人工合成牛胰岛素解析.pdf

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1、人工合成牛胰岛素 为千万人重新打开生命之门 工程总投资： 工程期限： 1958 年 1965 年 高倍显微镜下的胰脏橫切面 中间颜色较淡的部位是胰岛，那种岛状细胞团分 泌的就是胰岛素 1965年 9月 17 日，中国首次人工合成了结晶牛胰岛素，这是人类有史以来 第一次人工合成有生命的蛋白质。 实验的成功使中国成为世界第一个合成蛋白质 的国家。蛋白质是生命的物质基础， 没有蛋白质就没有生命。 而过去世界普遍认 为生命体是天然的，大都认为人工合成是不可能的，中国人首次让它变为可能。 人工牛胰岛素的合成， 标着着人类在认识生命、 探索生命奥秘的征途中， 迈出了 关键性的一步，其意义与影响是巨大的。它

2、标志着人工合成蛋白质时代的开始， 是生命科学发展史上一个重要里程碑，同时，它也是中国自然科学基础研究的重 大成就。 在人类认识生命现象的历史上，这个成果是继从无机物中取得了第一种 有机物尿素之后而出现的第二次飞跃，“往再高一级飞跃， 人工合成第一个生命 物质也不会是很遥远的事情了”。 人体胰脏部位 什么是胰岛素 胰岛素是一种由胰腺的胰岛乙细胞分泌的蛋白质类激素，它由A、B两条肽 链，共 26 种 51 个氨基酸组成 , 并含有 3 个二硫键。在人体十二指肠旁边，有一 条长形的器官，叫做胰腺。在胰腺中散布着许许多多的细胞群，叫做胰岛。胰岛 素是由胰岛 细胞受内源性或外源性物质如葡萄糖、乳糖、核糖

3、、精氨酸、胰 高血糖素等的刺激而分泌的一种蛋白质激素。不同种族动物 （人、牛、羊、猪等） 的胰岛素功能大体相同， 成分稍有差异。 人的胰腺每日可产生12 毫克胰岛素， 进食后其分泌量增加。 体内缺少胰岛素会引起代谢障碍，特别是使细胞不能有效 地利用葡萄糖 , 造成血液中葡萄糖含量升高, 过多的糖随尿排出； 糖尿病即因此得 名。 目前全世界有超过2.5 亿名糖尿病患者，正是胰岛素给他们带来重生的 希望。胰岛素是机体内唯一降低血糖的激素，也是唯一同时促进糖原、脂肪、蛋 白质合成的激素， 能促进全身组织对葡萄糖的摄取和利用，并抑制糖原的分解和 糖原异生，因此，胰岛素有降低血糖的作用。 胰岛素分泌过多

4、时， 血糖下降迅速， 脑组织受影响最大，可出现惊厥、昏迷，甚至引起胰岛素休克。相反，胰岛素分 泌不足或胰岛素受体缺乏常导致血糖升高；若超过肾糖阈， 则糖从尿中排出， 引 起糖尿；同时由于血液成份中改变(含有过量的葡萄糖 ), 亦导致高血压、 冠心病 和视网膜血管病等病变。 胰岛素还能促进脂肪的合成与贮存，使血中游离脂肪酸减少，同时抑制 脂肪的分解氧化。胰岛素缺乏可造成脂肪代谢紊乱，脂肪贮存减少，分解加强， 血脂升高，久之可引起动脉硬化，进而导致心脑血管的严重疾患；与此同时，由 于脂肪分解加强，生成大量酮体，出现酮症酸中毒。 时至今日，可以毫不夸张地说，胰岛素拥有最多的“蛋白质之最：” 最早用来

5、治病的蛋白质 最早测定出序列的蛋白质 最早人工合成出来的蛋白质 最早用基因工程方法生产的蛋白质药物 使用得最多的蛋白质药物 使用的突变体最多的蛋白质药物 剂型最多的蛋白质药物 得诺贝尔奖最多的蛋白质 加拿大多伦多大学所记述的胰岛素发现过程 胰岛素是怎么发现的？ 说糖尿病就不能不说说胰岛素。 因为胰岛素的发现不仅是糖尿病历史上， 也是整个医学史的里程碑。 自 1889 年德国的敏柯斯基 (Oskar Minkowski) 发现胰脏和糖尿病的关 联之后，就不断有人尝试分离胰脏的神秘内分泌物质，也陆续有报导指出胰脏的 萃取物具有降血糖的作用； 但不是效果不够好， 就是副作用大， 都没有得到同行 的认

