蘇教版-必修一-專題1 化學(xué)家眼中的物質(zhì)世界-第一單元 豐富多彩的化學(xué)物質(zhì)公開課

對人工合成結(jié)晶牛胰島素的回憶中國科學(xué)院院士鄒承魯1958年是中國歷史上一個令人難忘的年頭。在“大躍進(jìn)”的聲浪中，千百萬急于擺脫幾個世紀(jì)以來貧窮落后帽子的中國人用豪言壯語設(shè)定了許多令人難以置信的雄偉目標(biāo)。中國的科學(xué)家們也熱切希望做出舉世矚目的科學(xué)成就。在當(dāng)時的中國科學(xué)院上海生物化學(xué)研究所，各種各樣的想法一個接一個地被提出來，經(jīng)過激烈的討論，而又一個又一個地被否決掉。當(dāng)時爭論極為熱烈，經(jīng)常是兩三個人同時爭著發(fā)言，所以現(xiàn)在很難想起確切的是誰首先提出了人工合成蛋白質(zhì)的想法。不過，這一主張一提出，馬上獲得一致的贊同。這不僅因?yàn)榇蠹叶贾赖鞍踪|(zhì)對生命的重要性，它是所有生命活動的主要承擔(dān)者；還因?yàn)樵谀莻€時代談蛋白質(zhì)的人工合成還有相當(dāng)?shù)纳衩馗?，因此人工合成蛋白質(zhì)無疑是一個驚人的科學(xué)壯舉。這個想法也贏得了領(lǐng)導(dǎo)的支持，并且得到此項(xiàng)目得以進(jìn)行的充足的經(jīng)費(fèi)。這在很大程度上真應(yīng)該歸功于恩格斯說過的一句話：“蛋白質(zhì)是生命的存在形式”，因此合成了蛋白質(zhì)就是在合成生命的道路上前進(jìn)了一大步。在“文革”的困難日子里，幾乎所有嚴(yán)肅的基礎(chǔ)研究都被徹底禁止了。而正是因?yàn)橐葝u素合成的成功，使得測定胰島素晶體結(jié)構(gòu)的工作得以啟動進(jìn)行?，F(xiàn)在北京生物大分子國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的一個優(yōu)秀的X－射線晶體學(xué)研究小組的核心便是在那時形成的。在熱火朝天的1958年，我把自己對酶的興趣暫且放在一邊，參加了上海生物化學(xué)研究所牛胰島素的人工全合成工作。選擇胰島素作為當(dāng)時人工合成蛋白質(zhì)的對象是有道理的，不僅僅因?yàn)橐葝u素只有51個氨基酸，分子小，還因?yàn)樗钱?dāng)時唯一已知一級序列的蛋白質(zhì)。其一級序列的測定工作剛剛由英國的完成不久，為此他獲得了諾貝爾獎?；厥淄?，今天的肽鏈合成技術(shù)和我們那個時候真有天壤之別?，F(xiàn)在我們能用合成儀方便地合成一段合適長度的肽段，要做的只是設(shè)置程序，加進(jìn)所需的氨基酸和其他試劑，按下按鈕，機(jī)器就自動工作，幾天之后我們就能收到所要的肽段?，F(xiàn)在常用的固相合成方法則是美國的Merrifleld在1963年首創(chuàng)的，并使他獲得諾貝爾獎?？墒窃谒氖昵?，蛋白質(zhì)的合成，哪怕只是胰島素這樣一個小蛋白，都是件令人生畏的事。世界上首例多肽合成，是duVigneaud在1953年合成的一個八肽，催產(chǎn)素。這項(xiàng)工作使他獲得了1955年的諾貝爾化學(xué)獎。到1958年，人工合成的最長的肽段是促腎上腺皮質(zhì)激素的一個片段。更為困難的是，當(dāng)時我國還沒有多肽合成的經(jīng)驗(yàn)，除了谷氨酸鈉（味精）之外，我國甚至沒有制造過任何氨基酸。實(shí)際上，這一項(xiàng)目確實(shí)也耗資巨大，如一位執(zhí)異議者后來所言，所用去的化學(xué)溶劑之多，足以灌滿一個游泳池。A鏈和B鏈的組合胰島素是由兩對二硫鍵聯(lián)結(jié)的兩條肽鏈組成的。除鏈間二硫鍵外，在A鏈上還有一對鏈內(nèi)二硫鍵。因此，在工作初期，曾考慮了三種合成方案以供選擇。其中最為現(xiàn)實(shí)可行的方案是分別合成A鏈和B鏈，然后通過巰基的氧化使兩條鏈正確組合。當(dāng)時我的任務(wù)是摸索胰島素分子先經(jīng)過還原、分離純化之后的A鏈和B鏈?zhǔn)欠衲芡ㄟ^氧化重新組合形成天然的胰島素分子。這一問題是胰島素人工全合成成功的關(guān)鍵。而我有幸能和幾位才華橫溢的年輕人在一起工作。他們之中包括杜雨蒼、許根俊、魯子賢和張友尚等，現(xiàn)在他們都是卓有成就的科學(xué)家了。