Emil L. Smith | |
---|---|
engelsk Emil L. Smith | |
Fødselsdato | 5. juli 1911 |
Fødselssted | New York , USA |
Dødsdato | 31. maj 2009 (97 år) |
Et dødssted | Los Angeles , Californien , USA |
Land | |
Videnskabelig sfære | Biokemi , kolloid kemi |
Arbejdsplads | |
Alma Mater | |
Priser og præmier |
Guggenheim Fellowship (1938) [1] Moore og Stein-prisen (1987) [2] CIBA guldmedalje |
Emil L. Smith ( eng. Emil Smith ; 5. juli 1911 , New York - 31. maj 2009 , Los Angeles , Californien ) var en amerikansk biokemiker, der ydede væsentlige bidrag til proteinkemi, udvikling af metoder til oprensning, karakterisering af struktur og sekventering af enzymer. Han var den første til at påpege klorofylets proteinkarakter i grønne planter og kravene til metalioner til peptidasernes katalytiske aktivitet .
Emil Smith blev født den 5. juli 1911 i New York af en immigrantfamilie. Min far kom oprindeligt fra Ukraine , og først arbejdede han som skrædder på Saks Fifth Avenue . Senere lykkedes det ham at åbne en lille butik og dermed skaffe sin familie et anstændigt liv. Emils mor blev født i Hviderusland og var husmor. The Smiths havde to børn: Emil og Bernard, der blev født i 1907. Forældrene havde ikke en uddannelse, men opmuntrede på alle mulige måder børnenes interesse for videnskab og kunst. Takket være dette blev Bernard en respekteret bogredaktør, producent og forfatter, og Emil blev videnskabsmand og underviser.
Emils talenter viste sig tidligt. Som niårig begyndte Smith under indflydelse af en nabo, der var radioingeniør, at samle små radioer, som han og en ven solgte til slægtninge og bekendte. Efter at have afsluttet sin eksamen som ekstern studerende fra New York Public School, kom han i en alder af 16 ind på Columbia University School of General Studies .
Da Emil kom ind på Columbia University, kom Emil under indflydelse af to begavede lærere: James Howard McGregor, som underviste på et avanceret kursus i evolution og genetik, og John Morris Nelson, der holdt foredrag om organisk kemi og var aktivt interesseret i enzymer. Disse to professorer indgydte Emil en interesse for studiet af proteiner - et område, hvor trådene i biologi og organisk kemi hænger tæt sammen.
Efter at have modtaget sin bachelorgrad i 1931, fortsatte Emil med at studere ved Institut for Zoologi ved Columbia University . Landet var midt i den store depression , så Emil blev, for at forsørge sig selv, tvunget til at undervise 12 timer om ugen, mens han forskede på samme tid.
I sit første år på kandidatskolen tog Smith et kursus i sensorisk fysiologi fra Selig Hecht, som var pioner inden for forskning i generel fysiologi og synets fysiologi [4] . Emil valgte Hecht som sin mentor. Deres fælles arbejde har ført til flere publikationer [5] .
I sit doktorgradsarbejde studerede Emil fotosyntesens afhængighed af lysintensitet og kuldioxidkoncentration [6] [7] . Resultaterne fik ham til at konkludere, at fotosyntese i grønne planter var en kompleks mekanisme, der involverede mere end én fotokemisk reaktion, en idé, der var i modstrid med Otto Warburgs accepterede arbejde .
Smith bemærkede, at hans matematiske formulering af den begrænsende hastighed for fotosyntese kan bruges som et kriterium til at underbygge enhver teoretisk beskrivelse af fotosynteseprocessen [6] . Denne formulering har faktisk bestået tidens prøve meget godt. For 2009 forblev det den bedste empiriske formulering for modelfotosyntese-strålingskurven , hvilket blev bekræftet ved sammenligning med eksperimentelle data om primær produktivitet [8] .
Efter at have forsvaret sin afhandling blev Emil for alvor interesseret i proteinernes kemi. Under sit ophold i Colombia gennemførte han en undersøgelse af klorofyl i grønne blade for at belyse dets struktur. Dette arbejde var en logisk konsekvens af hans afhandling om fotosyntese og en forudsætning for efterfølgende arbejde med proteiner.
