[科普中國]-王志珍：人工合成胰島素中，一個(gè)少為人知的科學(xué)故事

1966年，中國科學(xué)家首次人工全合成具有全部生物活性的結(jié)晶牛胰島素。 聽王志珍院士講述在上世紀(jì)60年代，人類在蛋白質(zhì)科學(xué)研究中跨出的重要一步 。

王志珍演講視頻：

以下為王志珍演講實(shí)錄：

我是中國科學(xué)院生物物理研究所研究員王志珍。

我是一名研究蛋白質(zhì)的生物化學(xué)家，我的研究生涯是從胰島素研究開始的。 今天我跟大家來談一談，半個(gè)世紀(jì)以前，中國科學(xué)家在人工合成胰島素的創(chuàng)舉中，一個(gè)少為人知的科學(xué)故事。

說起蛋白質(zhì)，很多人就會(huì)想起高蛋白的食物，牛奶、雞蛋、雞鴨魚肉、蝦。 不錯(cuò)，蛋白質(zhì)是我們?nèi)梭w的必需營養(yǎng)。

什么是蛋白質(zhì)呢？ 用革命導(dǎo)師恩格斯權(quán)威的哲學(xué)語言來說，“生命是蛋白體的存在形式”。

用科學(xué)語言來說，“蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者”。 不管是呼吸、消化、運(yùn)動(dòng)、說話，還是思維、學(xué)習(xí)、記憶，甚至感情等等，一切生命活動(dòng)，都是由蛋白質(zhì)分子或者說由很多蛋白質(zhì)組成的“分子機(jī)器”來執(zhí)行和完成的。

蛋白質(zhì)是一種生物大分子，由各種各樣的氨基酸組成。 上圖中，不同顏色的珠子代表不同種類的氨基酸，它們之間通過一種叫做“肽鍵”的化學(xué)鍵聯(lián)系起來，形成肽鏈。

肽鏈就是蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)，沒有活性。 只有當(dāng)它在空間盤纏卷曲、折來折去，形成特定構(gòu)象，才能獲得生物學(xué)活性,成為蛋白質(zhì)分子。

人體當(dāng)中至少有2萬種不同的蛋白質(zhì)分子，每個(gè)蛋白質(zhì)分子都有自己特定的結(jié)構(gòu)。 但組成這么多不同種類蛋白質(zhì)的氨基酸，實(shí)際上也就是20來種。

我相信，每一位同志都知道什么是氨基酸。 假如我說“谷氨酸”，你可能不知道； 但是我說“味精”，你一定知道： 味精是一種谷氨酸的鈉鹽（L-谷氨酸一鈉）。

在這里，我要介紹的是“半胱氨酸”。 圖左下角，黃顏色的珠子代表半胱氨酸。 兩個(gè)半胱氨酸之間可以形成一種叫做“二硫鍵”的共價(jià)鍵。 二硫鍵對(duì)于蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)和功能非常重要。

到現(xiàn)在，我相信大家已經(jīng)和我一起對(duì)蛋白質(zhì)建立了新的認(rèn)識(shí)： 蛋白質(zhì)是由氨基酸連接成的、通過折疊形成有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、特定形狀，從而獲得活性的生物大分子 。

如果蛋白質(zhì)的折疊發(fā)生了錯(cuò)誤，就有可能引起疾病。 大家知道的阿爾茲海默癥（老年癡呆癥）、帕金森氏癥、肌萎縮側(cè)索硬化癥（漸凍癥）等等，都是神經(jīng)退行性疾病。 在患者的大腦里產(chǎn)生了某些蛋白由于錯(cuò)誤折疊形成的斑塊。

以上是今天講座的鋪墊。

現(xiàn)在我們來講講人工合成胰島素。

1958年,中國科學(xué)院上海生物化學(xué)所為了向國慶十周年獻(xiàn)禮，決定做一個(gè)有分量的項(xiàng)目，要“合成一個(gè)蛋白質(zhì)”。 這的確非常有分量，因?yàn)楫?dāng)時(shí)世界上沒有成功的先例。 有很多人經(jīng)常把這件事情，說成是中國人跟諾貝爾獎(jiǎng)擦肩而過、失之交臂的一個(gè)工作。

