20世紀的科學怪傑：鮑林(75)

七五

　　但是當布拉格剛到實驗室時，那裡有一個由奧地利出生的科學家佩魯茨①導的小組也在從事血紅蛋白的結構研究，這項工作被布拉格稱為是「勇敢的嘗試」。布拉格開始時對蛋白質結構研究不大感興趣——他一直對生物學不甚了了，並認為蛋白質分子肯定過於龐大和複雜，以致無法用Ｘ射線衍射法進行研究——但是佩魯茨是一個不知疲倦和充滿信心的研究者，並且已有足夠的研究成果能引起布拉格的興趣，使他認識到蛋白質研究是對Ｘ射線學的一個挑戰，是一類難度超越礦物質研究的課題。當鮑林來到英國的時候，布拉格已經為佩魯茨和他的年輕同事肯德魯以及另外兩個助手爭取到了足夠的資助，這些人也已取得了一批重要的成果，揭示了很多種血紅蛋白分子的大致結構。而且，在蛋白質研究中取得重要進展的研究小組在英國並非獨此一家。在其他大學裡，霍奇金②胰島素的研究已進入第二個十年；伯納爾和他的同事已經開始做裂解核糖核酸酶的工作。

　　①佩魯茨（Max Ferdlnand Perutz，1914），奧地利出生的英國生物化學家，因對球形蛋白、特別是血紅蛋白結構進行X射線衍射分析，與肯德魯（J.C.Kendreu）共獲1962年諾41爾化學獎。

　　②霍奇金（Dorathy Crowfoot Hodgkin，1910—），英國女化學家，與同事合作得到維生素B12第一張X射線衍射照片（1948），確定了維生素B12的原子排列，獲1964年諾貝爾化學獎。

　　鮑林對英國人的工作瞭解得越多，就越感到擔心：在爭取成為世界上最先完整地確定蛋白質分子結構的人的競賽中，他可能成為失敗者。他解決蛋白質結構問題的方法是從下向上，即先仔細確定單個氨基酸和小肽分子的結構，然後在此基礎上再拼裝出大分子結構；而與此相反，英國人的方法卻是從上而下，即分析完整蛋白質分了的Ｘ射線衍射圖。鮑林曾經以為蛋白質分子太大，它們的Ｘ射線衍射圖過於複雜，因此在可預見的將來，從上到下的研究方法不可能奏效。但是在與伯納爾和霍奇金交談之後，鮑林意識到，英國人正接近於攻克某些蛋白質分子的結構問題，這使他感到很大的壓力。

　　在這樣的情況下，他又一次考慮從理論上解決蛋白質的母體——角蛋白鏈的結構問題，這是他在1937年曾經嘗試過的事。當時他試圖構造一條與阿斯特貝裡的Ｘ射線數據相匹配的蛋白質鏈，但沒有成功。於是他懷疑自己關於氨基酸結構或鍵的想法是錯誤的。但這些年來的研究成果，包括科裡所做的關於氨基酸的具體研究，都告訴他自己並沒有錯。分子尺度與他的假設大致吻合。他還曾預言，肽分子的鍵具有雙鍵特徵，兩側的原子固定在一個平面上，這一猜測也被科裡關於二酮呱嗪的研究結果所證實。他當時其實已十分接近于成功，不可思議的是，他竟然沒有堅持下去。

　　1948年春天，他重新研究這個問題，不過這一次採用了新的指導原則。在30年代，化學家曾提出長鏈澱粉分子具有像螺旋轉梯那樣的結構，鮑林早年的合作夥伴哈金斯（鮑林曾與他一起做過一些早期的研究工作，最後得出了肽鍵的平面性結論）曾從理論上論證這種螺旋結構也是蛋白質分子的主要結構形式。按照哈金斯模型，氨基酸鏈的形狀不是阿斯特貝裡模型假設的扁平、扭結的帶狀，而是螺旋上升的梯狀，像床墊彈簧那樣；哈金斯還假設鏈的圈與圈之間由氫鍵固定，從而能保持結構的穩定性。

　　這是一個非常富於啟發性的假設，並早已在英國晶體學家中間引起熱烈討論。這些假設有助於解釋一些現象。按照阿斯特貝裡的扁平帶模型，蛋白質的化學性質應該反映出帶了的雙面性特點，然而，蛋白質鏈實際上似乎是各向同性的，這恰與螺旋線形成的圓柱體整體形狀相吻合。此外，理論的推斷結果也有利於螺旋線假設。正如克裡克①——他當時是佩魯茨和肯德魯實驗室裡的一個研究生——所說，「眾所周知，如果一條鏈由完全相同的環以完全一致的方式折疊並聯結起來，且每個環與相鄰環的關係也完全一致，那麼這樣的鏈就形成螺旋結構。」叫它螺旋結構也好，螺旋線也好，反正哈金斯的假設對卡文迪什的研究者產生了重要影響。很快地，似乎英國的每一個蛋白質研究者都在尋找螺旋結構了。比如霍奇金（鮑林訪問牛津大學時曾與她進行過幾次長談）就在她的胰島素分子的研究中密切注意尋找螺旋結構的證據。

