在众多强有力的竞争者中,三位德国科学家荣获1988年诺贝尔化学奖.他们是HartmutMichel、JohannDeisenhofer和RobertHuber.他们的功绩在于首次得到了可供X衍射结构分析用的细菌光合反应中心的膜蛋白结晶,并测定了这一膜蛋白-色素复合体的高分辨率的三维空间结构,从而对阐明光合作用的光化学反应的本质作出了极其重要的贡献.回顾他们的成功之路,对科学工作者是会有所启发的. 　　首先,他们选择的研究课题具有重大的意义.“光合作用反应中心的大分子结构与功能”这一课题,不仅具有十分明确的生物学意义,而且对自然界的能量转换过程也是极为关键的问题. 　　众所周知,光合作用是我们这个星球上最重要的一种能量转换过程.生物界就是依靠光合作用而生存的.它是在绿色植物中,二氧化碳和水合成糖、释放出氧的过程,即 　　6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2 　　其作用机理是：叶绿素吸收光能进行光化学反应,把水分解成[O]和[2H],释放出O2,氢则经光磷酸化反应形成ATP（三磷酸腺苷）,再用ATP的能量固定CO2,还原后合成糖.其中,需要光的过程叫“光反应”.总反应式为 　　2X+2H2O→2XH2+O2（X代表氧化剂,即电子受体） 　　不需要光的过程叫“暗反应”,总反应式为 　　2XH2+CO2→[CH2O]+H2O+2X 　　光合作用广泛地存在于各种植物、藻类和细菌当中,虽然在不同的生物体中有不少重要的差异,但其光能转换成化学能的基本效应是相同的.实际上,光合作用过程在生物体内是由许多个反应链锁所构成的.若干年来,许多科学家在探索着反应链锁中的每一个细节,不断深入地认识这个反应过程,其中最为关键的步骤是光反应中的最初阶段,也就是由光子引起电子传递的这一步.图1为细菌中发生的这一过程的示意图. 　　图1细菌光合反应初始过程示意图 　　光子（hv）在叶绿素分子上激发出电子,然后,电子沿着图1中实线箭头所示方向进行传递.最早被光子激发的叶绿素分子在传出电子后又能从细胞色素C分子（并联有4个血红素分子）得到电子,即细胞色素C分子能使氧化后的叶绿素分子还原,这样,叶绿素分子就可继续受光子的激发而不断地引起电子的传递.这是根据生物化学反应而作出的推论.长期以来,人们总希望从分子的结构上直接来证明光子是首先激活了哪一个叶绿素分子,并引起了以后一系列的反应和能量传递过程.正是Michel等三位科学家对这一课题进行了卓有成效的研究工作,确切地回答了这一问题. 　　Michel等成功地从一种紫色光合作用细菌——绿红极毛杆菌（rhodopseudomonasviridis）中提纯了光合作用反应中心.这是一个完整的膜蛋白-色素的复合体.他们不仅完整地分离提纯了这一大分子复合体,而且培养的晶体尺寸大到足够作X衍射晶体学的测定.他们收集了几十万个X光衍射点的数据,从而作出了高分辨的三维空间的结构分析.这一整体组装的生物大分子——膜蛋白-色素的复合体包括两个部分：一部分是4个蛋白质亚基,分别表示为细胞色素C亚基（cytochrome-C,分子量为38000）,H亚基（H-subunit,分子量为35000）,M亚基（M-subunit,分子量为28000）和L亚基（L-subunit,分子量为24000）,以上4个成分的分子结构如图2所示. 　　图2表示的组装大分子结构是包埋在细菌的光合作用类囊膜上的,其中,细胞色素C位于膜的外面,L亚基和M亚基是横跨在膜上,H亚基只是部分穿越细胞膜.