酶学研究领域中的诺贝尔奖获得者及其成果

酶学研究领域中的诺贝尔奖获得者及其成果
摘要：酶是生命活动中的“催化剂”，主宰着生命活动的进程。

生物的生长、发育、繁殖、运动等一切生命活动都与酶的催化过程紧密相关，可以说，没有酶的参与，生命活动一刻也不能进行。

因此，酶学研究对于人们认识生命活动的本质和规律无疑是十分重要的，酶学研究中的重大发现和理论上的突破也一次又一次获得了诺贝尔奖的桂冠。

从1907年布赫纳获得酶学研究史上的第一次诺贝尔奖开始，之后在此领域中又有七次诺贝尔奖获得者。

这其中既有萨姆纳证明酶的本质是蛋白质，又有切克和奥尔特曼发现了核酶打破酶是蛋白质这一传统观念。

最近的一次是2009年医学或生理学三位美国科学家发现端粒和端粒酶保护染色体的机理。

这些诺贝尔奖获得者为酶学研究做出了巨大的贡献。

关键词：诺贝尔奖酶学发酵蛋白质核酶ATP合成酶逆转录酶限制性内切酶端粒酶
1.诺贝尔化学奖获得者及其成果
1.1 1907 发现无细胞发酵现象
1897年，德国化学家布赫纳用砂粒研磨酵细胞，把所有的细胞全部研碎，并成功地提取出一种液体。