　　①克裡克（Franis Crick，1916—）英國生物物理學家和遺傳學家，因參與制成脫氧核糖核酸（DNA）的分子結構模型，為分於遺傳學奠定了基礎，而與沃森（J.Watson）和威爾金斯（M.Wilkins）共獲1962年諾貝爾醫學獎。

　　在皇家科學研究院報告後一個多星期，鮑林病倒了。由於英國潮濕的天氣，他患上了嚴重的骨竇炎，只得臥床休息了。他記得：「第一天我閱讀偵探小說以便使自己不想倒黴的事，第二天依然如此。但第三天我就厭煩了，我於是想，「我為什麼不能想想蛋白質的結構問題呢？」這樣，他決定對角蛋白鏈的結構再進行一次研究的嘗試。不過這次採用了螺旋模型的設想。他準備好鉛筆、直尺和一些紙，然後開始描繪氨基酸鏈的草圖。根據記憶，他勾畫出原子鍵的長度和夾角。

　　他採用了三步工作法：第一步，根據氨基酸的已知尺度把鏈畫出來；第二步，把元素在空間按這樣的方式排列出來，使氫鍵易於生成並使鈦鍵處在同一平面內；第三步，檢驗這樣得出的模型能否解釋Ｘ射線衍射數據。他畫出了每個氨基酸分子的基本碳一碳一氮骨架，然後用粗線表示肽鍵，將它們連結起來，這些肽鍵在紙頁內保持平直。他又將那些區別不同類型的氨基酸分子的側鍵畫成由螺旋線中心指向外面的線段。通過這種表示法，這些側鍵將不會對存在於中心部位的重複結構產牛干擾，

　　然後，他將紙張進行折疊。折疊時將肽鍵平直地保持在紙頁上，而只在氨基酸骨架中與肽鍵相連的單個碳原子處折角，這是他認為可能發生旋轉的地方。他設法將角度折得與四面體角大致相等，這樣大小的折角對碳鍵來說是最自然的。他對紙張採用各種不同的折疊方法，力圖把元素排成恰當的形式，以便形成盡可能多的氫鍵。沒隔多久，他就得出了一種形狀優美的螺旋結構。這使他大喜過望。這個結構具有平面性的肽鍵，大致正確的鍵角和長度，並可在拐彎處形成適當數量的氫鍵。「我一下子忘記了自己正患著感冒，我實在是太興奮了，」他說。

　　這是一個典型的例子，能夠很好地說明鮑林的隨機方法的特點：採用少數幾個起關鍵作用的限定性化學規則去構作合理的結構模式。然而，當鮑林意識到從他的模型所得出的Ｘ射線衍射圖形很可能與阿斯特貝裡和其他人得出的圖形不相符時，他的興奮情緒減退了。自然界的角蛋白分子顯示出5.1埃的強反射，這一長度被認為是在鏈的軸向上兩個重複單元之間的距離——在螺旋結構中，就是鏈的兩個相鄰螺圈之間的距離。為了在螺旋模式中驗證這個可能的結果，需要花幾個月的時間仔細地構作模型，但從他的簡略草圖似乎已可看出，他的螺旋模式將產生出不同的週期性間距。通過應用他自己提出的關於肽鍵和氫鍵的規則進行推算，鮑林發現：「我無法將我的結構伸長或壓縮。」

　　鮑林又回到了床上。他並沒有張揚自己塗抹的草圖，甚至沒有寫信告訴科裡。他只是把螺旋型構想存放起來，留待回到加州理工學院後作進一步探索。正如他所說，他所擁有的全部成果暫時「還只是一張紙片」。

　　§龜兔賽跑

　　鮑林的骨竇炎持續了好幾個星期，當他攜家人到巴黎進行學術訪問時仍未痊癒，鮑林安置好住處後，隨即說服美國大使館的醫生給他配了一些青黴素，服用後炎症果然就很快消失了。愛娃和孩子們抓緊時間外出逛公園，參觀博物館和大教堂，到食品店購物，而鮑林則忙於參加法國科學界的各種社交活動。

　　在鮑林參加的一次科學研討會上，會議組織者專門留出一整天時間來討論、比較鮑林的分子價鍵理論和芝加哥大學馬利肯①的分子軌道理論的優缺點。這次討論成為與會者關注的熱點。

　　①馬利肯（Robert Mulliken，1896—1986），美國化學家，物理學家，提出不同原子結合成分子時電子軌道行為的量子力學理論，獲1966年諾貝爾化學獎。

　　在人數日趨眾多的量子化學界內，人們把這兩種理論的爭論看得有點類似于馬丁·路德①教皇的挑戰。從同一本「聖經」即公認的量子力學原理出發，兩位科學家在近20年的時間裡對它的化學意義作了迥然不同的解釋。

　　①馬丁·路德（Martin Luther，1483—1546），德國人，16世紀歐洲宗教改革運動發起者，基督教新教路德宗創始人，曾公佈《九十五條論綱》（1517），抨擊教廷發售贖罪卷，否定教皇權威，將聖經譯成德文。

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