文档介绍：1988年诺贝尔化学奖的启示
制作人:彭宗辉
1。前言
在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。他们是HartmutMichel、Johann Deisenhofer和Robert Huber。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。回顾他们的成功之路,希望对大家是会有所启发和帮助。

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+6H2O→C6H12O6+6O2
其作用机理是:略
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。图1为细菌中发生的这一过程的示意图。
2. 实验的关键
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略。
实验过程中遇到的主要问题
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。
解决实验问题的关键方法
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。
实验结果
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,。
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。
3. 实验启示
1。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。
2。在严峻的形势面前,要以大无畏的精神,迎着困难前进。
3。培养敏锐的科学思维,以及良好的科学素质和品德。
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