Emil L. Smith | |
---|---|
engelsk Emil L. Smith | |
Födelsedatum | 5 juli 1911 |
Födelseort | New York , USA |
Dödsdatum | 31 maj 2009 (97 år) |
En plats för döden | Los Angeles , Kalifornien , USA |
Land | |
Vetenskaplig sfär | Biokemi , Kolloidal kemi |
Arbetsplats | |
Alma mater | |
Utmärkelser och priser |
Guggenheim Fellowship (1938) [1] Moore och Stein-priset (1987) [2] CIBA guldmedalj |
Emil L. Smith ( eng. Emil Smith ; 5 juli 1911 , New York - 31 maj 2009 , Los Angeles , Kalifornien ) var en amerikansk biokemist som gjorde betydande bidrag till proteinkemin, utvecklingen av metoder för rening, karakterisering av struktur och sekvensering av enzymer. Han var den första som påpekade klorofyllets proteinnatur i gröna växter och kraven på metalljoner för peptidasernas katalytiska aktivitet .
Emil Smith föddes den 5 juli 1911 i New York i en invandrarfamilj. Min far kom ursprungligen från Ukraina och till en början arbetade han som skräddare på Saks Fifth Avenue . Senare lyckades han öppna en liten butik och på så sätt ge sin familj ett drägligt liv. Emils mamma föddes i Vitryssland och var hemmafru. The Smiths fick två barn: Emil och Bernard, som föddes 1907. Föräldrarna hade ingen utbildning, men uppmuntrade på alla möjliga sätt barnens intresse för vetenskap och konst. Tack vare detta blev Bernard en respekterad bokredaktör, producent och författare, och Emil blev vetenskapsman och utbildare.
Emils talanger visade sig tidigt. Som nioåring började Smith, under inflytande av en granne som var radioingenjör, montera ihop små radioapparater, som han och en vän sålde till släkt och bekanta. Efter examen som extern student från New York Public School, vid 16 års ålder gick han in på Columbia University School of General Studies .
När Emil kom in på Columbia University kom Emil under inflytande av två begåvade lärare: James Howard McGregor, som undervisade i en avancerad kurs i evolution och genetik, och John Morris Nelson, som föreläste om organisk kemi och var aktivt intresserad av enzymer. Dessa två professorer ingav Emil ett intresse för studiet av proteiner – ett område där biologins och organisk kemis trådar är tätt sammanflätade.
Efter att ha tagit sin kandidatexamen 1931 fortsatte Emil att studera vid institutionen för zoologi vid Columbia University . Landet var mitt uppe i den stora depressionen , så Emil, för att försörja sig, tvingades undervisa 12 timmar i veckan samtidigt som han forskade.
Under sitt första år på forskarskolan tog Smith en kurs i sensorisk fysiologi från Selig Hecht, som banade väg för forskning inom allmän fysiologi och synens fysiologi [4] . Emil valde Hecht som sin mentor. Deras gemensamma arbete har lett till flera publikationer [5] .
I sitt doktorandarbete studerade Emil fotosyntesens beroende av ljusintensitet och koldioxidkoncentration [6] [7] . Resultaten fick honom att dra slutsatsen att fotosyntes i gröna växter var en komplex mekanism som involverade mer än en fotokemisk reaktion, en idé som stod i strid med Otto Warburgs accepterade arbete .
Smith noterade att hans matematiska formulering av den begränsande hastigheten för fotosyntes kan användas som ett kriterium för att underbygga någon teoretisk beskrivning av fotosyntesprocessen [6] . Denna formulering har verkligen bestått tidens tand mycket väl. För 2009 förblev det den bästa empiriska formuleringen för modellens fotosyntes-strålningskurva , vilket bekräftades genom jämförelse med experimentella data om primär produktivitet [8] .
Efter att ha disputerat blev Emil på allvar intresserad av proteiners kemi. Under sin vistelse i Colombia genomförde han en studie av klorofyll i gröna blad för att belysa dess struktur. Detta arbete var en logisk konsekvens av hans avhandling om fotosyntes och en förutsättning för efterföljande arbete med proteiner.
