蛋白质和它的人工合成 [复制链接]

第5版()
专栏：

蛋白质和它的人工合成
龚岳亭
近年来，人类虽然已经开始进入了宇宙空间和占领了原子核科学的阵地，但对于自身所属的生物界，却尚未能深刻地认识生命现象的本质。
恩格斯在十九世纪中叶曾经说过：“生命是蛋白体的存在方式……。”今天我们知道，蛋白质和核酸就是生命现象的最主要的物质基础。生物体的生长和发育、遗传和变异，其中所经的正常生理活动或病理变化无一没有蛋白质和核酸的参与。因此，如果能解决蛋白质人工合成的问题，能按照“订单”制造出人们所需要的蛋白质，不仅对于深入了解生命现象有重大意义，还可以为人类的生产实践开辟出新的天地。目前，人工合成蛋白质的道路已经初步打开，这虽然不过是万里长征中的第一步，在今后的道路上障碍还将不断地出现，但已经为生命科学的研究树立一个重要的里程碑。
首先让我们来看一下蛋白质的面貌和它的作用范围。
蛋白质是由二十来种、为数成百上千的氨基酸所组成的生物高分子。这些不同的单体——氨基酸是按一定的顺序头尾相接，连成一条自身卷曲为螺旋状的肽链（两个氨基酸头尾相连的化合物算为二肽，三个为三肽，余此类推）。天然状态的蛋白质可由一条或几条肽链折叠为各种式样的立体结构：球形的或棒状的。由于肽链的长度和数目的不同，以及氨基酸的种类和排列次序的变换，就可以组合成种类繁多的蛋白质，并表现出不同的生物功能。
生物体内有形形式式的蛋白质，担负着为机体自身生存和发展的种种功能。例如，在生物体中进行的化学过程，象呼吸、消化、光合作用等几乎没有例外，都是借助于酶——生物催化剂来实现的，而所有的酶没有例外的又都是蛋白质。酶的生物催化作用是蛋白质最微妙的功能之一。工业上的催化剂一般说来需要在高温、高压下才能发挥它们的作用；由酶所催化的反应在极温和的生理条件下就能顺利地进行，效率高，选择性又强。
动物体内有一类调节代谢的微量物质，叫做激素。其中象胰岛素、生长激素、催乳激素等也都是蛋白质。在正常的情况下，它们维持动物体内代谢过程的平衡。激素过多或过少都会造成混乱而引起疾病。人类可以注射某些激素来弥补体内内分泌的缺陷，以有助于保持身体的健康。
在疾病的预防方面，大家都知道注射预防针。当动物体注射了血清或疫苗（体外的蛋白质）之后，就会制造出另一种抗体蛋白，与体外的蛋白质结合而制止后者的活动。体内有了抗体就可以抵制外来的侵袭，譬如说细菌的感染，从而可达到预防某种疾病的目的。种了牛痘不会出天花，就是这个缘故。
生命现象最重要的表现之一为运动。运动是通过蛋白质分子的收缩和伸张而进行的，如高等动物的肌肉收缩和精子、细菌中的鞭毛摆动现象，都是依靠一类纤维状蛋白所起的变化。
另外，使植物生病的烟草花叶病毒和使人们生病的小儿麻痹症病毒、流感病毒，以及破坏大肠杆菌的嗜菌体等也是蛋白质的络合体。
蛋白质的作用范围真是广极了，诸如血液蛋白的氧气输运、神经蛋白的传导作用、毒素蛋白的毒害，以及结构蛋白的支持与保护等都是大家所熟悉的例子。
人工合成蛋白质对于充分了解蛋白质的结构与功能，认识它们的作用规律是十分重要的。这里，我们不妨举一些例子来说明。已经知道某一些酶被切掉了一大块，但它们的作用并不丧失；另一些酶，它们所承担的任务性质相同，但亦有一部分结构（即一部分的氨基酸排列次序）是相同的。这意味着有些部分是必需的，有些是次要的，甚至是可有可无的。如果人们掌握了人工合成蛋白质的规律，就可以模拟某些酶的性质，合成更稳定的高效率的人工催化剂，应用到工业生产方面。我们还可以改变某些蛋白质激素的结构，人工合成一些疗效更高和药性持久的药物。在这方面已有了很好的开端。例如，促肾上腺皮质激素（有时简称ACTH，在医疗上用来对付关节炎的）是由三十九个氨基酸组成起来的一条肽链，肽链本身松散，不折叠成高一级形式的结构，因此只能被认为多肽。据国外报道，只要合成打头二十个氨基酸连接起来的片段，就能获得与天然ACTH完全相同作用的产品。人们还可大胆设想，合成更高一水平的蛋白体系，如控制免疫、模拟光合，甚至干预细胞生活内部机制，使机体的遗传作用朝着我们所希望的方向转移。这些课题既有理论意义，又能指导医学、工农业的实践。
人工合成蛋白质得从简单的开始，科学家们第一次把蛋白质结构搞清楚的是胰岛素。胰岛素分子虽然比较小，但已具备了符合蛋白质的起码条件：既能自身卷曲，又能折叠成一定的空间构型。所以，人工合成胰岛素也可以说是第一次人工合成蛋白质。
胰岛素是一种激素蛋白，其主要功能是降低血糖，在临床上用来对付糖尿症。胰岛素分子是由A和B两条肽链组成的。A链是二十一肽，B链是三十肽，两链通过二个硫—硫键相连：而A链自身又有一个硫—硫键，从而使胰岛素分子具有特殊的空间构型。如将这些硫—硫键拆开，生物活力即丧失，只有把它们合适地连起来，才能恢复原来的作用。要人工合成胰岛素，首先须把氨基酸按一定的顺序分别合成A及B链，然后将A链和B链通过两个硫—硫键连接成胰岛素。当然，A链自身的一个硫—硫键也同时合拢。为了要克服这最后的和最关键的一道难关，先得解决天然胰岛素的拆合问题，探索一下此路是否可通。多肽合成在一九五九年时的国际水平，只有人工合成九肽
（催产素等）成功的实例。把天然胰岛素拆开后的A及B链连结成原来的形状，国际上虽然已有三十年来的摸索，也还未见成功的报道。很多化学界权威人士认为，要符合天然胰岛素那样结合方式的可能性是很少的。因而，在合成或拆合问题上的困难是很大的。如采用哪一种合成方法和路线，寻找哪几种合适的试剂把某些特殊氨基酸的活泼基团保护起来，都要全盘考虑，不能顾此失彼。合成的步骤不下几百个，当氨基酸一个一个地接好之后，还要把保护起来的那些附件拿掉，力量要施得恰当，轻微的处理去不掉附件，太剧烈了又会破坏氨基酸的特殊基团，甚至把辛辛苦苦地接起来的肽链都弄断。最后还要把两条肽链通过特定的方式（即硫—硫键的连接）相连，防止它们随机地乱接。这些难题并没有把科学家们吓倒，中国科学家们，在党的领导下想尽了办法，克服了困难，目前有关人工合成胰岛素的工作已经取得了很大成绩。