是發現citrate能像succinate作為催化劑。然而長久以來僅知道citrate能在植物、動物及微生物中氧化,直到Martius和Knoop發現α-ketoglutarate為citrate氧化的產物,cis-aconitate和isocitrate為其中間產物,其轉換過程如下圖:
而影響citrate生成ketoglutarate的主要因素有:一、額外添加arsenite,二、增加citrate的量。而另一項重要發現是,當額外加入oxaloacetate時,citrate不但會快速消耗,而且在肌肉及其他組織中亦會開始生成,這也便可以解釋當oxaloacetate被消耗轉為pyruvate或acetate時,citrate會再度形成以維持oxaloacetate的量,因此這些轉換過程便如下圖所示:
由上圖所示的轉換過程,Kerbs便於1937年將其稱為citric acid cycle,之後後人為紀念Kerbs便又稱為Kerb cycle。
citric acid cycle發現之後,1948年Ochoa及Lynen確定oxalosuccinic acid為一中間產物,他們證實一特殊的decarboxylase可將oxalosuccinate轉變成α-ketoglutarate。此外,尚有一個pyruvate的衍生物能與oxalosuccinate結合,因而形成citrate,之後經由Lipmann、Stem、Ochoa及Lynen的發現及證實,確定了此衍生物稱為acetyl coenzyme A,而之後Ochoa與Green亦發現succinyl coenzyme A為α-ketoglutarate轉變成succinate時的一中間產物,最後邊將原有的citric acid cycle修正成下圖:
而至今又經過許多後人的研究與發現,整個citric acid cycle中的各種中間產物才漸漸被定位出來,而citric acid cycle也漸趨完整,其整個過程可由下頁圖示來表現:
Fig 4.*2
citric
acid cycle的發現可知其在分解蛋白質中扮演一個重要的角色,因為20個主要氨基酸當中的glumatic acid、aspartic acid及alanine所形成的衍生物,可以作為citric acid cycle中的中間產物,而其他五種氨基酸─histidine、arginine、citrulline、proline、hydroxyproline,能在動物體內形成glumatic acid,因此這些氨基酸也可以經由α-ketoglutaric acid而參與citric acid cycle。此外尚有五種氨基酸─三種lucines、tyrosine、phenylalanine,可以產生acetyl coenzyme A和malic acid。由此可以證實蛋白質經過氧化時會經由citric acid cycle而被分解成其他小分子。*1
結論與應用:
代謝是指將食物與營養轉換成能量與分子的過程。植物與許多細菌為自營(autotroph)生物,可自無機環境得到能量。動物如人類則為異營(heterotroph)生物,可自已存的高能量食物如碳水化合物中得到能量。*3
當生命在35億年前出現在地球上時,沒人知道究竟是自營還是異營生物先出現。但不論是何者,現代的自營與異營生物皆以同一系列的化學反應攝取能量----檸檬酸循環(The Citric Acid Cycle,簡稱TCA循環)。動物將糖類燃燒為能量、CO2以及檸檬酸;而自營生物則相反:以CO2經TCA循環產生能量與有機分子,最後也轉成檸檬酸。*3
在有氧的情況下,糖解所生成的丙酮酸進入粒腺體後,首先經過一步Oxidative decarboxylation,放出一分子的CO2,並將NAD+還原成NADH,同時形成acetyl coenzyme A。然後,此一被活化的,具有二個碳原子的acetyl
group,再與Oxaloacetic acid結合形成Citric acid,進入citric
acid cycle的代謝路徑中。在此循環反應中,一分子的acetyl group被徹底地氧化成二個CO2,並產生四對氫原子;後者以四個脫氫酶上的輔酶(NAD+或FAD)為電子接受者,將其分別還原成NADH及FADH2。這些被還原的輔酶是細胞內的電子攜帶者,下一步將把電子轉交到電子傳遞鏈以產生能量。*4
citric acid cycle是生物體中不同呼吸基質進行有氧呼吸的共同途徑,醣類與脂肪酸都要先被代謝為acetyl coenzyme A後再進入此一循環,而氨基酸分子亦以此循環為其主要分解途徑。所有citric
acid cycle的酵素都存在於粒線體內部的間質(Matrix)中。*4
Kerbs的貢獻對於科學界有著莫大的幫助,他將過去零散不完整的片段知識整合統整起來,就如同中國的朱熹,將過去的知識蒐集精要而集其大成,而且他這項研究成果不單只是對醫學上有所助益,對於動物、植物、微生物、生態上的研究也有著不小的貢獻,因為其牽涉到能量的轉換,因此便可利用此特性而予以研究不同物種其能量轉換以及細胞的新陳代謝。
參考資料:
1.http://www.nobel.se/medicine/laureates/1953/
2.Garrett&Grisham BIOCHEMISTRY p.643
second edition 1999 Saunders College Publishing
3.http://leos.bu.edu/news_details.html?news_id=178
4.http://www.hort.ntu.edu.tw/postharvest/postharvest_course/lecture/chap03-content.htm