酶學(xué)研究中的諾貝爾獎(jiǎng)

酶學(xué)研究中的諾貝爾獎(jiǎng)標(biāo)簽：教育酶學(xué)研究諾貝爾獎(jiǎng) 分類：生物學(xué)史與學(xué)家酶學(xué)研究中的諾貝爾獎(jiǎng)學(xué)習(xí)感悟：科學(xué)家對(duì)酶的研究也經(jīng)歷了很長(zhǎng)時(shí)間，教材中也有簡(jiǎn)單的酶的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，學(xué)習(xí)過(guò)程中也涉及到很多酶，今天看到生物學(xué)通報(bào)中完整的諾貝爾獎(jiǎng)中對(duì)酶的研究達(dá)到了10次，現(xiàn)摘錄如下以供學(xué)習(xí)。酶在生命體的新陳代謝過(guò)程中占有重要地位，幾乎所有細(xì)胞的生命活動(dòng)都需要酶的參與。19世紀(jì)30年代德國(guó)化學(xué)家Liebig和他的同事Wohler從苦杏仁汁中發(fā)現(xiàn)了一種催化物質(zhì)，后被命名為苦杏仁酶（emulsion），這是最早發(fā)現(xiàn)的酶之一。隨后又有許多酶被相繼發(fā)現(xiàn)，酶學(xué)研究也進(jìn)入飛速發(fā)展時(shí)期。從1907年比希納獲得酶學(xué)研究史上的首個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)開(kāi)始，在酶學(xué)領(lǐng)域中先后有多次諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)記錄。1．1907年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)邜?ài)德華·比希納（德國(guó)）獲獎(jiǎng)理由發(fā)現(xiàn)無(wú)細(xì)胞發(fā)酵現(xiàn)象20世紀(jì)初德國(guó)科學(xué)家愛(ài)德華·比希納利用細(xì)沙和酵母菌作為實(shí)驗(yàn)材料，混合并加以研磨，隨后加上矽藻土，用水力壓榨機(jī)制備酵母榨出液，利用這種液體為濃蔗糖溶液防腐，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)酵母榨出液引起了蔗糖的發(fā)酵。但此榨出液中沒(méi)有活的酵母細(xì)胞。隨后，為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，他又利用乙醇和丙酮?dú)⑺阑畹慕湍讣?xì)胞，仍然引起了蔗糖的發(fā)酵。1897年他發(fā)表題為《無(wú)細(xì)胞的發(fā)酵》論文，引起了學(xué)術(shù)界的轟動(dòng)。論文否定了發(fā)酵作用是“生命現(xiàn)象”的概念，建立了微生物的生命活動(dòng)和酶化學(xué)之間的聯(lián)系。愛(ài)德華·比希納的研究推動(dòng)了生物化學(xué)、微生物學(xué)、發(fā)酵生理學(xué)和酶化學(xué)的發(fā)展，并獲得了1907年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，這在酶學(xué)研究史上是一次巨大的飛躍，開(kāi)創(chuàng)了微生物生化研究的新篇章。2．1929年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)邅喩す牵ㄓ?guó)）和漢斯.馮·奧伊勒-凱爾平（瑞典）獲獎(jiǎng)理由闡述了糖發(fā)酵過(guò)程中酶的作用亞瑟·哈登（HardenSirArthur）是英國(guó)生物化學(xué)家。1904年他將酵母提取物放入半滲透薄膜袋內(nèi)進(jìn)行滲析時(shí)發(fā)現(xiàn)，酵母酶的活性消失，它不再使糖發(fā)酵。然而，如果將滲析至袋外的水加入袋內(nèi)的物料中，則酵母酶活性又會(huì)恢復(fù)。同時(shí)觀察到滲析開(kāi)始時(shí)，酵母提取物迅速將葡萄糖分解并產(chǎn)生二氧化碳，但是隨著時(shí)間的推移，其活性逐漸降低。他推測(cè)酵母酶是由2部分組成的，一部分是小分子，另一部分則是大分子。兩者單獨(dú)作用都不會(huì)使糖發(fā)酵。只有共同作用才有發(fā)酵的效果。如果將袋內(nèi)的物料煮沸，則活性消失，即使袋內(nèi)加入了袋外的水也是如此。實(shí)驗(yàn)證明大分子是蛋白質(zhì)，小分子經(jīng)受住了煮沸，因而多半不是蛋白質(zhì)。這種小分子是“輔酶”發(fā)現(xiàn)的首個(gè)實(shí)例，它是一種非蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的小分子，這種小分子對(duì)于酶的作用是不可或缺的。