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人工如何合成蛋白質的?

1965年,世界上第壹個人工合成的蛋白質——結晶牛胰島素在我國誕生了。這項科研成果震動了中外科學界。在國內,國家科委專門組織了我國壹些著名科學家對這項工作進行了嚴格鑒定,並給予了高度的評價。在國外,受到壹些著名科學家的高度贊揚。有的認為,從簡單的氨基酸用人工方法合成具有全部生物活力的蛋白質,中國的胰島素是惟壹令人信服的例子;有的表示,人工合成胰島素在科學技術先進的國家還沒有做到的時候,中國首先做到了,令人十分欽佩。英國電視廣播還為這件事組織過壹次電視專題節目,專門報道中國的胰島素人工合成。美國銷路最廣的《紐約時報》也以整版篇幅詳盡地介紹了我國的這壹科學成就。

胰島素是壹種蛋白激素。從結構上看,它是壹種蛋白質,從功能上看,它是調節生物體內新陳代謝的壹種激素。它是由胰腺中的胰島細胞分泌的,能促進人和動物對葡萄糖的利用。如果胰島分泌的胰島素過少,體內葡萄糖的氧化和儲存就會發生障礙,葡萄糖在血液裏的含量就會升高,導致尿中有過多的糖分排出,這就是糖尿病。據統計,全世界糖尿病患者有1億多人,糖尿病患者的血液含糖量過多,血液循環系統受到破壞,伴隨而來的是壞疽病和心臟病,腎功能下降,眼睛失明等。它是嚴重危害人類健康的壹種疾病。1921年7月30日,班丁和拜斯特發現了胰島素並從狗的胰腺裏提取出寶貴的胰腺抽提液,後來又從豬、羊、牛的胰腺中提取出胰島素,並於1922年應用於臨床治療。1926年,純化的胰島素已能做成結晶,壹些糖尿病患者的生命得到了延續。但由於胰島素數量太少,價格昂貴,壹般的人得了糖尿病就等於被判了死刑。所以,人們夢想著有壹天能用人工的方法合成胰島素。

人工合成蛋白質開始於100多年以前。德國的壹位多才多藝的化學家維勒,從小喜歡詩歌、美術和收藏礦物標本。在各門自然科學中,他最喜歡化學,23歲獲醫學博士學位。1824年春天,維勒在進行金屬氰化物和氨水的研究時,在實驗中意外地發現,在氰化物和氨水相互作用時,經水浴加熱,冷卻後容器底部出現了壹些白色沈澱物。這是什麽物質呢?維勒思索著,推測著。但是,維勒的眼光是敏銳的,思維是敏捷的,他不憑猜測下結論,在奇特的實驗現象面前,他提出了許多假設,設計了許多實驗,反復實驗,反復研究,經過4年的艱苦努力,終於查明金屬氰化物和氨水相互作用,首先生成的物質是氰酸銨,在壹定條件下,就會轉化成尿素(壹種有機物)。

維勒的學生柯爾伯繼承了維勒的事業,著手進行用最基本的元素合成有機物的實驗。他頑強拼搏了7年,終於在1845年成功地用空氣、氫氣、氯氣、碳等無機物合成了有機物醋酸。這再壹次證明了,用無機物能合成有機物。

接著,壹系列的有機物如酒石酸、檸檬酸和蘋果酸等都陸續用人工的方法合成了。1854年德國化學家且泰羅合成了脂腦,1861年俄國化學家布特列洛夫合成了糖類。

1886年,俄國的科學家丹尼列夫斯基嘗試用氨基酸“裝配”蛋白質。他把蛋白質“拆開”,然後把拆下來的氨基酸放進試管裏,加進壹些蛋白質合成的物質。過壹段時間後,試管裏出現了乳白色的沈澱物。整個科學界為之轟動了,仿佛人工合成蛋白質的道路已經找到了似的,其實這只不過是壹些由多個氨基酸分子組成的多肽。可德國生物學家費雪卻以驚人的毅力投入到氨基酸“裝配”成蛋白質的研究中。他的思路是:兩個氨基酸形成二肽,再接上壹個就是三肽……像搭積木壹樣,蛋白質就自然而然地合成了。