Hechts laboratorium använde en teknik för att solubilisera naturligt rhodopsin genom att extrahera näthinnan med en vattenlösning innehållande tvättmedlet digitonin . När Emil tillämpade denna metod på krossade löv, solubiliserades klorofyllet, och lösningens spektrum var mycket likt spektrumet av intakta blad, men skiftade till det långa våglängdsområdet jämfört med lösningar av blandningar a och b av klorofyll i en organisk lösningsmedel. Undersökning av extraktet i en ultracentrifug visade att klorofyllet fälldes ut av partiklar med en molekylvikt större än 70 000. Detta ledde till slutsatsen att "... de klassiska studierna av klorofyller och karotenoider var förknippade med protesgrupper av extremt komplexa specifika katalysatorer, möjligen analogt med hemoglobin ..." [9] . Detta grundläggande bidrag ignorerades i nästan femtio år [10] .
På Hechts rekommendation ansökte Emil om och fick ett Guggenheim-stipendium för att resa till Cambridge , dit han anlände i september 1938.
I slutet av 1930-talet var University of Cambridge en av de ledande inom studiet av proteiners struktur och egenskaper, och David Keilins laboratorium vid Molten Institute är särskilt attraktivt i detta avseende. I en intervju med Caylin uttryckte Smith intresse för att solubilisera cytokromoxidas med lösningar som innehåller gallsalter, ett tillvägagångssätt som har visat sig vara framgångsrikt vid framställning av rhodopsin. Men Kaylin rekommenderade fortsatt forskning om klorofyll-proteinkomplexet. Detta arbete avbröts abrupt i september 1939 på grund av andra världskrigets utbrott , då Smith tvingades återvända till New York.
Hecht tog Emil tillbaka till sitt laboratorium i Columbia. Där hade Emil tillgång till en spektrofotometer och annan utrustning som behövdes för att slutföra sina studier av klorofyll-proteinkomplexet och beskriva resultaten i detalj.
När han studerade detta komplex, samarbetade han med Edward Pickels , som tillsammans med Jesse Beams var utvecklaren av avancerade pneumatiska modeller av den höghastighets analytiska ultracentrifugen . De uppskattade från sedimentationskonstanten molekylvikten för klorofyll-proteinkomplexet, som var cirka 265 000 [11] . Dessa studier visade att proteiner från fotosyntetiska apparater kunde solubiliseras i lämpliga detergenter, att klorofyll och karotenoider förblev proteinbundna och att de spektroskopiska egenskaperna hos klorofyllkomplexet i det synliga området överensstämde med de som mättes in vivo för gröna blad.
Med resten av sitt andra år Guggenheim Fellowship flyttade Emil till New Haven 1940 för att arbeta på Connecticut Agricultural Experiment Station med Hubert B. Vickery , stationens energiska och begåvade chefsbiokemist [12] . Här fick han erfarenhet av proteinisoleringsmetoder, av kvantitativ analys av kväve och svavel och av gravimetrisk analys av vissa aminosyror.
Emil var involverad i forskning om hampfröglobulin , som har visat sig vara en proteinkälla för djurkost och fungera som ersättning för edestin . Men marijuanalagen från 1937 satte begränsningar för dess distribution och avbröt därigenom studiens framsteg. Emellertid lyckades Emil identifiera en lättillgänglig ersättare med en mycket liknande aminosyrasammansättning, pumpafrön-globulin ( Cucurbita pepo ) [13] .
Tidsfristen för Guggenheim-stipendiet gick ut hösten 1940, och det var lite arbete på universitetet då. Med stöd av sin klasskamrat och nära vän från Columbia University, Joseph Fruton , som arbetade med Max Bergmann vid Rockefeller Institute i flera år, fortsatte Emil sitt arbete inom proteinkemi och enzymologi i Bergmanns laboratorium. Max, som var den sista av eleverna till Emil Fischer , ansågs vara den mest framstående forskaren inom proteinkemi i världen, och lockade exceptionellt begåvade forskare att arbeta i laboratoriet. Emils samtida i Bergmanns grupp var William Stein , Stanford Moore , Joseph Fruton , Klaus Hoffman och Paul Zameknik , som blev hans livslånga vänner. Han tillbringade två år på Rockefeller Institute och satte riktningen för framtida forskning.