漢斯.馮·奧伊勒一凱爾平是杰出的瑞典生物化學(xué)家。他在訪問(wèn)比希納的實(shí)驗(yàn)室后對(duì)發(fā)酵產(chǎn)生了濃厚興趣。由于哈登發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵過(guò)程需要酶和輔酶共同發(fā)揮作用，因此經(jīng)過(guò)10年潛心研究，凱爾平測(cè)定了輔酶的化學(xué)性質(zhì)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)輔酶廣泛地存在于生物體內(nèi)，酵母菌內(nèi)的輔酶最易提取。他的發(fā)現(xiàn)闡明了糖發(fā)酵過(guò)程中酶的作用，特別是提示了輔酶的存在和作用機(jī)理。由于其卓越的貢獻(xiàn)，亞瑟·哈登和奧伊勒一凱爾平共享了1929年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。愛(ài)德華·比希納的研究推動(dòng)了生物化學(xué)、微生物學(xué)、發(fā)酵生理學(xué)和酶化學(xué)的發(fā)展，并獲得了1907年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，這在酶學(xué)研究史上是一次巨大的飛躍，開(kāi)創(chuàng)了微生物生化研究的新篇章。3．1931年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)邐W托·海因里?！ね郀柋ぃǖ聡?guó)）獲獎(jiǎng)理由發(fā)現(xiàn)了呼吸酶的性質(zhì)和作用方式奧托·海因里?！ね郀柋ぃ∣ttoHeinrichWarburg）是德國(guó)生理學(xué)家和醫(yī)生。他長(zhǎng)期從事癌細(xì)胞的研究，發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞在生長(zhǎng)過(guò)程中偏好利用糖代謝作用代替正常細(xì)胞的有氧循環(huán)，因此癌細(xì)胞使用線粒體的方式與正常細(xì)胞不同，得出癌細(xì)胞的生長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于正常細(xì)胞的原因是能量來(lái)源的差別，這就是“瓦氏效應(yīng)”，這一結(jié)論為治療癌癥提供了一種新的理論依據(jù)。在研究細(xì)胞呼吸作用時(shí)奧托發(fā)現(xiàn)了呼吸酶，證明呼吸酶是一種含鐵的蛋白質(zhì)，稱之為鐵氧酶，奧托得出結(jié)論，是呼吸酶中的含鐵蛋白起到了催化的作用。1931年，奧托·海因里?！ね郀柋ひ蚝粑傅南嚓P(guān)研究榮獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。但他的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)不止此，他對(duì)光合作用也有深入的研究，在光合作用的機(jī)理和量子效率等方面具有獨(dú)特的見(jiàn)解。奧托一生發(fā)表了數(shù)百篇論文及5部專著，培養(yǎng)了大批年輕的科學(xué)家。4．1946年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)哒材匪埂に_姆那（美國(guó)）約翰·霍華德·諾斯羅普（美國(guó)）斯坦利（美國(guó)）獲獎(jiǎng)理由酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)自1907年德國(guó)化學(xué)家愛(ài)德華·比希納證明發(fā)酵不是依賴于活的酵母細(xì)胞，而是酒化酶這類物質(zhì)之后，越來(lái)越多的科學(xué)家開(kāi)始致力于酶化學(xué)本質(zhì)的研究。這一課題也是20世紀(jì)初期酶學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。20世紀(jì)初許多科學(xué)家認(rèn)為酶是一種附著在膠體上的相對(duì)分子量較小的物質(zhì)。但美國(guó)科學(xué)家詹姆斯·薩姆那（J.B.Summer）堅(jiān)持認(rèn)為酶是一種蛋白質(zhì)。1926年，他選用脈酶含量較高的刀豆為實(shí)驗(yàn)材料，成功提取出一種能分解尿素的酶，命名為脈酶。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，證明脈酶具有蛋白質(zhì)特性。