他发现，这种液体依然能够像酵母细胞一样完成发酵任务。

这个实验证明了活体酵素与非活体酵素
的功能是一样的。

因此，“酶”这个词现在适用于所有的酵素，而且是使生化反应的催化剂。

19世纪中期学术界对发酵本质争论激烈。

布赫纳用实验说明了发酵主要是酵素而不是酵母细胞起作用，从而发现了酒化酶。

他的主要著作有“无细胞发酵。

”（1897年）“酒化酶发酵”（1903年）等。

他推动了生物化学、微生物学、发酵生理学和酶化学的发展，于1907年获诺贝尔化学奖。

1.2 1929年化学奖发酵机理的研究
亚瑟·哈登（Harden,Sir Arthur）英国生物化学家。

1897年他加入了詹纳预防医学并开始研究酒精发酵。

1904年他把酵母提取物放入一个由半渗透薄膜制成的袋内渗析时发现，酵母酶的活性消失，它不再使糖发酵了。

然而，如果他将渗析至袋外的水加入袋内的物料中，则活性又恢复。

看来，酵母酶似乎是由两部分组成的，一部分是小分子，另一部分则是大分子。

如果将袋内的物料煮沸，则活性消失，即使袋内加入了袋外之水也是如此。

因此，大部分分子多半是蛋白质。

小分子经受住了煮沸，因而多半不是蛋白质。

后者是“辅酶”的第一个实例，它是一种不是蛋白质的小分子，这种小分子对于酶的作用是不可少的，而酶本身则是一种蛋白质。

奥伊勒-凯尔平等研究了辅酶的化学性质，并弄清了下述事实：维生素对于生命之所以重要是由于它们组成了辅酶的一部分；哈登注意到了另外一件有趣的事情。

开始时，酵母提取物非常迅速地将葡萄
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。

因此，人们很自然地认为，酶是随着时间的推移而逐渐分解的。

然而，哈登在1905年证明实际情况不是这样的。

如果把无机磷酸盐加入溶液中，则酶又恢复到原来的活性。

这是一个奇妙的发现，因为被发酵的糖，产生出来的酒精和二氧化碳以有酶本身都不含磷。

由于无机磷酸盐消失了，所以哈登就寻找由无机磷酸盐形成的有机磷酸盐，结果发现在一个糖分子上附着两个磷酸盐基团这样的结构形式。

在发酵过程中，就形成了这样的糖分子，此后，在发生了许多其他的化学反应之后，这两个磷酸盐基团又脱离了糖分子。

这是对中间代谢作用进行研究的开端。

现今，中间代谢是生物化学中最活跃和最重要的分支之一。

而且，哈登的工作使化学家逐步认识到下述事实：磷酸盐基团在生物化学的每一方面都起着基本的作用。

由于哈登在发酵方面的研究工作，他与奥伊勒-凯尔平分享了1929年化学诺贝尔奖。

汉斯.冯.奥伊勒-凯尔平（Hons V on Euler-chelpin，1873-1964）是瑞典杰出生物化学家。

他的主要贡献是阐明了糖发酵的过程和酶在其中的作用，特别是提示了辅酶的存在和作用机理。

因此与英国生物化学家*哈登合获1929年诺贝尔化学奖。

1.3 1946化学奖——揭露了酶是蛋白质
萨姆纳（J.B.JamesBatchellerSumner1887～1955）美国生物化学家。

20世纪20年代,许多生物化学家认为酶是附着在胶体上的低分子量物质,而萨姆纳则相信酶是蛋白质。

他从1917年开始用刀豆粉为原料,
分离提纯其中的脲酶(刀豆中脲酶多,易于测定)。

1926年他成功地分离出一种脲酶活性很强的细小晶体,并经各种试验证明这些细小晶体是蛋白质。

这是生物化学史上首次得到的结晶酶,也是首次直接证明酶是蛋白质,推动了酶学的发展。

1937年他又得到了过氧化氢酶的结晶,还提纯了几种其他的酶。

由于脲酶和其他酶的工作,他于1946年获得诺贝尔化学奖。

诺思罗普（Northrop,JohnHoward,1891- ）美国化学家。

诺思罗普主要研究酶的离析与结晶化问题，首选离析出细菌病毒，确定酶的核蛋白性质与化学反应规律，第一个在实验定制备出胰蛋白酶。

1941年获结晶状白喉抗毒互。

由于这些成就，1946年与萨姆拉、斯坦利共、获诺贝尔化学奖。

斯坦利（Stanley,WendellMeredith,1904-1971 ）美国生物化学家。

斯坦利主要研究病毒学。

1935年首次获得病毒结晶体，证明病毒是蛋白质的。

1936从结晶病毒中离析出核酸。

还对流行性感冒、病毒变种及繁殖进行了大量研究。

斯坦利因病毒蛋白酶的研究成果，1946年与萨姆纳、诺思罗普共获诺贝尔化学奖。

1.4 1989化学奖——打破了酶是蛋白质的传统观念
在70年代时，生物化学家们已提纯了数百种酶分子，更掌握了数千种的酶活性，而这些具有催化活性的酶分子都无一例外地的是蛋白质。

所以当奥尔特曼提出RNA分子居然也可以有生物催化功能，而且可进行催化反应的部位，即活化中心，和被催化而进行反应的部
位，即基质，居然可同处于一个RNA分子中，即同一分子的不同部位分别失学催化者与基质的角色，这当然会在生物化学界中引起巨大震撼。

在70年代后期，奥尔特曼在研究RNA的催化功能时，首选发现原生动物Tetrahymena中所存在的一种较大的t-RNA，当经“修改”为较短的功能性St-RNA的过程中并没有蛋白质型态的酶参与裁剪过程，而是由自我准确地切断它中间的一413苷，再由其头尾两段又接合成终极t-RNA。

他并且判明能发挥催化功能的正是这段含413个核苷的“插入序列”（IVS），所以Tetrahymena的t-RNA的成熟是自我催化，从而首次提出了“RNA可独立具有催化流行性”。

这一发现开创了核酸化学中的一个新领域。

切赫于1981 年后也全力投入了RNA分子的催化功能研究，在不满十年里便成就斐然。

他将奥尔特曼的研究成果和演说推而广之，并能提出分子层次上的化学理论来解释RNA分子的自我催化机理。

因此，他为建立生命科学的、在分子层次上的理论基础做出了令人鼓舞的贡献。

为此，他和阿尔特曼共同获得了1989年的诺贝尔化学奖
1.5 1997化学奖——揭示了ATP合成酶的作用机制
1997年，美国科学家博耶Paul D.Boyer、英国科学家沃克尔John E.Walker、丹麦科学家斯科Jens C.Skou因在“生命能量通货——三磷酸腺苷ATP”方面的研究而获得诺贝尔化学奖。

