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1962 · 佩魯茨與肯德魯——原子之間的形狀#

1962 諾貝爾化學獎：麥克斯·斐迪南德·佩魯茨（Max Ferdinand Perutz，1914–2002，奥地利裔英國）與約翰·考德利·肯德魯爵士（Sir John Cowdery Kendrew，1917–1997，英國）——表彰「其對血紅蛋白與肌紅蛋白結構之研究」。第一次有人把一個蛋白質的原子座標畫出來。

懸案（案情提要）#

1950 年代中期，蛋白質結構問題的狀態是這樣的：

  • 序列已知（桑格 1958 年讀出胰島素序列，見 1958-桑格與胰島素序列）；
  • 功能已知（血紅蛋白運氧、肌紅蛋白儲氧）；
  • 形狀完全未知。蛋白質是「折疊起來的膠體」嗎？是「纖維」嗎？為什麼血紅蛋白一個分子能結合四個 \(\mathrm{O_2}\)，而肌紅蛋白只能一個？為什麼同樣的輔基（血基質）在兩種蛋白質裡的行為不同？

更技術性的難題是：X 射線繞射能用於晶體，但蛋白質是「活的、濕的、軟的」，無法結晶（在當時）。而蛋白質的結構問題若不解決，遺傳學、代謝、藥理都將停留在黑箱。

偵辦人：佩魯茨與肯德魯。他們選擇了一個大膽的策略：不去對付整個蛋白質，而是先把「輔基」（血基質）單獨抽出來研究。

前因#

年份 事件
1914 / 1917 佩魯茨生於維也納（猶太家庭）；肯德魯生於牛津。
1936–1939 佩魯茨在劍橋（卡文迪許）以 X 射線研究晶體學中「差異 Patterson」（heavy-atom method）——這是解決結構問題的技術路徑起點。
1939 移居英國（逃避納粹的迫害）；二戰期間在英國從事冰雷達與 Project Habakkuk 的研究。
1945–1950 佩魯茨在劍橋研究血紅蛋白的磁性與「血基質—蛋白質之間的相互作用」，證明血基質是 Fe(II)，並用順磁性差異測試研究其電子狀態。
1953 倫敦的「蛋白質研究會議」：劍橋的佩魯茨與肯德魯與其他人決定：血紅蛋白的結構問題非解決不可——方法是把血基質單獨結晶，用重原子法解其結構，再以此推回蛋白質部分。
1954 肯德魯以肌紅蛋白（僅一條鏈、便於處理）為目標，開始漫長的結晶與數據收集；佩魯茨著手血基質。
1956 佩魯茨發現金屬重原子（\(\mathrm{Hg}\)、\(\mathrm{Pb}\)）可在血基質衍生物中定位；建立同晶置換法（isomorphous replacement）。
1958 佩魯茨在《Nature》發表血基質衍生物的結構（2.2 Å 分辨率的模型）；同年肯德魯發表肌紅蛋白的結構（6 Å 分辨率——第一個蛋白質的三維結構圖，勾勒出螺旋狀的摺疊並顯示血基質位於摺疊之間的裂隙中）。
1960 佩魯茨與肯德魯獲得諾貝爾化學獎（1962 年頒發）。
1962–1979 佩魯茨創立並主持 MRC 分子生物學實驗室（LMB），該室的科學家先後有十四位獲諾貝爾獎。
1994 佩魯茨的高解析結構（2.0 Å）完成——最終由 LMB 的結構生物學方法徹底解決。

調查#

偵查一：拆解策略——把輔基從蛋白質裡「摘」出來。

血紅蛋白的結構問題之所以難，是因為它有四條鏈（\(\alpha_2\beta_2\)）、644 個胺基酸殘基、4 個血基質——太複雜，無法直接解。

佩魯茨的洞見是：先解血基質本身（只有 43 個原子，小得多），再以化學與磁性的證據把它「放回」蛋白質裡。

偵查二：同晶置換——解決「相位問題」的鑰匙。

X 射線繞射給出的是電子密度 \(F(hkl)\) 的振幅，但計算結構需要相位角——這是 X 射線結構測定最核心的障礙（相位問題）。

佩魯茨的解法是同晶置換法：

\[\text{原生衍生物} \;\xrightarrow{+\ \mathrm{Hg}^{2+}\ \text{或}\ \mathrm{Pb}^{2+}}\; \text{重原子衍生物} \quad (\text{同晶、同一晶胞、僅重原子位置不同})\]

因為重原子的電子數多，其散射因子差異可用來計算相位的改變；把兩組衍射資料聯立，即可解出相位角：

\[F_{\text{heavy}} = F_{\text{native}} + F_{\text{heavy-atom}}\]

這是結構生物學的開鎖技術——今日幾乎所有蛋白質結構的解法（分子置換法、MAD/SAD phasing）都是它的直系後代。

偵查三：肌紅蛋白的 6 Å 模型——第一張蛋白質「地圖」。

肯德魯在 1957–58 年花了數年時間解決「肌紅蛋白結晶」的難題（肌肉中的蛋白質極難結晶），然後收集大量衍射資料，得到 6 Å 分辨率的電子密度圖。

這張圖給出的資訊量已足以回答一個關鍵問題：

\[\text{肌紅蛋白的摺疊} = \text{約 8\ 條}\ \alpha\text{-螺旋} \text{，緊密地打包成一團，} \textbf{血基質} \text{ 坐在其中一個裂隙裡}\]

