分子生物學(xué)第一章剖析

1、. 第一章 緒論1課程教學(xué)內(nèi)容（1）十九世紀(jì)和二十世紀(jì)生命科學(xué)的回憶（2）分子生物學(xué)的概念（3）二十一世紀(jì)分子生物學(xué)展望 2課程重點(diǎn)、難點(diǎn) 分子生物學(xué)的概念、討論內(nèi)容和進(jìn)展歷史 3課程教學(xué)要求（1）懂得分子生物學(xué)討論的內(nèi)容；（2）把握分子生物學(xué)領(lǐng)域一些具有里程碑意義的大事；一、什么是分子生物學(xué)？分子生物學(xué)：是討論核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子的外形、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其重要性和規(guī)律性 和相互關(guān)系的科學(xué),是人類從分子水平上真正揭示生物世界的秘密,由被動(dòng)地適應(yīng)自然 界主動(dòng)地改造和重組自然界的基礎(chǔ)學(xué)科；創(chuàng)世說與進(jìn)化論.很多年來,人們反復(fù)提出的 3 個(gè)與生命和一切生物學(xué)現(xiàn)象有關(guān)的問題：生命怎樣起源？為什么有其父必有

2、其子？動(dòng)植物個(gè)體怎樣從一個(gè)受精卵發(fā)育而來？.十九世紀(jì)初葉,對(duì)于這些問題只能從宗教或迷信的角度進(jìn)行回答-上帝制造了一切；.1859 年,宏大的英國(guó)生物學(xué)家達(dá)爾文發(fā)表了物種起源一書,確立了進(jìn)化論；細(xì)胞學(xué)說.17 世紀(jì)末葉,荷蘭籍顯微鏡專家Leewenhoek 制作勝利了世界第一架光學(xué)顯微鏡；.與 Leewenhoek 同時(shí)代的 Hooke, 第一次用細(xì)胞這個(gè)概念來形容組成軟木的最基本單元；雖然這一概念到十九世紀(jì)中葉,才正式被科學(xué)界接受,但它對(duì)生物學(xué)的奉獻(xiàn)是不行估量 的；.細(xì)胞學(xué)說是由德國(guó)植物學(xué)家 九世紀(jì)的三大發(fā)覺之一；Schleiden 和動(dòng)物學(xué)家 Schwann 建立的；這一發(fā)覺被稱為十.Sch

3、leiden 誕生于德國(guó)漢堡, 22 歲就獲得了法學(xué)博士學(xué)位,但他并不喜愛當(dāng)律師,28 歲時(shí)他到哥廷根和柏林學(xué)習(xí)植物學(xué)和醫(yī)學(xué),36 歲獲得醫(yī)學(xué)和哲學(xué)博士學(xué)位；.Schwann 是首飾匠的兒子, 16 歲高中畢業(yè)后,沒有根據(jù)父母的意愿學(xué)習(xí)神學(xué),而是到柏林學(xué)醫(yī), 24 歲獲得了博士學(xué)位；在柏林解剖博物館工作時(shí)結(jié)識(shí)了 Schleiden.他們雖然個(gè)性、經(jīng)受迥然不同,但共同的志趣促成了他們多年的合作；Schleiden 討論植物的囊胚,Schwann 討論蛙類的胚胎組織,相同的討論方向,相像的討論方法,使他們?nèi)〉昧艘粯拥囊娊?共同創(chuàng)立了生物科學(xué)色基礎(chǔ)理論；.全部組織的最基本的單元是外形特別相像而有高度

