诺奖问答| 2022 年诺贝尔化学奖授予点击化学和生物正交化学，有哪些信息值得关注？******

　　相比起今年诺贝尔生理学或医学奖、物理学奖的高冷，今年诺贝尔化学奖其实是相当接地气了。

　　你或身边人正在用的某些药物，很有可能就来自他们的贡献。

　　2022 年诺贝尔化学奖因「点击化学和生物正交化学」而共同授予美国化学家卡罗琳·贝尔托西、丹麦化学家莫滕·梅尔达、美国化学家巴里·夏普莱斯（第5位两次获得诺贝尔奖的科学家）。

　　一、夏普莱斯：两次获得诺贝尔化学奖

　　2001年，巴里·夏普莱斯因为「手性催化氧化反应[1] [2] [3]」获得诺贝尔化学奖，对药物合成（以及香料等领域）做出了巨大贡献。

　　今年，他第二次获奖的「点击化学」，同样与药物合成有关。

　　1998年，已经是手性催化领军人物的夏普莱斯，发现了传统生物药物合成的一个弊端。

　　过去200年，人们主要在自然界植物、动物，以及微生物中能寻找能发挥药物作用的成分，然后尽可能地人工构建相同分子，以用作药物。

　　虽然相关药物的工业化，让现代医学取得了巨大的成功。然而随着所需分子越来越复杂，人工构建的难度也在指数级地上升。

　　虽然有的化学家，的确能够在实验室构造出令人惊叹的分子，但要实现工业化几乎不可能。

　　有机催化是一个复杂的过程，涉及到诸多的步骤。

　　任何一个步骤都可能产生或多或少的副产品。在实验过程中，必须不断耗费成本去去除这些副产品。

　　不仅成本高，这还是一个极其费时的过程，甚至最后可能还得不到理想的产物。

　　为了解决这些问题，夏普莱斯凭借过人智慧，提出了「点击化学（Click chemistry）」的概念[4]。

　　点击化学的确定也并非一蹴而就的，经过三年的沉淀，到了2001年，获得诺奖的这一年，夏普莱斯团队才完善了「点击化学」。

　　点击化学又被称为“链接化学”，实质上是通过链接各种小分子，来合成复杂的大分子。

　　夏普莱斯之所以有这样的构想，其实也是来自大自然的启发。

　　大自然就像一个有着神奇能力的化学家，它通过少数的单体小构件，合成丰富多样的复杂化合物。

　　大自然创造分子的多样性是远远超过人类的，她总是会用一些精巧的催化剂，利用复杂的反应完成合成过程，人类的技术比起来，实在是太粗糙简单了。

　　大自然的一些催化过程，人类几乎是不可能完成的。

　　一些药物研发，到了最后却破产了，恰恰是卡在了大自然设下的巨大陷阱中。

　　　夏普莱斯不禁在想，既然大自然创造的难度，人类无法逾越，为什么不还给大自然，我们跳过这个步骤呢？

　　大自然有的是不需要从头构建C-C键，以及不需要重组起始材料和中间体。

　　在对大型化合物做加法时，这些C-C键的构建可能十分困难。但直接用大自然现有的，找到一个办法把它们拼接起来，同样可以构建复杂的化合物。

　　其实这种方法，就像搭积木或搭乐高一样，先组装好固定的模块（甚至点击化学可能不需要自己组装模块，直接用大自然现成的），然后再想一个方法把模块拼接起来。

　　诺贝尔平台给三位化学家的配图，可谓是形象生动[5] [6]：

　　夏普莱斯从碳-杂原子键上获得启发，构想出了碳-杂原子键（C-X-C）为基础的合成方法。

　　他的最终目标，是开发一套能不断扩展的模块，这些模块具有高选择性，在小型和大型应用中都能稳定可靠地工作。

　　「点击化学」的工作，建立在严格的实验标准上：

　　反应必须是模块化，应用范围广泛

　　具有非常高的产量

　　仅生成无害的副产品

　　反应有很强的立体选择性

　　反应条件简单(理想情况下，应该对氧气和水不敏感)

