酶学研究中的诺贝尔奖

酶学研究中的诺贝尔奖标签：教育酶学研究诺贝尔奖 分类：生物学史与学家酶学研究中的诺贝尔奖学习感悟：科学家对酶的研究也经历了很长时间，教材中也有简单的酶的发现过程，学习过程中也涉及到很多酶，今天看到生物学通报中完整的诺贝尔奖中对酶的研究达到了10次，现摘录如下以供学习。酶在生命体的新陈代谢过程中占有重要地位，几乎所有细胞的生命活动都需要酶的参与。19世纪30年代德国化学家Liebig和他的同事Wohler从苦杏仁汁中发现了一种催化物质，后被命名为苦杏仁酶（emulsion），这是最早发现的酶之一。随后又有许多酶被相继发现，酶学研究也进入飞速发展时期。从1907年比希纳获得酶学研究史上的首个诺贝尔奖开始，在酶学领域中先后有多次诺贝尔奖获奖记录。1．1907年诺贝尔化学奖获奖者爱德华·比希纳（德国）获奖理由发现无细胞发酵现象20世纪初德国科学家爱德华·比希纳利用细沙和酵母菌作为实验材料，混合并加以研磨，随后加上矽藻土，用水力压榨机制备酵母榨出液，利用这种液体为浓蔗糖溶液防腐，经过反复实验发现酵母榨出液引起了蔗糖的发酵。但此榨出液中没有活的酵母细胞。随后，为确保实验结果的准确性，他又利用乙醇和丙酮杀死活的酵母细胞，仍然引起了蔗糖的发酵。1897年他发表题为《无细胞的发酵》论文，引起了学术界的轰动。论文否定了发酵作用是“生命现象”的概念，建立了微生物的生命活动和酶化学之间的联系。爱德华·比希纳的研究推动了生物化学、微生物学、发酵生理学和酶化学的发展，并获得了1907年的诺贝尔化学奖，这在酶学研究史上是一次巨大的飞跃，开创了微生物生化研究的新篇章。2．1929年诺贝尔化学奖获奖者亚瑟·哈登（英国）和汉斯.冯·奥伊勒-凯尔平（瑞典）获奖理由阐述了糖发酵过程中酶的作用亚瑟·哈登（HardenSirArthur）是英国生物化学家。1904年他将酵母提取物放入半渗透薄膜袋内进行渗析时发现，酵母酶的活性消失，它不再使糖发酵。然而，如果将渗析至袋外的水加入袋内的物料中，则酵母酶活性又会恢复。同时观察到渗析开始时，酵母提取物迅速将葡萄糖分解并产生二氧化碳，但是随着时间的推移，其活性逐渐降低。他推测酵母酶是由2部分组成的，一部分是小分子，另一部分则是大分子。两者单独作用都不会使糖发酵。只有共同作用才有发酵的效果。如果将袋内的物料煮沸，则活性消失，即使袋内加入了袋外的水也是如此。实验证明大分子是蛋白质，小分子经受住了煮沸，因而多半不是蛋白质。这种小分子是“辅酶”发现的首个实例，它是一种非蛋白质结构的小分子，这种小分子对于酶的作用是不可或缺的。汉斯.冯·奥伊勒一凯尔平是杰出的瑞典生物化学家。他在访问比希纳的实验室后对发酵产生了浓厚兴趣。由于哈登发现了发酵过程需要酶和辅酶共同发挥作用，因此经过10年潜心研究，凯尔平测定了辅酶的化学性质，同时发现辅酶广泛地存在于生物体内，酵母菌内的辅酶最易提取。他的发现阐明了糖发酵过程中酶的作用，特别是提示了辅酶的存在和作用机理。由于其卓越的贡献，亚瑟·哈登和奥伊勒一凯尔平共享了1929年的诺贝尔化学奖。爱德华·比希纳的研究推动了生物化学、微生物学、发酵生理学和酶化学的发展，并获得了1907年的诺贝尔化学奖，这在酶学研究史上是一次巨大的飞跃，开创了微生物生化研究的新篇章。