人工合成牛胰島素解析.doc

人工合成牛胰島素為千萬人重新打開生命之門 工程總投資：工程期限：1958年1965年高倍顯微鏡下的胰臟橫切面中間顏色較淡的部位是胰島，那種島狀細(xì)胞團(tuán)分泌的就是胰島素1965年9月17日，中國首次人工合成了結(jié)晶牛胰島素，這是人類有史以來第一次人工合成有生命的蛋白質(zhì)。實(shí)驗(yàn)的成功使中國成為世界第一個合成蛋白質(zhì)的國家。蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。而過去世界普遍認(rèn)為生命體是天然的，大都認(rèn)為人工合成是不可能的，中國人首次讓它變?yōu)榭赡?。人工牛胰島素的合成，標(biāo)著著人類在認(rèn)識生命、探索生命奧秘的征途中，邁出了關(guān)鍵性的一步，其意義與影響是巨大的。它標(biāo)志著人工合成蛋白質(zhì)時代的開始，是生命科學(xué)發(fā)展史上一個重要里程碑，同時，它也是中國自然科學(xué)基礎(chǔ)研究的重大成就。 在人類認(rèn)識生命現(xiàn)象的歷史上，這個成果是繼從無機(jī)物中取得了第一種有機(jī)物尿素之后而出現(xiàn)的第二次飛躍，“往再高一級飛躍，人工合成第一個生命物質(zhì)也不會是很遙遠(yuǎn)的事情了”。人體胰臟部位什么是胰島素胰島素是一種由胰腺的胰島乙細(xì)胞分泌的蛋白質(zhì)類激素，它由A、B兩條肽鏈，共26種51個氨基酸組成,并含有3個二硫鍵。在人體十二指腸旁邊，有一條長形的器官，叫做胰腺。在胰腺中散布著許許多多的細(xì)胞群，叫做胰島。胰島素是由胰島細(xì)胞受內(nèi)源性或外源性物質(zhì)如葡萄糖、乳糖、核糖、精氨酸、胰高血糖素等的刺激而分泌的一種蛋白質(zhì)激素。不同種族動物（人、牛、羊、豬等）的胰島素功能大體相同，成分稍有差異。人的胰腺每日可產(chǎn)生12毫克胰島素，進(jìn)食后其分泌量增加。體內(nèi)缺少胰島素會引起代謝障礙，特別是使細(xì)胞不能有效地利用葡萄糖,造成血液中葡萄糖含量升高,過多的糖隨尿排出；糖尿病即因此得名。 目前全世界有超過2.5億名糖尿病患者，正是胰島素給他們帶來重生的希望。胰島素是機(jī)體內(nèi)唯一降低血糖的激素，也是唯一同時促進(jìn)糖原、脂肪、蛋白質(zhì)合成的激素，能促進(jìn)全身組織對葡萄糖的攝取和利用，并抑制糖原的分解和糖原異生，因此，胰島素有降低血糖的作用。胰島素分泌過多時，血糖下降迅速，腦組織受影響最大，可出現(xiàn)驚厥、昏迷，甚至引起胰島素休克。相反，胰島素分泌不足或胰島素受體缺乏常導(dǎo)致血糖升高；若超過腎糖閾，則糖從尿中排出，引起糖尿；同時由于血液成份中改變(含有過量的葡萄糖), 亦導(dǎo)致高血壓、冠心病和視網(wǎng)膜血管病等病變。 胰島素還能促進(jìn)脂肪的合成與貯存，使血中游離脂肪酸減少，同時抑制脂肪的分解氧化。胰島素缺乏可造成脂肪代謝紊亂，脂肪貯存減少，分解加強(qiáng)，血脂升高，久之可引起動脈硬化，進(jìn)而導(dǎo)致心腦血管的嚴(yán)重疾患；與此同時，由于脂肪分解加強(qiáng)，生成大量酮體，出現(xiàn)酮癥酸中毒。時至今日，可以毫不夸張地說，胰島素?fù)碛凶疃嗟摹暗鞍踪|(zhì)之最：”最早用來治病的蛋白質(zhì)最早測定出序列的蛋白質(zhì)最早人工合成出來的蛋白質(zhì)最早用基因工程方法生產(chǎn)的蛋白質(zhì)藥物使用得最多的蛋白質(zhì)藥物使用的突變體最多的蛋白質(zhì)藥物劑型最多的蛋白質(zhì)藥物得諾貝爾獎最多的蛋白質(zhì)加拿大多倫多大學(xué)所記述的胰島素發(fā)現(xiàn)過程胰島素是怎么發(fā)現(xiàn)的？ 說糖尿病就不能不說說胰島素。因?yàn)橐葝u素的發(fā)現(xiàn)不僅是糖尿病歷史上，也是整個醫(yī)學(xué)史的里程碑。 自1889年德國的敏柯斯基 (Oskar Minkowski) 發(fā)現(xiàn)胰臟和糖尿病的關(guān)聯(lián)之后，就不斷有人嘗試分離胰臟的神秘內(nèi)分泌物質(zhì)，也陸續(xù)有報導(dǎo)指出胰臟的萃取物具有降血糖的作用；但不是效果不夠好，就是副作用大，都沒有得到同行的認(rèn)可。 