莱纳斯·鲍林（1901-1994）

 (第一次出现在《自然结构生物学》（第1卷（10），1994年10月）中，并经出版商的许可在此转载。)

与迈克尔·法拉第（Michael Faraday）一样，莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）生来贫穷；他在高中和俄勒冈州农业学院攻读化学工程学位期间，努力做一些体力活来养活自己。尽管如此，他在18岁时就对价电子理论产生了兴趣，此后他“继续希望有关物质性质的经验信息最终能包含在分子结构理论中”。1926年，当他在慕尼黑与德国最伟大的理论物理老师阿诺德·索末菲（Arnold Sommerfeld）一起度过博士后一年时，他的希望开始实现，当时埃尔文·薛定谔（Erwin Schrödinger）发表了他关于波力学的第一篇论文。索末菲立即意识到了它们的重要性，并就它们进行了一系列讲座。在慕尼黑吸收了他所能学到的知识后，鲍林接下来去了苏黎世，亲自与薛定谔共事，但他发现自己的逗留令人失望，因为他喜欢独自工作，很少注意到他。然后，鲍林回到位于帕萨迪纳的加州理工学院，在那里他获得了博士学位，并开始研究化学键的性质。

鲍林博士论文的一部分是关于辉钼矿（MoS）的结构₂)他通过X射线分析确定的。在此之后，矿物成了他的首要兴趣；他特别对硅酸盐产生了兴趣，这些硅酸盐的复杂结构形成了十九世纪二十年代W.L.布拉格在曼彻斯特学校的骄傲。1929年，鲍林制定了一套基于离子电荷和半径的简单规则，这使得人们能够理解和经常预测硅酸盐和许多其他矿物的结构。根据这些规则，他将整个学科置于合理的化学基础上。

接下来有一系列关于化学键的论文。其中第一个是革命性的，因为它根据波动力学原理解释了碳的四面体配位和过渡金属的正方形或八面体配位。引言传达了他的论文的某种味道：“在过去4年中，理论物理学家，特别是海特勒和伦敦，通过量子力学的应用，对化学键的性质问题进行了抨击。这项工作导致了对非常简单分子的形成能和其他性质的近似理论计算，如H₂，并为G.N.Lewis部分制定的电子对键规则提供了正式的理由。在接下来的论文中，我们将表明，从量子力学方程中可以获得更多具有化学意义的结果，从而可以制定一套广泛的电子对键规则，以补充Lewis的规则。这些规则提供了关于不同原子形成的键的相对强度、键之间的角度、围绕键轴的自由旋转或无自由旋转、键电子的量子数与键的数量和空间排列之间的关系的信息，等.还发展了分子和络合物离子磁矩的完整理论，研究表明，对于许多涉及过渡基团元素的化合物，这个理论和电子对键的规则导致了电子结构的独特赋值以及所涉及的键类型的明确确定”。以前从未做过这样的事情。

在后来的一篇论文中，鲍林将海森堡最初引入量子力学的共振概念应用于化学。“我们发现，有许多物质的性质不能用价键型的单一电子结构来解释，但可以通过考虑两个或多个结构之间的共振来适应经典价理论的方案”。苯就是一个典型的例子。

鲍林的价键理论建立了原子间距离（主要来源于精确的晶体数据）与键能之间的关系，鲍林对有机化合物化学性质的许多成功解释都是基于此。有鉴于此，他在帕萨迪纳建立了一所杰出的结构化学研究学校。保林在慕尼黑的经历也使他与E.Bright Wilson一起为化学家撰写了《量子力学导论》，该书于1935年首次出版，至今仍是一本有用的经典著作。

二十世纪三十年代，作为维也纳的一名化学学生，我不得不背诵卡尔·霍夫曼的《无机化学》759页和保罗·卡勒的《有机化学》866页。我把这些任务看作是耐力的壮举，它给了我某种运动上的满足感，比如从陆地尽头走到约翰·奥格罗特的尽头，但它们给了我很少的智力上的满足，因为这些书没有解释物质的属性。为什么水在0°C冻结，甲烷在-184°C冻结？为什么一种形式的硒在比另一种高76°C的温度下融化？为什么硫磺软而钻石硬？为什么硅石的一种形式石英具有光学活性，而其他两种形式鳞石英和水晶球石则不具有光学活性？为什么水杨酸比苯甲酸强？我没有回答这样的问题。

