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1、化工导论作业1988年诺贝尔化学奖简介16040S011604014116王腾乐中北大学NORTH UNIVERSITY OF CHINA1988年的诺贝尔化学奖获奖内容对光合反应中心的三维结构的测定。1982年至1985年，三人（约翰戴森霍费尔(Johann Deisenhofer)，罗伯特胡贝尔（Robert Huber），哈特穆特米歇尔（Hartmut Michel）用X射线晶体学，以确定在超过10,000原子构成的蛋白质复合体的确切安排的科学家。他们的研究增加了光合作用的机制普遍理解和揭示了植物和光合细菌的过程相似。功绩在于首次得到了可供X衍射结构分析用的细菌光合反应中心的膜蛋白结晶，
2、并测定了这一膜蛋白-色素复合体的高分辨率的三维空间结构，从而对阐明光合作用的光化学反应的本质作出了极其重要的贡献。人物介绍1988年诺贝尔化学奖得主：约翰戴森霍费尔(Johann Deisenhofer)，罗伯特胡贝尔（Robert Huber），哈特穆特米歇尔（Hartmut Michel）。约翰戴森霍费尔(Johann Deisenhofer) 德国生物化学家，1943年9月30日生于德国Zusamaltherm。曾在Martinsried的麦普朗克(Max Planck)生物化学研究所的休伯实验室从事研究工作，1974年获得博士学位。1982年以休伯实验室为研究基地，与米歇尔和胡贝尔合作
3、，进行光合作用的研究。享有盛誉的休伯实验室，在结晶结构分析的研究中发挥了重大作用，成功地解析了细菌光合作用反应中心的立体结构，并阐明了其光合作用的进行机制，为此而共同获得了1988年诺贝尔化学奖。1987年戴森霍菲尔接受美国德州大学达拉斯分校和休斯敦医学研究所聘请筹建X射线结晶学研究中心。戴森霍菲尔和米歇尔与柏林自由大学的物理学家和物理化学家合作，进行理论计算，认为非对称核素与电子耦合的共同效应极可能是单向电子传递的主要因素，其研究成果于1988年发表。 连同米歇尔和胡贝尔，戴森霍弗决定了在某些光合细菌发现一蛋白质复合体的三维结构。此膜蛋白复合物，称为光合反应中心，被称为发挥发起一个简单类型的
4、光合作用至关重要的作用。1982年至1985年，三用X射线晶体学，以确定在超过10,000原子构成的蛋白质复合体的确切安排的科学家。他们的研究增加了光合作用的机制普遍理解和揭示了植物和光合细菌的过程相似。罗伯特胡贝尔（Robert Huber） 罗伯特胡贝尔教授1937年出生于德国，德国化学家，曾就读于慕尼黑工业大学化学专业，1963年获德国慕尼黑科技大学博士学位并任教，通过研究细菌的光和作用，首次确定了光合作用反应中心的立体结构，揭示了模结合的蛋白质配合物的结构特征。现任德国马普学会生物化学研究所生化研究院负责人、英国皇家学会外籍会员、美国科学院外籍院士、第三世界科学院特邀院士、德国化学科学
5、院院士、生物化学科学院院士。主要从事结构生物学研究工作，长期活跃在科学研究的前沿领域，曾多次访问中国，在国际科学界享有崇高的声誉。多年来，他几乎包揽了生命科学和医学领域的各种大奖，并因为在“细菌的光合作用中心之蛋白质复合体的三维空间结构”方面所取得的开创性成果而荣获1988年诺贝尔化学奖。年逾八旬的罗伯特胡贝尔，走上分享讲台时依旧精神矍铄。3月22日晚， 这位诺贝尔化学奖得主出现在“四川省人才之家”生物医药主题沙龙上。再次来川感受如何?对四川相关产业发展有何专业见解?沙龙结束后，本报记者对他进行了专访。记者： 为什么您在80岁高龄的时候，选择再次来到四川?胡贝尔： 我觉得对于一个科学家来说，既