Genom att studera stereospecificiteten för reaktioner katalyserade av ett proteolytiskt enzym ( proteas ) av motsvarande proteinsubstrat, kom Bergmann till slutsatsen att igenkännandet av ett kiralt kol av ett enzym kräver att minst 3 grupper som omger kolatomen interagerar med enzymet [14 ] . Denna teori har kallats "polyaffinitetsteorin". Bevisen för att primärt intestinalt erestin hydrolyserar både L-leucyl-glycin och D-leucyl-glycin ställer tvivel på polyaffinitetsteorin. Bergmann bad Emil att utföra separata denatureringar för att visa att den intestinala erestinaktiviteten berodde på olika enzymer. Emil bestämde sig för att använda sin egen erfarenhet av proteinrening tillsammans med metoder. utvecklat i Kaylins labb för att isolera fraktioner som endast var aktiva på L- och D- isomererna , och därigenom ge bevis för att olika enzymer orsakade klyvningen av de två peptidstereoisomererna. Emil kunde också visa att aktiviteten hos renat L-leucinaminoexopeptidas beror på närvaron av mangan- och magnesiumjoner [ 15] [16] .
Emil var fördjupad i peptidforskning när andra världskriget ingrep igen. Inom några dagar efter den japanska attacken mot Pearl Harbor den 7 december 1941 förklarade USA krig mot Japan , Tyskland och Italien . För att bidra till det nationella försvaret fokuserade Bergmann sin forskning på syntetiska, analytiska och oorganiska problem som involverade kemiska gifter, särskilt kvävesenap .
Emil var inte redo för den nya inriktningen i Bergmanns forskning. En förfrågan från läkemedelsföretaget ER Squibb & Sons gav dock Emil möjligheten att göra en viktig insats för landets försvar. Squibb försåg USA med blodfraktioner. Marinen och marinkåren erbjöd sig att anställa honom som biofysiker-biokemist i blodfraktioneringsprogrammet. Emil accepterade erbjudandet och flyttade i slutet av juni 1942 till New Jersey , till staden New Brunswick .
Efter att ha kommit till Squibb stötte Emil på stora problem. Han hade ingen tidigare erfarenhet av industrin och ledde en arbetsstyrka som var dåligt förberedd för produktion av högrena biologiska produkter. Och produktionen måste sättas igång på kort tid. Så här beskrev han situationen i en intervju [17] :
Metoder som utvecklats i Edwin J. Cohns laboratorium (vid Harvard) utformades för att fungera med volymer från 5 till 10 liter. Vi var tvungna att arbeta med tusentals. Skalning var inte en fråga om enkel aritmetik eller multiplikation, nya metoder måste utvecklas. Dessutom började vi arbeta med personal från högskoleutexaminerade, och de hade inte den nödvändiga arbetserfarenheten. De fick lära sig att använda en pH-mätare och förbereda buffertlösningar, de fick lära sig att hantera proteiner och arbeta vid låga temperaturer... Vi lärde oss att montera några maskiner, det behövdes ett tre-kvarts tums stålrör, och om vi väntade på att det skulle göras på Squibb, skulle vi fortfarande vänta. Myndigheterna var för upptagna och det fanns inte tillräckligt med kvalificerade personer.
Alla dessa hinder övervanns snart, och gruppen började producera ampuller med sterila lösningar av serumalbumin i stor skala, och sedan, med tiden, gammaglobulin , fibrinogen , protrombin , etc. Emil hade turen att arbeta under Tillman D. Galow som var en utmärkt vetenskapsman och lärare med över 10 års erfarenhet på Squibb. Avdelningen arbetade med ett brett spektrum av terapier från antidoter till insulin . Emil och Galow samarbetade för att karakterisera de proteiner som är ansvariga för den antitoxiska aktiviteten hos hyperimmun hästplasma [18] .