1936年，我成为剑桥大学X射线晶体学的研究生。1939年的圣诞节，一位女朋友给了我一个图书代币，我用它买了莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）最近出版的《化学键的本质》（Nature of the Chemical Bond）。他的书将我早期教科书中的化学平原变成了一个三维结构的世界。它指出，“物质的性质部分取决于其原子间键的类型，部分取决于原子排列和键的分布”，并用许多引人注目的例子来说明这一主题。例如，Pauling讨论了第二行元素氟化物熔点不连续的原因，因此：“一系列化合物性质的突然变化，例如金属卤化物的熔点或沸点，有时被认为表明键类型的突然变化。因此，对于第二列元素的氟化物，高熔点的氟化物被描述为盐，其他的被描述为共价化合物；熔点下降1100°C。从氟化铝到氟化硅的转变被解释为表明键从极端离子型急剧转变为极端共价型（1）。我认为氟化铝中的键在性质上与氟化硅中的键略有不同，并将性质的突然变化归因于原子排列性质的变化（2）。在NaF、MgF中₂和AlF_三每个金属原子都被氟原子的八面体包围，化学计量关系要求每个氟原子都由几个金属原子联合固定。在每一种晶体中，分子都被结合成巨大的聚合物，只有通过打破金属和非金属原子之间的强大化学键，才能进行熔融和汽化过程；因此，这些物质具有高熔点和沸点。另一方面，硅相对于氟的稳定配位数为4，因此SiF₄分子几乎没有形成聚合物的倾向。氟化硅晶体由SiF组成₄分子堆积在一起，只有微弱的范德瓦尔斯力才能将其结合在一起”。保林的表演风格的特点是，参考文献1指的是N.V。西奇威克的经典之作《电子配价理论》，并引用了他自己的一篇论文。通过这些例子，鲍林的书坚定了我的信念，即三维结构的知识至关重要，如果不了解构成活细胞的大分子的结构，就永远无法理解活细胞的功能。

在维也纳的物理化学实践中，我不得不向自己证明，溶液中的醋酸会形成二聚体，但这需要鲍林强调氢键的重要性，氢键是氢键形成的原因：“尽管氢键并不牢固，但它在确定物质性质方面具有重要意义。由于氢键的键能很小，并且在其形成和断裂过程中所涉及的活化能很低，氢键特别适合在常温下发生的反应中发挥作用。人们已经认识到氢键在化学反应中起着重要作用罗根键将蛋白质分子限制为其天然构型，我相信，随着结构化学方法进一步应用于生理学问题，人们会发现氢键在生理学中的重要性大于任何其他单一结构特征”。这是一个在对蛋白质结构一无所知的情况下做出的非凡预言。

鲍林富有想象力的方法，他对结构化学、理论化学和实践化学的综合，他利用各种观察来证明他的概括的能力，以及他生动的写作将化学的枯燥事实结合在一起，第一次为我和数千名其他学生形成了一个连贯的知识结构。

我第一次见到鲍林是在我读了他的书10年后，我对他的讲座很感兴趣，在讲座中，他会像风琴师演奏巴赫赋格曲一样，滔滔不绝地说出头顶的原子半径、原子间距离和键能；之后，他会环顾四周，寻求掌声，就像我在引用伯特兰·罗素的一个优雅比喻后看到的那样。鲍林的讲座强化了他书中的主要信息：要理解分子的性质，不仅必须知道它们的结构，而且必须准确地知道它们。

除了指导许多人的研究外，鲍林还曾为大一新生讲授入门课程，他于1947年首次将其作为普通化学教科书出版。其1970年版包含900多页；它首先介绍物质的原子和分子结构，涵盖物理和无机化学的最重要方面，涉及有机和生物化学的元素，最后是核化学。讲座很精彩，而且往往很戏剧化。杰克·杜尼茨向我描述了一个：长椅上放着一个装满了看起来像水的大烧杯。保林走了进来，从瓶子里拿出一块金属钠，把它从手中扔到另一只手上（如果你的手是干的，就可以安全地扔），并警告说它会与水发生剧烈的爆炸反应。然后他把它扔进烧杯。当学生们因害怕爆炸而畏缩时，他冷淡地说“但它对酒精的反应要温和得多”。

