◇◇新语丝(www.xys.org)(xinyusi.org)(groups.google.com/group/xinyusi)◇◇ 　　让美国人自费复印的中国公式，最终改写教科书 　　作者：杜珊妮（中国科学报社）；杨东玲（中国科学院生物物理研究所）； 林滨霞、陈嘉钰（中国科学院分子细胞科学卓越创新中心?） 　　“原来你就是那个欠我钱的人！” 　　1983年美国生物化学会年会现场，美国著名蛋白质化学家Robert Feeney经 引荐与邹承鲁结识。这句开场白让邹承鲁大吃一惊——自己与这位教授素不相识， 何来“欠钱”一说？ 　　Feeney随即笑着道出原委。原来，他曾在自己的书中详细介绍了邹承鲁1962 年发表在《中国科学》杂志上的一项研究工作。但由于美国多数图书馆均未收藏 该杂志，不少同行写信向他索要这篇论文的复印件。彼时复印机尚未普及，他只 好自掏腰包复印并寄送，日积月累，竟成了一笔不小的开销。 　　4年后的1987年，那项让美国教授甘愿自费复印传播的研究荣得殊荣——以 邹承鲁、许根俊、孙玉昆、杜雨苍、赵康源和周海梦为主要完成人的“蛋白质功 能基团的修饰与其生物活性之间的定量关系”研究，获中国国家自然科学奖一等 奖。 　　这项研究建立的定量关系式与作图法，即被国际酶学界熟知的“邹氏公式” 和“邹氏作图法”，时至今日仍是国际上通过研究侧链基团化学修饰和酶活性丧 失定量关系来确定必需基团数的主要方法。 　　该研究成果不仅赢得了国际同行的认可，也承载了一段属于中国基础理论研 究的动人篇章——一项诞生于封闭匮乏环境的原创生物化学理论，虽曾长期沉寂， 却最终惊艳了世界。 　　中国科学院保存的关于这项研究课题的档案，真实记录了这段中国科学家原 创的基础研究成果历经时间检验，最终赢得世界认可的往事。 　　01 　　一个关键发现 　　邹承鲁本科毕业于国立西南联合大学化学系。受该校化学系主任杨石先教授 的影响，他很早就确立了投身生物化学研究的志向。 　　1944年初，邹承鲁参军抗战，1945年抗战胜利后从部队回到西南联大，通过 毕业论文考试。1946年，他参加英庚款公费出国留学生考试，以第一名的优异成 绩获得赴英留学名额。动身前，他专程拜访了时任国立中央大学医学院生物化学 教授王应睐，向他请教国外生物化学研究的发展与求学方向。王应睐十分欣赏邹 承鲁的志向抱负，向他细致介绍了当时全球生物化学研究的核心阵地——剑桥大 学，还主动为他撰写推荐信，介绍其到自己的导师、著名生物化学家David Keilin门下求学。 　　1947年，邹承鲁到达英国。然而，英国文化委员会最初将他分配到伯明翰大 学研究糖化学。邹承鲁不愿舍弃自己的初心，在伯明翰大学工作数月后，便拿着 王应睐的推荐信前往剑桥大学。几经沟通协调，成功转入该校Molteno寄生虫研 究所，师从Keilin攻读生物化学博士。 　　初到Keilin实验室，邹承鲁的第一个研究课题是用蛋白质水解酶水解细胞色 素C，试图获得活性碎片，以研究蛋白质结构与功能的关系。 　　这项研究课题颇具挑战性：一方面，此前很少有人尝试这种研究途径，可查 阅的资料非常有限；另一方面，邹承鲁在本科学的是化学，几乎没有生化实验经 验。 　　二战结束后，英国经济十分糟糕，实际情况与人们想象中“世界顶尖学府” 大相径庭：实验室普遍经费短缺，难以购买必要的实验设备，即便剑桥大学也不 例外。例如，分光光度计这一必需的实验设备，都是在邹承鲁实验进行过半时才 购置的。 　　多种因素下，邹承鲁的实验在最初几个月几乎没什么进展，结果总是无法重 复。他反复检查实验的每个细节，却始终找不到症结所在。 　　直到有一天，邹承鲁突然意识到可能是自己所用的胃蛋白酶纯度不够，导致 每次水解情况不同。于是，他重新纯化胃蛋白酶，反复重结晶，用尽可能高纯度 的酶来进行实验。之后每次实验的结果都能重复了。 　　尽管未能得到预期的活性碎片，但邹承鲁在实验中观察到了细胞色素C只要 经胃蛋白酶轻微水解马上丧失活性的现象。这一现象揭示了一个重要的原理—— 构成酶活性部位的基团虽然在空间结构上聚集在一起，但这些氨基酸在一级序列 上却并不一定是相邻的，可以位于肽链的不同位置。 　　这一发现，为日后研究蛋白质功能基团的修饰与其生物活性之间的定量关系， 奠定了科学基础。这项开创性工作中使用的蛋白水解酶有限水解方法，在此后半 个世纪一直被生物化学家广泛应用。 　　