Hechts laboratorium brugte en teknik til at solubilisere naturligt rhodopsin ved at ekstrahere nethinden med en vandig opløsning indeholdende detergentet digitonin . Da Emil anvendte denne metode på knuste blade, blev klorofylet solubiliseret, og opløsningens spektrum var meget lig spektret af intakte blade, men skiftede til det lange bølgelængdeområde sammenlignet med opløsninger af blandinger a og b af klorofyl i en organisk opløsningsmiddel. Undersøgelse af ekstraktet i en ultracentrifuge viste, at klorofylet blev udfældet af partikler med en molekylvægt på over 70.000. Dette førte til den konklusion, at "... de klassiske undersøgelser af klorofyler og carotenoider var forbundet med protesegrupper af ekstremt komplekse specifikke katalysatorer, muligvis analogt med hæmoglobin ..." [9] . Dette grundlæggende bidrag blev ignoreret i næsten halvtreds år [10] .
På Hechts anbefaling ansøgte Emil om og modtog et Guggenheim-stipendium for at rejse til Cambridge , hvor han ankom i september 1938.
I slutningen af 1930'erne var University of Cambridge en af de førende i studiet af proteiners struktur og egenskaber, og David Keilins laboratorium på Molten Institute er særligt attraktivt i denne henseende. I et interview med Caylin udtrykte Smith interesse i at solubilisere cytochromoxidase med opløsninger indeholdende galdesalte, en tilgang, der har vist sig at være vellykket i fremstillingen af rhodopsin. Men Kaylin anbefalede fortsat forskning i klorofyl-proteinkomplekset. Dette arbejde blev brat afbrudt i september 1939 på grund af udbruddet af Anden Verdenskrig , på hvilket tidspunkt Smith blev tvunget til at vende tilbage til New York.
Hecht tog Emil tilbage til sit laboratorium i Columbia. Der havde Emil adgang til et spektrofotometer og andet udstyr, der var nødvendigt for at færdiggøre sine undersøgelser af klorofyl-proteinkomplekset og beskrive resultaterne i detaljer.
Ved at studere dette kompleks samarbejdede han med Edward Pickels , som sammen med Jesse Beams var udvikleren af avancerede pneumatiske modeller af den højhastigheds analytiske ultracentrifuge . De estimerede ud fra sedimentationskonstanten molekylvægten af klorofyl-proteinkomplekset, som var cirka 265.000 [11] . Disse undersøgelser viste, at proteiner fra fotosyntetiske apparater kunne solubiliseres i passende detergenter, at klorofyl og carotenoider forblev proteinbundne, og at de spektroskopiske egenskaber af klorofylkomplekset i det synlige område var i overensstemmelse med dem, der blev målt in vivo for grønne blade.
Med resten af sit andet års Guggenheim Fellowship flyttede Emil til New Haven i 1940 for at arbejde på Connecticut Agricultural Experiment Station med Hubert B. Vickery , stationens energiske og talentfulde chefbiokemiker [12] . Her fik han erfaring med proteinisoleringsmetoder, i kvantitativ analyse af nitrogen og svovl og i gravimetrisk analyse af visse aminosyrer.
Emil var involveret i forskning i hampfrø- globulin , som har vist sig at være en proteinkilde til dyrefoder og at fungere som en erstatning for edestin . Men marihuanaloven fra 1937 satte restriktioner på dens distribution og afbrød derved studiets fremskridt. Det lykkedes dog Emil at identificere en let tilgængelig erstatning med en meget lignende aminosyresammensætning, græskarfrø-globulin ( Cucurbita pepo ) [13] .
Fristen for Guggenheim-stipendiet udløb i efteråret 1940, og der var lidt arbejde på universitetet dengang. Med støtte fra sin klassekammerat og nære ven fra Columbia University, Joseph Fruton , som arbejdede sammen med Max Bergmann på Rockefeller Institute i flere år, fortsatte Emil sit arbejde med proteinkemi og enzymologi i Bergmanns laboratorium. Max, som var den sidste af eleverne til Emil Fischer , blev betragtet som den mest fremragende forsker inden for proteinkemi i verden, hvilket tiltrak usædvanligt begavede videnskabsmænd til at arbejde i laboratoriet. Emils samtidige i Bergmanns gruppe var William Stein , Stanford Moore , Joseph Fruton , Klaus Hoffman og Paul Zameknik , som blev hans livslange venner. Han tilbragte to år på Rockefeller Institute med at sætte retningen for fremtidig forskning.