鲍林还对生物学科进行了几次重要的考察；第一个是免疫学。他设想抗体通过溶液中多肽链的重折叠使其结构适应抗原的结构：他错了，但在蛋白质结构的遗传基础被了解之前，这是一个合理的理论。接下来，他对血红蛋白产生了兴趣。在读到法拉第发现血液是反磁性的，尽管铁和氧是顺磁性的，他告诉他的学生查尔斯·科耶尔（Charles Coryell）在有氧和无氧的情况下测量血红蛋白的磁化率。1936年，科耶尔发现氧血红蛋白是反磁性的，而脱氧血红蛋白是顺磁性的，自旋为S=2。四十年后，我问鲍林是什么让他想到这个实验的，后来证明这个实验对于理解血红蛋白的功能至关重要。鲍林回答说，目前尚不清楚氧是否与血红蛋白中的铁形成化学键，或者只是被吸附，他认为化学键的形成可能伴随着磁性变化。1970年，我发现铁的自旋转变是血红蛋白与氧气反应时变构变化的触发因素。

1940年，Linus Pauling和Max Delbrück预测了分子互补性，这后来被证明是DNA结构和复制的基础。他们攻击了德国理论家帕斯科尔·乔丹（Pascual Jordan），他提出了一种观点，即存在一种量子-机械稳定相互作用，优先在相同或接近相同的分子之间运行，这在基因复制等生物过程中很重要。Pauling和Delbrück指出，分子之间的相互作用现在已经得到了很好的理解，并为并置的互补结构的两个分子提供了稳定性，而不是两个结构必然相同的分子。在讨论分子之间的特殊吸引力及其酶合成时，应首先考虑互补性。

1949年，有人让鲍林对镰状细胞病感兴趣，镰状细胞疾病是一种主要影响黑人的遗传疾病，它会导致红细胞在缺氧时扭曲成各种镰状。鲍林向他的年轻合作者伊塔诺、辛格和威尔斯建议，他们应该检查正常和镰状细胞血红蛋白的电泳迁移率。他们发现两者不同，因为镰状细胞的血红蛋白比正常血红蛋白携带的负电荷少两个。鲍林在《科学》杂志上以戏剧性的标题发表了这一结果：“镰状细胞血红蛋白，一种分子疾病”。这篇论文让Vernon Ingram和John Hunt在我位于剑桥的MRC小组中指出，镰状细胞血红蛋白仅通过缬氨酸取代一对谷氨酸残基而与正常血红蛋白不同。他们发现了基因突变对蛋白质氨基酸序列的影响，这尖锐地提出了遗传密码的问题，几年后，克里克、布伦纳和他们的同事通过证明核苷酸的三联体决定蛋白质的氨基酸序列，回答了这个问题。

在生物化学家中，鲍林最著名的是他发现了α-螺旋，这是20世纪30年代和40年代由他的合作者罗伯特·科里和爱德华·休斯开创的氨基酸结构X射线分析的顶峰；当时甘氨酸、丙氨酸和二酮哌嗪表现出一定程度的复杂性，使X射线分析达到了可能的极限。这些结果为鲍林提供了解释利兹的比尔·阿斯伯里（Bill Astbury）从头发、指甲或肌肉等蛋白质纤维中获得的微弱X射线衍射图案所需的立体化学数据。鲍林认为，在由化学等效单元构成的长链聚合物中，所有单元都必须占据几何等效位置，这只有在螺旋中才可能。此外，二酮哌嗪的结构表明，肽键具有部分双键特征，因此原子

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同年，即1948年，鲍林做出了另一个重要预测：“我认为酶是在结构上与它们催化的反应的活化络合物互补的分子，即介于反应物质和反应产物之间的分子结构”。

在阿尔法-赫利克斯发表之后，鲍林又发表了一篇基础论文。当不同动物血红蛋白的氨基酸序列开始被了解时，很明显，氨基酸替换的数量随着进化树上物种之间的距离而增加。这激发了鲍林和他的年轻合作者埃米尔·扎克坎德尔（Emile Zuckerkandl）的灵感，他们提出存在一个进化时钟，它以每500万年100个残基中大约有一个氨基酸替换的速度滴答作响。与鲍林的许多论文一样，这篇论文开创了一个全新的研究领域，从此占据了许多其他科学家的生命。鲍林几乎到了生命的最后一刻仍在发表论文，但没有什么比他早期的作品更基本，可能是因为他太专注于核战争的威胁，后来又专注于维生素C。

