进入生物化学的物理化学家
米尔德里德·科恩(Mildred Cohn,1913—2009)是美国生物化学家,研究重点是利用物理化学方法揭示酶的作用。她在亨特学院求学,随后进入哥伦比亚大学,在哈罗德·尤里的指导下研究同位素,1938年取得物理化学博士学位。
她曾在文森特·迪维尼奥的实验室参与代谢研究,1946年到圣路易斯华盛顿大学科里夫妇的实验室工作,1960年转赴宾夕法尼亚大学。女性获得助教职位和工业研究岗位的障碍影响过她的职业道路;她后来出任美国生物化学家学会会长,任期为1978至1979年。
追踪原子的去向
同位素是同一元素中中子数不同的原子,不是新的一种元素。示踪实验把可辨认的原子放入反应物,再检查标记出现在哪里。科恩早期研究氧同位素与水及有机分子的交换,后来将这一思路用于含磷代谢物。
例如,磷酸基团中的氧-18标记可以揭示氧是否与水交换,以及碳—氧键或磷—氧键在哪一步断裂。1950年代,她对无机磷酸盐氧交换的研究为追查氧化磷酸化过程提供了工具。其意义不是直接拍摄到每个短寿命中间体,而是利用标记分布限制可能的反应路径;这也不能简化为她独自建立了ATP合酶的全部机制。
用ATP谱线检验金属结合
核磁共振利用特定原子核的自旋磁性,观察其在磁场中的共振信号,并非测量放射性衰变。科恩关注ATP和ADP的磷-31信号:同为磷核,不同化学环境仍可产生可分辨的谱线,从而将一个分子的不同磷酸位置区别开来。
她在1989年的回顾中记载,1958年获得有限的仪器使用时间后,分辨出ATP的三个磷信号,并观察到镁离子结合造成峰位变化、顺磁性锰离子导致谱线展宽。随后她与托马斯·休斯合作改进测量,分别研究酸碱度和二价金属离子的影响。峰位与线宽因此成为判断分子相互作用的证据,而不是只确认样品中“有磷”。
把测量转化为反应机制证据
这些研究也显示实验解释必须排除杂质。科恩处理ATP样品时曾遇到意外的谱线展宽,追查发现离子交换材料带入了铜。确认污染来源后,金属离子对不同磷位点的影响反而成为研究对象。这段经历说明,谱线变化要与样品制备和对照条件一并分析。
后来,氧-18标记与磷-31核磁测量被结合起来:与磷相连的氧被替换后,磷信号会有细微位移,可用于追踪酶催化的交换反应。这里标记的是氧,读取的却是磷核信号。科恩的贡献正在于将这类差别设计成可检验的探针,把酶与底物的结合及转化过程带入分子层次的测量。