1920年以前，隨著胰腺解剖生理的發(fā)展，一些從事糖尿病工作的人意識到，胰腺在糖尿病發(fā)病中可能發(fā)揮了很重要的作用。英國醫(yī)生班廷 (Frederick Banting, 1891-1941) 就是一位，1920年班廷大夫移民到了加拿大，和多倫多大學(xué)的麥克勞德教授 (John Macleod, 1876-1935) 一商量，麥教授覺得這位有熱情有理想，就說：你放手干吧，要錢給錢，要地方給地方，再給你配備一位最好的學(xué)生幫助你，他就叫貝斯特 (Charles Best, 1899-1978) 。 1921年夏天，兩位就開始工作了。一開始的實(shí)驗(yàn)設(shè)計是，班廷大夫覺得胰腺很重要，那咱們就把狗的胰腺切掉，看看怎么樣。經(jīng)過多次練習(xí)，手術(shù)水平大幅度提高，這些被切除了胰腺的狗活過了手術(shù)這一關(guān)，可幾天之后還是死了，一測狗的血糖發(fā)現(xiàn)，這些狗都快成蜜制的了，血糖高的沖破了房頂。麥教授聽到了這個重大進(jìn)展，很受鼓舞，殺了這么多狗，值了，胰腺肯定和糖尿病有關(guān)系。 幾個人一開會討論，一致認(rèn)為，下一步應(yīng)該把摘下來的胰腺再放回去，看看糖尿病能不能緩解。整個胰腺放回去手術(shù)難度太大，不行就把胰腺弄碎了，把胰腺里的水打回去？不知道誰出的這個主意，行！接著試。麥教授安排Collip來做這個工作，從胰腺勻漿里分離有效成份。經(jīng)過很多次的試驗(yàn)，克服天氣炎熱又沒有空調(diào)的困難，有一天胰腺提取液成功地降低了糖尿病狗的血糖，他們管這個提取液叫胰島素（Insulin）。班廷醫(yī)生（右）和助手貝斯特，以及不幸的小狗 那個時候，孩子們?nèi)绻昧颂悄虿?，現(xiàn)在叫1型糖尿病，治療辦法就是餓著，學(xué)名叫嚴(yán)格的飲食控制，一般1年半年的，孩子就瘦成皮包骨頭，只有等死一條路了。1922年，在多倫多大學(xué)醫(yī)院里一位叫Thompson的孩子在等待死亡，班大夫決定死馬當(dāng)活馬醫(yī)，用他們自制的狗胰島素試試，其效果只有用 “神奇”來形容，本來快死的孩子，打胰島素時間不長就可以滿院子亂跑了。作為首批注射這種胰島素的病人，一個當(dāng)時得糖尿病的孩子一直活到了1993年，這是另一個神奇。 這個鼓舞人心的消息一傳開，世界各地的糖尿病孩子來到多倫多尋找最后的希望，班大夫成了名人?？蓡栴}出現(xiàn)了，一開始，善良的多倫多人民能容忍街上的野狗逐漸減少，最后完全消失了，可當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)連自己養(yǎng)的狗都一條一條的神秘失蹤后，人們就不干了，經(jīng)過多次上訪，意見反映到了英國國王哪兒。國王下令，糖尿病要治，狗也要養(yǎng)，英國開始幫助班大夫他們提取胰島素。會做生意的美國人聽說了，當(dāng)時的禮來（Lilly）公司試著從來源更充分的豬胰腺里提取胰島素，這一項(xiàng)業(yè)務(wù)就締造了現(xiàn)在的世界級的大藥廠。當(dāng)時還有一位丹麥人，在回丹麥的船上聽說了這件事，回丹麥后組建了一家生產(chǎn)胰島素的公司，就是現(xiàn)在著名的諾和諾德公司。2年以后，他們得了諾貝爾醫(yī)學(xué)獎，又幾年以后，國王給班大夫的名字前面加了個Sir。以后美國糖尿病協(xié)會成立，以班大夫的名字命名了一項(xiàng)糖尿病界的諾貝爾獎班廷（Banting）獎。 胰島素發(fā)現(xiàn)迄今雖然已有八十年的歷史，但胰島素可算是最難了解的激素之一，其作用之多樣，機(jī)制之復(fù)雜，至今仍未全盤解開。當(dāng)年班廷等人分離的胰島素只是粗制品，真正的純化及結(jié)構(gòu)決定，要到1955年才由英國的弗雷德里克桑格 (Frederick Sanger. 1918- ) 所完成；1955年，英國的弗雷德里克桑格用生物降解和標(biāo)記方法確定了第一個活性蛋白質(zhì)牛胰島素分子的氨基酸連接順序（一級結(jié)構(gòu)）。桑格也因此獲頒1958年的諾貝爾化學(xué)獎。