在30年代早期，没有人知道蛋白质的特性，甚至不知道蛋白质看上去是怎么样的。然而，蛋白质是推动生命过程的引擎；那些冷冰冰的化学物质正是在这些分子层次上变成了活动的、会呼吸的有机体。发现韦弗所称的“巨大的蛋白质问题”的秘密将是生命科学计划的最重要的一项内容。

然而，如果从实际出发，研究蛋白质是一场恶梦。早期的资料显示，它们是巨大的分子，有时候包括几十万个原子——比鲍林解决过的任何分子结构都要复杂得多。它们很难提纯，而且很易变质。只要用酸或碱稍稍进行加热或者处理，就足以改变一个蛋白质的自然形状并使它丧失活性——就是人们所说的“变性”。如同打蛋的经验显示，稍稍用一把叉子搅拌一个蛋清，有时就足以使它变性。

血红蛋白至少还不至于这样脆弱。从牛或羊的血yè里可以容易地得到大量纯净的血红蛋白。它更大的优势是会结晶，这意味着它具有一种规则的、重复的结构。一种物质只要能够结晶，那么至少就有可能通过x射线衍射来分析它的结构。

血红蛋白还可以被分解开来，一段一段地进行研究。它是一种与别的非蛋白质结合的蛋白质，在此是与一种称为卟啉的环状分子结合在一起。卟啉又与一个铁原子结合在一起，铁原子又与氧结合在一起，这样，血红蛋白就能把氧带到全身各处。当鲍林在1929年访问哈佛时，科南特就向他介绍了一些自己有关卟啉的研究工作，引起了鲍林的兴趣。卟啉之所以引起人们的兴趣，首先是由于它奇特的形状——由许多小环组成的一个大环——然而更重要的是，它存在于大自然的每一个角落，在植物的叶绿素中和氧结合，在许多动物的血红蛋白中也是它与氧结合。卟啉似乎在分子层次上代表了具有生命普遍意义的分子生物学思想：哪里有生命，哪里就有卟啉，它在不同的有机体中扮演了相似的角sè。

卟啉由四个串成环的吡咯组成。吡咯是一个由单键或双键交替键合的原子环，称为“蛋白质与非蛋白质结合”的结构。鲍林在化学键本质的一篇论文中曾经对这一结构的化学性质作过讨论。要研究血红蛋白，吡咯是一个自然的起点。从这里开始，鲍林可以逐级研究更为复杂的结构：四个吡咯结合在一起组成一个卟啉环；一个卟啉环加上一个铁原子组成一个血sè素；每个血sè素和一个球状蛋白质组成一个血红蛋白单位；四个血红蛋白组成一个血红蛋白分子。最终的构造大得令人难以想象：一个包含上万个原子的球体。鲍林很快作出结论，这一构造十分复杂，无法直接用x射线晶体学进行研究，尽管一些受洛克菲勒基金资助的乐观的英国研究人员正打算这样去做。也许他可以把血红蛋白分子分解成其组成部分，弄清楚每一个亚层结构，然后把它们再装配起来。

鲍林开始阅读能够找到的所有关于血红蛋白的资料，包括一篇深入探讨分子是如何与氧结合的论文。这里有一个谜。研究人员发现，氧与血红蛋白中的四个血sè素结合时，它们似乎并非各自为政。结合了第一个氧原子，剩下的三个氧原子就更容易结合，而失去了第一个氧原子，剩下的三个氧原子就更容易失去。血sè素之间似乎进行着某种形式的交流。这可以用来解释血红蛋白是如何在肺中搭载氧，又是如何在身体的其他部分卸载氧的，然而分子间的交流难以用化学理论来解释。

不过，在经过几个星期的思索之后，鲍林想出了一种高明的办法。他设计了一个能够描述前人收集的关于氧原子结合数据的公式，然后对四个血sè素之间的各种空间关系进行了数学分析，最后得出了一种符合结合曲线的方向。他说，四个血sè素最有可能的方向是在一个平面正方形的四个角上。后来证明他的观点是错误的，但是当他在1935年首次提出这一观点时，引起了血sè素研究者中绝大多数医学研究人员和生物化学家的热烈讨论。在这一领域中，他们从未看见过这样的研究方法。显然，一个具有新思路的新天才出现了。

