如果能看到活动中的酶，我们就能揭开某些最重要的生物化学反应的秘密。在生命系统中，酶是加速化学反应的蛋白质。为了理解它为何能做到这些我们需要了解它们的原子的排列构型。在1965年研究人员排出了第一个酶的结构，这是一个静态模型。当时不可能捕捉到蛋白分子的活动。大约7年前蛋白质晶体学家与物理学家相结合，创造了一项把世界上某些最亮的X射线与一种记录有关晶体结构信息的古老方法的复兴相结合的技术。这种新技术使我们观察到正在工作的天然生物催化剂。
利用X射线衍射研究晶体的技术，始于1912年。当时物理学家马克斯 · 冯 · 劳埃的两个学生W · 弗里德利克和P. 克尼平用X射线管发出的广谱辐射首次记录下一种晶体硫酸铜的X射线照片。他们得到不少照片部分地置于工作的X光管旁达20个小时记录的衍射图型是印在像纸上的一系列斑点。
一年后物理学家劳伦斯 · 布喇格证明了斑点与原子之间的联系，以他的名字命名的这个定律叙述晶体中原子平面间的距离对特定波长的X射线衍射方式的联系。布喇格定律从破译衍射图形来了解原子构型成为可能。该过程与光学显微镜成像性质相同，在那里光被目标散射后经一套透镜系统再次成像。在X射线晶体学中X射线被晶体散射并录下图型。此时没有将X射线重新聚焦的透镜，衍射光束用计算机代替，以所谓傅利叶变换的数学技术“重组”成原子图。
布喇格解出了闪锌矿、氯化钠和别的简单晶体的构型。到40年代，生物化学家体会到同样的方法对研究蛋白也许是有用的工具。1959年约翰 · 肯德鲁和他的小组在剑桥医学研究委员会实验室解决了第一个蛋白分子肌红蛋白的晶体结构。这种分子类似血红蛋白的一个亚单位，可在肌肉中结合氧，但不能催化化学反应。
把酶作为晶体的研究并非一帆风顺的。绝大多数酶催化反应发生在溶液中，所以生物化学家必须保证酶的结构和活性不因结晶而改变。直到最近还没有办法检验这一点，但研究者能通过不同条件下的结晶和比较其结构积累足够的间接证据有把握地确信结晶不会改变其生物学结构。幸运的是他们还发现许多酶在晶体状态和在溶液里一样有活性。
26年前戴维 · 菲利普斯及其小组在伦敦皇家学会弄清了第一个酶晶体结构——一种很小的但却重要的溶菌酶。这个发现是经过数以万计的耗费时间的X射线测量后所达到的结果。根据它的结构能够对酶如何工作提出一种详细的机理。这些提法在那些明白这将是对生命系统中化学反应的新理解的开端的生物化学家之中立即引起了轰动。
溶菌酶是说明酶为什么如此重要的很好的例子。它通过一种打开细胞壁内大型多糖分子中一个碳氧键的手段摧毁细菌的细胞壁，同样的反应只能用煮沸的强酸进行化学加速。酶是如何完成了化学所办不到的事？答案在于它的结构——更准确地说，是特定的碳氧基，它正好处于可引起水解的恰当位置。
将X射线晶体学的应用扩展到其它酶还有若干问题。许多酶是以极少的数量起作用并且很难结晶。一旦结晶又很易破碎，并对伤害很敏感，不仅是X射线，温度和溶剂的变化也能损害它。更严重的还是它的大小，蛋白质是复杂的巨大分子。X射线晶体学技术是用于氯化钠那样的晶体，因为这类晶体完全是由小的重复单元组成的，大致间隔着X射线波长同样的距离。蛋白质中的重复单元要大得多，而且其体积的多达一半可能是水，所以它的X射线衍射很微弱。
到60年代后期，研究人员已经弄清了某些复杂蛋白质的结构，包括血红蛋白，但它是一个让人煞费苦心的任务。除了解释衍射图型所需的数千次计算，记录衍射图也十分辛苦。因为晶体必须逐步旋转，每过两度作一次测试。再次旋转地重复进行这个过程，一直继续下去，直到得到完全的三维衍射图型。
对酶来说难上加难的是毕竟一个静止结构的准确X射线衍射分析只能告诉你这故事的一部分，催化过程是有若干明显阶段的一个复杂的循环，第—，海必须识别反应的起动剂（底物）并与之结合；然后它必须引起键的打开或成键的之类化学变化，通常是以一个“处于中间”的稳定分子（转变状态）进行的，它既不是底物也不是产物。下一步是带动有关中间产物向产物分子的转化，并且它必须仍然能识别这种产物分子——几乎全部的酶反应都是可逆的，所以它们既能向前也能向后进行。
海有能力以不同的方式通过其形状的精微变化来对应任务的每个部分，并做好这一切。所以欲了解酶的催化我们不仅需要知道单一阶段的酶结构，而且要了解经过不同阶段的全过程中的酶结构。生物化学家能制作出工作中的酶的一套活动画面吗？直到几年前记录那种顺序还是不可能的。在记录什么正在进行的竞赛中，酶垂手赢得了胜利，尽管研究人员采用了最快速的X射线法，在实验能记录下酶和底物之间形成的络合物结构的紧要阶段之前反应已经结束了。结果我们所知道的有关酶的知识大多是间接来自转变状态的类推法研究，有机化学家相信那些已知结构的分子类似于从底物到产物过程中能量最高点的状态。实际上这种过渡状态是如此不稳定，以致它几乎不可能孤立存在。研究者已试过以不同的方式研究酶——底物络合体。某些人在不利的PH值或在低温研究酶使反应时间减慢到足以供X射线测试。但那样研究是很麻烦的，因为在这样低的温度下蛋白晶体中的水会冻成冰，晶体也不容易从溶剂中长大 · 研究者不得不对照大量的实验来核对这些条件是否改变了酶的作用方式。