3．1931年诺贝尔生理学或医学奖获奖者奥托·海因里希·瓦尔堡（德国）获奖理由发现了呼吸酶的性质和作用方式奥托·海因里希·瓦尔堡（OttoHeinrichWarburg）是德国生理学家和医生。他长期从事癌细胞的研究，发现癌细胞在生长过程中偏好利用糖代谢作用代替正常细胞的有氧循环，因此癌细胞使用线粒体的方式与正常细胞不同，得出癌细胞的生长速度远大于正常细胞的原因是能量来源的差别，这就是“瓦氏效应”，这一结论为治疗癌症提供了一种新的理论依据。在研究细胞呼吸作用时奥托发现了呼吸酶，证明呼吸酶是一种含铁的蛋白质，称之为铁氧酶，奥托得出结论，是呼吸酶中的含铁蛋白起到了催化的作用。1931年，奥托·海因里希·瓦尔堡因呼吸酶的相关研究荣获诺贝尔生理学或医学奖。但他的贡献远不止此，他对光合作用也有深入的研究，在光合作用的机理和量子效率等方面具有独特的见解。奥托一生发表了数百篇论文及5部专著，培养了大批年轻的科学家。4．1946年诺贝尔化学奖获奖者詹姆斯·萨姆那（美国）约翰·霍华德·诺斯罗普（美国）斯坦利（美国）获奖理由酶的化学本质是蛋白质自1907年德国化学家爱德华·比希纳证明发酵不是依赖于活的酵母细胞，而是酒化酶这类物质之后，越来越多的科学家开始致力于酶化学本质的研究。这一课题也是20世纪初期酶学研究领域的热点。20世纪初许多科学家认为酶是一种附着在胶体上的相对分子量较小的物质。但美国科学家詹姆斯·萨姆那（J.B.Summer）坚持认为酶是一种蛋白质。1926年，他选用脉酶含量较高的刀豆为实验材料，成功提取出一种能分解尿素的酶，命名为脉酶。经过反复实验，证明脉酶具有蛋白质特性。这是生物化学史上首次成功提取酶的结晶，有力推动了生物化学的发展。随后在1930年，美国科学家约翰·霍华德·诺斯罗普（J.H.Northrop）及其研究团队从猪的胃里首次获得了胃蛋白酶晶体，并且合成了胰蛋白酶等多种消化性蛋白酶的结晶，证明了这些结晶是纯蛋白质。至此酶的化学本质是蛋白质这一结论被人们所接受。与此同时，美国科学家斯坦利(W.M.Stanley)运用萨姆那和诺斯罗普纯化和结晶酶的方法，成功分离出了烟草花叶病毒。这3位科学家不仅在酶学研究上都取得了重大的成就，其锲而不舍的科研精神也值得后人学习，因其卓越的贡献他们共享了1946年的诺贝尔化学奖。5．1957年诺贝尔化学奖获奖者亚历山大·R·托德（英国）——近代核酸化学的先驱获奖理由核苷酸和核苷酸辅酶方面的研究亚历山大·R·托德，英国皇家学会会长、化学家。长期从事核酸和核苷酸辅酶的研究。在20世纪初，DNA的双螺旋结构尚未被发现，但当时已知DNA由脱氧核糖核酸组成，RNA由核糖核酸组成，经过托德的详细研究，得出核糖核苷酸是由核糖、磷酸、碱基3部分组成，碱基分为A,U,C,G4种；脱氧核糖核苷酸是由脱氧核糖、磷酸和碱基组成，碱基分为A,T,C,G4种。他指出在核酸里2个核糖核苷酸之间由1个磷酸连接起来，核酸就是用这种方式把许多核苷酸连成长链结构。托德后来又合成了各种核苷酸单体、ATP和几种含有核苷酸结构的辅酶。这些成果不仅为核酸化学的研究奠定了坚实的基础，也为后来DNA分子结构的提出指明了方向。