今年是“蛋白质结构数据库” Protein Data Bank成立的第50年。按以往十年大庆的惯例，PDB 将在今年举办一系列研讨会：回顾 PDB 的发展历程，细数结构生物学的里程碑事件，讨论当前生物化学与分子生物学的前沿，展望交叉学科的发展等等。下面，我带大家回顾 PDB 50年的发展历程，说不上波澜壮阔，依然激动人心。本文是下篇：伴随PDB的50年发展历程，结构生物学领域的诺贝尔奖。
1997 化学奖：Skou, Boyer, Walker1997年的诺贝尔化学奖一分为二：一半颁给UCLA的Paul Delos Boyer (1918 - 2018) 和剑桥大学MRC分子生物学实验室的John Ernest Walker (1941-)；另一半颁给丹麦奥胡斯大学的Jens Christian Skou (1918 - 2018)。Boyer和Walker阐明了ATP的生物合成机理：ATP如何在ATP合成酶的催化下由ADP与磷酸合成。Skou率先发现了离子转运酶钠钾泵 (Na+/K+-ATPase 或Na+/ K+-pump)，解释了ATP如何在ATP酶的催化下水解为ADP与磷酸。
The Nobel Prize in Chemistry 1997 was divided, one half jointly to Paul D. Boyer and John E. Walker "for their elucidation of the enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine triphosphate (ATP)" and the other half to Jens C. Skou "for the first discovery of an ion-transporting enzyme, Na+, K+ -ATPase."
ATP（三磷酸腺苷，adenosine triphosphate）由腺嘌呤 + 核苷酸 + 3个磷酸组成，是一种三磷酸核苷，也是一种高能磷酸化合物。ATP 水解脱去1个磷酸，释放约7.3 kcal/mol能量，生成 ADP（二磷酸腺苷）；ATP 水解脱去2个磷酸，释放约10.9 kcal/mol能量，生成 AMP（单磷酸腺苷）。
ATP的水解释放大量能量，用于生命体的各种生化反应；反过来，生命体也可以通过ADP或AMP合成ATP从而将能量储存起来。ATP在各种生命过程中被反复合成，又反复消耗。
据推算，静息时，成年人一天中合成ATP的总质量达到机体自重的一半；在高强度运动时，成人一天合成的ATP的总质量可高达一吨！因此，中学的生物课本将ATP比喻为细胞的能量货币。钠钾泵维持细胞膜内外Na+、K+的浓度，将细胞外相对较低浓度的K+送入细胞，并将细胞内相对较低浓度的Na+送出细胞。
放射性标定实验发现Na+、K+ 都会经过这个通道，并且Na+、K+ 的浓度在细胞膜两侧相互依赖，证明Na+、K+都可以经过这个载体运输。钠钾泵输运离子需消耗ATP，可以同时将3个Na+ 送出细胞和2个K+ 送入细胞。
人体细胞所生产的相当一部分ATP（>= 30%）被用于维持细胞膜内外的Na+、K+的浓度，这一比例在神经细胞中高达70%。也就是说，钠钾泵，作为细胞膜上的一种主动输运离子的膜蛋白，水解ATP获得能量的相当一部分被用于两种特殊的阳离子在细胞膜两侧的输运。并且，钠钾泵输运阳离子带来的电流，维持了细胞电位，使神经冲动得以传输。另一方面，水解ATP获得能量还被用于糖酵解 (glycolysis) 过程。理解离子进出细胞的机制；
理解神经冲动的传导机制；
理解细胞糖代谢过程。
在这里，我们必须要暂时偏离对Skou的介绍，稍微展开一下钠钾泵在神经生理学上的重要意义和相关研究历史。1950年前后，英国神经生理学家Alan Hodgkin与Andrew Huxley（赫胥黎孙子）在对枪乌贼的巨轴突的一系列研究中共同建立了动作电位的Hodgkin-Huxley数学模型。HH模型描述了神经元如何建立并传导动作电位。他们发现，动作电位时，神经元的细胞膜对钠离子的透过率增加，也就是说，此时钠离子流入了细胞。他们提出，动作电位是由于神经元细胞膜对特殊离子选择性的透过而产生的。二人因此而获得1963年诺贝尔生理学医学奖。
