20世纪的科学怪杰鲍林-第41章

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　　阿斯特伯里认为，他能够解释羊毛为什么可以被拉长而不会断裂，为什么又能缩回到原来的长度。羊毛同兽角、指甲和人的头发一样，统称为角蛋白。到了30年代初，阿斯特伯里也确信，角蛋白是由环状的多肽链组成的长链。他将其称为“分子毛线”。他的X射线照片显示，当羊毛被拉长时，分子发生了变化。尽管照片很模糊，他难以确定单个原子的位置，但是仍然可以从中推断出，角蛋白被拉伸时——他称其为乙型——多肽环被拉长了，而未被拉伸时的形态，或甲型的多肽环则是折叠在一起的。他的测量还表明，折叠发生在两个方向上，而不是三个方向上——就像在桌面上将甲型中的多肽环折叠成锯齿形状。进一步的研究显示，肌肉纤维具有同样的基本形状。
　　这是一项重大的进步，对蛋白质的特性作出了分子上的解释。
　　阿斯特伯里认为，也许这些分子的折叠同样能够用来解释肌肉和染色体的收缩。他开始将角蛋白视为“所有蛋白质的祖父”，这一基本结构也许可以解释所有其他蛋白质的运动。
　　但是，他有些高兴得太早了。X射线衍射还不足以用来解决羊毛角蛋白中多肽链的结构，因为每一根链中包含上万个原子。无法精确地了解角蛋白的构造，而且将其固定的力量仍然是一个不解之谜。尚无法证明角蛋白是由多肽链组成的——阿斯特伯里的研究工作只是表明有这种可能性。
　　鲍林对阿斯特伯里的工作进行了仔细的研究。
　　阿斯特伯里关注的是角蛋白这类纤维蛋白质，而另一组英国科学家关注的是球蛋白的分子结构。这类蛋白质在体液中会溶解，如血红蛋白、抗体和酶。这里主要的问题是获取良好的晶体。球蛋白并非不能结晶——比如科学家们长期以来就知道，血红蛋白在干燥后会结晶——但是在进行X射线衍射时，它们只能形成一片模糊的图像。这使一些蛋白质化学家推测，球蛋白没有内部结构，只不过是氨基酸随意的聚合，而肌体真正的活性组织——非蛋白质分子，如维生素和荷尔蒙——是自由定位的。
　　直到1934年，剑桥大学晶体学家约翰·伯纳尔证明了另一种理论。伯纳尔发现，球蛋白就像水母：需要借助液体环境来保持原来的结构，失水后，结构就会遭到破坏。伯纳尔将其悬浮在液体中进行X射线衍射，得到了一些实用的图形。到了30年代末期，以他为中心的一个小组致力于揭开球蛋白结构之谜。他和同事们——其中包括多萝西·霍奇金和在维也纳受过培训的青年化学家马克思·佩鲁茨——对一些球蛋白进行了提纯、结晶和X射线衍射分析：胰岛素、血红蛋白和糜蛋白酶。这是在极端艰苦的环境中取得的巨大成就。在佩鲁茨的记忆中，剑桥实验室是“在一幢破旧灰色大楼底层的几间灯光昏暗的脏屋子”，但是怕纳尔成功地将其变成了“神话中的城堡”。他们发现，他们研究的所有球蛋白都具有规则的结构，而且无一例外地异常复杂——当鲍林看见在剑桥实验室中拍摄的照片时，他的第一个反应是，如果直接用X射线分析这类蛋白质结构是可行的话，那也至少要花费几十年的时间。阿斯特伯里和伯纳尔的研究工作引起了越来越多的人的注意，其中也包括韦弗。他在30年代中期开始资助他们的工作。在洛克菲勒基金的支持下，三个中心开始围绕蛋白质精确的结构展开联合科研活动。前两个中心分别由阿斯特伯里和伯纳尔领导。两人都是物理学家，都认为只有通过不厌其烦的、直接的X射线衍射分析才能揭开整个蛋白质的结构之谜。第三个中心在帕萨迪纳，由鲍林领导。他寻求以理论的形式，在对结构化学的深刻认识基础上寻找一条捷径。在1935年，三个中心的不同之处在于，英国科学家从其X射线工作中得到了许多实际数据，而鲍林还没有发表过一篇关于蛋白质结构的论文。
　　氢键
　　鲍林很快意识到，要对这些奇怪的巨大蛋白质分子作实验，一定需要借助外界的帮助。
　　洛克菲勒医学研究所的一个研究小组正好具备鲍林缺乏的这种专长。两位洛克菲勒科学家，阿尔弗雷德·莫斯基和莫蒂默·安森最近所作的实验表明，在某些情况下变性可以被逆转；例如，血红蛋白在受热后会改变形状并丧失携氧的能力，然而如果被小心地冷却，至少一部分分子会恢复原来的形状和特性。结构和功能的这一联系令鲍林眼睛一亮，但是洛克菲勒小组的实验技能更让他心动。鲍林在1935年春天到纽约拜访了莫斯基，两人一见如故。鲍林直截了当地请莫斯基到加州理工学院工作几年，令莫斯基又喜又惊。他结结巴巴地说，这是一个不坏的主意，但是过于突然，所长西蒙·弗莱克斯纳不会答应的。鲍林说，他觉得所长可能会同意。他找到了所长办公室，说服秘书立即安排他和所长会面。他不仅要求弗莱克斯纳同意放莫斯基，还要求洛克菲勒医学研究所支付一切费用。弗莱克斯纳是洛克菲勒基金理事会成员，从韦弗那里对鲍林早有耳闻。他对这位青年科学家的坦率感到好笑，同时对他将化学技巧运用到生物学上感到十分有趣，最终答应了鲍林的要求。
