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1、科学源流 德迪夫与溶酶体发现 郭晓强 年代 溶酶体和过 氧 化物 酶体的发现揭示了精细的亚 细胞 结 构 拓展了对细胞功 能的理 解和认识 并且奠定了现代细胞生 物 学的基础 年 英国科学家胡克 利用自己发实验室工作 明 的显微鮮親麵議 細 小軒 絲鮮尔髓点職鹏帛 述这种特殊结构 从而开启了细胞研究的大门 世作用机制 当时有两种观 纪中叶 两位德国科学家施莱登 和施万点 多数推测胰岛素作用 提出细胞学说 确立 细胞作为生命体结 于外周肌肉发挥效应 而 构和功 能鉢单位 嶋位 自此形細触物学 少細自素影响聽 世纪四五十年代 随着亚细胞结构内质网 高尔基体 觸糖代谢 鲍卡尔特认 溶酶体和过氧化物酶
2、体等的发现 细胞生物学研究进 为后者更接近真实 德迪 人到亚细胞和分子水平 在学科发展过程中诞生了许夫通过实验支持了鲍卡尔 多著名细胞生物学家 德迪夫 特的观点 丨 年 就是其中之 一 他因发现溶酶体和过 第二次世界大战的爆 氧化物酶体而分享年诺贝尔生理学或医学奖 发严重影响了德迪夫的实 德 迪夫 验进程 战争期间 德迪夫 加人比利时军队 作为军医 为士兵服务 但 一次 在法国 南部执行任务的过程中不 年 月 日 德迪夫出生于英国伦敦 郊外幸被德军俘获 在随后押往战俘营时凭借自身语言天 泰晤士迪顿父亲阿方斯 赋熟练的德语能力 而成功逃脱 回到比利时后 德迪 是比利时人 而母亲马德莱娜蓬斯 夫将
3、前期结果归 纳总结后发 表在比利时生理学家海曼 是德国人 他们为躲避第 一 次世界大战 从比利 斯 年诺贝尔生理学或医学奖获 得 时暂时搬到英国 年 全家搬回比利 时 德迪夫在者 主办的杂志上 年德迪夫撰写了专著 葡萄 安特卫普 长大 精通英语 德语 法语和弗拉糖 胰岛素和糖尿病 同年分别在布鲁塞尔和巴黎出 芒语四种语言 德迪夫 在安特卫普的圣母学院完成初版 德迪夫还综述了胰岛素进展并推测胰岛素的作用 等教育 年秋进人天主教勒芬大学 机制 论文的发表使德迪夫逐渐 在胰岛素研究领域崭 学习 专业是古代人文 大学期 露头角 为进 一 步工作奠定了基础 间 德迪夫学习 了拉丁文 哲 学和数学等课程
4、但 对医 年 月 德迪夫认为胰岛素注射升血糖效应 学和科学更感兴趣 树立终身从事科研的理想 是由于混 有胰高血糖素的缘故 胰高血糖素也由胰腺 年 德迪夫毕业后 一方面就 读医学院并最终获得医学产生 因此在胰腺提取物分离 胰岛素的过程中容易混 学位 年 另 一方面 开始胰岛素研究 有胰高血糖素 通过结晶才可分离 德迪夫怀疑美国礼 来公司 的胰岛素存在胰高血 糖素污染 用礼来公司胰岛素注射兔子可引起高血糖 年 德迪夫进入生理学家鲍卡 尔特 而自己制备的胰岛素 则不存在这种效应 礼来公司进 年月 对旁 卷期 科学源流 一步的研究证 实了德迪夫的结果 所以不仅没有为难离技术 利用该技术将细胞色素氧 德
5、迪夫反而在财政上支持他的科学研究 为德迪夫独 化酶 琥珀酸氧化酶和细胞色素 等定位于线粒体 从 立开展实验提供了资金保证 而确定了线粒体是细胞氧化的主要场所 年代中 年 德迪夫由于青導素纯化的工作获得化学 期 细胞组分分级分离逐渐成为亚细胞结构研究的必 硕士学位 德迪夫为更深人理解胰岛素作用的生物化 要手段之 一 年 克洛德又与波特 学机制 申请到瑞典生物化学家特 奥雷尔 等合作 得到了第 一张清晰的培 养细胞电子显微镜照 年诺贝尔生理学 或医学奖获得者 实验片 显示了细胞内多种精细结 构 包括致密细胞核 不 室工作 在个月时间里 德迪夫系统掌握了生物化同长度线粒体 靠近细胞核的髙尔基体以及充
