Франк Вестхаймер | |
---|---|
Рожденный | ( 1912-01-15 )15 января 1912 г. Балтимор, Мэриленд , США [1] |
Умер | 14 апреля 2007 г. (2007-04-14)(95 лет) Кембридж, Массачусетс , США |
Альма-матер | Дартмутский колледж ( бакалавр искусств ), Гарвардский университет ( магистр наук , доктор философии ) |
Известный | Механизмы ферментативного катализа и кинетические изотопные эффекты |
Награды | Премия столетия (1962) Премия Уилларда Гиббса (1970) Премия NAS в области химических наук (1980) Премия Розенстила (1980) Премия Артура К. Коупа (1982) Премия Уэлча в области химии (1982) Медаль Уильяма Х. Николса (1982) Национальная медаль науки (1986) Медаль Пристли (1988) Премия Наканиши (1997) |
Научная карьера | |
Поля | Физическая органическая химия |
Учреждения | Национальная академия наук Гарвардский университет |
научный руководитель | Джеймс Брайант Конант Элмер П. Колер |
Докторанты | Эмиль Т. Кайзер , Роберта Ф. Колман , Стивен А. Беннер |
Фрэнк Генри Вестхаймер (15 января 1912 г. — 14 апреля 2007 г.) — американский химик . Он преподавал в Чикагском университете с 1936 по 1954 г. и в Гарвардском университете с 1953 по 1983 г., став профессором химии имени Морриса Лёба в 1960 г. и почетным профессором в 1983 г. [2] В его честь в 2002 г. была учреждена медаль Вестхаймера. [3]
Вестхаймер проделал пионерскую работу в области физической органической химии , [4] применив методы физической химии к органической и объединив эти две области. [5] Он исследовал механизмы химических и ферментативных реакций, [6] и добился фундаментальных теоретических успехов. [5]
Вестхаймер работал с Джоном Гэмблом Кирквудом над электростатическим анализом карбоновых кислот по Бьерруму ; [4] [7] [8] с Джозефом Эдвардом Майером над расчетом молекулярной механики ; [4] [9] исследовал механизмы ферментативного катализа с Биргит Веннесланд [4] [6] [10] и определил механизмы окисления хромовой кислоты и кинетические изотопные эффекты . [11] [12]
В 1986 году он получил Национальную медаль науки «За серию выдающихся, оригинальных и проницательных исследований механизмов органических и ферментативных реакций, сыгравших непревзойденную роль в развитии наших знаний о путях протекания химических и биохимических процессов» [13] .
Фрэнк Генри Вестхаймер родился 15 января 1912 года в семье Генри Ф. Вестхаймера (1870–1960) и Кэрри К. (Бергундер) Вестхаймер (1887–1972) из Балтимора, штат Мэриленд .
Он окончил Дартмутский колледж в 1932 году. Затем он поступил в Гарвардский университет , где в 1933 году получил степень магистра химии, а в 1935 году — докторскую степень по химии. [2]
Вестхаймер приехал в Гарвард, надеясь провести исследование с Джеймсом Брайантом Конантом . Когда ему сказали, что Конант не будет брать новых студентов, Вестхаймер переждал его и, наконец, был принят в качестве его последнего аспиранта. [14] : 16–17 Вестхаймер выполнил некоторую работу по семикарбазону по предложению Конанта. [14] : 17 Конант также предложил Вестхаймеру поработать летом с Олсофом Корвином в Университете Джона Хопкинса . Проводя синтез порфирина с Корвином, Вестхаймер приобрел необходимый лабораторный опыт. [14] : 21–23
В 1933 году Конант стал президентом Гарварда и прекратил заниматься исследованиями. Тем не менее, взаимодействие Конанта с Вестхаймером имело долгосрочный эффект, [14] : 24–25 внушая Вестхаймеру необходимость «делать важные вещи». [15]
«Идея о том, что Конант по сути говорил: «Ну, эта проблема ничего, но, Боже мой, ты можешь сделать лучше», была очень важна для меня. С тех пор я пытался спрашивать себя о проблемах, действительно ли они стоят того, чтобы тратить на них время». [14] : 24–25
Вестхаймер закончил свою докторскую диссертацию с Э. П. Колером. Хотя Вестхаймер описал курс органической химии Колера как «чудесный», [14] : 26 Колер дал Вестхаймеру мало указаний или отзывов о его исследовании, которое было в значительной степени самостоятельным. Другой студент Колера, Макс Тишлер , расширил некоторые исследования Вестхаймера, что привело к совместной публикации о получении фуранола. [14] : 17–18 [16]
В 1935 и 1936 годах, будучи членом Национального исследовательского совета , Вестхаймер работал с физико-химиком Луисом П. Хэмметом в Колумбийском университете . Хэммет был основателем области физической органической химии . [17]
Вестхаймер преподавал в Чикагском университете с 1936 по 1954 год и в Гарвардском университете с 1953 по 1983 год . [2] Он занимал должность председателя химического факультета Гарварда с 1959 по 1962 год. [1] Он стал профессором химии имени Морриса Леба в Гарварде в 1960 году. Он ушел с преподавательской работы, чтобы стать почетным профессором в 1983 году, и ушел из исследований в 1988 году. [2] [1]
Первой академической должностью Вестхаймера была должность независимого научного сотрудника в Чикагском университете с 1936 по 1937 год. В 1937 году он стал преподавателем, а в 1948 году — профессором. [1] В качестве преподавателя химии он читал первый в университете курс по физической органической химии. [14] : 43