在麦卡锡时代，保林的反核立场为他赢得了“红色”的声誉。1952年，当英国皇家学会组织了一次关于蛋白质结构的讨论会时，鲍林本应是主要贡献者，但由于国务院撤回了他的护照，他未能出席。1954年，英国哲学家伯特兰·罗素（Bertrand Russell）在圣诞节发表了关于核战争危险的无线电警报演讲。明年，他起草了一份反对核武器的宣言，阿尔伯特·爱因斯坦在去世前几天签署了该宣言。这句话的结论是：“如果我们选择，幸福、知识和智慧的不断进步就摆在我们面前。我们是否应该选择死亡，因为我们无法忘记我们之间的争吵？作为人类，我们呼吁人类：记住你们的人性，忘记其余的。如果你能做到这一点，通往新天堂的道路就敞开了；如果你做不到，那么你面前就有普遍死亡的风险”。保林与七位著名物理学家和遗传学家赫尔曼·穆勒共同签署了这份宣言；这导致了第一次普格沃什会议的召开，苏联和西方科学家在会上讨论了减少核战争危险的措施。1958年，保林出版了一本书：《不再有战争》，并将其交给联合国秘书长达格·哈马舍尔德，由9235名科学家签署的请愿书“敦促现在就停止核武器试验达成一项国际协议……因为科学家对问题涉及的复杂因素有一定程度的了解，例如释放的放射性物质的遗传和身体影响的程度”。1961年5月，保林在奥斯陆组织了一次由40名科学家参加的关于核裁军的会议，随后带领数百人在奥斯陆街头举行了反对核战争的火炬游行。他的竞选活动与他关于化学的演讲一样华丽，为1963年大气试验禁令的结束做出了重要贡献，并于当年12月为他赢得了诺贝尔和平奖。他还参加了反对越南战争的活动，没有因为被称为叛徒而被吓倒。

1966年，鲍林构思出一个想法，即大剂量的维生素C对健康至关重要，它们可以治愈普通感冒甚至癌症。英国的化学家商店仍然以“亚麻粉”的名义出售维生素C，他每天吞下大约18克；大概有100毫克会被吸收，剩下的会被排出体外。抗坏血酸是自由基的清除剂，因此缺乏抗坏血酸酶可能会增加癌症的可能性，但没有确凿证据表明如此大剂量的抗坏血酶有任何预防作用。在我看来，这本应成为鲍林生命中最后25年的主要关注点之一，并破坏了他作为化学家的声誉，这似乎很悲惨。也许这与他最大的失败，他的虚荣心有关。当有人反驳爱因斯坦时，他仔细考虑了一下，如果他发现自己错了，他会很高兴，因为他觉得自己已经摆脱了错误，现在比以前更清楚了，但鲍林永远不会承认自己可能错了。在阅读了鲍林和科里关于α-螺旋体的论文后，我发现在垂直于蛋白质纤维轴的平面上有一个间距为1.5º的X射线反射，这个平面排除了α-螺旋以外的所有构象，我想他会高兴的，但不是，他猛烈地攻击我，因为他无法忍受别人想到要对他自己都没有想到的阿尔法-赫利克斯进行测试的想法。我很高兴他后来忘记了愤怒，成为了一个好朋友。

鲍林对化学的基本贡献涵盖了很大范围，他们对几代年轻化学家的影响是巨大的。在1930年至1940年间，他帮助将化学从一门主要的现象学学科转变为一门牢固基于结构和量子力学原理的学科。在后来的几年里，构成鲍林工作理论支柱的价键和共振理论得到了R.s.穆利肯分子轨道理论的补充，该理论对化学键有了更深入的理解。例如，它允许C.Longuet-Higgins和W.Lipscomb预测和解释硼烷的结构，这在鲍林的概念基础上是不可能的。然而，共振和杂交仍然是化学家日常词汇的一部分，并且仍然被用来解释肽键的平面性。鲍林把化学百科全书知识和想象力直觉结合起来是独一无二的；我们许多人都认为他是本世纪最伟大的化学家。