水通道蛋白是一個非同尋常的發現;因為水通道是水進出細胞的關鍵,許多生理過程涉及體液的流動,例如出汗、排尿、發炎紅腫以及流淚等等。水通道蛋白的功能使我們在炎熱的夏天濃縮尿液而不致發生脫水,也能讓我們在饑餓時把儲存在脂肪組織的水釋放出來。
水通道技術的研究和應用將會打開人類長生不老的神秘大門。目前該技術已經開始使用於化妝品領域和紡織品技術領域。通過水通道技術,將人類需要的礦物金屬元素通過化妝品和衣物麵料和人體皮膚接觸的機會滲透進人體組織之內。
諾貝爾化學獎2004年
獲得者:阿龍·切哈諾沃
獲獎原因:發現了泛素介導的蛋白質降解
蛋白質的降解之旅
人物故事
與中國的科學友誼
阿龍·切哈諾沃出生於1947年,是第一個獲得科學諾貝爾獎的以色列人,擔任以色列人文和自然科學院院士、美國國家科學院外籍院士,中國南京大學名譽教授,南京大學化學與生物醫藥科學研究所所長。2013年12月19日當選中科院生物化學部外籍院士。
切哈諾沃與中國科學界來往密切。2008年10月,南京大學決定聘請切哈諾沃,擔任該校新建“南京大學化學與生物醫藥科學研究所”所長,並以其為核心成員,引進一支高水平的科研團隊。研究所的主要目標是以有機化學為工具,探討病理過程,並通過這個過程發明新的藥物。
科普解讀
蛋白質的身後事
蛋白質是由氨基酸組成的,氨基酸如同磚頭,而蛋白質則如結構複雜的建築。正如同有各種各樣的建築一樣,生物體內也存在著各種各樣的蛋白質。蛋白質的降解在生物體中普遍存在,比如人吃進食物,食物中的蛋白質在消化道中就被降解為氨基酸,隨後被人體吸收。在這一過程中,一些簡單的蛋白質降解酶如胰島素發揮了重要作用。
食物中的蛋白質要經過蛋白質降解酶的作用降解為多肽和氨基酸被人體吸收的過程叫做蛋白質降解。食用蛋白質類的食物,不可能直接被人體吸收,食物中的蛋白質要經過蛋白質降解酶的作用降解為多肽和氨基酸才能被人體吸收。人體吸收蛋白質這一過程是在人體內,但大多是在細胞外進行的,不需要能量。減少人體內降解程序,對人體吸收合成代謝蛋白質有著重要意義。
首先,通常人們食用蛋白質食物,需經人體消化係統進行消化,即蛋白質降解,降解成氨基酸和小肽後,通過人體小腸吸收而被組織利用。我們進行體外蛋白質降解,獲得與人體降解的效果一樣的營養物質,減少了人體腸胃降解蛋白質功能的負擔,這對人體消化器官的養護以及防止衰老退化有著重要的意義。
其次,體外降解不需消化,直接吸收。吸收速率快,利用率高,合成人體蛋白質高,補充能量,有助於提高體力,快速合成人體千萬種蛋白質,發揮多種生理活性作用。
另外,體外蛋白質降解 獲得的肽是無限的,補充人體的肽的量較人體內蛋白質降解獲得的肽多。這對於人體的營養補充是空前的,而這種營養不是未被降解的“高營養”,而是一種高功能活性營養,對人體健康非常有益。
諾貝爾化學獎2005年
獲得者:伊夫·肖萬
獲獎原因:發展了有機合成中的複分解法
“變臉大師”——複分解反應
人物故事
深愛妻子
伊夫·肖萬生於1930年,是法國的科學家。伊夫一生都過著簡樸而平淡的研究生活,妻子是他生活中最大的知己,兩個人從相戀到結婚,一直走到今天。當被通知獲獎的時候,伊夫並沒有像熱衷名利的科學家那樣歡欣鼓舞,而是頗感憂慮,他是一個喜歡安靜平穩生活的普通人,他說:“我一直以來過著平靜的生活,但現在這種平靜一去不返了。在實驗室中,我付出了整整三十年的時間。而這三十年中,我工作的目的就是使世人對我從事的研究感興趣而已”
