看清蛋白質(zhì)生物大分子質(zhì)譜電離技術(shù)的突破及核磁共振三維

1、“看清”蛋白質(zhì)生物大分子質(zhì)譜電離技術(shù)的突破及核磁共振三維結(jié)構(gòu)測定方法的建立,———2002 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)簡介陳銘濤 03088003,“將我全部財(cái)產(chǎn)作為設(shè)立諾貝爾獎(jiǎng)的基金，每年取出基金利息，獎(jiǎng)給對人類文化科學(xué)事業(yè)做出重大貢獻(xiàn)的人。”,,,人物,約翰·B·芬恩(John B. Fenn)　美國人, 1917 年生于紐約,1940 年在耶魯大學(xué)獲博士學(xué)位,1967～1987 年任耶魯大學(xué)教授,1987 年為該

2、校的Emeri2tus 教授,1994 年起任弗吉尼亞共同體大學(xué)教授。田中耕一( Koichi Tanaka) 　日本人,1959 年生于日本富山,1983 年在東北大學(xué)獲工程學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)任日本京都島津公司分析和測量儀器部生命科學(xué)經(jīng)營處研究與開發(fā)工程師。庫爾特·維特里希( Kurt Wüthrich) 瑞士人,1938 年生于瑞士阿爾貝格,1964 年在巴塞爾大學(xué)獲無機(jī)化學(xué)博士學(xué)位,1980 年起在瑞士蘇黎世

3、ETH 任分子物理學(xué)教授,并兼任美國加州La Jolla 的斯克里普斯研究所結(jié)構(gòu)生物學(xué)訪問教授。,“革命性的突破”,所有生物———細(xì)菌、植物以及動(dòng)物———都含有包括DNA 和蛋白質(zhì)在內(nèi)的生物大分子?！翱辞濉彼鼈兊恼婷婺吭?jīng)是科學(xué)家們夢寐以求的事,如今這一夢想成為現(xiàn)實(shí)。瑞典皇家科學(xué)院解釋說,3 位獲獎(jiǎng)?wù)甙l(fā)明的方法可以幫助科學(xué)家繪制出蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)圖,從而“看清”蛋白質(zhì),并且了解它們是如何在細(xì)胞中發(fā)揮作用的,這項(xiàng)成果是“革命性的突破” 。

4、,質(zhì)譜分析法,約翰·B·芬恩(John B. Fenn)&田中耕一( Koichi Tanaka),,質(zhì)譜分析法是化學(xué)領(lǐng)域中一種非常重要的分析方法。它通過測定分子質(zhì)量和相應(yīng)的離子電荷實(shí)現(xiàn)對樣品中分子的分析。質(zhì)譜分析用于生物活性分子的研究具有如下的優(yōu)點(diǎn):靈敏度極高,能為亞微克級(jí)試樣提供信息,適用于復(fù)雜體系中痕量物質(zhì)的鑒定和結(jié)構(gòu)測定 。質(zhì)譜技術(shù)具有非常強(qiáng)的結(jié)構(gòu)分析能力,并且樣品用量極少(～10 - 11g)

5、 。19 世紀(jì)末科學(xué)家已經(jīng)奠定了這種方法的基礎(chǔ),1912 年科學(xué)家約瑟夫·湯普生(Joseph Thompson) 第一次利用它獲得對小分子的分析結(jié)果.,問題?,不過,最初科學(xué)家只能將質(zhì)譜分析用于分析小分子和中型分子,由于生物大分子比水這樣的小分子大成千上萬倍,因而將這種方法應(yīng)用于生物大分子非常困難。雖然,相對而言生物大分子很大,但它們實(shí)際上是非常小的。例如一個(gè)人體內(nèi)運(yùn)送氧氣的血紅蛋白分子的質(zhì)量僅有千億億分之一克(10 -

6、19g) ,如何測定單個(gè)生物大分子的質(zhì)量呢?,方法,科學(xué)家在傳統(tǒng)的質(zhì)譜分析法基礎(chǔ)上發(fā)明了一種新方法:首先將成團(tuán)的生物大分子拆成單個(gè)的生物大分子,并將其電離,使之懸浮在真空中,然后讓它們在電場的作用下運(yùn)動(dòng)。不同的分子通過指定距離的時(shí)間不同,質(zhì)量小的分子速度快些,質(zhì)量大的分子速度慢些,通過測量不同分子通過指定距離的時(shí)間,就可計(jì)算出分子的質(zhì)量。這種方法的難點(diǎn)在于生物大分子比較脆弱,在拆分和電離成團(tuán)的生物大分子過程中它們的結(jié)構(gòu)和成分很容易被破壞

7、?，F(xiàn)在,有2 種方法克服這一技術(shù)難點(diǎn),其中約翰·芬恩是對成團(tuán)的生物大分子施加強(qiáng)電場,田中耕一則用激光轟擊成團(tuán)的生物大分子。這2 種方法——電噴射離子化( ElectrosprayIonisation - ESI) 和軟激光解吸附作(SoftLaser Des2orption - SLD) 技術(shù)(如圖1 所示) ——都成功地使生物大分子相互完整地分離,同時(shí)也被電離。他們的發(fā)明奠定了科學(xué)家對生物大分子進(jìn)行進(jìn)一步分析的基礎(chǔ)。,核磁共

