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年度 奖项 获奖者 贡献
1901 物理学 W.C. Röntgen X射线的发现
1914 物理学 M. von Laue X射线晶体衍射现象的发现
1915 物理学 W.H. and W.L. Bragg 使用X射线对晶体结构的解析
1962 化学 J.C. Kendrew, M. Perutz 球蛋白结构的研究
1962 生理学或医学 F. Crick, J. Watson, M. Wilkins DNA双螺旋结构的确定
1964 化学 D. Crowfoot Hodgkin 对包括维生素B12在内的许多生化物质的结构研究
1976 化学 W.N. Lipscomb 硼烷结构的解析
1985 化学 H. Hauptman, J. Karle 发展求解晶体结构的直接方法
1988 化学 J. Deisenhofer, R. Huber, H. Michel 测定光合反应中心的三维结构
1992 物理学 G. Charpak 多线丝极室的发现
1996 化学 R. Curl, H. Kroto, and R. Smalley 碳富勒烯结构的发现
2009 化学 V. Ramakrishnan, T.A. Steitz, A.E. Yonath 对线粒体结构和功能的研究
2010 物理学 A. Geim, K. Novoselov 二维石墨烯材料的研究
2011 化学 D. Shechtman 准晶体的发现
2012 化学 R.J. Lefkowitz, B.K. Kobilka G蛋白偶联受体的研究

1. X射线研究的开端

1901年,伦琴因发现X射线获得了首届诺贝尔物理学奖。事实上,伦琴是在对阴极射线的研究中发现X射线的。他用X射线拍摄的安娜-贝尔特(伦琴的妻子)的手骨与戒指的照片证明了X射线的穿透力,揭示了其在医学方面的应用前景。X射线发现之后,伦琴、波赫和科尔等科学家便开始探究X射线的性质。

马克思·冯·劳厄、Friedrich和Knipping通过实验阐明了X射线的性质。当Friedrich和Knipping用X射线照射硫酸铜晶体时,照相底片上出现了斑点,这无疑是因为入射的X射线在晶体中发生了衍射。劳厄进一步建立了数学模型以模拟X射线在三维晶格中的衍射,从而揭示了晶体的结构。1914年,劳厄因发现X射线晶体衍射现象获得诺贝尔物理学奖。

劳厄(Laue)的工作开创了X射线研究的两个分支:晶体结构测定与X射线光谱学。威廉·劳伦斯·布拉格(W. L. Bragg)沿着前者前进:小布拉格受到衍射图样的启发,使用他父亲的光谱仪研究了氯化钠和钾、金刚石、方解石、萤石、铁黄铁矿、萘和蒽等物质的结构,发现氯化钠并非以分子形式存在,这在当时的化学界是一个颠覆性的认知。而小布拉格的父亲,威廉·亨利·布拉格(W. H. Bragg)致力于X射线光谱学的研究,并证实了X射线管光谱与了查尔斯·巴克拉提出的K线和L线相匹配。布拉格父子因他们的开创性工作于1915年获得诺贝尔物理学奖。

2. 生物大分子结构的测定

由于实验条件的限制,20世纪早期的X射线结构分析只能测定简单结构的分子。20世纪30年代,帕特森函数(用于解决X射线晶体学中的相位问题)和Beevers–Lipson条带(用于根据晶体学数据计算傅里叶变换以确定晶体的结构,从而可以创建复杂分子的模型)使得更复杂结构的解析成为可能。多萝西·玛丽·霍奇金(Hodgkin)依赖以上两种方法确定了多种生化物质(如VB12、青霉素等)的结构,她因此获得1964年诺贝尔化学奖。

毫无疑问,在20世纪30年代,蛋白质晶体结构的解析根本不可能实现。获得合适的晶体成为化学家们面临的首要问题。诺斯洛普(Northrop)、斯坦利(Stanley)和萨姆纳(Sumner)因在20世纪20年代开创性地研究了酶的结晶而分享了1946年的诺贝尔化学奖。随后佩鲁兹(Perutz)和肯德鲁(Kendrew)基于发展相当成熟的蛋白质结晶方法,精确测定了肌红蛋白和血红蛋白的结构,他们因此获得1962年诺贝尔化学奖。

