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生命科学世纪里的 物理学 冼鼎昌 中科院 高能所 2002. 11. 21 清华大学. 二十世纪发展最迅速的两门学科 物理学（前 50 年） 相对论（高速） 量子论（微观） 量子力学 宇宙论*（宇观） 生命科学（后 50 年） 遗传物质的证实 遗传密码 建立在分子水平上的生命科学. 在过去一个世纪里，物理学家是生物学家坚定的盟友 物理学的进展极大地推动了生物学的进展 光：从可见光（显微镜）到 X 光. 光：在希伯来传说 《 创世记 》 中光是世界上首先被创造出来的。 人造光源的四次革命性的进展：
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生命科学世纪里的 物理学 冼鼎昌 中科院 高能所 2002. 11. 21 清华大学
二十世纪发展最迅速的两门学科 物理学（前50年） 相对论（高速） 量子论（微观） 量子力学 宇宙论*（宇观） 生命科学（后50年） 遗传物质的证实 遗传密码 建立在分子水平上的生命科学
在过去一个世纪里，物理学家是生物学家坚定的盟友在过去一个世纪里，物理学家是生物学家坚定的盟友 物理学的进展极大地推动了生物学的进展 光：从可见光（显微镜）到X光
光：在希伯来传说《创世记》中光是世界上首先被创造出来的。光：在希伯来传说《创世记》中光是世界上首先被创造出来的。 人造光源的四次革命性的进展： 1 电光源 （1878 爱迪生） 2 X 光 （1895 伦琴） 3 激光（1960） 4 同步辐射光源（1970‘）
1913 Bragg 方法，开始用此方法作晶体学研究 1914 Bragg 用 Laue 花样研究卤化碱晶体
生命基本功能分子 遗传物质 生物体中四种主要大分子 蛋白质 核酸 多糖 类脂 能源 …… 能源 ……
1934 Bernal 及 Crowfoot 用衍射方法证 明蛋白质如同晶体一样，有确定的 三维空间结构 Bragg 及 Perutz 开始研究血红 蛋白结构
生命活动的分子基础：蛋白质 蛋白质是由氨基酸构成的，一共有20种氨基酸。
二十种氨基酸 氨基酸 简写 氨基酸 简写 甘氨酸（Glycine ） Gly 色氨酸（Tryptophane) Trp 丙氨酸（Alanine） Ala 赖氨酸（Lysine） Lys 几氨酸（Valine） Val 精氨酸(Arginine） Arg 亮氨酸（Leucine） Leu 组氨酸（Histidine） His 异亮氨酸（Isolesine） Ile 天冬氨酸（Aspartic acid） Asp 脯氨酸（Proline） Pro 谷氨酸（Glutamic acid） Glu 丝氨酸（Serine） Ser 天冬酰氨（Asparagine） Asn 苏氨酸（Threonine） Thr 谷氨酸胺（Glutamine） Aln 苯丙氨酸(Phenylalanine) Phe 半胱氨酸（Cystine） Cys 酪氨酸（Tyrosine） Tyr 甲硫氨酸（Methionine） Met
蛋白质是由20种小分子（氨基酸） 连接而成的生物大分子
不同氨基酸连接而成的蛋白质 具有不同的形状（空间结构）
Niels Bohr (1885—1962) “Light and Life” (1933 Nature) 互补原理用于生命现象的研究 物理分析（细分） 生物学现象（自我维持、自我繁殖） 互补性关系 承认“生命的存在”为研究前提 1965 “Light and Life Revisit”
光子 光子 Delbrück Scattering 光子 +光子 光子 +光子 光子 光子 Max Delbrück （1906 —1981） 生命集团 基因分子(Genmolekul) 开创噬菌体（pharge) 研究生命基本属性： 复制、繁殖
噬菌体实验证明： 1946 噬菌体与其他生物体在遗传上的一致性 1952 噬菌体的遗传物质是 DNA 分子生物学之父 信息学派创立人
Erwin Schrödinger (1887—1961) 1943：What is Life? 遗传物质是一种有机分子 染色体中基因的活动决定遗传 遗传密码传递遗传性状的假说 非周期性晶体 负熵维持生命的概念 量子跃迁式的突变 在宏观和微观尺度上物理学基本定律适用
1953 Crick 及 Watson证明 DNA 的双螺旋结构 结构生物学建立
DNA双螺旋的每条链由四种小分子（碱基）连接而成DNA双螺旋的每条链由四种小分子（碱基）连接而成 G （鸟嘌呤） 、C （胞嘧啶） 、T （胸腺嘧啶） 、A（ 腺嘌呤） G—C、 A—T
