百年諾貝爾化學獎與生物化學的發展

王悅 彭蜀晉 周媛 張丹 游曉莉

(四川師范大學化學與材料科學學院 四川成都 610068)

生物化學是探討生命現象化學本質的學科，它以研究生命物質的化學組成、性質、結構和功能等靜態問題為基礎，設計研究各種化學物質在生物體內怎樣變化、怎樣相互轉換、怎樣相互制約以及在變化過程中能量轉換等動態問題[1]。在百余年來諾貝爾化學獎的頒發過程中，有39次獎項屬于生物化學領域。這既反映了20世紀以來化學與生命科學研究的緊密聯系，也反映了化學科學的發展對解析生命現象的巨大貢獻。

1 百余年來諾貝爾化學獎與生物化學發展概覽

生物化學是在18世紀70年代以后，伴隨著近代化學和生理學的發展逐步興起的。1775年，A.L.Lavoisier提出一種觀點，認為生物體呼吸過程的本質與燃燒過程一樣，均要消耗氧氣，釋放出二氧化碳和水。這種觀點引發了人們對生物體能量代謝的關注，是近代生物化學研究的開端。1877年，德國科學家Hoppeseyler等提出了生物化學(biochemie)這個名詞[2]。在這一時期，科學家從生物體內提取出了卵磷脂等有機物質，這對以后的研究起了很大的推動作用。

19世紀末到20世紀初，酶、維生素和激素的發現被認為是這一時期最為重要的三大發現[3]。1897年，E.Buchner證明了發酵過程在沒有酵母菌存在的情況下也可進行，其本質是由酵素即酶引起的催化過程，由此開創了酶化學的研究。這項研究，成為近代生物化學誕生的標志，E.Buchner也因此獲得了1907年諾貝爾化學獎[4]。1926年，J.B.Summer首次制備出脲酶的結晶，使酶學獲得迅速的發展，他也因此項發現獲得了1946年諾貝爾化學獎。1911年，C.Funk結晶出抗神經炎維生素，取名為“維他命”(vitamine)，意思是“生命的胺”。他當時認為可能所有維生素都是胺類物質，但后經研究發現并非如此，于是又改名為vitamin。1902年，J.Abel分離出腎上腺素并制成結晶。1905年，W.M.Bayliss和E.H.Starling提出“激素”(hormone)一詞。1926年，C.Went從燕麥胚芽鞘分離出植物激素——生長素。

20世紀30年代以后，生物化學在研究生物體的新陳代謝及其調控機制方面取得了重大進展，相繼對糖酵解、三羧酸循環、氧化磷酸化、磷酸戊糖途徑等進行了詳細的研究。在研究糖酵解方面，G.Embden、O.Meyerhof、J.K.Parnas 3位科學家做出了非常大的貢獻。H.A.Krebs證明了三羧酸循環，M.Calvin證明了光合碳代謝途徑，并獲得了1961年諾貝爾化學獎。

從20世紀50年代開始，生物化學的研究逐漸深入到了分子水平。有許多杰出的科學家做出了突出貢獻：F.Sanger于1953年確立了胰島素的分子結構，為蛋白質的一級結構測定打下了基礎，并因此獲得1958年諾貝爾化學獎。M.F.Perutz和J.C.Kendrew用X射線衍射法研究得到了球蛋白和纖維蛋白的結構，獲得1962年諾貝爾化學獎。1953年，J.D.Watson和F.H.C.Crick提出DNA的雙螺旋結構模型，奠定了分子生物學的基礎。

2 生物化學發展的3個階段

根據生物化學發展史中這些代表性的成就，可將生物化學的發展劃分為敘述生物化學、動態生物化學與機能生物化學3個階段[5]。

2.1 敘述生物化學階段

1775年前后，C.W.Scheele對生物體各種組織的化學組成進行了研究，他的這一研究奠定了生物化學的基礎[5]。這一時期生物化學處在起步階段，稱為敘述生物化學階段。