他们发现，在叶绿体膜、线粒体膜以及细菌的质膜中都可发现ATP合成酶，膜两侧氢离子浓度差驱动ATP合成酶合成ATP。

ATP分子结构简式
ATP(adenosine-triphosphate)中文名称为腺嘌呤核苷三磷酸，又叫三磷酸腺苷(腺苷三磷酸)，简称为ATP。

在有机物氧化分解或光合作用过程中，ADP可获取能量，与磷酸结合形成ATP。

ATP和ADP这种相互转化，是时刻不停的发生且处于动态平衡之中的。

ATP被称为生命的能量通货。

ATP合酶广泛存在于线粒体、叶绿体、原核藻、异养菌和光合细菌中，是生物体能量代谢的关键酶。

该酶分别位于类囊体膜、质膜或线粒体内膜上，参与氧化磷酸化与光合磷酸化反应，在跨膜质子动力势的推动下催化合成生物体的能量“通货”——ATP。

ATP合酶的F0部分比鞭毛的动力结构的直径将近小一半。

鞭毛的运动要经过几百个步骤，而ATP合酶的运动只需要几步。

ATP合成酶结构模式图
博耶运用化学方法提出了ATP合成酶的功能机制，ATP合成酶像一个由α亚基和β亚基交替组成的圆柱体。

在圆柱体中间还有一个不对称的γ亚基。

当γ亚基转动时（每秒100转），会引起β亚基结构的变化。

博耶把这些不同的结构称为开放结构、松散结构和紧密结构。

沃克尔把ATP制成结晶，以便研究它的结构细节。

他证实了博耶关于ATP怎样合成的提法，即“分子机器”是正确的。

1981年沃克尔测定了编码组成ATP合成酶的蛋白质基因。

斯科最早描述了离子泵——一个驱使离子通过细胞膜定向转运的酶，这是所有的活细胞中的一种基本的机制。

自那以后，实验证明细胞中存在好几种类似的离子泵。

他发现了钠离子、钾离子-ATP酶——一种维持细胞中钠离子和钾离子平衡的酶。

2.诺贝尔医学或生理学获得者及其成果
2.1 1975医学或生理学——逆转录酶的发现
巴尔的摩（Baltimore, David, 1938-）美国微生物学家。

主要研究核糖核酸的蛋白与核酸合成、动物病毒、脊髓灰质炎病毒与核糖核酸肿瘤病毒。

1975年因研究肿瘤病毒和细胞遗传物质之间相互作用的成果，与杜尔贝科、特明共获诺贝尔生理学和医学奖。

特明（Temin,Howard Martin）美国肿瘤学家。

在研究癌细胞中，对遗传信息只是单方向地由染色体DNA到细胞浆中的RNA,、到酶有所怀疑。

他认为在这个过程中有些迂迥，有些酶有可能影响DNA
的功能。

他弄清了这种称为“逆转录酶”的酶，巴尔蒂莫尔也独自弄清了这种酶。

因此，特明和巴尔蒂莫尔与杜尔贝科分享了1975年诺贝尔生理学和医学奖。

杜尔贝科（Dulbecco,Renato) 意大利出生的美国病毒学家。

杜尔贝科最重要的工作是研究癌症病毒，研究它们如何使细胞产生化学变化导致癌变。

由于细胞内有极其错综复杂的无数化学反应在相互作用，所以他倡导了向细胞内注入已知功能的单个病毒基因而不注入完整病毒的技术，以研究因此而发生的化学变化。

这项技术的效果使他分享了1975年诺贝尔生理学和医学奖。

2.2 1978医学或生理学——限制性内切酶的发现和应用
阿尔伯（Arber,Werner）瑞士微生物学家。

卢里亚曾观察到,噬菌体不仅能诱发细菌细胞内的突变，而且其本身也发生突变。

阿尔伯对此深感兴趣。

他收集了证据表明，细菌细胞能够通过一种“限制酶”的存在来保护自己，抵御噬菌体的攻击。

这种限制酶通过分裂噬菌体的DNA使之大部或全部失活，从而遏制噬菌体的生长。

到1968年，阿尔伯收集了足够多的关于限制酶的资料，终于能够证明一种特别的限制酶的存在，它只分裂那些含有为噬菌体所特有的某种序列的核苷酸。

这一工作经过内森斯和史密斯的发展，导致了伯格等人创造的重组DNA的技术。

阿尔伯、内森斯和史密斯分享了1978年诺贝尔生理学和医学奖。

内森斯（Nathans, Daniel）美国微生物学家。

他与史密斯合作，
研究了能在特定部位分裂DNA分子的酶。

这使人们有可能对已知的大得足以带有遗传信息的核酸片断进行研究。

这项研究于1971年完成，以后又导致了旨在把核酸拆开再按其它结构加以组装的重组DNA的研究工作。

为此，内森斯和史密斯分享了1978年诺贝尔生理学和医学奖。

史密斯1931年出生，是美国著名的微生物学家。

在史密斯研究限制酶前，1926年出生的瑞士微生物学家沃勒·阿尔伯和同事于50年代末和60年代初在另一位科学家卢里亚所完成的研究的基础上，通过进一步研究噬菌体在寄主体内发生的遗传性突变，发现细菌体内存在可改变噬菌体脱氧核糖核（DNA）结构的限制性内切酶。

但是，阿尔伯他们发现的酶切断DNA分子的部位变动不定。

然而，史密斯他们在研究流感嗜血杆菌从噬菌体P22接受DNA的机制时，于1968年发现了一类新的限制酶，它们分别在特定部位切断DNA分子，因此可用以研究DNA分子中核苷酸的顺序和用于DNA重组技术。

