人工合成结晶牛胰岛素

发布时间:2009-06-17

(一)

  1965年9月17日中国科学院上海生物化学研究所、北京大学化学系、中国科学院上海有机化学研究所的科学工作者团结协作,奋力拼搏,在世界上首次合成了结晶牛胰岛素,它的生物活力与天然牛胰岛素相当,结晶形状也与之相同。国家科委于1966年11月与1966年4月先后两次组织著名科学家进行了科学鉴定,充分肯定实验数据可靠完整,研究作风严谨踏实。一致认为这是一项突出的研究成果,具有重大的学术意义。它不仅对于蛋白质的高级结构在很大程度上由有级结构所决定这一概念提供一个新证据,而且突破了一般有机化合物与生物高分子之间的界限,在人类认识生命现象的历史上可说是又一个飞跃。1982年获国家自然科学一等奖。人工合成结晶牛胰岛素在国际上也引起了强烈的反响。国内外一些著名的科学家对新中国在6年零9个月的时间里,异军突起,出色地完成了如此艰巨复杂的工作,始则惊奇,继则赞扬,终则钦佩,给以高度评价。

(二)

  1955年英国人桑格(Sancer)第一个阐明了胰岛素分子的结构,从而获得了诺贝尔奖金。英国《自然》杂志于1958年曾宣称:“虽然已知胰岛素的分子结构,但人工合成胰岛素在相当长的时间内未必能够实现”。即在此时,我国生物化学科学工作者就满怀攻克世界尖端课题的雄心壮志,提出要人工合成蛋白质,为发展我国科学事业做出贡献。当时已经知道一级结构的唯一蛋白质就是胰岛素,它较易纯化,结晶,同时我国在合成化学方面还有一定条件.经过充分讨论确定于人工合成胰岛素这个课题:并于1958年正式上马。当时国际上用化学方法最多只合成13肽,正在进行类似研究的只有美国与西德两家,他们已有一二十年的研究历史,而我们当时只有合成催产素(9肽)的经验,条件比他们差,研究中大量作为原料的氨基酸,在国内亦未自行生产。然而由于参加的协作单位能群策群力、克服困难,在合成路线设计及微量分离分析技术的建立上均有独到之处,为人工合成的成功创造了条件。

  回顾历史,研究过程可以分为三个阶段:1958年12月至1960年5月是探索阶段。为了多方探索,人员分为有机合成、天然胰岛素拆合、肽库。酶激活和转肽等五昭。经过一段实践,淘汰丁三路,集中力量在有机合成和拆合两路。第

  二阶段为1960年5月至7月,是所谓大兵团作战阶段。由当时上海分院领导亲自挂帅。集中5个研究所的力量废寝忘食、日夜苦战,限时限刻要攻克合成胰岛素这个课题。但是由于大兵团作战这种做法违反了科研工作的客观规律,队伍

  庞杂又急于求成,没能达到预期效果。第三阶段为1960年9月至1965年9月,是深入研究和成功的阶段。总结经验教训,决定把革命精神和科学态度结合起来,留下近20人进行细致的研究,踏踏实实循序前进,一直坚持到全合成。

(三)

  人工合成胰岛素闯过一道又—道难关,解决一个又一个关键问题。

  胰岛素分子是由51个16补氨基酸组成,分子量为5750,分子具有蛋白质所特有的结构特征。这51个氨基酸又排列成二条螺旋状的长链,A链21个氨基酸,B链有30个氨基酿,两条链通过两个二硫键连在一起,A链自身也有一个二硫键,从而使胰岛素分子具有特殊的空间构型。要进行胰岛素的人工合成;必须先进行拆台天然胰岛素的模拟试验。胰岛素的A、B链的拆台当时在囤外虽然作过很多尝试,但始终末获成功。经过试验,采用S—磺酸型法路线拆合,把三个二硫键拆开的天然胰岛素重组获得成功,产物活力可达5一10%,经纯化后可得到结晶胰岛素。这一结果说明,只要人工合成A、B链的一级结构和天然相同,就有可能得到有活力的人工合成结晶胰岛素。可是在人工合成的A、B链进行组合时,还要先去掉保护的苄基,虽进行在钠氨中上、下苄基重组的试验,能恢复活力I一2%,但得率太低,经过继续全面摸索条件解决这个关键问题,才把天然胰岛素重组合的得率从5一10%提高到20—30%。

  其次是人工合成A链及B链,B链的合成是由生化所一室多肽组承担。合成肽段国外虽有“经典”方法,但肽段大小和接头处的选择是否恰当,对合成有决定性影响,需要下番摸索工夫。他们在肽合成方案的制订上,选用了8肽固体叠氮物与侧链保护的C端自由14肽,借用唯一不引起消旋的叠氮法合成了B链22肽,又选用了叔丁基保护谷氨酸的r羧基从而避免了22肽皂化所遇到的困难。当时生化所许多同志先后参加B链的合成,分析,纯化及鉴定工作。A链的人

  工合成由上海有机所和北京大学化学系承担,他们改进了合成路线采用羧基不加保护的门冬酰胺,自N端引伸,避免由于12肽皂化所产生副反应等问题。在探索A,B链的合成方案中,发扬了学习与独创相结合的精神,吸取国外失败的教

