20世紀的科學怪傑：鮑林(65)

六五

　　鮑林認為，酶的鍵接點與目標分子有適當緊密度的嚙合，使之可以比較鬆弛地拉住目標分子，而當目標分子慢慢滑進一個被折彎或拉緊的位置時，兩者的嚙合就變得十分緊密。酶的作用點像一把分子鉗，它把目標分子折彎，使之易於斷裂成很多小段。這些被斷開的目標分子的形狀與酶的鍵接點僅有部分的互補性，嚙合變得鬆動起來，從而變得易於飄浮並與酶分開。鮑林還認為，相反的過程也完全可能發生，即酶鬆弛地聯結住生成物分子，使他們聚集在一起，從而緩慢地進行逆反應過程，重新生成初始反應物，所有這些反應均是通過形狀的互補性實現的。

　　鮑林對酶的作用機制所作的描述與他的關於抗體的理論是完全一致的。這一切還只是開了一個頭。不久，他又提出了這樣的理論和觀點：味覺與嗅覺也是由被感物的分子與身體內部特定位置之間的互補性匹配產生的（這一理論至今在氣味學研究者中間仍有很大的影響）。還有所謂的行為性病毒，這是一種有點介於可結晶蛋白分子和生命機體之間的奇異的物質形式（鮑林把它們稱為「逃脫了父母機體控制的基因」），鮑林認為也可從互補性理論出發對它們作出解釋。

　　鮑林猜測，基因可能是一種很大、很複雜的蛋白分子，它能夠通過一種稱為自催化的過程，精確地複製自己。他早在1940年就與德爾布呂克合寫了一篇論文，論及關於基因複製的一種可能的一般性機制。到了1945年與1947年期間，鮑林在互補性理論的框架內對這個問題進行了更多的思考。

　　到1948年，他設計了一種最簡單的基因複製的一般模型。「我們對基因或病毒分子進行自我複製的機制尚不清楚有關的細節」，鮑林在一次互補性理論的報告會上這樣對聽眾說。「一般來說，使用某種基因或病毒作為模板不能複製出與模板完全相同的分子，而只能生成與模板互補的分子。當然可能出現這樣的情況：在某種模板上生成的分子既與模板同構，又同時與模板互補……假如作為模板的基因或病毒分子有兩個互補的部分組成，那末每一部分可以複製出與另一部分同構的分子。於是，由兩個互補部分組成的複合體就可以作為複製自身的模型。」在正式發現DNA的雙螺旋結構四年之前，鮑林就已經這樣明確地作出了基因可能具有雙螺旋結構的預測。

　　鮑林實際上已經為分子生物學的結構理論奠定了基礎。在這之後，他又把注意力轉向了醫學。戰爭期間，鮑林對醫學的興趣，從原先的腎病、抗體、血漿代用品等問題，進一步擴及到其他方面，他開始思考藥物的結構，營養品的效能，他甚至提出這樣的意見：有幾種退化性疾病也許是由於紅血球的堆集而引起的。有一個階段，他還考慮在加州理工學院成立一個基礎醫學研究所，以便對他關於生物分子的結構和作用的設想進行試驗。鮑林同樣認為，分子互補性理論可以在這些問題的研究中發揮重要的作用。

　　戰爭即將結束之時，鮑林被任命為帕爾默委員會的成員。這是一個由醫學專家組成的小組，鮑林是其中唯一的例外。該委員會遵照科學研究與發展局局長布什的指示，開會研究戰後如何對醫學研究進行資助。1945年春，該委員會在紐約的世紀俱樂部舉行了一次午餐會。討論過程中，醫生們談到了一種鮮為人知的被稱為鐮狀細胞貧血症的血液病。來自哈佛的醫藥教授卡塞爾解釋說，病的名稱來源於病人的紅血球從扁平的圓盤狀畸變為彎曲的月牙狀。這些鐮刀形的紅血球阻塞小血管，引發一系列；臨床症狀：由於缺乏紅血球輸氧而引起骨頭和腹部疼痛，並在肺部、腎臟和腦部形成血塊。卡塞爾教授還指出一個奇怪的現象，那就是在返回肺部的靜脈血中有著比富氧的動脈血中更多的鐮狀紅血球。