鲍林发表了自己的观点，向韦弗表明他对待新的研究计划是认真严肃的。但是，他在血红蛋白分子其他研究上的进展并不顺利。他试图将新的x射线技巧运用到卟啉上去，但很快就发现这种方法十分复杂，难以在短期内见效。鲍林放弃了努力，告诉韦弗他不是那种能花两年时间来对一种化合物进行详尽的晶体分析的化学家。解决血红蛋白结构的问题最终耗费了20年时间，无数次研磨，无数次x射线照射，并将最终为别人赢得诺贝尔奖。

鲍林一年的洛克菲勒基金就要到期了，所以他再次申请经费进行更基础的研究工作。对于非生物学的研究工作，韦弗难以保证任何洛克菲勒基金的资助，但是他有一个好主意。他建议鲍林利用潜在的洛克菲勒基金的资助作跳板，争取让密立根拿出五千美元左右来进行基础性研究。自己学校的支持加上鲍林近来在血红蛋白研究上的进展可能会说服洛克菲勒基金会的理事们把赞助延长到三年。鲍林听取了韦弗的建议，并添加了自己的一个威胁：如果密立根不答应的话，他就会接受另一所大学的提议。他得到了每年的五千美元。鲍林发电报告诉韦弗这个好消息；韦弗很快回信说，理事会已投票批准将他每年一万美金的资助再延长三年。

在三年时间里，韦弗和鲍林从赞助者和受赞助者发展成了同谋和朋友。

资金来源稳定之后，鲍林就可以自由地尝试用别的方法来研究血红蛋白，并满足一下自己在别的领域的兴趣。1935年，他和自己以前的一位学生，现在的博士后布莱特·威尔逊在经过三年的努力之后，将鲍林波动力学的备课笔记编成了一本教材：《量子力学入门及在化学上的应用》。尽管在出版后头几年的销量并不是非常可观的——量子力学还没有被化学家们接受为必修课程——这本书将具有深远的影响。在30年时间里，这本教材一版再版，使一代又一代的学生了解了新物理学的重要性。

同样在1935年，鲍林在突发的灵感驱动下发表了一篇关于“不规则排列”问题的论文——这一关于水分子的理论解释了冰在绝对零度时的余摘问题。这是一项纯理论的研究，可以追溯到他跟随托尔曼学习的日子。30年后，先进的计算机对这些公式进行了彻底的验算，证明鲍林的理论是正确的。如今这一称为“质子不规则排列”的理论，按照这一领域的一位学生的说法，“是美国对现代水的晶体学的最大贡献。”

然而这些研究只是一些岔道：血红蛋白才是目的地。

鲍林开始发现，生物学几乎和化学同样有趣。在1935年夏天的大部分时间里，鲍林在加州理工学院位于科罗那得马的海洋生物研究所里，从帽贝中提取血蓝素，一种与血红蛋白有亲缘关系的物质，并和阿尔伯特·泰勒，一位加州理工学院的青年生物学教授成了朋友。泰勒正试图找出海胆自体不育的机制。这一研究工作进一步激发了鲍林的兴趣，为什么生命能够识别自己和别人，为什么分子与自身和别人的反应不同。也许这里存在着某种化学联系。鲍林一直在寻找新的思想，把这个问题也归人了大脑。

鲍林回到帕萨迪纳后，想出了研究血红蛋白的新方法——考察其在磁场中的运动。鲍林的推理过程为，当氧和血红蛋白中的铁原子结合时，也许是以一种共价的形式——反应将是特定和相当强烈的——这意味着至少它的一个孤电子将成对，而且其顺磁性——具有一个或更多的孤电子的分子的一种特性——将下降。如果他能够测出顺磁性的变化，他就有可能回答氧是如何与血红蛋白结合的问题。

为了进行其他的研究工作，他先前从海耳的私人实验室里借过一大块水冷式磁铁。1935年秋天，他请查尔斯·科耶尔，一位刚出炉的，jīng力旺盛、干劲十足的加州理工学院博士来进行这项工作。他们设计的实验相当简单：一个装有牛血的小玻璃试管被悬挂在磁铁的两极中，一头用一根线栓在一个敏感的天平上。当磁铁的电源被接通后，顺磁性物质将被吸引至一个方向；天平能够测出磁性变化的程度。