我們開始查閱文獻(xiàn)時發(fā)現(xiàn)我們的前景并不樂觀，國外許多人都曾嘗試過把還原的胰島素肽鏈重新組合，以期獲得一定產(chǎn)率的天然胰島素，而這些探索都無一例外地失敗了，甚至有人報道說，對于部分還原的胰島素而言，氧化會導(dǎo)致活力的進(jìn)一步降低。當(dāng)時除了像催產(chǎn)素這樣的小肽以外，還沒有一個含二硫鍵的蛋白能在還原后通過氧化而成功地再生。等到使Anfinsen獲得諾貝爾獎的工作，即氧化被還原的核糖核酸酶肽鏈能得到活力恢復(fù)發(fā)表時，我們都已經(jīng)由還原的胰島素肽鏈得到相當(dāng)產(chǎn)率的胰島素了。Anfinsen的工作要容易得多，因?yàn)楹颂呛怂崦钢挥幸粭l肽鏈；而胰島素則是由兩條肽鏈組成的，而兩條肽鏈可以以任何比例組合，這就大大增加了問題的復(fù)雜性。我們那時沒有被洋人的失敗嚇倒，反而迎難而上，著手分離A鏈和B鏈，然后試圖使它們正確組合以形成天然的胰島素。當(dāng)年我才三十多歲，卻是小組中最年長也是顧慮最多的人，而我那些年輕的同事們則不像我那樣擔(dān)心別人的失敗，他們都有股“初生牛犢不畏虎”的勁頭。為了氧化被還原的肽段，我們歷經(jīng)艱辛，最終發(fā)現(xiàn)了不使用氧化劑而使氧化反應(yīng)在低溫下由空氣緩慢完成的方法。這使我們在很短的時間內(nèi)取得了鼓舞人心的結(jié)果，獲得10％的活力恢復(fù)！由于肽鏈能以不同比例組合，巰基間形成二硫鍵的可能性是數(shù)不勝數(shù)的，在理論上應(yīng)該說是無窮的。因此我們所得的10％的產(chǎn)率大大超過了巰基間隨機(jī)配對可能得到的產(chǎn)率。我們的結(jié)果暗示著胰島素的天然結(jié)構(gòu)是其所有可能結(jié)構(gòu)中最穩(wěn)定的一個。我們所得到的粗產(chǎn)物經(jīng)進(jìn)一步純化和結(jié)晶，終于得到和天然胰島素具有相同活力和晶型的晶體，胰蛋白酶水解物雙向紙層析和電泳的結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)氧化后所得的胰島素與天然胰島素完全相同，上述這些重要的結(jié)果我們在1959年的秋天就得到了，但我們知道德國和英國的研究小組也在進(jìn)行胰島素合成的研究，很自然我們必須對我們的結(jié)果保密。同時由于“大躍進(jìn)”的緣故，中國所有的學(xué)術(shù)刊物都被迫?？?，包括當(dāng)時國內(nèi)唯一用西文出版的刊物《中國科學(xué)》。再說，那個時代當(dāng)然是不可能在國外發(fā)表論文的。直到1960年Dixon和Wardlaw在《NATURE》上發(fā)表論文，報道氧化被還原的肽鏈得到1—2％的胰島素之后，我們才決定在《中國科學(xué)》發(fā)表我們的結(jié)果，第一篇論文發(fā)表在1961年10月《中國科學(xué)》恢復(fù)出版后的第一期上。同時我們一直在摸索進(jìn)一步提高產(chǎn)率的條件。不久，我們把產(chǎn)率提高到了30％～50％！這些研究為胰島素的最終全合成掃清了道路。胰島素的合成是由三個單位協(xié)作完成的。上海生物化學(xué)研究所由鈕經(jīng)義和龔岳亭領(lǐng)導(dǎo)的小組負(fù)責(zé)B鏈的合成；上海有機(jī)化學(xué)研究所由汪猷領(lǐng)導(dǎo)的小組以及北京大學(xué)由邢其毅領(lǐng)導(dǎo)的小組共同負(fù)責(zé)A鏈的合成，兩條鏈都是通過傳統(tǒng)的片段縮合法合成的；我的小組負(fù)責(zé)兩條肽鏈的組合。盡管當(dāng)時已有了一些保護(hù)基團(tuán)和去除這些基團(tuán)的方法，但每種蛋白都有其獨(dú)特的性質(zhì)，具體問題需具體對待，因此肽鏈的合成遠(yuǎn)非是一種成熟的常規(guī)的技術(shù)，對活潑的側(cè)鏈基團(tuán)而言，必須小心地保護(hù)它們以防它們參與肽鏈的延伸反應(yīng)而形成分叉的肽鏈。但在必要時，卻又要去掉這些保護(hù)基團(tuán)，才能成功地合成所需的胰島素肽鏈。A鏈和B鏈的合成B鏈的合成以及由人工合成的B鏈與天然的A鏈構(gòu)建成胰島素首先獲得成功，其結(jié)果在1964年發(fā)表。而A鏈的合成卻遇到些麻煩，因此龔岳亭加入到上海有機(jī)化學(xué)研究所的小組中幫助解決問題。當(dāng)我們通過小鼠驚厥實(shí)驗(yàn)證明純化的人工合成胰島素確實(shí)具有和天然胰島素相同的活性時，那一刻真是令人終身難忘。