　　莫斯基在夏天刚开始的时候来到了帕萨迪纳，马上开始对蛋清、肌肉和其他蛋白质的变性过程做了一系列的实验。鲍林让莫斯基负责实验室工作，同时彼此探讨变性的化学含义——弄清楚这一过程对蛋白质的结构造成了哪些实际的影响。莫斯基和安森收集的实验数据表明，变性过程可以分为两个层次，这让鲍林产生了浓厚的兴趣。第一个层次由相对较弱的热量和酸引起，往往是可逆的。而第二个层次，由较高的温度，较强烈的化学环境或是与破坏蛋白质的酶发生的反应所引起，通常是不可逆转的。根据这些数据，鲍林很快地用化学键理论作出了自己的解释。两个层次的变性意味着有两种类型的化学键，第一类涉及到相对较弱的化学键，很容易被打破或重建；第二类涉及到较强的化学键，难以打破，也难以重建。鲍林对打破第二类较强的化学键所需的能量进行了测定，数据表明这一类化学键为共价键；这反过来也验证了蛋白质是由氨基酸与共价的肽键结合而成的长链的观点。第二层的变性基本上将蛋白质撕裂成了碎片。
　　鲍林对较弱的化学键的研究更富有成果。他很快意识到，打破第一类化学键所需要的能量符合他所知的称为氢键的奇怪的化学键类型。在1935年的时候，鲍林是全美为数不多的理解并认识到氢键重要性的科学家之一。这一理论认为，氢在某种情形下，可以不形成一般的共价键或离子键，为两个原子所共有，在两者之间形成一座桥梁。鲍林认识到这一理论可以运用到他的化学键构想中：一方面，氢原子要靠近一个电负性很强的原子——比如说氧原子，或是氟原子——氢原子的孤电子被吸向这一原子，电荷集中在两个原子之间的区域中，在这一边形成一个小的负电荷。结果，在氢的另一边电子出现的机会较少，形成了一个小的正电荷，这样就与附近带负电的原子或分子形成了静电键——氢键。鲍林早在1928年就撰文讨论过氢键的概念，在1934年自己的共振理论中也融入了这一理论，并在1935年关于冰的摘值的论文中集中运用了这一理论。
　　现在莫斯基的变性实验使鲍林进一步确信，氢键是蛋白质结构中一个重要的成分。1935年秋天，他们两人根据鲍林的思路初步提出了一种新理论。他们写道：“我们对一个自然的蛋白质分子（表现出一定的特性）的认识如下。分子包含一个多肽链，在整个分子中连续不断（或者在某些情形下，包含两条或更多的多肽链）；这一多肽链被折叠为由氢键键合的唯一的结构。……”换句话说，所有蛋白质都包含氨基酸环，以及可能以阿斯特伯里认为的原始蛋白质角蛋白形式存在的多肽链。强肽键使整个链成为一个整体，但是各部分之间较弱的氢键折叠之后使整个链成为其最终的形状。这最终的形状对蛋白质的功能是至关重要的；分子除非保持这一形状，不然难以完成其功能。稍微受热之后，氢键断裂，整个链条伸长，并像针线盒中松散的纱线那样纠结在一起。然而，只要整个链还是一个整体，在合适的条件下，氢键能够重建，蛋白质也能恢复原先的形状和活性。较强的处理将使链本身断裂，打破肽键，并不可逆转地使蛋白质变性。
　　1936年7月，这篇名为“论自然、变性和凝结的蛋白质结构”的论文发表在《国家科学院学报》上，很快就被公认为是本领域中一项重要的进展。鲍林对化学键的认识一举对蛋白质变性和蛋白质活性的纷繁复杂的观察数据提出了一个统一的解释。韦弗大喜过望：尽管鲍林的思想最终被接受尚要假以时日，但是他向解决韦弗的“巨大的蛋白质问题”迈进了一大步。
　　然而，当论文在1936年6月1日到达《国家科学院学报》编辑部后的两天，鲍林的生活经历了一场巨变，原因与蛋白质没有丝毫的联系。
　　9　国王　教皇　怪杰
　　青年独裁者
　　诺伊斯的健康长期以来如风中残烛。在20年代，他首先被错误地诊断患有癌症，又被怀疑肺结核感染，靠大剂量的腺体注射来强打精神，还因为吃炸面包受噎引起溃疡而不得不进行了痛苦的咽喉手术。早在1928年，他就自以为“最多再活五六年——可能更少”。他开始把自己日渐衰弱的精力集中到为数很少的几个项目上，其中最重要的是完善加州理工学院的本科教育体制。在90年代代早期，诺伊斯恶化的健康和他对课程政策的关注，使鲍林觉得化学系的需要遭到了怠慢。
　　但是，诺伊斯一贯的做法是将学院放在第一位。20年代初期，为了吸引密立根到帕萨迪纳来，他和海耳决定把加州理