  训,找出了自己优越的成功分段合成路线。1964年生化所的“天然A加人工B”和有机所、北大的“人工A加天然B”时半合成都先后成功。

  第三,人工合成A、B链后,结晶胰岛素人工合成也是个关键问题。A链合成量很少,一共只有100多毫克,B链合成了5克(5000毫克)。第一次试验人工合成产物的活力很低,不能得到结晶。由于A链量少不允许洋任何的浪费,为此要求进一步改善方法通过模拟试验设计两次酸性仲丁醇抽提、两次冻干法,把比活力从原来的千分之几提高到10—30倍。接着进行生物活力试验,1965年6月用含6微克人工合成胰岛素的溶液注射入24只小白鼠体内,半小时后就有23只小白鼠因血糖过低发生惊厥以至死亡。同年9月17日首次获得了闪闪发光透明的立方形人工合成产物晶体。人工合成产物大试验先后重复多次,纯化产品同时用小白鼠惊厥法及兔血糖降低法测定,每批都有相同活力,达到每毫克20国际单位以上,层析和电泳行为、免疫性能等皆与天然胰岛素相同。

(四)

  人工合成肤岛素的成功,标志着人类在探索生命奥秘的征途中,向前迈进了一步,其意义与影响是巨大的。

  1、推动我国系列基础研究,形成中心体系

  在科学技术高度发达的今天,虽然新的科研成果层出不穷,但最引人注目的却是影响深远能带动开辟一个新领域的重大基础理沦研究成果,即所谓科学高峰。正由于此,人工合成胰岛素才赢得了高度评价,它为研究蛋白质的结构功能打开了一条新的途径,发表了具有高度学术水平的论文25篇。1967年以后,北京;上海等地一些科研人员还进一步协作,开展应用X射线晶体分析测定胰岛素分子立体结构的研究。又从胰岛素及其衍生物发展到分子量为24,000的天花粉蛋白晶体。胰岛素结构的改变与其功能关系的研究、胰岛素和其受体的相互作用、胰岛素受体的分离纯化、胰岛素的作用原理、胰岛素基因结构与功能等一系列基础研究课题亦相继开展,形成了一个比较完整、具有中国特色的研究体系。同时培养了一批优秀的蛋白质与多肽的研究人才:一个多肽合成的研究中心已经在我国形成,为我国蛋白质的基础研究和实际应用开辟了广阔的前景。’

  2、加速了与胰岛素有关的激素的研究私应用

  胰岛素合成后,国内外科学家都致力于合成更大的蛋白质分子。发扬优势、不断创新,如集液相法和固相法的长处为一体,建立了固相片段缩合法,先后合成了醉高血糖素和胰岛素原C肽。后者对于诊断胰岛功能具有重要作用。同时利用胰岛素中两条链拆合的经验,与澳大利亚科学家协作,合成了结构与胰岛素类似功能完全不同的另一种激素——松驰素。它在临床上具有催产或保胎的功能与应用。

  3、促进生化试剂与生化药品的生产

  由于胰岛素人工合成的需要,1958年即开始生产各种氨基酸,在此基础上又发展了生化试剂与生化药品的生产。上海生化所附属东风生化试剂厂已能生产700多种生化试剂,其中包括基因工程所必需的工具酶,每年可试制新产品几十种,有的产品还供应国外。在胰岛素人工合成以后,部分同志根据临床需要,合成了催产素、加压素、五肽胃必素、促性腺激素释放激素类似物等多种多肽激素,这些药物均具有特效为临床医药所急需。仅催产素一项每年产值达到60万元。同时还成功地把多肽激素应用于畜牧渔业生产。如合成的促性腺激素释放激素类似物,价廉物美,能促使家鱼排卵,已在全国推广为发展我国淡水鱼养殖事业做出了贡献。

(五)

  基础研究亦可进行协作,但需要有组织有计划与科学管理。人工合成胰岛素这样的基础研究项目,难度高、工作量大,如果没有强有力的组织领导,婴成功是不可想象的。为了形成—支坚强有力的科研队伍,必须老、中、青结合,取长

  补短才能少走弯路;发扬民主相互尊重,才能合作无间提高效率:加强计划管理与思想工作,才能合乎科学规律不出差错。这经验特别适合于目前国家重点协作项目与科技攻关课题。因为国家攻关重点项目也有明确的研究目标,用系统科

  学与系统工程的方法发展我国高科技是当前亟需解决的一个问题。人工合成胰岛素岛的一些成功经验可资借辕。个人勤奋与聪明才智也只有在学科交叉、学术交流、相互协作,才能充分发挥作用。

  础研究是长期细致踏实的劳动,需要扎扎实实一步一个脚印与严格的科学态度。那种急于求成、过多的行政干预,搞运动式的大兵团作战的教训,更应记取,毋踏覆辙。

  生产实践、科学实验为基础理论提供丰富的源泉,基础研究又为应用和发展提供坚实的指导作用,为生产力的发展开辟崭新的前景。科学发展的逻辑就是如此。不仅基础研究本身具有高度学术价恒,它还会引起连锁反应,带动了系列基础、应用与发展研究,从而发挥了经济与社会效益。切不能因间接或长期才见实效而低估了基础研究的作用,这就是从人工合成胰岛素中得到的启发。