“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 03088003

““ 将我全部财将我全部财产作为设立诺产作为设立诺贝尔奖的基金，贝尔奖的基金，每年取出基金每年取出基金利息，奖给对利息，奖给对人类文化科学人类文化科学事业做出重大事业做出重大贡献的人。”贡献的人。”

人物人物

约翰 ·B·芬恩 (John B. Fenn) 　美国人 , 1917 年生于纽约 ,1940 年在耶鲁大学获博士学位 ,1967 ～ 1987 年任耶鲁大学教授 ,1987 年为该校的 Emeri2tus 教授 ,1994 年起任弗吉尼亚共同体大学教授。

田中耕一 ( Koichi Tanaka) 　日本人 ,1959 年生于日本富山 ,1983 年在东北大学获工程学士学位 , 现任日本京都岛津公司分析和测量仪器部生命科学经营处研究与开发工程师。

库尔特 ·维特里希 ( Kurt Wüthrich) 瑞士人 ,1938 年生于瑞士阿尔贝格 ,1964 年在巴塞尔大学获无机化学博士学位 ,1980 年起在瑞士苏黎世 ETH 任分子物理学教授 , 并兼任美国加州 La Jolla 的斯克里普斯研究所结构生物学访问教授。

“ 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

科学家在传统的质谱分析法基础上发明了一种新方法 :首先将成团的生物大分子拆成单个的生物大分子 , 并将其电离 ,使之悬浮在真空中 ,然后让它们在电场的作用下运动。不同的分子通过指定距离的时间不同 , 质量小的分子速度快些 , 质量大的分子速度慢些 , 通过测量不同分子通过指定距离的时间 ,就可计算出分子的质量。这种方法的难点在于生物大分子比较脆弱 , 在拆分和电离成团的生物大分子过程中它们的结构和成分很容易被破坏。现在 ,有 2 种方法克服这一技术难点 ,其中约翰 ·芬恩是对成团的生物大分子施加强电场 ,田中耕一则用激光轰击成团的生物大分子。这 2 种方法——电喷射离子化 ( ElectrosprayIonisation - ESI) 和软激光解吸附作 (SoftLaser Des2orption - SLD) 技术 ( 如图 1 所示 ) —— 都成功地使生物大分子相互完整地分离 , 同时也被电离。他们的发明奠定了科学家对生物大分子进行进一步分析的基础。

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)

在水溶液中 , 大约有一半的蛋白质链呈现出规则、紧密的 三维结构 , 而另一半则非常松 。目前 , 科学家已经利用这一方法绘制出 15 % ～ 20 % 的已知蛋白质的结构。

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

随着人类基因组图谱、水稻基因组草图以及其他一些生物基因组图谱破译成功 , 生命科学和生物技术进入后基因组时代。专家认为 , 在未来 20 年内 , 生物技术将蓬勃发展 ,很可能成为继信息技术之后推动经济发展和社会进步的主要动力 ,由这 3 位诺贝尔化学奖得主发明的“对生物大分子进行确认和结构分析的方法”将在今后发挥重要作用 .

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“生物大分子质谱分析法”不仅可以准确测量生物大分子的分子量 , 而且可以进一步揭示各种蛋白质分子内氨基酸的构成和 DNA 分子内核糖核酸的构成及其序列结构 , 这对人类疾病治疗方面具有重大的意义。清华大学化学系教授赵玉芬院士认为 ,3 位获奖者的成果对于生命科学发展的影响意义深远。在 21 世纪 , 化学学科将和生命科学更紧密地融合。

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