2.3 2009年医学或生理学——发现端粒和端粒酶保护染色体的机理
因为发现了端粒和端粒酶保护染色体的机理，三位美国科学家———伊丽莎白·布莱克本、卡萝尔·格雷德、杰克·绍斯塔克被授予了诺贝尔生理学或医学奖。

人们最初研究染色体时，对于其末端是几乎“忽略”的，认为那里没有基因和酶，就算有，也不会对细胞的生长发挥很大作用。

而此
次获奖的研究内容，则从根本上改变了人们先入为主的对染色体的看法。

端粒酶并不是什么“染色体的自然脱落物”，三位获奖科学家的研究当初也
不是抱着揭开人类衰老和癌症之谜这么实际的动机，而是想要解决遗传学上的一个难题，它涉及到细胞中的遗传信息是怎么被完整地复制下去的。

细胞分裂的时候，一分为二变成两个子细胞，原来的遗传信息也要复制一分
传给子细胞。

这时，原先结合在一起的两条DNA链在中间分开，一边分开，一边各以其中的一条旧链做为模板，按配对的原则合成新的DNA链，组成两个DNA分子。

这个过程需要一种叫做聚合酶的蛋白质来完成。

聚合酶只能合成5'->3'方向的DNA，而且前面必须已先有DNA或RNA（和DNA类似但不完全相同的物质）做为引物才能开始合成。

问题就来了。

其中一条旧链的起点是3'，聚合酶用它做为模板合成一条5'->3'的新链，可以一直合成下去。

但是另一条旧链的起点是5'，聚合酶没法用它做模板合成3'->5'方向的DNA。

细胞解决这个问题的办法是在这条旧链的起点前面的某个地方放一小段RNA做为引物，聚合酶就从这个引物开始合成一小段5'->3'的DNA，一直合成到复制起点。

然后在前面再放一段RNA引物，再合成一小段DNA……最后就出现了许多小段的DNA，被许多RNA 引物分隔开。

然后，这些RNA引物被清除掉，由另一种聚合酶填补
上DNA，这样就形成了一条完整的DNA新链了。

这条DNA新链真的就完整了吗？并没有。

聚合酶在填补引物留下的空缺时，前面必须已有DNA在那里，它才能往上填。

对那些在中间的空缺，这没有问题。

但是在最末端的那段空缺，前面没有DNA，它就填不了了。

这样，DNA每复制一次，末端就会丢失一截。

人体细胞的遗传信息分布在46条染色体上，一条染色体就是一条DNA双链。

细胞每分裂一次，染色体也复制一次，染色体末端就要丢失一截，相当于遗传
信息少了一小段文字。

遗传信息的复制必须非常忠实，有时改变一个字母都会引起突变导致大麻烦，何况每复制一次少一段文字呢？
所以细胞必定有某种办法来保护染色体末端的信息不丢失。

这个巧妙的办法
就是2009年诺贝尔奖获得者发现的：在染色体末端有一长串不带遗传信息的DNA，叫做端粒。

这样染色体每次复制时丢失的是一小段端粒，不会影响到染色体携带的遗传信息的完整性。

但是染色体每复制一次端粒就短一截，复制几十次后端粒就没了，这时如果继续复制下去，遗传信息就要开始丢失了，细胞就会病变、死亡。

所以一般细胞只能分裂几十次就衰老、死亡，不能无限分裂下去。

有一个学说认为细胞分裂次数有限就是衰老的原因，而这是由于端粒越来越短导致的。

2009年诺贝尔奖获得者的另一个发现是，在细胞中有一种叫端
粒酶的蛋白质，能修复端粒。

但是在一般的细胞中端粒酶的活性非常低，起不到什么作用。

不过有一类细胞的端粒酶活性倒是非常强，因此它们可以无限地分裂下去，长生不老，那就是——癌细胞！所以如果我们想要长生不老而去增强端粒酶的活性，反而可能搞得到处长癌。

不过，我们可以根据癌细胞的这个特点，研制出针对端粒酶的疫苗，就有可能用来预防、治疗癌症。

现在就有一些这类药物在进行临床研究。

这是当初意料不到的。

参考文献：
［1］王镜岩等.生物化学(第三版,下册)[M].高等教育出版社
［2］诺贝尔奖获得者传(第二卷)[M].湖南科学技术出版社
［3］马克学李芬席兴字酶学研究与诺贝尔奖
［4］张春美郝凤霞等.学科交叉研究的神韵：百年诺贝尔自然科学奖探析[J].科学技术与辩证法
［5］唐得阳.诺贝尔奖获奖者全书[M].北京:团结出版社
［6］翟中和等.细胞生物学[M].高等教育出版社
［7］宋伟端粒和端粒酶是如何保护染色体的——2009诺贝尔生理学或医学奖工作介绍及相关研究
［8］陈守义酶工程科学出版社。