Ved at studere stereospecificiteten af reaktioner katalyseret af et proteolytisk enzym ( protease ) af de tilsvarende proteinsubstrater, kom Bergmann til den konklusion, at genkendelsen af et chiralt carbon af et enzym kræver, at mindst 3 grupper, der omgiver carbonatomet, interagerer med enzymet [14 ] . Denne teori er blevet kaldt "polyaffinitetsteorien". Beviset for, at primær intestinal erestin hydrolyserer både L-leucyl-glycin og D-leucyl-glycin, sår tvivl om polyaffinitetsteorien. Bergmann bad Emil om at udføre separate denatureringer for at vise, at den intestinale erestinaktivitet skyldtes forskellige enzymer. Emil besluttede at bruge sin egen erfaring med proteinoprensning sammen med metoder. udviklet i Kaylins laboratorium til at isolere fraktioner, der kun var aktive på L- og D- isomererne , og derved give bevis for, at forskellige enzymer forårsagede spaltningen af de to peptidstereoisomerer. Emil var også i stand til at vise, at aktiviteten af oprenset L-leucin aminoexopeptidase afhænger af tilstedeværelsen af mangan- og magnesiumioner [ 15] [16] .
Emil var fordybet i peptidforskning, da Anden Verdenskrig greb ind igen. Inden for få dage efter det japanske angreb på Pearl Harbor den 7. december 1941 erklærede USA krig mod Japan , Tyskland og Italien . For at bidrage til det nationale forsvar fokuserede Bergmann sin forskning på syntetiske, analytiske og uorganiske problemer, der involverede kemiske giftstoffer, især nitrogensennep .
Emil var ikke klar til den nye retning i Bergmanns forskning. En henvendelse fra medicinalvirksomheden ER Squibb & Sønner gav dog Emil mulighed for at yde et vigtigt bidrag til landets forsvar. Squibb forsynede USA med blodfraktioner. Navy and Marine Corps tilbød at ansætte ham som biofysiker-biokemiker i blodfraktioneringsprogrammet. Emil tog imod tilbuddet og flyttede i slutningen af juni 1942 til New Jersey til byen New Brunswick .
Efter at være kommet til Squibb, løb Emil ind i store problemer. Han havde ingen tidligere erfaring i industrien, idet han ledede en arbejdsstyrke, der var dårligt forberedt til produktion af højrente biologiske produkter. Og produktionen skulle sættes i gang i løbet af kort tid. Sådan beskrev han situationen i et interview [17] :
Metoder udviklet i laboratoriet hos Edwin J. Cohn (ved Harvard) blev designet til at arbejde med volumener fra 5 til 10 liter. Vi skulle arbejde med tusinder. Skalering var ikke et spørgsmål om simpel aritmetik eller multiplikation, nye metoder skulle udvikles. Derudover begyndte vi at arbejde med medarbejdere fra universitetsuddannede, og de havde ikke den nødvendige erhvervserfaring. De skulle lære at bruge et pH-meter og forberede bufferopløsninger, de skulle lære at håndtere proteiner og arbejde ved lave temperaturer... Vi lærte at montere nogle maskiner, der skulle et tre-kvart tomme stålrør, og hvis vi ventede på, at det blev lavet hos Squibb, ville vi stadig vente. Myndighederne havde for travlt, og der var ikke nok kvalificerede folk.
Alle disse forhindringer blev hurtigt overvundet, og gruppen begyndte at producere ampuller med sterile opløsninger af serumalbumin i stor skala, og derefter, over tid, gammaglobulin , fibrinogen , prothrombin osv. Emil var så heldig at arbejde under Tillman D. Galow , som var en fremragende videnskabsmand og lærer med over 10 års erfaring hos Squibb. Afdelingen arbejdede med en bred vifte af terapier fra modgift til insulin . Emil og Galow samarbejdede om at karakterisere de proteiner, der er ansvarlige for den antitoksiske aktivitet af hyperimmun hesteplasma [18] .
