阅读材料　生物大分子质谱电离技术及核磁共振三维结构测定方法

2002年诺贝尔化学奖授予了质谱和核磁共振领域的三位科学家，他们是美国科学家约翰·B·芬恩（John B.Fenn）、日本科学家田中耕一（Koichi Tanaka）和瑞士科学家库尔特·维特里希（Kurt Wüthrich），以表彰他们在生物大分子质谱电离技术的突破，以及核磁共振三维结构测定方法的建立方面所做的贡献。

John B.Fenn,1917年出生于美国纽约市，1940年获耶鲁大学化学博士学位，1967～1987年间任该大学教授，1987年被聘为该大学名誉教授，1994年起任弗吉尼亚联邦大学教授。Koichi Tanaka,1959年出生于日本富山县，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。他们由于发明了对生物大分子的质谱分析法而共享了2002年诺贝尔化学奖一半的奖金。

质谱分析法是化学领域中非常重要的一种分析方法，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世纪末科学家已经奠定了这种方法的基础，1912年科学家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，例如氘的发现（1934年诺贝尔化学奖）和C60的发现（1996年诺贝尔化学奖）。不过，最初科学家只能将它用于分析小分子和中型分子，由于生物大分子比水这样的小分子大成千上万倍，因而将这种方法应用于生物大分子难度很大。科学家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。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。为了解决这个难题，John B.Fenn和Koichi Tanaka发明了殊途同归的两种方法：John B.Fenn对成团的生物大分子施加强电场，Koichi Tanaka则用激光轰击成团的生物大分子。这两种方法，电喷雾电离技术（electrospray ionization,ESI）和软激光解析（soft laser desorption,SLD），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。

Kurt Wüthrich,1938年出生于瑞士阿尔贝格，1964年获瑞士巴塞尔大学无机化学博士学位。1980年起任瑞士苏黎世联邦高等理工学校分子生物物理学教授，兼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。由于发明了核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法而获得了2002年诺贝尔化学奖另一半的奖金。

核磁共振技术和质谱技术一样，是物质分子结构鉴定的强有力工具，在有机化合物结构鉴定中发挥着巨大作用。当NMR用于生物大分子测定时，NMR谱图上产生成百上千个吸收峰，无法确定哪个峰属于哪个原子。Kurt Wüthrich发明了序贯分配（sequential assign-ment）法，即通过系统地分配蛋白分子中的某些固定点，可以确定这些固定点的距离，从而计算出蛋白质的三维结构，解决了这一难题。序贯分配法的原理可以用测绘房屋的结构来比喻：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，即以分子中的质子作为测量对象，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。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蛋白质进行分析，能获得“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。到2002年，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。

21世纪初，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。专家认为，在未来几十年内，生物技术将蓬勃发展，很可能成为继信息技术之后推动经济发展和社会进步的主要动力，由这三位诺贝尔化学奖得主发明的“对生物大分子进行确认和结构分析的方法”将在今后继续发挥重要作用。