康福思——失聰?shù)幕瘜W(xué)天才

郭曉強(qiáng)

酶催化立體化學(xué)反應(yīng)的研究，拓展了對(duì)酶作用機(jī)制的理解，也推動(dòng)了對(duì)生物代謝途徑的研究，加深了對(duì)生命現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。

酶是生命過程的基礎(chǔ)，通過催化機(jī)體內(nèi)一系列化學(xué)反應(yīng)而保證生命過程有序地進(jìn)行。酶作為生物催化劑，一方面具有高效性，另一方面又具有特異性（專一性）。酶催化底物的特異性可根據(jù)對(duì)底物要求程度的不同而分為絕對(duì)特異性（如脲酶只催化尿素水解）、相對(duì)特異性（如磷酸酶可催化含有磷酸酯鍵的化合物）和立體異構(gòu)特異性（如L-乳酸脫氫酶只對(duì)L-乳酸有效，而對(duì)D-乳酸無效）。尤其酶的立體特異性為大量生物分子特定三維立體結(jié)構(gòu)的存在提供了保證，也形成了生命現(xiàn)象的一個(gè)重要特征。澳大利亞一英國生物化學(xué)家康福思（Sir John Warcup Cornforth）通過對(duì)酶催化立體化學(xué)的研究，拓展了人們對(duì)生命精密體系的理解和認(rèn)識(shí)。

失聰不誤成才

1917年9月7日，康福思出生于澳大利亞的悉尼市。他的童年一部分在悉尼度過，另一部分在新南威爾士的鄉(xiāng)村完成。10歲時(shí)，康福思察覺到聽力下降，進(jìn)一步診斷患有耳硬化癥。這是一種發(fā)生于中耳的疾病，可導(dǎo)致進(jìn)行性聽力缺損。在隨后十年間，康福思的聽力逐漸下降，到20歲完全失聰。兒時(shí)，康福思的最大愛好在天文學(xué)，但隨著年齡增加，康福思的愛好發(fā)生了很大變化，更傾向于那種“變”的事物。相比之下，星系的變化并不“明顯”，而化學(xué)反應(yīng)之“多變”（包括顏色、形態(tài)、氣體生成等）更具有吸引力。十幾歲時(shí)，康福思在家中建立了一個(gè)簡(jiǎn)易化學(xué)實(shí)驗(yàn)室而開始自己嘗試實(shí)驗(yàn)?？赡芫売诼犃Φ膯适В蹈Ｋ荚谝曈X和嗅覺方面更敏感（味覺危險(xiǎn)性太大，不適宜過多嘗試）。在悉尼男子中學(xué)期間，康福思的老師巴澤（Leonard Basser）進(jìn)一步激發(fā)了他的化學(xué)興趣。老師考慮到耳聾對(duì)化學(xué)專業(yè)的影響可能最小，建議康福思將來從事化學(xué)研究，從而奠定了他一生的職業(yè)基礎(chǔ)。

16歲，康福思進(jìn)入悉尼大學(xué)，選擇有機(jī)化學(xué)作為專業(yè)。由于聽力原因，康福思無法有效地隨堂聽課，而主要通過閱讀課本以及原始文獻(xiàn)來學(xué)習(xí)。當(dāng)時(shí)德國是化學(xué)強(qiáng)國，大部分化學(xué)文獻(xiàn)均為德語，因此母語為英語的康福思不得不自學(xué)德語，以了解化學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展。他還有較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，親自制作各種器皿，完成各種較難的實(shí)驗(yàn)。在大學(xué)期間他獲得了“kappa”的昵稱，一方面因?yàn)镵（讀作kappa）是第十個(gè)希臘字母，和他的姓（Cornforth）發(fā)音相似，另一方面因?yàn)樗偸菍這個(gè)字母粘貼在自己的器皿上以防別人拿走。大學(xué)期間，康福思還與一位有機(jī)化學(xué)專業(yè)女學(xué)生哈拉登斯（Rita Harradence）相識(shí)。哈拉登斯也是悉尼大學(xué)化學(xué)系高材生，被康福思在化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作方面的高超技能所深深吸引，開始建立起深厚友誼。

1937年，康福思以最優(yōu)異成績(jī)畢業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，并被授予大學(xué)獎(jiǎng)?wù)隆．厴I(yè)后不久康福思和哈拉登斯共同獲得大英科學(xué)博覽會(huì)獎(jiǎng)學(xué)金（澳大利亞每年只有2個(gè)名額），獲資助者可擁有兩年赴英國學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。

