分子生物學：第一章 緒論(2學時)

第一章緒論

本章我們討論4個問題：

一、現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的基本特點。

二、現(xiàn)代生物學面臨的挑戰(zhàn)和機遇。

三、分子生物學和醫(yī)學的關(guān)系

四、分子生物學回顧、發(fā)展現(xiàn)狀與展望

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第一節(jié)現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的基本特點

一、科學技術(shù)加速發(fā)展和急劇變革

（一）當代科技發(fā)展呈指數(shù)增長趨勢，全世界每天發(fā)表科

技論文6000～8000篇，平均篇/10.8秒問世。

（二）人類科技知識，19世紀是每50年增加1倍，當前是

每3～5年增加1倍。工程師知識半衰期是5年。

（三）1973年，CohenGroup利用重組DNA技術(shù)第一次實現(xiàn)了細菌遺傳性狀轉(zhuǎn)移（terr+Nes→terrNer）,導致

了基因工程技術(shù)誕生。至今不到30年，人類已擁有克隆羊、克隆豬……的技術(shù)，可以復制1個生命體。2

二、科學技術(shù)發(fā)展的綜合化

（一）19世紀中葉以前，科學技術(shù)是分離的，它們各自獨立發(fā)揮社會作

用,它們都有自己獨特的文化傳統(tǒng)，它們的發(fā)展往往是脫節(jié)的。

（二）科學回答的“是什么”，“為什么”，技術(shù)回答的是“做什么”、“怎么

做”。當今科技發(fā)展已經(jīng)密不可分，科學里面有技術(shù)，技術(shù)里有科學。

（三）當代科學技發(fā)展有2種形式：一是突破，二是融合。突破是線性

的，即從研究開發(fā)新一代科技成果取代原有一代的科技成果。融

合是非線性的，即混合原有不同領(lǐng)域科技，進而發(fā)展新產(chǎn)品，造

成革命性市場，它們是互補和合作的結(jié)果。

（四）基因工程技術(shù)既是突破，也是融合，既是科學，也是技術(shù)。它們

是分子生物學，生物化學，遺傳學、細胞生物學和組織學等相關(guān)

學科科學技術(shù)突破和融合的結(jié)果。3三、科學發(fā)展必須和人文社會科學發(fā)展相結(jié)合

（一）當代各種全球性問題的出現(xiàn)，從一定意義上來說，是由于

科學技術(shù)廣泛應用于社會而引發(fā)的，如NMD，TMD。

（二）科學技術(shù)是第一生產(chǎn)力，是提高勞動生產(chǎn)率的最重要的

手段和社會生產(chǎn)力發(fā)展的主要力量，而文化水平是是衡

量人類發(fā)展的一個特殊尺度，也是標志人類的把握科學技

術(shù)的一個程度。

（三）科學技術(shù)是一把雙刃劍。原子核技術(shù)可以給人類帶來福

音，也可以給人類帶來災難。原子能發(fā)電站給人類帶來

了光明，原子彈可以把長崎，廣島夷為平地。

克隆技術(shù)可以挽救瀕臨滅絕動物，也可動搖人類自然以性

愛為基礎(chǔ)生育方式等。

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第二節(jié)分子生物學——帶動生命科學的前沿學科一．子生物學的定義分子生物學的誕生可以與細胞的發(fā)現(xiàn)，進化論的奠定媲美，它是20世紀自然科學偉大成就之一。經(jīng)典觀念認為，狹義的分子生物學是指分子遺傳學，廣義的包括分子遺傳、細胞膜結(jié)構(gòu)、代謝的調(diào)節(jié)機制，蛋白質(zhì)與核酸結(jié)構(gòu)分析與功能測定，生物大分子人工合成，遺傳物質(zhì)的重組等。5二．分子生物學和醫(yī)學的關(guān)系

基礎(chǔ)醫(yī)學是整個醫(yī)學的基石，而分子生物學在整個醫(yī)學中起到紐帶作用，將基礎(chǔ)醫(yī)學各分枝學科及基礎(chǔ)醫(yī)學與臨床醫(yī)學聯(lián)系起來，成為渾然一體。由此可見分子生物學在現(xiàn)代醫(yī)學研究中的重要性，它代表了人們對生命現(xiàn)象認識層次的深入，理所當然成為現(xiàn)代醫(yī)學和生命科學的前沿學科和領(lǐng)域，在一定程度上起到牽動全局的作用。不論分子生物學，臨床醫(yī)學家或生物學家，在談論現(xiàn)代醫(yī)學和生命科學時，無不對分子生物學所取得的成就及發(fā)展動態(tài)予以特別的關(guān)注的重視。6

未來的醫(yī)學將把研究層次深入到量子水平，分子生物學則可能把自己的“血液”熔化到醫(yī)學的軀體之中，“化己為他”，“化整為零”，滲透到各個相關(guān)學科中，成為科學上的“蠟燭”，燃燒自己，照亮別人。分子生物學在醫(yī)學上的價值和“靈魂”將永存。分子生物學將成為現(xiàn)代生命科學的“共同語言”。7