6、可。 1920 年以前，随着胰腺解剖生理的发展，一些从事糖尿病工作的人意识 到，胰腺在糖尿病发病中可能发挥了很重要的作用。英国医生班廷 (Frederick Banting, 1891-1941) 就是一位， 1920年班廷大夫移民到了加拿大，和多伦多 大学的麦克劳德教授 (John Macleod, 1876-1935) 一商量，麦教授觉得这位有 热情有理想，就说：你放手干吧，要钱给钱，要地方给地方，再给你配备一位最 好的学生帮助你，他就叫贝斯特 (Charles Best, 1899-1978) 。 1921 年夏天，两位就开始工作了。一开始的实验设计是，班廷大夫觉得 胰腺很重要，那咱们就

7、把狗的胰腺切掉，看看怎么样。经过多次练习，手术水平 大幅度提高，这些被切除了胰腺的狗活过了手术这一关，可几天之后还是死了， 一测狗的血糖发现， 这些狗都快成蜜制的了， 血糖高的冲破了房顶。 麦教授听到 了这个重大进展，很受鼓舞，杀了这么多狗，值了，胰腺肯定和糖尿病有关系。 几个人一开会讨论，一致认为，下一步应该把摘下来的胰腺再放回去， 看看糖尿病能不能缓解。整个胰腺放回去手术难度太大，不行就把胰腺弄碎了， 把胰腺里的水打回去？不知道谁出的这个主意，行！接着试。麦教授安排 Collip 来做这个工作， 从胰腺匀浆里分离有效成份。经过很多次的试验， 克服天气炎热 又没有空调的困难， 有一天胰腺提取

8、液成功地降低了糖尿病狗的血糖，他们管这 个提取液叫胰岛素（ Insulin）。 班廷医生（右）和助手贝斯特，以及不幸的小狗 那个时候，孩子们如果得了糖尿病，现在叫1 型糖尿病，治疗办法就是 饿着，学名叫严格的饮食控制，一般1 年半年的，孩子就瘦成皮包骨头，只有等 死一条路了。1922年，在多伦多大学医院里一位叫Thompson的孩子在等待死亡， 班大夫决定死马当活马医， 用他们自制的狗胰岛素试试， 其效果只有用“神奇” 来形容，本来快死的孩子， 打胰岛素时间不长就可以满院子乱跑了。作为首批注 射这种胰岛素的病人，一个当时得糖尿病的孩子一直活到了1993 年，这是另一 个神奇。 这个鼓舞人心的消

9、息一传开，世界各地的糖尿病孩子来到多伦多寻找最 后的希望，班大夫成了名人。可问题出现了，一开始，善良的多伦多人民能容忍 街上的野狗逐渐减少， 最后完全消失了， 可当他们发现连自己养的狗都一条一条 的神秘失踪后，人们就不干了，经过多次上访，意见反映到了英国国王哪儿。国 王下令，糖尿病要治，狗也要养，英国开始帮助班大夫他们提取胰岛素。会做生 意的美国人听说了，当时的礼来（Lilly）公司试着从来源更充分的猪胰腺里提 取胰岛素，这一项业务就缔造了现在的世界级的大药厂。当时还有一位丹麦人， 在回丹麦的船上听说了这件事， 回丹麦后组建了一家生产胰岛素的公司，就是现 在著名的诺和诺德公司。 2 年以后，他

10、们得了诺贝尔医学奖，又几年以后，国王 给班大夫的名字前面加了个Sir 。以后美国糖尿病协会成立，以班大夫的名字命 名了一项糖尿病界的诺贝尔奖班廷（Banting ）奖。 胰岛素发现迄今虽然已有八十年的历史，但胰岛素可算是最难了解的激 素之一，其作用之多样，机制之复杂，至今仍未全盘解开。当年班廷等人分离的 胰岛素只是粗制品，真正的纯化及结构决定，要到1955 年才由英国的弗雷德里 克桑格 (Frederick Sanger. 1918- ) 所完成；1955 年， 英国的弗雷德里克桑 格用生物降解和标记方法确定了第一个活性蛋白质牛胰岛素分子的氨基酸 连接顺序（一级结构）。桑格也因此获颁1958

11、年的诺贝尔化学奖。 中国首次合成人工牛胰岛素 20 世纪五十年代， 蛋白质是世界生物化学领域研究的热点。1956 年，即 在桑格因率先测定了牛胰岛素的化学结构，并由此而获得了诺贝尔奖的第二年， 另一位英国著名科学家在国际权威的自然杂志评论文章中预言： “人工合成 胰岛素还有待于遥远的将来”。 在这种情况下， 1958 年 8 月刚刚成立的中国科学院上海生物化学研究所 的科技人员提出研究“人工合成胰岛素”这一意义重大、难度很高、国际上还没 有人开始研究的基础科研项目，并将完成期限定为20 年。20年太久 , 要求进步 的青年科学家决定把日期缩短为5 年, 而且因为当时确定了化学结构的一级蛋白 质

