在眾多強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者中,三位德國(guó)科學(xué)家榮獲1988年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).他們是HartmutMichel、Johann Deisenhofer和Robert Huber.他們的功績(jī)?cè)谟谑状蔚玫搅丝晒衍射結(jié)構(gòu)分析用的細(xì)菌光合反應(yīng)中心的膜蛋白結(jié)晶,并測(cè)定了這一膜蛋白-色素復(fù)合體的高分辨率的三維空間結(jié)構(gòu),從而對(duì)闡明光合作用的光化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)作出了極其重要的貢獻(xiàn).回顧他們的成功之路,對(duì)科學(xué)工作者是會(huì)有所啟發(fā)的.
首先,他們選擇的研究課題具有重大的意義.“光合作用反應(yīng)中心的大分子結(jié)構(gòu)與功能”這一課題,不僅具有十分明確的生物學(xué)意義,而且對(duì)自然界的能量轉(zhuǎn)換過程也是極為關(guān)鍵的問題.
眾所周知,光合作用是我們這個(gè)星球上最重要的一種能量轉(zhuǎn)換過程.生物界就是依靠光合作用而生存的.它是在綠色植物中,二氧化碳和水合成糖、釋放出氧的過程,即
6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2
其作用機(jī)理是：葉綠素吸收光能進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng),把水分解成[O]和[2H],釋放出O2,氫則經(jīng)光磷酸化反應(yīng)形成 ATP（三磷酸腺苷）,再用 ATP的能量固定CO2,還原后合成糖.其中,需要光的過程叫“光反應(yīng)”.總反應(yīng)式為
2X+2H2O→2XH2+O2（X代表氧化劑,即電子受體）
不需要光的過程叫“暗反應(yīng)”,總反應(yīng)式為
2XH2+CO2→[CH2O]+H2O+2X
光合作用廣泛地存在于各種植物、藻類和細(xì)菌當(dāng)中,雖然在不同的生物體中有不少重要的差異,但其光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能的基本效應(yīng)是相同的.實(shí)際上,光合作用過程在生物體內(nèi)是由許多個(gè)反應(yīng)鏈鎖所構(gòu)成的.若干年來,許多科學(xué)家在探索著反應(yīng)鏈鎖中的每一個(gè)細(xì)節(jié),不斷深入地認(rèn)識(shí)這個(gè)反應(yīng)過程,其中最為關(guān)鍵的步驟是光反應(yīng)中的最初階段,也就是由光子引起電子傳遞的這一步.圖1為細(xì)菌中發(fā)生的這一過程的示意圖.
圖1 細(xì)菌光合反應(yīng)初始過程示意圖
光子（hv）在葉綠素分子上激發(fā)出電子,然后,電子沿著圖1中實(shí)線箭頭所示方向進(jìn)行傳遞.最早被光子激發(fā)的葉綠素分子在傳出電子后又能從細(xì)胞色素C分子（并聯(lián)有4個(gè)血紅素分子）得到電子,即細(xì)胞色素C分子能使氧化后的葉綠素分子還原,這樣,葉綠素分子就可繼續(xù)受光子的激發(fā)而不斷地引起電子的傳遞.這是根據(jù)生物化學(xué)反應(yīng)而作出的推論.長(zhǎng)期以來,人們總希望從分子的結(jié)構(gòu)上直接來證明光子是首先激活了哪一個(gè)葉綠素分子,并引起了以后一系列的反應(yīng)和能量傳遞過程.正是Michel等三位科學(xué)家對(duì)這一課題進(jìn)行了卓有成效的研究工作,確切地回答了這一問題.
Michel等成功地從一種紫色光合作用細(xì)菌——綠紅極毛桿菌（rhodopseudomonasviridis）中提純了光合作用反應(yīng)中心.這是一個(gè)完整的膜蛋白-色素的復(fù)合體.他們不僅完整地分離提純了這一大分子復(fù)合體,而且培養(yǎng)的晶體尺寸大到足夠作X衍射晶體學(xué)的測(cè)定.他們收集了幾十萬(wàn)個(gè)X光衍射點(diǎn)的數(shù)據(jù),從而作出了高分辨的三維空間的結(jié)構(gòu)分析.這一整體組裝的生物大分子——膜蛋白-色素的復(fù)合體包括兩個(gè)部分：一部分是4個(gè)蛋白質(zhì)亞基,分別表示為細(xì)胞色素C亞基（cytochrome-C,分子量為38000）,H亞基（H-subunit,分子量為35000）,M亞基（M-subunit,分子量為28000）和L亞基（L-subunit,分子量為24000）,以上4個(gè)成分的分子結(jié)構(gòu)如圖2所示.