在测试了含氧血、缺氧血以及各种控制手段后，他们发现鲍林的预测是正确的：结合的氧失去的孤电子参与了与铁原子结成的共价键。这就迈出了重要的～步，证明氧并非如一些研究者认为的那样，不分青红皂白地吸附在铁原子上。但是鲍林和科耶尔也发现了血红蛋白分子一些令人惊异的行为。他们的实验显示，血红蛋白中的铁原子在和氧结合的时候，也发生了根本性的变化，它与卟啉的化学键从离子键变成了共价键。鲍林写道：“在增加了氧原子后，血红蛋白分子结构会发生如此极端的变化，令人又惊又喜。如此紧密联系在一起的物质的化学键类型会如此不同，这种现象至今为止只在血红蛋白衍生物中发现过。”

鲍林和科耶尔在1936年发表的这篇论文进一步提高了鲍林的知名度。他们想出了一种巧妙的办法来解决一个古老的问题，并表明物理化学家在生物化学领域同样能够作出有价值的工作。他逐渐被原先专业领域外的科学家所知晓。他进入了一个新的领域，并很快开始征服它。

毛发和兽角

到现在为止，鲍林的工作都是围绕分子的血红素进行的，然而与此同时，鲍林努力思考着分子的其他部分——珠蛋白部分，即蛋白质部分。蛋白质化学还是一个庞大而又支离破碎的领域，鲍林用他惯常的方式开始自学，一面广泛地阅读科学文献，一面寻找着合适的切入点，以便用自己擅长的化学知识来提供深刻的见解。他发现蛋白质是由称为氨基酸的材料构成的。氨基酸的种类相对较少，20种左右，但都具有关键的相同点：每一个氨基酸都具有由三个原子组成的骨架，碳—碳—氮。碳的一头是羧基的一部分，氮的一头是氨基的一部分。各种氨基酸唯一的区别在于与中间碳原子相连的支链。伟大的德国有机化学家埃米尔·费歇尔在20世纪就证明，氨基酸可以通过头尾相连，即把羧基和氨基相连而构成较长的链，费歇尔把这一共价键称为肽键。他将构成的较长的分子称为多肽。到了30年代，尽管并不是每一个人都认为所有蛋白质都包含多肽链，但至少有一部分蛋白质是包含多肽链的。

鲍林觉得费歇尔的理论很合理，他开始用这个理论去认识蛋白质，将其视作由肽键联结的氨基酸所构成的长链。但是如何用这一长链的构造来解释蛋白质的多样性，如何解释蛋白质在肌体中令人眼花缭乱的功能呢？所有蛋白质都是由多肽链的不同排列构成的呢，还是存在着别的基本结构？

和以前一样，结构仍然是鲍林研究的重点。他相信，蛋白质的构造方式决定了它的活性。然而要发现它们的构造却几乎不可能。直接用电子衍射或x射线晶体衍射难以解决蛋白质复杂的构造问题。例如，瑞典科学家西奥多·斯韦德贝里刚刚证明，血红蛋白是一个庞然大物，包含数十万个原子。其他的蛋白质也差不多大小。

不过，仍然有一些实验室试图通过x射线来获得对蛋白质结构的初步认识。最著名的两个实验室都在英国。在利兹，威廉·阿斯特伯里正在tiáo查羊毛和其他纤维蛋白质，如毛发、角质、羽毛和肌肉纤维的分子结构。他的研究成果——出乎许多科学家的意外——清楚地显示出这些蛋白质具有一种规则的重复结构，一种晶体结构。

阿斯特伯里认为，他能够解释羊毛为什么可以被拉长而不会断裂，为什么又能缩回到原来的长度。羊毛同兽角、指甲和人的头发一样，统称为角蛋白。到了30年代初，阿斯特伯里也确信，角蛋白是由环状的多肽链组成的长链。他将其称为“分子毛线”。他的x射线照片显示，当羊毛被拉长时，分子发生了变化。尽管照片很模糊，他难以确定单个原子的位置，但是仍然可以从中推断出，角蛋白被拉伸时——他称其为乙型——多肽环被拉长了，而未被拉伸时的形态，或甲型的多肽环则是折叠在一起的。他的测量还表明，折叠发生在两个方向上，而不是三个方向上——就像在桌面上将甲型中的多肽环折叠成锯齿形状。进一步的研究显示，肌肉纤维具有同样的基本形状。