1779年，I.Honse說明了綠色植物在陽光下可以放出氧氣。1782年，J.Senebier證明植物在此過程中吸入二氧化碳，成為光合作用的早期研究。1785年，A.L.Lavoisier首先闡明了呼吸的本質，證明呼吸是一個吸入、消耗氧氣，呼出二氧化碳，同時產生熱能的過程，開啟了對生物氧化與能量代謝的研究。1828年，F.Wohler在實驗室中成功地用無機化合物氰酸氨合成了有機化合物尿素，這是首次在生物體外由無機物合成有機物，突破了無機化合物和有機化合物之間的研究界限[6]。

這一時期，得力于微量分析技術的幫助，生物體中的一些重要物質如維生素、激素和抗生素相繼被發現并得到了研究。比如，1868年，瑞士科學家F.Miesher首次得到核酸；1902年，E.Fisher提出蛋白質的多肽理論。總之，敘述生物化學階段的特點是對生物體內物質的化學組成、含量和性質等進行研究，這為后續生物化學的研究發展提供了新思路，開拓了新方向。

2.2 動態生物化學階段

20世紀初至20世紀50年代，生物化學在已有的基礎上，在諸如電子顯微鏡技術、層析技術等眾多實驗方法的幫助下得到迅速發展，進入到動態生物化學階段。生物化學能有如此的發展，從1901年開始頒發的諾貝爾獎可以說起到了明顯的推動作用，有代表性的有以下幾個方面。

2.2.1 糖類、維生素的研究

1902年，Fisher因合成糖和嘌呤衍生物而獲得諾貝爾化學獎，由此開始了糖化學的研究。在糖化學中，糖酵解過程非常重要。糖酵解普遍存在于生物界，被認為是生物界最古老、最基本、最原始的獲取能量的方式，是最早的被闡明的酶促反應系統[2]。1905年，英國科學家A.Harden和W.J.Young在實驗室中證明了無機磷酸的作用，證明了磷酸鹽是發酵過程中的關鍵物質，參與發酵過程中間產物的形成，缺少磷酸鹽則發酵過程無法進行。這一觀點的提出使對糖酵解的闡明又近了一步。A.Harden也因此獲得了1929年諾貝爾化學獎。

在此之后，更多科學家投入到糖酵解的研究中，經過許多科學家的連續工作，終于在1940年，由德國生物化學家G.Embden、O.Meyerhof和J.K.Parnas等人闡明了糖酵解的整個途徑，也就是以他們名字命名的EMP途徑——葡萄糖在己糖激酶的作用下形成6-磷酸葡萄糖，經過糖酵解準備階段和放能階段后變化分解為丙酮酸。因為糖酵解過程在生物中普遍存在，且是一個酶促過程，因此對糖酵解過程的闡明讓人們明確認識到生物的糖代謝過程以及酶促反應系統的工作過程。

維生素是維持機體正常生命活動所必需的一類小分子有機化合物。它在生物體內既不構成各組織，也不提供能量，但卻是維持生物體生長發育及新陳代謝不可缺少的物質[2]。1928年，A.Windaus因其在1907年研究了膽固醇和其他維生素的結構并合成了維生素D3而獲得諾貝爾化學獎。此次諾貝爾化學獎的頒發，促進了科學家對于維生素的研究。1933年，W.V.Haworth合成了維生素C，并對碳水化合物進行了研究。P.Karrer在1931年確定了維生素A的結構并在1933年將其合成成功，而后，他又在1935年合成了維生素B2。這兩位科學家因其對維生素領域的貢獻，共同獲得1937年諾貝爾化學獎。在這次頒獎之后，R.Kuhn因其在1935～1937年間研究了類胡蘿卜素和維生素而獲得1938年諾貝爾化學獎。

2.2.2 酶的研究

酶是由活細胞產生的，具有催化活性和高度專一性的一種生物大分子，眾多新陳代謝活動都需在酶的催化下才可以進行。生物的各種生命活動都與酶的催化過程密切相關。正因為如此，酶化學對于生物化學的發展起了很大的推動作用。

