王志珍：人工合成胰島素中，一個少為人知的科學故事_風聞

撰文 | 王志珍

來源：我是科學家iScientist

1966年，中國科學家首次人工全合成具有全部生物活性的結晶牛胰島素。讓我們聽王志珍院士講述在上世界60年代，人類在蛋白質科學研究中跨出的重要一步。

​以下為王志珍演講實錄：

我是中國科學院生物物理研究所研究員王志珍。

我是一名研究蛋白質的生物化學家，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，半個世紀以前，中國科學家在人工合成胰島素的創舉中，一個少為人知的科學故事。

説起蛋白質，很多人就會想起高蛋白的食物，牛奶、雞蛋、雞鴨魚肉、蝦。不錯，蛋白質是我們人體的必需營養。

什麼是蛋白質呢？用革命導師恩格斯權威的哲學語言來説，“生命是蛋白體的存在形式”。

用科學語言來説，“蛋白質是生命活動的主要承擔者”。不管是呼吸、消化、運動、説話，還是思維、學習、記憶，甚至感情等等，一切生命活動，都是由蛋白質分子或者説由很多蛋白質組成的“分子機器”來執行和完成的。

蛋白質是一種生物大分子，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”的化學鍵聯繫起來，形成肽鏈。

肽鏈就是蛋白質的一級結構，沒有活性。只有當它在空間盤纏捲曲、折來折去，形成特定構象，才能獲得生物學活性，成為蛋白質分子。

人體當中至少有2萬種不同的蛋白質分子，每個蛋白質分子都有自己特定的結構。但組成這麼多不同種類蛋白質的氨基酸，實際上也就是20來種。

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

在這裏，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。兩個半胱氨酸之間可以形成一種叫做“二硫鍵”的共價鍵。二硫鍵對於蛋白質分子的結構和功能非常重要。

到現在，我相信大家已經和我一起對蛋白質建立了新的認識：蛋白質是由氨基酸連接成的、通過摺疊形成有複雜結構、特定形狀，從而獲得活性的生物大分子。

如果蛋白質的摺疊發生了錯誤，就有可能引起疾病。大家知道的阿爾茲海默症（老年痴呆症）、帕金森氏症、肌萎縮側索硬化症（漸凍症）等等，都是神經退行性疾病。在患者的大腦裏產生了某些蛋白由於錯誤摺疊形成的斑塊。

以上是今天講座的鋪墊。

現在我們來講講人工合成胰島素。

1958年，中國科學院上海生物化學所為了向國慶十週年獻禮，決定做一個有分量的項目，要“合成一個蛋白質”。這的確非常有分量，因為當時世界上沒有成功的先例。有很多人經常把這件事情，説成是中國人跟諾貝爾獎擦肩而過、失之交臂的一個工作。

有那麼多蛋白質，合成哪個呢？擺在中國科學家面前的選擇其實就一個：胰島素。因為胰島素是當時唯一一個氨基酸序列已知的蛋白質。它的序列是1955年英國科學家Sanger測定的，他於1958年獲得諾貝爾獎。

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。同時它是一個很小的分子，只有51個氨基酸。

胰島素分子由兩條鏈組成，上面是A鏈，有21個氨基酸；下面是B鏈，有30個氨基酸。兩條鏈中間，有兩條紅色的線，表示二硫鍵，且A鏈內部也還有一個二硫鍵。這樣特殊的性質，恰恰給胰島素的合成製造了一個瓶頸，而且還埋伏着當時完全不清楚的蛋白質摺疊的問題。

這樣一個很特殊的蛋白質分子，怎麼去合成呢？當時提出了至少這樣四種方案；但是由於技術和試劑方面的限制，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，在當時已經有過先例了。1952年，美國人合成了含有九個多肽的催產素，二年後就獲得諾貝爾獎；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任瞭解決這個關鍵問題的任務。鄒承魯先生當年35歲，他組裏所有的成員都比他年輕，有些還是大學剛剛畢業的。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，之後去尋找條件，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”，聽起來很簡單，但其實實在是太困難了。因為胰島素的A、B鏈重組的方式有無窮種。