在費雪進行實際工作時,卻遇到了意想不到的麻煩。在合成蛋白質的過程中,壹步只能接上壹個氨基酸,每步反應中都有副產物,不能壹壹分離,因而每進行壹步都有相當壹部分材料消耗掉。由於耗資巨大,他沒能完成這項艱巨的任務,只合成了含18個氨基酸的肽鏈。

費雪的學生貝格曼和其他壹些科學家,繼承了費雪未竟之業。後來,瑞士科學家艾勃德哈頓合成了含19個氨基酸的多肽。

其實,人工合成蛋白質工作的復雜,不僅僅在於把許多氨基酸連接起來,還取決於氨基酸的位置。原來,任何壹種蛋白質的氨基酸組合排列都有十分嚴格的順序,錯壹點兒也不行。現以20種、500個氨基酸所組成的蛋白質為例,看看它究竟有多少種列排方式。它的數目將達20500,可以說是個天文數字了。也就是說,妳要拼湊20500次以上,才可能有壹次成功。顯然,這不是具有耐心就能辦到的。於是,科學家們千方百計繼續尋找解決問題的新方法。

20世紀40~50年代初期,英國化學家馬丁和辛格受“滲透”現象的啟發,發明了“紙層析法”。先用水解酶將蛋白質分解,就像壹串珠鏈被扯斷,氨基酸就壹顆顆地散落下來,然後取氨基酸混合液壹滴,放在壹張濾紙的角上,再把滴有混合液濾紙的壹角浸在壹種叫丁醇的溶劑中。由於濾紙的毛細作用,溶劑就會帶著各種不同的氨基酸在紙上“賽跑”了。因各種氨基酸分子輕重不同,就像賽跑中有快、慢壹樣,不壹會,混合液中的各種氨基酸就在紙上分別停留下來,形成壹系列的點。但有時幾種氨基酸跑得壹樣快而停留在壹個點上。要把這些再分開,可在濾紙幹了以後,從原來的方向掉轉90°角,讓新邊緣浸在另壹種溶劑中,就能把它們再分成幾個點。最後,等整張紙幹了,再用可以使氨基酸的斑點變成帶色的化學藥品來洗它。使原來混成壹種溶液的各種氨基酸,散開在壹張濾紙上,成了許多帶色的斑點。於是便能被有經驗的科學家壹壹辨認。用這種方法可正確測定各種蛋白質中氨基酸的組成和比例。那麽,組成蛋白質的各種氨基酸又是怎樣排列的呢?

1945年,英國生物學家桑格發明壹種叫二硝基酚衍生物試劑(DNP)。DNP能把蛋白質中的氨基酸壹個個地拉下來辨認。有了DNP,桑格就向胰島素分子的整條肽鏈進攻了。胰島素分子雖然不大,但卻具有蛋白質的所有結構特征。桑格花費了10年時間,終於在1953年測得了胰島素的全部氨基酸的排列次序。

如何解決氨基酸之間的正確連接呢?

1959年,美國生物化學家梅裏菲爾德領導的研究小組發明了壹種叫聚苯乙烯的小顆粒。利用它來捆住頭壹個氨基酸的頭,叫做戴帽子。因為小顆粒在所有的溶液中並不溶解,所以,只要過濾就能把它們分離出來。然後再加上含有第二個氨基酸的溶液,這個氨基酸就會用它的頭和第壹個氨基酸的腳連接起來。此後再過濾,再加下壹個……這種步驟既簡單又迅速,再加上用電子計算機控制,使合成蛋白質的速度大大地加快了。