中國首次合成人工牛胰島素 20世紀(jì)五十年代，蛋白質(zhì)是世界生物化學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。1956年，即在桑格因率先測定了牛胰島素的化學(xué)結(jié)構(gòu)，并由此而獲得了諾貝爾獎的第二年，另一位英國著名科學(xué)家在國際權(quán)威的自然雜志評論文章中預(yù)言：“人工合成胰島素還有待于遙遠(yuǎn)的將來”。 在這種情況下，1958年8月剛剛成立的中國科學(xué)院上海生物化學(xué)研究所的科技人員提出研究“人工合成胰島素”這一意義重大、難度很高、國際上還沒有人開始研究的基礎(chǔ)科研項(xiàng)目，并將完成期限定為20年。20年太久,要求進(jìn)步的青年科學(xué)家決定把日期縮短為5年,而且因?yàn)楫?dāng)時確定了化學(xué)結(jié)構(gòu)的一級蛋白質(zhì)合成物研究只有胰島素,于是1958年12月人工合成胰島素課題確定,代號“601”(1960年第一項(xiàng)重點(diǎn)研究項(xiàng)目)。 實(shí)驗(yàn)的過程包括：第一步，先把天然胰島素拆成兩條鏈，再把它們重新合成為胰島素，重新合成的胰島素要求是同原來活力相同、形狀一樣的結(jié)晶。第二步，在合成了胰島素的兩條鏈后，用人工合成的B鏈同天然的A鏈相連接。第三步，把經(jīng)過考驗(yàn)的半合成的A鏈與B鏈相結(jié)合。從1958年開始，中國科學(xué)院上海生物化學(xué)研究所、中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所和北京大學(xué)生物系三個單位聯(lián)合，以鈕經(jīng)義為首，由龔岳亭、鄒承魯、杜雨花、季愛雪、邢其毅、汪猷、徐杰誠等人共同組成一個協(xié)作組，在前人對胰島素結(jié)構(gòu)和肽鏈合成方法研究的基礎(chǔ)上，開始探索用化學(xué)方法合成胰島素。但1年下來 ,除了鄒承魯負(fù)責(zé)的天然胰島素拆、合小組和由鈕經(jīng)義負(fù)責(zé)的胰島素肽鏈有機(jī)合成小組小有收獲外,其他研究項(xiàng)目都沒有特別的成果。1959年，受政治運(yùn)動影響，研究進(jìn)入“大兵團(tuán)作戰(zhàn)”時代，300多名“連氨基酸符號還不認(rèn)識”的北大化學(xué)和生物學(xué)生成為這項(xiàng)研究的主力軍,他們認(rèn)為合成蛋白質(zhì)多肽是件非常簡單的事:“把兩段多肽倒到一起 ,就叫合成了一個新的多肽?！北贝蟮膶W(xué)生們神奇地用“兩個星期就完成了4、7、5、5四個肽段”,并在1960年“4 月22日合成了A鏈”，而不甘落后的復(fù)旦大學(xué)也宣布他們研究出了有活力的人工胰島素。當(dāng)然這些憑借一腔熱血想出來的發(fā)明在進(jìn)入應(yīng)用階段全部宣告失敗。這是研究人員將人工合成的胰島素注入小白鼠體內(nèi)，測驗(yàn)它的生物活力。小白鼠因體內(nèi)胰島素增多而發(fā)生了驚厥反應(yīng)，證明這種人工合成的產(chǎn)物就是具有生物活力的人工合成胰島素。當(dāng)冷靜下來的中科院再次于1963年開始人工合成胰島素研究時,研究人員精減到20人。而胰島素合成技術(shù)唯一可以依靠的現(xiàn)成技術(shù),就是1955年英國科學(xué)家桑格完成的胰島素全部測序工作和1953年美國生物學(xué)家杜維尼奧合成的第一個八肽催產(chǎn)素。而我國之前除了味精之外,甚至沒有制造過任何氨基酸,更何況多肽合成。要弄清楚胰島素合成,就必須先解決胰島素的結(jié)構(gòu)，摸索胰島素分子先經(jīng)過還原、分離純化之后的A鏈和B鏈?zhǔn)欠衲芡ㄟ^氧化重新組合形成天然的胰島素分子。而此前世界上其他國家同樣的試驗(yàn)都失敗了,科學(xué)家普遍認(rèn)為氧化部分還原的胰島素,會造成胰島素分子活力降低。 直到1963年，鄒承魯領(lǐng)導(dǎo)研究的天然胰島素A、B鏈重組生成胰島素的產(chǎn)率，由原來的510提高到50左右；1964年，鈕經(jīng)義、龔岳亭領(lǐng)導(dǎo)的多肽合成組人工合成B鏈。