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有趣的糖科学史#5 功不“糖”捐,玉汝于成(之一)
来源: | 作者:佚名 | 发布时间: 2023-11-21 | 112 次浏览 | 分享到:

引言

“The unforgotten moments of my life are those rare ones which come after years of plodding work, when the veil over nature’s secret seems suddenly to lift, and when what was dark and chaotic appears in a clear and beautiful light and pattern.“

——Gerty Cori


“我生命中难以忘怀的时刻是那些罕见的时刻,它们在经过多年的辛勤工作之后出现,当大自然秘密的面纱似乎突然揭开,当清晰而美丽的光线和斑斓出现在黑暗和混乱之中时。

——格蒂·科里


动物和人类的能量以糖原的形式储存在体内。植物则是以类似的分子——淀粉行使这一功能。克劳德·伯纳德 (Claude Bernard) 于1856年发现了糖原,主要储存在肝脏和肌肉中,少量储存在大脑、肾脏以及红细胞和白细胞中。糖原是一种储存型多糖(storage polysaccharide),由多达120000个葡萄糖分子组成,它是主要以α(1-4)糖苷键连接的葡萄糖聚合物,但在某些葡萄糖残基上以α(1-6)糖苷键连接,因而高度支化。它在一种被称为糖原蛋白(glycogenin)的细胞质蛋白上进行合成。其合成和降解(即糖原分解[glycogenolysis])在能量利用中受到高度调控。糖原通过源自尿苷二磷酸-N-乙酰葡萄糖胺(UDP-GlcNAc)的单个葡萄糖单元的逐步添加进行合成,并通过糖原磷酸化酶(glycogen phosphorylase)进行降解。这种不依赖于三磷酸腺苷(ATP)的反应通过糖原的磷酸解(phosphorolysis)作用形成葡萄糖-1-磷酸(Glc-1-P)。该底物可直接用于形成尿苷二磷酸-N-乙酰葡萄糖胺或转化为葡萄糖-6-磷酸(Glc-6-P),以通过糖酵解(glycolysis),或通过葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase)直接氧化进一步分解代谢。看起来就像一棵枝繁叶茂的生命之树,分支如经络一般指向各个方向。在营养充足的状态下,糖原由细胞从葡萄糖合成。

葡萄糖读者们应该并不陌生:它在己糖激酶(hexokinase)的催化下下与磷酸基团结合,以葡萄糖-6-磷酸盐(glucose-6-P)的形式进入细胞。在细胞内,在另一种称为磷酸葡萄糖变位酶(glucophosphomutase)的催化下,磷酸基团从6号位移动到1号位,成为葡萄糖-1-磷酸(glucose-1-P)。然后将其连接到尿苷二磷酸(UDP)上,最后在糖原合酶(glycogen synthase)和分支酶(glycogen branching enzyme)的影响下,形成了尺寸巨大的糖原分子。整个过程呗称为糖原生成(glycogenesis)。

在营养缺乏和血糖水平下降的状态下,糖原被分解为葡萄糖以维持正常的血液水平并提供能量,即糖原分解(glycogenolysis)。因此,糖原对于将血糖水平维持在严格的范围内分外重要。来自血液的葡萄糖可以在胰岛素的影响下进入细胞,并在胰高血糖素的影响下离开细胞。一旦进入细胞,葡萄糖就会在几个酶促步骤(糖酵解和Krebs循环)中分解(氧化)成二氧化碳和水。释放的能量以三磷酸腺苷(ATP)分子的形式被捕获,它是人体中通用的能量货币,可以为合成生命所需的所有蛋白质、脂质、复杂的碳水化合物和维生素提供能量。