Во время второго года обучения Вестхаймера в Чикаго, Джон Гэмбл Кирквуд преподавал там. Вестхаймер работал с Кирквудом над проблемами органической химии, связанными с электростатикой . Вестхаймер связал электростатику с ее влиянием на свойства органических соединений. [14] : 43–47 Кирквуд и Вестхаймер опубликовали четыре классические статьи, развивающие фундаментальные идеи в энзимологии о теории электростатического влияния заместителей на константы диссоциации органических кислот. [1] Они разработали электростатический анализ Бьеррума карбоновых кислот . [4] [7] [8] Их модель Кирквуда-Вестхаймера для эллипсоидной полости примиряет работу Нильса Бьеррума по двухосновным кислотам с работой Арнольда Эйкена по дипольно замещенным кислотам, показывая, что они могут сосуществовать в одном физическом мире. [14] : 43–47 [18] Разработка и более полная проверка их идей потребовали сорока лет и развития компьютеров. [14] : 43–47 [18]
Во время Второй мировой войны , с 1943 по 1945 год, Вестхаймер работал в Национальном комитете по исследованиям в области обороны . [14] : 69–71 [2] Он был руководителем в Лаборатории исследований взрывчатых веществ в Брюсетоне, штат Пенсильвания . [1] [19] Он исследовал азотную кислоту , открыв новую функцию кислотности для реакций нитрования . Он не решался обсуждать свою работу над серией трифенилкарбинола с физико-химиками из-за требований секретности проекта. Другие исследователи, такие как Кристофер Ингольд, были первыми, кто опубликовал работы в этой области. [14] : 69–71
На Вестхаймера также оказало влияние развитие статистической механики физиками Джозефом Эдвардом Майером и Марией Гепперт-Майер , которые переехали в Чикагский университет в 1945 году. Вестхаймер применил принципы статистической механики к структуре органических молекул, чтобы лучше понять способы, которыми молекулы собираются из атомов. Вестхаймер сначала консультировался с Майером по поводу применения методов статистической механики к рацемизации оптически активных бифенилов. Все его расчеты были выполнены вручную. [14] : 65, 66–68 Работа стала моделью для изучения других элементов и считается основополагающей. [20] Область молекулярной механики , как она теперь известна, имеет широкое применение. [4] [9] [21] [22]
В 1943 году Вестхаймер начал публиковать работы по механизмам окисления хромовой кислоты, опубликовав «мастерский обзор» этой области в 1949 году. [1] [11]
В 1950 году биохимик из Чикагского университета Биргит Веннесланд обратилась к Вестхаймер по поводу проекта, который она и ее студент Харви Фишер выполняли, включающего изотопы в ферментативных реакциях. Веннесланд разработала проект, посвященный судьбе атомов водорода в алкогольдегидрогеназе . Результаты Веннесланд и Фишера были загадочными, поскольку определенный водород в паре при С1 в этаноле, по-видимому, был уникально реактивным в присутствии фермента. Вестхаймер присоединилась к проекту и помогла разработать объяснение, основанное на идее энантиотопности [ 6], чтобы объяснить, как фермент алкогольдегидрогеназа удаляет водород из молекулы спирта, позволяя организму метаболизировать спирт. [20] Исследователи опубликовали две классические статьи в 1953 году, «первую демонстрацию ферментативного различения между двумя энантиотопными атомами водорода на метиленовом атоме углерода этанола». [6] [23] [24] Явление, о котором они сообщили, было названо энантиоспецифичностью лишь гораздо позже. [25] Вестхаймер разработал дополнительные эксперименты, которые доказали их первоначальную гипотезу и установили изотопную хиральность ферментов. Эта работа была необходима для понимания топичности , энантиотопных и диастереотопных отношений между группами (или атомами) внутри молекул. [25] В 2006 году их статья 1953 года (часть I) получила премию Citation for Chemical Breakthrough Award от Отдела истории химии Американского химического общества. [26]
В 1953 году, вскоре после завершения работы над алкогольдегидрогеназой, Вестхаймер перешел в Гарвардский университет . Он продолжил интересоваться механизмами реакций, изотопами и окислением. В 1955 году Вестхаймер опубликовал первую из многих статей по химии фосфатных эфиров и производных фосфора. [1]
Он предположил, что АТФ переносит фосфат через реактивные мономерные метафосфатные виды. Хотя это не оказалось буквальным случаем, многие ферментативные реакции действительно протекают через переходные состояния, которые имеют это в качестве существенного компонента. [27]
В статье 1961 года Вестхаймер применил идеи статистической механики к эффектам изотопного замещения на реакционную способность органических молекул. [12] Его работа по величине кинетических изотопных эффектов (КИЭ) до сих пор является основой понимания в этой области. [28] : 418 [29] [30] Зависимость структуры переходного состояния от кинетического изотопного эффекта известна как эффект Вестхаймера. [31] Стандартный нетуннельный подход к КИЭ был разработан Вестхаймером [12] и Ларсом Меландером. [32] [28] : 550, 561 Постулат Меландера-Вестхаймера успешно предсказал способы, которыми изменяются КИЭ и структуры переходного состояния (ПС). [33]
