蛋白质三维空间结构研究的里程碑
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科学杂志
2002年度的诺贝尔化学奖授予了芬恩(John B.Fenn)、田中耕一(Koichi Tanaka)和维特里希(Kurt Wüthrich)三位科学家，因为他们把化学研究中的仪器分析方法应用到了生物大分子的研究中，从而能更快、更可靠地确定生物大分子的组成和空间结构，在生物大分子的研究中建立了具有革命性的分析方法。其中，在瑞士苏黎士联邦理工学院工作的维特里希教授的贡献是，把核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)分析方法应用到了生物大分子(蛋白质和核酸)的结构研究中，建立了一套完整的确定生物大分子空间结构的方法，因而他也成为了该学院第二位因核磁共振方法而荣膺诺贝尔奖殊荣的教授，1991年恩斯特(Richard R. Ernst)教授因其在核磁共振理论方面的贡献而获得当年的诺贝尔化学奖。
蛋白质分子的结构
细胞是生命的基本单位。生命的各种现象和功能实质上是细胞内或细胞间各种生物大分子相互作用的结果。如果把核酸(DNA、RNA)比喻成细胞内进行各种作用与活动的“导演”，那么蛋白质则是细胞内的“主要演员”。它们之间相互作用时所需的活性和功能，则依赖于这些大分子本身的空间结构，因此研究生物大分子的空间结构一直是分子生物学乃至整个生命科学中最重要、最活跃的领域之一。维特里希教授正是在该领域中开创了一种全新的方法。
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自然界中蛋白质主要是由20种不同的氨基酸通过化学键形成的一个长链大分子。如果把这20种氨基酸看成是20种不同颜色的小球,那么蛋白质分子就可以看作是用一根绳子连起来的一串不同颜色的小球，其中不同颜色小球的排列次序(即不同氨基酸的排列顺序)为蛋白质分子的一级结构。
各种蛋白质分子都有其特定的一级结构，但真正有生物活性的蛋白质并不是一条直的或随意弯曲的链状分子，而是有其固定的空间结构，即一串不同颜色的小球在三维空间里相互之间有相对固定的位置。其中有些局部结构有一定的规律性和重复性，如?琢螺旋、?茁折叠等，这称为蛋白质的二级结构。而整条蛋白质分子链的空间结构称为三级结构。有些蛋白质分子是有两条或更多条链组成的，形成了更复杂的空间结构。
蛋白质分子的一级结构决定了其空间结构，正常情况下，氨基酸序列相同的蛋白质分子具有相同的空间结构。而蛋白质分子相互作用的活性除与氨基酸序列有关之外，还依赖于整个分子的空间结构。有正常的氨基酸序列、没有形成特定的空间结构的蛋白质分子是没有生物活性的，这称为失活的蛋白质分子。
, 百拇医药
蛋白质空间结构研究方法的比较
在维特里希教授建立研究蛋白质结构的核磁共振方法之前，蛋白质分子的空间结构只能用X射线晶体衍射方法确定。这种研究需要首先将蛋白质结晶出来，再通过晶体衍射方法得到晶体结构。该方法得到的是蛋白质分子在晶体状态下的空间结构，这种结构与蛋白质分子在生物细胞内的本来结构有较大的差别。晶体中的蛋白质分子相互间是有规律地、紧密地排列在一起的，运动性较差；而自然界的生物细胞中的蛋白质分子则是处于一种溶液状态，周围是水分子和其他的生物分子，具有很好的运动性。而且，有些蛋白质只能稳定地存在于溶液状态，无法结晶。
维特里希教授开创的用NMR研究蛋白质结构的方法，可以在溶液状态进行研究，得到的是蛋白质分子在溶液中的结构，这更接近于蛋白质在生物细胞中的自然状态。此外，通过改变溶液的性质，还可以模拟出生物细胞内的各种生理条件，即蛋白质分子所处的各种环境，以观察这些周围环境的变化对蛋白质分子空间结构的影响。在溶液环境中，蛋白质分子具有与自然环境中类似的运动性，可以观察到整个结构表面的一些松散链段的运动性，而蛋白质的活性部位往往是在整个结构的表面，因此NMR方法为蛋白质与蛋白质、蛋白质与底物或小分子的相互作用提供了一个有效的观察手段。