1949年12月31日，邹承鲁作为一个博士生，在Nature（《自然》）上单独署 名发表了关于这项研究的论?。这是他在生物化学领域发表的第一篇科学论文。 后来回顾这段研究经历，邹承鲁提到，虽然这个研究并没有得到最初希望得到的 活性碎片，但它是用类似方法研究蛋白质结构与功能关系的一次极早的尝试。 　　02 　　“定量时代”的开启 　　1951年，邹承鲁获得剑桥大学生物化学博士学位，怀着一腔报国热忱回到祖 国，进入中国科学院生理生化研究所（1958年该所生化大组独立建所成立中国科 学院生物化学研究所，为中国科学院分子细胞科学卓越创新中心前身之一）工作， 并组建了自己的研究组。 　　在这里，邹承鲁延续了剑桥时期对呼吸链酶的研究。他与王应睐等人合作， 开展琥珀酸脱氢酶的相关研究。在简陋的实验条件下，他们不仅成功获得了高纯 度的酶制品，还发现其辅基黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）是以共价键与蛋白质结 合的，这是国际上的首次发现。之后，邹承鲁研究组对呼吸链-细胞色素系统也 做出了有价值的工作。例如，邹承鲁与学生通过对生物体内物质的氧化路径研究 发现，琥珀酸与还原辅酶I不是在同一条呼吸链上，而是各自有各自的路，解决 了当时的领域争论。 　　20世纪50年代末，邹承鲁服从国家需要，放下自己擅长的呼吸链酶研究，投 入人工全合成牛胰岛素的攻关，领衔先导任务，在胰岛素A、B链拆合问题上领先 于世界上的其他实验室，为确定合成路线并保证活性胰岛素的全合成做出了突破 性的贡献。 　　与此同时，这项工作也推动了蛋白质折叠问题的研究。著名生物化学家曹天 钦先生对此评价：“天然胰岛素的成功拆合本身就是一项重大科研成果，另外它 还从实践上证明了‘蛋白质的高级结构决定于其一级结构’，后者是一个更为重 大的发现。”这一集体成果于1982年获得国家自然科学奖一等奖。 　　胰岛素拆合问题解决后，邹承鲁重新回到酶学研究。那是20世纪五六十年代 酶学研究的黄金时期。基因定点突变技术尚未问世时，酶学研究最重要的研究手 段是化学修饰，即运用化学试剂修饰酶分子中某些侧链基团，改变其化学性质， 观察其对生物活性的影响，这也是当时研究蛋白质分子结构与功能内在关联最重 要的手段。 　　剑桥求学时期关于蛋白质基团与活性定量关系的思考，在邹承鲁心中重新燃 起。与此同时，他又萌生了新的疑问——蛋白质分子那么大，究竟哪些基团和它 的功能有直接关系? 　　他为此查阅了大量文献资料。出乎意料的是，尽管这方面研究早在30年前就 已经开始，并积累了大量实验资料，但整体仍处于一种定性描述状态，几乎没有 人做过对酶结构与功能关系的定量分析。不少学者甚至认为“如果某种基团被修 饰后导致活性丧失，那么这类基团全部都是活性所必需的。” 　　上述困境与化学修饰方法本身的局限性有关。当时可用的化学修饰剂通常专 一性很差——一种试剂可能和多类基团发生反应；在同类基团中，又常常同时修 饰多个基团。因此，研究者在进行化学修饰并获取某种生物效果后，还是无法准 确判断一个酶分子究竟有多少个基团被修饰了？修饰后酶活性到底丧失了多少？ 在被修饰的基团中有多少个是酶活性所必需的？ 　　1961年，著名生物化学家William J. Ray Jr.与D.E. Koshland Jr.?在 Journal of Biological Chemistry上发表论文，建立了通过化学修饰结合动力 学分析鉴定酶活性中心氨基酸残基类型的方法，成为酶学基础研究里程碑式的经 典方法。 　　在邹承鲁看来，这项工作无疑有着重要意义。但他也敏锐地发现，这一方法 存在显著局限——修饰剂不过量时，修饰和酶活性丧失反应不一定都是一级反应； 而修饰剂过量时，修饰和酶活性丧失的反应速度又难以测定。 　　对此，邹承鲁没有沿着动力学的路径继续修正，而是另辟蹊径，从统计学角 度切入。他考虑了各种修饰速度情况，最终得出一个必需基团的修饰和酶活性丧 失的定量关系公式：a=x?。其中a和x分别为活性和必需基团修饰的剩余分数，i 是必需基团数。 　　该方法的精妙之处在于，它不依赖于反应速度的测定，只要求两组数据—— 基团被修饰的程度和活性丧失的程度，而这两者在任何化学修饰实验中都是可以 准确测定的。 　　