圖2表示的組裝大分子結(jié)構(gòu)是包埋在細(xì)菌的光合作用類囊膜上的,其中,細(xì)胞色素C位于膜的外面,L亞基和M亞基是橫跨在膜上,H亞基只是部分穿越細(xì)胞膜.值得一提的是,Michel等在測(cè)定這些膜上蛋白質(zhì)亞基定位的同時(shí),他們完成了以上各種蛋白質(zhì)的氨基酸序列的測(cè)定,在此基礎(chǔ)上,他們發(fā)現(xiàn)光合細(xì)菌中的L亞基和M亞基與植物當(dāng)中的第二光合系統(tǒng)中的D1亞基和D2亞基基本相同,從而提出細(xì)菌與植物這兩種類型的光合作用有共同的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)理.
組成膜蛋白-色素復(fù)合體的另一部分與蛋白質(zhì)亞基緊密相連,它包括4個(gè)細(xì)菌葉綠素分子,2個(gè)細(xì)菌去鎂葉綠素分子和2個(gè)醌分子還有一個(gè)鐵硫蛋白,如圖3所示.構(gòu)成了一個(gè)具有對(duì)稱性的結(jié)構(gòu)：最上面的一對(duì)葉綠素分子構(gòu)成了復(fù)合物的頭部,緊連著的是螺旋式懸垂在兩邊的分子鏈,每邊都有一個(gè)葉綠素分子,一個(gè)去鎂葉綠素分子和一個(gè)醌分子,中心則是鐵硫蛋白.由于對(duì)稱性很好,如果沿著反應(yīng)中心的長(zhǎng)軸將一側(cè)的分子鏈旋轉(zhuǎn)180°,就可以得到這個(gè)分子的完整構(gòu)型.Michel等所得到的X衍射結(jié)構(gòu)分析結(jié)果提供了確切的證據(jù),說明了色素與膜蛋白的連接關(guān)系：色素是與L亞基和M亞基所形成的疏水基團(tuán)相連；此外,頭部的葉綠素分子對(duì)、中間的去鎂葉綠素都與這些蛋白質(zhì)亞基上的氨基酸側(cè)鏈形成了氫鍵,這樣構(gòu)成的分子復(fù)合體包埋在光合作用類囊膜上就能順利地完成光驅(qū)動(dòng)的電子傳遞過程.
由于吸收光譜和電子自旋光譜學(xué)的應(yīng)用,有人已揭示過光吸收過程中的某些細(xì)節(jié),但學(xué)術(shù)界一直有不同的見解,直到Michel三人將反應(yīng)中心的大分子空間結(jié)構(gòu)闡明以后,才從分子的電子密度圖上得到了最終的結(jié)論：是頭部的葉綠素分子上的電子被光子所激活,然后,被激活的電子通過反應(yīng)中心的分子鏈開始了一連串的電子傳遞過程,首先傳到鄰近的葉綠素分子和去鎂葉綠素分子,然后再傳到苯醌,進(jìn)而形成了一個(gè)跨膜的電離過程并提供了儲(chǔ)存能量,最終合成了糖.圖3所表明的電子傳遞時(shí)間序列與這個(gè)分子空間結(jié)構(gòu)的框架是完全吻合的.這樣就把人們對(duì)光合作用的認(rèn)識(shí)推進(jìn)到一個(gè)前所未有的深度,因而Michel等人的科學(xué)研究工作得到了普遍的贊賞,一致認(rèn)為他們確實(shí)解決了自然科學(xué)中的一個(gè)重大問題.正是由于他們目標(biāo)明確,思路對(duì)頭,才使他們走上了一條成功之路.
