蘇教版-必修一-專題1 化學家眼中的物質世界-第一單元 豐富多彩的化學物質公開課

對人工合成結晶牛胰島素的回憶中國科學院院士鄒承魯1958年是中國歷史上一個令人難忘的年頭。在“大躍進”的聲浪中，千百萬急于擺脫幾個世紀以來貧窮落后帽子的中國人用豪言壯語設定了許多令人難以置信的雄偉目標。中國的科學家們也熱切希望做出舉世矚目的科學成就。在當時的中國科學院上海生物化學研究所，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。這不僅因為大家都知道蛋白質對生命的重要性，它是所有生命活動的主要承擔者；還因為在那個時代談蛋白質的人工合成還有相當?shù)纳衩馗?，因此人工合成蛋白質無疑是一個驚人的科學壯舉。這個想法也贏得了領導的支持，并且得到此項目得以進行的充足的經(jīng)費。這在很大程度上真應該歸功于恩格斯說過的一句話：“蛋白質是生命的存在形式”，因此合成了蛋白質就是在合成生命的道路上前進了一大步。在“文革”的困難日子里，幾乎所有嚴肅的基礎研究都被徹底禁止了。而正是因為胰島素合成的成功，使得測定胰島素晶體結構的工作得以啟動進行?，F(xiàn)在北京生物大分子國家重點實驗室的一個優(yōu)秀的X－射線晶體學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研究所牛胰島素的人工全合成工作。選擇胰島素作為當時人工合成蛋白質的對象是有道理的，不僅僅因為胰島素只有51個氨基酸，分子小，還因為它是當時唯一已知一級序列的蛋白質。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。回首往事，今天的肽鏈合成技術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，要做的只是設置程序，加進所需的氨基酸和其他試劑，按下按鈕，機器就自動工作，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。這項工作使他獲得了1955年的諾貝爾化學獎。到1958年，人工合成的最長的肽段是促腎上腺皮質激素的一個片段。更為困難的是，當時我國還沒有多肽合成的經(jīng)驗，除了谷氨酸鈉（味精）之外，我國甚至沒有制造過任何氨基酸。實際上，這一項目確實也耗資巨大，如一位執(zhí)異議者后來所言，所用去的化學溶劑之多，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。當時我的任務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鏈是否能通過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家了。我們開始查閱文獻時發(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，氧化會導致活力的進一步降低。當時除了像催產(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發(fā)表時，我們都已經(jīng)由還原的胰島素肽鏈得到相當產(chǎn)率的胰島素了。Anfinsen的工作要容易得多，因為核糖核酸酶只有一條肽鏈；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果，獲得10％的活力恢復！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配對可能得到的產(chǎn)率。我們的結果暗示著胰島素的天然結構是其所有可能結構中最穩(wěn)定的一個。我們所得到的粗產(chǎn)物經(jīng)進一步純化和結晶，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果進一步證實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行胰島素合成的研究，很自然我們必須對我們的結果保密。同時由于“大躍進”的緣故，中國所有的學術刊物都被迫?？?，包括當時國內(nèi)唯一用西文出版的刊物《中國科學》。再說，那個時代當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》發(fā)表我們的結果，第一篇論文發(fā)表在1961年10月《中國科學》恢復出版后的第一期上。同時我們一直在摸索進一步提高產(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。上海生物化學研究所由鈕經(jīng)義和龔岳亭領導的小組負責B鏈的合成；上海有機化學研究所由汪猷領導的小組以及北京大學由邢其毅領導的小組共同負責A鏈的合成，兩條鏈都是通過傳統(tǒng)的片段縮合法合成的；我的小組負責兩條肽鏈的組合。盡管當時已有了一些保護基團和去除這些基團的方法，但每種蛋白都有其獨特的性質，具體問題需具體對待，因此肽鏈的合成遠非是一種成熟的常規(guī)的技術，對活潑的側鏈基團而言，必須小心地保護它們以防它們參與肽鏈的延伸反應而形成分叉的肽鏈。但在必要時，卻又要去掉這些保護基團，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鏈構建成胰島素首先獲得成功，其結果在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化學研究所的小組中幫助解決問題。當我們通過小鼠驚厥實驗證明純化的人工合成胰島素確實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。這個最后進行的實驗是在1965年的一個清晨進行的。只有與這個實驗直接有關的人員才允許觀察小鼠經(jīng)受第一個人工合成蛋白質處理的反應，而其他關注此事的人只能在另一間屋子里焦急地等待。當注射了合成胰島素的小鼠驚厥實驗宣布成功時，那實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》上發(fā)表了一篇簡報介紹我們的結果，而這一工作的全文則發(fā)表在次年《科學通報》的一期?？稀．斈甏禾?，王應睞先生和我因為另外一項研究工作被邀請參加在華沙召開的一次歐洲生化會議，在胰島素的化學合成中擔當重任的龔岳亭和我們同去。當時我們想在這個國際會議上介紹關于胰島素人工合成的情況，并準備公布我們的實驗結果。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，應邀出席宴會的都是向大會遞交了非常重要論文的人。當時我們哪里知道，回國兩個月后就迎來了“文化大革命”。“文革”初期，諾貝爾獎獲得者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成就，他在上海生物化學研究所作學術報告時，我被安排為他翻譯，卻又被告知不得透露自己的身份，我在劍橋時就認識他，當時他常來我所在的研究所看望我的導師。此次來中國，我已經(jīng)離開劍橋15年了，變化之大使他已認不出我。我當時只是個微不足道的翻譯，穿著一身舊藍布制服，無疑和他所認識的那個劍橋年輕學生的形象相去甚遠。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的英語，我就說是在學校學的。他說：“那你一定在一所非常好的學校上過學?！?/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。由于他當時是瑞典皇家科學院諾貝爾獎評審委員會化學組的主席，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，或被領導推至前臺，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：“你們能從書上學到原子彈的知識，但學不到人工合成胰島素?！薄拔母铩逼陂g，盡管真正的科學研究被壓制，但這并不妨礙當時的領導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，一個生物化學家代表團訪美。當年的胰島素協(xié)作組長，此時在名義上仍是上海生物化學研究所所長的王應睞教授被任命為副團長，而一個在胰島素化學合成即將結束時才剛畢業(yè)參加工作的人，由于人所共知的原因，被指定擔任團長。由A鏈和B鏈能成功地組合成胰島素，并得到相當可觀的產(chǎn)率，后來被國外其他從事胰島素合成的實驗室所證實，并應用到七十年代末由重組DNA技術得到的A鏈和B鏈組合成