同样是在1962年,诺贝尔生理学或医学奖授予了克里克、沃森和威尔金斯,以表彰他们对DNA结构的研究。威尔金斯在操作DNA凝胶时偶然注意到了极其均匀的纤维,在负责X射线设备的Raymond Gosling的帮助下,他获得了第一张DNA X射线衍射图样。X射线衍射表明DNA分子呈规则螺旋结构。沃森和克里克通过氢键核苷酸对的形成来解释其结构的规律性。基于这一假设,两位科学家建立了一个DNA分子模型,两条多核苷酸链以反平行的方式排列,形成双螺旋,并且发现此结构与X射线衍射图样高度匹配。两位科学家区分了三种不同的DNA结构,并且证明DNA双螺旋结构存在于体内。

早期对球蛋白和DNA的研究工作,开辟了新的高分子晶体学研究领域。下面举几个代表性的例子:1972年与摩尔和斯坦恩分享诺贝尔化学奖的安芬森,与麻省理工学院的晶体学家小组合作确定了核糖核酸酶的结构。Deisenhofer、Huber和Michel因确定了光合反应中心的晶体结构而获得1988年诺贝尔化学奖,这对理解光合作用的调控机制至关重要。Boyer和Walker与Skou分享了1997年诺贝尔化学奖,他们依靠Walker确定的F1-ATP酶的晶体结构,阐明了ATP合成背后的酶学机制。与Agre共享2003年诺贝尔化学奖的MacKinnon,对离子通道的机理和结构进行了深入研究。R. D. Kornberg因研究真核生物转录的分子基础,包括确定RNA聚合酶II的晶体结构而获得2006年诺贝尔化学奖。Ramakrishnan、Steitz和Yonath分享了2009年诺贝尔化学奖,以表彰他们对原核生物核糖体的结构和功能的研究,包括Yonath引入低温生物晶体学,这成为结构生物学的常规方法。最后,Kobilka与Lefkowitz因他们对G蛋白偶联受体的研究分享了2012年诺贝尔化学奖。

3. 无机晶体学的不断发展

对无机体系的研究同样备受诺贝尔奖青睐。例如,Lipscomb因其在硼烷这一广阔领域内的贡献(主要是解析了硼烷的结构)而获得1976年诺贝尔化学奖。1996年诺贝尔化学奖授予了Curl、Kroto和Smalley,因为他们发现了富勒烯。他们利用碳谱、质谱、红外和紫外光谱对材料的表征及其随后的合理化研究,深深受益于Krätschmer等人的X射线晶体结构测定。

4. 数据处理和仪器设备

在数据处理方面,我们不得不提到1985年诺贝尔化学奖得主豪普特曼(Hauptman)和卡尔勒(Karle),他们在发展“直接法”(direct methods)方面取得重大成就。豪普特曼拥有数学背景,而卡尔勒是物理化学专家,这使他们合力解决了所谓的 相位问题。到20世纪60年代末,许多科学家认识到直接法的潜力;直到今天,直接法仍然是小分子结构测定中应用最广泛的物相分析方法。

在仪器领域,我们必须回顾以下工作:查尔帕克(Charpak),因发明和发展粒子检测器,特别是多线正比计数器而获得1992年诺贝尔物理学奖,其主要应用在目前X射线晶体学中普遍使用的二维检测器。

并且,我们必须承认的是,X射线晶体学使我们在很多领域取得了许多意想不到的结果。例如,谁会相信不具备平移对称性的晶体存在呢?然而,事实确实如此:尽管鲍林有话在先(没有准晶体,只有准科学家),瑞典科学院还是将2011年的诺贝尔化学奖授予了谢赫曼,因为他发现了准晶体。

5. 结语

X射线晶体学远不是一门成熟和停滞不前的学科,它拥有在仪器、数据处理和复杂系统等不同领域不断涌现出意想不到的成果的潜力,使得阐明化学物理性质或生物机制成为可能。

6. 参考文献

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ed500343x