托德因此贡献被授予1957年诺贝尔化学奖，被誉为近代核酸化学的先驱。6．1959年诺贝尔生理学或医学奖获奖者阿瑟·科恩伯格（美国）塞韦罗·奥乔亚·德阿尔沃诺斯（美国）获奖理由RNA聚合酶与DNA聚合酶的发现1953年，沃森和克里克提出了DNA分子的双螺旋结构模型，这一成果被认为是分子生物学诞生的标志，但DNA分子的复制机理却一直未探明。1954年，美国科学家阿瑟·科恩伯格（ArthurKornberg）和同事分离得到DNA和RNA生成过程中5种核苷酸合成的相关酶类，于是科恩伯格将研究重点放在DNA合成酶上，由于DNA的合成过程十分复杂，大多数科学家认为体外合成DNA无法完成。科恩伯格坚持不懈，并于1955年以大肠杆菌提取液为材料，用放射性同位素标记核苷酸的方法证明存在催化核苷酸多聚化的酶。1957年，科恩伯格研究团队将该酶进行提纯，首次在试管中合成了DNA分子。该实验证明DNA可以在DNA聚合酶的催化下合成新的DNA链，正是这种生理机制使得DNA分子能够进行复制，将遗传信息世代延续。科恩伯格因为这个重大发现被誉为“DNA酶学之父”。1955年，另一位美国科学家塞韦罗·奥乔亚·德阿尔沃诺斯（SeveroOchoadeAlbornoz）也在实验室中利用大肠杆菌作为实验材料发现了催化生成RNA的酶。即RNA聚合酶。由于这2位科学家的重大发现，使得合成DNA和RNA十分方便、快捷，从而对遗传学的生物化学研究有极大的促进作用。尤其是科恩伯格发现的DNA聚合酶为分子生物学和酶学领域研究奠定了基础，为以后出现的基因工程、DNA测序、DNA聚合酶链式反应(PCR)等的出现及发展开辟了道路。因为RNA聚合酶与DNA聚合酶的发现，这2位科学家共享了1959年的诺贝尔生理学或医学奖。7．1975年诺贝尔生理学或医学奖获奖者巴尔的摩罗纳托·杜尔贝科特明获奖理由发现逆转录酶在发现了DNA的双螺旋结构以后，众多科学家开始研究遗传信息的流向问题。1957年克里克最初提出了中心法则，指出遗传信息之间的流动是单向的、不可逆的过程，即DNA→RNA→蛋白质的方向转移。这一理论在当时被普遍接受。但1901年劳斯发现，鸡肉瘤细胞裂解物在通过除菌过滤器后注射到正常鸡体内可以引起肉瘤。这是首次提出鸡肉瘤可能是由病毒引起的，即劳斯肉瘤病毒。劳斯进而提出，病毒是癌症的病因，但这个观点在当时并没有引起重视。1958年，罗纳托·杜尔贝科和特明开始进行多瘤病毒分子的生物学研究。杜尔贝科在组织培养中证明了病毒通过染色体遗传到子代细胞。1970年特明和巴尔的摩在一些RNA致癌病毒中发现，它们在宿主细胞中的复制过程是以病毒RNA分子为模板合成1个单链DNA分子，单链DNA分子再经过自我复制之后作为模板合成新的病毒RNA。前一个步骤被称为逆转录过程，是上述中心法则提出后的新的发现。同年，特明和巴尔的摩分别从鸡肉瘤病毒和小白鼠白血病病毒颗粒中找到了逆转录酶。这就证明了RNA可以逆转录为DNA，这一发现不仅完善了中心法则的内容，而且对于治疗人类恶性肿瘤等疾病具有启示性作用。特明、巴尔的摩和杜尔贝科也因此重大发现荣获1975年诺贝尔医学或生理学奖。8．1989年诺贝尔化学奖获奖者奥特曼（美国）切赫（美国）获奖理由发现RNA的生物催化作用在20世纪70年代，生物化学家对酶已经有了较为深入的了解，同时也纯化出了数百种酶分子，这些酶分子的化学本质均为蛋白质。