I perioden fra 1942 til 1946, mens han arbejdede på Squibb, nåede Emil også at gennemføre en betydelig mængde grundforskning, som blev inkluderet i 8 publikationer i Journal of Biological Chemistry for 1946-1947. Emil forlod Squibb i 1946, men firmaet beholdt ham som generaladvokat i de næste 20 år.
Da krigen sluttede, søgte han at vende tilbage til den akademiske verden for at dele sine ideer med nære venner.
I 1942 blev der etableret en 4-årig medicinsk skole ved University of Utah . Maxwell M. Wintrobe, en fremtrædende hæmatolog, blev i 1943 udnævnt til dekan for Det Medicinske Fakultet med den opgave at rekruttere studerende og udvikle et forskningsprogram.
Loven om det offentlige sundhedsvæsen, som blev vedtaget den 1. juli 1944, bemyndigede sundhedsministeren til at yde bevillinger til at hjælpe universiteter, hospitaler, laboratorier og andre offentlige eller private institutioner. Wintrobe ansøgte US National Institutes of Health (NIH) om et tilskud til at støtte et program til undersøgelse af muskeldystrofi , arvelige og andre metaboliske lidelser . Mange familier i Utah var ramt af arvelig muskeldystrofi , og den store mængde mormonske genealogiske data var et værdifuldt aktiv for den foreslåede undersøgelse. Ansøgningen er godkendt.
I foråret 1946 inviterede Louis Goodman Emile til at overveje at deltage i et nyt projekt. Winrob ledede som hovedefterforsker NIH-bevillingen med Horace Davenport ( fysiologi ), Leo Samuels ( biokemi ) og Goodman som co-leads. Emil er blevet tilbudt en stilling som adjunkt i biokemi og seniorforsker i medicin ved University of Utah på betingelse af, at han tilrettelægger et laboratorium til sin forskning, men hans udstyr vil også være tilgængeligt for andre proteinkemiforskere på universitetet. Efter at have mødt denne gruppe, accepterede Emil tilbuddet uden først at besøge Utah [19] .
Emil, Esther og deres to-årige søn ankom til Salt Lake City i juli 1946. Ved ankomsten gik Emil i gang med at indrette et laboratorium og holde foredrag for medicinstuderende og et kursus i proteinkemi for kandidatstuderende. Emils assistent hos Squibb, Douglas Brown, sluttede sig til ham i januar 1947 og hjalp med at oprette det nye laboratorium. Brown, som var ekspert i brugen af Pickels nye ultracentrifuge og Tiselius-apparatet til elektroforese , ydede betydelige bidrag til forskningen og var medforfatter til adskillige artikler gennem årene. Deres samarbejde og venskab fortsatte indtil 1979, hvor Emil gik på pension.
I Utah blev Emils opmærksomhed henledt på fortsættelsen af studiet af proteolytiske enzymer, som han havde påbegyndt under sit arbejde med Bergmann, med særlig opmærksomhed på de metalioner, der kræves for stabilitet og aktivitet. Arbejdet fra 1947 til 1953 resulterede i adskillige publikationer om vævsfordeling, oprensning, karakterisering og substratspecificitet af adskillige proteolytiske enzymer fra forskellige organismer.
I 1949 foreslog Emil, at metalionen er en del af det katalytiske center af metalloproteiner , og at den spiller en nøglerolle i substratbinding og hydrolyse , og fortsætter gennem dannelsen af et chelatkompleks med enzymet og substratet [20] . Denne artikel henledte opmærksomheden på de strukturelle og mekaniske aspekter af enzymatisk katalyse og vakte stor interesse. På det tidspunkt vidste man dog intet om de tredimensionelle proteinstrukturer og nuancerne af enzymatisk katalyse. I sin artikel advarede Emil om, at den virkelige teori måske ikke var korrekt, og denne forsigtighed viste sig at være passende. Senere bemærkede han kort og godt [21] :
...mange ideer viste sig at være ret naive og forudsagde de forkerte mekanismer.
I begyndelsen af 1950'erne indså Emil, at sekventering af aminosyrerne i proteolytiske enzymer var et vigtigt skridt i retning af at belyse deres katalytiske aktivitet på molekylært niveau. Tiden er kommet, hvor det blev muligt. I 1948 afsluttede Sanger aminosyresekventeringen af to insulinkæder på henholdsvis 21 og 30 enheder.
