第七讲 打破蛋白问到底——蛋白质

从豌豆中推测遗传因子的存在，到观察马蛔虫、海胆、蝗虫、果蝇的细胞核和染色体，人们找到了遗传的载体。

既然染色体是遗传的载体，那么，作为一个有好奇心、喜欢刨根问底的读者，下一个问题或许是：染色体中的什么成分才是实际完成遗传的载体呢？

染色体中超过一半的成分是人们早已见识过的蛋白质。人们知道肌肉、血液、皮肤、毛发等各种组织器官中都有蛋白质，所以，自然而然会推断蛋白质是遗传的物质和载体。这也是20世纪上半

科学界的共识。

当时人们发现，蛋白质是由氨基酸组成的。这一讲中的两位科学家，他们都在蛋白质研究方面成果卓著，而且，都获得过两次诺贝尔奖。

第一个故事，还要从20世纪40年代说起。

1943年，在剑桥大学工作的年轻人桑格从博士后导师那里接受了一个研究任务：测定一下胰岛素的氨基酸组成。说明一下，胰岛素是一种蛋白质。

他们选择胰岛素作为研究对象，一是因为胰岛素是糖尿病患者的特效药物，可以很容易地从附近的药店里买到，二是因为胰岛素分子比其他蛋白质小，结构相对简单。

在那个年代，生物化学家们想要了解一个蛋白质的氨基酸组成比例，总体而言还是不难的。可以用动物消化道里的消化酶，把蛋白质分解，最终变成单个氨基酸——因为那些消化酶的主要功能，

是将食物中的蛋白质降解成单个氨基酸，方便身体的吸收利用。然后，就可以根据不同氨基酸的特性，测定出每种氨基酸的相对比例了。

但是，桑格并没有停留在这一步。他不仅仅想测定胰岛素中氨基酸的组成，还想测定氨基酸的排列顺序。从组成到排列，不仅仅所含的信息量数量级增加，复杂度也是数量级增大。

他找到了一种特定的化合物（后来被称为“桑格试剂”），可以与多肽链末梢的氨基结合并显示出黄颜色。

他经过大量实验，发现有胰岛素有两个氨基酸染上了黄颜色。这是怎么回事呢？桑格推断胰岛素的氨基酸链有两条。

接下来，桑格想知道这两条互相连接的氨基酸链，里面的排序是怎么样的。

他用酶将蛋白质分解成小碎的片段，再用另一种酶将碎片进一步切割成更细小的氨基酸小片段。

然后，在氨基酸小碎片的溶液里放一张纸，由于毛细现象，这些氨基酸的小碎片段会在纸上爬。就像一首儿歌唱的：“ 阿门阿前一棵葡萄树，阿嫩阿嫩绿的刚发芽， 蜗牛背着那重重的壳呀，

一步一步地往上爬 ”。在这里往上爬的是氨基酸的片段。这种方法叫纸色谱法。

不同的氨基酸片段，就像不同大小和快慢的蜗牛，爬到不同的位置。然后，分析这些不同高度的氨基酸片段，就能分析出它原本的次序。

“阿树阿上两只黄鹂鸟，阿喜阿喜哈哈在笑他，葡萄成熟还早得很哪，现在上来干什么？

阿黄阿黄你呀不要笑，等我爬上它就成熟了”，是的，等到桑格分析出了这些纸上的彩色墨点，氨基酸的排序秘密就解开了，葡萄也就成熟了。

桑格的方法巧妙在于，把氨基酸链用酶切断，成小片，但是，并不是切成一个个单独的氨基酸，而是两个、三个氨基酸组成的氨基酸链。这样，保留了三三两两的氨基酸之间的顺序信息。再加

巧妙的分析，就能找到长链的顺序。

桑格就像一只勤奋、从不放弃的蜗牛，经过八年时间无数次单调乏味的实验，他终于找到了胰岛素的51个氨基酸的排列顺序。

胰岛素的氨基酸链型结构

这是一项了不起的重大突破。桑格在科学界对蛋白质的认识还很匮乏的情况下，不但明确回答了蛋白质具有结构，而且成为世界上第一个为蛋白质测序的人。

从此，人们意识到每种蛋白质都有独一无二的氨基酸序列，而正是独特的氨基酸排列顺序，决定了每一种蛋白质特别的功能。

1958年，桑格获得诺贝尔化学奖。

桑格这个内向文静的科学家，测序是他一生事业的主题。除了测定蛋白质结构，他还发明了测定RNA和DNA序列的方法，并因此在1980年第二次获得诺贝尔化学奖。

我们要讲的第二位科学家莱纳斯·鲍林，1901年出生于美国俄勒冈州。

鲍林的青少年时代是在逆境中度过的。他9岁丧父，身为家庭主妇的母亲无力抚养三个子女，家庭经济情况陷入困境。鲍林从13岁起就开始在课余时间打工挣钱。他干过许多工作，如在肉店帮