此时，美国耶鲁大学教授奥特曼（SidneyAltman）则提出RNA也具有生物催化的作用，在生物化学研究领域引起了轰动。他提出RNA分子具有活性中心，即催化部位，同时也具有基质，即反应部位，而且两者可以同处于一个分子内部。随后奥特曼在实验过程中发现，名为Tetrahymena的原生动物的t-RNA具有自我催化的能力。从而首次提出了“RNA可独立具有催化流行性”这一全新的观点。1981年美国科罗拉多大学的切赫（Cech）和同事以原生动物四膜虫为材料，研究rRNA的基因转录时，发现当DNA转录成RNA后，RNA序列中的某些片段会被剪切下来。于是切赫将剪切前的RNA分离出来，一部分加酶，一部分不加，而结果发现两者具有相同的剪接速度和过程。这一现象说明RNA能够进行自我剪切和拼接，形成具有生理功能的核糖体RNA。奥特曼和切赫由于证明了RNA兼有遗传信息的存储、传递和生物催化等不同的功能，从而突破了酶是蛋白质的传统观念，使人类对于生命起源的认识更为深入，于1989年被授予诺贝尔化学奖。

9．1997年诺贝尔化学奖获奖者保尔·博耶（美国）约翰·沃克（英国）科斯（丹麦）获奖理由ATP合成酶作用机理的发现保尔·博耶是美国生物化学家，在研究合成酶的过程中有开创性的贡献。他利用化学方法提出了ATP合成酶的功能机制。此时，另一位英国科学家约翰·沃克（JohnE.Walker）也在研究ATP合成酶。他的研究重点是酶的化学成分和结构。1981年，他确定了构成合成酶蛋白质单元的氨基酸序列。1994年，沃克与X射线结晶学家一起工作，澄清了合成酶的三维结构。沃克将ATP制成结晶，以便更好地研究细节结构。证明了博耶关于ATP合成的“分子机器”的观点是正确的。至此ATP合成酶催化合成ATP的过程就得到了完整的说明。同年，丹麦科学家科斯（JensC.Skou）发现了输送离子的Na＋，K＋-ATP酶。因此与博耶、沃克同获1997年的诺贝尔化学奖。这种酶是在动物细胞的质膜中发现的。当时有科学家在研究神经细胞受刺激后Na＋和K＋在细胞中的运动情况，他们发现神经元激活时，Na离子涌进细胞，K离子流出细胞，由于转运是逆浓度梯度(从低浓度区到高浓度区)进行，这一过程需要能量，所需能量即由载能分子三磷酸腺昔酶提供。这一浓度差的存在有助于维持动物细胞的渗透平衡，维持内环境的稳态。10．2009年诺贝尔生理学或医学奖获奖者伊丽莎白·布莱克本（美国）卡罗尔·格雷德（美国）杰克·绍斯塔克（美国）获奖理由发现端粒和端粒酶保护染色体的机制细胞的寿命与端粒有直接关系，而端粒的消耗和增长取决于端粒酶的多少。细胞增殖分裂的过程就是生命体生长的过程，但细胞的分裂次数是有限的，达到上限后就不再分裂，生命体会逐渐衰老死亡。这一现象的发生就是由于染色体的末端具有一段端粒结构，其与细胞分裂过程紧密相关，在每次分裂中都会消耗一些端粒，使端粒结构缩短，当端粒消耗殆尽后细胞便不再分裂，生命体进入衰老和死亡。同时发现端粒酶可直接作用于端粒，控制端粒的消耗和增长速度。若细胞中端粒酶活性很高，端粒的长度就尽可能地得到保持甚至恢复，细胞的老化就被延缓甚至