Under perioden 1942 till 1946, medan han arbetade på Squibb, lyckades Emil också genomföra en betydande mängd grundläggande forskning, som ingick i 8 publikationer i Journal of Biological Chemistry för 1946-1947. Emil lämnade Squibb 1946, men företaget behöll honom som chefsjurist under de följande 20 åren.
När kriget tog slut, försökte han återvända till akademin för att dela sina idéer med nära vänner.
1942 etablerades en 4-årig medicinsk skola vid University of Utah . Maxwell M. Wintrobe, en framstående hematolog, utnämndes 1943 till dekanus för medicinska fakulteten med uppgiften att rekrytera studenter och utveckla ett forskningsprogram.
Lagen om offentlig hälsovård, som antogs den 1 juli 1944, gav hälsoministern befogenhet att ge bidrag för att hjälpa universitet, sjukhus, laboratorier och andra offentliga eller privata institutioner. Wintrobe ansökte till US National Institutes of Health (NIH) om ett bidrag för att stödja ett program för att studera muskeldystrofi , ärftliga och andra metabola störningar . Många familjer i Utah drabbades av ärftlig muskeldystrofi , och den stora mängden mormons genealogiska data var en värdefull tillgång för den föreslagna studien. Ansökan har godkänts.
Våren 1946 bjöd Louis Goodman in Emile att överväga att delta i ett nytt projekt. Winrob, som huvudutredare, ledde NIH-anslaget med Horace Davenport ( fysiologi ), Leo Samuels ( biokemi ) och Goodman som co-leads. Emil har erbjudits en tjänst som biträdande professor i biokemi och senior forskare i medicin vid University of Utah under förutsättning att han organiserar ett laboratorium för sin forskning, men hans utrustning kommer även att vara tillgänglig för andra proteinkemiforskare vid universitetet. Efter att ha träffat denna grupp accepterade Emil erbjudandet utan att först besöka Utah [19] .
Emil, Esther och deras tvåårige son anlände till Salt Lake City i juli 1946. Vid ankomsten satte Emil igång med att inrätta ett laboratorium och föreläsa för läkarstudenter och en kurs i proteinkemi för doktorander. Emils assistent på Squibb, Douglas Brown, anslöt sig till honom i januari 1947 och hjälpte till att bygga upp det nya laboratoriet. Brown, som var expert på användningen av Pickels nya ultracentrifug och Tiselius-apparaten för elektrofores , gjorde betydande bidrag till forskningen och var medförfattare till många artiklar under åren. Deras samarbete och vänskap fortsatte till 1979, då Emil gick i pension.
I Utah uppmärksammades Emil på den fortsatta studien av proteolytiska enzymer, som han hade påbörjat under sitt arbete med Bergmann, med särskild uppmärksamhet på de metalljoner som krävs för stabilitet och aktivitet. Arbete från 1947 till 1953 resulterade i flera publikationer om vävnadsfördelning, rening, karakterisering och substratspecificitet för många proteolytiska enzymer från olika organismer.
1949 föreslog Emil att metalljonen är en del av metalloproteinernas katalytiska centrum och att den spelar en nyckelroll i substratbindning och hydrolys , genom att bilda ett kelatkomplex med enzymet och substratet [20] . Denna artikel uppmärksammade de strukturella och mekaniska aspekterna av enzymatisk katalys och väckte stort intresse. Men vid den tiden var ingenting känt om de tredimensionella proteinstrukturerna och nyanserna av enzymatisk katalys. I sin artikel varnade Emil för att den verkliga teorin kanske inte var korrekt, och denna försiktighet visade sig vara lämplig. Senare noterade han kortfattat [21] :
...många idéer visade sig vara ganska naiva och förutspådde fel mekanismer.
I början av 1950-talet insåg Emil att sekvensering av aminosyrorna i proteolytiska enzymer var ett viktigt steg mot att belysa deras katalytiska aktivitet på molekylär nivå. Tiden har kommit då det blev möjligt. 1948 slutförde Sanger aminosyrasekvenseringen av två insulinkedjor på 21 respektive 30 enheter.