卖肉，在电影院帮助放电影等。

鲍林从小就对周围世界充满强烈的好奇心。有一天，一个同学给他做化学实验，把氯酸钾和糖混合，然后加入几滴浓硫酸。结果，火焰一下子窜出来，烈火烧过糖酸痕，瓷碗中只留下水和一堆

色的炭。鲍林对此很惊讶，立志成为化学家。

1917年，鲍林考取俄勒冈农学院化学工程系，中途因为家境困难一度辍学。1922年毕业，获得工程理学学位。后来，又去加州理工学院，读到了博士。

而后，他继续去欧洲求学，追随过好几位物理大师。他去过索末菲的实验室学习（索末菲是海森堡和泡利的导师），跟随玻尔、薛定谔和玻恩从事量子力学的研究，在布拉格实验室学习X射线

术，如饥似渴地吸取当时物理学的前沿知识。

鲍林在科学上的第一个重大贡献，是把量子力学应用到了化学中，研究化学键的本质和复杂的化学结构。他由此创立了化学键理论，并应用这一理论，与学生合作一共确定了不下225种物质的

子结构，创下了一个前所未有的纪录。

鲍林在科学上的第二个重大贡献，是进入生物学领域。他在1950年前后，攻克蛋白质结构。他和合作者研究了蛋白质晶体的X射线衍射图，发现在蛋白质的多肽链分子内存在α

螺旋体。这个螺旋每隔3.6个氨基酸旋转一次。

1954年，鲍林因为对化学键本质研究以及把它们应用于复杂的物质结构，而获得诺贝尔化学奖。

1955年，鲍林和爱因斯坦、罗素、玻尔等人呼吁“大家警惕”毁灭性武器所带来的危险。1957年5月15日，鲍林起草了《科学家及对核试验宣言》。在两周内，有2000多个美国科学家签了名，在

短几个月内，有49个国家的11000多名科学家签名。

1962年，鲍林因反对在地面测试核弹获得诺贝尔和平奖。

著名的英国《新科学家》杂志曾把他列为人类迄今为止最伟大的20位科学家之一，与伽利略、牛顿和达尔文等齐名，20世纪只有他与爱因斯坦比肩。

把这两位科学家放在一起来介绍，非常有意思。

桑格性格内向。1983年，65岁的桑格在事业如日中天时突然决定退休，直到2013年去世。桑格淡出人们的视线，享受了三十年安详静谧的退休生活，在家种菜养花。真像金庸小说《天龙八部》

的那位扫地僧，怀绝世武功，却深藏功与名，每天只是打扫寺院经阁。

鲍林敢于冒险、桀骜不驯、我行我素。他的晚年颇有争议，致力于“营养保健”的研究，极力鼓吹正分子医学、大剂量维生素疗法，遭到了医学界的批评。

这两位两赢诺贝尔奖的科学家家境和性格殊异，对于生活的选择也完全不同。但是，他们对于自然、生命和科学充满了好奇心。

桑格曾说: 科学研究是最激动人心的职业之一。测序是他最开创性的贡献，从蛋白质测序，到RNA测序，DNA测序，生命和遗传的奥秘在他的面前次第揭开。

鲍林曾说：对好奇心的满足是生活中最大的幸福源泉之一。他的一生，是对科学和真相不断求索的一生，从量子理论到化学键理论，到生物分子结构，再到人类和平。

正是他们这样的好奇心和钻研，使得我们越来越多地了解了蛋白质的结构。蛋白质分子折叠方式变幻无穷，只有当我们知道蛋白质如何折叠时，才能深入了解蛋白质的作用。这便是分子生物学

的蛋白质折叠问题，挑战了科学家半个多世纪。

此时此刻，你的体内正不断发生着这样的事情：午餐时吃下的水煮鱼片和麻婆豆腐中的蛋白质，被消化酶分解成一个个氨基酸，它们为你呼吸、凝视、思考、奔走提供所需要能量，并在一定的指令下盘绕、折叠而转化为你身体的一部分，你的血液，你的头发，你的肌肉和骨骼，这些身体的器官都是由蛋白质构成。在你的体内，味蕾的更新周期10天，肺部表面细胞的更新周期2到3周，皮肤的更新周期28天，红血球的更新周期4个月，骨骼的更新周期10年，大脑的更新周期与寿命相同。当十年后我们再次相见，虽然血液、肌肤、骨骼，已不再是旧日的你我，但是，记

里仍能闪回往日的时光。