枪乌贼的巨轴突（Squid giant axon）直径可达1.5毫米。略略多介绍一些Alan Hodgkin：他的岳父、病毒学家Francis Peyton Rous是1966年诺贝尔生理学医学奖得主，他的亲堂兄、马克思主义历史学家Thomas Hodgkin娶了一位之前我们提到的女科学家Dorothy Crowfoot，她在1964年获得了诺贝尔化学奖。至于Alan是霍奇金的侄曾孙，那也不必说了。这表明，到1950年代初，科学家们已经建立起动作电位和细胞膜对特定离子透过性之间的关系。那么，自然地，下面就要问：动作电位恢复静息电位的过程中，离子如何逆向运输？1955年，Alan Hodgkin与英国生理学家Richard Keynes（达尔文曾外孙）发现，细胞膜有一种分泌机制可以逆电化学势向外排出钠离子，向内吸收钾离子。由于是逆势而为，那就需要吸收能量。——该ATP上场了吧？1948年，芝加哥大学的 Benjamin Libet 在枪乌贼巨轴突的突鞘中发现了ATP；1954年，芝加哥伊利诺伊大学医学院的 L. G. Abood 和 R. W. Gerard 在大鼠周神经细胞中发现ATP。——也就是说，神经细胞内含有ATP。1956年的Skou也是这么想的：只要证明存在一种酶，它消耗ATP，逆电化学势，主动地输运钠离子、钾离子，而这种有酶活性的蛋白很可能镶嵌在细胞膜上。这里存在一个观念上的绝大挑战——Davson-Danielli 细胞膜模型（1935）认为细胞膜上不可能有蛋白，因为蛋白会破坏细胞膜的稳定性。
在这种模型下去解释钠、钾离子在一种蛋白的催化下主动跨过细胞膜，是不是很难想像？许多今日的习以为常，乃是惜时揪发锤股啊。1954年，因为没法获得巨乌贼神经细胞，Skou开始在从奥胡斯南部渔场获得的普通滨蟹的神经元上做实验——很简单的实验：打破神经细胞膜，从神经细胞内部测量钠离子浓度，从外部测量钾离子浓度，加一些ATP，测试钠、钾离子浓度改变后的综合效果。1957年，Skou发表了发现钠钾泵的标志性论文，证明有一种ATP酶能主动运输细胞膜两侧的钠钾离子。
Skou, Biochim Biophys Acta. 1957, 23 (2): 394–401.今天看，固然大神 Skou 敏锐地把握了科学界的研究动向，抓住并解决了关键问题，从而荣获诺奖。但是，放诸当时，Skou 的工作不过是顺其自然地解决了一个在生物化学和神经生理学的交汇节点上的问题。当时的奥胡斯大学生物学非常弱，只有一名教授，和包括 Skou 在内的三名博后。大学教职的工资如此之低，以至于Skou不得不兼职行医补贴家用。Skou本人在加入奥胡斯大学时没有经过任何科学训练，因此他谦虚地称自己是神经生理学领域的闯入者（intruder），误打误撞竟然解决了大问题。Skou一辈子践行“躺平哲学”：工作每周8小时，每周5天，所有周末和节假日陪老婆孩子，而4周的暑假与大家庭一起度过。——老爷子说，“I am a family man.” 跟我重复：绝不加班！所以老爷子高寿99岁。
1974年，Boyer提出“结合变构假说” (binding-change hypothesis) 来解释ATP合成酶催化ADP与磷酸合成ATP的过程，推测ATP的合成依赖于由ATP合成酶的 γ 亚基旋转导致的ATP合成酶的构象变化。该假说直到1994年Walker领导的研究组解析出ATP合成酶催化中心的结构才被证明。
ATP合成酶由包埋在细胞膜内的 F0 domain 与暴露在水溶液中的 F1 domain 两部分组成，Walker在1994年获得的是F1的三维分子结构。F1 由 3个α 和3个 β亚基交替组成的六聚体以及位于中心的γ、δ、ε亚基构成。在化学势驱动下，H+ 通过F0的c环流过细胞膜，催动 c 环旋转（100转每秒）。F0的 c 环和F1的 γ 轴相链接，因而跟随 c 环旋转。F1的3组αβ复合物被锁在 a 亚基上，不能旋转，但轮流发生构象变化，合成ATP。
αβ复合物存在3个不同状态，对ATP和ADP具有不同的结合能力：