6、满细 胞 学的基本操作 并参与了人血红蛋白纯化 逐渐成长为 质的花纹状结构后被命名为内质网 等 这次重大突 一名优秀的生物化学家 由于特奥雷尔并不从事胰岛 破开启了现代细胞生物学的大门 为深入研究细胞精 素研究 因此德迪夫决定寻找新的工作单位 细结构奠定了基础 电子显微镜亦很快成为细胞生物 年秋 德迪夫回到比利 时 获得勒 芬大学生 学研究的重要工具 细胞生物学的最新进展使德迪夫 理化学讲师职位但根据合同需要到年月底才拓宽了视野并增长了见识 而克洛德 波特和帕拉德等 能开始工作 他决定充分利用短短几个月的时间来开洛克菲勒细胞生物学小组成员充满朝气的风格 非凡 展胰岛素工作 德迪夫获得进人美国华
7、盛顿大学糖代卓越的能力及丰硕的成果都给德迪夫留下了深刻印 谢研究大师科里夫妇实验室的机会 在特奥雷尔帮助 象也对德迪夫将来的研究起了重要作用 下申请到洛克菲勒基金会奖学金以完成旅程 德迪夫 到达美国圣路易斯后科里夫妇去瑞典参加年诺 贝尔生理学或医学奖的颁奖仪式了 因此他与实验室 年 德迪夫开始在勒芬大学担任教职 由于 博士后萨瑟兰 年诺贝尔生理学或 能力卓越 年升任教授 在勒芬大学 德迪夫 一方 医学奖获得者 进行合作 面教授生物化学课 另 一方 面花费大量时间继续研究 德迪夫和萨瑟兰的合作富有成效 短短个月 他 胰岛素的作用机制 德迪夫确定肝脏葡萄糖 磷酸 们初步确定胰高血糖素由胰腺 细胞生
8、成 回到比利 酶在葡萄糖生成中发挥着关键作用 随后与学生探索 时 德迪夫继续深人研究胰髙血糖素 以证实 细胞 胰岛素如何影响葡萄糖 碟酸 酶进而调节血糖 德 的来源 他用金属钴处理豚鼠以选择性地破坏胰腺 迪夫首先将肝脏组织与蒸馏水混合碾碎制备匀浆利 细胞 结果胰高血糖素含量急剧降低但胰岛素无变化 用蛋白质纯化技术获得需要的酶 然而 研究中遇到了 对富含胰腺 细胞的鸟类检测 发现含有更髙浓度胰高 重大麻烦 酶纯化后无法再次溶解 这为进 一步的活性 血糖素这些证据确定胰高血糖素由细胞生成 这项 研究带来巨大障碍 为此德迪夫放弃纯化思路转而 工作有效地揭示出 同 一器官可以分泌生理效应截然 相 寻求
9、细胞组分分级分离技术 结果发现葡萄糖 憐 反的两种激素为理解血糖调节的机制奠定了基础 酸酶主要在内质网部分发挥酶活性 后来该酶亦成为 内质网的标志酶之 一 用组分代替纯酶为研究带来另个问题 即需要 年初 德迪夫按原计划从美国圣路易斯回 保证每次实验酶量 一致 为此将不参与糖代谢的酸性 国 途中经过纽约 访问了洛克菲勒医学研究所 受到 磷酸酶定为内部参照 然而采用细胞组分分级分离技 比利时同胞克洛德 的热情招待 并结识了 术得到的酸性磷酸酶活性仅有用单纯酶纯化方法得到 克洛德的学生 帕拉德 那时德迪夫无的 多次重复都获得类似结果 一次实验获得大 法想到他们三人将来会 一起分享科学界的最 高荣誉
10、量细胞组分 由于时间原因而暂时放置冰箱以备后续 在洛克菲勒医学研究所 德迪夫了解到细胞生物学的 利用 五天后取出实验却惊奇地发现酶活性基本恢复 最新进展 也对克洛德的研究工作有所了解 为避免操作误差 德迪夫让学生重复了实验放置冰箱 世纪上半叶 细胞仍被看作神秘且无法详细研 一段时间 后检测 酶活性确 实得到了恢复 德迪夫推测 究的实体 光学显微镜可展现细胞基本结构 即细胞 组分放置冰箱后 由于冻存而损伤膜式结 构 因此导致 膜 细胞质和细胞核 尽管已鉴定部分亚细胞 器 如线 这种膜式结构含有的酶释放而增加酶活性 据此认为 粒体和髙尔基体等 但无法获得更精细结构这就阻碍 酸性磷酸酶也是 一种膜包
11、被的酶 了细胞功能的研究 真正的突破来自克洛德的 一 系列 德迪夫未放 过这 一偶然现象 并敏锐意识到这种 奠基性工作 年代 克 洛德发明细胞组分分级分现象 背后可能隐藏着 一个更大的秘 密 因此全面转向 科学源流 酸性磷酸酶定位 除冷藏外 冷 冻 加热和添加去污剂 首次提出自噬概念 它是指细胞将自身 物质消化的过 等操作均可提升匀浆酸性磷酸酶活性 这些结果进 一 程 以区别于细胞消化外源物质的异噬 步印证了该酶定位于膜包被的细胞器 最 初 德迪夫认 自噬是真核细胞内关键的溶 酶体通路 可用于降解和 为酸性磷酸酶定位于线粒体 但后来利用修改的克洛 再利用大量细胞元件 如长寿命蛋白质和整个细胞器