　　原料和试剂易于获得

　　不使用溶剂或在良性溶剂中进行(最好是水)，且容易移除

　　可简单分离，或者使用结晶或蒸馏等非色谱方法，且产物在生理条件下稳定

　　反应需高热力学驱动力（>84kJ/mol）

　　符合原子经济

　　夏尔普莱斯总结归纳了大量碳-杂原子，并在2002年的一篇论文[7]中指出，叠氮化物和炔烃之间的铜催化反应是能在水中进行的可靠反应，化学家可以利用这个反应，轻松地连接不同的分子。

　　他认为这个反应的潜力是巨大的，可在医药领域发挥巨大作用。

　　二、梅尔达尔：筛选可用药物

　　夏尔普莱斯的直觉是多么地敏锐，在他发表这篇论文的这一年，另外一位化学家在这方面有了关键性的发现。

　　他就是莫滕·梅尔达尔。

　　梅尔达尔在叠氮化物和炔烃反应的研究发现之前，其实与“点击化学”并没有直接的联系。他反而是一个在“传统”药物研发上，走得很深的一位科学家。

　　为了寻找潜在药物及相关方法，他构建了巨大的分子库，囊括了数十万种不同的化合物。

　　他日积月累地不断筛选，意图筛选出可用的药物。

　　在一次利用铜离子催化炔与酰基卤化物反应时，发生了意外，炔与酰基卤化物分子的错误端（叠氮）发生了反应，成了一个环状结构——三唑。

　　三唑是各类药品、染料，以及农业化学品关键成分的化学构件。过去的研发，生产三唑的过程中，总是会产生大量的副产品。而这个意外过程，在铜离子的控制下，竟然没有副产品产生。

　　2002年，梅尔达尔发表了相关论文。

　　夏尔普莱斯和梅尔达尔也正式在“点击化学”领域交汇，并促使铜催化的叠氮-炔基Husigen环加成反应（Copper-Catalyzed Azide–Alkyne Cycloaddition），成为了医药生物领域应用最为广泛的点击化学反应。

　　三、贝尔托齐西：把点击化学运用在人体内

　　不过，把点击化学进一步升华的却是美国科学家——卡罗琳·贝尔托西。

　　虽然诺奖三人平分，但不难发现，卡罗琳·贝尔托西排在首位，在“点击化学”构图中，她也在C位。

　　诺贝尔化学奖颁奖时，也提到，她把点击化学带到了一个新的维度。

　　她解决了一个十分关键的问题，把“点击化学”运用到人体之内，这个运用也完全超出创始人夏尔普莱斯意料之外的。

　　这便是所谓的生物正交反应，即活细胞化学修饰，在生物体内不干扰自身生化反应而进行的化学反应。

　　卡罗琳·贝尔托西打开生物正交反应这扇大门，其实最开始也和“点击化学”无关。

　　20世纪90年代，随着分子生物学的爆发式发展，基因和蛋白质地图的绘制正在全球范围内如火如荼地进行。

　　然而位于蛋白质和细胞表面，发挥着重要作用的聚糖，在当时却没有工具用来分析。

　　当时，卡罗琳·贝尔托西意图绘制一种能将免疫细胞吸引到淋巴结的聚糖图谱，但仅仅为了掌握多聚糖的功能就用了整整四年的时间。

　　后来，受到一位德国科学家的启发，她打算在聚糖上面添加可识别的化学手柄来识别它们的结构。

　　由于要在人体中反应且不影响人体，所以这种手柄必须对所有的东西都不敏感，不与细胞内的任何其他物质发生反应。

　　经过翻阅大量文献，卡罗琳·贝尔托西最终找到了最佳的化学手柄。

　　巧合是，这个最佳化学手柄，正是一种叠氮化物，点击化学的灵魂。通过叠氮化物把荧光物质与细胞聚糖结合起来，便可以很好地分析聚糖的结构。

　　虽然贝尔托西的研究成果已经是划时代的，但她依旧不满意，因为叠氮化物的反应速度很不够理想。

　　就在这时，她注意到了巴里·夏普莱斯和莫滕·梅尔达尔的点击化学反应。

　　她发现铜离子可以加快荧光物质的结合速度，但铜离子对生物体却有很大毒性，她必须想到一个没有铜离子参与，还能加快反应速度的方式。

　　大量翻阅文献后，贝尔托西惊讶地发现，早在1961年，就有研究发现当炔被强迫形成一个环状化学结构后，与叠氮化物便会以爆炸式地进行反应。

　　2004年，她正式确立无铜点击化学反应（又被称为应变促进叠氮-炔化物环加成），由此成为点击化学的重大里程碑事件。

　　贝尔托西不仅绘制了相应的细胞聚糖图谱，更是运用到了肿瘤领域。

　　在肿瘤的表面会形成聚糖，从而可以保护肿瘤不受免疫系统的伤害。贝尔托西团队利用生物正交反应，发明了一种专门针对肿瘤聚糖的药物。这种药物进入人体后，会靶向破坏肿瘤聚糖，从而激活人体免疫保护。

