【编者按】安庆一中2024年校园科技节，生物学学科社团生命科学苑联合诚毅书院2023级生物学竞赛班开展“话说高中生物学教材中的诺奖”课题研究，去领略科学家的思维、方法和精神，并且分享给广大热爱生命科学的同学们。人教社（2019年版）普通高中生物学（选择性必修1）![]()
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糖尿病是指人体无法正确代谢糖分。医生们意识到糖尿病是由胰腺部分产生的胰岛素缺乏引起的，但无法证明这一点。弗雷德里克·班廷怀疑胰腺中产生的另一种物质——胰蛋白酶，分解了胰岛素。1921年，在约翰·麦克劳德的实验室里，弗雷德里克·班廷和查尔斯·贝斯特对狗进行了治疗，使它们不再产生胰蛋白酶。然后可以提取胰岛素并用于治疗糖尿病。![]()
蛋白质是由氨基酸链组成的分子，在细胞的生命过程中起着关键作用。一种重要的蛋白质是胰岛素，它是一种调节血糖含量的激素。从20世纪40年代开始，弗雷德里克·桑格研究了胰岛素分子的组成。他用酸将分子分解成更小的部分，然后借助电泳和色谱法将它们彼此分离。进一步的分析确定了分子两条链中的氨基酸序列，1955 年桑格确定了这些链是如何连接在一起的。![]()
当X射线穿过晶体结构时，形成的图案可以作为摄影图像被捕获，然后用于确定晶体的结构。在20世纪30年代，这种方法被用于绘制越来越大、越来越复杂的分子。例如，马克斯·佩鲁茨开始绘制血红蛋白的结构——这种蛋白质使血液能够将提供能量的氧气输送到身体的肌肉。他的研究于1959年完成，随后对血红蛋白分子及其功能进行了进一步的研究。![]()
当X射线穿过晶体结构时，形成的图案可以作为摄影图像被捕获，然后用于确定晶体的结构。在20世纪30年代，这种方法被用于绘制越来越大、越来越复杂的分子。1957年，约翰·肯德鲁成为第一个成功确定蛋白质原子结构的人。他解开了肌红蛋白的结构，肌红蛋白是一种存在于肌肉细胞中的储氧蛋白。![]()
生物体的遗传信息储存在DNA分子中，DNA分子通过RNA分子在蛋白质形成过程中被转化。蛋白质由一长链氨基酸组成，这些氨基酸以特殊方式折叠。细胞内的化学过程由一种称为酶的蛋白质控制。克里斯蒂安·安芬森研究了核糖核酸酶，这种酶将RNA分解成更小的组分。1961年安芬森证明氨基酸序列本身决定了链折叠的方式，并且此过程不需要额外的遗传信息。
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生物体的遗传信息储存在DNA分子中，DNA分子通过RNA分子在蛋白质形成过程中转化。细胞内的化学过程由一种称为酶的蛋白质控制。斯坦福·摩尔和威廉·斯坦研究了核糖核酸酶，这种酶将RNA分解成更小的组分。20世纪50年代末，两人成功地详细了解了酶的活性中心，并阐明了分子结构与其加速生化反应能力之间的联系。胰岛素可能是最多人知道的激素，没有它，人便会得糖尿病。当人类还未认识胰岛素时，患上糖尿病就等于判了死刑。19世纪末，有数名德国生理学家和临床医生，把狗的胰脏切除后，便发现它们患上糖尿病。这个实验使人们开始意识到，胰脏和血糖水平是有关的。
胰脏是一个很奇妙的器官，它有两个主要功能：第一个是制造消化液，这些液体会透过胰管流入胃部；另一个功能是制造胰岛素，控制血糖水平。但是想利用胰脏来抑制糖尿病并不简单，最困难的是，胰脏基本上是由专门负责分泌消化酶的细胞组成。所以如果把胰脏搅碎，是不能找到胰岛素的。
