生物化学的创始人费歇尔

Emil Fischer 1852一1919


    19世纪下半叶和20世纪之初,在有机化学领域中,德国的费歇尔是最知名的学者之一。他发现了苯肼,对糖类、嘌呤类有机化合物的研究取得了突出的成就,因而荣获1902年的诺贝尔化学奖。他是第二个荣获此项荣誉的化学家,可见科学界对他的推崇。对于大多数诺贝尔奖获得者来说。获奖的成果可以说是他一生中在科学上最主要的贡献。然而对费歇尔来说,他在科学征途上更令人敬仰的成就,却是在他获得诺贝尔奖之后完成的。他对科学发展的贡献,归纳起来,主要有以下四个方面,一、对糖类的研究;二、对嘌呤类化合物的研究:三、对蛋白质;主要是氨基酸、多肽的研究;四、在化工生产和化学教育上的贡献。由此可见,他的研究领域集中在对有机化学中那些与人类生活、生命有密切关系的有机物质的探索。可以说他是生物化学的创始人。

献身科学的一生经历

    艾米尔·费歇尔于1852年10月9日主于德国科隆市附近的奥伊尔斯金亨镇。两个哥哥早亡,余下的是五个姐姐,所以他既是幼子又是独子,在家里受到大家的喜爱,他父亲劳伦斯。费歇尔是个富有商人,除经营葡萄酒、啤酒外,还是一些啤酒厂、毛纺厂、钢管厂、玻璃厂及矿山企业的董事。在艾米尔少年时代,他父亲正倾注全力发展他的毛纺厂,亲自动手建立了一个小染坊,把买来的染料反复调和进行试验。由于缺乏化学知识,实验总不象作买卖那么顺心,为此他常唠叨:“如果家里有一个化学家,这些困难便好解决了。”后来相继建立的钢铁厂、水泥厂也迫切需要化学知识,致使他父亲对化学这门科学更加崇拜。父亲的这一思想给费歇尔留下了深刻印象,他暗暗下定决心,将来一定要作一个化学家。

    1869年艾米尔以第一名的成绩从中学毕业,他没有忘记父亲过去的嘱咐:“要把自己的一生献给科学,你就应该选择化学。”毅然决定投考大学化学系。当他将这一决定付诸于行动时,他父亲却犹豫了,那么大的家产和企业由谁来继承?只有艾米尔。于是父亲改变了主张,动员艾米尔从商:“你还不满17岁,这么小的岁数就入大学也没什么意思,是不是花一年半载时间学点商业事务。”父命难违,艾米尔只好到他姐夫经营的一个木材公司见习。

    此时的艾米尔一心早已扑在了化学这门科学里了,所以他来到木材场后,很快自建了个简易的化学实验室。白天就关在实验室里按照书本埋头做实验,什么商业买卖,他根本没去考虑。他姐夫不得不向他父亲汇报:“艾米尔这孩子在商业上不会有出息。”面对这一状况,他父亲实在没办法,只好让步,“既然他不愿做买卖,就让他上学吧!”就这样,文米尔实现了自己的志愿,进入波恩大学化学系。

    在波恩大学,主要的化学教授是著名的凯库勒。凯库勒的讲课水平很高,给学生们留下深刻的印象,但是该校的化学实验室却非常简陋,连天平都是不准确的。对此费歇尔有自己的看法,他认为学习化学就必须做化学实验,只有掌握了高超的实验技术,才能成为一个有作为的化学家。他的这一观点几乎贯穿于他一生的治学活动。他对于创立一整套假说或某一学说丝毫不感兴趣。而是致力于发现和阐明新的实验事实,依靠坚韧不拔的毅力和出类拔革的实验技巧,开辟有机化学研究的新领域。为此,他在波恩大学学习了一年之后,就忍痛离开了他尊敬的老师凯库勒,转学到舒特拉斯堡大学:从学于实验有机化学家拜尔。当时,正是德国以染料为中心的有机合成工业蓬勃发展的时候,许多化学家都把合成染料的研究选作自己的课题,拜尔当时的主要研究对象就是曙红、靛蓝等有机染料。费歇尔在拜尔指导下所做的许多实验大多与染料有关,他的毕业论文就是关于酚染料的研究。在拜尔的指导下,费歇尔不仅全面掌握了化学的最基础的知识,同时获得了化学实验技巧的严格训练。 1874年:他以优异的成绩从大学毕业,随后留校作拜尔的助手。