　　鮑林聽後，怦然心動。他從自己對血紅蛋白的研究中得知，紅血球幾乎只包含血紅蛋白和水兩種物質。如果缺氧和富氧都會影響到血液細胞的形狀是否平整，那末血紅蛋白——這是一種固氧分子——也許會在裡面起作用。其他委員圍坐在桌邊抽煙交談，鮑林卻坐在一旁陷入沉思。他的腦子裡出現了血紅蛋白分子的形象，這是一種球狀的、一頭有點細長的蛋白分子，有點像粗短的圓柱體。假設某種東西改變了血紅蛋白分子表面的形狀，而這種形狀與另一個血紅蛋白分子表面的某一部分的形狀是互補的，那末形狀互補的分子就會粘連。如果形狀的改變出現在分子的兩端，那末這些分子就會首尾相接地連接起來，從而在紅血球內部形成長的鏈。一旦足夠多的鏈再互相連接，就能生成類似血紅蛋白晶體的物質，從而將血細胞扭曲成鐮狀。

　　但是氧氣在這過程中起了什麼作用呢？他問自己。他想，把氧固定在血紅蛋白中必定會改變分子的形狀，以至分子的粘接點處發生畸變或被遮蔽。加進氧則防止鐮狀發生；取出氧則加劇鐮狀扭曲。鮑林茅塞頓開。他把自己的想法向大家作了解釋，進一步向卡塞爾問了幾個有關鐮狀細胞貧血症的問題，最後他問各位醫生是否贊成他回到帕薩迪納後進行一些正常血紅蛋白和鐮狀細胞血紅蛋白的對比試驗。卡塞爾表示可以試試，至於其他大多數醫生都不大懂得鮑林所說的東西，因為他們在結構化學方面的知識少得可憐。

　　這一段時期，也許由於他自己曾經生過一回的布賴特氏病（腎小球腎炎），醫學問題在鮑林的腦海裡一直佔據著突出的位置。血液問題、治病問題均與他的關於互補性的新理論交織起來了。互補性理論也許還可以用來解釋藥物的作用呢！1940年，一個英國研究人員提出磺胺類藥物之所以能抑制細菌感染，是由於它偽裝成細菌的食品源而取代了細菌所需的代謝物，實質上是把細菌餓死了。這個機制在理論上是說得通的，因為藥物在結構上與代謝物很接近。同許多學者一樣，鮑林也認為兩種物質競相爭奪活細胞的某個鍵接點將成為研製新藥的中心概念。1947年10月，他在耶魯大學的一次報告會上說：「當人類有能力詳細確定疾病的媒介生物的分子結構以及人體細胞成分的分子結構的時候，就有可能針對每種疾病確定相應的化學藥物的特定配方，然後再根據配方，合成藥物，保護人類免受那種疾病的侵襲。」

　　到這個階段，鮑林確信他的互補性理論已足夠解釋所有的生物特異性。他已找到了一種通過標準的化學語彙來解釋生命本質的方法。從酶的作用到基因的複製等各種生命現象，用不到尋找新的物理定律，鮑林一次性地給出了合理的解釋。生命從其根源來說，就是一種精確的分子結構。鮑林的這種樸實的觀點以及他從化學角度對生命現象作出的解釋，成為20世紀科學史上最深刻的發現之一。鮑林的理論確立了分子結構理論的中心地位，並成為通向分子生物學的發展道路上一座重要的里程碑。鮑林預言，分子生物學的基礎將是互補性分子的相互作用理論。

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　　然而，在那個時候，似乎沒有人認真聽他講話，說得確切一點，是大多數人對他所講的內容的重要性不甚了了，他們缺乏必要的知識理解它。40年代後期的生物學家對物理化學這門學科只懂得一點皮毛，而多數化學家又從來不把蛋白質看作是化學物質。分子生物學家亞歷山大·裡奇這麼評述：「當時的大多數生物化學家不知道何謂範德瓦爾斯力，也不知道氫鍵和靜電勢。」鮑林跨越了這麼多學科的界限，使用了這麼多種不同的科學語言，只有一小部分學者能夠聽懂他的報告。

　　其次，他所講的東西尚未經過驗證。到那時為止，還沒有研究者確定過任何一種蛋白質的氨基酸鏈，也沒有結構化學家或晶體學家即或只是粗略地描畫過鮑林所說的那種互補性形狀。蛋白質的詳細形狀仍然是一個謎。當時已知其三維構形，且與蛋白質稍微有點關係的物質，只是由鮑林小組研究確定的幾種氨基酸分子和肽分子。無人知道基因是怎樣形成的，更不知道它是怎樣工作的。有關酶作用的可靠數據剛剛開始發表。在對蛋白質結構的細節知之甚少的情況下，可以進行各種猜測，但很難作出明確的判斷。鮑林自己也認識到這種情況，因而每每在結束報告時，總要指出當務之急是對蛋白質的形成過程進行更深入的探討。

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