西安交通大学《无机与分析化学》第一、二章 期末考试拓展学习3

西交《无机与分析化学》第一章绪论第二章气体、溶液和溶胶
探索生物大分子结构促进人类对生命进程认识
——2002年诺贝尔化学奖成果简介
朱钦舒陆真
（南京师范大学化学教育研究所江苏南京 210097）
2002年10月9日瑞典皇家科学院宣布，将本年度诺贝尔化学奖奖金的一半授予美国科学家约翰·芬恩和日本科学家田中耕一，以表彰他们“发明了对生物大分子的质谱分析法”；另一半授予瑞士科学家库尔特·维特里希，以表彰他“发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”。

三位科学家的成果被瑞典皇家科学院称作是“提升了人类对生命进程的认识”。

约翰·B·芬恩田中耕一库尔特·维特利希
美国科学家约翰·芬恩（）1917年出生于美国纽约市，1940年获耶鲁大学化学博士学位，1967年—1987年间任该大学教授，1987年起被聘为该大学名誉教授，自1994年起任弗吉尼亚联邦大学教授。

日本科学家田中耕一（），1959年出生于日本富山县首府富山市，1983年获日本东北大学学士学位，现任职于京都市岛津制作所，为该公司研发工程师，分析测量事业部生命科学商务中心、生命科学研究所主任。

瑞士科学家库尔特·维特里希），1938年生于瑞士阿尔贝格，1964年获瑞士巴塞尔大学无机化学博士学位，从1980年起担任瑞士苏黎世联邦高等理工学校的分子生物物理学教授，还担任美国加利福尼亚州拉霍亚市斯克里普斯研究所客座教授。

质谱分析法是化学领域中一种非常重要的分析方法。

它通过测定分子质量和相应的离子电荷实现对样品中分子的分析。

19世纪末，科学家们已经奠定了这种方法的基础，并于1912年第一次利用它获得对分子的分析结果。

在质谱分析领域，已经出现了几项诺贝尔奖成果，其中包括氢同位素氘的发现（1934年诺贝尔化学奖成果）和碳60的发现（1996年诺贝尔化学奖成果）。

不
过，最初科学家只能将它应用于分析小分子和中型分子，由于生物大分子比起水分子这样的小分子，要大成千上万倍，因而将这种方法应用于生物大分子的难度很大。

尽管相对生物大分子很大，但仍然是非常小的，如人体内运送氧气的血红蛋白质量仅有千亿亿分之一克（10-19 g）。

如何来测定单个生物大分子的质量呢？科学家们在传统的质谱分析法基础上发明了一种新方法：首先将成团的生物大分子拆成单个的生物大分子，并将其电离，使之悬浮在真空中，然后让它们在电场的作用下运动。

不同质量的分子通过指定距离的时间不同，质量小的分子速度快些，质量大的分子速度慢些，通过测量不同分子通过指定距离的时间，就可计算出分子的质量（见图一）。

图一质谱分析示意图
这种方法的难点在于生物大分子比较脆弱，在拆分和电离成团的生物大分子过程中它们的结构和成分很容易被破坏。

为了解决这一难题，约翰·芬恩与田中耕一发明了不同的两种方法。

约翰·芬恩设计了对成团的生物大分子施加强电场的方法；田中耕一则设计了用激光轰击成团的生物大分子的方法。

这两种方法都成功地使生物大分子相互完整地分离，同时也被电离。

它们的发明奠定了科学家对生物大分子进行进一步分析的基础。

他们的研究成果解决了“看清”生物大分子“是谁”的问题；那么库尔特·维特里希的研究成果则解决了“看清”生物大分子“是什么样子”的问题。

库尔特·维特里希的研究涉及核磁共振技术。

科学家们在1945年发现处于磁场中的原子核会吸收一定频率的电磁波，这就是核磁共振现象。

由于不同的原子核吸收不同频率的电磁波，因而通过测定和分析受测物质对电磁波的吸收情况就可以判定它含有哪种原子，原子之间的距离多大，并据此分析推算出分子的三维结构（见图二）。

当前这种技术已经广泛地应用到医学诊断领域。

图二核磁共振设备示意图
不过，最初科学家只能将这种方法用于分析小分子的结构，因为生物大分子结构非常复杂，分析起来难度很大。

库尔特·维特里希发明了一种新方法，其原理可以用测绘房屋的结构来比喻：我们首先选定一座房屋的所有拐角作为测量对象，然后测量所有相邻拐角间的距离和方位，据此就可以推算出房屋的结构。

维特里希选择生物大分子中的质子（氢原子核）作为测量对象，连续测定所有相邻的两个质子之间的距离和方位，这些数据经计算机处理后就可形成生物大分子的三维结构图（如图三所示）。

图三库尔特的分析方法示意图
这种方法的优点是可对溶液中的蛋白质进行分析，进而可对活细胞中的处于天然状态的蛋白质进行分析。

在他们所开创的新的研究方法的基础上，今天的研究人员已能迅速并且简单地揭示一个物种包含多少种不同的蛋白质，能用三维照片显示蛋白质分子溶解状态的样子。

能够测出“活”蛋白质的结构，其意义非常重大。

1985年，科学家利用这种方法第一次绘制出蛋白质的结构。

目前，科学家已经利用这一方法绘制出15—20%的已知蛋白质的结构。

中科院化学所研究员卞则梁说，以前生物学界无法对DNA和蛋白质这样的生物大分子结构进行准确测量，这次获奖的“生物大分子质谱分析法”不仅可以准确测量生物大分子的分子量，而且可以进一步揭示各种蛋白质分子的氨基酸构成和DNA分子内核糖核酸的构成及序列结构。

这对人类疾病治疗方面的意义重大。

这些新方法对于新药品的开发起到了革命性的促进作用，并能应用在其他领域。

另外，卞则梁还认为此次诺贝尔化学奖的成果大大促进了化学科学和生物学科学领域的学科交叉，使化学领域的一些分析方法，如质谱分析法和核磁共振法在生物领域得到很好的利用，这对生物领域分子结构的测定有巨大的推动作用。

质谱技术的发展促进了药物学的发展。

将质谱技术和流体分离技术相结合，科学家们每天可以分析出几百种化合物的分子大小和结构。

科学家们最近发现应用质谱技术可以对许多危害人类健康的疾病作出迅速、准确的早期诊断，如子宫癌、乳腺癌和前列腺癌。

科学家们还研究出了关于疟疾传播的新的观察方法，也是通过质谱来对血红蛋白分子进行检测来实现的。

食品健康是一个关系全人类的大课题，我们已经知道食品的加工过程会产生一些对我们的健康十分有害甚至是致癌的物质。

运用质谱技术，科学家们对食物在加工的各个阶段进行分析，通过改变原料和温度，可以避免或者减少有毒物质的产生。

人类基因组图谱、水稻基因组草图以及其他一些生物基因组图谱破译成功后，生命科学和生物技术进入后基因组时代。

这一时代的重点课题是破译基因的功能，破译蛋白质的结构和功能，破译基因怎样控制合成蛋白质，蛋白质又是怎样发挥生理作用等。

在这些课题中，判定生物大分子的身份，“看清”它们的结构非常重要。

这些都离不开质谱和核磁共振技术。