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自从1985年第一个蛋白质的空间结构由核磁共振方法确定以来,已经有几百种蛋白质的空间结构通过核磁共振方法得到了确定,占已被确定空间结构的蛋白质总数的20%左右。其中有些蛋白质分别被核磁共振和X射线晶体衍射两种方法测定过。对照它们的溶液结构和晶体结构可以看出二者总体上是相同的，而局部的表面区域由于它们所处的环境不一样而呈现明显的差异，这是因为两种状态下蛋白质分子所处的环境不同而造成的：溶液中蛋白质分子是被溶剂分子包围着的，而在晶体中蛋白质分子是相互之间紧密地堆积在一起的。目前用核磁共振方法研究蛋白质的空间结构还局限于中、小蛋白质，即大约几百个以下的氨基酸残基组成的蛋白质分子，而X射线晶体衍射的方法可以运用于真正大的蛋白质分子。此外，有些蛋白质水溶性很差，却很容易培养成晶体；另一些蛋白质则水溶性很好，培养成晶体很困难。因此这两种方法在研究蛋白质的空间结构方面是一种很好的互补关系。
核磁共振方法研究蛋白质结构
维特里希教授创建的方法是对水溶液中的蛋白质样品测定一系列不同的二维核磁共振图谱，然后根据已确定的蛋白质分子的一级结构，通过对各种二维核磁共振图谱的比较和解析，在图谱上找到各个序列号氨基酸上的各种氢原子所对应的峰。有了这些被指认的峰，就可以根据这些峰在核磁共振谱图上所呈现的相互之间的关系得到它们所对应的氢原子之间的距离。可以想象，正是因为蛋白质分子具有空间结构，在序列上相差甚远的两个氨基酸有可能在空间距离上是很近的，它们所含的氢原子所对应的NMR峰之间就会有相关信号出现。通常，如果两个氢原子之间距离小于0.5纳米的话，它们之间就会有相关信号出现。一个由几十个氨基酸残基组成的蛋白质分子可以得到几百个甚至几千个这样与距离有关的信号，按照信号的强弱把它们转换成对应的氢原子之间的距离，然后运用计算机程序根据所得到的距离条件模拟出该蛋白质分子的空间结构。该结构既要满足从核磁共振图谱上得到的所有距离条件，还要满足化学上有关原子与原子结合的一些基本限制条件，如原子间的化学键长、键角和原子半径等。
, 百拇医药
从1980年代初维特里希教授发展出这种方法至今，核磁共振技术在生物大分子的结构研究方面有了飞速的发展，一方面是由于仪器技术本身的发展，能够产生的磁场越来越强；计算机的计算速度也越来越快，更多地是由于实验方法上的创新和发展，由二维的核磁共振实验发展成三维甚至更多维的实验；借助于基因技术可以得到同位素富集的蛋白质样品,核磁共振的实验也从原来单一的核发展到三种甚至四种核同时在一个实验中共振而产生相关信号。核磁共振方法的应用范围也从原来单一的蛋白质分子的空间结构研究发展到蛋白质动力学方面的研究，蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸以及小分子的相互作用和药物筛选中蛋白质分子与药物分子的结合等方面。在此过程中，维特里希教授领导的实验室始终处于发展的前沿，他们提出的许多原创性观点和方法已被广泛地接受和应用。他在该研究领域中也被大家公认为是仅有的几个开拓者之一。随着人类基因组学和蛋白质组学研究的不断深入，蛋白质结构组学的研究也会随之兴起，核磁共振技术在这方面的应用会更多更广。这些应用的需求反过来也会促进核磁共振技术本身的进步和发展，使之更趋成熟和完善。