值得一提的是,Michel等在测定这些膜上蛋白质亚基定位的同时,他们完成了以上各种蛋白质的氨基酸序列的测定,在此基础上,他们发现光合细菌中的L亚基和M亚基与植物当中的第二光合系统中的D1亚基和D2亚基基本相同,从而提出细菌与植物这两种类型的光合作用有共同的结构与作用机理. 　　组成膜蛋白-色素复合体的另一部分与蛋白质亚基紧密相连,它包括4个细菌叶绿素分子,2个细菌去镁叶绿素分子和2个醌分子还有一个铁硫蛋白,如图3所示.构成了一个具有对称性的结构：最上面的一对叶绿素分子构成了复合物的头部,紧连着的是螺旋式悬垂在两边的分子链,每边都有一个叶绿素分子,一个去镁叶绿素分子和一个醌分子,中心则是铁硫蛋白.由于对称性很好,如果沿着反应中心的长轴将一侧的分子链旋转180°,就可以得到这个分子的完整构型.Michel等所得到的X衍射结构分析结果提供了确切的证据,说明了色素与膜蛋白的连接关系：色素是与L亚基和M亚基所形成的疏水基团相连；此外,头部的叶绿素分子对、中间的去镁叶绿素都与这些蛋白质亚基上的氨基酸侧链形成了氢键,这样构成的分子复合体包埋在光合作用类囊膜上就能顺利地完成光驱动的电子传递过程. 　　由于吸收光谱和电子自旋光谱学的应用,有人已揭示过光吸收过程中的某些细节,但学术界一直有不同的见解,直到Michel三人将反应中心的大分子空间结构阐明以后,才从分子的电子密度图上得到了最终的结论：是头部的叶绿素分子上的电子被光子所激活,然后,被激活的电子通过反应中心的分子链开始了一连串的电子传递过程,首先传到邻近的叶绿素分子和去镁叶绿素分子,然后再传到苯醌,进而形成了一个跨膜的电离过程并提供了储存能量,最终合成了糖.图3所表明的电子传递时间序列与这个分子空间结构的框架是完全吻合的.这样就把人们对光合作用的认识推进到一个前所未有的深度,因而Michel等人的科学研究工作得到了普遍的赞赏,一致认为他们确实解决了自然科学中的一个重大问题.正是由于他们目标明确,思路对头,才使他们走上了一条成功之路. 　　当人们仔细分析他们的实验过程和研究成果时,就会发现他们取得这一重大成就的关键,是制备出了可供X衍射结晶学分析用的膜蛋白的结晶.这一直是许多结晶学家多年来梦寐以求的目标.在蛋白质结晶学研究中,重要的竞争之一就是看谁能制备出可供X衍射用的三维结晶,因为只有当结晶尺寸足够大,才能收集到高分辨的数据,在原子水平上测定其空间结构.然而,多数生物膜是由不导电的脂类双分子层和镶嵌在双分子层内的膜蛋白所组成的,由于膜蛋白分子中一部分是亲水基团,而另一部分是疏水基团,因而提纯的膜蛋白分子在水溶液中就很难形成整齐的晶格排列.有不少结晶学家曾企图用蛋白水解酶把膜蛋白的疏水部分和亲水部分分开,然后再培养结晶,都没有成功.因为对膜蛋白这样处理,一方面破坏了整个膜蛋白的完整性,甚至使膜蛋白变性；另一方面要把膜蛋白酶解成溶于水和不溶于水的两部分,也是极其困难的.尽管人们从不同的途径进行了探索,但制备膜蛋白结晶的企图总是以失败而告终.多次的失败,使得许多学者,包括一部分有名望的结晶学家形成了一个概念,即认为膜蛋白不能形成结晶.事实上,迄今所解出高分辨结构的蛋白质都是可溶性的蛋白质,没有一个是真正的膜蛋白.所以,当听说Michel要做膜蛋白的结晶时,人们开玩笑地说他“发疯了!”.在这严峻的形势面前,Michel以大无畏的精神,迎着困难前进.首先,他深入了解了他所研究的细菌膜蛋