6、要能沉在实验室做研究， 也要出来看看做思考。中国不是有句古话叫“静极思动”吗?虽然年纪大了，我也想出来看看变化。本来，我的行程是南京、成都、上海，因为陈博士(国家“”专家、成都海创药业有限公司董事长陈元伟)的邀请，我就把第一站放在了成都。记者： 您上一次到成都还是14年前，这次来感受有何不同?胡贝尔：我可以用两个词来形容，天翻地覆和不可思议。当年来四川，是因为参加一个学术会议，只停留一天，我就去看了大熊猫。这次来，发现成都已经完全变样了，不仅仅有大熊猫，还是一个现代化的城市。但是作为一个旁观者，我想说的是，我们还需要用更多时间给新的建筑注入“生命”，这就需要更多的项目活起来。对于当地来说，这是
7、一个很重要的工作，四川在往这个方向努力。我所参观的有一大批新项目和高素质的专家人才进驻，这对于当地的发展是利好消息。记者：作为专家，您对于四川的生物医药产业发展有何建议?胡贝尔：我的建议有两个方面。第一是要重视基础科学。要避免急功近利的思想，因为对于基础科学来说，往往短期内很难产生经济效益。以我个人为例，我在从事光合作用研究时，很难想像它在未来会对生物医疗行业产生巨大影响。这种影响可能出现在十年、二十年后，如果急功近利， 所有的产品后续升级将会是个大问题。 需要警惕的是， 现在我们出了很多技术产品， 但是支持新技术发展的基础科学先行观念还未完全树立起来， 所以我建议要提高基础科学的质，让产业的
8、发展更具有持续性。第二个建议是要抓住人， 尤其是年轻人。这些年我发现，在欧洲、美国等地，在生物医药产业活跃着不少来自中国的年轻专家。他们有基础、有想法、有干劲，在专业上都颇有建树，应该千方百计把他们吸引到四川、吸引到成都来。给他们创造机会、为他们提供条件、让他们有更大的发展平台，这是政府该着手和加强的地方。要充分发挥年轻人的创造力。哈特穆特米歇尔（Hartmut Michel） 1948年7月18日，米歇尔出生于德国西南部符腾堡的路德维希堡（Ludwigsburg,Wrttemberg）。毕业于图宾根大学、慕尼黑大学、维尔茨堡大学，德国生物化学家。在高中的时候，他就对物理和分子生物学感兴趣了。
9、1969年，服完兵役之后，他进入德国斯图加特附近的图宾根大学（UniversityofTbingen）学习。在那里，米歇尔学习了生物化学，包括在某种细菌中的酶（能够促进生物化学反应的蛋白质）的活动。期间，他还在德国慕尼黑附近的马丁雷德马克斯普朗克生物化学研究所工作。1977年，米歇尔获得了维尔茨堡大学（UniversityofWrzburg）的博士学位。同年，米歇尔研究一种叫做细菌视紫红质（bacteriorhodopsin）的蛋白质，这种蛋白质是在细胞膜中发现的，能够参与光合作用。米歇尔观察到细菌视紫红质在冷冻条件下下会呈半结晶状态。在那之前科学家们认为细胞膜蛋白质是不可能结晶的，因为他们不
10、可能与水结合形成晶体结构。蛋白质也不可以用X光晶体学来进行研究。X光晶体学需要从晶体中排列规则的成排原子上将X光线散射出来。米歇尔没有用水，而是用清洁剂成功的将细菌视紫红质进行了结晶，但是晶体太小太凌乱，不足以进行结构分析。1981年，米歇尔又从细菌红假单胞菌（Rhodopseudomonasviridis）上取得了大个的结晶分子，并且得到了清晰的X光影像。结晶分子包含4个蛋白质分子和14个其它的成分，是细菌的光合反应中心。1987年，米歇尔担任美茵河畔法兰克福马克斯普朗克研究所的主任和部门负责人之一。1988年诺贝尔化学奖得主。哈特穆特米歇尔确定了光合作用反应中心复合体的立体结构。个人感悟在