På Rockefeller Institute udviklede Moore og Stein følsomme metoder til kvantitativ analyse af aminosyrer og metoder til adskillelse af proteiner ved hjælp af ionbytterkromatografi . De udviklede også automatiserede fraktionssamlere og en aminosyreanalysator, som de brugte til at bestemme aminosyresekvensen af ribonuclease , et enkeltstrenget protein med 124 aminosyrerester og fire disulfidbindinger. Men selv med så store fremskridt inden for metodologi, var det ikke muligt fuldt ud at bestemme den primære struktur af ribonuklease indtil 1963.
Emils opmærksomhed lagde sig på papain , en sulfhydrylprotease , hvis aminosyresekvens han ønskede at bestemme. Startende med tørret papaya latex af høj kvalitet udviklede han en elegant metode til fremstilling af store mængder krystallinsk papain og undersøgte substratspecificiteten af det rene protein [22] . Papainsedimentationskoefficienten forudsagde en molekylvægt på 20.500 og en polypeptidlængde på 170 fragmenter, hvilket var 36 aminosyrerester længere end ribonukleasekæden. Desværre opstod der vanskeligheder i processen med at bestemme aminosyresekvensen i papain, som et resultat af, at arbejdet først blev afsluttet i 1970.
Etableringen af Metabolic Laboratory, udstyret med moderne udstyr til oprensning, karakterisering og automatisk aminosyreanalyse af proteiner, samt deres adskillelse, sammen med en øget erfaring med bestemmelse af aminosyresekvenser, muliggjorde forskning, der havde interessant resultater. I 1959 ankom Emanuel Margoliash til laboratoriet, som med støtte fra Emil begyndte at bestemme aminosyresekvensen i cytochrom c , opnået fra et hestehjerte og indeholdende 104 fragmenter. På et års arbejde afsluttede han næsten fuldstændig sekventeringen af de fleste chymotrypsinpeptider.
På dette tidspunkt lærte Emil af Hans Tuppi , at han arbejdede med Günther Kreil i Wien på tryptiske peptider af cytochrom c . Dette førte til samarbejde mellem forskere og fælles offentliggørelse af resultater med en fuldt defineret aminosyresekvens [23] . Da cytochrom c er allestedsnærværende i eukaryote celler , vil viden om dets aminosyresekvenser for en bred vifte af biologiske arter tillade sammenligning mellem fylogenetiske træer , der er direkte relateret til sekvensen af forbindelser og egenskaber i organismen. Til dette formål begyndte Emil og Emanuel at sekventere andre typer cytokrom c.
Mellem 1961 og 1970 bestemte grupperne Emil og Margoliash aminosyresekvenserne af cytochrom c for mennesker, aber, hunde, får, hvaler, hajer, klapperslanger, tætte neurosporer ( Neurospora crassa ), hvedekim osv. [24 ] opnåede data var i overensstemmelse med ideerne om aminosyresammensætningen af proteiner svarende til arter, der tilhører uafhængige fylogenetiske træer og udvikler sig uafhængigt. Og bestemmelsen af sekvensen af hæmoglobin-enheder, udført i 1965 af Zuckerkandl og Pauling , gjorde det muligt at introducere begrebet molekylært ur .
I 1963 forlod Emil Utah for at blive dekan for Institut for Fysiologisk Kemi ved UCLA School of Medicine Det var de første dage af skolens eksistens. Klasser for de første otteogtyve medicinstuderende begyndte i 1951. Og i skolens og Universitetshospitalets nuværende bygninger i henholdsvis 1954 og 1955. Kort efter ankomsten til Los Angeles ændrede Emil navnet på afdelingen til Institut for Biologisk Kemi og begyndte at gøre en indsats for at gøre det til en stærk og lovende uddannelsesinstitution ved at tiltrække talentfulde unge videnskabsfolk.
I begyndelsen af 1965 grundlagde Emil Institute for Molecular Biology ved University of California, Los Angeles , sammen med Paul Boiler .
På universitetet fortsatte Emil de forskningsprojekter, der blev startet i Utah. Han viede resten af sin karriere til at bestemme aminosyresekvenser i nøje udvalgte proteiner. Indledningsvis var fokus på cytochrom c isoleret fra forskellige eukaryote arter. Resultaterne af disse undersøgelser giver tilsammen et indblik i udviklingen af proteiner.