——鮑林 1951 年預言的 \(\alpha\) 螺旋在此被直接看見（見 1954-鮑林與化學鍵）。這證明了兩件事：蛋白質有規則的、週期性的二級結構；蛋白質的輔基藏在其內部（口袋假說）。

偵查四：功能問題的初步解釋。

肯德魯的肌紅蛋白結構立刻解釋了功能差異的雛形：

肌紅蛋白 血紅蛋白
鏈數 1 4（\(\alpha_2\beta_2\)）
血基質數 1 4
構形 單一、多肽鏈緊密摺疊 四個次單元間有界面
第四氧的結合 無（被封在口袋裡） 有（次單元移動拉開鐵與遠端 His 的鍵）

「協同效應（cooperativity）」的結構基礎在此浮現：氧結合引發次單元構形改變，進而提高其他次單元的親和力——這是 1900 年代波耳（Bohr）與希爾（Hill）觀察到的「氧解離曲線呈 S 形」的結構解釋。

偵查五：高解析結構的完成（1959–1970s）。

佩魯茨在 1959 年完成血紅蛋白的 2 Å 結構（含重原子位置），並在 1970 年完成 2.0 Å 解析的結構模型；血基質的平面性、鐵的位移（\(\mathrm{Fe^{2+}}\) 由離平面 0.4 Å 移入平面）、遠端組胺酸的氫鍵與「拉開」的機制都被看清。

這一整套技術（重原子法、同晶置換、溶劑減輕法、多重同晶置換）成為 1960–70 年代結構生物學的標準裝備。

理論裁決#

判決一：相位問題的解決——同晶置換的數學。 結構因子的關係與相位求解：

\[F(hkl) = \left|\sum_j f_j\, e^{2\pi i (h x_j + k y_j + l z_j)}\right| \, e^{i\phi(hkl)}\]

同晶置換提供兩組振幅 \(|F_1|\)、\(|F_2|\)，加上已知的重原子貢獻 \(F_H\)（其位置可由 Patterson 或直接搜尋求得），即可解出 \(\phi\)：

\[\text{由 } |F_1|,\ |F_2|,\ F_H \text{ 聯立求 } \phi\]

這是結構生物學能夠起飛的技術前提——沒有它，所有電子密度圖都無從算起。

判決二：蛋白質結構的規則性——二級結構的存在。 6 Å 的肌紅蛋白模型已足以分辨 \(\alpha\) 螺旋（每圈 3.6 殘基、螺距 5.4 Å）與其他構形，證明：

\[\text{蛋白質二級結構} \approx \text{可預測的局部規則} + \text{整體的緊密堆積}\]

這把蛋白質結構問題分層：二級結構（局部規則）→ 摺疊（三維排布）→ Tertiary（立體結構）→ 四級（次單元組合）。

判決三：功能來自形狀變化（變構的結構基礎）。 血紅蛋白與肌紅蛋白的結構比較揭示了「動態」的重要性：

\[\text{氧結合} \to \mathrm{Fe}^{2+} \text{ 由離平面移入平面} \to \text{拉開 His-Fe 鍵} \to \text{次單元界面位移} \to \text{其他血基質的 } \mathrm{P}_{50} \text{ 下降}\]

「形狀改變即功能改變」——這是變構（allostery）概念的結構基礎，也是 1960–70 年代莫根（Monod–Wyman–Changeux）的變構模型（見 1977-普里高津與耗散結構 的非平衡延伸）與 1990 年代亨德里克森（Hendrickson）結構工作的起點。

判決四：輔基的「口袋」概念。 血基質被埋在蛋白質摺疊的裂隙中，只有 Fe 上方的一側開向溶劑——這解釋了為何血基質能結合氧、卻不易被其他大分子接近（避免副反應），也解釋了 CO 與血基質的結合（CO 比 \(\mathrm{O_2}\) 親和力高 200–250 倍，是煤氣中毒的分子基礎）。

後果#

領域 影響
結構生物學 蛋白質結構測定從「少數實驗室的絕技」變成標準方法；1962 年後的三十年裡，結構數量以指數成長，最終催生結構組學（PDB 的結構數從數十增至數十萬）。
醫學 鐮刀型貧血（血紅蛋白的單一胺基酸置換，見 1954-鮑林與化學鍵）的結構基礎被確立；血紅蛋白病的分子分類成為醫學教育內容。
酵素機制 血紅蛋白的「拉開」機制成為理解酵素與受體「誘導契合（induced fit）」的原型。
科學制度 佩魯茨創立的 MRC 分子生物學實驗室（LMB）成為世界級研究中心，桑格（DNA 定序）、米勒（鹼基）、克瑞克（Crick）、布拉德利（Bradley）皆出自此——「一間實驗室，十四座諾獎」是 20 世紀科學制度最著名的案例之一。
技術傳承 重原子法、同晶置換、溶劑減輕、差異 Patterson 等技術，被後來的核酸結構研究（見 1962-佩魯茨與血紅蛋白 同期的 DNA 競賽）直接繼承。

關聯#