各位听众，各位领导，今天非常高兴能到上海科技馆做这个科普报告。今年是国际化学年，生物化学跟分子生物是化学的延伸，我想借此机会介绍一下生物化学与分子生物学基本的情况。

说起生物学就是动物、植物、微生物，这些都是属于宏观生物学，因为都看得见，外面的树、河里的鱼、微生物都可以看得见。生物化学是生物学的分支学科，是研究生命物质的化学组成、结构及生命活动过程中各种化学变化的基础生命科学。分子生物学是在分子水平上研究生命现象的科学，通过研究生物分子的结构、功能和生物合成等方面来阐明生命现象的本质。

科学研究是推动生物化学和分子生物学发展的动力，从1901年以来自然科学领域的诺贝尔奖大概有550名左右，其中有200位诺奖得者涉及到生物化学和分子生物学，这里面有很多是拿了诺贝尔化学奖，有的拿是生理分子奖。重要的生物大分子是蛋白质、核酸和脂质，这里我主要讲一下蛋白质和核酸。

蛋白质在1838年MulderGJ发现了蛋白质，1864年ErnstwFH第一次制备成蛋白晶体。现在中学生的关于生物化学和分子生物学的知识比100年前最杰出的科学家都多，因为这些知识来自于众多科学家终生的努力的研究结果。人类对蛋白质的认识已经有近200年的历史，但是现在还有很多谜。2006年蛋白质科学研究被列为我国基础研究中长期规划中的重大项目。

蛋白质是细胞的主要组成部分，构成和修补身体组织，占人体重的16.3%，干重的42%-45%。比如肌肉、皮肤、头发、骨骼等都有蛋白质。蛋白质能构成生物活性物质，像酶、激素、抗体、调控因子等活性物质。蛋白质还能够调节人体的渗透压，蛋白质能够供给能量。如果生物体的蛋白质异常，就会产生生物体的异常，很多生物体生病了，包括人生病了，都是蛋白质产生了异常，所以引起了疾病。

从历史来说，1902年Fischer证明了蛋白质是肽，把蛋白质分解以后发现有20种氨基酸，蓝色的是碱基，红色的是羧基，绿色的这块是可以变化的。氨基酸和氨基酸之间通过肽链，肽链和肽链的连形成了多肽。自然界当中是很神奇的，7个音符通过不同的组合可以形成不同的音乐。氨基酸也是一样，通过不同的组合，也可以得到千千万万种蛋白质，来生成各种生物体。蛋白质有20种氨基酸按一定的顺利由肽链连接起来。

1951年Sanger首次分析了胰岛素的氨基酸序列，连接方式，不同来源的胰岛素的序列差异。中科院上海生化所的科学家们就提出合成牛胰岛素。A链由有机所合成的，B链是生化所合成的，这条链之间的拆合、借口的位置是非常重要的，由生化所做的。从1958年开始做，到1965年合成牛胰岛素，这是我们过程唯一可以得诺贝尔奖的项目。1966年诺贝尔委员会将近委员会主席来到中国访问说，你们第一次合成牛胰岛素非常令人兴奋，向你们祝贺。由于文化大革命没有得诺贝尔奖，但是确实是在国际领先的科研项目。

氨基酸的序列决定了这是非常重要的。1962年有两位英国剑桥大学的教授，把两个很大的蛋白结晶，通过X光晶体衍射拿到了结晶，蛋白质结晶是非常漂亮的，我们仔细的看中间的肽链，经过非常大量的工作，把血红蛋白和青红蛋白结构解出来了。浦东有一个同步辐射光源，为上海和全国蛋白质科学研究提供更好的工具，因为可解蛋白质的高级结构跟它的功能是密切相关的。

酶是生物催化剂。催化剂如果完全是化学小分子物质，会带来污染。而生物催化剂大部分都是蛋白质，所以一般不会产生污染。酶是生物催化剂，加入催化剂可以使化学反应非常快。第一个发现酶是蛋白质的是美国卡梅尔大学的，他是一个将军，一只胳膊没有了，但是还是坚持做研究。他把尿酶提出来，可以把尿分解成氮气和二氧化碳。合成第一个结晶的尿酶，同时他也碰到一个对立面，德国一个诺贝尔奖得主，他认为酶是吸附在蛋白质上的小分子物质，他为了证明这一点，跟这位将军一直在争论，并且他用实验证明他是正确的。后来另外一个美国科学家John也得到了一系列的蛋白水解酶结晶，还有一个人结晶了病毒。所以将军得到尿酶结晶20年后才得到了化学奖。

