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1955 · 迪維尼奧與多肽的里程碑#

1955 諾貝爾化學獎：文森特·迪維尼奧（Vincent du Vigneaud，1901–1978，美國）——表彰「其對生化學上重要之硫化合物之研究，尤其是其對多肽激素之首次合成」。人類第一次完整地合成了一個激素：催產素。

懸案（案情提要）#

1950 年代初，生物學界有一批「小分子大作用」的物質，它們的結構與功能問題幾乎同時爆發：

  • 催產素（oxytocin）：1953 年由杜·維利奧（du Vigneaud）小組從牛腦下垂體後葉分離，並測得結構——它是一個九肽，含一個二硫鍵橋（\(\mathrm{Cys{-}S{-}S{-}Cys}\)），這在 1950 年代是史無前例的結構細節。它是哺乳動物第一個被完全定序的胜肽激素。
  • 加壓素（vasopressin）：結構與催產素極相似（同樣是九肽、同樣有二硫鍵），但生理作用完全相反——一個催產、一個抗利尿。
  • 更大的問題在於：這些胜肽能不能被「製造」？如果能，肽類激素就可以像維生素那樣被工業化生產；如果不能，人工合成胜肽激素就永遠停在紙上。
  • 而更根本的問題是：胜肽化學的難度。要合成一個九肽，你需要：保護基化學、縮合試劑、純化、鑑定……每一步都可能失敗九成。

偵辦人：文森特·迪維尼奧。他在 1953 年完成催產素與加壓素的結構測定，1955 年完成催產素的總合成——這是生物活性多肽的第一次全合成。

前因#

年份 事件
1901 迪維尼奧生於伊利諾伊州；於羅切斯特大學完成化學訓練並取得博士學位（1924）。
1927 任康奈爾大學醫學院藥理化學教授，並進入「生物體內硫的化學」的研究主線。
1920s–30s 研究含硫化合物（生物體內的硫）：半胱胺酸、甲硫胺酸、維生素 \(\mathrm{B_1}\)（硫胺素）的結構；1935 年定出硫胺素的結構（其學生與合作者包括 E. T. 斯普enger等人）。
1942–1946 與科恩（Cornforth）合作，定出青黴素的結構（1945）——同樣是含硫化合物，同樣需要結構判定。
1950–1953 研究腦下垂體後葉的多肽激素：1953 年分離並定出催產素與加壓素的結構（九肽，含二硫鍵）。
1953–1955 完成催產素的總合成（含二硫鍵環化步驟），並驗證其生物活性。
1955 獲諾貝爾化學獎。
1957–1958 與其合作者（包括 H. B. 博恩（Bodamer）、S. 方塔納（Fontana））完成加壓素的合成。
1960s 研究** oxytocin 與加壓素在結構上的最小差異**如何導致功能的分歧（活性部位的胺基酸置換）。
1978 逝於紐約。

調查#

偵查一：結構的拆解——九肽的每一格都要定位。

催產素與加壓素的序列（九個胺基酸）：

\[\text{催產素：} \; \mathrm{Cys{-}Tyr{-}Ile{-}Gln{-}Asn{-}Cys{-}Pro{-}Leu{-}Gly{-}NH_2}\ (\text{含 } \mathrm{Cys^1{-}S{-}S{-}Cys^6})\]
\[\text{加壓素：} \; \mathrm{Cys{-}Tyr{-}Phe{-}Gln{-}Asn{-}Cys{-}Pro{-}Arg{-}Gly{-}NH_2}\]

結構判定的手段是當時的多肽化學工具箱：

  1. Edman 降解（1950s）：逐步從 N 端切下並鑑定胺基酸（見 1958-桑格與胰島素序列）；
  2. 酶解：用胰蛋白酶（切在 Arg/Lys 後）、胰凝乳蛋白酶（切在 Phe/Tyr 後）等切出片段，再各自分析；
  3. 二硫鍵的定位：用Performic酸氧化或用苯汞衍生物保護硫，再以氫解還原，最終確認 \(\mathrm{Cys{-}Cys}\) 橋；
  4. C 端判定：用羧肽酶（carboxypeptidase）切下末端胺基酸，確認 C 端為 Gly–Gly–NH\(_2\)（C 端酰胺化）。

偵查二：合成的策略——保護基的棋盤。

要合成 \(\mathrm{Cys{-}Tyr{-}Ile{-}Gln{-}Asn{-}Cys{-}Pro{-}Leu{-}Gly}\)，問題是：

  • 若逐步延長胜肽鏈，每一個胺基酸都有多個官能基（胺基、羧基、側鏈），會互相反應；
  • 因此必須「保護」不需要反應的官能基，且在適當時機「去保護」。

迪維尼奧的方法是逐步偶合（stepwise coupling）：從 C 端開始，每次加上一個保護好的胺基酸：

\[\mathrm{H_2N{-}Gly{-}COOH} \xrightarrow{+\ \text{Boc-Pro}} \mathrm{Boc{-}Pro{-}Gly{-}OH} \xrightarrow{+\ \text{Boc-Leu}} \cdots \xrightarrow{+\ \text{Boc-Cys}} \mathrm{Boc{-}Cys{-}(S-S){-}Cys{-}Tyr{-}\cdots{-}Gly{-}OH}\]