我們設想一個理想的理論狀態，就是在溶液裏只有一條A鏈和一條B鏈，那麼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%。

然而隨着A、B鏈的數目在溶液中增加，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指數級的增長，也就是無窮種。但只有一種是天然胰島素的結構，所以組合正確的概率是無窮分之一——相當於0。

然而一年多以後，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%，最後竟然到了10%，可以説重組取得了成功。他們圓滿地完成了任務，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。

但當時出於對德國和美國科學家同類工作的保密，鄒承魯小組的工作並沒有在國際上發表。1960年，《自然》雜誌上發表了加拿大科學家類似的工作，但產率只有1%-2%，所以中國人的這個工作在國際上是領先的。

經過7年多的辛勤奮戰，1966年，中國科學家人工全合成了具有全部生物活性的結晶牛胰島素，右上角是合成的牛胰島素的結晶；右下角是通過小白鼠驚厥測定胰島素的活性。《人民日報》報道了這項工作。

在理論上幾乎得不到的情況下，為什麼鄒承魯小組能夠得到相當高產率的天然胰島素呢？

當時他們總結的原因是，“在所有可能的重氧化產物當中，胰島素結構還是一種比較穩定的結構，甚至在各種AB異構物之中，還是最穩定的結構之一。”這個時候，他們就已經認識到了天然結構是最穩定的。

現在我必須跟大家談一談，同一時期美國科學家Anfinsen的“牛胰核糖核酸酶的變性和復性實驗”。核糖核酸酶是一個酶蛋白，它只有一條鏈；但是它有八個半胱氨酸，所以形成了四對二硫鍵。加了還原劑和變性劑，這個分子就還原變性成一個伸展的鏈，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摺疊起來、氧化復性成為原來的分子結構。

Anfinsen最後找到了一個條件，得到了差不多有80%非常高產率的核糖核酸酶。他後來得出的結論是，多肽鏈氨基酸的序列已經含有了其三維結構的全部信息，也就是我們平常講的“蛋白質一級結構決定高級結構”。他於1972年獲得諾貝爾化學獎。

來對比一下中國科學家跟美國科學家面對的問題。時間上，都是在上世紀五六十年代。他們處理的問題，也都是多肽鏈中二硫鍵正確形成的問題：一個是變性和復性的實驗，一個是拆開和重組的實驗，非常相似。

美國人做的是牛胰核糖核酸酶（上圖右側），只是一條鏈，探究的是4對鏈內的二硫鍵。這個情況下，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%。

而中國科學家面對的問題是兩條鏈的胰島素（上圖左側）。它雖然只有6個半胱氨酸，但是由於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。所以中國科學家面對的問題實際上更加複雜。

Anfinsen在生命科學發展的那個階段，是興趣使然、自由探索。所以他在黑暗當中，一步一步地朝着前面出現的小亮點前進。最後看到了一扇亮燈的窗户，到了這扇窗户跟前，並最終推開了它，向人們展示了一個蛋白質科學中，嶄新的蛋白質摺疊的世界。而且他指出了，“天然蛋白質的結構是在生理條件下熱力學上最穩定的結構”。

中國的科學家在那特定的社會條件下，是任務導向。其實他們在執行任務的過程當中，也必然會看到這扇窗户，到達這扇窗户前。然而，由於任務的催促和災難性的文革的種種干擾，他們被帶離了這扇窗户，沒有機會去捅破那一層窗户紙。

一直到改革開放，郭老宣佈科學的春天到來了，A、B鏈重組成功的基礎理論研究才在中國科學院生物物理所揚帆起航。我本人也非常有幸參與了這項研究。

這就是我今天要給大家講的，胰島素合成背後的蛋白質摺疊的故事。謝謝大家。

演講嘉賓王志珍：《人工合成胰島素中，一個少為人知的科學故事》

《返樸》，致力好科普。國際著名物理學家文小剛與生物學家顏寧聯袂擔任總編，與幾十位學者組成的編委會一起，與你共同求索。關注《返樸》（微信號：fanpu2019）參與更多討論。二次轉載或合作請聯繫[email protected]。

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