1939年，康福思和哈拉登斯進(jìn)入牛津大學(xué)，跟隨著名的天然產(chǎn)物化學(xué)家羅賓遜（Robert Robinson，1947年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者）進(jìn)行類固醇化學(xué)合成研究。1941年，兩人同獲博士學(xué)位。1939年康福思與哈拉登斯結(jié)婚，他們共育有三個(gè)孩子。

天然產(chǎn)物化學(xué)的研究

第二次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)影響了康福思的科研和學(xué)習(xí)進(jìn)程。在進(jìn)行短暫的固醇有機(jī)化學(xué)研究后，康福思與羅賓遜均加入了英國戰(zhàn)時(shí)計(jì)劃，主要進(jìn)行青霉素的純化和濃縮研究。青霉素是弗萊明（A.Fleming）1928年發(fā)現(xiàn)的一種具有抗菌作用的物質(zhì)，隨著戰(zhàn)爭(zhēng)的進(jìn)程和傷員的增多，其重要性日益突顯。為此英國建立了一個(gè)由多名科學(xué)家組成的聯(lián)合攻關(guān)小組，以盡快實(shí)現(xiàn)青霉素的工業(yè)制備和臨床應(yīng)用?？蹈Ｋ贾饕獏⑴c了給定單位青霉素含量的測(cè)定工作，以更好掌握青霉素制備和保持活性的最佳條件。這項(xiàng)青霉素計(jì)劃為在二戰(zhàn)中救治傷員發(fā)揮了重要作用。1949年，康福思與羅賓遜合作出版《青霉素化學(xué)》一書，全面介紹了青霉素的制備、純化和活性檢測(cè)等知識(shí)。

二戰(zhàn)結(jié)束后，原本該回到澳大利亞的康福思由于國內(nèi)大學(xué)無法提供化學(xué)研究機(jī)會(huì)，只能留在英國找工作。他繼續(xù)與羅賓遜合作，這次他們決定完成膽固醇的化學(xué)全合成。膽固醇是一類重要的天然產(chǎn)物，有廣泛的生物學(xué)作用，既是真核生物細(xì)胞膜必不可少的組分之一，又可轉(zhuǎn)化為膽汁酸、維生素D3和性激素等物質(zhì)，參與多個(gè)重要生命過程。膽固醇結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，共由27個(gè)碳原子構(gòu)成，含4個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，因此用有機(jī)化學(xué)方法進(jìn)行膽固醇全合成是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。1932年膽固醇結(jié)構(gòu)確定之后，羅賓遜就決定完成膽固醇的合成，但由于條件限制而遲遲未取得明顯進(jìn)展。隨著康福思的加入和有機(jī)化學(xué)合成方法的推進(jìn)，膽固醇的合成進(jìn)展迅速。1951年，康福思和羅賓遜小組終于實(shí)現(xiàn)了膽固醇的首次體外人工全合成。與此同時(shí)，美國伍德沃德（Robert Burns Woodward，1965年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者）小組也取得同樣成果。這是人類完成的第一個(gè)非芳香族類固醇的人工合成，體現(xiàn)了人類在天然產(chǎn)物有機(jī)合成領(lǐng)域的巨大能力，也被看作20世紀(jì)最偉大成就之一。

康福思和羅賓遜合作的14年是康福思的第一個(gè)科研黃金期，奠定了他在有機(jī)合成領(lǐng)域的地位?？蹈Ｋ及蚜_賓遜當(dāng)作終生的良師益友。是羅賓遜將他真正帶進(jìn)化學(xué)科研領(lǐng)域，使他具備了科研方法和實(shí)驗(yàn)操作等多方面的能力，后來還提名他為諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的候選人。

膽固醇合成代謝研究

康福思在與羅賓遜合作的同時(shí)，也尋找著自己的新工作。1946年，康福思離開牛津大學(xué)來到倫敦，加入英國醫(yī)學(xué)研究理事會(huì)（MRC）屬下的國立醫(yī)學(xué)研究所（NIMR），一方面繼續(xù)進(jìn)行膽固醇化學(xué)合成，另一方面開始拓展新方向。