11、众多强有力的竞争者中，三位德国科学家荣获1988年诺贝尔化学奖。他们的功绩在于首次得到了可供X衍射结构分析用的细菌光合反应中心的膜蛋白结晶，并测定了这一膜蛋白-色素复合体的高分辨率的三维空间结构，从而对阐明光合作用的光化学反应的本质作出了极其重要的贡献。众所周知，光合作用是我们这个星球上最重要的一种能量转换过程。生物界就是依靠光合作用而生存的。它是在绿色植物中，二氧化碳和水合成糖、释放出氧的过程，即6CO2+6H2OC6H12O6+6O2实际上，光合作用过程在生物体内是由许多个反应链锁所构成的。其中最为关键的步骤是光反应中的最初阶段，也就是由光子引起电子传递的这一步。这是根据生物化学反应而作出
12、的推论。长期以来，人们总希望从分子的结构上直接来证明光子是首先激活了哪一个叶绿素分子，并引起了以后一系列的反应和能量传递过程。Michel等成功地从一种紫色光合作用细菌绿红极毛杆菌（rhodopseudomonasviridis）中提纯了光合作用反应中心。这是一个完整的膜蛋白-色素的复合体。他们不仅完整地分离提纯了这一大分子复合体，而且培养的晶体尺寸大到足够作X衍射晶体学的测定。他们收集了几十万个X光衍射点的数据，从而作出了高分辨的三维空间的结构分析。这一整体组装的生物大分子膜蛋白-色素的复合体的结构。多数生物膜是由不导电的脂类双分子层和镶嵌在双分子层内的膜蛋白所组成的，由于膜蛋白分子中一部分
13、是亲水基团，而另一部分是疏水基团，因而提纯的膜蛋白分子在水溶液中就很难形成整齐的晶格排列。有不少结晶学家曾企图用蛋白水解酶把膜蛋白的疏水部分和亲水部分分开，然后再培养结晶，都没有成功。因为对膜蛋白这样处理，一方面破坏了整个膜蛋白的完整性，甚至使膜蛋白变性；另一方面要把膜蛋白酶解成溶于水和不溶于水的两部分，也是极其困难的。尽管人们从不同的途径进行了探索，但制备膜蛋白结晶的企图总是以失败而告终。 首先，他们深入了解了他们所研究的细菌膜蛋白 。同时，又进行了认真的分析，知道蛋白质分子内部不仅有结构水的存在，而且在可溶性蛋白质排列成晶格的过程中，水分子起了非常重要的作用。有了这些想法以后，经过反复的试
14、验，Michel等终于发现了一种新的清洁剂（octylglucoside），可以满意地将膜蛋白从生物膜上分离出来而不引起变性。然后，他们采取了关键性的步骤，即利用了双亲和（既有亲水成分，又有疏水成分）的小分子，有效地将清洁剂分子从蛋白质分子中除去。这些小分子在蛋白质的晶格中能代替水的位置。 用这一方法，Michel等用硫酸铵加清洁剂体系和亲水脂分子体系培养出了细菌视紫红质（bacteriorhodopsin）和porin晶体，以后又培养出了高于0.25nm分辨率的光合反应中心的晶体。 Michel等取得这一重大成就的关键，是制备出了可供X衍射结晶学分析用的膜蛋白的结晶。在蛋白质结晶学研究中，重要的竞争之一就是看谁能制备出可供X衍射用的三维结晶，因为只有当结晶尺寸足够大，才能收集到高分辨的数据，在原子水平上测定其空间结构。 三位科学家能获得这种结晶，并不是一种机遇，而是由于他们具有认真、严谨的科学态度和百折不挠、勇于克服困难的顽强精神。我觉得这也是我们所欠缺的；在严峻的形势面前，要以大无畏的精神，迎着困难前进；培养敏锐的科学思维，以及良好的科学素质和品德。 8