這個最后進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是在1965年的一個清晨進(jìn)行的。只有與這個實(shí)驗(yàn)直接有關(guān)的人員才允許觀察小鼠經(jīng)受第一個人工合成蛋白質(zhì)處理的反應(yīng)，而其他關(guān)注此事的人只能在另一間屋子里焦急地等待。當(dāng)注射了合成胰島素的小鼠驚厥實(shí)驗(yàn)宣布成功時，那實(shí)在是一個無法用語言形容的激動人心的時刻。余波我們1965年在《中國科學(xué)》上發(fā)表了一篇簡報介紹我們的結(jié)果，而這一工作的全文則發(fā)表在次年《科學(xué)通報》的一期?？稀．?dāng)年春天，王應(yīng)睞先生和我因?yàn)榱硗庖豁?xiàng)研究工作被邀請參加在華沙召開的一次歐洲生化會議，在胰島素的化學(xué)合成中擔(dān)當(dāng)重任的龔岳亭和我們同去。當(dāng)時我們想在這個國際會議上介紹關(guān)于胰島素人工合成的情況，并準(zhǔn)備公布我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。我們的發(fā)言被安排在一間狹小的房間里并限時為10分鐘。Sanger也在聽眾之中，由于我們早就遞交了摘要，我本以為會議會給我們更長一些時間發(fā)言，但就會議組織者而言，我是為別的工作被邀請作報告的，而胰島素又和會議的主題不甚符合，因此我們還是只有短短10分鐘時間。后來，我被邀請參加一個只有少數(shù)人參加的自助餐宴會。我的老朋友，后來是匈牙利總統(tǒng)的BrunoStraub教授告訴我，應(yīng)邀出席宴會的都是向大會遞交了非常重要論文的人。當(dāng)時我們哪里知道，回國兩個月后就迎來了“文化大革命”?！拔母铩背跗冢Z貝爾獎獲得者Kendrew爵士來中國訪問，他告訴我們，胰島素人工合成的消息在英國電視的“黃金時間”中播出，上百萬人觀看了這條新聞。無疑，這是最為英國人所知的中國科學(xué)成就，他在上海生物化學(xué)研究所作學(xué)術(shù)報告時，我被安排為他翻譯，卻又被告知不得透露自己的身份，我在劍橋時就認(rèn)識他，當(dāng)時他常來我所在的研究所看望我的導(dǎo)師。此次來中國，我已經(jīng)離開劍橋15年了，變化之大使他已認(rèn)不出我。我當(dāng)時只是個微不足道的翻譯，穿著一身舊藍(lán)布制服，無疑和他所認(rèn)識的那個劍橋年輕學(xué)生的形象相去甚遠(yuǎn)。盡管如此，他對我的英語大為驚訝，問我是否到過外國，我只好說沒有。他又問我是在哪里學(xué)的英語，我就說是在學(xué)校學(xué)的。他說：“那你一定在一所非常好的學(xué)校上過學(xué)?！?/p>

1966年底，A．Tiselius訪問了中國，那時我的處境已經(jīng)惡化到不允許見任何外國客人了。由于他當(dāng)時是瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎評審委員會化學(xué)組的主席，人們很自然地把他和物色合適的諾貝爾獎候選人聯(lián)系起來。有些從未參與胰島素具體工作的人自己擠到前面，或被領(lǐng)導(dǎo)推至前臺，遺憾的是仍然無法和諾貝爾獎聯(lián)在一起。后來我得知Tiselius對胰島素全序列人工合成的評價很高。當(dāng)被問及對中國第一顆原子彈爆炸的看法時，他的回答卻是：“你們能從書上學(xué)到原子彈的知識，但學(xué)不到人工合成胰島素。”“文革”期間，盡管真正的科學(xué)研究被壓制，但這并不妨礙當(dāng)時的領(lǐng)導(dǎo)利用胰島素合成在西方的名氣大做文章。1973年，中國與美國的互訪成為可能。同年，一個生物化學(xué)家代表團(tuán)訪美。當(dāng)年的胰島素協(xié)作組長，此時在名義上仍是上海生物化學(xué)研究所所長的王應(yīng)睞教授被任命為副團(tuán)長，而一個在胰島素化學(xué)合成即將結(jié)束時才剛畢業(yè)參加工作的人，由于人所共知的原因，被指定擔(dān)任團(tuán)長。由A鏈和B鏈能成功地組合成胰島素，并得到相當(dāng)可觀的產(chǎn)率，后來被國外其他從事胰島素合成的實(shí)驗(yàn)室所證實(shí)，并應(yīng)用到七十年代末由重組DNA技術(shù)得到的A鏈和B鏈組合成