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“看清”蛋白质生物大分子质谱电离技术的突破及核磁共振三维结构测定方法的建立 ———2002 年诺贝尔化学奖简介 陈铭涛 “将我全部财产作为设立诺贝尔奖的基金,每年取出基金利息,奖给对人类文化科学事业做出重大贡献的人。” 人物 “革命性的突破” 所有生物———细菌、植物以及动物———都含有包括DNA 和蛋白质在内的生物大分子。“看清”它们的真面目曾经是科学家们梦寐以求的事,如今这一梦想成为现实。瑞典皇家科学院解释说,3 位获奖者发明的方法可以帮助科学家绘制出蛋白质的三维结构图,从而“看清”蛋白质,并且了解它们是如何在细胞中发挥作用的,这项成果是“革命性的突破” 。 质谱分析法 约翰·B·芬恩(John B. Fenn) 田中耕一( Koichi Tanaka) 质谱分析法是化学领域中一种非常重要的分析方法。它通过测定分子质量和相应的离子电荷实现对样品中分子的分析。 质谱分析用于生物活性分子的研究具有如下的优点:灵敏度极高,能为亚微克级试样提供信息,适用于复杂体系中痕量物质的鉴定和结构测定 。 质谱技术具有非常强的结构分析能力,并且样品用量极少(~10 - 11g) 。19 世纪末科学家已经奠定了这种方法的基础,1912 年科学家约瑟夫·汤普生(Joseph Thompson) 第一次利用它获得对小分子的分析结果. 问题? 不过,最初科学家只能将质谱分析用于分析小分子和中型分子,由于生物大分子比水这样的小分子大成千上万倍,因而将这种方法应用于生物大分子非常困难。 虽然,相对而言生物大分子很大,但它们实际上是非常小的。例如一个人体内运送氧气的血红蛋白分子的质量仅有千亿亿分之一克(10 - 19g) ,如何测定单个生物大分子的质量呢? 方法 核磁共振 瑞士科学家库尔特·维特里希则发明了“利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构法”。这种方法的优点是可对溶液中的蛋白质进行分析,进而可对活细胞中的蛋白质进行分析,能获得“活”蛋白质的结构,其意义非常重大。这种方法的原理可以用测绘房屋的结构来比喻首先选定一座房屋的所有拐角作为测量对象,然后测量所有相邻拐角间的距离和方位,据此就可以推知房屋的结构。维特里希选择生物大分子中的质子(氢原子核) 作为测量对象,连续测定所有相邻的2个质子之间的距离和方位,这些数据经计算机处理后就可形成生物大分子的三维结构图。 核磁共振(NuclearMagnetic Resonance -NMR) 现象是1946 年由哈佛大学的伯塞( E.M.Purcell) 和斯坦福大学的布洛赫(F.Bloch) 所领导的2个小组,用不同的方法在各自的实验室里观察到的,伯塞尔使用的实验方法是吸收法,而布洛赫使用的是感应法.核磁共振分析技术是利用物理原理,通感应法.核磁共振分析技术是利用物理原理,通过对核磁共振谱线特征参数的测定来分析物质的分子结构与性质.NMR 不破坏被测样品的内部结构,是一种无损检测方法.由于不同的原子核吸收不同的电磁波,因而通过测定和分析受测物质对电磁波的吸收情况就可以判定它含有哪种原子,原子之间的距离有多大,并据此分析出它的三维结构。 核磁共振(NuclearMagnetic Resonance -NMR) 最初,核磁共振技术主要用于核物理研究方面,用它测量各种原子核的磁矩,误差仅是0. 003 %~0. 005 %; 迄今,它已广泛应用于化学、食品、医学、生物学、遗传学等学科领域,已成为在这些领域开展研究工作的有力工具,甚至是某些领域(如:化学、医学诊断、药物学等) 常规分析中不可缺少的手段。1985 年,维特里希等人公布了第一次利用NMR 法测定的溶液中蛋白质———蛋白酶抑制剂IIA ( proteinase inhibitor IIA) 的结构(如图4 所示) 。1990 年用NMR 测定的蛋白质结构有23 个,而到1994 年一年测定的蛋白质结构数上升到100个。1997 年,维特里希应用NMR 方法测定的一种蛋白质———蛋白感染素(prion protein) 的结构 分子反应动力学国家重点实验室主任王鸿飞教授这样评价:本次3 位诺贝尔化学奖得主发明的方法,可以实现对蛋白质进行依次“点名”,知道它们各自的特点并得到它们的三维结构图,这样就可以对这些蛋白质的功能做进一步研究,分析出它们对人类疾病的影响。诺贝尔化学奖委员会主席本特·诺登说:“他们的成果为未来探索癌症的治疗方法铺平了道路。[ 3 ]”正如中科院化学所研究员卞则梁所说,以前生物学界无法对DNA 和蛋白质这样的生物大分子结构进行准确测量,这次获奖的“生
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