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2005世界物理年科普系列报告会
——“物理学和生命科学”报告

中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所 冼鼎昌先生

三、冼鼎昌先生作题为“物理学和生命科学”的
  科普报告 4.分子结构生物学的建立

  我的故事讲了蛋白质的结构和DNA,这是同一年的诺贝尔奖。这两个结构的出来,宣告了分子结构生物学的建立,宣告了生命科学的重要领域的开展。马上要回答的问题是遗传密码怎么反映在这个结构上的,是由结构营造出来的,请告诉我什么是遗传密码,所有的结构、所有的分子都知道了,遗传密码在哪儿?回答这个问题的是一个物理学家,也是量子力学的一个非常重要的人物,他也是一个很好的天体物理学家,我们现在很多的理论基本上是他的版本,叫做加莫夫,他回答了就在该踏板的序列上。你要制造出一个生物来,你一定制造出来一个构造生命的蛋白质,这个密码是一个指令,这个指令告诉它怎样构造新的蛋白质,而且既然有上一代的,不是乱造的,是按照指令来构造的。因为它只有四种踏板,踏板的序列假如一个只有一组的话,只能有四种指令,两个一组就要有16个指令,三个一组就多了,但是没关系,好几个就相当于一个氨基酸,在遗传里三个一组,每一组就告诉新的蛋白质制造的时候,按照这个序列,托造某一个氨基酸,第二个指令,20个氨基酸的第10种,一个一个来把它装成了一条链子,他回答了这个问题,一开始大家还很有怀疑,克里克通过实验证实了他是对的。
  现在清楚了,这个梯子不要扭曲了,还是把它拉平了,什么叫基因?基因就是含有遗传密码的那一段DNA,DNA可以很长,最长可以长到一米长,里面有很多踏板,现在每三个踏板就是一个密码,一些是有意义的,有一些是没有意义的,而且很有意思,基因有一个开始的位置,有一个结束的位置,生命科学家,生物科学家研究的很清楚,三个一组,三个一组,这一段是密码,它就是基因,后头还有,可以有很多很多基因。
  生命一个最要紧的东西,也是开始的地方,就是繁殖,从一个旧的生命体产生一个新的生命体。
  在显微镜下早就观察到细胞分裂的现象。细胞分裂的时候细胞核也分裂。细胞核里有染色体,是黑的,既然遗传物质DNA是存在于染色体里,在细胞核分裂的时候,DNA也要成倍地增殖,是怎样从1变成2,从2变成4的,这是显微镜下早就发现的。知道DNA结构之后,生物学家花了相当多的工夫,很顺理成章地回答了这个问题。细胞核里合成DNA的组元和装配工,叫做DNA酶,有砖头、木块,同时有装配工。分裂的时候DNA两条链打开,知道这一条链就知道另一条链,因为是配对的,就像知道镜子里的人,就知道镜子里的人怎么左右对调。在核的物质里,每一块组元找一个它的好朋友,C找G,A找T。装配工把这些组元装起来,而且拉起来,于是一根DNA经过找朋友,而且经过装配工的努力,变成两条。两条再分开,两条红的,两根黑的,也用同样的办法找配对的组元,而且由装配工装起来,于是两根就变成四根,四根就变成八根了,繁殖过程就是这样的。
  繁殖意味着蛋白质不断的制造,要知道蛋白质是怎样受到基因密码的控制制造出来的。这是非常好玩的事情,我很想把它变成一个电影,就是动画片。这是一段基因,现在我要讲的一点,就是DNA坐在皇宫里,不许出去,皇宫就是细胞核。它要溜出去,DNA出不去,所以要制造蛋白质必须跑出去,大自然给我们一个非常巧妙的办法,DNA不能出去,可是RNA可以跑出去。到繁殖的时候双链打开了,本来拉着手,现在手松了,于是就打开了。打开以后,G在核子里找了一个C,T找了一个A,A和U配对,C找了一个G,G又找了一个C,A又找了一个U,T又找了一个A,装配工就是化学上的RNA酶,把这些组元弄成了一条链子。这个链子的名称叫做信使RNA,所以把所有的遗传密码信息都读出来了,而且不是双链的,是单链的,它非常自由,可以从皇宫里钻出去,有很多所谓膜孔,跑出去到了细胞质里,跑到一个能给它能源的地方,就是核糖体,躺在这上面。细胞浆里也有很多氨基酸,把这些氨基酸按照这样的密码拖过来,这个时候就要靠另外一个搬运工了,这个搬运工也是一个RNA,有20种氨基酸,三联密码,三个一联对应于第一个氨基酸,另三个对应第二种氨基酸。谁想出来三个可以对一个?就是物理学家想出来的,在量子力学里叫做兼并。搞生物学的人可能讲不出兼并,量子力学的人整天在搞兼并。所有这些密码都在信使RNA里,就需要有一个搬运工能够读出这个东西,而且读出GAA的密码,拉一个谷氨基酸,搬运工叫做TRNA,像一个刷子一样,信使RNA的密码三个一组,三个一组,已经带出来了,而且信使RNA躺在核糖体上。细胞浆里有很多氨基酸,现在搬运工来了,前面有很多搬运工,每个搬运工前头带着三个牌子,三种“踏板”。按照配对的办法,C对G,G找C,U找到A,搬运工是专门拉第十种氨基酸的,而另外一个氨基酸挂了三个牌子,拉的是第八种氨基酸,而且这三个是配对的,G和C、G和C、A和U配对,按照这个序列,搬运工按这个系列排起来,装配工把这个东西装配起来,于是一个链就装配出来了,而且这根链是按照密码的指令装配出来。生命是不是很有意思?而且不知道它的结构,是无法知道这些细节的。
  有了序列,还不是有功能的蛋白。搬运工不断的把从1到20,按照指令,通过搬运工的牌子和配对把它接过来,而且由装配工装起来。蛋白质已经按照遗传密码装配成长链,长链必须要卷曲,必须要折叠,成为一定的构形才能够有活力。这个事情到现在还没有搞清楚是怎么来的,我估计再有50年也许会清楚,在座的各位谁幸运地解决一两个问题,能够得到巨大的荣誉,希望如此。
  β-折叠,有些链子是无规卷曲,转角,有人从理论上解决这个东西,理论生物学,有人在实验里做,毕竟经过各个方面的努力,化学家、生物学家、物理学家、计算学家等等大家的努力,才能把这个事情解决。一根链子必须弄成不同结构的蛋白质,负责不同的生命活动。假如这根链子某个地方的结构出了小小的差错,人类就要产生灾难,比如说血红蛋白,红血球里主要是血红蛋白。假如有一些蛋白结构里有一点点错,也许就会出现贫血症,很难治的地中海贫血,甚至现在研究出来老年痴呆也是因为某个蛋白里的结构本身是一个晶体,在晶体里有一种现象叫做位错,就是错了位,有了位错于是就产生这个病。研究这个事对人类的健康有极大的影响。
  研究了这是一个什么链子比较容易。它怎样弯曲起来,怎样折叠起来,研究蛋白质的结构,是当代生命科学的十分重要的前沿,世界上都往这个地方攻,研究结构和功能的关系,从实验室的研究到人类要了解我们本身,对认识的深化是非常重大的进步。
  这是一个非常艰巨的研究,美国计划在二十一世纪头10年定出一万种蛋白质结构。别以为一万种很少,在上个世纪,也就是不到一百年前出一个现在看起来非常简单的血红蛋白用23年,假如是这个速度定出一万种蛋白,需要多少年才能够测出来?