解开糖酵解和糖原分解途径是一项了不起的壮举,它证明了所有参与者的想象力和独创性。两位科里博士卡尔·科里(Carl Cori)和格蒂·科里(Gerty Cori)居功至伟,他们是一对伉俪,在所有的研究中一起工作和合作。他们最重要的贡献是建立了称为“科里循环”的碳水化合物循环、分离出糖原合成的一系列酶,这些发现建立了糖原分解和糖酵解的酶促途径。今天的故事我们聚焦于女科学家格蒂,在糖原代谢方面,格蒂率先发现了脱支酶淀粉-1,6-葡萄糖苷酶,并将其作用在糖原上进行连续的酶促降解,从而阐明了糖原的结构。这项开创性工作揭示了糖原贮积病中的酶功能缺陷。因此,她的研究将基础科学发现拓展到了临床领域,尤其是儿科领域,而这是她最初的临床兴趣和专业领域。


天才少女的爱情和困境

格蒂·特蕾莎·拉德尼茨 (Gerty Theresa Radnitz) 于1896年8月8日出生在布拉格一个富裕的犹太家庭。她的名字(Gerty)以位于的里雅斯特的奥匈帝国海军的一艘军舰命名,父亲是波西米亚一家糖厂的厂长,而舅舅是布拉格大学的儿科学教授。十岁之前,她一直在家接受教育,然后进入一所女子中学,于 1912 年毕业。当时的女子中学被称为“新娘学校”(Finishing School),在那里她们学习一些相夫教子的简单课程,从而可以获得“如意郎君”。尽管当时的大学允许女性入学,但由于女子中学不提供拉丁语、数学、物理或化学课程,因此很少真正有人能通过入学考试。格蒂的舅舅支持她对科学的兴趣,鼓励她申请医学院。1914年,在通过了Tetschen Real Gymnasium的期末考试后,她注册成为一名医学生。事实上,她在短短的两年之内就完成八年的拉丁文,五年的数学、物理和化学。她后来称之为“我曾被要求参加的最难的考试”。

到了布拉格大学,她遇到了影响生命的最重要的一个人和一件事:她爱上了生物化学,決定放弃临床医师,改为进行毕生的科学研究,同时,她遇到了一生的挚爱和研究伙伴:卡尔。害羞内向的卡尔与落落大方的格蒂在许多方面非常互补。卡尔这样描述:“她是我的一位同学,一位年轻的女性,有魅力、活力、智慧、幽默感和对户外活动的热爱—这些品质立即吸引了我。”1920年,它们在毕业季选择了步入婚姻的殿堂,也发表了第一篇合作论文。

第一次世界大战刚刚结束,奥地利帝国开始分崩离析,而反犹主义则正在抬头。身处奥匈帝国(后来解体为同样信奉反犹太主义的继承国捷克斯洛伐克),加之女性在很大程度上被禁止步入职业,作为一名女性犹太人,格蒂遭受了双重障碍。为了与卡尔结婚,她不得已放弃自己的宗教改信天主教。混乱的时代背景下,饿殍遍地的情况及其普遍,格蒂也未能幸免:她罹患了干眼症。幸运的是,她在布拉格的家中通过改善饮食及时治愈了。

1921年的大部分时间里,格蒂在维也纳Karolinen Kinderspital的W. Knoepfelmacher 教授手下从事儿科工作。她的研究涉及先天性粘液水肿患者的甲状腺治疗,发表了几篇临床研究论文。根据卡尔的回忆,“我在维也纳诊所的导师,”他后来写道,“是一位才华横溢但不道德的医生,他是强烈的反犹太主义者。”卡尔意识到,由于格蒂是犹太人,他们在欧洲获得学术职位的机会极其渺茫,这无疑是促使他们移居美国的重要因素。

职场歧视与斗争

1922 年,科里夫妇来到美国,并在纽约州国立恶性疾病研究所(现罗斯维尔癌症中心,Roswell Park Cancer Center)任职。格蒂于1923年在布法罗(水牛城)发表的第一篇论文比较了甲状腺提取物和甲状腺素对草履虫增殖率的影响,延续了她早期对甲状腺激素作用的兴趣。

然而讽刺的是,这对夫妇的共同努力受到了诸多阻挠。阻挠的部分原因是担心有裙带关系,另一部分原因是当时对妇女的歧视。1922年,当他们在纽约布法罗的国立恶性疾病研究所的不同部门工作时,他们就被告知,合作会违反“反裙带关系准则”。这使得格蒂的工资降低,甚至被当时研究所的所长以开除相威胁不许她与她的丈夫卡尔合作。幸运的是,这些规则后来放宽了,同事们也开始欣赏他们的合作。这对夫妇得以继续在布法罗开展关于身体血糖代谢的开创性工作。