　　目前该药物正在晚期癌症病人身上进行临床试验。

　　不难发现，虽然「点击化学」和「生物正交化学」的翻译，看起来很晦涩难懂，但其实背后是很朴素的原理。一个是如同卡扣般的拼接，一个是可以直接在人体内的运用。

「　　点击化学」和「生物正交化学」都还是一个很年轻的领域，或许对人类未来还有更加深远的影响。（宋云江）

　　参考

　　https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2001/press-release/

　　Pfenninger, A. Asymmetric Epoxidation of Allylic Alcohols: The Sharpless Epoxidation[J]. Synthesis, 1986, 1986(02):89-116.

　　Rao A S . Addition Reactions with Formation of Carbon–Oxygen Bonds: (i) General Methods of Epoxidation - ScienceDirect[J]. Comprehensive Organic Synthesis, 1991, 7:357-387.

　　Kolb HC, Finn MG, Sharpless KB. Click Chemistry: Diverse Chemical Function from a Few Good Reactions. Angew Chem Int Ed Engl. 2001 Jun 1;40(11):2004-2021.

　　https://www.nobelprize.org/uploads/2022/10/popular-chemistryprize2022.pdf

　　https://www.nobelprize.org/uploads/2022/10/advanced-chemistryprize2022.pdf

　　Demko ZP, Sharpless KB. A click chemistry approach to tetrazoles by Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition: synthesis of 5-acyltetrazoles from azides and acyl cyanides. Angew Chem Int Ed Engl. 2002 Jun 17;41(12):2113-6. PMID: 19746613.

防二次感染？维护免疫力不能缺少维生素A！******

　　目前，全国各地陆续迎来感染高峰，有的人症状相对比较轻微，而有的人则戏称遭受到“新冠十大酷刑”，症状十分严重。感染症状的轻重，除了与毒株有关外，与每个人的免疫力强弱不同也有关。免疫力强的人更不容易出现危重症，痊愈后出现后遗症的概率也相对小。而维护免疫力，促进康复，避免二次感染，都离不开维生素A的帮助。

　　维生素A有促进上皮细胞的生长和分化的作用，对促进黏膜细胞增生，维持黏膜屏障的完整性有重要作用。

　　而黏膜是免疫系统的第一道防线，保持体内维生素A充足，有助于加固这道防线。

　　维生素A的食物来源有两类：一是植物性的，二是动物性的。

　　植物性食物中，绿色或黄色蔬果如菠菜、韭菜、豌豆苗、苜蓿、青椒、红薯、胡萝卜、南瓜、杏、芒果中含β-胡萝卜素较多，进入体内后会转化成维生素A。

　　动物性食物中，动物肝脏、鱼肝油、牛奶及蛋类中含量较高，是维生素A的良好来源。

　　成人维生素A的需要量为男性800微克RAE/天，女性700微克RAE/天。

　　补充维生素A，给大家推荐以下三种食物——

　　推荐一：猪肝

　　猪肝维生素A含量为4972微克RAE/天，含量非常丰富。

　　要注意的是，用爆炒的方法烹动物内脏存有一些风险，因为爆炒的过程中可能加热不够充分，没有足够高的温度和时间杀灭肝脏里的寄生虫，而用煮的方法相对更安全。煮的时间尽可能延长，要把猪肝煮烂，烂一点还有利于消化吸收。

　　如果喜欢炒食，切忌“快炒急渗”，更不可为求鲜嫩而“下锅即起”。要做到煮熟炒透，使猪肝完全变成灰褐色，看不到血丝才好，以确保食用安全。

　　在食用量上，也不要过多食用猪肝，以免维生素A中毒，一般成人可以每月食用动物内脏2-3次，每次25克(生重)。由于猪肝的胆固醇和嘌呤含量比较高，有忌口的慢性病患者慎吃。