在頒獎典禮上,伊夫說他現在最想念的是他的妻子,他的妻子剛在一年前因病去世,這一年多來他都在孤獨的生活,他很愛他的妻子,真希望她也能看到丈夫今天的成就,來分享這一份喜悅。
科普解讀
複分解反應
有機合成中的複分解法是指由兩種化合物互相交換成分,生成另外兩種化合物的反應,叫做複分解反應。用公式可簡記為AB+CD=AD+CB。複分解反應的本質是溶液中的離子結合成難電離的物質(如水)、難溶的物質或揮發性氣體,而使複分解反應趨於完成。
複分解反應發生的條件:1反應物中酸必須是可溶的,生成物中至少有一種物質是氣體或沉澱或水;2反應物中至少有一種是可溶的;3初級階段反應物中的兩種鹽都是可溶性的,且反應所得的兩種鹽中至少有一種是難溶的;4反應物一般都要可溶,生成物中至少有一種是沉澱或氣體。
複分解反應是在學習了化合反應、分解反應和置換反應的基礎上,學習的又一化學反應基本類型。要理解它必須抓住概念中的“化合物”和“互相交換成分”這兩個關鍵詞。酸、堿、鹽溶液間發生的反應一般是兩種化合物相互交換成分而形成的,即參加反應的化合物在水溶液中發生電離離解成自由移動的離子,離子間重新組合成新的化合物,因此酸、堿、鹽溶液間的反應一般是複分解反應。因為此類反應前後各元素的化合價都沒有變化,所以複分解反應都不是氧化還原反應。
諾貝爾化學獎2006年
獲得者:羅傑·大衛·科恩伯格
獲獎原因:對真核轉錄的分子基礎的研究
無休止的基因信息“轉播”
人物故事
兩代諾貝爾得主
科恩伯格1947年出生,是美國的生物學家,斯坦福大學結構生物學教授。他的父親阿瑟·科恩伯格也是斯坦福大學的教授,並在1959年就獲得了諾貝爾生理學醫學獎。父親從小對科恩伯格就很嚴格。在科恩伯格童年的記憶裏,父親總是在實驗室忙碌於各種實驗,他對父親實驗室裏神奇多彩的實驗所吸引,同時也十分佩服父親那種耐心觀察孜孜不倦的研究精神。
中學的時候,科恩伯格成績優異,順利考入了哈佛大學,又在1972年獲得斯坦福大學的博士學位,並在那裏任教,出現了父子兩人成為同事的有趣局麵。
科普解讀
基因轉錄
科恩伯格對於基因轉錄的研究,對於我們了解基因轉錄在醫學研究起著決定性的作用。目前,基因轉錄的技術廣泛應用在基因研究的實驗室中。“基因轉錄過程至關重要”,瑞典皇家科學院在一份聲明中說,“如果轉錄過程停止,基因信息就不會被轉移到機體的各個部位,生命體也將在數天內死亡。” 科恩伯格是首位在分子水平上揭示真核生物轉錄過程如何進行的科學家,這一過程具有醫學上的“基礎性”作用,因為人類的多種疾病如癌症、心髒病等都與這一過程發生紊亂有關。理解這一過程有助於人們尋找治療上述疾病的方法。
轉錄是遺傳信息由DNA轉換到RNA的過程。作為蛋白質生物合成的第一步,轉錄是mRNA以及非編碼RNA(tRNA、rRNA等)的合成步驟。轉錄是遺傳信息從DNA流向RNA的過程。即以雙鏈DNA中的確定的一條鏈(模板鏈用於轉錄,編碼鏈不用於轉錄)為模板,以ATP、CTP、GTP、UTP四種核苷三磷酸為原料,在RNA聚合酶催化下合成RNA的過程。
轉錄時,細胞通過堿基互補的原則來生成一條帶有互補堿基的mRNA,通過它攜帶密碼子到核糖體中可以實現蛋白質的合成。與DNA的複製相比,轉錄有很多相同或相似之處,亦有其自己的特點。轉錄中,一個基因會被讀取並複製為mRNA。就是說,以特定的DNA片斷作為模板,以DNA依賴的RNA合成酶作為催化劑,合成前體mRNA。在體內,轉錄是基因表達的第一階段,並且是基因調節的主要階段。轉錄可產生DNA複製的引物,在反轉錄病毒感染中也起到重要作用。
