高中生物酶学研究：揭秘与诺贝尔奖的奇妙关联

从1907年比希纳获得酶学研究史上的第一次诺贝尔奖开始，之后在此领域中又有10次诺贝尔奖获得者。

1．1907年诺贝尔化学奖获奖者爱德华·比希纳（德国）

获奖理由：发现无细胞发酵现象

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法国葡萄酒品质优良、历史悠久，在早期它却不宜长时间存放，因为长时间贮存葡萄酒会变酸。这一现象引起了法国微生物学家、化学家巴斯德的兴趣，他首先研究出葡萄酒的发酵是由酵母菌这种微生物引起的，他认为只有活的酵母菌才能引起酒的发酵。

20世纪初德国科学家爱德华·比希纳开始对不含细胞的酵母提取液进行发酵研究，通过在柏林洪堡大学所做的一系列实验最终证明发酵过程并不需要完整的活细胞存在。他将其中能够发挥发酵作用的酶命名为发酵酶（zymase）。这一贡献打开了通向现代酶学与现代生物化学的大门，其本人也因“发现无细胞发酵及相应的生化研究”而获得了1907年的诺贝尔化学奖。

爱德华·比希纳的研究推动了生物化学、微生物学、发酵生理学和酶化学的发展，并获得了1907年的诺贝尔化学奖，这在酶学研究史上是一次巨大的飞跃，开创了微生物生化研究的新篇章。

2．1929年诺贝尔化学奖获奖者亚瑟·哈登（英国）和汉斯.冯·奥伊勒-凯尔平（瑞典）

获奖理由：阐述了糖发酵过程中酶的作用图片

亚瑟·哈登是英国生物化学家。1904年他将酵母提取物放入半渗透薄膜袋内进行渗析时发现，酵母酶的活性消失，它不再使糖发酵。然而，如果将渗析至袋外的水加入袋内的物料中，则酵母酶活性又会恢复。同时观察到渗析开始时，酵母提取物迅速将葡萄糖分解并产生二氧化碳，但是随着时间的推移，其活性逐渐降低。他推测酵母酶是由2部分组成的，一部分是小分子，另一部分则是大分子。两者单独作用都不会使糖发酵。只有共同作用才有发酵的效果。如果将袋内的物料煮沸，则活性消失，即使袋内加入了袋外的水也是如此。实验证明大分子是蛋白质，小分子经受住了煮沸，因而多半不是蛋白质。这种小分子是“辅酶”发现的首个实例，它是一种非蛋白质结构的小分子，这种小分子对于酶的作用是不可或缺的。

奥伊勒-克尔平的主要贡献是阐明了糖发酵的过程和酶在其中的作用，特别是提示了辅酶的存在和作用机理。并指出酶分子中除蛋白质外，还有非蛋白质即辅酶，并用实验方法提纯出酒化酶的辅酶，证明它是糖与磷酸生成的特殊脂，并研究医学中酶抑制剂和酶的络合作用。

由于其卓越的贡献，亚瑟·哈登和奥伊勒一凯尔平共享了1929年的诺贝尔化学奖。

3．1931年诺贝尔生理学或医学奖获奖者奥托·海因里希·瓦尔堡（德国）

获奖理由：发现了呼吸酶的性质和作用方式

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1931年，奥托·海因里希·瓦尔堡因呼吸酶的相关研究荣获诺贝尔生理学或医学奖。但他的贡献远不止此，他对光合作用也有深入的研究，在光合作用的机理和量子效率等方面具有独特的见解。奥托一生发表了数百篇论文及5部专著，培养了大批年轻的科学家。

4．1946年诺贝尔化学奖获奖者詹姆斯·萨姆那（美国）约翰·霍华德·诺斯罗普（美国）斯坦利（美国）

获奖理由：酶的化学本质是蛋白质

上世纪20年代,许多生物化学家认为酶是附着在胶体上的低分子量物质,而萨姆纳则相信酶是蛋白质。他从1917年开始用刀豆粉为原料,分离提纯其中的脲酶(刀豆中脲酶多,易于测定)。1926年他成功地分离出一种脲酶活性很强的细小晶体,并经各种试验证明这些细小晶体是蛋白质。这是生物化学史上首次得到的结晶酶,也是首次直接证明酶是蛋白质,推动了酶学的发展。1937年他又得到了过氧化氢酶的结晶,还提纯了几种其他的酶。