4、分化的細(xì)胞；細(xì)胞的發(fā)生和形成是生物學(xué)界普遍和永久的規(guī)律；.細(xì)胞學(xué)說對(duì)生命現(xiàn)象實(shí)際上是細(xì)胞活動(dòng)的總和,的主要對(duì)象；經(jīng)典的生物化學(xué)和遺傳學(xué)所以細(xì)胞可以而且應(yīng)當(dāng)成為生物學(xué)討論.進(jìn)化論和細(xì)胞學(xué)說相結(jié)合,產(chǎn)生了作為主要試驗(yàn)科學(xué)之一的現(xiàn)代生物學(xué),而以討論動(dòng)、植物遺傳變異規(guī)律為目標(biāo)遺傳學(xué)和以分別純化、鑒定細(xì)胞內(nèi)含物質(zhì)為目標(biāo)的生物化學(xué)就 是這一學(xué)科的兩大支柱；.在十九世紀(jì)中葉, 人們發(fā)覺動(dòng)物和植物細(xì)胞的提取液中主要是一些能受熱或酸變性形成 纖維狀沉淀的物質(zhì)；DNA 的發(fā)覺早在 1928 年英國(guó)科學(xué)家 Griffith等人就發(fā)覺,肺炎鏈球菌使小鼠引起死亡的緣由是引起肺炎；細(xì)菌的毒性是由細(xì)胞表面夾膜中的多糖所打算

5、的；具有光滑外表的 S 型肺炎鏈球菌由于帶有夾膜的多糖而能使小鼠發(fā)病,具有粗糙外表的 R 型細(xì)菌由于沒有夾膜多糖而失去致病力；第一試驗(yàn)證明基因就是 DNA 分子的是美國(guó)聞名的微生物學(xué)家 Avery.試驗(yàn)過程. 第一將光滑型致病菌（ S 型）燒煮殺滅活性以后再侵染小鼠,發(fā)覺這些死細(xì)菌自然丟失致病才能；. 再用活的粗糙型細(xì)菌來侵染小鼠,也不能使之發(fā)病,由于粗糙型細(xì)菌自然無致病力；.然而當(dāng)他們將經(jīng)燒煮殺死的S 型細(xì)菌和活的 R 型細(xì)菌在混合感染小鼠時(shí), 試驗(yàn)小鼠每次都死去；.解剖死亡的小鼠發(fā)覺大量的活的S 型細(xì)菌；Hershey 和他的同學(xué) Chase 的噬菌體侵染細(xì)菌的試驗(yàn). 噬菌體用尾部的末端吸

6、附細(xì)菌表面. 噬菌體通過尾軸把 DNA 全部注入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi),噬菌體的蛋白外客就留在細(xì)胞外面；. 噬菌體的 電腦啊一旦進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi),它就能利用細(xì)菌的生命過程合成噬菌體自身的 DNA 和蛋白質(zhì). 新合成的 DNA 和蛋白質(zhì)外殼,能組裝成很多與親代完全相同的子代噬菌體；. 子代噬菌體由于細(xì)菌的解體而被釋放出來,再去侵染其他細(xì)菌；在整個(gè)過程中,DNA 起了關(guān)鍵的作用；二、分子生物學(xué)的進(jìn)展簡(jiǎn)史. 從 1847 年提出細(xì)胞學(xué)說至今一百多年間,我們對(duì)生物大分子即細(xì)胞的組成有了深刻的熟悉；為了全面明白分子生物學(xué)的的進(jìn)展,我們不妨來看一看部分諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)作為紐帶的分子生物學(xué)進(jìn)展簡(jiǎn)史；.1910 年,

7、德國(guó)科學(xué)家Kossel 由于蛋白質(zhì)、細(xì)胞和核酸化學(xué)的討論而獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng),他第一分別出腺嘌呤、胸腺嘧啶和組氨酸在量子力學(xué)家薛定諤的生命是什么.1944 年一書的影響下,很多物理學(xué)家和化學(xué)家投身于生命的分子基礎(chǔ)和基因的自我復(fù)制這兩個(gè)生物學(xué)中心問題的討論 ,將現(xiàn)代物理學(xué)和化學(xué)的最新成果、理論和方法帶入了生物學(xué)討論中；1 1953 年 4 月 25 日出版的 Nature 雜志上,沃森 Watson 和物理學(xué)家克里克 Crick 提出了 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型,標(biāo)志著遺傳學(xué)以及整個(gè)生物學(xué)進(jìn)入分子水平的新時(shí)代；2 50 歲月初, Barbara Mclintock 在玉米中發(fā)覺可動(dòng)遺傳因子即轉(zhuǎn)座