有那么多蛋白質(zhì)，合成哪個(gè)呢？擺在中國科學(xué)家面前的選擇其實(shí)就一個(gè)：胰島素。 因?yàn)橐葝u素是當(dāng)時(shí)唯一一個(gè)氨基酸序列已知的蛋白質(zhì) 。它的序列是1955年英國科學(xué)家Sanger測(cè)定的，他于1958獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

胰島素是一種激素蛋白，糖尿病者可以通過注射胰島素降低血糖。 同時(shí)它是一個(gè)很小的分子，只有51個(gè)氨基酸。

胰島素分子由兩條鏈組成，上面是A鏈，有21個(gè)氨基酸； 下面是B鏈，有30個(gè)氨基酸。 兩條鏈中間，有兩條紅色的線，表示二硫鍵，且A鏈內(nèi)部也還有一個(gè)二硫鍵。 這樣特殊的性質(zhì)，恰恰給胰島素的合成制造了一個(gè)瓶頸，而且還埋伏著當(dāng)時(shí)完全不清楚的蛋白質(zhì)折疊的問題。

這樣一個(gè)很特殊的蛋白質(zhì)分子，怎么去合成呢？當(dāng)時(shí)提出了至少這樣四種方案；但是由于技術(shù)和試劑方面的限制，只有方案一比較有希望。即： 先分別合成A鏈和B鏈，再把A、B鏈通過二硫鍵接起來（重組） 。

肽鏈的合成，在當(dāng)時(shí)已經(jīng)有過先例了。 1952年，美國人合成了含有九個(gè)多肽的催產(chǎn)素，二年后就獲得諾貝爾獎(jiǎng)； 1958年，又有人合成了十三肽的促黑激素。 所以胰島素合成的關(guān)鍵問題，就是合成的A鏈和B鏈能不能連起來，成為有活性的天然胰島素分子。

上海生化所的鄒承魯小組擔(dān)任了解決這個(gè)關(guān)鍵問題的任務(wù)。 鄒承魯先生當(dāng)年35歲，他組里所有的成員都比他年輕，有些還是大學(xué)剛剛畢業(yè)的。 他們做的“胰島素拆合”工作，就是把二硫鍵還原，拆開成兩條分開的A鏈和B鏈，之后去尋找條件，看分開的A、B鏈能不能重新組合，成為天然的有活性的胰島素。

“拆”跟“合”，聽起來很簡(jiǎn)單，但其實(shí)實(shí)在是太困難了 。因?yàn)橐葝u素的A、B鏈重組的方式有無窮種。

我們?cè)O(shè)想一個(gè)理想的理論狀態(tài)，就是在溶液里只有一條A鏈和一條B鏈，那么所有的半胱氨酸之間，形成二硫鍵的方式有15種。而 真正的天然胰島素只有左上角那一種，所以它的概率是1/15，也就是6.7% 。

然而隨著A、B鏈的數(shù)目在溶液中增加，兩條鏈可以以不同比例與方式組合，二硫鍵可能的連接方式將呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)，也就是無窮種。 但只有一種是天然胰島素的結(jié)構(gòu)，所以組合正確的概率是無窮分之一——相當(dāng)于0。

然而一年多以后，鄒承魯小組居然找到了一組條件，使得他們從分開的A鏈和B鏈得到天然胰島素的概率，從0.7%提高到1%，再提高到5%，最后竟然到了10%，可以說重組取得了成功。 他們圓滿地完成了任務(wù)，確定了方案一作為胰島素的合成路線，開始了人工全合成胰島素的攻關(guān) 。

但當(dāng)時(shí)出于對(duì)德國和美國科學(xué)家同類工作的保密，鄒承魯小組的工作并沒有在國際上發(fā)表。 1960年，《自然》雜志上發(fā)表了加拿大科學(xué)家類似的工作，但產(chǎn)率只有1%-2%，所以中國人的這個(gè)工作在國際上是領(lǐng)先的。

經(jīng)過7年多的辛勤奮戰(zhàn)，1966年，中國科學(xué)家人工全合成了具有全部生物活性的結(jié)晶牛胰島素，右上角是合成的牛胰島素的結(jié)晶； 右下角是通過小白鼠驚厥測(cè)定胰島素的活性。 《人民日?qǐng)?bào)》報(bào)道了這項(xiàng)工作。