當(dāng)人們仔細(xì)分析他們的實(shí)驗(yàn)過程和研究成果時(shí),就會(huì)發(fā)現(xiàn)他們?nèi)〉眠@一重大成就的關(guān)鍵,是制備出了可供X衍射結(jié)晶學(xué)分析用的膜蛋白的結(jié)晶.這一直是許多結(jié)晶學(xué)家多年來夢(mèng)寐以求的目標(biāo).在蛋白質(zhì)結(jié)晶學(xué)研究中,重要的競(jìng)爭(zhēng)之一就是看誰(shuí)能制備出可供X衍射用的三維結(jié)晶,因?yàn)橹挥挟?dāng)結(jié)晶尺寸足夠大,才能收集到高分辨的數(shù)據(jù),在原子水平上測(cè)定其空間結(jié)構(gòu).然而,多數(shù)生物膜是由不導(dǎo)電的脂類雙分子層和鑲嵌在雙分子層內(nèi)的膜蛋白所組成的,由于膜蛋白分子中一部分是親水基團(tuán),而另一部分是疏水基團(tuán),因而提純的膜蛋白分子在水溶液中就很難形成整齊的晶格排列.有不少結(jié)晶學(xué)家曾企圖用蛋白水解酶把膜蛋白的疏水部分和親水部分分開,然后再培養(yǎng)結(jié)晶,都沒有成功.因?yàn)閷?duì)膜蛋白這樣處理,一方面破壞了整個(gè)膜蛋白的完整性,甚至使膜蛋白變性；另一方面要把膜蛋白酶解成溶于水和不溶于水的兩部分,也是極其困難的.盡管人們從不同的途徑進(jìn)行了探索,但制備膜蛋白結(jié)晶的企圖總是以失敗而告終.多次的失敗,使得許多學(xué)者,包括一部分有名望的結(jié)晶學(xué)家形成了一個(gè)概念,即認(rèn)為膜蛋白不能形成結(jié)晶.事實(shí)上,迄今所解出高分辨結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)都是可溶性的蛋白質(zhì),沒有一個(gè)是真正的膜蛋白.所以,當(dāng)聽說Michel要做膜蛋白的結(jié)晶時(shí),人們開玩笑地說他“發(fā)瘋了!”.在這嚴(yán)峻的形勢(shì)面前,Michel以大無畏的精神,迎著困難前進(jìn).首先,他深入了解了他所研究的細(xì)菌膜蛋白,發(fā)現(xiàn)這種膜蛋白在活細(xì)胞中本來就或多或少地以二維結(jié)晶的形式存在,這就意味著這種膜蛋白具有形成三維結(jié)晶的可能性.同時(shí),他又進(jìn)行了認(rèn)真的分析,知道蛋白質(zhì)分子內(nèi)部不僅有結(jié)構(gòu)水的存在,而且在可溶性蛋白質(zhì)排列成晶格的過程中,水分子起了非常重要的作用.有了這些想法以后,經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn),Michel終于發(fā)現(xiàn)了一種新的清潔劑（octylglucoside）,可以滿意地將膜蛋白從生物膜上分離出來而不引起變性.然后,他采取了關(guān)鍵性的步驟,即利用了雙親和（即既有親水成分,又有疏水成分）的小分子,有效地將清潔劑分子從蛋白質(zhì)分子中除去.這些小分子在蛋白質(zhì)的晶格中能代替水的位置.用這一方法,Michel用硫酸銨加清潔劑體系和親水脂分子體系培養(yǎng)出了細(xì)菌視紫紅質(zhì)（bacteriorhodopsin）和porin晶體,以后又培養(yǎng)出了高于0.25nm分辨率的光合反應(yīng)中心的晶體. Michel回憶說：“第一次看見這種結(jié)晶的時(shí)候,那是我們最興奮和激動(dòng)的時(shí)刻”.從上述可見,他們能獲得這種結(jié)晶,并不是一種機(jī)遇,而是由于他們具有認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和百折不撓、勇于克服困難的頑強(qiáng)精神.
人們一致公認(rèn),是Michel和他的同事們?cè)谀さ鞍捉Y(jié)晶的研究工作中獲得了驚人的突破.德國(guó)MaxPlanck研究所的休伯實(shí)驗(yàn)室是Michel等人獲獎(jiǎng)工作的主要基地. R.Huber本人是一個(gè)苦干實(shí)干的榜樣,他花在實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間比一般人更長(zhǎng),無論晴雨,他每天從上午九時(shí)一直工作到晚上七時(shí),每周工作六天半.J.Deisenhofer,人們對(duì)他的評(píng)論是,看上去他性格溫和文靜,但實(shí)際上是個(gè)無所畏懼的人,是一個(gè)典型的、固執(zhí)的、具有奉獻(xiàn)精神的科學(xué)家.
由上述可見,在獲得一項(xiàng)重大的科學(xué)成果之前,科學(xué)家們要付出多少艱苦卓絕的努力.
科學(xué)發(fā)展到80年代,許多重大的科研項(xiàng)目往往要求有多種學(xué)科的協(xié)同研究才能取得進(jìn)展和突破.三位科學(xué)家所從事的光合反應(yīng)中心大分子結(jié)構(gòu)與功能的研究就很典型地反映了這一特點(diǎn).這個(gè)課題如果沒有植物生理學(xué)家、生物化學(xué)家、化學(xué)家,特別是結(jié)晶化學(xué)家的共同努力,要想取得成功是不可能的.