基于该公式，邹承鲁还推导出用于确定必需基团数目的作图判定方法。?这 一简洁公式和作图判定方法，正是后来国际酶学界所熟知的“邹式公式”和“邹 式作图法”。 　　邹承鲁治学严谨，为了检验公式和作图法的普适性，他把文献中的已有数据 代入公式，发现大多数与自己的方法计算结果是吻合的。 　　但是他发现胰蛋白酶硫硫键化学修饰的结果与美国生物化学家I.E. Liener? 的计算结果不一致。重新验证的任务，落在了许根俊身上，他在胰岛素研究中积 累了丰富的蛋白质硫硫键的研究经验。许根俊通过分析Liener的工作发现，在 Liener所采用的条件下，观察到3个必需硫硫键，这是因为硫硫键发生了交换。 胰蛋白酶共有6个硫硫键，实际上只有2个为必需硫硫键。 　　许根俊用严谨的实验，证明了邹氏公式的推算结果是正确的。但邹承鲁和许 根俊等人没有停留在胰蛋白酶这一个案例上。此后，他们又以木瓜蛋白酶、胰岛 素等为材料做了新的实验，确定了它们的必需基团数。 　　最终，在理论推导与实验验证的相互印证下，这套方法具备了完整的说服力。 　　03 　　写入经典教科书的中国公式 　　1962年，这项研究成果的中文论文与英文论文，分别刊发在《生物化学与生 物物理学报》和《中国科学》上。 　　但在当时，一篇发表在《中国科学》上的论文，要获得国际关注并不容易。 在英国，只有剑桥大学的校图书馆能找到这份期刊；在美国，能找到该刊的图书 馆也屈指可数。 　　因此这项研究在发表初期，并未在国际上形成广泛传播。这样就有了开篇那 个故事——Feeney在自己的书中介绍了邹承鲁的工作，后来不得不自掏腰包为同 行们复印论文。 　　1979年，英国酶学教科书Enzymology（《酶学》）第三版出版，详细介绍了 邹承鲁的作图法，并首次冠以“邹氏作图法”之名；1980年，英国酶动力学专家 Cornish-Bowden在Fundamentals of Enzyme Kinetics（《酶动力学基础》）中 同样收录了邹氏作图法。此外，这一方法还被写入美、日等多国教科书和专著。 　　教科书Modern Enzymology（《现代酶学》）在介绍邹氏作图法时，这样概 括它的价值： 　　“邹氏作图法确定的意义在于，它不仅为蛋白质化学修饰研究本身由定性描 述转入定量研究提供了依据和计算方法，而且对目前日益发展的蛋白质工程来说， 用这种简单而成熟的方法首先确定蛋白质的必需基团，也正是蛋白质工程设计的 必要前提和手段之一。” 　　1987年，凭借“蛋白质功能基团的修饰与其生物活性之间的定量关系”研究， 邹承鲁等人荣获国家自然科学奖一等奖。这也是邹承鲁继“人工全合成牛胰岛素 研究”后，第二次获得国家自然科学奖一等奖。 　　如今，尽管基因定点突变技术等蛋白质工程方法的成熟，为蛋白质研究开辟 了全新的路径，但化学修饰方法仍有其不可替代的价值。正如邹承鲁本人曾写道： 　　“特别是在蛋白质组研究即将提供大量新的蛋白序列。在还没有任何有关的 数据可供参考时，即使是进行定点突变也不知从何做起。此时首先利用化学修饰， 很快取得对这个蛋白质在功能关系上最为重要的侧链基团的初步认识，就可以为 进一步的定点突变研究指引道路。” 　　从1962年论文发表到写入教科书，再到1987年获奖，这项工作历经20多年国 内外的应用与检验之路，确证了其正确性和可靠性。1983年美国旧金山年会上那 句幽默的玩笑，连同中国科学院保存的课题档案，共同见证了一项中国基础理论 研究成果如何穿越时间与国界，最终影响了整个领域的发展进程。 　　参考资料： 　　1.熊卫民、邹宗平：《邹承鲁传》，科学出版社 　　2.邹承鲁：《邹承鲁杂文集》，学苑出版社 　　3.《邹承鲁：只向真理低头，偶尔为爱温柔》，发表于《中国科学报》 　　4.王志新：《邹承鲁先生两项被收入教科书的研究成果》，发表于《生物化 学与生物物理进展》 　　5.王志新、王志珍：《严谨治学追求真理——邹承鲁先生从事科研五十年》， 节选自《中国科学院院刊》 　　6.《邹承鲁：蛋白质（酶）功能基团的化学修饰与其生物活性间的定量关 系》，摘自钱迎倩、祁国荣、王亚辉编：《20世纪中国学术大典—生物学》，福 建教育出版社 (XYS20260825) ◇◇新语丝(www.xys.org)(xinyusi.org)(groups.google.com/group/xinyusi)◇◇