文章编号:100021336(2003)02201262022002年诺贝尔化学奖“对生物大分子仪器 分析方法的重大贡献”简介
杨胜喜1 周 原1,2 李根容1 李声时1,2
(重庆大学1化学化工学院,2生物工程学院，重庆400044)
摘要:2002年诺贝尔化学奖授予了三位在生物大分子研究领域作出突出贡献的科学家：美国科学家约翰・芬恩，日本科学家田中耕一以及瑞士科学家库尔特・维特里希，以表彰他们创造性地应用物理化学分析法对生物大分子进行结构分析测定的研究。其中芬恩和田中发明了“对生物大分子进行确认和结构分析方法”和“对生物大分子的质谱法”，维特里希则是开创了“利用核磁共振测定溶液中生物大分子三维结构的方法”。关键词：质谱；核磁共振；生物大分子；诺贝尔化学奖中图分类号:R914;Q78 收稿日期:2002211201
作者简介：杨胜喜(1973—
)，男，汉族，工程师，硕士生，研究方向：组合化学与分子药物学；周原(1965—
)，男，汉，副教授，博士生，研究方向：分析化学与生物医药学；李根容(1977—
)，女，汉，助教，博士生，研究方向：化学生物学与化学药物学；李声时(1962—
)，男，汉，博士、教授、博士导师，研究方向：化学生物医药学及绿组合化学。
梼杌闲评
2002年10月9日瑞典皇家科学院[1]宣布今年的诺贝尔化学奖授予美国科学家约翰・芬恩(John B.Fenn )，日本科学家田中耕一(K oichi T anaka )以及瑞士科学家库尔特・维特里希(K urt Wuthrich )。芬恩和田中各得1/4奖金，主要贡献是“发明了对生物大分子进行确认和结构分析的方法”以及“对生物大分子的质谱分析法”；维特里希分享1/2奖金，主要贡献是开拓和发展了“利用核磁共振测定溶液中生物大分子三维结构的方法”。1.获奖人简介
美国科学家芬恩1917年出生于美国纽约市，在Berea 大学获得学士学位,1940年在耶鲁大学获得化学博士学位。1967～1987年在耶鲁大学任教,1987年被聘为该大学名誉教授,1994年起任弗吉尼亚联邦大学教授。芬恩发表了多篇有影响的论文，如电喷雾离子化质谱法在生物大分子上的应用(1989)，在聚乙烯-乙二醇中应用(1992)，三维多质子解卷积研究(1993)，几何学能量与时间的作用(1993)等。日本科学家田中1959年出生于日本富士市,1983年毕业于东北大学电气工学专业,1983年开始在岛津制作所技术本部工作,1986年5月调入计测事业部,1992和1999年二次赴英国工作,1992年12
月调回到岛津制作所分析事业部,1997年4月到英国部任职,2002年5月任分析测量事业部生命科学研究所主任。田中通过采用被称为“软激光”解吸法的新方法，利用质谱测定蛋白质。此次获奖是田中28岁卖木雕的少年教学设计
时的研究成果，他试验着各种材料，而有次不
慎把丙三醇倒入钴中，结果却意外地到了可以异常吸收激光的物质[1]。
瑞士科学家维特里希1938年生于瑞士阿尔贝格,1957～1962年在Bern 大学同时获得化学、物理学和数学毕业证书,1964年获巴塞尔大学博士学位。1965～1967年在美国加利福尼亚拉霍亚市斯克里普斯研究所作博士后,1967～1969年在贝尔电话实验室工作,1969年进入苏黎士联邦高等理工学院生物物理学院，从1980年任教授,1995～2000年同时担任生物系和生物物理系主任，还任斯克里普斯研究所客座教授。1974～2001年获得20多项奖励和荣誉,1992～1993年成为美国科学院和美国艺术科学院外籍院士等。主要研究领域与贡献是研究生物分子结构和基因组的结构和功能，发明利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子的三维结构方法，发表600多篇论文及3本专著。2.主要成果
为了研究蛋白质，需进行蛋白质分离和测定。今天用作分析生物分子的最重要的物理方法是质谱
(MS )和核磁共振(NMR )，也是今年诺贝尔化学奖的主题。
2.1 MS 在分子鉴别上的发展 质谱可回溯到1912年，汤普生(1906年获诺贝尔物理学奖)首先研
究质荷比并用Th 单位表示。1966年突破化学离子
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《生命的化学》2003年23卷2期CHE MISTRY OF LIFE 2003,23(2)
常州工学院学报●Current Topic
化,1976年引入等离子解吸,1981年发展快原子轰击，后来发展电喷雾和软激光解吸等。