诺斯罗普主要研究酶的离析与结晶化问题，首选离析出细菌病毒，确定酶的核蛋白性质与化学反应规律，第一个在实验定制备出胰蛋白酶。1941年获结晶状白喉抗毒素。

斯坦利主要研究病毒学。1935年首次获得病毒结晶体，证明病毒是蛋白质的。1936从结晶病毒中离析出核酸。还对流行性感冒、病毒变种及繁殖进行了大量研究。

5．1957年诺贝尔化学奖获奖者亚历山大·R·托德（英国）——近代核酸化学的先驱

获奖理由：核苷酸和核苷酸辅酶方面的研究

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托德最大贡献是对核酸、核苷酸及核苷酸辅酶的研究，建立其连接方式。经过托德的详细研究，得出核糖核苷酸是由核糖、磷酸、碱基3部分组成，碱基分为A,U,C,G 4种；脱氧核糖核苷酸是由脱氧核糖、磷酸和碱基组成，碱基分为A,T,C,G 4种。他指出在核酸里2个核糖核苷酸之间由1个磷酸连接起来，核酸就是用这种方式把许多核苷酸连成长链结构。托德后来又合成了各种核苷酸单体、ATP和几种含有核苷酸结构的辅酶。

这些成果不仅为核酸化学的研究奠定了坚实的基础，也为后来DNA分子结构的提出指明了方向。托德因此贡献被授予1957年诺贝尔化学奖，被誉为近代核酸化学的先驱。

6．1959年诺贝尔生理学或医学奖获奖者阿瑟·科恩伯格（美国）塞韦罗·奥乔亚·德阿尔沃诺斯（美国）

获奖理由：RNA聚合酶与DNA聚合酶的发现

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由于这2位科学家的重大发现，使得合成DNA和RNA十分方便、快捷，从而对遗传学的生物化学研究有极大的促进作用。尤其是科恩伯格发现的DNA聚合酶为分子生物学和酶学领域研究奠定了基础，为以后出现的基因工程、DNA测序、DNA聚合酶链式反应(PCR)等的出现及发展开辟了道路。因为RNA聚合酶与DNA聚合酶的发现，这2位科学家共享了1959年的诺贝尔生理学或医学奖。

7．1975年诺贝尔生理学或医学奖获奖者戴维·巴尔的摩、罗纳托·杜尔贝科和霍华德·马丁·特明

获奖理由：发现逆转录酶

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在发现了DNA的双螺旋结构以后，众多科学家开始研究遗传信息的流向问题。1957年克里克最初提出了中心法则，指出遗传信息之间的流动是单向的、不可逆的过程，即DNA→RNA→蛋白质的方向转移。这一理论在当时被普遍接受。

但1901年劳斯发现，鸡肉瘤细胞裂解物在通过除菌过滤器后注射到正常鸡体内可以引起肉瘤。这是首次提出鸡肉瘤可能是由病毒引起的，即劳斯肉瘤病毒。劳斯进而提出，病毒是癌症的病因，但这个观点在当时并没有引起重视。

8．1989年诺贝尔化学奖获奖者奥特曼（美国）切赫（美国）

获奖理由：发现RNA的生物催化作用

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在20世纪70年代，生物化学家对酶已经有了较为深入的了解，同时也纯化出了数百种酶分子，这些酶分子的化学本质均为蛋白质。此时，美国耶鲁大学教授奥特曼（Sidney Altman）则提出RNA也具有生物催化的作用，在生物化学研究领域引起了轰动。他提出RNA分子具有活性中心，即催化部位，同时也具有基质，即反应部位，而且两者可以同处于一个分子内部。随后奥特曼在实验过程中发现，名为Tetrahymena的原生动物的t-RNA具有自我催化的能力。从而首次提出了“RNA可独立具有催化流行性”这一全新的观点。