1929年的諾貝爾化學獎頒給了A.Harden和H.von Eulor-Chelpin，除了因為他們關于糖酵解的研究外，還因為他們闡明了酶和輔酶的作用，并確定了輔酶的結構。繼1878年Kuhne首先使用“酶”這個詞后，1926年，美國化學家J.B.Summer從刀豆中提取出脲酶并獲得結晶，證明脲酶具有蛋白質的性質，并提出酶本身就是一種蛋白質。在同一時期，J.H.Northrop結晶出了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶，并證明了它們的生物活性。另外，W.M.Stanley在1930～1935年間制得病毒蛋白酶。這3位科學家的研究為酶化學的進步做出了巨大的貢獻，因此，共同獲得了1946年諾貝爾化學獎。

2.2.3 蛋白質的研究

20世紀初，科學家開始了對蛋白質結構的探討。1902年，德國生物化學家E.Fisher和F.Hofmeister同時提出了有關蛋白質結構的模型假說，認為蛋白質的結構是多肽鏈結構，是由肽鍵連接起來的氨基酸的長鏈。以這個假說為基礎，E.Fisher在1907年首次成功地合成了18肽的長鏈，為其多肽鏈假說提供了初步的實驗證據，更為重要的是，這個成果使人類在蛋白質的人工合成道路上邁出了第一步。

此后，英國生物化學家F.Sanger在1945年開始測定牛胰島素多肽鏈中的氨基酸的結構順序，并最終于1953年確立了胰島素的分子結構。雖然這一研究經歷了數年時間才成功，但這幾位科學家在此項研究中所用的實驗方法對于日后蛋白質化學的發展具有重要的意義。F.Sanger因為這項成就獲得了1958年的諾貝爾化學獎。

2.3 機能生物化學階段

自20世紀50年代以來，生物化學發展迅速，進入到真正意義上的生命化學階段。隨著放射性同位素示蹤技術、紅外光譜技術、NMR核磁共振技術、高效毛細管電泳技術(HPLC)、基因工程技術等先進實驗方法的誕生，生物化學跨入了在分子水平研究的時期[7]。在這一時期，對蛋白質和核酸這兩大生物基礎物質的研究是生物化學領域最為重大突破。

2.3.1 蛋白質化學

雖然在20世紀前期，人們對蛋白質已有一定的研究，但蛋白質化學的迅速發展，還是在20世紀50年代以后。

繼1956年英國生物化學家F.Sanger揭示了牛胰島素的全部51個氨基酸的排列順序和兩個肽鍵之間的硫硫鍵之后，中國科學家在1965年合成了結晶牛胰島素。這是世界上第一個人工合成的具有生物活性的蛋白質，它標志著人類在認識生命、探索生命奧秘的征途中邁出了關鍵性的一步，促進了生命科學的發展，標志著世界進入了人工合成蛋白質的新階段。此項成果在我國基礎研究、尤其是生物化學的發展史上有巨大的意義與影響。

2.3.2 核酸化學

1944年，O.T.Avery通過肺炎鏈球菌遺傳轉化實驗證明了改變肺炎鏈球菌遺傳性狀的轉變因子是脫氧核糖核酸(DNA)，即證明了DNA是基因的基礎物質。這一發現極大地推動了有關核酸的結構與功能的研究。

1953年，J.D.Watson和F.H.C.Crick在Chargaff定則的啟示下，利用R.Franklin和M.Wilkins得到的DNA的X射線衍射圖對DNA的結構進行推測，不僅確認了DNA是一種螺旋結構，還得到了幾個主要參數。有了這樣的發現，經過不懈的努力，他們終于構建出了DNA的雙螺旋結構模型。這一發現拉開了現代分子生物學的序幕，為現代生命科學的發展奠定了基礎[1]。

1955年，英國科學家A.R.Todd確定了核苷酸結構，合成了低分子的核苷酸，鑒于A.R.Todd在核苷酸與核苷酸輔酶結構方面的杰出成就，瑞典皇家科學院授予他 1957年諾貝爾化學獎。