每一個胺基酸都需要專屬的保護基與脫保護條件（酸、鹼、還原、硫解各不相同）——九個胺基酸的九種保護策略，組合成一份「保護基的棋盤」。

偵查三：二硫鍵的環化——本案最關鍵的一步。

最後的難題是形成分子內的 \(\mathrm{Cys{-}S{-}S{-}Cys}\) 橋（20 員環）。迪維尼奧的解法是先保護硫、再氧化成二硫、最後去保護：

\[\mathrm{Cys{-}SH} \xrightarrow{\text{保護}} \mathrm{Cys{-}S{-}Benzyl} \xrightarrow{\text{接上另一段}} \mathrm{Cys(Bz){-}S{-}S{-}Cys(Bz)} \xrightarrow{\text{Na/H}_2\text{液氨}} \mathrm{Cys{-}S{-}S{-}Cys}\]

最終產物的生物活性與天然催產素完全相同——這是合成生物學的里程碑：活性不只取決於序列，也取決於三維構形（此時是「二硫鍵把環鎖住」的構形）。

偵查四：活性的驗證——每一個位置都有意義。

迪維尼奧後續研究（尤其與其合作者的結構—活性比較）顯示：把九個胺基酸中的任何一個換成別的，活性即大幅下降。例如：

\[\text{催產素（}Ile^3\text{）}\quad \text{vs}\quad \text{加壓素（}Phe^3\text{）}\quad\Longrightarrow\quad \text{一個胺基酸之差 = 兩種截然不同的生理作用}\]

這把「序列—構形—功能」三者串成一條線，是分子生物學「中心法則」確立前的關鍵一步。

偵查五：同一套方法的廣度。

迪維尼奧小組的合成技術隨後被用於： - 加壓素（1957–58）與其衍生物（去精胺加壓素、1-desamino-8-lysine vasopressin 等——今日臨床使用的血管張力素類似物）； - 腦啡肽（enkephalin）（1970 年代由其學生奧利（Olefsky）與其後續工作者合成，開啟阿片類的內源配體研究）； - 促腎上腺皮質激素（ACTH） 的片段合成。

理論裁決#

判決一：多肽合成的可行性判準。 迪維尼奧的工作確立了胜肽合成的定量邏輯：每一步偶合的產率必須夠高，總產率才不會崩潰。以九步偶合為例，若每步產率為 \(p\)，總產率為：

\[P = p^{9}\]

若 \(p = 0.9\)，則 \(P \approx 0.39\)；若 \(p = 0.8\)，則 \(P \approx 0.13\)；每一步都必須近乎定量，總合成才可行——這就是「保護基策略」存在的理由（見 1902-費歇爾與醣類偵探學 費歇爾的胜肽合成僅到二胜肽；迪維尼奧把它推進到九胜肽與激素活性）。

判決二：序列—構形—功能的鏈條。 本案首次以合成的方式證明：

\[\text{一級序列} \xrightarrow{\text{摺疊（受二硫鍵等約束）}} \text{三維構形} \xrightarrow{} \text{生理功能}\]

且最小的序列差異即可改變功能（\(\mathrm{Ile}^3 \to \mathrm{Phe}^3\) 即為催產與抗利尿之別）——這是「序列是功能的充分信息」這一命題的第一個實驗證明。

判決三：C 端酰胺化的意義。 迪維尼奧發現催產素的 C 端是 Gly–NH\(_2\)（C 端酰胺化），而非游離羧基：

\[\text{酰胺化} \;\Longrightarrow\; \text{中性 C 端} \;\Longrightarrow\; \text{對氨端受體的親和力與穩定性提升}\]

這項細節展示了「末端修飾的功能意義」，並在今日的半合成胜肽藥物設計中仍是常規考量（醋酸加壓素、去氨加壓素等）。

判決四：化學與生物的閉環。 這是 1950 年代的一道分水嶺：

\[\text{天然物} \xrightarrow{\text{分離}} \text{結構} \xrightarrow{\text{合成}} \text{純品} \xrightarrow{\text{活性驗證}} \text{機制確認}\]

在此之前，生化學是「分離與描述」的學問；在此之後，它有了「重建與檢驗」的能力。這條閉環正是 1953–58 年間桑格（序列）與佩魯茨（結構）所共同完成的偉大工程的組成部分（見 1958-桑格與胰島素序列）。

後果#

領域 影響
胜肽化學 保護基、偶合試劑（DCC、活化酯）與二硫鍵環化的技術體系成型，是 1960–80 年代多肽化學與藥物開發的基礎。
產科與內分泌 催產素（子宮收縮）與加壓素（抗利尿、血管收縮）的合成藥物成為產科標準用藥；後者的類似物成為重症醫學的升壓藥。
神經科學 腦啡肽與內啡肽的發現（1970 年代），確立「體內有自產的嗎啡樣物質」——開啟阿片類受體研究（2012 年諾貝爾生理醫學獎的相關卷宗，見 2012-萊夫科維茨與GPCR 的藥理學前史）。
蛋白質化學 胜肽合成的成功，讓「蛋白質可用化學方法建構」成為信念，直接鼓勵了固相合成（見 1984-梅里菲爾德與固相合成）與重組 DNA 時代的「先化學合成基因、再讓細菌表現」的思路（見 1980-伯格與重組DNA）。
科學史註記 迪維尼奧的小組由藥理化學家與有機化學家組成，是 1950 年代「有機化學 + 生理學」跨領域典範的代表。

關聯#