諾貝爾化學獎2007年
獲得者:格哈德·埃特爾
獲獎原因:對固體表麵化學進程的研究
“有內涵”的固體表麵化學
人物故事
熱心公益的化學家
埃特爾2007年獲得了諾貝爾化學獎,獲得了1000萬瑞典克朗(約合154萬美元)的獎金。獲獎後的埃特爾將獎金分為兩部分,一部分用來繼續做科學實驗,一部分用來做公益事業。一直以來,埃特爾都熱心於公益事業,對於生態環境保護作出了很大貢獻,常常將自己所研究的表麵化學與環境保護治理結合在一起,贏得了人們的廣泛讚譽。
與中國的友好往來
埃特爾與中國來往密切,1997年開始,埃特爾教授就應聘為中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室國際顧問委員會委員,並同時應邀開始擔任大連化物所《催化學報》的顧問。埃特爾不僅在科學上有很大建樹,同時也是一名出色的藝術家,在來訪中國的時候,還為大家彈奏鋼琴。在閑暇的時候,埃特爾喜歡看曆史書籍,有關中國特色的人文書籍,同時還喜歡欣賞中國的古典音樂。
科普解讀
透過現象看本質——表麵化學
凡是在相界麵上所發生的一切物理化學現象統稱為界麵現象或表麵現象。 研究各種表麵現象實質的科學稱為表麵化學。表麵化學在20世紀40年代前,得到了迅猛發展,大量的研究成果被廣泛應用於各生產部門,如塗料、建材、冶金、能源等行業;但就學科來說它隻是作為物理化學的一個分支—膠體化學。到了60年代末70年代初,人們從微觀水平上對表麵現象進行研究,使得表麵化學得到飛速發展,表麵化學作為一門基礎學科的地位被真正確立。
表麵化學對於化學工業很重要,它可以幫助我們了解不同的過程,例如鐵為什麼生鏽、燃料電池如何工作、汽車內催化劑如何工作等。此外,表麵化學反應對於許多工業生產起著重要作用,例如人工肥料的生產。表麵化學甚至能解釋臭氣層破壞,半導體工業也是與表麵化學相關聯的科學領域。
由於半導體工業的發展,現代表麵化學於60年代開始出現。格哈德·埃特爾是首批發現新技術潛力的科學家之一。他逐步建立表麵化學的研究方法,向人們展示不同實驗過程產生表麵反應的全貌。這門科學需要先進的真空實驗設備,以觀察金屬上原子和分子層次如何運作,確定何種物質被置入係統。
格哈德·埃特爾的觀察為現化表麵化學提供了科學基礎,他的方法不僅被用於學術研究而且被用於化學工業研發。格哈德·埃特爾應用哈伯-博施法可以從空氣中提取氮,這一點具有重要的經濟意義。埃特爾還對鉑催化劑上一氧化碳氧化反應進行研究,這種化學反應主要發生在汽車催化劑中,以過濾汽車產生的廢氣。
諾貝爾化學獎2008年
獲得者:錢永健
獲獎原因:發現和改造了綠色熒光蛋白(GFP)
熒光蛋白的發光“魔法”
人物故事
天賦異稟
錢永健1952年出生於美國紐約,父親是一名機械工程師,很多親人都從事科學事業,錢永健祖籍浙江杭州,是中國導彈之父錢學森的堂侄。
童年時代的錢永健就顯露出科學天賦。由於小時候患有哮喘病,錢永健不得不盡量避免室外激烈運動。他經常花上數小時在地下實驗室中做化學實驗。實驗產生的鮮豔色彩讓他著迷。