在這些工作的啟發與幫助下，眾多科學家對核酸化學領域開展了不斷的探索。獲得諾貝爾化學獎的有L.F.Lelior，他因發現核糖苷酸及其在碳水化合物生物合成中的作用而獲得1970年諾貝爾化學獎；C.B.Anfinsen、S.Moore、W.H.Stein因研究核糖核苷酸酶的活性區位以及確定蛋白質的一級結構而獲得1972年諾貝爾化學獎。

P.Berg因成功地操縱基因重組脫氧核糖核酸分子，獲得1980年諾貝爾化學獎。P.Berg的工作，不僅實現了將原本不相關的DNA組合在一起，而且意味著人類可能制造出全新的生命。這標志著現代基因工程技術的誕生，同時也將生物化學帶入了一個全新的發展時期。

3 諾貝爾生物化學獎獲獎成果的應用

從百余年來生物化學領域的獲獎看，諾貝爾化學獎的頒發與生物化學的發展交相輝映，推動了生物化學學科的快速發展。

3.1 核酸及蛋白質的新設計

因為蛋白質和核酸是構成生命的基本物質，因此對于它們的研究，尤其是其空間結構和活性的改變會帶來如何的變化將成為研究生物化學的方向，并將長期受到關注。

3.2 生物膜的應用

生物膜是構成細胞所有膜的總稱，是生命系統重要的組成部分之一，對調節細胞生命活動意義重大。生物膜的功能主要有物質運輸、能量轉化、細胞識別和信息傳遞等，因此膜生物工程的應用是當今生物化學的研究熱點[2]。2003年，美國科學家P.Agre和R.M.Kinnon共同獲得了諾貝爾化學獎，其原因是二人均在細胞膜通道領域作出了開創性的貢獻。具體來說，R.M. Kinnon發現了細胞膜水通道及運作機理，而P. Agre則發現了水通道蛋白及其結構和工作原理。他們的成就開辟了一個全新的研究領域，即細胞化學，這使有關生物膜的研究成為科研熱點。

生物膜將細胞與其外部世界隔離開來，但卻并不是完全隔離的。實際上，細胞膜由不同的通道所貫通，這些通道專門為特定的離子或分子使用并且不允許其他物質通過。之所以這樣，是因為通道最重要的特性——選擇性。細胞膜通道包括水通道和特種離子通道。所謂水通道，實際上是一種水通道蛋白(aquaporin, AQPs)。由于水通道蛋白的存在，機體的水平衡才得以維持。比如細胞膜不允許泄漏出質子：水分子因為通道壁的原子所形成的局部電場作用而緩慢地通過狹窄的通道，但是質子(或H3O+) 卻不能通過，因為它們自身所帶的正電荷使它們在途中停下來而被拒絕通過。對于離子通道，以允許鉀離子通過而阻止鈉離子通過的通道為例：在進入離子過濾器之前，兩種離子均被水分子所包圍，離子被水分子束縛，其與水中的氧原子的距離一定。在過濾器中，鉀離子與氧原子之間的距離是與其在通過通道前被水分子所包圍時的距離相同，因此可以通過過濾器；然而鈉離子卻不能通過，這是由于它在過濾器中與氧離子的距離不匹配，因此仍留在水溶液中。

利用細胞膜通道的原理，對細胞通道進行的研究可以幫助科學家尋找具體的病因，并研制相應的藥物。比如一些神經系統疾病和心血管疾病就是由于細胞膜通道功能紊亂造成的。另外，利用不同的細胞膜通道，可以調節細胞的功能，從而達到治療疾病的目的。比如，中藥就是通過調節人體體液的成分和不同成分的濃度而達到治療疾病的目的[8]。對于生物膜，除了治療疾病，其應用還可以體現在污水治理方面，即將某種微生物菌種制成制劑后，按要求直接投放到受污染水體，形成生物膜，以便對污水進行降解和凈化。