对生命过程的研究令我深深赞叹细胞生命的奇迹。积年累月的进化琢磨出的美丽、设计与控制，以及人类为了理解生命、地球与宇宙必须去愈发获得的能力，都美好而引人遐想。我坚信，我们当下和未来的关于我们自身的一切和我们的周遭的认识，都取决于科学的工具和方法。我惊讶地发现，1996年诺贝尔化学奖得主Harry Kroto在他的获奖自述中非常好地分享了我的一些看法。他说，“我是一个虔诚的无神论者——其他任何东西对我都没有意义，我必须承认，我对那些面对如此明显的事实仍然相信神秘造物主的人感到困惑。”我想知道，在美国，我们是否会有一天，人造的上帝能从我们的钞票上消失。令人失望的是，科学提供的理解似乎很少渗透到整个社会。自伽利略时代以来，所有过于普遍的态度和方法似乎进展甚微。宗教原教旨主义者成功地反对进化论的教学，并据此谴责教授批判性思维。我们人类有一种非凡的能力：令自己对不悦之事熟视无睹。这不仅适用于神秘主义和宗教信仰，而且也适用于我们对自然环境的长期所作所为。如果我们不能教会孩子们清晰思考所需的技能，他们就会跟从于任何一个穿着闪亮斗篷的巫汉。我们的政治进程和大量的人际交往都受到了破坏，因为许多人还没有学会如何对他们遇到的事情有一个合理的理解。
从上面的回顾，我们可以看到1997年的诺贝化学奖的一半其实是颁给了神经生理学和生物化学（Skou），另一半是生物化学和结构生物学（Boyer & Walker）。得奖时，Boyer与Skou都是80岁的老人，Walker才57岁。此时，距Skou发现钠钾泵整整40年，距Walker发表支持Boyer假说的关键性文章才3年 ——若非如此，Boyer至少还要等一等才能获奖。Skou写过一首小诗回首瞻顾自己的40年科学生涯：进一步有进一步的欢喜，wouldn’t you say？1929 – 德国化学家Karl Lohmann发现ATP
1939 – 1941 德裔美国化学家Fritz Lipmann证明ATP是细胞通用的化学能载体，发现富能磷酸键（1953 Nobel）
1948 – 苏格兰化学家Alexander Todd 化学合成ATP（1957 Nobel）
1957 – 丹麦生物物理学家Jens Skou通过发现钠钾泵（1997 Nobel）
1957 – 美国生物物理学家Robert Post 发现人血红细胞主动输运的钠钾离子比例为3：2
1961 – 英国生物化学家Peter Mitchell提出化学渗透假说 (chemiosmotic hypothesis)解释氧化磷酸化的偶联机理（1978 Nobel）
1960s – 美国生物化学家Efraim Racker从线粒体内分离出ATP合成酶 (FoF1-ATPase / ATP synthase)
1972 – 英国生物化学家Alan Senior纯化出F1-ATPase
1972 –美国生物化学家Harvey Penefsky 证明F1-ATPase含有α、β、γ、δ、ε 共5种亚基
1973 – 美国生物化学家Paul Boyer提出解释ATP合成酶工作机理的“结合变构假说”（1997 Nobel）
1994 – 英国化学家John Walker 解析出F1-ATPase（ATP合成酶催化中心）的晶体结构（1997 Nobel）
Skou, The identification of the sodium-potassium pumpBoyer, Energy, Life and ATPWalker, ATP synthesis by rotary catalysisThe history of neuroscience in autobiography
“小王随笔” @xiaowang_essay 是小王的个人号，内容不垂直，目标不明确。本号的宗旨截取自小王的本科和博士母校的校训：理实交融，益智厚生。大多时间，这是一个关于科学科普和读书的公众号。原因无他，小王，书生耳。由于小王的专业背景，本号的内容主要是：科学、科学史、科幻文学、工业党等，特别地，劝退专业化学、生物方面的可能会多一点。鉴于小王的价值观：“天不生教员，万古长如夜”，viva la commune，也可能会随性地写一些激昂文字。因为小王出生成长于东部地区的一个世俗而传统的老回回家族，本号也会关注历史、社会学、民族史、民族学等。干货私货皆有，凭君自取。