Vid Rockefeller Institute utvecklade Moore och Stein känsliga metoder för kvantitativ analys av aminosyror och metoder för att separera proteiner med hjälp av jonbyteskromatografi . De utvecklade också automatiserade fraktionssamlare och en aminosyraanalysator som de använde för att bestämma aminosyrasekvensen för ribonukleas , ett enkelsträngat protein med 124 aminosyrarester och fyra disulfidbindningar. Men även med så stora framsteg inom metodiken var det inte möjligt att helt bestämma den primära strukturen för ribonukleas förrän 1963.
Emils uppmärksamhet ägnade sig åt papain , ett sulfhydrylproteas , vars aminosyrasekvens han ville bestämma. Han började med torkad papayalatex av hög kvalitet och utvecklade en elegant metod för att framställa stora mängder kristallint papain och undersökte substratspecificiteten hos det rena proteinet [22] . Papainsedimenteringskoefficienten förutspådde en molekylvikt på 20 500 och en polypeptidlängd på 170 fragment, vilket var 36 aminosyrarester längre än ribonukleaskedjan. Tyvärr uppstod svårigheter i processen för att bestämma aminosyrasekvensen i papain, vilket ledde till att arbetet avslutades först 1970.
Etableringen av Metabolic Laboratory, utrustad med modern utrustning för rening, karakterisering och automatisk aminosyraanalys av proteiner, såväl som deras separation, tillsammans med en ökad erfarenhet av bestämning av aminosyrasekvenser, möjliggjorde forskning som hade intressant resultat. 1959 anlände Emanuel Margoliash till laboratoriet, som med stöd av Emil började bestämma aminosyrasekvensen i cytokrom c , erhållen från ett hästhjärta och innehållande 104 fragment. Under ett års arbete slutförde han nästan helt sekvenseringen av de flesta kymotrypsinpeptider.
Vid den här tiden fick Emil veta av Hans Tuppi att han arbetade med Günther Kreil i Wien på tryptiska peptider av cytokrom c . Detta ledde till samarbete mellan forskare och gemensam publicering av resultat med en fullt definierad aminosyrasekvens [23] . Eftersom cytokrom c är allestädes närvarande i eukaryota celler , skulle kunskap om dess aminosyrasekvenser för ett brett spektrum av biologiska arter möjliggöra jämförelse mellan fylogenetiska träd som är direkt relaterade till sekvensen av länkar och egenskaper hos organismen. För detta ändamål började Emil och Emanuel sekvensera andra typer av cytokrom c.
Mellan 1961 och 1970 bestämde grupperna Emil och Margoliash aminosyrasekvenserna för cytokrom c för människor, apor, hundar, får, valar, hajar, skallerormar, täta neurosporer ( Neurospora crassa ), vetegroddar, etc. [24 ] erhållna data överensstämde med idéerna om aminosyrasammansättningen av proteiner som motsvarar arter som tillhör oberoende fylogenetiska träd och som utvecklas oberoende. Och bestämningen av sekvensen av hemoglobinenheter, utförd 1965 av Zuckerkandl och Pauling , gjorde det möjligt att introducera begreppet molekylär klocka .
1963 lämnade Emil Utah för att bli dekanus för Institutionen för fysiologisk kemi vid UCLA School of Medicine Det var de första dagarna av skolans existens. Klasserna för de första tjugoåtta läkarstudenterna började 1951. Och i skolans och universitetssjukhusets nuvarande byggnader 1954 respektive 1955. Kort efter ankomsten till Los Angeles bytte Emil namnet på institutionen till Institutionen för biologisk kemi och började anstränga sig för att göra den till en stark och lovande utbildningsinstitution genom att locka begåvade unga vetenskapsmän.
I början av 1965 grundade Emil Institutet för molekylärbiologi vid University of California, Los Angeles , tillsammans med Paul Boiler .
På universitetet fortsatte Emil de forskningsprojekt som startat i Utah. Han ägnade resten av sin karriär åt att bestämma aminosyrasekvenser i noggrant utvalda proteiner. Inledningsvis låg fokus på cytokrom c isolerat från olika eukaryota arter. Resultaten av dessa studier ger tillsammans en inblick i utvecklingen av proteiner.