维特里希教授与中国的科学工作者有着很多的联系。自1980年代以来,有不少的中国学者前往维特里希教授的实验室进行工作或攻读学位。他也曾多次前来中国进行讲学和参加学术会议。1988年他在中国科学院上海有机化学研究所演讲中介绍他所建立的这套方法时，曾解下自己的皮带为大家演示蛋白质分子链的各种空间结构，生动风趣的演讲给与会者留下了深刻的印象。他给别人寄新年贺卡时，经常会用他的最新研究成果，如某个蛋白质的空间结构，作为贺卡的封面。, 百拇医药(余亦华 )
蛋白质分子的结构
细胞是生命的基本单位。生命的各种现象和功能实质上是细胞内或细胞间各种生物大分子相互作用的结果。如果把核酸(DNA、RNA)比喻成细胞内进行各种作用与活动的“导演”，那么蛋白质则是细胞内的“主要演员”。它们之间相互作用时所需的活性和功能，则依赖于这些大分子本身的空间结构，因此研究生物大分子的空间结构一直是分子生物学乃至整个生命科学中最重要、最活跃的领域之一。维特里希教授正是在该领域中开创了一种全新的方法。
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自然界中蛋白质主要是由20种不同的氨基酸通过化学键形成的一个长链大分子。如果把这20种氨基酸看成是20种不同颜色的小球,那么蛋白质分子就可以看作是用一根绳子连起来的一串不同颜色的小球，其中不同颜色小球的排列次序(即不同氨基酸的排列顺序)为蛋白质分子的一级结构。
各种蛋白质分子都有其特定的一级结构，但真正有生物活性的蛋白质并不是一条直的或随意弯曲的链状分子，而是有其固定的空间结构，即一串不同颜色的小球在三维空间里相互之间有相对固定的位置。其中有些局部结构有一定的规律性和重复性，如?琢螺旋、?茁折叠等，这称为蛋白质的二级结构。而整条蛋白质分子链的空间结构称为三级结构。有些蛋白质分子是有两条或更多条链组成的，形成了更复杂的空间结构。
蛋白质分子的一级结构决定了其空间结构，正常情况下，氨基酸序列相同的蛋白质分子具有相同的空间结构。而蛋白质分子相互作用的活性除与氨基酸序列有关之外，还依赖于整个分子的空间结构。有正常的氨基酸序列、没有形成特定的空间结构的蛋白质分子是没有生物活性的，这称为失活的蛋白质分子。
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蛋白质空间结构研究方法的比较
在维特里希教授建立研究蛋白质结构的核磁共振方法之前，蛋白质分子的空间结构只能用X射线晶体衍射方法确定。这种研究需要首先将蛋白质结晶出来，再通过晶体衍射方法得到晶体结构。该方法得到的是蛋白质分子在晶体状态下的空间结构，这种结构与蛋白质分子在生物细胞内的本来结构有较大的差别。晶体中的蛋白质分子相互间是有规律地、紧密地排列在一起的，运动性较差；而自然界的生物细胞中的蛋白质分子则是处于一种溶液状态，周围是水分子和其他的生物分子，具有很好的运动性。而且，有些蛋白质只能稳定地存在于溶液状态，无法结晶。
维特里希教授开创的用NMR研究蛋白质结构的方法，可以在溶液状态进行研究，得到的是蛋白质分子在溶液中的结构，这更接近于蛋白质在生物细胞中的自然状态。此外，通过改变溶液的性质，还可以模拟出生物细胞内的各种生理条件，即蛋白质分子所处的各种环境，以观察这些周围环境的变化对蛋白质分子空间结构的影响。在溶液环境中，蛋白质分子具有与自然环境中类似的运动性，可以观察到整个结构表面的一些松散链段的运动性，而蛋白质的活性部位往往是在整个结构的表面，因此NMR方法为蛋白质与蛋白质、蛋白质与底物或小分子的相互作用提供了一个有效的观察手段。