這是生物化學(xué)史上首次成功提取酶的結(jié)晶，有力推動(dòng)了生物化學(xué)的發(fā)展。隨后在1930年，美國(guó)科學(xué)家約翰·霍華德·諾斯羅普（J.H.Northrop）及其研究團(tuán)隊(duì)從豬的胃里首次獲得了胃蛋白酶晶體，并且合成了胰蛋白酶等多種消化性蛋白酶的結(jié)晶，證明了這些結(jié)晶是純蛋白質(zhì)。至此酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)這一結(jié)論被人們所接受。與此同時(shí)，美國(guó)科學(xué)家斯坦利(W.M.Stanley)運(yùn)用薩姆那和諾斯羅普純化和結(jié)晶酶的方法，成功分離出了煙草花葉病毒。這3位科學(xué)家不僅在酶學(xué)研究上都取得了重大的成就，其鍥而不舍的科研精神也值得后人學(xué)習(xí)，因其卓越的貢獻(xiàn)他們共享了1946年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。5．1957年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)邅啔v山大·R·托德（英國(guó)）——近代核酸化學(xué)的先驅(qū)獲獎(jiǎng)理由核苷酸和核苷酸輔酶方面的研究亞歷山大·R·托德，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)、化學(xué)家。長(zhǎng)期從事核酸和核苷酸輔酶的研究。在20世紀(jì)初，DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)尚未被發(fā)現(xiàn)，但當(dāng)時(shí)已知DNA由脫氧核糖核酸組成，RNA由核糖核酸組成，經(jīng)過(guò)托德的詳細(xì)研究，得出核糖核苷酸是由核糖、磷酸、堿基3部分組成，堿基分為A,U,C,G4種；脫氧核糖核苷酸是由脫氧核糖、磷酸和堿基組成，堿基分為A,T,C,G4種。他指出在核酸里2個(gè)核糖核苷酸之間由1個(gè)磷酸連接起來(lái)，核酸就是用這種方式把許多核苷酸連成長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)。托德后來(lái)又合成了各種核苷酸單體、ATP和幾種含有核苷酸結(jié)構(gòu)的輔酶。這些成果不僅為核酸化學(xué)的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為后來(lái)DNA分子結(jié)構(gòu)的提出指明了方向。托德因此貢獻(xiàn)被授予1957年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，被譽(yù)為近代核酸化學(xué)的先驅(qū)。6．1959年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)甙⑸た贫鞑瘢绹?guó)）塞韋羅·奧喬亞·德阿爾沃諾斯（美國(guó)）獲獎(jiǎng)理由RNA聚合酶與DNA聚合酶的發(fā)現(xiàn)1953年，沃森和克里克提出了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，這一成果被認(rèn)為是分子生物學(xué)誕生的標(biāo)志，但DNA分子的復(fù)制機(jī)理卻一直未探明。1954年，美國(guó)科學(xué)家阿瑟·科恩伯格（ArthurKornberg）和同事分離得到DNA和RNA生成過(guò)程中5種核苷酸合成的相關(guān)酶類，于是科恩伯格將研究重點(diǎn)放在DNA合成酶上，由于DNA的合成過(guò)程十分復(fù)雜，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為體外合成DNA無(wú)法完成。科恩伯格堅(jiān)持不懈，并于1955年以大腸桿菌提取液為材料，用放射性同位素標(biāo)記核苷酸的方法證明存在催化核苷酸多聚化的酶。1957年，科恩伯格研究團(tuán)隊(duì)將該酶進(jìn)行提純，首次在試管中合成了DNA分子。該實(shí)驗(yàn)證明DNA可以在DNA聚合酶的催化下合成新的DNA鏈，正是這種生理機(jī)制使得DNA分子能夠進(jìn)行復(fù)制，將遺傳信息世代延續(xù)。科恩伯格因?yàn)檫@個(gè)重大發(fā)現(xiàn)被譽(yù)為“DNA酶學(xué)之父”。1955年，另一位美國(guó)科學(xué)家塞韋羅·奧喬亞·德阿爾沃諾斯（SeveroOchoadeAlbornoz）也在實(shí)驗(yàn)室中利用大腸桿菌作為實(shí)驗(yàn)材料發(fā)現(xiàn)了催化生成RNA的酶。