12、合成物研究只有胰岛素, 于是 1958 年 12 月人工合成胰岛素课题确定, 代号 “601”(1960 年第一项重点研究项目 )。 实验的过程包括：第一步，先把天然胰岛素拆成两条链，再把它们重新 合成为胰岛素， 重新合成的胰岛素要求是同原来活力相同、形状一样的结晶。 第 二步，在合成了胰岛素的两条链后，用人工合成的 B链同天然的 A链相连接。 第 三步，把经过考验的半合成的A链与 B链相结合。 从 1958 年开始，中国科学院上海生物化学研究所、中国科学院上海有机化 学研究所和北京大学生物系三个单位联合，以钮经义为首，由龚岳亭、邹承鲁、 杜雨花、季爱雪、邢其毅、汪猷、徐杰诚等人共同组成一个协

13、作组，在前人对胰 岛素结构和肽链合成方法研究的基础上，开始探索用化学方法合成胰岛素。但1 年下来 , 除了邹承鲁负责的天然胰岛素拆、 合小组和由钮经义负责的胰岛素肽链 有机合成小组小有收获外, 其他研究项目都没有特别的成果。 1959年，受政治运动影响， 研究进入“大兵团作战”时代，300 多名“连氨 基酸符号还不认识”的北大化学和生物学生成为这项研究的主力军, 他们认为合 成蛋白质多肽是件非常简单的事: “把两段多肽倒到一起 , 就叫合成了一个新的 多肽。”北大的学生们神奇地用“两个星期就完成了4、7、5、5 四个肽段”, 并在 1960 年“4 月 22 日合成了 A链”， 而不甘落后的复

14、旦大学也宣布他们研究 出了有活力的人工胰岛素。 当然这些凭借一腔热血想出来的发明在进入应用阶段 全部宣告失败。 这是研究人员将人工合成的胰岛素注入小白鼠体内，测验它的生物活力。 小白鼠 因体内胰岛素增多而发生了惊厥反应，证明这种人工合成的产物就是具有生物活 力的人工合成胰岛素。 当冷静下来的中科院再次于1963 年开始人工合成胰岛素研究时, 研究人员 精减到 20 人。而胰岛素合成技术唯一可以依靠的现成技术, 就是 1955 年英国科 学家桑格完成的胰岛素全部测序工作和1953 年美国生物学家杜维尼奥合成的第 一个八肽催产素。而我国之前除了味精之外, 甚至没有制造过任何氨基酸, 更何况 多肽合

15、成。要弄清楚胰岛素合成, 就必须先解决胰岛素的结构，摸索胰岛素分子 先经过还原、分离纯化之后的 A链和 B链是否能通过氧化重新组合形成天然的胰 岛素分子。而此前世界上其他国家同样的试验都失败了, 科学家普遍认为氧化部 分还原的胰岛素 , 会造成胰岛素分子活力降低。 直到 1963 年，邹承鲁领导研究的天然胰岛素A、B链重组生成胰岛素的 产率，由原来的 510提高到 50左右； 1964年，钮经义、龚岳亭领导的多 肽合成组人工合成B链。并与天然 A链重组构建胰岛素获得成功；1965年，中 科院有机所和北京大学化学系合作， 由汪猷和邢其毅领导的联合研究小组完成了 胰岛素 A链的化学合成，上海生化所

16、化学合成的胰岛素B链进行重组取得成功， 并纯化得到了具有与天然胰岛素完全相同的比活性和抗原性的人工合成牛胰岛 素结晶，且其结晶形状和酶切图谱也与天然物相同。人工合成胰岛素的成功， 宣 告了中国科学工作者历经八年的科研攻关，夺得了这项科学竞赛的“世界冠 军”。 随后，由曹天钦主持起草论文，将这一重要科学研究成果首先以简报形 式发表在 1965 年 11 月的中国科学 杂志上，并于 1966 年 4 月全文发表。 1966 年 12 月 27 日，毛泽东主席 73 岁生日的第二天。这一天，人民日报发表了 一篇社论，宣布“我国在世界上第一次人工合成结晶胰岛素”。人工合成牛胰岛 素是科学上的一次重大飞