在理論上幾乎得不到的情況下，為什么鄒承魯小組能夠得到相當(dāng)高產(chǎn)率的天然胰島素呢？

當(dāng)時(shí)他們總結(jié)的原因是，“ 在所有可能的重氧化產(chǎn)物當(dāng)中，胰島素結(jié)構(gòu)還是一種比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，甚至在各種AB異構(gòu)物之中，還是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)之一 。”這個(gè)時(shí)候，他們就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了天然結(jié)構(gòu)是最穩(wěn)定的。

現(xiàn)在我必須跟大家談一談，同一時(shí)期美國科學(xué)家Anfinsen的“牛胰核糖核酸酶的變性和復(fù)性實(shí)驗(yàn)”。 核糖核酸酶是一個(gè)酶蛋白，它只有一條鏈； 但是它有八個(gè)半胱氨酸，所以形成了四對(duì)二硫鍵。 加了還原劑和變性劑，這個(gè)分子就還原變性成一個(gè)伸展的鏈，失去了活性。 Anfinsen把變性劑和還原劑去掉，看這一條鏈能不能重新折疊起來、氧化復(fù)性成為原來的分子結(jié)構(gòu)。

Anfinsen最后找到了一個(gè)條件，得到了差不多有80%非常高產(chǎn)率的核糖核酸酶。 他后來得出的結(jié)論是，多肽鏈氨基酸的序列已經(jīng)含有了其三維結(jié)構(gòu)的全部信息，也就是我們平常講的“蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)決定高級(jí)結(jié)構(gòu)”。 他于1972年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

來對(duì)比一下中國科學(xué)家跟美國科學(xué)家面對(duì)的問題。時(shí)間上，都是在上世紀(jì)五六十年代。他們處理的問題，也都是多肽鏈中二硫鍵正確形成的問題： 一個(gè)是變性和復(fù)性的實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是拆開和重組的實(shí)驗(yàn)，非常相似 。

美國人做的是牛胰核糖核酸酶（上圖右側(cè)），只是一條鏈，探究的是4對(duì)鏈內(nèi)的二硫鍵。 這個(gè)情況下，所有可能形成的搭配方式是105種，其中二硫鍵正確的核糖核酸酶只有一種，所以成功的概率是1/105，就是0.95%。

而中國科學(xué)家面對(duì)的問題是兩條鏈的胰島素（上圖左側(cè)）。 它雖然只有6個(gè)半胱氨酸，但是由于兩條鏈可以以不同的比例、不同的方式來組合，因此獲得天然胰島素的概率是無窮分之一，是0。 所以中國科學(xué)家面對(duì)的問題實(shí)際上更加復(fù)雜。

Anfinsen在生命科學(xué)發(fā)展的那個(gè)階段，是興趣使然、自由探索 。所以他在黑暗當(dāng)中，一步一步地朝著前面出現(xiàn)的小亮點(diǎn)前進(jìn)。最后看到了一扇亮燈的窗戶，到了這扇窗戶跟前，并最終推開了它，向人們展示了一個(gè)蛋白質(zhì)科學(xué)中，嶄新的蛋白質(zhì)折疊的世界。而且他指出了，“天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是在生理?xiàng)l件下熱力學(xué)上最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)”。

中國的科學(xué)家在那特定的社會(huì)條件下，是任務(wù)導(dǎo)向 。其實(shí)他們?cè)趫?zhí)行任務(wù)的過程當(dāng)中，也必然會(huì)看到這扇窗戶，到達(dá)這扇窗戶前。然而，由于任務(wù)的催促和災(zāi)難性的文革的種種干擾，他們被帶離了這扇窗戶，沒有機(jī)會(huì)去捅破那一層窗戶紙。

一直到改革開放，郭老宣布科學(xué)的春天到來了，A、B鏈重組成功的基礎(chǔ)理論研究才在中國科學(xué)院生物物理所揚(yáng)帆起航。 我本人也非常有幸參與了這項(xiàng)研究。

這就是我今天要給大家講的，胰島素合成背后的蛋白質(zhì)折疊的故事。 謝謝大家。

（演講嘉賓王志珍：《人工合成胰島素中，一個(gè)少為人知的科學(xué)故事》）