    1875年拜尔应聘去慕尼黑大学,接替刚去世的李比希留下的教职。留恋自己老师的费歇尔跟着来到慕尼黑大学,在这里他开始研究碱性品红。由于成绩突出, 1878年他被任命为讲师,第二年进而被提升为副教授。当时他还不满27岁。

    1882年,他接受了艾尔兰很大学的聘书、出任化学教授。两年后又转到维尔茨堡大学任教。他之所以选择这所大学,是因为这里为他创造了一个较好的实验研究条件;在他完成了教学任务后,可以专心致志地从事他所喜爱的研究。1883年,德国最著名的化工企业——巴登苯胺和纯碱制造公司曾以超过任何大学教授收入的10万马克高薪聘请他出任公司的研究室主任,尽管他对染料工业很感兴趣,但是喜欢不受拘束地进行科学研究的费歇尔还是果断地拒绝了。就在维尔茨堡大学的10年中,他在糖类和嘌呤类化合物的研究中取得了突破性的成就。

    1892年,柏林大学化学教授霍夫曼去世。柏林大学是当时德国的最高学府,化学教授一职必是聘请德国化学界最有威望的教授出任,所以谁来接替霍夫曼留下的空缺是化学界所关注的。第一位候选人应是凯库勒,第二位候选人是拜尔,但是他们两位均因年高而不愿离开原地。费歇尔是大家公认最合适的候选人。而费歇尔对自己在维尔茨堡的工作环境很满意,无意离开。柏林大学和教育当局热切邀请,费歇尔的父亲和妻子也都鼓励他去柏林应聘,尤其是柏林大学拥有更丰富的科学活动,更可观的研究经费和一大批优秀的学生,这使他动心了。整整思索了10天,最后他决定去柏林接受聘任。年仅40岁的费歇尔成了德国化学界的最高权威,关于蛋白质和氨基酸的研究就是在这里开始的。作为当时柏林大学的化学教授,除了完成本校教学任务外,还必须兼任军医学院的化学教授,还必须参加医师、药剂师、教师的资格审定以及医疗事件的裁定。他经常参加普鲁士科学院的有关组织和活动,连续几届被选为德国化学会会长。这些繁忙的工作和事务花费了他不少精力,为了不中断在科学中的继续探索,他只好有意识地躲避各种社交活动,欣然地牺牲了业余时间和个人享受。长期的劳累终于拖垮了他的健康。到第一次世界大战爆发时,他已未老先衰,身患多种疾病。就是这样,他所处的地位仍迫使他为解决战时所需求的科学技术问题而奔忙。到1819年他的身体完全垮了,经抢救、疗养都无济干事。7月15日不幸病逝,终年67岁。

    费歇尔临终前仍念念不忘化学的发展,在遗嘱中他吩咐从他的遗产中拿出75万马克,献给科学院,作为基金提供给年轻化学家使用,鼓励他们为发展化学科学而努力。

永载史册的科学业绩

    费歇尔最初的研究领域是染料,其中最主要的成绩是对品红的研究。1858年霍夫曼曾用四氯化碳处理粗的苯胺,得到一种红色染料,他称它为碱性品红。它可以直接染毛、丝及棉织品,还是鉴别酮和醛的较好试剂。但是碱性品红究竟是什么?霍夫曼没有解答。费歇尔仔细地研究了品红的性质,为合成这一染料提供了 实验基础。

    就在研究各种染料的过程中,他发现了化合物苯肼,它是联氨(NH2NH2)中氢原子被苯基所取代而生成的化合物(C6H5-NH·NH2)。通过进一步研究,费歇尔还发现它是鉴定醛和酮的更好试剂,为他以后的研究提供了一种重要的手段。