8、因子,但是這個(gè)過于超時(shí)代的發(fā)覺當(dāng)時(shí)并未得到承認(rèn),甚至受到譏笑；3 1961 年克里克等證明白他于1958 年提出的關(guān)于遺傳三聯(lián)密碼的估計(jì)；1969 年Nirenberg 等解譯出全部遺傳密碼；4 60 歲月,闡明 mRNA 、tRNA 及核糖體的功能、蛋白質(zhì)生物合成的過程、“中心法就” 等；（5）70 歲月,發(fā)覺限制性核酸內(nèi)切酶、人工分別和合成基因取得進(jìn)展,1972 年P(guān).Berg 勝利實(shí)現(xiàn)了 DNA 體外重組 ;1973 年 S.N.Cohen 通過 DNA 的體外重組勝利地構(gòu)建了第一個(gè)有生物學(xué)功能的細(xì)菌雜交質(zhì)粒,究；從而興起以 DNA 重組技術(shù)為核心的基因工程研（6）80 歲月,基因工程技

9、術(shù)飛速進(jìn)展,基因工程藥物和疫苗投入臨床使用,轉(zhuǎn)基因動(dòng) 植物產(chǎn)品上市銷售,轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物生物反應(yīng)器討論成為熱點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)商品化；（7）90 歲月,1992 年“人類基因組方案 ”開頭實(shí)施,投資 30 億美元旨在測(cè)定人類基因組 全部 30 億個(gè)核苷酸對(duì)的堿基序列,是在破譯生物體全部遺傳密碼的征途上邁出的第一 步,將為掀開人類和生物體生長(zhǎng)、發(fā)育、疾病、衰老和死亡的秘密奠定基礎(chǔ),其意義與 原子彈討論曼哈頓方案和載人登月阿波羅方案相比有過之而無不及；克隆羊 “多莉 ”Dolly 產(chǎn)生之后,克隆牛、羊、小鼠等動(dòng)物紛紛獲得勝利；（8）21 世紀(jì)初人類基因組方案提前完成,遺傳學(xué)面臨新的挑戰(zhàn)和使命,即進(jìn)入了“基因組后

10、討論 ” 時(shí)代,在搞清晰基因組的全部序列的基礎(chǔ)上,仍要完全闡明基因組所包含的全部遺傳信息的生物學(xué)功能, 及其所編碼的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能,所以又稱為 “蛋白質(zhì)組 ”討論；同時(shí),仍要應(yīng)用基因工程和蛋白質(zhì)工程技術(shù),改造蛋白質(zhì),使人類對(duì)生命活動(dòng)的 熟悉和支配由必定王國(guó)進(jìn)入自由王國(guó)；三、分子生物學(xué)的討論內(nèi)容 分子生物學(xué)的三條基本原理：構(gòu)成生物體各類有機(jī)體大分子的單體在不同生物中都是相 同的；生物體內(nèi)一切有機(jī)大分子的建成都遵循共同的規(guī)章；某一特定生物體所擁有的核 酸及蛋白質(zhì)分子打算了它的屬性；分子生物學(xué)涉及的范疇極為廣泛,討論內(nèi)容也好像包羅萬象,事實(shí)上它討論的內(nèi)容 不外乎以下四個(gè)方面： DNA 重組技術(shù)、