究竟是哪个天才破解了这个难题呢？班廷。他的发现，可以算是内分泌学史上一个最轰动、最重大的突破。在一篇偶然发现的医学报告中提到了一个特殊病例让班廷突发奇想。报告中的病例因结石阻塞胰管导致了胰脏萎缩，但胰岛却意外地留存了下来，并且没有引发糖尿病。在这之前，科学界对胰脏结构的认识远超对其功能的认识。他曾经记录到：“结扎狗的胰导管，待其腺泡萎缩只余胰岛后，试图分离出胰岛素以治疗糖尿病”。班廷和助手贝斯特利用狗做手术，把它们的胰管结扎。六个星期后，狗体内的消化酶细胞全部死亡。实验的结果使人欣喜，由狗的胰脏提取的胰岛素证实班廷的想法是可行的。1922年1月，在生化教授柯利普的帮助下，班廷与另一位科学家麦克劳德获得可以用于临床治疗的胰岛素，并在人类身上进行第一次测试，同样获得了成功。实验于1922年完成，于第二年即1923年班廷和麦克劳德共同获得诺贝尔生理学或医学奖，这在诺贝尔奖历史上也是绝无仅有的。自那时以后，许许多多的糖尿病患者便能够正常生活了。蛋白质是自然界中最复杂、最神秘的物质之一，与生命的诞生与发展关系密切。然而即使一些蛋白质分子足够大，可以在我们最强大的电子显微镜中观察到，也不可能通过任何直接的方法看到它们结构中更精细的细节。在这里，我们必须求助于化学家在研究复杂物质结构时使用的间接方法。因此，人们必须通过合适的方法分解大分子，并在获得的片段中寻找更简单和众所周知的物质。1958年，桑格开发了一种方法，蛋白质在游离氨基末端“标记”位于链末端的特定氨基酸。为此，他几乎尝试了当时所有的生化试剂，期间还一度因为污染了整个实验室的生物制品而被迫中止研究，最终选中了一种染料试剂，2,4-二硝基氟苯的物质（简称DNFB，也就是现在大家熟知的桑格试剂），它与氨基酸结合得相对牢固，即使链断裂，末端氨基酸也会保持这种状态。如果以这种方式“标记”的胰岛素与酸一起煮沸，就会产生复杂的氨基酸混合物，因此可以分离出代表端基的有色成分。通过这种方式，桑格可以证明胰岛素分子包含具有不同的端基的两个不同的链，他在通过氧化破坏分子后成功地将它们分离出来，其中一条链有31个氨基酸，另一条有20个。接着，他将两种链分别破碎，并以一种非常巧妙的方式结合了不同的色谱和电泳方法，特别是1952年诺贝尔化学奖得主Martin和Synge介绍的纸色谱法，成功设法确定了由此分离的碎片的每个位置上的氨基酸序列。
后来他历经千辛万苦将破碎的部分重新按顺序组合，重建出了两条链。胰岛素的结构就这样建立起来了——这确实是一项了不起的成就。胰岛素是一种蛋白质，这是人类第一次成功地确定属于这一非常重要群体的物质的结构！
蛋白质结构的首次成功测定是多年坚持不懈和热情工作的结果，这位伟大的科学家桑格整整研究了15年。十五年来，他就这样拆分、测试、拼接，重重复复地进行同一项工作，最终获得了1958年诺贝尔化学奖。
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不久后，英国生物化学家佩鲁茨和他的同事肯德鲁使用X射线衍射分析法，将血红蛋白和肌红蛋白作为研究对象，用巧妙的方法将一些蛋白质分子和一个大质量原子（如金或汞的原子）结合起来进行X射线衍射，推断出在没有大质量原子的情况下肌红蛋白分子的结构。
