看清蛋白質生物大分子質譜電離技術的突破及核磁共振三維

1、“看清”蛋白質生物大分子質譜電離技術的突破及核磁共振三維結構測定方法的建立,———2002 年諾貝爾化學獎簡介陳銘濤 03088003,“將我全部財產作為設立諾貝爾獎的基金，每年取出基金利息，獎給對人類文化科學事業(yè)做出重大貢獻的人?！?,,人物,約翰·B·芬恩(John B. Fenn)　美國人, 1917 年生于紐約,1940 年在耶魯大學獲博士學位,1967～1987 年任耶魯大學教授,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 年在東北大學獲工程學士學位,現(xiàn)任日本京都島津公司分析和測量儀器部生命科學經營處研究與開發(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 年在巴塞爾大學獲無機化學博士學位,1980 年起在瑞士蘇黎世

3、ETH 任分子物理學教授,并兼任美國加州La Jolla 的斯克里普斯研究所結構生物學訪問教授。,“革命性的突破”,所有生物———細菌、植物以及動物———都含有包括DNA 和蛋白質在內的生物大分子?！翱辞濉彼鼈兊恼婷婺吭浭强茖W家們夢寐以求的事,如今這一夢想成為現(xiàn)實。瑞典皇家科學院解釋說,3 位獲獎者發(fā)明的方法可以幫助科學家繪制出蛋白質的三維結構圖,從而“看清”蛋白質,并且了解它們是如何在細胞中發(fā)揮作用的,這項成果是“革命性的突破” 。

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

5、 。19 世紀末科學家已經奠定了這種方法的基礎,1912 年科學家約瑟夫·湯普生(Joseph Thompson) 第一次利用它獲得對小分子的分析結果.,問題?,不過,最初科學家只能將質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,但它們實際上是非常小的。例如一個人體內運送氧氣的血紅蛋白分子的質量僅有千億億分之一克(10 -

6、19g) ,如何測定單個生物大分子的質量呢?,方法,科學家在傳統(tǒng)的質譜分析法基礎上發(fā)明了一種新方法:首先將成團的生物大分子拆成單個的生物大分子,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動。不同的分子通過指定距離的時間不同,質量小的分子速度快些,質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間,就可計算出分子的質量。這種方法的難點在于生物大分子比較脆弱,在拆分和電離成團的生物大分子過程中它們的結構和成分很容易被破壞

7、。現(xiàn)在,有2 種方法克服這一技術難點,其中約翰·芬恩是對成團的生物大分子施加強電場,田中耕一則用激光轟擊成團的生物大分子。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(如圖1 所示) ——都成功地使生物大分子相互完整地分離,同時也被電離。他們的發(fā)明奠定了科學家對生物大分子進行進一步分析的基礎。,核磁共

8、振,,,瑞士科學家?guī)鞝柼?#183;維特里希則發(fā)明了“利用核磁共振技術測定溶液中生物大分子三維結構法”。這種方法的優(yōu)點是可對溶液中的蛋白質進行分析,進而可對活細胞中的蛋白質進行分析,能獲得“活”蛋白質的結構,其意義非常重大。這種方法的原理可以用測繪房屋的結構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構。維特里希選擇生物大分子中的質子(氫原子核) 作為測量對象,連續(xù)測定所有相鄰

9、的2個質子之間的距離和方位,這些數(shù)據(jù)經計算機處理后就可形成生物大分子的三維結構圖。,,核磁共振(NuclearMagnetic Resonance -NMR) 現(xiàn)象是1946 年由哈佛大學的伯塞( E.M.Purcell) 和斯坦福大學的布洛赫(F.Bloch) 所領導的2個小組,用不同的方法在各自的實驗室里觀察到的,伯塞爾使用的實驗方法是吸收法,而布洛赫使用的是感應法.核磁共振分析技術是利用物理原理,通感應法.核磁共振分析技術是利用物

10、理原理,通過對核磁共振譜線特征參數(shù)的測定來分析物質的分子結構與性質.NMR 不破壞被測樣品的內部結構,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構。,,核磁共振(NuclearMagnetic Resonance -NMR),,在水溶液中,大約有一半的蛋白質鏈呈現(xiàn)出規(guī)則、緊密的 三維結構 ,而另一半則非常

11、松 。目前,科學家已經利用這一方法繪制出15 %～20 %的已知蛋白質的結構。,最初,核磁共振技術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,它已廣泛應用于化學、食品、醫(yī)學、生物學、遺傳學等學科領域,已成為在這些領域開展研究工作的有力工具,甚至是某些領域(如:化學、醫(yī)學診斷、藥物學等) 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———蛋白酶抑制劑IIA ( proteinase inhibitor IIA) 的結構(如圖4 所示) 。1990 年用NMR 測定的蛋白質結構有23 個,而到1994 年一年測定的蛋白質結構數(shù)上升到100個。1997 年,維特里希應用NMR 方法測定的一種蛋白質———蛋白感染素(prion protein) 的結構,,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,生命科學和生物技術進入后基因組時代。專家認為

13、,在未來20 年內,生物技術將蓬勃發(fā)展,很可能成為繼信息技術之后推動經濟發(fā)展和社會進步的主要動力,由這3 位諾貝爾化學獎得主發(fā)明的“對生物大分子進行確認和結構分析的方法”將在今后發(fā)揮重要作用.,,,分子反應動力學國家重點實驗室主任王鴻飛教授這樣評價:本次3 位諾貝爾化學獎得主發(fā)明的方法,可以實現(xiàn)對蛋白質進行依次“點名”,知道它們各自的特點并得到它們的三維結構圖,這樣就可以對這些蛋白質的功能做進一步研究,分析出它們對人類疾病的影響。諾貝爾

14、化學獎委員會主席本特·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 ]”正如中科院化學所研究員卞則梁所說,以前生物學界無法對DNA 和蛋白質這樣的生物大分子結構進行準確測量,這次獲獎的“生物大分子質譜分析法”不僅可以準確測量生物大分子的分子量,而且可以進一步揭示各種蛋白質分子內氨基酸的構成和DNA 分子內核糖核酸的構成及其序列結構,這對人類疾病治療方面具有重大的意義。清華大學化學系教授趙玉芬院士認為,3 位獲