11、基因表達(dá)與調(diào)控、 生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能討論、基因組、功能基因組和生物信息學(xué)；1）DNA 重組技術(shù)DNA 重組技術(shù)（基因工程）是20 世紀(jì) 70 歲月初興起的技術(shù)科學(xué),目的是將不同的DNA 片段根據(jù)人們的設(shè)計(jì)定向連接起來,在特定的受體細(xì)胞中與載體同時(shí)復(fù)制并得到表達(dá),產(chǎn)生影響受體細(xì)胞的新的遺傳性狀；DNA 重組技術(shù)是核酸化學(xué)、蛋白質(zhì)化學(xué)、酶工程及微生物學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞學(xué)長(zhǎng)期深化討論的結(jié)果,而限制性內(nèi)切酶、術(shù)得以建立的關(guān)鍵；DNA 連接酶及其他工具酶的發(fā)覺和應(yīng)用就是這一技DNA 重組技術(shù)的應(yīng)用： 大量生產(chǎn)某些在正常細(xì)胞代謝中產(chǎn)量很低的多肽,如激素、抗生素、酶類及抗體等；可以定向改造某些生物的基因組

12、結(jié)構(gòu),是它們所具備的特別經(jīng)濟(jì)價(jià)值或功能得以成百上千倍的提高；DNA 重組技術(shù)仍被用來進(jìn)行基礎(chǔ)討論；2）基因表達(dá)調(diào)控討論. 基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)討論、轉(zhuǎn)錄因子討論和 RNA 剪輯 3 個(gè)方面；. 信號(hào)傳導(dǎo)是指外部信號(hào)通過細(xì)胞膜上的受體蛋白傳到細(xì)胞內(nèi)部、并激發(fā)諸如離子通透性、 細(xì)胞外形或其他細(xì)胞功能方面的應(yīng)答過程；信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)之所以能引起細(xì)胞功能的轉(zhuǎn)變,主要是由于信號(hào)最終活化某些蛋白質(zhì)分子,使之發(fā)生構(gòu)型的變化,從而直接作為靶位點(diǎn),打開或關(guān)閉某些基因.轉(zhuǎn)錄因子是是一群能與基因5 端上游特定序列專一結(jié)合,從而保證目的基因以特定的強(qiáng)度在特定的時(shí)間與空間表達(dá)的蛋白質(zhì)分子；. 真核基因轉(zhuǎn)錄成前體 mR

13、NA 后,除了在 5 端加帽及 3 端加多聚 A 之外,仍要切去隔開各個(gè)相鄰編碼區(qū)的內(nèi)含子,使外顯子相連后成為成熟 mRNA. 3）生物大分子的結(jié)構(gòu)功能討論. 生物大分子發(fā)揮生物學(xué)功能時(shí),必需具備兩個(gè)前提：有特定的空間結(jié)構(gòu)；在發(fā)揮生物學(xué)功能過程中必定存在著結(jié)構(gòu)和和構(gòu)象的變化；. 結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)就是討論生物大分子特定的空間結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)變化與其生物學(xué)功能關(guān)系的科學(xué)；4）基因組、功能基因組與生物信息學(xué)討論. 基因組學(xué). 功能基因組學(xué). 蛋白組學(xué) . 生物信息學(xué)四、分子生物學(xué)展望 人類基因組方案的開展到其他生物的基因組測(cè)序；基因工程 -轉(zhuǎn)基因動(dòng)物植物,提高產(chǎn)量、質(zhì)量到生產(chǎn)藥物蛋白,轉(zhuǎn)基因克隆技術(shù)等

14、；生 物學(xué)在各個(gè)學(xué)科之間廣泛滲透,相互促進(jìn),不斷深化和進(jìn)展；科學(xué)家從分子水平、細(xì)胞 水平、個(gè)體和群體等不同層次深化探究各種生物現(xiàn)象；分子生物學(xué)與其他學(xué)科的融合：與細(xì)胞生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、與遺傳學(xué)、與分類學(xué)和生 物進(jìn)化討論、與發(fā)育生物學(xué) 21 世紀(jì)的領(lǐng)銜學(xué)科 1、生命科學(xué)可望成為 在科學(xué)進(jìn)展的歷史上,各門學(xué)科并非齊頭并進(jìn),總有一門或一組學(xué)科走在其他學(xué)科的 前面,從理論觀念、思維方式或科研方法上對(duì)其他學(xué)科發(fā)揮重要的影響,人們稱之為帶 頭學(xué)科；近代科學(xué)的帶頭學(xué)科是力學(xué),現(xiàn)代科學(xué)的帶頭學(xué)科是物理學(xué),21 世紀(jì)的帶頭學(xué) 科將是什么？人們看好生命科學(xué)；回憶科學(xué)的進(jìn)展史,我們就能看到力學(xué)和物理學(xué)成為 近代和