在1981年,Michel得到了膜蛋白的結(jié)晶,盡管在這方面他已積累了不少經(jīng)驗(yàn)與技術(shù),但他充分認(rèn)識(shí)到靠自己?jiǎn)胃墒遣恍械?他說：“這個(gè)課題對(duì)一個(gè)人來說實(shí)在太大了.”第二年夏天,他訪問了Martinsried市的休伯實(shí)驗(yàn)室.在那里,他作了學(xué)術(shù)報(bào)告和充分的交流后,決定與Huber和Deisenhofer進(jìn)行全面的合作.有悠久歷史、享有盛譽(yù)的休伯實(shí)驗(yàn)室,在晶體結(jié)構(gòu)分析的研究中發(fā)揮了巨大的作用.Deisenhofer和Huber在化學(xué),特別是結(jié)晶化學(xué)領(lǐng)域中,有深厚的理論基礎(chǔ)和高超的實(shí)驗(yàn)技術(shù).他們對(duì)三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精確的測(cè)定和精辟的分析,經(jīng)過兩年的努力,終于完成了光合作用反應(yīng)中心的大分子結(jié)構(gòu)分析工作.他們?nèi)酥g這種全面的合作,是他們?cè)谕ㄍZ貝爾獎(jiǎng)的道路上邁出的關(guān)鍵一步.
在整個(gè)研究過程中,三位科學(xué)家互相支持、互相尊重、融洽相處,配合默契,并且還與其他有關(guān)的科學(xué)家進(jìn)行了卓有成效的、高水平的合作.在Michel取得突破性的進(jìn)展之前,他初步摸索了膜蛋白結(jié)晶的方法,但還沒有直接將此方法應(yīng)用到光合作用反應(yīng)中心的研究,而是把這方法應(yīng)用于另一種細(xì)菌的膜蛋白——細(xì)菌視紫紅質(zhì).這時(shí),Michel在Wurzburg大學(xué)與Oester-helt進(jìn)行合作獲得了二維結(jié)晶,雖然當(dāng)時(shí)沒有能夠獲得可供X衍射用的三維結(jié)晶,但Michel說：我們用于細(xì)菌視紫紅質(zhì)所發(fā)展起來的技術(shù)和方法,后來用于光合反應(yīng)中心時(shí)獲得了成功.他坦率地告訴朋友：“是Oesterhelt一直鼓勵(lì)和支持我開展這項(xiàng)工作,沒有他的幫助我差點(diǎn)放棄這項(xiàng)研究.”為此,他曾提醒諾貝爾基金委員會(huì)不要忘記Oesterhelt的功勞.又如在他們?nèi)〉弥卮蟪晒暮笃?為了解決單向電子傳遞的機(jī)制問題,Michel和Deisenhofer又與柏森自由大學(xué)的物理與理論化學(xué)家密切合作,經(jīng)過理論計(jì)算,提出了非對(duì)稱核因素與電子耦合的共同效應(yīng)很可能是單向電子傳遞的主要原因.從以上這些事例中可以清楚地看到,綜合不同學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí),攻克尖端科學(xué)課題,并發(fā)揚(yáng)高尚的科研協(xié)作精神,是當(dāng)代科學(xué)家取得成果的重要因素.
綜上所述,1988年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的確給了我們多方面的啟示.它告訴我們：首先要會(huì)選擇有重大科學(xué)意義的課題；一旦目標(biāo)明確,就要以堅(jiān)韌不拔的毅力為最終獲得成功而勤奮地工作；在研究過程中還要不斷地向不同學(xué)科領(lǐng)域的人學(xué)習(xí),并發(fā)揚(yáng)高尚的科研協(xié)作精神.也就是說,成功的科學(xué)家不僅要有敏銳的科學(xué)思維,而且應(yīng)具有良好的科學(xué)素質(zhì)和品德.回顧諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的過去并展望未來,可以清楚地看到,在我們的學(xué)科領(lǐng)域還有許多意義重大的課題等待著人們?nèi)パ芯?去探索.記得英國(guó)劍橋的A.Klig博士（他由于創(chuàng)立了生物大分子三維重構(gòu)而獲得1983年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）,在訪問筆者工作過的實(shí)驗(yàn)室期間曾經(jīng)指出：現(xiàn)在有許多生物學(xué)家和化學(xué)家共同選擇了生命科學(xué)中的重大課題,特別是蛋白質(zhì)與核酸生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能以及大分子改造等問題,應(yīng)用了生物學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)和方法開展了綜合性的研究工作,一旦解決了關(guān)鍵性的問題,就可能再次通往巨大成功的旅途.生命科學(xué)之迷不斷地向我們挑戰(zhàn),讓我們勇敢地迎接挑戰(zhàn)吧!