16歲時,錢永健憑借一個金屬易受硫氰酸鹽腐蝕的調查項目,在美國全國性獎項“西屋科學人才選拔賽”中獲一等獎。這項比賽現名“英特爾科學人才選拔賽”,是美國曆史最久、最具聲望的科學競賽,參賽者以高中生為主,又稱“少年諾貝爾獎”。
色彩的追逐者
《聖迭哥聯盟論壇報》采訪時這樣評價錢永健:“他擁有世界上最美麗的大腦,不僅因為他能夠深入思考如何填補已知科學領域的空白,更因為他知道如何發現新問題。”錢永健在獲得諾貝爾獎之前,已獲得無數有“含金量”的專業獎項,其中包括2004年獲得的有“諾貝爾指針”之稱的沃爾夫醫學獎。此外,他還擁有不少於60項的美國專利發明。
憑借化學與生物方麵的天分,錢永健找到了讓綠色熒光蛋白更亮更持久發光的方法,並創造出了更廣泛的熒光蛋白色彩,包括黃、藍、橙等顏色。“我總是被色彩所吸引,”錢永健說,正是色彩,讓他的工作更有趣,“當工作進展得不順利時,因為色彩,我可以把工作繼續進行下去。如果我天生是色盲,估計我不會取得今天的成就了。”
科普解讀
綠色熒光蛋白
綠色熒光蛋白分子的形狀呈圓柱形,就像一個桶,負責發光的基團位於桶中央,因此,綠色熒光蛋白可形象地比喻成一個裝有色素的“油漆桶”。裝在“桶”中的發光基團對藍色光照特別敏感。當它受到藍光照射時,會吸收藍光的部分能量,然後發射出綠色的熒光。利用這一性質,生物學家們可以用綠色熒光蛋白來標記幾乎任何生物分子或細胞,然後在藍光照射下進行顯微鏡觀察。原本黑暗或透明的視場馬上變得星光點點——那是被標記了的活動目標。對生物活體樣本的實時觀察,在綠色熒光蛋白被發現和應用以前,是根本不可想象的。而這種徹底改變了生物學研究的蛋白質,最初是從一種廣泛生活於太平洋海域的發光水母體內分離得到的。
在大自然中,具有發光能力的生物有不少,螢火蟲是陸地上最為我們所熟悉的發光生物,中國古代還有“捕螢數百入囊內照明夜讀”的佳話。在海洋裏,某些水母、珊瑚和深海魚類也有發光的能力。特別是有的肉食性魚類專門靠一條閃著熒光的觸角來把其他小魚吸引到自己的嘴邊,《海底總動員》裏就有這種魚。事實上,大多數發光動物能發光是靠兩種物質——熒光素和熒光素酶——合作產生的結果。不同發光生物的熒光素和熒光素酶結構是不一樣的。因此,這些生物的發光本領隻能是它們自己的“專利”。
綠色熒光蛋的發光機理比熒光素和熒光素酶要簡單得多。一種熒光素酶隻能與相對應的一種熒光素合作來發光,而綠色熒光蛋白並不需要與其他物質合作,隻需要用藍光照射,就能自己發光。傳統的熒光分子在發光的同時,會產生具有毒性的氧自由基,導致被觀察的細胞死亡,這叫做“光毒性”,因此,在綠色熒光蛋白發現以前,科學家們隻能通過熒光標記來研究死亡細胞靜態結構,而綠色熒光蛋白的光毒性非常弱,非常適合用於標記活細胞。
錢永健係統地研究了綠色熒光蛋白的工作原理,並對它進行了大刀闊斧的化學改造,不但大大增強了它的發光效率,還發展出了紅色、藍色、黃色熒光蛋白,使得熒光蛋白真正成為了一個琳琅滿目的工具箱,供生物學家們選用。目前生物實驗室普遍使用的熒光蛋白,大部分是錢永健改造的變種。
諾貝爾化學獎2009年
獲得者:文卡特拉曼·拉馬克裏希南
獲獎原因:對核糖體結構和功能方麵的研究
遺傳信息“翻譯官”——核糖體
人物故事
簡樸的生活
文卡在2009年獲得了諾貝爾化學獎,當記者采訪他問他會怎樣處理這筆獎金時,文卡說:“|我還沒有決定用它做什麼。我兒子已經是一名小有名氣的大提琴手,如果他看中一把好琴,也許我可以幫他買下來。你知道,如果隻靠科研的工資,這還是有點困難的。”