并與天然A鏈重組構(gòu)建胰島素獲得成功；1965年，中科院有機(jī)所和北京大學(xué)化學(xué)系合作，由汪猷和邢其毅領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究小組完成了胰島素A鏈的化學(xué)合成，上海生化所化學(xué)合成的胰島素B鏈進(jìn)行重組取得成功，并純化得到了具有與天然胰島素完全相同的比活性和抗原性的人工合成牛胰島素結(jié)晶，且其結(jié)晶形狀和酶切圖譜也與天然物相同。人工合成胰島素的成功，宣告了中國科學(xué)工作者歷經(jīng)八年的科研攻關(guān)，奪得了這項(xiàng)科學(xué)競賽的“世界冠軍”。 隨后，由曹天欽主持起草論文，將這一重要科學(xué)研究成果首先以簡報形式發(fā)表在1965年11月的中國科學(xué)雜志上，并于1966年4月全文發(fā)表。1966年12月27日，毛澤東主席73歲生日的第二天。這一天，人民日報發(fā)表了一篇社論，宣布“我國在世界上第一次人工合成結(jié)晶胰島素”。人工合成牛胰島素是科學(xué)上的一次重大飛躍，它標(biāo)志著人工合成蛋白質(zhì)時代的開始；是生命科學(xué)發(fā)展史上一個新的重要里程碑。在此過程中，中國形成了一批學(xué)科較齊全、設(shè)備較好的研究所，培養(yǎng)了一支水平較高、力量較強(qiáng)的科研隊(duì)伍。到1965年，全國科學(xué)研究機(jī)構(gòu)已達(dá)到1700多個，從事科學(xué)研究的人員達(dá)到12萬人。這是中國科學(xué)技術(shù)事業(yè)繼續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。被埋沒的榮譽(yù)中國首次成功合成人工牛胰島素結(jié)晶之后，許多科學(xué)家來信表示祝賀。在1966年4月舉行的華沙歐洲生化學(xué)會聯(lián)合會議上，我國的人工合成胰島素工作成了參加會議的科學(xué)家們的中心話題，“美、英、法、意、荷、比、挪威、瑞典、芬蘭、奧地利等國的著名科學(xué)家都祝賀我們?nèi)〉昧藗ゴ蟪晒?。?一些著名科學(xué)家特意造訪了上海生化所。法國巴黎科學(xué)院院士特里亞教授來了，他說：“這是很好的合作項(xiàng)目，可以獲得諾貝爾獎?！敝Z貝爾獎獲得者英國的肯德魯（J.C.Kendrew）教授也于“文革”初期特意參觀了上海生化所。最令人關(guān)注的是，瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎評審委員會化學(xué)組主席蒂斯利尤斯（A.Tliselius）教授也于1966年4月到了中國。他說：“你們第一次人工合成胰島素十分令人振奮，向你們祝賀。美國、瑞士等在多肽合成方面有經(jīng)驗(yàn)的科學(xué)家未能合成它，但你們在沒有這方面專長人員和沒有豐富經(jīng)驗(yàn)的情況下第一次合成了它，使我很驚訝。”所有這一切，都讓人把諾貝爾獎和胰島素研究聯(lián)系起來。 在中科院的研究過程中，由鄒承魯領(lǐng)導(dǎo)的小組在1959年國慶前，已經(jīng)將天然胰島素拆開后再重合的活力穩(wěn)定地恢復(fù)到原活力的510。但是出于保密考慮，該成果并未發(fā)表。1960年，加拿大的兩位科學(xué)家迪克松（G.H.Dixon）和沃德洛（A.C.Wardlaw）在自然雜志上發(fā)表了類似結(jié)果。雖然他們只恢復(fù)了12的活力，成績遠(yuǎn)比不上中國同行，但在發(fā)表時間上搶到了我國科學(xué)家的前面。1959年底，上海生化所的張友尚等人找到了一個合適的提純方法，得到了和天然胰島素結(jié)晶一致的重合成胰島素的結(jié)晶。由兩條變性的鏈可以得到有較高生物活力的重合成胰島素的結(jié)晶，這一結(jié)果具有非常重大的理論意義。但又是基于上述保密要求，中國科學(xué)家仍未能及時發(fā)表此成果。1961年，美國科學(xué)家安芬森（C.B.Anfinsen）發(fā)表了一項(xiàng)與天然胰島素拆、合、重結(jié)晶類似的、相對而言較為簡單的工作，即核糖核酸酶的二硫鍵的拆開和重新連接