Parallelt hermed lancerede Emil et projekt for at bestemme aminosyresekvenserne i BPN' og Carlsberg subtilisiner , udskilte proteolytiske enzymer fra høbacillus ( Bacillus subtilis ), en variant af amylosacchariticus og i Bacillus licheniformis . Disse enzymer, som er serinproteaser, bliver inaktive, når de reageres med diisopropylfluorphosphat, ligesom trypsinfamiliens proteaser . Aminosyresekvensdata førte sammen med senere bestemte krystalstrukturer til uventede resultater. Selvom de katalytiske aktiviteter og specificiteter af disse enzymer var meget ens, adskilte disse to meget homologe proteiner sig fra hinanden i 82 (30%) af 275 positioner, trypsin. Det viste sig overraskende, at de aktive steder for subtilisiner og proteaser i trypsinfamilien havde "katalytiske triader" af aspartat-, histidin- og serinfragmenter, en fælles katalysemekanisme, såvel som arten og det samme arrangement af bindingssteder med polypeptidsubstratet. Det er stadig et slående eksempel på konvergent evolution på molekylært niveau.
I 1967 inviterede James Bonner Smith til at samarbejde om at sekventere aminosyreresterne i histon IV fra thymus- og ærteplanteknopper. Tidligere viste Douglas Fambro i sit laboratorium, at disse histoner III-IV, opnået ved hjælp af polyacrylamidgelelektroforese, er meget ens i aminosyresammensætning og har identiske N-terminale grupper [25] . Emile tog imod tilbuddet, og Bob Delange , en talentfuld fyr med speciale i proteinkemi, gik i gang. Der blev arbejdet intensivt med projektet, og allerede i 1969 blev de komplette aminosyresekvenser af to histoner offentliggjort. Resultaterne var imponerende. Sekvenserne var identiske 100 rester ud af 102 med to substitutioner valin/isoleucin og lysin / arginin . Disse er de mest ens kæder af proteiner kendt fra så vidt forskellige organismer. Navnlig var der forskelle i strukturen af den post-translationelle modifikation i størrelsen og fordelingen af ε-N-acetyllisin.
Et endnu mere komplekst mønster af post-translationel modifikation blev imidlertid observeret for histon III i kalvethymus. Under ε-N-methylering af lysin-enheder blev ε-N-monomethyl-, ε-N-dimethyl-, ε-N-trimethyllysin observeret på hvert aktivt sted og meget sjældnere i andre positioner [26] .
Emil viste stor indsats for at fremme internationalt videnskabeligt samarbejde, især med USSR og Kina. I 1973 ledede han som medformand for Komitéen for Videnskabelige Forbindelser med Folkerepublikken Kina en forhandlingsdelegation i Beijing for den første udvekslingsaftale mellem USA og Kinas Nationale Videnskabsakademier, der nåede slutningen af en lang periode med tid, hvor der ikke var kontakt mellem de to landes videnskabsmænd. Under disse forhandlinger mødtes han med premierminister Zhou Enlai .
I 1954 udgav Smith lærebogen Principles of Biochemistry, skrevet sammen med Abraham White , Philip Handler og Stefan de Witt . I 22 år har bogen gennemgået 7 oplag.
Midtvejs i skolen begyndte Emil at spille saxofon, og efter to år med en lærer gik han videre til at arbejde som professionel jazzmusiker, i høj grad takket være Moss-Hallett Agency . Indtægter fra forestillinger hjalp med at betale for universitetsuddannelse i Columbia. Under sin sidste kluboptræden den 31. december 1931 var han medlem af Eddie Edwards' Dixieland Band , og spillede i New York i Webster Hall Dagen efter, til en nytårsfest, mødte Emil sin kommende kone Esther Press.
I en af sine taler udtrykte Emil sin taknemmelighed over for sin hustru for de mange årtiers støtte, han modtog fra Esther:
uden hendes munterhed og optimisme kunne alt dette ikke være sket.
Han var meget stolt af sine sønner, Anders og Geoffrey, og var især glad for, at begge havde valgt en videnskabelig karriere, den ene i biokemi, den anden i medicin [17] .
Ordbøger og encyklopædier | ||||
---|---|---|---|---|
|