　　推荐二：菠菜

　　菠菜富含胡萝卜素，同样可以在体内转化为维生素A。

　　食用菠菜，烹调前注意一定要焯水1分钟，这样草酸可以被焯掉60%-70%。

　　关于吃菠菜的量，建议大家一周不超过三次，一般情况下一次可以吃200-300克(生重)。一顿饭炒一盘菠菜，然后一周隔一两天吃一两次，可以热炒，可以煮，可以焯水后凉拌，本着清淡的原则去做都可以。

　　推荐三：胡萝卜

　　胡萝卜是胡萝卜素的良好来源。烹调时用油作为载体，能使胡萝卜的营养吸收率更高。

　　一般来说，炒一盘胡萝卜最大的用油量约10毫升，也就是一汤勺的量。如果不用油的话，同餐有肉类等含有脂肪的食物也可以。

　　文/于康(北京协和医院临床营养科教授)

　　◎知识链接◎

　　补充维生素C，别只知道柠檬这一种了！

　　虽然对维生素C能否防治感冒尚无确证，但毋庸置疑的是，对于维生素C摄入不足的人群来说，补充维生素C的确有提高机体免疫力的作用。如果长期缺乏维生素C，会让免疫系统的重要细胞——吞噬细胞的功能受到影响，人更容易感冒，也更容易出现倦怠、全身乏力等情况。

　　疫情期间，朋友们更要注意维生素C的补充。对于一般成人来说，维生素C的日常摄入量为100毫克/天，预防非传染性慢性病摄入量为200毫克/天。

　　如果饮食中的维生素C摄入不足，可以在医生指导下，通过服用维生素C补充剂来补充。

　　不过，补充维生素C并非越多越好。超大量服用维生素C不仅不会提高吸收率，还有可能增加患结石的风险。因此，服用补充剂时要遵医嘱，切勿超量。

　　补充维生素C最好的办法是吃蔬菜水果，只要是新鲜的，都是维生素C的良好来源。越新鲜，维生素C保留得越好。水果方便食用，不用加热，维生素C不会额外损失，下面推荐三种富含维生素C的水果。

　　第一种：鲜枣

　　在常见的水果中，鲜枣的维生素C含量名列前茅，高达243毫克/100克，差不多是苹果的60倍，梨和西瓜的40倍，桃的30倍，柠檬的10倍。

　　吃鲜枣时注意，一定要慢慢地咀嚼着吃，要把外面的皮嚼碎嚼烂了再吃进去。否则，由于枣皮在胃肠道消化较慢，如果吃得太快，可能会引起胃肠道不适。

　　在食用量上，一般成人可以每天用手抓一小把，抓多少就吃多少。鲜枣含糖量比较高，糖尿病患者慎吃。

　　第二种：猕猴桃

　　猕猴桃的维生素C含量高达62毫克/100克，吃一个普通大小的猕猴桃，可以满足一天维生素C需要量的1/2。普通人一天吃约400克的绿叶菜再加一个猕猴桃，基本就满足了一天的维生素C摄入量了。

　　除了富含维生素C，猕猴桃还含有较高的膳食纤维和维生素E、K等，对防治便秘、减肥和美容有一些帮助。

　　常见的猕猴桃有红心、黄心、绿心三种，很多朋友不知道哪种猕猴桃营养价值更高，其实都差不多，三种猕猴桃营养价值差别不大，大家按照喜好选择即可。

　　第三种：草莓

　　草莓酸酸甜甜，被称为“果中皇后”，深受大众的喜爱。实际上，草莓不仅口感美味，营养价值也特别好。

　　每100克草莓中含58.8毫克维生素C，远远超过苹果、梨等水果。草莓还含有丰富的β-胡萝卜素，β-胡萝卜素是合成维生素A的重要物质，具有维持正常夜视力、保护皮肤等多种作用。

　　草莓果质娇嫩，不易洗净，建议在自来水下用流动水冲洗30秒，浸泡几分钟，然后再用流动水冲洗一下。

　　文/于康(北京协和医院临床营养科教授)

　　(北京青年报)