生命過程是一個多層次、連續(xù)的整合過程?；蚝头肿友芯渴钦J識生命過程的深入層次，這個層次的研究結(jié)果對于基因后生命現(xiàn)象如生理表現(xiàn)，病理表現(xiàn)，病生理表現(xiàn)，具有重要意義。生命科學中一些最重要的課題需要分子生物學滲入，如細胞生長、分化、衰老，凋亡，個體發(fā)育和神經(jīng)活動等研究。分子生物學與這些研究活動結(jié)合在一起，形成新的生長點和新的邊緣學科，較為突出的者有：8（一）分子細胞生物學細胞是一切生命活動結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。因此細胞生物學的研究應是全方位的，但概括起來有2個基本點：一是基因與基因產(chǎn)物如何控制細胞的重要生命活動，如生長、分化、衰老等，在此涉及與信號傳遞的關(guān)系；二是基因產(chǎn)物與其他生物分子如何構(gòu)建與裝配成細胞高度組織化的結(jié)構(gòu)如染色體，細胞核、細胞器、生物膜、細胞骨架，并行使其在序的細胞生命活動。通過上述兩方面的結(jié)合，可把分子生物學和細胞生物學連接起來。9（二）發(fā)育分子生物學受精卵如何發(fā)育成結(jié)構(gòu)和功能復雜的個體是未解決的發(fā)育生物學重大難題。分子生物學為解決這一難題提供了條件，并產(chǎn)生了發(fā)育分子生物學。發(fā)育分子生物學要解決的基本問題是基因如何按一定的時空關(guān)系選擇性地表達而控制細胞的分化和個體發(fā)育。發(fā)育程序是通過相關(guān)基因系統(tǒng)間一系列相互作用而逐次展開的，這是多基因在多層次上的聯(lián)系和配合所形成的調(diào)控結(jié)果。基因選擇性表達的時間取決于定時的信號和生物學時間的刺激，而其空間控制取決于細胞所處的位置（環(huán)境）和細胞間的相互作用，形態(tài)發(fā)生可能有細胞連接、識別、運動、生長的彼此配合來控制。10（三）分子神經(jīng)科學神經(jīng)科學研究神經(jīng)系統(tǒng)（主要是腦）的結(jié)構(gòu)和功能，其研究層次包括分子水平、神經(jīng)網(wǎng)絡水平、整體水平和行為水平。分子神經(jīng)科學為在分子水平研究神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，它的研究方向有：

1、神經(jīng)細胞的分化和神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的分子機理；2、神經(jīng)活動的基本過程（如神經(jīng)沖動、信息處理、神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)回路等）中離子通道，突觸通訊，受體及信號傳導的變化和相關(guān)基因表達的變化。113．參入學習、記憶、行為過程的基因及其產(chǎn)物。4．一系列神經(jīng)精神性疾病的分子基礎(chǔ)，分離和鑒定其相關(guān)基因，為其治療和預防服務?？茖W家們一直遺憾，人腦可以指導自己去制造電腦和作任何精細的工作，都不能用以窺視自身的奧秘。由于神經(jīng)科學極端重要性和特殊地位，近年來受到了極大重視?？茖W家們預言，進入下個世紀后神經(jīng)科學將走在分子生物學前面，并將給醫(yī)學帶來新的光輝。12

三、分子生物學的歷史回顧遺傳和變異是生物的一對重要概念。遺傳賦于生物種的穩(wěn)定，保證生物種的延錦不斷；變異則賦于生物種的進化，保證生物種對環(huán)境的適應。遺傳和變異這一對矛盾在一個生物體內(nèi)統(tǒng)一起來。遺傳學要解決問題是生命科學和醫(yī)學中極為關(guān)鍵的問題。分子水平技術(shù)手段一旦與遺傳學研究相結(jié)合，就可在分子水平上解釋遺傳學的問題，促使分子遺傳學的形成和發(fā)展。分子生物學的形成和掘起，歸功能數(shù)十年無數(shù)科學家智慧的結(jié)晶，成果的融匯，從40年代起，在理論和技術(shù)方面奠定了雄厚的基礎(chǔ)。13（一）理論上的三大發(fā)現(xiàn)1.40年代，Avery發(fā)現(xiàn)了生物遺傳物質(zhì)的化學本質(zhì)是DNA2.50年代，Walson-crick提出了DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型，搞清楚了生物遺傳的分子機制3.60年代，確定了遺傳信息的傳遞方式：DNA→RNA→protein14（二）技術(shù)上的3大發(fā)明

1.“基因剪刀”—限制性核酸內(nèi)切酶發(fā)明

從40～60年代，科學家們就為基因工程設計好了美麗的藍圖，但是而對龐大dsDNA，束手無策，無從下手把它切成單個的基因片段，當時酶學知識已有相當?shù)陌l(fā)展，但沒有1個已發(fā)現(xiàn)的酶能夠完成這樣的使命。1970年，SmithWilcox在流感嗜血桿菌(Haemophilusinfluenzae)中分離純化了HindII，取得了突破，打破了基因工程的禁固，迎來了改造生物，為基因工程技術(shù)，為分子生物學技術(shù)奠定了最為主要的技術(shù)基礎(chǔ)。15