為了尋找解決人工合成蛋白質的新方法,科學家們歷盡艱辛,開拓進取。功夫不負有心人,他們終於探索出了解決問題的新方法,使人工合成蛋白質成為可能。

1965年我國生化學家首先人工合成具有高度生物活性的胰島素,此成果成為人類歷史上第壹次人工合成蛋白質的偉大創舉。該項工作是從1958年開始的。胰島素是當時惟壹的已經知道了化學結構的蛋白質,由51個氨基酸組成,需要17種氨基酸做原料。當時國際最高水平,只能人工合成由19個氨基酸組成的多肽,怎麽才能合成有51個氨基酸的胰島素分子呢?這是壹項非常艱巨的科研工作,需要用壹系列復雜的生物化學反應來完成。科學家們在壹起認真地討論研究,能不能先分別合成A、B兩條鏈,然後再把兩條鏈連接起來而得到胰島素呢?於是他們決定先把天然胰島素拆成A、B兩條鏈,再把它們合起來,看能不能重新合成。這樣的拆合嘗試,國外曾經做過多次,都沒有成功。我國通過自己的實踐,在1959年勝利地解決了這壹難題。

這壹成功,還同時解決了壹個懸而未決、令人擔憂的問題,這個問題就是胰島素不僅有壹定的化學結構,而且還有壹定的立體結構。就是說,胰島素分子是由51個氨基酸按照壹定次序連接成的兩條長鏈組成的,這兩條鏈又按照壹定的規律彎來扭去折疊起來,形成立體結構。把天然胰島素拆成兩條鏈以後,立體結構已經被破壞,但是經重新合成以後,所得到的結晶,形狀同原來壹樣,而且具有同樣的生物活性。這就說明,只要我們合成的兩條鏈的化學結構準確,在適宜的條件下,它們就會自動地按照壹定規律彎曲折疊起來,形成和天然胰島素壹樣的人工合成胰島素。

那麽,怎樣合成A鏈和B鏈呢?這就必須把各種氨基酸按照壹定的次序,壹定的位置,逐個地連接起來。當時我國的科學技術、條件設備還很落後,要進行這麽復雜的工作,難度是可想而知的。但中國科學家為了在這場國際競爭中取勝,組織了強有力的科研陣容:上海有機化學研究所和北京大學化學系負責合成A鏈,中科院生物化學研究所負責合成B鏈。

合成A鏈和B鏈以後,把合成的A鏈同天然的B鏈相結合,把合成的B鏈同天然的A鏈相結合,而得到半合成的胰島素。1964年我國胰島素的半合成獲得了成功,人工合成的兩條鏈和天然的壹樣,它為全合成打下了牢固的基礎。把經過半合成考驗的A鏈和B鏈相結合,在1965年我國終於完成了結晶牛胰島素的全合成。

我國人工合成的胰島素經過全面的嚴格鑒定,證明它的結構、生物活力、物理化學性質、結晶形狀都和天然的牛胰島素完全壹樣。當時,國外也有人在進行胰島素的人工合成,不過,他們合成的胰島素活力很低,開始也得不到結晶。我國人工合成的胰島素在質量上達到了世界先進水平。

各自承擔合成任務的上海、北京等地的科研工作者,依靠集體的智慧和力量,通力協作,聯合攻關,進行了壹場歷時6年零9個月的可歌可泣的“持久戰”。他們經歷了無數次的失敗,每走壹步都如履薄冰,付出了常人難以想象的代價和辛勞,終於獲得了豐碩的成果。

世界轟動了,令世人矚目的世界上第壹項人工合成蛋白質的桂冠被中國人摘取了。

中國人並未止步,1969年又合成了鏈更長,有124個氨基酸的核糖核酸酶;在1970年,中國血統的美國生物化學家李卓潔合成了鏈上有188個氨基酸的人類生長激素。科學發展到了今天,通過基因工程大量生產人胰島素,已用於臨床治療。其療效高,副作用小,價格便宜,真正為糖尿病患者帶來了福音。人們的夢想變成了現實。

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