这是一项重大的进步，对蛋白质的特性作出了分子上的解释。

阿斯特伯里认为，也许这些分子的折叠同样能够用来解释肌肉和染sè体的收缩。他开始将角蛋白视为“所有蛋白质的祖父”，这一基本结构也许可以解释所有其他蛋白质的运动。

但是，他有些高兴得太早了。x射线衍射还不足以用来解决羊毛角蛋白中多肽链的结构，因为每一根链中包含上万个原子。无法jīng确地了解角蛋白的构造，而且将其固定的力量仍然是一个不解之谜。尚无法证明角蛋白是由多肽链组成的——阿斯特伯里的研究工作只是表明有这种可能性。

鲍林对阿斯特伯里的工作进行了仔细的研究。

阿斯特伯里关注的是角蛋白这类纤维蛋白质，而另一组英国科学家关注的是球蛋白的分子结构。这类蛋白质在体yè中会溶解，如血红蛋白、抗体和酶。这里主要的问题是获取良好的晶体。球蛋白并非不能结晶——比如科学家们长期以来就知道，血红蛋白在干燥后会结晶——但是在进行x射线衍射时，它们只能形成一片模糊的图像。这使一些蛋白质化学家推测，球蛋白没有内部结构，只不过是氨基酸随意的聚合，而肌体真正的活性组织——非蛋白质分子，如维生素和荷尔蒙——是自由定位的。

直到1934年，剑桥大学晶体学家约翰·伯纳尔证明了另一种理论。伯纳尔发现，球蛋白就像水母：需要借助yè体环境来保持原来的结构，失水后，结构就会遭到破坏。伯纳尔将其悬浮在yè体中进行x射线衍射，得到了一些实用的图形。到了30年代末期，以他为中心的一个小组致力于揭开球蛋白结构之谜。他和同事们——其中包括多萝西·霍奇金和在维也纳受过培训的青年化学家马克思·佩鲁茨——对一些球蛋白进行了提纯、结晶和x射线衍射分析：胰岛素、血红蛋白和糜蛋白酶。这是在极端艰苦的环境中取得的巨大成就。在佩鲁茨的记忆中，剑桥实验室是“在一幢破旧灰sè大楼底层的几间灯光昏暗的脏屋子”，但是怕纳尔成功地将其变成了“神话中的城堡”。他们发现，他们研究的所有球蛋白都具有规则的结构，而且无一例外地异常复杂——当鲍林看见在剑桥实验室中拍摄的照片时，他的第一个反应是，如果直接用x射线分析这类蛋白质结构是可行的话，那也至少要花费几十年的时间。阿斯特伯里和伯纳尔的研究工作引起了越来越多的人的注意，其中也包括韦弗。他在30年代中期开始资助他们的工作。在洛克菲勒基金的支持下，三个中心开始围绕蛋白质jīng确的结构展开联合科研活动。前两个中心分别由阿斯特伯里和伯纳尔领导。两人都是物理学家，都认为只有通过不厌其烦的、直接的x射线衍射分析才能揭开整个蛋白质的结构之谜。第三个中心在帕萨迪纳，由鲍林领导。他寻求以理论的形式，在对结构化学的深刻认识基础上寻找一条捷径。在1935年，三个中心的不同之处在于，英国科学家从其x射线工作中得到了许多实际数据，而鲍林还没有发表过一篇关于蛋白质结构的论文。

氢键

鲍林很快意识到，要对这些奇怪的巨大蛋白质分子作实验，一定需要借助外界的帮助。

洛克菲勒医学研究所的一个研究小组正好具备鲍林缺乏的这种专长。两位洛克菲勒科学家，阿尔弗雷德·莫斯基和莫蒂默·安森最近所作的实验表明，在某些情况下变性可以被逆转；例如，血红蛋白在受热后会改变形状并丧失携氧的能力，然而如果被小心地冷却，至少一部分分子会恢复原来的形状和特性。结构和功能的这一联系令鲍林眼睛一亮，但是洛克菲勒小组的实验技能更让他心动。鲍林在1935年春天到纽约拜访了莫斯基，两人一见如故。鲍林直截了当地请莫斯基到加州理工学院工作几年，令莫斯基又喜又惊。他结结巴巴地说，这是一个不坏的主意，但是过于突然，所长西蒙·弗莱克斯纳不会答应的。鲍林说，他觉得所长可能会同意。他找到了所长办公室，说服秘书立即安排他和所长会面。他不仅要求弗莱克斯纳同意放莫斯基，还要求洛克菲勒医学研究所支付一切费用。弗莱克斯纳是洛克菲勒基金理事会成员，从韦弗那里对鲍林早有耳闻。他对这位青年科学家的坦率感到好笑，同时对他将化学技巧运用到生物学上感到十分有趣，最终答应了鲍林的要求。