17、跃， 它标志着人工合成蛋白质时代的开始；是生命科学 发展史上一个新的重要里程碑。在此过程中， 中国形成了一批学科较齐全、设备 较好的研究所，培养了一支水平较高、力量较强的科研队伍。到1965 年，全国 科学研究机构已达到1700 多个，从事科学研究的人员达到12万人。这是中国科 学技术事业继续发展的基础。 被埋没的荣誉 中国首次成功合成人工牛胰岛素结晶之后，许多科学家来信表示祝贺。在 1966年 4 月举行的华沙欧洲生化学会联合会议上，我国的人工合成胰岛素工作 成了参加会议的科学家们的中心话题，“美、英、法、意、荷、比、挪威、瑞典、 芬兰、奥地利等国的著名科学家都祝贺我们取得了伟大成果。” 一

18、些著名科学 家特意造访了上海生化所。 法国巴黎科学院院士特里亚教授来了，他说：“这是 很好的合作项目，可以获得诺贝尔奖。”诺贝尔奖获得者英国的肯德鲁 （J.C.Kendrew）教授也于“文革”初期特意参观了上海生化所。 最令人关注的是，瑞典皇家科学院诺贝尔奖评审委员会化学组主席蒂斯利尤 斯（A.Tliselius）教授也于 1966 年 4 月到了中国。他说：“你们第一次人工合 成胰岛素十分令人振奋， 向你们祝贺。 美国、瑞士等在多肽合成方面有经验的科 学家未能合成它，但你们在没有这方面专长人员和没有丰富经验的情况下第一次 合成了它， 使我很惊讶。 ”所有这一切， 都让人把诺贝尔奖和胰岛素研究

19、联系起 来。 在中科院的研究过程中， 由邹承鲁领导的小组在1959年国庆前，已经将天 然胰岛素拆开后再重合的活力稳定地恢复到原活力的510。但是出于保密 考虑，该成果并未发表。 1960 年，加拿大的两位科学家迪克松（G.H.Dixon ）和 沃德洛（ A.C.Wardlaw）在自然杂志上发表了类似结果。虽然他们只恢复了 12的活力，成绩远比不上中国同行， 但在发表时间上抢到了我国科学家的 前面。 1959年底，上海生化所的张友尚等人找到了一个合适的提纯方法，得到了 和天然胰岛素结晶一致的重合成胰岛素的结晶。由两条变性的链可以得到有较高 生物活力的重合成胰岛素的结晶，这一结果具有非常重大的理论

20、意义。但又是基 于上述保密要求，中国科学家仍未能及时发表此成果。1961年，美国科学家安 芬森（C.B.Anfinsen ）发表了一项与天然胰岛素拆、合、重结晶类似的、相对而 言较为简单的工作， 即核糖核酸酶的二硫键的拆开和重新连接恢复酶活性因此而 获得了 1972 年的诺贝尔化学奖。 由于保密要求过于严厉，严重阻碍了国际同行对我国科学家的成就的承认， 不可避免地挫伤了我国科学家的工作积极性。但在当时，各相关单位的工作气氛 还是比较好的，成就也是比较重大的。 1972年杨振宁访问上海生化所。 他明确提出要为胰岛素工作提名诺贝尔奖， 但被婉拒。 1978年 9 月，杨振宁向邓小平表示，愿意为胰岛

21、素合成工作提名诺 贝尔奖。 10月，他又向周培源提及此事。周培源向聂荣臻副总理汇报了此事。 稍后，瑞典皇家科学院诺贝尔化学奖委员会写信给上海生化所所长王应睐，请他 推荐诺贝尔化学奖金候选人名单。与此同时，另一位著名的美籍华裔逻辑学家王 浩教授也主动提出要为我们的胰岛素工作提名诺贝尔奖。中央领导非常重视这些 建议。接受指示后， 1978年 12月中国科学院召开了一个为期近10 天的“胰岛 素人工全合成总结评选会议”。 会议主要目的是为了确定诺贝尔奖候选人。经过 长时间的小组讨论和多方面考虑， “最后推荐钮经义同志代表我国参加人工全合 成研究工作的全体人员申请诺贝尔奖金。”此后，杨振宁、王浩、王应睐分别向 诺贝尔奖金委员会推荐。但出乎国人意料的是，这项成果没能获奖。 现在看来，人工合成胰岛素的工作未能获诺贝尔奖有令人惋惜之处，却也并 不值得怨天尤人。 一项科学发现， 发明的价值是无法用金钱荣誉来衡量的，因为 这个发明拯救了无数人的生命，这才是科学家最珍贵的价值。 当年参加研究的工作人员都已步入古稀之年。