國立醫(yī)學(xué)研究所的方向在于生物學(xué)，康福思結(jié)識(shí)了多名有生物學(xué)背景的研究人員，其中最著名的是匈牙利生物化學(xué)家波普亞克（George Joseph Popjak）。后者擁有扎實(shí)的生物化學(xué)知識(shí)，當(dāng)時(shí)正在進(jìn)行膽固醇生物合成代謝研究（即探討生物體內(nèi)自身合成膽固醇的機(jī)制）；而康福思參與膽固醇的體外有機(jī)合成。基于相似的研究方向，兩人決定聯(lián)合有機(jī)化學(xué)和生物化學(xué)知識(shí)，共同探索生物膽固醇的體內(nèi)合成代謝過程，從而開啟了他們長(zhǎng)達(dá)二十多年富有成效的科研合作。

1940年代，物質(zhì)代謝是生命領(lǐng)域的前沿和重點(diǎn)之一，已闡明糖酵解、糖原分解、脂肪酸氧化等多條代謝通路，但合成代謝研究由于方法的限制進(jìn)展緩慢。放射性同位素示蹤在代謝領(lǐng)域的應(yīng)用為許多問題的解決帶來極大便利。布洛赫（Konrad Emil Bloch）等利用放射性同位素碳14標(biāo)記乙酸來追蹤同位素在生成的膽固醇分子內(nèi)的分布，從而確定了膽固醇環(huán)上的所有碳原子均來自乙酸，開啟了膽固醇合成研究的新時(shí)代?？蹈Ｋ己筒ㄆ諄喛藢⑼凰靥?4標(biāo)記的乙酸加入到大鼠肝臟切片，以合成帶有放射性的膽固醇，隨后對(duì)膽固醇及中間產(chǎn)物進(jìn)行降解，從而全面闡述鯊烯環(huán)化生成膽固醇的過程，特別是許多重要中間產(chǎn)物如甲羥戊酸（6碳）、法尼基焦磷酸（15碳）和鯊烯（30碳）等關(guān)鍵分子的詳細(xì)合成過程。膽固醇的生物合成共由二十多步反應(yīng)構(gòu)成，整個(gè)過程的闡明是一項(xiàng)艱苦卓絕的工作。

1964年，布洛赫和呂嫩（Feodor Felix Konrad Lynen）由于在膽固醇代謝研究中的突出貢獻(xiàn)而分享諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。盡管康福思和波普亞克未分享這項(xiàng)榮譽(yù)，但是他們?cè)谠擃I(lǐng)域的地位得到科學(xué)界的公認(rèn)，分享了多項(xiàng)大獎(jiǎng)，如1968年英國的戴維獎(jiǎng)?wù)拢―avy Medal）。膽固醇合成代謝途徑的闡明，具有重大的科學(xué)意義，拓展了對(duì)膽固醇這種重要生物分子在體內(nèi)合成過程的認(rèn)識(shí)，也為控制體內(nèi)膽固醇的藥物開發(fā)提供了新靶點(diǎn)。1980年代他汀類藥物開發(fā)成功，就是在認(rèn)識(shí)膽固醇生成限速酶的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。

立體化學(xué)研究

1962年，康福思和波普亞克離開醫(yī)學(xué)研究所，加入殼牌研究有限公司米爾斯特德化學(xué)酶學(xué)實(shí)驗(yàn)室（Milstead Laboratory of Chemical Enzymology for Shell Research Ltd），擔(dān)任實(shí)驗(yàn)室共同主任，實(shí)驗(yàn)室也因此被稱為“PopCorn實(shí)驗(yàn)室”。1968年波普亞克離開實(shí)驗(yàn)室加入加州大學(xué)，而康福思獨(dú)自待在英國。實(shí)驗(yàn)室為康福思提供了更好的實(shí)驗(yàn)條件與氛圍，還給他配備了簡(jiǎn)易傳真機(jī)以解決失聰帶來的問題，還積極鼓勵(lì)他和其他人更為自由地選擇研究?jī)?nèi)容。在這里，康福思對(duì)生物分子的立體化學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生了濃厚興趣。

早在1849年，法國科學(xué)家巴斯德（Louis Pasteur）就發(fā)現(xiàn)酒石酸這種有機(jī)化合物存在兩種光學(xué)性質(zhì)不同的分子（D型和L型，相當(dāng)于人的左手和右手）。1874年，荷蘭化學(xué)家范托夫（Jacobus Henricus van't Hoff）和勒貝爾（Joseph Le Bel）對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了解釋：當(dāng)一個(gè)碳原子同時(shí)連接4個(gè)不同原子或原子團(tuán)時(shí)，可形成兩種光學(xué)性質(zhì)（D和L）的分子，相應(yīng)的碳原子稱為手性碳。這樣的分子也稱手性分子，D型和L型分子互為鏡像。