    在染料研究中积累一定经验后,费歇尔把研究对象转封了碳水化合物,因为他觉得碳水化合物与人类生活关系更密切。碳水化合物最基本的物质是各类糖类,其次是淀粉和纤维素。费歇尔对糖类化合物开始研究时,科学家仅知道有四种单糖(葡萄糖、果糖、半乳糖、山梨糖),它们的分子式都为C6H12O6。双糖有蔗糖。乳糖,其分子式为C12H22O11,还知道淀粉、纤维素水解的最终产物也是糖类。但是由于相当多的糖类在不纯时不易取得结晶而妨碍了对糖类的鉴别和进一步的深入研究。费歇尔发现苯肼与糖反应产生腙,腙在过量的苯肼中进一步形成腙,不同的糖可以形成不同结晶状态和熔点的腙,运用这一简单的机理便可以鉴别各种糖。在费歇尔之前,德国化学家吉里安尼已发现葡萄糖与氢氰酸(HCN)的加成反应,其产物经水解和还原后得到了正庚酸,并以此推断出葡萄糖是一种直链的五羟基醛;果糖是直链的五羟基酮,运用这一机理还可以将戊糖变成己糖、已糖变成庚糖。主要是运用上述两机理,费歇尔从1884年起,断断续续地花费了10年时间,系统地研究了各种糖类。他还发现并总给出将糖类还原为多元醇、将醛糖氧化为碳酸等研究糖类的新方法,在此基础上他得心应手地合成了50多种糖分子。通过研究,费歇尔确定了许多糖类的构型。例如己醛糖的16种旋光异构体中,有12种是他鉴定的,由于费歇尔的努力,终于探明了单糖类的本性及其相互间的关系。

    费歇尔根据他所掌握有关糖类的丰富知识,还提出了一个有关发酵机理的著名假说。。他认为糖类物质由于酶的存在而发生分解,而不同的糖需要有不同的酶的作用才能分解,这可能因为糖和酶的分子结构有某些共同点,犹如锁头与钥匙的关系。

    对双糖类的研究,费歇尔也取得了很大成绩,但是对于淀粉、纤维素等多糖类化合物的研究,他却没有如愿地进行下去。在实验中常使用苯肼,这使他慢性中毒,不得不停止接触这一试剂。

    从1882年到1906年,嘌呤类化合物也是费歇尔的主要研究对象。这类化合物包括可可碱;茶碱、咖啡碱等有生理活性的物质。因为它们分别是可可、茶、咖啡中起兴奋作用的成分,因此费歇尔决定研究它们。

    费歇尔的研究从尿酸入手,尿酸是人们最早认识的嘌呤化合物中的一种。通过深入研究,他逐个地确定了上述物质的组成和结构,还合成了上述物质的母体化合物——嘌呤及其许多衍生物。他制备了当时尚未被认识的天然的嘌呤衍生物,其中包括他发现的安眠药:二乙基巴比妥酸。他还探索了嘌呤类化合物与糖类及磷酸的结合,指出由它们能够得到构成细胞的主要成分——核酸,从而为生物化学的发展奠定了基础。

    1899年开始,费歇尔选择了一个更难的课题,即对氨基酸、多肽及蛋白质的研究,蛋白质与人类的生活、生命关系更为密切。蛋白质的结构非常复杂,一个分子往往有几千个原子。面对这一难题,费歇尔充满信心他说:“关于有机合成的这项研究,由于先辈们留下了宝贵的经验方法,在短短的63年内征服了尿素、脂肪、多种酸类。盐基、染料等,并进而征服了尿酸和糖类。从而可以断言,面对任何活着的有机体产物,我们都不必胆怯。”对蛋白质的研究,赘歇尔决定从它的基本组成氨基酸开始。为了认识所有的氨基酸,他发展和改进了许多分析方法,将各种氨基酸分离出来进行鉴别。由于他的辛勤劳动,人们认识了19种氨基酸,自然界中有几十万种蛋白质,而它们都是由20种氨基酸以不同数量比例和不同排列方式结合而成的。在进一步探索蛋自质的组成和结构及合成方法时,他发现将氨基酸合成,首先得到的不是蛋白质,而是他命名为多肽的一类化合物。将蛋白质进行分解首先得到的也是多肽一类化合物。根据这一实验事实,1902年他提出了蛋白质的多肽结构学说。指出:蛋白质分于是许多氨基酸以肽键结合而成的长链高分子化合物。两个氨基酸分子结合成二肽,三个氨基酸分子结合成三肽,多个氨基酸分子结合成多肽。随后他合成了100多种多肽化合物,由简单到复杂,开始只采用同一氨基酸使其链逐步增长,发展到采用多种氨基酸使其氨基双链伸长。1907年,他制取由18种氨基酸分子组成的多肽,成为当时的重要科学新闻。由于积劳成疾,身体状况恶化,也由于第一次世界大战爆发,费歇尔不得不中断了这一重要的研究。

    “生命是蛋白体的存在方式”。用现代的观点来看,“蛋白体”实际上就是蛋白质和核酸的复合体。鉴于这一点,可见费歇尔研究工作的重要意义,他为现代蛋自质和核酸的研究奠定了一个重要的基础。