12、 德方法将线粒体部分进 一步分成轻 重两部分 细胞 色 等 目前细胞内共鉴定出三类自噬 即微自噬 巨自噬 素氧化酶等典型线 粒体标志酶富集在重部分 而酸性 和分子伴侣介导的自噬 自噬从酵母到人广泛存在且 磷酸酶大部分集中在轻部分 由于位于线粒体和内质 机制高度保守 自噬是细胞饥饿状态下获得营养物质 网中间 故命名为 中间微体 到年 德迪夫共鉴 以维持基本生存的方式 自噬还可清除细胞内错误折 定出种 中间微体 标志酶 除酸性磷酸酶外 还有核 叠或 功能异常蛋白质 也可清除 衰老或有 缺陷的细胞 糖核酸酶 组 织蛋白酶 脱氧核糖核酸酶和 葡萄糖器 自噬还参与抵御微生物入侵的免疫应答过程中的 醛 酸
13、酶 由于这些 酶主要参与水解反应 故将这 一新 细 抗原递呈等 自噬异 常可导致多种疾病如肿瘤 衰老和 胞 器命名为溶酶体 心脑血管疾病等 目前 自噬已成为生命科学 研究的前 年 在布鲁塞尔召开的第三届国际生化会议 沿课题之 一 拓展了对生命现象的理解和认识 为疾病 期间 电子显微镜专 家诺维科夫 访问德治疗提供了新机遇 而德迪夫的贡献无疑是奠基性的 賊錯 通恍雜禾斗細賺靴猶 过 醢体射见 体的清晰电子显微镜照片 照片显示了多个溶 酶体结 构 德迪夫和诺维科夫应用特异性酶染色 同时借助光 德迪夫还 鉴定了另 一 细胞 器 过氧化 物酶体 学显微镜和电子显微镜证实酸性磷酸酶定位于溶酶 加深了对亚
14、细胞结构的理解和认识 体进 一步确 定溶酶体是 一种新 细胞器 年 瑞典博士研究生罗丁使用电 今天 已鉴定出五十多种溶酶体特异酶 它们既发 子显微镜首先在 小鼠肾小 管中观察到直 径约微米 挥正常的细胞内消化功能 如对蛋白质 多糖 脂类和 且由单层膜包被的细胞器 根据形态将其命名为微体 核酸等大分子的降解 又参与对入侵细菌 毒素 异常 随后在其 他类型细胞中也观察到它的存 细胞产物和衰老细胞等相关组分的降解和重 新利用 在 但详细结构及生物功能不得而知 在多个细胞过程中发挥关键作用 因此 溶酶体内特定 年 德迪夫利用细胞组分分离技术从大鼠肝 酶基因突变或功能异常可导致相关疾病发生 如戈谢 脏获
15、得微体 由于对其标志酶和功能知之甚少 故仍沿 病和糖原贮积症 型等 这些统称溶酶体贮积病 德迪 用微体概念 德迪夫决定为它寻找 一个更贴切的名称 夫提出可通过补充相关酶而实现疾病治疗 从而开启 由于研究 发现微体可生成和降解过氧化氢 因此命名 了 替 代疗法 方 案的时代 为过氧化物酶体 并暗示与细胞内氧化相关 过氧化氢 德迪夫在研究溶酶体功能的过 程中还发现了自噬酶碱性 二氨基联苯胺显色反应的引人为过氧 化 现象 年 德迪夫在溶酶体国际会议上 物 酶体提供了特异性染色法 进 一步 在光学显微 镜和 电子显微镜下证实了德迪夫命名 的正确性 完整 细胞器 年 德迪 夫和助手改进 细胞组分分级 酸
16、 甘油 分离技 术 获得足够量的过氧化物酶体 溶 酶体 和线粒体三种细胞器 德迪夫研究了多种细胞过 脱氧 核糖核酸 氧化物酶体 并对它们的精细形 态 进行详细描 二 酸 述 同时鉴定了大量 过氧化物酶体的标志酶 奠 揽 拌 低渗 冷冻与解 冻 定了过氧化物酶体研究的基础 今天 人们对过氧化物酶体已有较多理解 其 存在于几乎所有真核细胞 由大量氧化酶类组成 以上为过氧化氢酶 过氧化氢酶亦被看作标志 过滅猶体参与翅職 基酸 多 酶 释放藤活 性高 胺等代谢及缩醛碟脂生物合成等广泛生物学过程 损 伤细胞器 年 克洛德 帕拉德和德迪夫 由于细 胞结构和功 能组织的发现 而分享 诺贝尔生理学 溶酶体存在的生 化 和结构证据 生化特征 电镜照 片 或医学奖 诺贝尔奖委员会的评价是 三 人的研 年月舛夸 卷期 科学源流 究成就为现代细胞生物学诞生发挥了重要作用 克洛 夫还获得众多科学奖励 包括盖尔德纳国际奖 德发明现代细胞生物学两项基本技术 帕拉德进 一步 年 喜力生物化学与生物物理奖 年 哈登奖章 完善电子显微镜在细胞结构研究中的应用 而德迪夫 年 史密斯奖 年 和威尔逊奖章 则改进细胞组分分级分