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自从1985年第一个蛋白质的空间结构由核磁共振方法确定以来,已经有几百种蛋白质的空间结构通过核磁共振方法得到了确定,占已被确定空间结构的蛋白质总数的20%左右。其中有些蛋白质分别被核磁共振和X射线晶体衍射两种方法测定过。对照它们的溶液结构和晶体结构可以看出二者总体上是相同的，而局部的表面区域由于它们所处的环境不一样而呈现明显的差异，这是因为两种状态下蛋白质分子所处的环境不同而造成的：溶液中蛋白质分子是被溶剂分子包围着的，而在晶体中蛋白质分子是相互之间紧密地堆积在一起的。目前用核磁共振方法研究蛋白质的空间结构还局限于中、小蛋白质，即大约几百个以下的氨基酸残基组成的蛋白质分子，而X射线晶体衍射的方法可以运用于真正大的蛋白质分子。此外，有些蛋白质水溶性很差，却很容易培养成晶体；另一些蛋白质则水溶性很好，培养成晶体很困难。因此这两种方法在研究蛋白质的空间结构方面是一种很好的互补关系。
核磁共振方法研究蛋白质结构
维特里希教授创建的方法是对水溶液中的蛋白质样品测定一系列不同的二维核磁共振图谱，然后根据已确定的蛋白质分子的一级结构，通过对各种二维核磁共振图谱的比较和解析，在图谱上找到各个序列号氨基酸上的各种氢原子所对应的峰。有了这些被指认的峰，就可以根据这些峰在核磁共振谱图上所呈现的相互之间的关系得到它们所对应的氢原子之间的距离。可以想象，正是因为蛋白质分子具有空间结构，在序列上相差甚远的两个氨基酸有可能在空间距离上是很近的，它们所含的氢原子所对应的NMR峰之间就会有相关信号出现。通常，如果两个氢原子之间距离小于0.5纳米的话，它们之间就会有相关信号出现。一个由几十个氨基酸残基组成的蛋白质分子可以得到几百个甚至几千个这样与距离有关的信号，按照信号的强弱把它们转换成对应的氢原子之间的距离，然后运用计算机程序根据所得到的距离条件模拟出该蛋白质分子的空间结构。该结构既要满足从核磁共振图谱上得到的所有距离条件，还要满足化学上有关原子与原子结合的一些基本限制条件，如原子间的化学键长、键角和原子半径等。
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从1980年代初维特里希教授发展出这种方法至今，核磁共振技术在生物大分子的结构研究方面有了飞速的发展，一方面是由于仪器技术本身的发展，能够产生的磁场越来越强；计算机的计算速度也越来越快，更多地是由于实验方法上的创新和发展，由二维的核磁共振实验发展成三维甚至更多维的实验；借助于基因技术可以得到同位素富集的蛋白质样品,核磁共振的实验也从原来单一的核发展到三种甚至四种核同时在一个实验中共振而产生相关信号。核磁共振方法的应用范围也从原来单一的蛋白质分子的空间结构研究发展到蛋白质动力学方面的研究，蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸以及小分子的相互作用和药物筛选中蛋白质分子与药物分子的结合等方面。在此过程中，维特里希教授领导的实验室始终处于发展的前沿，他们提出的许多原创性观点和方法已被广泛地接受和应用。他在该研究领域中也被大家公认为是仅有的几个开拓者之一。随着人类基因组学和蛋白质组学研究的不断深入，蛋白质结构组学的研究也会随之兴起，核磁共振技术在这方面的应用会更多更广。这些应用的需求反过来也会促进核磁共振技术本身的进步和发展，使之更趋成熟和完善。
维特里希教授与中国的科学工作者有着很多的联系。自1980年代以来,有不少的中国学者前往维特里希教授的实验室进行工作或攻读学位。他也曾多次前来中国进行讲学和参加学术会议。1988年他在中国科学院上海有机化学研究所演讲中介绍他所建立的这套方法时，曾解下自己的皮带为大家演示蛋白质分子链的各种空间结构，生动风趣的演讲给与会者留下了深刻的印象。他给别人寄新年贺卡时，经常会用他的最新研究成果，如某个蛋白质的空间结构，作为贺卡的封面。, 百拇医药(余亦华 )