现在随着科学的发展，也发现一些是核酸，生物体当中有几千种酶催化的各种反应维持生命的正常运转，比如我们吃的食物，有胃蛋白酶，有胰蛋白酶等等，最后让它变成身体的能量，供给我们运动、思考等等。所以酶在人体当中起的作用是非常大的。

另外再讲一下基因，为什么子女像父母？这是生物学当中非常重要的一件事。这里面有非常多的过程，我就讲一下基因是由什么组成的，如何将它的形状赋予携带它的有机体，它的生命载体是什么，细胞分裂当中怎么能够忠实的自我复制，这些事情都是非常奥妙的。

开始研究基因的还是物理学家，他们都在提生命是什么，基因应该是遗传信息的携带者。因为他是搞物理的，很快想到里面有摩斯密码，这种符号是由一些密码决定了基因到底是怎么回事。提到基因一定要讲核酸，核酸是另外一类重要的生物大分子，它含磷是非常丰富的。

这是嘌呤碱基，一个是嘧呤碱基，中间的是五碳糖，这边是磷酸。（图）链键是连蛋白质的，磷酸二脂键是连核酸的。我们发现有两类不同的核酸，一种叫RNA，一种叫DNA。脱氧核酸是DNA，RNA在细胞值上，DNA在细胞核上，或者染色体上。RNA是核糖，DNA是脱氧核糖。这里有AG，有CT，对于RNA来说T就变成了U，除了五碳糖是核酸以外碱基也有变化。它的功能也有很大的差异。DNA有两种功能，有复制功能，还有遗传信息的表达功能。1953年发现了DNA双螺旋，也是剑桥大学的沃森和克里克做的，他们得到了诺贝尔生理和医学奖。沃森写了本《双螺旋-发现DNA结构的故事》。

有两组逆向排列的DNA链组成DNA，它的序列是可以任意的，但是A和T一定要配对，G和C也是要配对的，就是大的碱基和小的碱基要配在一起。如果按照一条链来复制，就可以完全复制成另外一条链，就是有复制的功能的。这个文章是1953年发表在《Nature》上的。

DNA结构的遗传学意义是什么呢？它可以自我复制，就是因为AG和CT是互相配对的，根据DNA的模板可以复制出完全相同的DNA分子，所以碱基顺序就是携带遗传信息的密码。DNA双螺旋的发现导致了生活学的两次革命，一次是分子生物学的革命，一个是基因组学的革命。

RNA有什么作用呢？RNA在蛋白质合成过程中起了非常重要的作用，因为它的碱基互补，T、A互补，C、G互补，如果加进去的是核酸，而不是脱氧核苷酸，会合成另外一条链，就是RNA。这样就可以根据基因来复制另外一条RNA。这也是法国的科学家发现的，也诺贝尔奖得主。碱基是四种，A、C、T、G，盐基酸有20种，它是怎么样从基因变成蛋白质的呢？他就排列组合了，不可能一个碱基对应一个氨基酸，如果是两个碱基排列组合也是不可能的，因为还不够，只有三个碱基合在一起才能生成一个密码，这样就可以有46个密码子，来编码氨基酸。后来又有两个科学家也是拿了1968年的诺贝尔生理医学奖，把64个基因密码全部破译了，到底哪三个碱基在一起可以编码一个氨基酸，这样我们对基因和蛋白质之间的联系就清楚了。

因为蛋白质和核酸是两种分子，这两个分子是怎么连接起来的，中间必须有接头。就是通过一个转移核糖核酸。TRA的特点是一头可以接氨基酸，另外一头有分密码子，正好与RNA上的密码子相配，通过这样的接头，分子把氨基酸和核苷酸配在一起，就是把核酸和蛋白质结合在一起。我们现在应该有一个初步的概念，就是中心法则是DNA，DNA可以通过复制的办法得到性史核酸，又通过TRA的接导产生蛋白质，从RNA变成蛋白质，这一步就是把核酸的语言变成蛋白质的语言，我们叫翻译。从DNA到蛋白质的这条路是可以通的，但是反过来是不可以的。

基因和蛋白质之间的联系我们知道了，但是合成蛋白质的机器是什么呢？是核糖体，我们研究的是怎么样提供蛋白质合成的原料，而核糖体是合成蛋白质的机器。里面首先要有MRA的模板，是DNA通过转入得到的，完全携带DNA分子上所有的遗传信息。这个事在2009年得了诺贝尔化学奖，是一个以色列的女科学家做了20年。核糖体里面有三分之一是蛋白质，三分之二是RNA。通过这个工作能够把遗传信息变成蛋白质，最后体现在我们的鼻子，大概就长这么高，不会再长上去了，就决定了很多蛋白质的生成。