15、現(xiàn)代科學(xué)的帶頭學(xué)科的必定性；20 世紀(jì)下半葉以來,生命科學(xué)文獻(xiàn)在科學(xué)文獻(xiàn)中的比重、從事生命科學(xué)討論的科學(xué)家 人數(shù)在自然科學(xué)家中所占的比重都在快速增長(zhǎng)；生命科學(xué)的進(jìn)展對(duì)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展產(chǎn)生 重要影響；生命現(xiàn)象中仍有狠多重大問題需要人們?nèi)フf明；例如生物體產(chǎn)生的有機(jī)分子為什么都 有特定的結(jié)構(gòu)？遺傳密碼是怎樣形成的？當(dāng)代很多新興學(xué)科（系統(tǒng)論、信息論、掌握論、耗散結(jié)構(gòu)理論等等）都是從生命科學(xué)學(xué)問中受到啟示,生命現(xiàn)象中的很多問題的解決必 將給科學(xué)的進(jìn)展帶來新的啟發(fā)；生命科學(xué)的進(jìn)展必將促進(jìn)海洋科學(xué)、空間科學(xué)、能源科 學(xué)、材料科學(xué)等當(dāng)代新興科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展；2、分子生物學(xué)對(duì)社會(huì)進(jìn)展的影響 1）與醫(yī)學(xué) 繁衍性克隆動(dòng)

16、物克隆是指由一個(gè)動(dòng)物經(jīng)無性繁衍產(chǎn)生多個(gè)后代個(gè)體,同一克隆內(nèi)所 有成員的遺傳信息是完全相同的；治療性克隆概念利用核重組技術(shù)培養(yǎng)早期胚胎及由此衍生的胚胎干細(xì)胞來生產(chǎn)人類 所需要的器官和組織；基因是一種有限的資源,一個(gè)基因可成就一家企業(yè),帶動(dòng)一個(gè)產(chǎn)業(yè),下一個(gè)制造更 大財(cái)寶的人將有可能顯現(xiàn)在基因領(lǐng)域？PPL 公司勝利獲得 GT-knockout 豬： 20XX 年 12 月 25 日, PPL 公司勝利地獲得了 5 頭“ Knock-out ”（基因敲除）母豬,命名為 基因組上的 alpha 1,3 Noel, Angel, Star, Joy 和 Mary ；這些豬galactosyl transf

17、erase 被敲除,而該酶是負(fù)責(zé)將糖基加入到豬細(xì)胞膜上,產(chǎn)生被人體免 疫系統(tǒng)視為抗原的物質(zhì),從而激發(fā)人體免疫系統(tǒng)對(duì)移植的豬器官產(chǎn)生超急性排斥反應(yīng)；因此,對(duì)豬阿爾法 1,3 半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶基因的敲除勝利,是人類為實(shí)現(xiàn)異種器官移植邁 進(jìn)了打算性的一步 2）分子生物學(xué)與農(nóng)業(yè)的可連續(xù)進(jìn)展 轉(zhuǎn)基因植物（Transgenic Plants ）；轉(zhuǎn)基因動(dòng)物（ Transgenic Animals ；動(dòng)物克隆 Animal Cloning 3）分子生物學(xué)與能源問題 地球上的煤和石油化石能的枯竭指日可待,核燃料也有告罄之時(shí)；而利用太陽能有條件 的限制；人們把期望寄托于生物技術(shù)來解決能源問題：用農(nóng)副產(chǎn)品發(fā)酵生產(chǎn)酒精,代替