到80年代初，随着两项关键性技术的突破，一个转折点到来了。一个是本世纪初劳埃（Laue）曾用于首次X射线晶体学研究的方法对生物晶体的运用 · 这第二个也是最重要的，是同步加速器辐射的开发 · 这是一种全波长电磁辐射的强化形式，包括X射线。同步加速器辐射为研究者提供了比常规来源产生的至少强100倍的X射线。同步加速器辐射的最早试验是70年代后期在巴黎和汉堡为基本粒子物理学研究而设计的加速器上开展的。那种加速器发出的同步加速器辐射是一种副产品。1981年在柴郡的DAresbury委托设计了只用来产生这种辐射的发射源。通过同步加速器辐射和常规数据收集方法（单波长X射线）的结合，研究者能测定大量复杂的蛋白质和病毒的结构，这用别的方法是不可能的。同步加速器辐射在蛋白结晶学上的应用是最成功和多产的，但是劳埃法有潜在的巨大前途。在劳埃法中晶体用全波长X射线照射，取代了常规X射线结晶学中使用的单波长X射线，有更多的辐射击中晶体，所以在X射线中的曝光时间可以大为缩短，虽然更强的X射线也增大了辐射的损害。既然对每一层平面的原子可找出其衍射的恰当波长，用劳埃法就无需再去旋转其晶体。劳埃衍射图型美丽而复杂，每一个点都由一个不同波长的反射所产生，这些点紧密聚集在一起，所以将这些点转印到胶片上时需要极为小心地精确测量其强度。
蛋白晶体的第一幅劳埃照片是1984年由美国康奈尔高能同步加速器辐射源（CHESS）的凯思 · 摩法特和Daresbury同步加速器辐射源（SRS）的约翰 · 海利威尔记录的。到1987年，他们和别的研究人员已经找出处理这些胶片的显影法。80年代里雅诺斯 · 海都和我们牛津大学小组使用SRS的强X射线研究一种大型的酶——磷酸化酶（亚单元分子量约10万）单晶，它控制不可溶糖原向可溶的1-磷-葡萄糖的转换为肌肉收缩提供能量。通过同步加速器的高速X射线与劳埃法的结合，我们已能把记录一幅这种酶的衍射图的时间从几小时降到几秒甚至几个毫秒。我们以这些数据证明了一个寡糖分子是如何与磷酸化酶结合的。
正确计时
要看第一个真正的酶的电影我们还得等些时间。研究正在进行的酶催化反应需要化学家进行协助。他们的贡献是设计一个“带屏蔽”底物。这是一个磷酸酯之类的底物分子，它是经添加一个生物钝态（受到保护不受酶作用）的阻断基团制成的，该基团是光致不稳的，即能迅速被消除并很容易用激光或闪光氙灯照明。在消除屏蔽的同时开启X射线快门、科研人员就能使晶体中反应开始与X射线测定同步发生。这一点对反应与测量两者“零时间”的准确定位是很重要的。
在酶催化反应研究中劳埃法最出色的应用之一是对癌肿瘤中无法控制的生长有关而闻名的一种蛋白的近期工作。这是称作Ha-Rasp21（分子量21000）的相当小的蛋白，它的准确功能还未被证实，但是从别的系统类推，它被认为是当与鸟嘌呤核苷三磷酸盐（GTP）结合时处于“活性”状态，当与鸟苷二磷酸盐（GDP）结合时处于“钝态”，GDP形成于GTP的水解。
P21蛋白有减少GTP水解活性的作用，所以一旦结合于GTP其本身就能中断GTP转换为GDP的过程。这反应通过蛋白结合其他蛋白GAP（GTP水解活性蛋白）被大大增加，每10名肿瘤病人中大约有1个P21蛋白的一个氨基酸发生突变。在这些所谓变形突变中，P21和GAP的相互作用欠缺，因此是唯一能减缓GTP的水解的，P21-GTP络合物存在较长的时间，生长就显著延长了。
两个科学家小组独立工作，一个由伯克利加州大学的金松浩（音）领导，另一个由海德堡大学的埃米尔 · 帕带领，在1985年到1989年之间测定了P21的结构。这个酶催化点的位置及大部分特点已由GDP-P21络合物的常规X射线研究弄清，但是酶和GTP之间所有重要的络合物寿命相当短——它的半存留期40分钟——所以其结构不能用常规晶体学得到。帕和他的小组的窍门是屏蔽GTP并在酶的活性基地使其结晶。去掉屏蔽后他们再录下说明反应的两个连续阶段的劳埃照片：GTP络合物（4分钟后）和GTP-GDP混合物（14分钟后）。从这些照片他们就能鉴定GTP络合物和GDP络合物之间酶的两个环区内的结构差异，看来这些区像是介入了GAP的识别。
同样的技术也能用于病毒，它像蛋白一样，用X射线法是很难研究的，因为它们太大。自从菲利普斯对溶菌酶所做的先驱性工作以来，已用X射线法摸清了600多种蛋白的结构。其中有不同物种或其他晶体中的同样蛋白的结构，独有结构的数目估计有140多种。其中许多的这种信息已扩展至弄清它们催化反应的生物化学机理。列举的同步加速器和劳埃衍射的近期进展中，某些最令人激动的酶电影也许很快就会问世。
[New Scientist，1991年10月]