离心泵特性曲线电喷雾离子化(ESI) 早在1917年物理学家Z eleny完成了最初试验，直到1968年Dole首先描述电喷雾原理。1984年芬恩[2]应用自由喷射首次将电喷雾和质谱成功结合，俄国科学家也紧随其后做出此类发现。1988年芬恩[3]辨别了分子量为40kD 的多肽，使ESI技术获得突破。此过程中生物分子开始通常作为一个荷电实体或络合物，溶解在富含水的环境中；在这个过程末，它们由质量分析器所表征而获得作为一系列未遮盖的多电荷离子；然后根据质荷比在真空中被选择地分析。随着液滴汽化，大分子不论是否质子化均被释出，产生各种荷电离子并裸露地进入质谱分析器，得到系列规则峰形。这使质谱解析变复杂，而且结果迷惑着许多科学家。但芬恩认识到这可成为一种优势，提高灵敏度，并在1987年描述多电荷原理揭示了这一秘密[4]：不同荷电状态可得到解释；平均法求解联立方程可提供大分子量精确估测。另一优势是ESI扩散最小，还可研究仅有弱非共价相互作用的分子络合物，如蛋白质2蛋白质、酶2底物或蛋白质配基络合物。
软激光解吸(S LD) 20世纪80年代科学家试图解决质谱挥发性或离子化问题。将激光解吸法用于生物大分子的突破见于1987年大阪讨论会，当时东京岛津的田中得到了完整的蛋白质质谱，他提出了蛋白质如胰凝乳蛋白酶原、羧肽酶、细胞素的离子化[5,6]，证实低能激光可形成气态大分子离子。软激光解吸给出了来自分子离子和蛋白质离子的信号。后来不同基质为软激光解吸技术提供了许多有用的生化分析如基质辅助激光解吸离子化(M A LDI)与飞行时间质谱结合检测重要的生物大分子，在生物化学领域前景广阔。
由于软激光解吸应用，科学家发现疟疾传播与早期诊断新方法，人血红蛋白运载氧因而可用来吸收激光脉冲能量。通过有癌细胞黏附的表面，继用软激光解吸附分析，化学家能比医生更快发现癌。
2.2 NMR在分子鉴别上的发展 核磁共振可研究分子立体结构，以前X射线结晶法(XRC)是唯一测定物质三维结构的方法。第一个用XRC测定立体结构的蛋白质是肌红蛋白，由1957年K endrew完成，并获1962年诺贝尔化学奖。欲使蛋白质的鉴定环境与生存环境相似，只能另想它法在溶液中鉴别生物大分子，而NMR就是其中一种。最大优点在能绘制溶液中分子三维结构图。
1945年物理学家Bloch和Purcell发现NMR，而获1952诺贝尔物理学奖。应用傅立叶变换(FT)技术提高灵敏度，发展二维和多维NMR则得益于Ernst的研究(获1991年诺贝尔化学奖)。一张NMR 谱图象草坪一样，成千上万的峰难以区分到底哪个峰对应哪个原子。最终解决这些问题者是2002年诺贝尔奖得主
维特里希。他研究了溶液中蛋白质和核酸三维结构的NMR方法和大分子相互作用的异核过滤技术，用横向弛豫最优化谱(TROSY)和交叉相关驰豫提高极化转移(CRI NEPT)技术测定溶液中生物大分子质量；解决了50多种蛋白质和核酸的结构。20世纪70年代维特里希应用NMR研究蛋白质结构，包括欧氏效应及自旋漫射与正旋数据处理器等。80年代他[8]让质子进行配对，然后连续测定所有相邻两质子间距离和方位，继以距离几何学方法算出分子结构。1985年第一次完整进行蛋白质(AhBS2)结构研究[9]。蛋白质数据库中14734个分子结构数据，大约20%即2763个数据由NMR方法测定。NMR的优点是可忽略物理特性，很好描述分子非规则性和流动性，阐明蛋白质肽链的柔性与动力学特征。
90年代生物NMR研究获长足发展。开始用同位素标记NMR技术探讨一些细菌蛋白质的表达、开发异核三维新技术、提供动力学信息等。NMR还用于研究蛋白质折叠区，发现序列不规则的蛋白质长链在依时性反应中却表现出均匀三维结构图。现在单晶XRC在鉴定三维结构比较有效，可鉴定非常大的生物分子及分辨系统的三维结构。但NMR通常适合解决低于30kD的较小分子，通过应用TROSY 与CRI NEPT技术，可研究高达900kD的蛋白质系统如分子伴侣[10]。生物大分子三维结构是认识生命过程的基础,NMR提供了在溶液中的鉴别方法解决了复杂物理形态问题，可用在单晶体难以得到场合及不规则序列和高弹性部分。一个典型鉴别例子就是疯牛病有关的朊病毒(prp)的测定。1994年维特里希将重点是放在朊病毒上,1996年终于得到第一个三维结构图；接着研究哺乳动物和非哺乳动物包括人及鸡prp结构，将在分子水平上探索脑海绵状可遗传物质的传播。NMR研究发现对于正常prp序列排列一半
是规则的，而另一半则有很高流动性和较大的涨落[11]。联合结构和动力学信息能得到NMR三维结构特征，观察正常prp转变为疾病形态的过程。
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●知识介绍《生命的化学》2003年23卷2期