格蒂和卡尔夫妇作为研究人员的最大优势就是他们的团队合作。格蒂对科学富有想象力和创造性的洞见,而卡尔·科里则擅长于设计实际的方法进行验证和指导,可以说,他们的共同努力成就了他们的伟大。在布法罗的十年间,他们合作发表了50篇论文。此外,格蒂·科里自己独立发表了11篇论文。1923-1924年,格蒂单独发表了四篇关于X射线对皮肤和身体器官新陈代谢的影响的系列论文。在布法罗,开发卓越的分析方法并高度关注实验细节,加之对问题行而有效地进行定量框架,成为了两人科学研究的标志方法。在一系列优雅的论文中,他们提出了定量的体内平衡研究,涉及短期肾上腺素给药,显示出肝糖原略有增加,而总糖原则有较大减少,这里的增加和减少为毫克量级,对于当时的研究条件而言殊为难得。二人联合证明,无论是食用还是注射,D-乳酸都会以肝糖原的形式保留下来。而非天然异构体L-乳酸会被吸收,但基本上不会作为肝糖原保留下来。他们将这一标志性成就称为“碳水化合物循环”,后来被恰当地称为“科里循环”。“科里循环”揭示了能量如何在肝脏与肌肉之间流动:肌肉分解葡萄糖产生能量和乳酸,而乳酸通过血液被运到肝脏重新转化为葡萄糖,葡萄糖再通过血液被运回肌肉。

虽然研究中心设备很好,但在癌症中心研究糖代谢总是与其他人格格不入,于是他们决定找寻其他的工作机会。虽然在实验室里总是平等的,但在其他地方,他们并没有,也不大可能被平等地对待。但当他们开始找工作时,尽管她取得了很多成就,而那些聘用的机构也不会给予她同等的地位或报酬。当时在美国,夫妻同时在实验室里工作的并不少见;但通常妻子是担任丈夫的实验室助理,而且如果丈夫去世或他们离婚,女方马上就会面临失业。格蒂并不想只是当个没有保障的实验室助理。毕竟,以她的聪明才智与工作表现,她不逊甚至超过任何一个男人。卡尔为了她拒绝了康奈尔大学和多伦多大学,因为他们不愿意给格蒂一份工作。当他因为同样的理由拒绝了罗切斯特大学给他的聘书时,校方人士要求另外跟格蒂聊聊。他们跟她说,她这样的行为会影响丈夫的事业发展,以及在美国没有丈夫与妻子在同一个系工作。格蒂当时不发一语,但回去后痛哭失声。

1931年,位于圣路易斯的华盛顿大学表示愿意为格蒂和卡尔·科里两人提供职位,卡尔去当药学系的系主任、格蒂则成为他实验室的研究助理。结果不够满意,但仍然可以接受。但是,两人的工资待遇并不平等,据悉她初到华盛顿大学的薪水只有卡尔的十分之一。而即使是如此不平等的条件,也是在时任华盛顿大学校长的阿瑟·康普顿(因发现康普顿效应获1927年诺贝尔物理学奖)的特许之下才得以实现。

诺贝尔奖的肯定

在水牛城时,两位Dr. 科里(有一位还是医生)在完整动物大鼠体内研究糖代谢;到了圣路易后,他们决定开始使用组织(青蛙肌肉)。虽然完整动物不用担心组织保存,但是代谢的发生太快而复杂,而改用组织可以在控制温度与环境的状况下进行,实验更容易控制,结果也更容易解释和重复。从 1933 年到 1936 年,他们发表了一系列关于青蛙和大鼠肌肉中单磷酸己糖形成的论文,特别是厌氧条件下进行的肾上腺素给药和电刺激。经过对乳酸、无机磷酸盐、磷酸肌酸和ATP的仔(斤)细(斤)测(计)量(较),他们得出结论,单磷酸己糖的增加源自糖原在化学计量反应中与无机磷酸盐的酯化反应。其中单磷酸己糖的增加与无机磷酸盐的减少相当,而磷酸肌酸或ATP没有变化。