利用有機(jī)化學(xué)方法進(jìn)行人工合成，往往同時(shí)生成兩種分子，如（DL）-氨基酸和（DL）-葡萄糖等，它們比例幾乎相同，整體對(duì)外界不顯示光學(xué)偏好；但生物體則往往只形成一種分子，如L-氨基酸和D-葡萄糖（臨床上應(yīng)用的就是這種分子）等，這是生命體系的一個(gè)獨(dú)特現(xiàn)象，也是科學(xué)家長(zhǎng)期感到困惑的一個(gè)問題。有機(jī)化學(xué)家關(guān)注三維結(jié)構(gòu)及合成方法，而生物化學(xué)家重點(diǎn)集中于酶促反應(yīng)過程。擁有兩方面背景（交叉學(xué)科）的康福思將兩者有機(jī)結(jié)合，決定對(duì)此問題進(jìn)行深入探討。

早在1948年，英國生物化學(xué)家奧格斯頓（Alexander George Ogston）就認(rèn)為酶的不對(duì)稱三維結(jié)構(gòu)是造成手性分子產(chǎn)生的原因，并提出解決這個(gè)問題的關(guān)鍵是利用同位素標(biāo)記。盡管早期康福思已使用碳14標(biāo)記追蹤了膽固醇的生成機(jī)制，但進(jìn)一步研究立體化學(xué)存在困難，因?yàn)橛袝r(shí)碳原子并不與碳原子直接相連。由于甲基是最簡(jiǎn)單的有機(jī)基團(tuán)，康福思便決定以此為突破口進(jìn)行研究。為了區(qū)分甲基結(jié)構(gòu)中的三個(gè)氫原子，康福思決定用三種氫同位素，即普通氫氕（1H，表示帶有1個(gè)質(zhì)子，0個(gè)中子）、重氫氘（2H，表示帶有1個(gè)質(zhì)子，1個(gè)中子）和帶有放射性的超重氫氚（3H，表示帶有1個(gè)質(zhì)子，2個(gè)中子），分別代表甲基中的三個(gè)氫以實(shí)現(xiàn)區(qū)分，為此康福思需要利用化學(xué)方法或酶法讓氘和氚代替另外的兩個(gè)氕。將帶有三個(gè)不同氫同位素的甲基化合物加入反應(yīng)體系，并對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)。穩(wěn)定性同位素氘使用質(zhì)譜法加以檢測(cè)（氘比氕多1），放射性同位素氚則通過放射性來測(cè)定，以確定三種氫在反應(yīng)過程中的保留與丟失情況。自然界只有痕量的氚可用，且只有百萬分之一的分子可被標(biāo)記成功，因此難度可想而知，單獨(dú)完成標(biāo)記就是一項(xiàng)杰出的學(xué)術(shù)成就，而利用氫同位素差異對(duì)化合物進(jìn)行追蹤更是一項(xiàng)聰明絕頂?shù)脑O(shè)計(jì)，為立體化學(xué)研究提供了一個(gè)重要手段。康福思和同事使用氫同位素標(biāo)記的甲基，先后闡明了草酰乙酸到檸檬酸、乙醛酸到蘋果酸以及甲羥戊酸到鯊烯等多個(gè)過程的立體化學(xué)機(jī)制。

甲羥戊酸到鯊烯是膽固醇合成中的一個(gè)關(guān)鍵階段，中間存在14步化學(xué)反應(yīng)。由于手性分子的存在，每一個(gè)步驟產(chǎn)物都存在兩種可能性，因此理論上存在16384（2¹⁴）種可能性，康福思需要從中確定出正確的一種。直到1972年，康福思小組才最終解決了從甲羥戊酸到鯊烯全部14步的立體化學(xué)反應(yīng)。這項(xiàng)成就為研究其他代謝過程如檸檬酸到乙酸乙酯等的立體化學(xué)機(jī)制，提供了重要借鑒，使生物化學(xué)研究從一維向三維全面過渡。