莫斯基在夏天刚开始的时候来到了帕萨迪纳，马上开始对蛋清、肌肉和其他蛋白质的变性过程做了一系列的实验。鲍林让莫斯基负责实验室工作，同时彼此探讨变性的化学含义——弄清楚这一过程对蛋白质的结构造成了哪些实际的影响。莫斯基和安森收集的实验数据表明，变性过程可以分为两个层次，这让鲍林产生了浓厚的兴趣。第一个层次由相对较弱的热量和酸引起，往往是可逆的。而第二个层次，由较高的温度，较强烈的化学环境或是与破坏蛋白质的酶发生的反应所引起，通常是不可逆转的。根据这些数据，鲍林很快地用化学键理论作出了自己的解释。两个层次的变性意味着有两种类型的化学键，第一类涉及到相对较弱的化学键，很容易被打破或重建；第二类涉及到较强的化学键，难以打破，也难以重建。鲍林对打破第二类较强的化学键所需的能量进行了测定，数据表明这一类化学键为共价键；这反过来也验证了蛋白质是由氨基酸与共价的肽键结合而成的长链的观点。第二层的变性基本上将蛋白质撕裂成了碎片。

鲍林对较弱的化学键的研究更富有成果。他很快意识到，打破第一类化学键所需要的能量符合他所知的称为氢键的奇怪的化学键类型。在1935年的时候，鲍林是全美为数不多的理解并认识到氢键重要性的科学家之一。这一理论认为，氢在某种情形下，可以不形成一般的共价键或离子键，为两个原子所共有，在两者之间形成一座桥梁。鲍林认识到这一理论可以运用到他的化学键构想中：一方面，氢原子要靠近一个电负性很强的原子——比如说氧原子，或是氟原子——氢原子的孤电子被吸向这一原子，电荷集中在两个原子之间的区域中，在这一边形成一个小的负电荷。结果，在氢的另一边电子出现的机会较少，形成了一个小的正电荷，这样就与附近带负电的原子或分子形成了静电键——氢键。鲍林早在1928年就撰文讨论过氢键的概念，在1934年自己的共振理论中也融入了这一理论，并在1935年关于冰的摘值的论文中集中运用了这一理论。

现在莫斯基的变性实验使鲍林进一步确信，氢键是蛋白质结构中一个重要的成分。1935年秋天，他们两人根据鲍林的思路初步提出了一种新理论。他们写道：“我们对一个自然的蛋白质分子（表现出一定的特性）的认识如下。分子包含一个多肽链，在整个分子中连续不断（或者在某些情形下，包含两条或更多的多肽链）；这一多肽链被折叠为由氢键键合的唯一的结构。……”换句话说，所有蛋白质都包含氨基酸环，以及可能以阿斯特伯里认为的原始蛋白质角蛋白形式存在的多肽链。强肽键使整个链成为一个整体，但是各部分之间较弱的氢键折叠之后使整个链成为其最终的形状。这最终的形状对蛋白质的功能是至关重要的；分子除非保持这一形状，不然难以完成其功能。稍微受热之后，氢键断裂，整个链条伸长，并像针线盒中松散的纱线那样纠结在一起。然而，只要整个链还是一个整体，在合适的条件下，氢键能够重建，蛋白质也能恢复原先的形状和活性。较强的处理将使链本身断裂，打破肽键，并不可逆转地使蛋白质变性。

1936年7月，这篇名为“论自然、变性和凝结的蛋白质结构”的论文发表在《国家科学院学报》上，很快就被公认为是本领域中一项重要的进展。鲍林对化学键的认识一举对蛋白质变性和蛋白质活性的纷繁复杂的观察数据提出了一个统一的解释。韦弗大喜过望：尽管鲍林的思想最终被接受尚要假以时日，但是他向解决韦弗的“巨大的蛋白质问题”迈进了一大步。

然而，当论文在1936年6月1日到达《国家科学院学报》编辑部后的两天，鲍林的生活经历了一场巨变，原因与蛋白质没有丝毫的联系。