8、振,,,瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼?#183;維特里希則發(fā)明了“利用核磁共振技術(shù)測定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)法”。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可對溶液中的蛋白質(zhì)進(jìn)行分析,進(jìn)而可對活細(xì)胞中的蛋白質(zhì)進(jìn)行分析,能獲得“活”蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),其意義非常重大。這種方法的原理可以用測繪房屋的結(jié)構(gòu)來比喻首先選定一座房屋的所有拐角作為測量對象,然后測量所有相鄰拐角間的距離和方位,據(jù)此就可以推知房屋的結(jié)構(gòu)。維特里希選擇生物大分子中的質(zhì)子(氫原子核) 作為測量對象,連續(xù)測定所有相鄰

9、的2個(gè)質(zhì)子之間的距離和方位,這些數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后就可形成生物大分子的三維結(jié)構(gòu)圖。,,核磁共振(NuclearMagnetic Resonance -NMR) 現(xiàn)象是1946 年由哈佛大學(xué)的伯塞( E.M.Purcell) 和斯坦福大學(xué)的布洛赫(F.Bloch) 所領(lǐng)導(dǎo)的2個(gè)小組,用不同的方法在各自的實(shí)驗(yàn)室里觀察到的,伯塞爾使用的實(shí)驗(yàn)方法是吸收法,而布洛赫使用的是感應(yīng)法.核磁共振分析技術(shù)是利用物理原理,通感應(yīng)法.核磁共振分析技術(shù)是利用物

10、理原理,通過對核磁共振譜線特征參數(shù)的測定來分析物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì).NMR 不破壞被測樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu),是一種無損檢測方法.由于不同的原子核吸收不同的電磁波,因而通過測定和分析受測物質(zhì)對電磁波的吸收情況就可以判定它含有哪種原子,原子之間的距離有多大,并據(jù)此分析出它的三維結(jié)構(gòu)。,,核磁共振(NuclearMagnetic Resonance -NMR),,在水溶液中,大約有一半的蛋白質(zhì)鏈呈現(xiàn)出規(guī)則、緊密的 三維結(jié)構(gòu) ,而另一半則非常

11、松 。目前,科學(xué)家已經(jīng)利用這一方法繪制出15 %～20 %的已知蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。,最初,核磁共振技術(shù)主要用于核物理研究方面,用它測量各種原子核的磁矩,誤差僅是0. 003 %～0. 005 %; 迄今,它已廣泛應(yīng)用于化學(xué)、食品、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、遺傳學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域,已成為在這些領(lǐng)域開展研究工作的有力工具,甚至是某些領(lǐng)域(如:化學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷、藥物學(xué)等) 常規(guī)分析中不可缺少的手段。1985 年,維特里希等人公布了第一次利用NMR 法測定的溶液中蛋白

12、質(zhì)———蛋白酶抑制劑IIA ( proteinase inhibitor IIA) 的結(jié)構(gòu)(如圖4 所示) 。1990 年用NMR 測定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)有23 個(gè),而到1994 年一年測定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)上升到100個(gè)。1997 年,維特里希應(yīng)用NMR 方法測定的一種蛋白質(zhì)———蛋白感染素(prion protein) 的結(jié)構(gòu),,隨著人類基因組圖譜、水稻基因組草圖以及其他一些生物基因組圖譜破譯成功,生命科學(xué)和生物技術(shù)進(jìn)入后基因組時(shí)代。專家認(rèn)為

13、,在未來20 年內(nèi),生物技術(shù)將蓬勃發(fā)展,很可能成為繼信息技術(shù)之后推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的主要?jiǎng)恿?由這3 位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主發(fā)明的“對生物大分子進(jìn)行確認(rèn)和結(jié)構(gòu)分析的方法”將在今后發(fā)揮重要作用.,,,分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任王鴻飛教授這樣評(píng)價(jià):本次3 位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主發(fā)明的方法,可以實(shí)現(xiàn)對蛋白質(zhì)進(jìn)行依次“點(diǎn)名”,知道它們各自的特點(diǎn)并得到它們的三維結(jié)構(gòu)圖,這樣就可以對這些蛋白質(zhì)的功能做進(jìn)一步研究,分析出它們對人類疾病的影響。諾貝爾

14、化學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)主席本特·諾登說:“他們的成果為未來探索癌癥的治療方法鋪平了道路。[ 3 ]”正如中科院化學(xué)所研究員卞則梁所說,以前生物學(xué)界無法對DNA 和蛋白質(zhì)這樣的生物大分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確測量,這次獲獎(jiǎng)的“生物大分子質(zhì)譜分析法”不僅可以準(zhǔn)確測量生物大分子的分子量,而且可以進(jìn)一步揭示各種蛋白質(zhì)分子內(nèi)氨基酸的構(gòu)成和DNA 分子內(nèi)核糖核酸的構(gòu)成及其序列結(jié)構(gòu),這對人類疾病治療方面具有重大的意義。清華大學(xué)化學(xué)系教授趙玉芬院士認(rèn)為,3 位獲