你觉得照片里这些五光十色，形态各异的晶体都是什么东西凝聚而成的？碳、水、氯化钠、硫酸铵？或者绕嘴点的，比如二甲砷酸钠、酒石酸钾钠？又或者更大一点的，蔗糖、乳糖、葡萄糖？

如果你想到这些答案并不奇怪。谈到晶体，人们的印象中大多还是中学化学课本的内容：似乎晶体只能是离子、原子、小分子堆积而成的。然而，照片里展示的这些晶体都是如假包换的蛋白质晶体。构成它们的蛋白质分子是葡萄糖分子的几百甚至上千倍！

这位看官说了：为啥要用叹号哩？那是因为，要让蛋白质堆积成晶体，着实是件不易的事情。

家家厨房里都有盐、有糖、有味精，已婚童鞋的手饰盒里应该还有钻石。这些都是晶体，而且是肉眼可见的晶体。可是，蛋白质晶体的大小几乎不会超过0.1毫米，也就是人眼分辨率的极限。在眼神最好的人看来，最大的蛋白质晶体也就是一个堪堪可见的小点。大多数蛋白质晶体其实只有0.01毫米甚至0.001毫米大小，需要借助显微镜来观察。

为什么蛋白质晶体长不大呢？就是因为蛋白质本身太“大”了！我们知道，粗略来说，氧的原子量是16，氢是1，所以水（H₂O）的分子量是18。大一点的，葡萄糖（C₆H₁₂O₆）的分子量是180。而蛋白质是由成百上千的碳、氮、氧、氢、硫所构成的，分子量要以“千”计，通常在10千到100千左右。假如说葡萄糖是一粒沙子，那么蛋白质就是河滩上的鹅卵石！

假如把沙子堆在一起，它们可以堆积得很紧密，几乎没有空隙，彼此有着丰富的接触面。相反，把鹅卵石堆在一起，它们中间肯定会有不少空隙，接触面也很少。要知道，维系晶体稳定的力量正是在这些接触面上的相互作用力。所以小分子更容易彼此堆积在一起，形成稳固的晶体，而要让蛋白质大分子凝聚在一起形成晶体就很难了。

既然这么难，为什么还要想尽办法让蛋白质形成晶体呢？当然不会只是为了拍摄这些美丽的照片。实际上，让蛋白质结晶是探索蛋白质三维结构的第一步。如果说蛋白质是块鹅卵石，那么科学家所关注的不仅仅是这块石头的外形，更希望知道它的内在结构，也就是构成蛋白质的每一个原子在蛋白质中所处的空间位置。

为啥不用显微镜看呢？答案很简单：因为看不见。我们说蛋白质是“一个”分子。这意味着，蛋白质中的原子之间以共价键彼此相连，原子之间的最小距离略大于0.1纳米。而可见光的波长均在几百纳米左右，比整个蛋白质分子还大。通俗地说，可见光的波动可以绕过蛋白质分子，不受影响。所以用可见光是看不见蛋白质分子的，无论你的显微镜有多牛。

有一种电磁波的波长可以达到0.1纳米，那就是X射线。不过，研究蛋白质这块鹅卵石的内部结构可不像机场安检研究你的箱子那么简单，因为我们找不到一种技术手段可以在0.1纳米这样小的尺度上接收蛋白质在X射线照射下的像。

要解决这个问题，就要用到科学家们千辛万苦得到的蛋白质晶体了。

在晶体中，蛋白质分子规则排列，因而在X射线的照射下会发生衍射，形成一行行一列列的衍射点。这些衍射点是宏观尺度上可见的，可以用探测器测量。有趣的是，衍射其实就是把空间上连续的电子云打散到频域上的过程，数学上是个傅立叶变换。所以，把测量到的衍射点通过反傅立叶变换就能求得晶体空间中的电子云分布，再结合蛋白质已知的化学构成，就能确定每个原子的空间位置了。

研究蛋白质的空间结构不仅满足了科学家们不断深入探究事物本质的好奇心，更让人们对生物问题的认识从分子层次进一步深入到了原子层次。科学家最早研究生命是以种群和个体为单位，后来是器官和组织。虎克用他的显微镜把极限推进到了细胞层次，以及亚细胞层次的细胞器。分子生物学和生物化学的发展让我们认识到生命是以蛋白质、核酸等生物大分子为基础的。而以空间结构为依据，科学家们已经在讨论蛋白质中的某一个原子所发挥的生物学功能了。

其实，晶体加上X射线不是研究蛋白质空间结构的唯一手段。同样常见的还有核磁共振方法，而生物学家的新宠则是冷冻透射电子显微镜。然而这些方法或有一定的限制，或者还不成熟。于是，让蛋白质凝聚成晶体仍是研究其结构的首善之选。

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