我们来看PPT，这是一个卡通（图），这个就是核糖体，这个是MRA，有一个反密码子和MRA的密码子反应，最后一个个的生成蛋白质。我们人体当中每分每秒都在生成蛋白质。

到底DNA的序列是怎么样的，怎么做？英国剑桥大学Sanger建立了DNA序列测定方法，他一个人得了两次诺贝尔奖。现在测定和知道DNA的序列已经成为非常方便的事了，人类的全基因组都解出来了，大概有5万个基因。还发现了一系列的作用DNA的酶，有DNA聚合酶，可以催化按DNA其中任何一条链合成另外一条链的反应。还发现了很多限制性内切酶，这些内切酶像剪刀一样，可以把DNA链剪开。还发现了DNA连接酶，可以把DNA链条连接起来。我们可以把DNA拿到以后，转到大肠杆菌里面去，这样可以通过大肠杆菌的蛋白质合成体系，来产生我们需要的蛋白质。

这里我要特别讲一下链式聚合反应，因为你的DNA两条链是一样的，如果拿DNA聚合，在高温下可以一个循环、一个循环的做下去。开始尽管知道一点点微量的基因，但是通过链式聚合反应，通过PCR反应可以扩增。即使化学当中只有一点点DNA，都可以通过链式聚合反应进行扩增。所以如果一个罪犯有一滴血流下来了，科学家可以通过PCR反应，把你的全基因组拿到，把犯罪揪出来，这是非常奥秘的。

现在已经深入到我们的生活当中了，比如不消化，买点多酶片吃，它可以使食物很快的水解，变成营养物质。生物医药、许多遗传疾病机理的治疗，还有一些药物，环境的保护等。现在已经解析了各种生物体的基因组，研究具有重要功能的蛋白质或基因，寻找药物设计的新靶点，设计新药。包括刚才吕博士讲的农药也可以通过基因的办法设计一些新药。

这里举一个例子，胰岛素，它是医疗糖尿病的。现在用基因克隆的办法，把胰岛素的基因拿到，把它克隆到一个载体上，就是要进到细胞里面，进到大肠杆菌里面。把胰岛素的基因接在另外一个可以进入细胞的指令里面，通过大肠杆菌，大肠杆菌20分钟一代，可以很快的产生胰岛素，我们就不用杀很多牛就可以得到胰岛素了。

又比如说人的生长因素，人生长因子，可以使小孩子长高，如果把人杀了以后提因子是不可能的事。我们现在可以把人生长基因拿到，把他的基因转到大肠杆菌里面去，由大肠杆菌生产人的生长因子，有很多孩子长不高就是因为身体里面缺少这种因子，如果在一定时间内给他用这种人的生长因子，他就可以长的高一点。

与疾病相关的特定蛋白质的寻找，我们可以通过基因的办法来寻找，比如正常人的基因是一个图谱，有了遗传病，你的基因当中可能有一个突变，本来这个地方应该是C的，现在变成了D，最后当然会产生疾病。很多疾病都是因为基因上面一个碱基的突变，而导致产生蛋白质的某个氨基酸不对了，然后就生病了。你有没有在遗传上可能得这种疾病，可以通过基因的检测预测。

我们国家现在做遗传疾病家族基因做的很好，有些短指的、耳聋的，有些是基因突变的，在一定程度可能会发现出来。因为我们中国人群，尤其是边缘的人群流动不是很大，很容易把家系里面的基因突变找出来。不像外国人找一个家系遗传病很难，而我们国家有这个优势，可能一个边远山区都有这个病，你能把这个突变找出来，它和这个疾病的关系就非常清楚了。虽然我们现在可能还做不到改变基因，但我相信，未来通过基因治疗，如果你的基因发生了问题，我可以把正常的基因导到你的身体里面去，让你变成像正常人一样。所以基因治疗是我们非常希望能够做到的，但是现在还是比较远。

转基因植物超过4500种，其中已批准商业化种植的接近90种，目前常见的转基因食品有玉米、大豆、西红柿、油菜、花卉等，有很多可以改善作物的品质。科学研究使人们对客观世界的认知由未知到已知，趋于正确。科学研究推动生物化学和分子生物学的发展，最终为人类服务。我们的知识是由无数科学家的终生努力获得的，只有扎实的工作，探求科学真理，才能有所发现，有所创造。科学是循序渐进的，知识是积累的，个人的贡献只是在某一点上的。科学研究的成果推动社会的进步，逐步改进和提高人类的生活质量。我们科学研究最终的目的还是要为人类服务。我就讲这些，谢谢大家！