然而，佩鲁茨和肯德鲁遇到了相当大的困难。他们有大量数据需要处理。肌红蛋白是两种分子中较小的一种，含有约2600个原子，其中大多数的位置现在已经知道。但是为此，肯德鲁不得不检查了110个晶体，并测量大约250000个X射线反射的强度。而血红蛋白分子是它的约四倍大！他们不断收集和处理更多的反射，不断获得更详细的图像，终于成功看到球状蛋白构建背后的原理，揭示了蛋白质分子的三级结构。他们也因此获得1962年诺贝尔化学奖。
有一种非常重要的蛋白质——酶。酶是催化剂，即在不消耗自身的情况下加速化学反应的物质。百年前，伟大的瑞典化学家Jöns Jacob Berzelius提出了催化的概念，他也以惊人的直觉提出，生物体的组织具有催化活性。
从化学角度来看，酶是蛋白质。它们由21种不同的氨基酸组成，这些氨基酸连接在一起形成长链。尽管蛋白质只有21个构建的基本单位，但它们却构成了数千种酶，每种酶都有其特定的特性。其中核糖核酸酶是第一个确定完整氨基酸序列的酶，这要归功于安芬森以及摩尔和斯坦的贡献。
然而，活性酶不仅仅由连接在一起的长氨基酸链组成，而是链在空间中折叠，使分子形成球状。负责肽链这种特定折叠的信息来源是什么？正是这个问题一直是安芬森调查的重点。在一系列优雅的实验中，他表明必要的信息是肽链中氨基酸线性序列固有的，因此不需要比DNA中发现的更多的遗传信息。
摩尔和斯坦的贡献涉及关于核糖核酸酶的另一个基本问题，即其催化活性的基础。底物通常在酶的活性位点上结合。如果无法找到活性位点并确定其中的化学基团，那么了解酶的结构对理解这种相互作用几乎没有帮助。他们发现，与游离形式的相同氨基酸相比，活性位点包含的氨基酸具有异常高的反应性，这种高反应性对酶的催化活性具有重要意义。
在三位科学家们的不懈努力下，核糖核酸酶化学结构和催化活性之间的关系被他们所揭示。他们也因此获得1972年诺贝尔化学奖。
桑格并没有就此沉沦，他随后将课题转向了DNA测序。自沃森和克里克证明了DNA的双螺旋结构以来，科学家们便开始发起了对DNA领域的冲击。当时的学者已经认识到DNA是由四种核苷酸排列组合而成的，但是并不了解这些核苷酸的顺序，这便是桑格想要做的。从测序蛋白质到测序RNA，再到测序DNA，「用化学方法来解决生物问题」的思路一直陪伴着桑格。他起初想用和蛋白质测序类似的方法来进行核酸的测序，不过很快发现这条路走不通，因为核酸可比肽链长太多了，并且过于重复的序列让拼图游戏直接没法玩。于是桑格换了个思路，决定从核酸的合成方面入手，又埋头研究10 年。终于1977年，沉寂20年的桑格卷土重来，开发出了一套高效的DNA 测序方法——「双脱氧链终止法」，后来也被称为「桑格法」。![]()
这个方法是跨时代的存在。当时学者所能测序的核苷酸数量最多只有80 个，而桑格团队光是完成噬菌体DNA的测序就有5386个核苷酸，更不必提后来 16338个核苷酸的人类线粒体DNA序列，效率直接提升了数百倍。「双脱氧链终止法」成为了后来著名的「人类基因组计划」的技术基础，桑格是那个破天机的人。由此可见，一双善于发现的眼睛、一个充满好奇的大脑、一股不畏艰险的激情、一种坚持不懈的勇气，在科学的发展中所起到的作用是有目共睹的。培养这种精神在我们的生活中也同样重要。我们也要学习这种探索精神，为祖国和世界的科技发展贡献自己的力量！
实际应用
蛋白质是生命活动的主要承担者。对蛋白质的研究，可以帮助我们理解生命现象、开发新型药物、促进人类进化和农业水平进步以及推动交叉学科发展。在蛋白质研究领域中，各类科学家通力合作，不断推进对蛋白质功能和结构的深入探讨，这不仅能够加深我们对生命本质的认识和理解，还能为人类创造更多的新福利和科技成果而不断做出贡献。