G. Gammow 1955：Information Transfer in the Living Cell 遗传密码只能在侧团上 1 基因 ——1 酶蛋白 4硷基 ——20氨基酸 如果 singlet，只有四个密码子，不够。 如果 doublet，只有4 2 = 16 个密码子，不够。 如果 triplet，有 4 3 = 64 个密码子，多了！ 1954 Gamow：triplet , 简并 1959 Crick 支持 triplet 简并说，后以实验证实。
基因就是含有遗传密码的一段DNA 序列 基因 起始位置 结束位置
从基因制造蛋白质的过程： （1） 解读基因的语言（信使RNA）
蛋白质的合成 1 DNA 双螺线体 2 遗传密码转录到 mRNA上 3 mRNA 在核糖体上附着，开始蛋白质的合成
从基因制造蛋白质的过程： （2）根据遗传密码决定蛋白质序列（传递RNA）
蛋白质是由20种氨基酸头尾相接构成的长链 它必须卷曲、折叠成为一定的构形才能够有活力
不同氨基酸连接而成的蛋白质 具有不同的形状（空间结构）
在生物体中的蛋白质，具有确定的三维结构，执行确定的功能在生物体中的蛋白质，具有确定的三维结构，执行确定的功能
不同结构的蛋白质负责不同的生命活动 酶 血红蛋白 运动蛋白
DNA （遗传密码） mRNA（解读） tRNA（蛋白质合成） 蛋白质（结构—功能） 生命活动
传递遗传信息的“中心法则” 信息 DNA mRNA 解读 蛋白质 产品 生命活动 用途
美国能源部（DOE）和国家卫生组织（NIH）启动15年人类基因组计划美国能源部（DOE）和国家卫生组织（NIH）启动15年人类基因组计划 Hunman Genome Project (HGP) 1990. 10.1 2005.9.30 经费30亿美圆， 英、日、德、法随后参加，形成5国国际合作 1997年7月，中国参加人类基因组项目国际合作。
人的细胞内所有染色体 人类“基因组”（10万条基因） 30 亿对碱基
“人类基因组计划”就是要测出30 亿对碱基的排列方式
1990 10月，美国能源部（DOE）和国家卫生组织（NIH）启动15年人类基 因组计 划，英、日、德、法陆续参加，形成5国国际合作。1990 10月，美国能源部（DOE）和国家卫生组织（NIH）启动15年人类基 因组计 划，英、日、德、法陆续参加，形成5国国际合作。 1997 7月，中国参加人类基因组项目国际合作。 1998 5月，大产业（Celera Genomics）加入，非赢利 vs 赢利的竞争。 2000 6月26日，6国与 Celera 同时宣布 HGP 工作框架图构建完毕。
2001年 2月《Science》及《Nature》同时宣布人类基因组学测序基本完成。 生物学进入“后人类基因组时代”
进入“后人类基因组时代”之后的发展方向是什么？进入“后人类基因组时代”之后的发展方向是什么？
1998年美国国立卫生机构（National Institute of Health, NIH）的拨款组织国家普通医学科学组织（National Institute of General Medical Sciences, NIGM s ）在 ANL 召开了两次讨论会， 2005年HGP将完成 提出结构基因组学方向
人类基因组：密码序列 蛋白质的氨基酸序列 蛋白质功能 蛋白质结构 了解生命的功能 了解人类基因组全部蛋白产物的结构 HGP：30亿（3B）个基序列 10万个蛋白质的编码 功能研究需要知道结构
结构基因组计划 (Structural Genomic Project) 蛋白质三维结构的确定 蛋白质按基因序列的分族 每族中有代表性的蛋白的三维结构的定出 检验“基因序列决定蛋白结构”的观念，预言新的结构 蛋白—蛋白相互作用 深入理解功能 —结构的关系，有关键功能的结构与无关大要的结构 将所得知识用于药物开发、疾病治疗、医疗诊断、基因工程 10年中定出 十万 个蛋白结构！
当前生命科学及医药科学的发展要求测定空前大量的生物 大分子三维结构当前生命科学及医药科学的发展要求测定空前大量的生物 大分子三维结构 HGP 测序 一维分析 结构 三维分析 动态 四维分析 更加艰巨的历程！
生命科学发展史表明： 物理学进展带来巨大的突破 X光衍射：Laue (1912)，Bernal、Perutz – Bragg (1930’) 同步辐射X光衍射（高亮度）：1980年第一条束线 多波长反常衍射方法（ MAD ）确定相位 探测器的发展：成像板、CCD 核磁共振谱学应用：1985
什么是同步辐射？ 同步辐射 = 以接近光速运动的荷电粒子在改变运动方向时放 出的电磁辐射 实用上是使用在储存环中的电子或正电子放出的同步辐射。 1947 在 GE 公司的 Schenectady 实验室里发现了同步辐射 长期中它被认为是一种妨碍得到高能量粒子的祸害，直到六十年代其用处才被人们认识，从此开展了同步辐射应用的时代。