3.3 基因工程技術的應用

通常所說的基因工程，實質上就是利用DNA重組技術改造生物的基因結構以達到預期目的的一項高新技術。具體方法是利用分子生物學的方法分離目的基因，并對目的基因進行剪切，將剪切好的基因片段與載體連接，然后引入宿主細胞進行復制和表達的生物學技術。

基因工程的具體步驟包括兩個：首先從某些生物體獲取(或人工合成)所需要的DNA片段，即目的基因，將目的基因與獲得的基因的載體進行體外重組；然后將重組的DNA轉化到受體細胞中，以此可以改變受體細胞的遺傳性質。通過這樣的手段，可以獲得需要的產品或特定的優良性狀[3]。正因為可以產生人類所需要的物質或者組建出新的生物類型，從而定向改變生物性狀，因此基因工程有著廣泛的應用前景。現在，人們在農業、醫療、環境保護等方面都在使用基因工程技術。基因工程技術可以讓人們直接定向并達到預期的目的。

3.3.1 農業技術的新方法

在農業上，科學家利用基因重組得到預想中的新品種。將目的基因(比如抗蟲基因和耐除草劑基因)與某些農作物的基因重組，以降低新品種的生產成本，例如抗蟲西紅柿等。還有經過大鼠的生長素基因改造的超級小鼠，生長速度和體重都比正常小鼠大很多，此項技術應用于家畜的培育有可能產生巨大的生產價值。

3.3.2 醫療技術的新進步

在成功進行了動植物基因的改造之后，1999年，美國科學家破解了人類第22組基因排序，“人類基因組計劃”由此邁出了成功的一步。通過對每個基因的測定，我們可以找到治療和預防多種疾病的新方法，有關人類生長、發育、衰老、遺傳和病變的秘密也將隨之揭開。可以預見，在今后的時間里，科學家就可能揭示人類大約5000種基因遺傳病的致病基因，可以根據基因圖有針對性地對有關病癥下藥，從而為癌癥、糖尿病、心臟病等各種致命疾病找到基因療法。此外，由于基因工程方法成本低且產量高，目前市場上的很多藥品(比如多種疫苗、蛋白質類藥物、抗生素等)都是通過基因工程制備出來的。

3.3.3 環境保護的新舉措

基因工程的成果還可以應用在環境保護方面，比如基因工程做成的DNA探針。DNA探針是由一個特定的DNA片段制成的，將其與被測病毒的DNA雜交，就可以檢測病毒。此法可以靈敏并快速地檢測環境中的病毒、細菌等污染。利用基因工程培育的指示生物能靈敏地反映環境污染的情況，卻不易因環境污染而大量死亡，甚至還可以吸收和轉化污染物。基因工程做成的“超級細菌”能吞食和分解多種污染環境的物質，如石油中的多種烴類化合物，或吞食轉化汞、鎘等重金屬，分解DDT等毒害物質。

從1901年至今，百余年來的諾貝爾化學獎的歷史使我們認識到，化學觸及人類生產與生活的各個方面，生物化學作為從化學學科衍生出來的一門學科，在不長的時間內得到了迅速的發展，從敘述生物化學、動態生物化學到機能生物化學階段，每一次生物化學領域的新成就和諾貝爾化學獎的獲得都標志著生物化學的一個新里程碑出現。展望未來，我們應該相信，生物化學的研究將更加輝煌。

參 考 文 獻

[1] 張家治.化學史教程.第3版.太原:山西教育出版社,2004

[2] 黃卓烈,朱利泉.生物化學.北京:中國農業出版社,2004

[3] 呂淑霞,任大明,唐詠.基礎生物化學.北京:中國農業出版社,2003

[4] 彭萬華.化學通報,2001(11):735

[5] 張平.福建畜牧獸醫,2004(1): 45

[6] 高中化學必修1.第2版.濟南:山東科學技術出版社,2005

[7] 王夢姣.陜西農業科學,2009(5):112

[8] 全俊.在煉金術之后——諾貝爾化學獎獲得者100年圖說.重慶:重慶出版社,2006