即RNA聚合酶。由于這2位科學(xué)家的重大發(fā)現(xiàn)，使得合成DNA和RNA十分方便、快捷，從而對(duì)遺傳學(xué)的生物化學(xué)研究有極大的促進(jìn)作用。尤其是科恩伯格發(fā)現(xiàn)的DNA聚合酶為分子生物學(xué)和酶學(xué)領(lǐng)域研究奠定了基礎(chǔ)，為以后出現(xiàn)的基因工程、DNA測(cè)序、DNA聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)等的出現(xiàn)及發(fā)展開(kāi)辟了道路。因?yàn)镽NA聚合酶與DNA聚合酶的發(fā)現(xiàn)，這2位科學(xué)家共享了1959年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。7．1975年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)甙蜖柕哪α_納托·杜爾貝科特明獲獎(jiǎng)理由發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶在發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)以后，眾多科學(xué)家開(kāi)始研究遺傳信息的流向問(wèn)題。1957年克里克最初提出了中心法則，指出遺傳信息之間的流動(dòng)是單向的、不可逆的過(guò)程，即DNA→RNA→蛋白質(zhì)的方向轉(zhuǎn)移。這一理論在當(dāng)時(shí)被普遍接受。但1901年勞斯發(fā)現(xiàn)，雞肉瘤細(xì)胞裂解物在通過(guò)除菌過(guò)濾器后注射到正常雞體內(nèi)可以引起肉瘤。這是首次提出雞肉瘤可能是由病毒引起的，即勞斯肉瘤病毒。勞斯進(jìn)而提出，病毒是癌癥的病因，但這個(gè)觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起重視。1958年，羅納托·杜爾貝科和特明開(kāi)始進(jìn)行多瘤病毒分子的生物學(xué)研究。杜爾貝科在組織培養(yǎng)中證明了病毒通過(guò)染色體遺傳到子代細(xì)胞。1970年特明和巴爾的摩在一些RNA致癌病毒中發(fā)現(xiàn)，它們?cè)谒拗骷?xì)胞中的復(fù)制過(guò)程是以病毒RNA分子為模板合成1個(gè)單鏈DNA分子，單鏈DNA分子再經(jīng)過(guò)自我復(fù)制之后作為模板合成新的病毒RNA。前一個(gè)步驟被稱為逆轉(zhuǎn)錄過(guò)程，是上述中心法則提出后的新的發(fā)現(xiàn)。同年，特明和巴爾的摩分別從雞肉瘤病毒和小白鼠白血病病毒顆粒中找到了逆轉(zhuǎn)錄酶。這就證明了RNA可以逆轉(zhuǎn)錄為DNA，這一發(fā)現(xiàn)不僅完善了中心法則的內(nèi)容，而且對(duì)于治療人類惡性腫瘤等疾病具有啟示性作用。特明、巴爾的摩和杜爾貝科也因此重大發(fā)現(xiàn)榮獲1975年諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎(jiǎng)。8．1989年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)邐W特曼（美國(guó)）切赫（美國(guó)）獲獎(jiǎng)理由發(fā)現(xiàn)RNA的生物催化作用在20世紀(jì)70年代，生物化學(xué)家對(duì)酶已經(jīng)有了較為深入的了解，同時(shí)也純化出了數(shù)百種酶分子，這些酶分子的化學(xué)本質(zhì)均為蛋白質(zhì)。此時(shí)，美國(guó)耶魯大學(xué)教授奧特曼（SidneyAltman）則提出RNA也具有生物催化的作用，在生物化學(xué)研究領(lǐng)域引起了轟動(dòng)。他提出RNA分子具有活性中心，即催化部位，同時(shí)也具有基質(zhì)，即反應(yīng)部位，而且兩者可以同處于一個(gè)分子內(nèi)部。隨后奧特曼在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，名為Tetrahymena的原生動(dòng)物的t-RNA具有自我催化的能力。從而首次提出了“RNA可獨(dú)立具有催化流行性”這一全新的觀點(diǎn)。1981年美國(guó)科羅拉多大學(xué)的切赫（Cech）和同事以原生動(dòng)物四膜蟲(chóng)為材料，研究rRNA的基因轉(zhuǎn)錄時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)DNA轉(zhuǎn)錄成RNA后，RNA序列中的某些片段會(huì)被剪切下來(lái)。