Вестхаймер ввел идею фотоаффинной маркировки активного центра белков. [34] Идентификация «активных центров» фермента затруднена в случаях, когда белки имеют богатые углеводородами центры. В 1962 году Вестхаймер и другие продемонстрировали синтез п-нитрофенилдиазоацетата и последующее ацилирование химотрипсина с образованием диазоацетилхимотрипсина, который затем был фотолизирован. Введение алифатической диазогруппы в бифункциональный реагент позволило ему реагировать с ферментом. Фотометка генерировала реактивные карбеноидные виды, способные встраиваться в углеводородные связи CH. [35]
Вестхаймер также приблизился к реакциям переноса фосфата через механизмы, которые включают пятикоординированные промежуточные соединения. В 1968 году Вестхаймер исследовал псевдовращение в химии фосфатных эфиров [6] и предсказал возникновение псевдовращения оксифосфоранов. [36] Он показал значимость этого пути и важность стереохимических перестроек промежуточных соединений. Вестхаймер разработал набор руководств, основанных на экспериментальных наблюдениях, также известных как правила Вестхаймера. Они широко использовались для описания и прогнозирования продуктов и стереохимии реакций замещения с участием фосфора. [37] [38]
В статье Вестхаймера 1987 года в журнале Science под названием «Почему природа выбрала фосфаты» обсуждается важность фосфатов в качестве сигнальных и строительных блоков для живых организмов. Фосфаты обладают значением p K a , которое позволяет им дважды ионизироваться при физиологическом pH . Однократно ионизированная форма в фосфодиэфирных связях нуклеиновых кислот устойчива к гидролизу водой, но не настолько стабильна, чтобы не подвергаться ферментативному гидролизу. [39] Эта работа продолжает бросать вызов и вдохновлять исследователей, изучающих биологическую химию и реакции в РНК , ДНК и рибозимах . [40] [41] [42] [43]
Вестхаймер стал членом Национальной академии наук в 1954 году [44] , членом Американского философского общества в 1976 году [45] и иностранным членом Лондонского королевского общества в 1983 году. [46] [47]
Он возглавлял Комитет Национальной академии наук по обзору химии с 1964 по 1965 год. [1] Химия: возможности и потребности , также известный как «Отчет Вестхаймера», призвал федеральное правительство увеличить расходы на фундаментальные исследования в области химии, чтобы достичь паритета с другими физическими науками. [48] [49] Он определил биохимию как многообещающую и упускаемую из виду область медицинских и фармацевтических исследований. [20] Рекомендации отчета были реализованы, и он по-прежнему считается «всеобъемлющим, окончательным и перспективным». [5]
Вестхаймер был членом научного консультативного комитета президента Линдона Джонсона с 1967 по 1970 год. [20]
Вестхаймер входил в состав Совета Национальной академии наук в течение двух сроков, с 1973 по 1975 и с 1976 по 1978 годы, а также был советником Американского философского общества (1981-1984 годы) и секретарем Американской академии искусств и наук (1985-1990 годы). [1]
Помимо подчеркивания необходимости фундаментальных исследований, Вестхаймер был обеспокоен и другими политическими проблемами. Он выступал против войн во Вьетнаме и Ираке. Он был в курсе проблем окружающей среды, поддерживая меры по снижению загрязнения, борьбе с глобальным потеплением, повышению энергосбережения и разработке альтернативных источников энергии. Он выступал за то, чтобы науку преподавали по-новому, чтобы лучше обучать неученых научным вопросам. [5]
Среди многочисленных наград Вестхаймера [1] — премия Национальной академии наук США в области химических наук 1980 года, [50] премия Фонда Роберта А. Уэлча 1982 года, [51] премия «Золотая пластина» Американской академии достижений 1981 года, [52] Национальная медаль США в области науки 1986 года, [13] [53] медаль Пристли 1988 года; [54] премия Реплигена за химию биологических процессов 1992 года; [1] и премия Наканиши 1997 года. [55] [2]
«На протяжении четырех десятилетий Вестхаймер неоднократно демонстрировал способность браться за фундаментальную научную проблему — ту, которая казалась либо неразрешимой, либо очень сложной — и решать ее элегантным и совершенно определенным способом... Ему больше нравилось решать новые задачи, чем использовать большие новые области, которые он открыл». Элиас Джеймс Кори , 2007 [5]
В 2002 году в его честь была учреждена медаль Вестхаймера. Медаль присуждается Гарвардским университетом «за выдающиеся исследования в области химии», особенно в области органической и биологической химии. [3]
Фрэнк Х. Вестхаймер женился в 1937 году на Джин Э. Фридман. [5] У них было двое детей, Эллен Вестхаймер и Рут Сьюзан Вестхаймер. [20] [5]