在炼金术之后:诺贝尔化学奖获得者100年图说:全彩视图本

第93章 1988年度 罗伯特·胡贝尔 哈特穆特·米歇尔 约翰·戴森霍弗

　　因确定了光合作用反应中心的三维结构而荣获1988年诺贝尔化学奖

　　1988年11月10日，瑞典皇家科学院宣布将本年度诺贝尔化学奖授予胡贝尔、米歇尔和戴森霍弗，以表彰这三位德国化学家共同协作，成功地解析了细菌光合作用反应中心的立体结构并阐明了其光合作用的机制，为发展人造光合物质迈出了第一步。

　　胡贝尔

　　胡贝尔（德国，1937～），生物化学家。1937年2月20日生于德国慕尼黑，1963年获慕尼黑工业大学博士学位。1972年任职于马克斯-普朗克生物化学研究所，1976年后兼任慕尼黑工业大学化学教授，1988年后任马克斯-普朗克生物化学研究所所长。

　　米歇尔

　　米歇尔（德国，1948～），生物化学家。1948年7月18日生于德国路德维希堡，曾就读于蒂宾根大学和慕尼黑大学，1977年获维尔茨堡大学博士学位后留校任教。1979年至1987年先后任职于马克斯-普朗克生物化学、生物物理研究所，从事生物分子膜研究工作。

　　戴森霍弗

　　戴森霍弗（德国，1943～），生物化学家。1943年生于德国慕尼黑，1974年，他获马克斯-普朗克研究所博士学位后，留任研究所协助胡贝尔研究膜蛋白质的结晶结构。1988年后，任职于美国得克萨斯大学霍华德-休斯医学院。

　　自布拉格父子（1915年诺贝尔物理学奖获得者）开创X射线结晶结构分析法以来，佩鲁茨和肯德鲁（1962年诺贝尔化学奖获得者）用X射线研究了球状蛋白质结构，霍奇金女士（1964年诺贝尔化学奖获得者）利用衍射法进行了生物体物质分子结构的研究，结晶化的膜蛋白质结构分析将是获奖的热门课题已成为科学界的共识。

　　1979年，米歇尔开始着手研究计划向膜蛋白质结晶化进行挑战，几乎所有人都认为他是徒劳，因为科研人员在这一课题上都以失败告终。虽然米歇尔采用一种较普通植物更为简单的紫色光合细菌作为光合作用反应中心，但既要对整体性的“细胞膜蛋白质-色素复合体”进行完整分离，并培养晶体，又要在零下2℃的暗箱中收集数十万张的X光衍射相片，还要得出其高分辨率的晶体构造，这似乎是不可完成的任务。然而，米歇尔仅用两年的时间就成功实现了光合反应中心复合体结晶化。

　　1982年至1985年，胡贝尔、戴森霍弗和米歇尔合作研究，希望能用X射线对该晶体进行结构分析。但是，用X射线对晶体进行结构分析还存在两大难题，其一，该复合体的分子量高达14万；其二，由于结晶化所致，该复合体表面被活性剂覆盖。作为X射线结构分析的对象材料，这两个难题都还是未知数。幸运的是，胡贝尔等将取自紫色光合细菌的突变种细菌作为高纯度的光合反应中心（该种细菌对绿色植物和藻类都是利用太阳光能制造有机物），得到了该结晶体与一般亲水性蛋白质结晶体相同的衍射图像，以及在分析过程中必不可少的两种重要化合物，从而获得了可将蛋白质分子与包围在外层的水分子截然分开的效果极佳的电子密度图，并以此阐明了光合作用反应中心复合体的立体结构。

　　光合作用是地球上最为重要的一种化学反应，它将光能转化成化学能，是地球生命赖以生存的条件。光合作用反应中心是光合作用的心脏，反应中心内的物质，既要与光能作用分离电荷，又要将电子传送到细胞内，促使进行化学合成而将能量储存下来，因此，反应中心的作用是复杂光合作用过程中关键性的一步。

　　胡贝尔等再从研究合成色素构型出发，阐明菌叶绿素（光合成的细菌叶绿素）的二聚物受到光能作用而发生电荷分离，向脱镁叶绿素、醌等传递电子而导致其成分变化的过程，从而证实了以毫微微秒（也称飞秒，10-15秒）高效率的光合成电子传递的全部排列，从而弄清了这些蛋白质的结构，并成功地阐释了由膜束缚的蛋白质形成的全部细节，为光合成化学反应的分子反应机理作出了杰出贡献，这也是首次以高解析度X射线衍射技术确定其结构获得的成功。

　　由于光合作用反应中心是一个整体性细胞膜蛋白质复合体，人体内的激素作用以及传染性病毒作用的关键物质也是这类复合物，因而更显示出了他们这项工作的广阔前景和深远意义。

　　他们的成果整合了近20年有关此类细菌光合作用的研究结果，不仅解释了细菌光合作用机制，而且可扩展到植物光合作用。植物第二光合作用系统反应中心与细菌光合作用反应中心的作用具有相似性的结果，使光合作用的研究重现生机，为人工合成光合物质迈出了重要的第一步。另外，由于光合作用反应中心是一整体性细胞膜蛋白质复合体，是第一个以高分辨率X光衍射技术定出的此类膜蛋白；而整体性的膜蛋白，又是人体内激素作用及传染性病毒等作用的关键物质，因而更扩展了他们的研究成果的意义。