赵匡华

（北京大学化学系 100871）

德意志联邦共和国的三位生物化学与结晶化学家 Johann Deisenhofer、Robert Huber 和 Hartmut Michel 由于成功地解析了细菌光合作用反应中心的立体结构，阐明了其光合作用的进行机制，共同荣获了 1988 年诺贝尔化学奖。

Deisenhofer 生于 1943 年，曾在 Martinsried 的 Max Planck 生物化学研究所从事研究，于 1974 年获得博士学位，1987 年接受美国德州大

① 刊于 1989 年第 4 卷第 4 期第 5 页

学达拉斯分校与休斯敦医学研究所聘请筹建一个 X 射线结晶学研究中心。Huber 生于 1937 年，曾在慕尼黑科技大学从事研究，获得博士学位，目前正在指导一个高难度的 X 射线结晶学实验室的工作。 Michel 生于1948 年，曾在维茨堡大学学习、研究，于 1977 年获得博士学位，其后在Max Planck 生化研究所工作了 8 年，1987 年转移到法兰克福的 Max Planck 生物物理研究所。而这项获奖工作是他们三人共同在 MaxPlanck 生化研究所完成的。

光合作用是将光能转化为化学能的最重要途径。地球上的生物几乎都直接或间接依赖光合作用的产物而生存。而复杂的光合作用进程中最关键的一步是光合作用反应中心里的物质接受光能释放出电荷，并将电子转送到细胞中引起化学合成反应，从而将光能贮存起来。而光合反应中心的结构却是极其复杂的，一般由数万个原子构成。为了探明光合反应中心的作用机制，就必须测定这种复杂晶体的立体结构。

1979 年首先由 Michel 开始制订了这项计划。他选择了一种较植物更为简单的紫色光合作用细菌（rhodopseudomonas viridis）的光合作用反应中心作为研究对象，它是一种细胞膜蛋白质-色素复合体（integral membrane protein-pigment complex）。为了进行这项研究，他必须完整地分离、培养出这种晶体，并在较低温的暗室中取得有关它的数十万个 X 衍射数据，并加以处理而确定出具有高解析度的晶体构造。这在当时是个难度极高，简直是件“不可能的使命”。 Michel 经过一年的努力，于 1980 年利用蒸气扩散法成功地培养出了这种晶体，初步的 X 射线衍射分析结果判断可用高解析度衍射技术来确定其结构。1982 年后他们三人开始合作，进行结构解析工作。

由于这种晶体中含的 70％以上的溶剂，晶胞参数为 a=b=22.35nm， c=11.36nm（属四方晶系，P43212 空间群）反应中心又含有细胞色素 C

（cytochrome，分子量约 38000）、H-亚基（H-subunit，分子量约 35000）、M-亚基（分子量约 28000）及 L-亚基（分子量约 24000）等 4 个细菌叶绿素 b，2 个细菌脱镁叶绿素 b，1 个铁蛋白，4 个血红素基质，及 1 个甲基萘醌（menaquinone）。因此，为了保持晶体的稳定，于是他们在-2℃的暗室中以转动照相法收集衍射信息，包括 5 个含重原子的衍导物，共使用了 34 个晶体，收集了近百万个衍射点资料。1984 年发表了他们的晶体构造解析和判读结果的初步报告。

1985—1986 年他们进一步判断了各亚基蛋白质的氨基酸序列（其中两个序列由核酸序列转换），并探讨了该构造与电子传递机制的关系；而且发现 L-与 M-亚基蛋白与植物第二光合作用系统的 D1 与 D2 单元蛋白颇为相似，因而提出植物光合作用与细菌光合作用的反应中心有相同的构造和机制的见解。随后他们又将该构造结果利用于解析另一细菌

（R.sphaeroides）光合反应中心的立体结构，取得成功。这样，不仅验证了所确定结构的正确性，而且也将在制备紫色光合作用细菌反应中心的过程中所失落之辅酶 Qb 定位。至此，有关反应中心的各主要作用机制除单向电子传递问题外都得到了解决。

根据纽约时报对这项研究课题和三位科学家的描述，其成功是无所畏惧、固执顽强、讲求实际、不计琐细和斯巴达式苦干精神的展现。

他们的工作成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，使光合作用的研究呈现出光明的前景，为人工合成光合物质迈出了第一步。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，其结构得以高解析度 X 射线衍射技术加以确定，这是首例，而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。

据悉，Michel 和 Deisenhofer 与柏林自由大学的物理学家和理论化学家合作，进行理论计算，认为非对称核因素（nuclear Frank-Condon factors）与电子耦合的共同效应极可能是单向电子传递的主要原因。其研究结果已于 1988 年发表。