汉斯·克雷布斯

汉斯·克雷布斯:维持生命的化学

1937年3月,在谢菲尔德的一间实验室里,汉斯·克雷布斯(Hans Krebs)和一位同事将刚处死的鸽子的胸肌切碎,悬浮在溶液中,并观察其代谢率在随后的半小时内下降。然后他们加入了柠檬酸盐,组织继续呼吸的时间延长了大约三倍。解释原因的论文被《自然》(Nature)杂志拒绝了。十六年后,它获得了诺贝尔奖。

外科医生的儿子

克雷布斯于1900年8月25日出生在德国希尔德斯海姆,父亲是耳鼻喉科医生格奥尔格·克雷布斯(Georg Krebs),母亲是阿尔玛·戴维森(Alma Davidson)。他在家乡的安德烈亚努姆中学(Gymnasium Andreanum)就读,随后于1918年至1923年间在哥廷根、弗赖堡和柏林三所大学攻读医学,并于1925年在汉堡大学获得医学博士学位。随后,他在柏林又花了一年时间学习化学,这一决定使他从一名医生转变为生物化学家。

奥托·瓦尔堡的学徒

1926年至1930年间,克雷布斯在柏林的凯撒·威廉生物学研究所担任奥托·瓦尔堡(Otto Warburg)的助手。瓦尔堡是德国生物化学界最令人敬畏的实验家,这段学徒生涯赋予了克雷布斯定义其职业生涯的技术:呼吸组织切片的定量研究,在这种研究中,可以在活体准备工作仍在进行时测量其化学反应。此后,克雷布斯在利希特维茨(Lichtwitz)和坦豪瑟(Thannhauser)教授的指导下,在阿尔托纳和弗赖堡担任医院职务。

第一个循环

在弗赖堡,克雷布斯与一名叫库尔特·亨塞莱特(Kurt Henseleit)的研究生合作,解决了哺乳动物如何处理氨的问题。1932年发表的答案是,氨在肝脏中转化为尿素——一种毒性小得多的化合物,随尿液排出,也是氨基酸精氨酸的主要来源。其机制本身并不重要,重要的是它的形状。这是一个循环:一系列消耗其输入、释放其产物并再生其自身起始物质的反应,准备再次运行。这是有史以来发现的第一个循环代谢途径,弗雷德里克·高兰·霍普金斯(Frederick Gowland Hopkins)在1932年冬天向皇家学会介绍了这项工作。

1933年的解雇

1933年4月,纳粹政府解除了他在弗赖堡大学医学诊所的职务;他的任命于同年6月正式终止。一直关注德国文献中尿素研究的霍普金斯邀请他前往剑桥。克雷布斯于1933年7月以洛克菲勒研究员的身份抵达,随后担任生物化学系演示员,该职位一直担任到1935年。德国的损失是彻底且永久的:这位将解释人体每个细胞如何从食物中提取能量的人,在英国度过了他余下的职业生涯。

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鸽子胸肌实验

1935年,克雷布斯转到谢菲尔德大学担任药理学讲师。在那里,他与威廉·约翰逊(William Johnson)一起进行了鸽子肌肉实验,产生了他的第二个也是更伟大的循环。柠檬酸使呼吸延长三倍的观察结果指向了一个反直觉的事实:柠檬酸不是作为燃料被消耗,而是在一个封闭的循环中起催化作用,该循环消耗糖的分解产物,释放二氧化碳,并自我再生。

柠檬酸循环解释的是动物生命的核心交易。糖、脂肪和蛋白质的成分被输入其中,并转化为二氧化碳、水和能量,释放的电子被用于以三磷酸腺苷(细胞的化学能库)的形式构建高能磷酸键。《大英百科全书》的评估是,该循环“对于几乎所有的代谢反应都是核心,并且是高等生物中三分之二食物衍生能量的来源。”1937年,《自然》杂志拒绝发表它。

谢菲尔德和牛津

克雷布斯于1945年成为谢菲尔德大学教授,1954年转到牛津大学担任惠特利生物化学教授,并在那里任教直到1967年。他继续寻找循环:与H. L. 科恩伯格(H. L. Kornberg)合作,他描述了植物和微生物中的乙醛酸循环,并于1957年两人发表了一份关于生命物质中能量转换的报告。他于1947年当选为皇家学会会员,1954年获得皇家奖章,1958年被封为爵士,并于1961年被授予皇家学会科普利奖章。1953年,他与弗里茨·利普曼(Fritz Lipmann)共同获得诺贝尔生理学或医学奖,获奖理由简单地写着“因为他发现了柠檬酸循环”。

他于1938年与玛格丽特·西塞莉·菲尔德豪斯(Margaret Cicely Fieldhouse)结婚;他们有两个儿子,保罗(Paul)和约翰(John),以及一个女儿海伦(Helen)。他于1981年11月22日在牛津去世,享年81岁。

为什么汉斯被称为天才

这里独特的才能不是数学能力或理论胆识,而是一种特殊的模式识别:能够看着一长串化学中间体,在别人看到直线的地方看到一个圆圈。代谢曾被想象成从食物到废物的链条。克雷布斯两次发现,它是以循环方式运行的——分子可以在活细胞内作为自身再生的催化剂。尿素循环是第一个被识别出的此类途径,而柠檬酸循环被证明是有氧生命的引擎室。这是一个第一流的概念性举措,它不是通过推测获得的,而是通过对仍然活着的组织进行无情的定量测量获得的。

诚实的反对意见值得陈述。使之成为可能的技术——呼吸组织制备的压力测定研究——是他从奥托·瓦尔堡那里继承的,而不是发明的。这两个循环都是在合作中发现的,分别与亨塞莱特和约翰逊合作,诺贝尔奖也是共享的。《自然》杂志的拒绝很有启发性:对于1937年的专家同行来说,这项工作读起来并不具有革命性,因为它是从增量中组装出来的,而不是作为启示宣布的。没有法律或方程式带有克雷布斯的名字;但有一个代谢途径。他的成就是经验性的和累积性的,而不是单一的,这正是它从未需要修改的原因。

遗产

克雷布斯循环现在被传授给地球上的每一位生物学学生,通常作为单页上的图表,这掩盖了它有多难被发现。它的发现将生物化学从一门描述性科学转变为一门机械性科学,并提供了现代细胞能量理解的基础,以及医学对代谢疾病的大部分理解仍然依赖于此。一位1933年被自己国家解雇的难民,从一间英国省级实验室解释了生物是如何维持生命的。

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