现在的我们,很难想像那个年代的人的实验困境。如今拿起电话,点点鼠标,化学药品唾手可得,而他们需要化学药品,必须自己纯化、自己制造。为了确定实验没有问题,格蒂严格地训练实验室中的每一个成员,确定所有的化学药品都以相同的标准来进行制造与纯化。两夫妻在实验室里分工合作:格蒂负责规划实验、做实验,一有结果马上跟卡尔讨论,而卡尔从实验结果去推论可能的机制。特举一例:在1936年的一项工作中,葡萄糖-1-磷酸首先从清洗过的,切碎的青蛙肌肉中分离出来,在无机磷酸盐缓冲液中孵育,格蒂清晰地记录了用水提取肌肉,用水进行大量透析,在甲苯下冷藏。然后向提取物中加入磷酸盐缓冲液、糖原和腺苷酸。将反应混合物在25℃孵育三十分钟,脱蛋白,添加氢氧化钡至碱性pH。然后遵循为磷酸己糖分析开发的酒精沉淀法。计算出酸水解前的还原能力(代表己糖-6-磷酸)和酸水解后的还原能力(代表新的己糖-1-磷酸)。

1936年可能是两人的“幸运年”。他们唯一的儿子汤姆于当年出生。格蒂一直工作到分娩前一天,在三天后又回来继续工作。夫妻两人在那一年发现了肝糖分解的重要产物:葡萄糖-1-磷酸,也被称为柯里酯(Cori ester)。没多久后又发现了肝糖原分解的重要参与者磷酸化酶(phosphorylase)。通过发现和提纯糖原分解每一步反应的酶,他们最终得以将葡萄糖逆合成为糖原,在1939年多伦多的一个国际会议上,卡尔第一次当众展示大分子(肝糖)可以在试管里合成。这是人类历史上第一次在试管中合成出生物大分子。



第一位获得诺贝尔生理学或医学奖的美国女性

讽刺的是,虽然有这么多的重要成果,但真正让格蒂拿到正式的教职的关键却不是她的研究,而是第二次世界大战。二战期间,因为美国国内缺少劳动力,女性在职场的地位变得不可或缺;一直到了1943年,以研究助理的头衔工作了13年的格蒂·科里才被晋升为副教授。而当卡尔·科里在1946年被任命为生物化学系主任时,也就是在他们被授予诺贝尔奖之前一年,格蒂终于晋升为教授职位。1947年,科里夫妇与阿根廷医生贝尔纳多·奥赛(Bernardo Houssay)一起因发现糖代谢中酶促反应被授予诺贝尔生理学或医学奖。他们发现了身体如何将糖原转化为葡萄糖,从而为身体提供能量。格蒂·科里是第一位获得诺贝尔生理学或医学奖的美国女性,而科里夫妇是第三对共同赢得诺贝尔奖的夫妻团队,也成为了圣路易斯·华盛顿大学的第五和第六位诺贝尔获奖者。

在得悉得奖的两个多月前,格蒂发现自己得了不治之症:骨髓纤维化(myelofibrosis)。这是一种罕见的骨髓癌,她的骨髓不再为她造血,而是被纤维组织所取代。医生告诉她,接下来都得靠着输血过活。格蒂又坚强地多活了十年;在获奖并最终获得教授职位后,格蒂继续深入研究新陈代谢过程,发现了新的酶、酶功能的普遍存在以及多种疾病中的核心酶缺乏症。格蒂并未被歧视击倒,对疾病也不会例外。她一直工作到生命的最后。当疾病恶化时,她在办公室搭了简易的床以便在工作间隙休息。在她生命的最后几个月,即使需要卡尔背着她从实验室的一个房间到另一个房间,也未能磨灭她对科学的热情。1957年,格蒂·科里去世,享年61岁。在她离世以后三年,卡尔再婚了。失去了格蒂以后,卡尔还是继续进行研究,但少了格蒂——实验室的灵魂人物,卡尔的论文发表数量也大不如前。虽然两夫妻唯一的儿子拒绝传承衣钵,(汤姆后来成为著名制药公司Sigma-Aldrich的总裁,于2000年退休),但是从他们的实验室产生了八个诺贝尔奖得主:科里夫妇、孔伯格(Arthur Kornberg,1959诺贝尔生理医学奖)、萨瑟兰(Earl W. Sutherland,1971诺贝尔生理医学奖)、克雷布斯(Edwin G. Krebs,1992诺贝尔生理医学奖)[5]、奥乔亚(Severo Ochoa,1959诺贝尔生理医学奖)、德·迪夫(Christian R. de Duve,1974诺贝尔生理医学奖)与莱洛伊尔(Luis F. Leloir,1970诺贝尔化学奖)。