于是切赫將剪切前的RNA分離出來(lái)，一部分加酶，一部分不加，而結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者具有相同的剪接速度和過(guò)程。這一現(xiàn)象說(shuō)明RNA能夠進(jìn)行自我剪切和拼接，形成具有生理功能的核糖體RNA。奧特曼和切赫由于證明了RNA兼有遺傳信息的存儲(chǔ)、傳遞和生物催化等不同的功能，從而突破了酶是蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)觀念，使人類對(duì)于生命起源的認(rèn)識(shí)更為深入，于1989年被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

9．1997年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)弑枴げ┮绹?guó)）約翰·沃克（英國(guó)）科斯（丹麥）獲獎(jiǎng)理由ATP合成酶作用機(jī)理的發(fā)現(xiàn)保爾·博耶是美國(guó)生物化學(xué)家，在研究合成酶的過(guò)程中有開(kāi)創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。他利用化學(xué)方法提出了ATP合成酶的功能機(jī)制。此時(shí)，另一位英國(guó)科學(xué)家約翰·沃克（JohnE.Walker）也在研究ATP合成酶。他的研究重點(diǎn)是酶的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)。1981年，他確定了構(gòu)成合成酶蛋白質(zhì)單元的氨基酸序列。1994年，沃克與X射線結(jié)晶學(xué)家一起工作，澄清了合成酶的三維結(jié)構(gòu)。沃克將ATP制成結(jié)晶，以便更好地研究細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。證明了博耶關(guān)于ATP合成的“分子機(jī)器”的觀點(diǎn)是正確的。至此ATP合成酶催化合成ATP的過(guò)程就得到了完整的說(shuō)明。同年，丹麥科學(xué)家科斯（JensC.Skou）發(fā)現(xiàn)了輸送離子的Na＋，K＋-ATP酶。因此與博耶、沃克同獲1997年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。這種酶是在動(dòng)物細(xì)胞的質(zhì)膜中發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)有科學(xué)家在研究神經(jīng)細(xì)胞受刺激后Na＋和K＋在細(xì)胞中的運(yùn)動(dòng)情況，他們發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元激活時(shí)，Na離子涌進(jìn)細(xì)胞，K離子流出細(xì)胞，由于轉(zhuǎn)運(yùn)是逆濃度梯度(從低濃度區(qū)到高濃度區(qū))進(jìn)行，這一過(guò)程需要能量，所需能量即由載能分子三磷酸腺昔酶提供。這一濃度差的存在有助于維持動(dòng)物細(xì)胞的滲透平衡，維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。10．2009年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)咭聋惿住げ既R克本（美國(guó)）卡羅爾·格雷德（美國(guó)）杰克·紹斯塔克（美國(guó)）獲獎(jiǎng)理由發(fā)現(xiàn)端粒和端粒酶保護(hù)染色體的機(jī)制細(xì)胞的壽命與端粒有直接關(guān)系，而端粒的消耗和增長(zhǎng)取決于端粒酶的多少。細(xì)胞增殖分裂的過(guò)程就是生命體生長(zhǎng)的過(guò)程，但細(xì)胞的分裂次數(shù)是有限的，達(dá)到上限后就不再分裂，生命體會(huì)逐漸衰老死亡。這一現(xiàn)象的發(fā)生就是由于染色體的末端具有一段端粒結(jié)構(gòu)，其與細(xì)胞分裂過(guò)程緊密相關(guān)，在每次分裂中都會(huì)消耗一些端粒，使端粒結(jié)構(gòu)縮短，當(dāng)端粒消耗殆盡后細(xì)胞便不再分裂，生命體進(jìn)入衰老和死亡。同時(shí)發(fā)現(xiàn)端粒酶可直接作用于端粒，控制端粒的消耗和增長(zhǎng)速度。若細(xì)胞中端粒酶活性很高，端粒的長(zhǎng)度就盡可能地得到保持甚至恢復(fù)，細(xì)胞的老化就被延緩甚至