CHE MISTRY OF LIFE2003,23(2)
从此次(2002年)三位诺贝尔奖获得者贡献来看，生物化学和分子生物学界已加强了对蛋白质研究的重视。另外在制药业中应用生物NMR 也在蓬勃开展，包括确定主蛋白质作为新药标靶及筛选新药。
4.后记与展望
泰坦尼克船长再现诺贝尔化学奖评选基金委员会主席诺登说:“他们的成果为未来探索癌症的方法铺平了道路”。瑞典皇家科学院解释说，他们发明的方法可以帮助科学家绘制出蛋白质的三维结构图，从而“看清“蛋白质，并且了解它们是如何在细胞中发挥作用的。该院称这项成果为“革命性的突破”。近五年生命科学中“组学世界”新概念层出不穷：基因组、蛋白质组、糖组及其它各模式生物组。这些新领域已引起全球关注。生命科学和生物技术已经进入后基因组时代，重点是破译基因和蛋白质的结构与功能，破译基因怎样控制蛋白质合成而蛋白质又怎样发挥生理
作用?而这些工作的实现将得益于MS 和NMR 技术在生物大分子上的应用。
参考文献
[1] http ://w bel.se/
[2] Y amashita M et al.J Phys Chem ,1984,88:4451—4459[3] Fenn JB et al.Proc 36th Ann Conf Am Soc MS ,San Francisco ,5-10June 1988,773
[4] Fenn JB et al.Science ,1989,246:64
[5] T anaka K et al.Proc 2nd Japan -China Joint Symp on MS ,Osa 2
ka ,Jpn ,15-18Sept 1987,185—188
[6] Y oshida T et al.Mass Spectrosc (Japan ),1988,36(1):59—68[7] T anaka K et al.Rapid Comm MS ,1988,2:151—153[8] W üthrich K et al.J Mol Biol ,1982,155:311—319[9] W illiams on MP et al.J Mol Biol ,1985,182:295—315[10] Fiaux J et al.Nature ,2002,418:207—211[11] Riek R et al.FE BS Lett ,1997,413:282—288
文章编号:100021336(2003)022*******碳酸酐酶与临床医学
许丽丽 马志章 周双林
(浙江医药高等专科学校，宁波315192)
摘要：碳酸酐酶是一类含锌的蛋白酶，共发现了10种同工酶及三种碳酸酐酶相关蛋白，广布于人体各组织，能可逆性地催化C O 2的水合反应，参与调节pH 、离子运输等多种生理过程，碳酸酐酶的缺乏和异常将可能会导致一系列的疾病。
关键词：碳酸酐酶；亚细胞定位；作用机理；生理功能中图分类号:Q556+.5
碳酸酐酶(C A ,EC 4.2.1.1)是一类含锌的蛋白
酶，能可逆性地催化C O 2的水合反应，参与了调节pH 、离子运输等多种生理过程[1]。它们广泛地存在
于人体各组织中，据报道迄今已发现了10种同工酶(C A I ,II ,III ,I V ,VA ,VB ,VI ,IX ,XII ,XI V )及三种碳酸酐酶相关蛋白(C A 2RP VIII ,X ,XI )。由于碳酸酐酶在体内的重要作用，其缺乏和异常会导致一系列的疾病。近年来，研究者们通过研究碳
收稿日期:2002210225
作者简介：许丽丽,27岁，女，助教，理学学士。
酸酐酶的抑制剂和激活剂来探索它的作用机理，均
最后一分钟教学设计
取得了一定的进展]。
1.碳酸酐酶同工酶的亚细胞定位、组织中的分布、表达、生理功能等特性1.1 细胞质碳酸酐酶C A I ,C A II ,C A III C A I 在人红细胞中含量相当丰富，为C A II 的5到6倍，但是活性仅仅为C A II 的15%[3]。它主要在大肠的上皮、角膜上皮、晶状体和睫状体上皮、汗腺、脂肪组织、肌上皮细胞中表达[4]。人在怀孕40周后C A I 开始表达，出生后一年中，其表达逐渐增加至成年人的水平[5]。C A I 对卤素盐的抑制作用的敏感性比
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《生命的化学》2003年23卷2期CHE MISTRY OF LIFE 2003,23(2)
●Biochemistry and Medicine
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