生活

格蒂是一位孜孜不倦的科学工作者和狂热的读者。她在任何时候都是一位出色的实验家和分析师,具有最苛刻的高标准。据课题组的学生表示,尽管是已经发表过论文的学生,在进入课题组后,格蒂还要亲自教授如何移液,如何绘制第一条葡萄糖分析标准曲线,如何结晶肌肉磷酸化酶。格蒂一直在实验室,并且参与实验室的玻璃器皿的清洗,她偶尔会向卡尔抱怨没有人帮忙。当她劳累之时,会回到实验室旁边的小办公室,躺在一张小床上休息。她不停地抽烟,不断地把烟灰洒在柏油覆盖的实验室长凳上。格蒂活泼开朗,对科学和发现的热爱具有感染力。她想先做出令人兴奋的发现,然后再进行必要的验证。她和卡尔对解决问题的正确途径有一种本能的“直觉”。只需要一个激动人心的实验发现,就可以用无限的能量投入到一个科学问题中。此外,由于自身的处境,格蒂从不吝于协助实验室里的女性工作人员:同仁家里发生紧急状况,她会偷偷塞钱给她们;同仁的保姆临时缺席,她也会把自己的管家大方出借。虽然她在实验室里是个严格的老板,但同仁更记得她的,除了这些慷慨大度的行为之外,还有她那令人折服的博学:除了专业的论文一出版就马上看完,格蒂通常每周从圣路易斯商业图书馆订购借阅五到七本书,然后让人送到实验室或部门办公室。到一周结束时,她会把它们都读完,提供下周的订单,然后让人把旧书拿走,从未间断。此外,她周末还参加许多户外与艺文活动。她的同仁与朋友都认为,她是极为少见的顶尖学者,可以就各种话题发表权威言论,从政治理论到社会学,再到艺术和人文学科,再到杂货店购物。她的知识广度从未停止让同仁惊叹。

她和她丈夫卡尔在圣路易斯明星街上分享一颗星。月球上的科里环形山以她的名字命名。2008年3月6日,美国邮政管理局发行了一张纪念科里的邮票,但是邮票上葡萄糖-1-磷酸的分子式有一个错误,虽然如此邮票还是发行了,有些令人遗憾。

1960年,卡尔再婚,直到1984年衰老而卒。据说,卡尔临终前,还对他和格蒂发现磷酸化酶时的情节记忆犹新,不停地喃喃自语:Gerty,my previous wife(格蒂,我的前妻)。曾经沧海,除却巫山。

相关链接

  1. https://www.nobelprize.org/womenwhochangedscience/stories/gerty-cori

  2. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1947/cori-gt/biographical/

  3. http://www.nasonline.org/publications/biographical-memoirs/memoir-pdfs/cori-gerty.pdf

  4. https://en.wikipedia.org/wiki/Gerty_Cori

  5. https://zhuanlan.zhihu.com/p/475708522

  6. https://case.ntu.edu.tw/blog/?p=27230

  7. Darlene R. Stille. Extraordinary Women Scientists. Childrens Press. ISBN 0-516-40585-3

  8. Sharon Bertsch McGrayne. Nobel Prize Women in Science. 2nd edition. Joseph Henry Press. ISBN 0-309-07270-0

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