Parallellt startade Emil ett projekt för att bestämma aminosyrasekvenserna i BPN' och Carlsberg subtilisiner , utsöndrade proteolytiska enzymer från höbacillus ( Bacillus subtilis ), en variant av amylosacchariticus och i Bacillus licheniformis . Dessa enzymer, som är serinproteaser, blir inaktiva när de reagerar med diisopropylfluorfosfat, liksom trypsinfamiljens proteaser . Aminosyrasekvensdata, tillsammans med senare bestämda kristallstrukturer, ledde till oväntade resultat. Även om de katalytiska aktiviteterna och specificiteterna för dessa enzymer var mycket lika, skilde sig dessa två mycket homologa proteiner från varandra i 82 (30%) av 275 positioner, trypsin. Överraskande fann man att de aktiva ställena för subtilisiner och proteaser i trypsinfamiljen hade "katalytiska triader" av aspartat-, histidin- och serinfragment, en vanlig katalysmekanism, såväl som naturen och samma arrangemang av bindningsställen med polypeptidsubstratet. Det är fortfarande ett slående exempel på konvergent evolution på molekylär nivå.
1967 bjöd James Bonner in Smith att samarbeta med att sekvensera aminosyraresterna i histon IV från tymus och ärtplantor. Tidigare visade Douglas Fambro i sitt laboratorium att dessa histoner III-IV, erhållna med polyakrylamidgelelektrofores, är mycket lika i aminosyrasammansättning och har identiska N-terminala grupper [25] . Emile accepterade erbjudandet och Bob Delange , en begåvad kille som specialiserat sig på proteinkemi, satte igång. Projektet arbetades intensivt med och redan 1969 publicerades de fullständiga aminosyrasekvenserna för två histoner. Resultaten var imponerande. Sekvenserna var identiska 100 rester av 102 med två substitutioner valin/isoleucin och lysin / arginin . Dessa är de mest lika proteinkedjorna som är kända från så vitt skilda organismer. Noterbart fanns det skillnader i strukturen av den posttranslationella modifieringen i storleken och fördelningen av e-N-acetyllisin.
Emellertid observerades ett ännu mer komplext mönster av posttranslationell modifiering för histon III i kalvtymus. Under ε-N-metylering av lysinenheter observerades ε-N-monometyl-, ε-N-dimetyl-, ε-N-trimetyllysin vid varje aktiv plats och mycket mindre frekvent vid andra positioner [26] .
Emil visade stora ansträngningar för att främja internationellt vetenskapligt samarbete, särskilt med Sovjetunionen och Kina. 1973 ledde han, som medordförande för kommittén för vetenskapliga förbindelser med Folkrepubliken Kina, en förhandlingsdelegation i Peking för det första utbytesavtalet mellan USA:s och kinesiska nationella vetenskapsakademier, som nådde slutet av en lång period av tid då det inte fanns någon kontakt mellan forskarna i de två länderna. Under dessa förhandlingar träffade han premiärminister Zhou Enlai .
1954 publicerade Smith läroboken Principles of Biochemistry, författad tillsammans med Abraham White , Philip Handler och Stefan de Witt . I 22 år har boken gått igenom 7 upplagor.
Mitt i skolan började Emil spela saxofon och efter två år med en lärare gick han vidare till att arbeta som professionell jazzmusiker, mycket tack vare Moss-Hallett Agency . Inkomster från föreställningar bidrog till att betala för högskoleutbildning i Columbia. Under hans sista klubbframträdande den 31 december 1931 var han medlem i Eddie Edwards Dixieland Band , och spelade i New York på Webster Hall Dagen efter, på en nyårsfest, träffade Emil sin blivande fru Esther Press.
I ett av sina tal uttryckte Emil sin tacksamhet till sin fru för det många decennier av stöd han fick av Esther:
utan hennes munterhet och optimism hade allt detta inte kunnat hända.
Han var mycket stolt över sina söner, Donald och Geoffrey, och var särskilt nöjd över att båda hade valt vetenskapliga karriärer, den ena inom biokemi, den andra inom medicin [17] .
![]() | ||||
---|---|---|---|---|
|