1981年美国科罗拉多大学的切赫（Cech）和同事以原生动物四膜虫为材料，研究rRNA的基因转录时，发现当DNA转录成RNA后，RNA序列中的某些片段会被剪切下来。于是切赫将剪切前的RNA分离出来，一部分加酶，一部分不加，而结果发现两者具有相同的剪接速度和过程。这一现象说明RNA能够进行自我剪切和拼接，形成具有生理功能的核糖体RNA。奥特曼和切赫由于证明了RNA兼有遗传信息的存储、传递和生物催化等不同的功能，从而突破了酶是蛋白质的传统观念，使人类对于生命起源的认识更为深入，于1989年被授予诺贝尔化学奖。

9．1997年诺贝尔化学奖获奖者保尔·博耶（美国）约翰·沃克（英国）科斯（丹麦）

获奖理由：ATP合成酶作用机理的发现

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保尔·博耶是美国生物化学家，在研究合成酶的过程中有开创性的贡献。他利用化学方法提出了ATP合成酶的功能机制。

此时，另一位英国科学家约翰·沃克（John E.Walker）也在研究ATP合成酶。他的研究重点是酶的化学成分和结构。1981年，他确定了构成合成酶蛋白质单元的氨基酸序列。1994年，沃克与X射线结晶学家一起工作，澄清了合成酶的三维结构。沃克将ATP制成结晶，以便更好地研究细节结构。证明了博耶关于ATP合成的“分子机器”的观点是正确的。至此ATP合成酶催化合成ATP的过程就得到了完整的说明。

同年，丹麦科学家科斯（Jens C.Skou）发现了输送离子的Na＋，K＋-ATP酶。因此与博耶、沃克同获1997年的诺贝尔化学奖。这种酶是在动物细胞的质膜中发现的。当时有科学家在研究神经细胞受刺激后Na＋和K＋在细胞中的运动情况，他们发现神经元激活时，Na离子涌进细胞，K离子流出细胞，由于转运是逆浓度梯度(从低浓度区到高浓度区)进行，这一过程需要能量，所需能量即由载能分子三磷酸腺昔酶提供。这一浓度差的存在有助于维持动物细胞的渗透平衡，维持内环境的稳态。

10．2009年诺贝尔生理学或医学奖获奖者伊丽莎白·布莱克本（美国）卡罗尔·格雷德（美国）杰克·绍斯塔克（美国）

获奖理由：发现端粒和端粒酶是如何保护染色体的

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细胞的寿命与端粒有直接关系，而端粒的消耗和增长取决于端粒酶的多少。细胞增殖分裂的过程就是生命体生长的过程，但细胞的分裂次数是有限的，达到上限后就不再分裂，生命体会逐渐衰老死亡。这一现象的发生就是由于染色体的末端具有一段端粒结构，其与细胞分裂过程紧密相关，在每次分裂中都会消耗一些端粒，使端粒结构缩短，当端粒消耗殆尽后细胞便不再分裂，生命体进入衰老和死亡。同时发现端粒酶可直接作用于端粒，控制端粒的消耗和增长速度。若细胞中端粒酶活性很高，端粒的长度就尽可能地得到保持甚至恢复，细胞的老化就被延缓甚至逆转，生命体的寿命就会得到延长。癌细胞就是一个典型的例子。相反，某些特定的遗传疾病，会出现缺少端粒酶的特征，导致细胞受损。该发现为疾病的治疗提供了理论依据，有助于未来新的治疗方法的发展。

11. 2018年10月3日，诺贝尔化学奖正式揭晓，来自美国的弗朗西斯·阿诺德、乔治·史密斯和来自英国的格雷戈里·温特尔共同获奖，以表彰他们在因酶定向进化与肽类和抗体噬菌体展示研究的贡献。

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阿诺德因首次进行了“酶的定向进化”占奖项的一半。关于“酶的定向进化”，是指一种蛋白质的非合理设计，可以人为的创造特殊的进化条件，模拟自然进化机制，在体外改造基因，并定向选择出所需性质的突变酶。

他们开发的方法正得到国际应用，促进了更环保的化学工业发展，生产新的材料、制造可持续生物燃料、缓解人类的病情并拯救生命。