生物手性分子的形成原因在于酶催化的結(jié)構(gòu)特異性。酶的活性中心（發(fā)揮催化作用的關(guān)鍵區(qū)域）只能與催化的底物分子有效結(jié)合，才可最終發(fā)揮催化作用。無論是費(fèi)歇爾（E.Fischer）的“鑰匙與鎖”學(xué)說（剛性結(jié)合），還是后來的誘導(dǎo)契合學(xué)說（柔性結(jié)合），其對(duì)酶的空間立體結(jié)構(gòu)均有基本要求，即兩者具有可結(jié)合性。這種催化只能在一個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)，故只能產(chǎn)生一種手性分子，而不像體外合成，由于兩個(gè)方向均可反應(yīng)，因此往往產(chǎn)生兩種分子。

1975年，康福思由于對(duì)酶催化反應(yīng)立體化學(xué)方面的貢獻(xiàn)，而分享諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的一半，另一半為瑞士化學(xué)家普雷洛格（Vladimir Prelog）獲得。兩位科學(xué)家的工作闡明了重要的生物分子特性不僅依賴于原子組成，還依賴于原子所形成的空間結(jié)構(gòu)。

收獲豐盛的人生

1975年，康福思離開米爾斯特德化學(xué)酶學(xué)實(shí)驗(yàn)室，加入1960年代新建并位于英國布賴頓的薩塞克斯大學(xué)（University of Sussex），擔(dān)任皇家學(xué)會(huì)研究教授。1982年，65歲的康福思從薩塞克斯大學(xué)退休，擔(dān)任榮譽(yù)教授，但仍堅(jiān)持在學(xué)校工作，直到近90歲由于身體狀況原因才正式告別科研。在薩塞克斯大學(xué)期間，康福思研究了植物激素脫落酸的合成，并探索了多種化合物的代謝。在其科研生涯中，質(zhì)疑精神是康福思的一個(gè)重要特征。他認(rèn)為，科學(xué)家的任務(wù)不是去相信書本，而是通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)各種理論，甚至包括自己的理論?？蹈Ｋ紝⒖茖W(xué)看作持續(xù)地發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤的過程，而他只是這個(gè)過程的一部分，科學(xué)的迷人之處在于提供了從錯(cuò)誤中學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。

盡管一直生活在無聲世界里，康福思卻擁有非常豐富的業(yè)余生活，包括弈棋、園藝、詩歌和網(wǎng)球等。在與外界的交流和溝通方面，聽障確實(shí)帶來諸多不便，他往往根據(jù)說話者口型判斷講話內(nèi)容。他的妻子哈拉登斯發(fā)揮了“賢外助”兼“賢內(nèi)助”的作用。她是康福思最持久的合作者，聯(lián)合發(fā)表四十多篇論文：她也是一位著名化學(xué)家，她的高超實(shí)驗(yàn)技巧對(duì)康福思的成功起了重要作用；她是康福思與外界交流的中介；最后她的無私支持與鼓勵(lì)是康福思取得科學(xué)成就最強(qiáng)有力的保證。2002年悉尼大學(xué)建立以康福思夫婦命名的基金會(huì)，以支持有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的教學(xué)。

科學(xué)成就給康福思帶來了榮譽(yù)：1953年，36歲的康福思當(dāng)選英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，同年獲皇家化學(xué)學(xué)會(huì)授予的科迪一摩根獎(jiǎng)?wù)拢–orday-Morgan Medal）。1982年他獲得皇家學(xué)會(huì)授予的科普利獎(jiǎng)?wù)拢–opley Medal）。康福思還是多家科學(xué)院的院士，包括澳大利亞科學(xué)院院士、美國科學(xué)院外籍院士和荷蘭科學(xué)院外籍院士?？蹈Ｋ紦碛邪拇罄麃喓陀p重國籍，但大部分時(shí)間在英國度過，是澳大利亞唯一的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者。

2013年12月8日，康福思在英格蘭薩塞克斯郡去世，享年96歲?？蹈Ｋ际且晃豢茖W(xué)大師，一生發(fā)表論文兩百多篇，重點(diǎn)在膽固醇，貫穿了化學(xué)合成、生物合成以及生物合成過程中的手性化學(xué)等。康福思克服失聰殘障所造成的身體種種不便，鍥而不舍地長(zhǎng)期從事富有成效的科研工作，而做出對(duì)于文明的卓越貢獻(xiàn)，這種精神更是一份巨大財(cái)富，為人們樹立了實(shí)現(xiàn)人生價(jià)值的榜樣。