【DOC】分子生物學(xué)教案

1、分子生物學(xué)教案緒論現(xiàn)代生物學(xué)研究的目標(biāo)是要在分子水平上掌握細(xì)胞的功能并揭示生命的本質(zhì)。20世紀(jì)50年代Watson和Crick關(guān)于DNA雙螺線模型的提出；60年代Monod和Jacob關(guān)于基因調(diào)節(jié)控制的操縱子學(xué)說的提出；以及70年代初期DNA限制性內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)和一套DNA體外重組技術(shù)基因工程技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了分子生物學(xué)在廣度深度上的發(fā)展。目前，分子水平的生物學(xué)研究，正越來越多地影響傳統(tǒng)生物科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，如組織學(xué)、細(xì)胞學(xué)、解剖學(xué)、胚胎學(xué)、遺傳學(xué)、生理學(xué)和進(jìn)化論。一、引言創(chuàng)世說與進(jìn)化論在達(dá)爾文物種起源發(fā)表之前，關(guān)于生命和一切生物學(xué)現(xiàn)象用創(chuàng)世說來解釋，直到19世紀(jì)初葉。1859年，英國生物學(xué)家達(dá)爾

2、文（Charles Darwin）發(fā)表了著名的物種起源一書，確立了進(jìn)化論的概念。物種起源的中心思想是“物競天擇，適者生存”，認(rèn)為世界上的一切生物都是可變的，并預(yù)言從低級到高級的變化過程中必定有過渡物種存在。達(dá)爾文關(guān)于生物進(jìn)化的學(xué)說及其唯物主義的物種起源理論，是生物科學(xué)史上最偉大的創(chuàng)舉之一。具有不可磨滅的貢獻(xiàn)。為了紀(jì)念這位偉大的生物科學(xué)大師，人們把進(jìn)化論稱為“達(dá)爾文學(xué)說”。17世紀(jì)末葉，荷蘭顯微鏡專家Leeuwenhoek成功制作了世界第一架光學(xué)顯微鏡，在顯微鏡下看到了微小動(dòng)物，稱為“微動(dòng)物”（animalcule）。若干年后，人們才知道他們是單細(xì)胞生物。大約與Leewenhock同時(shí)代的Hoo

3、ke，第一次用“細(xì)胞”這個(gè)概念來形容組成軟木的最基本單位。但直到19世紀(jì)中葉，這個(gè)概念正式被科學(xué)界所接受。德國植物學(xué)家Schleiden研究被子植物的胚囊，Schwann研究蛙類的胚胎組織，相同的研究方向，相似的研究方法，是他們?nèi)〉昧艘恢乱娊?，共同?chuàng)立了生命科學(xué)的基礎(chǔ)理論細(xì)胞學(xué)說。現(xiàn)在我們知道，每一個(gè)動(dòng)植物個(gè)體實(shí)際上是千千萬萬個(gè)生命單元的總和，而這些微小單元細(xì)胞，包含了所有的生命信息。進(jìn)化論和細(xì)胞學(xué)說相結(jié)合，產(chǎn)生了作為主要實(shí)驗(yàn)科學(xué)之一的現(xiàn)代生物學(xué)。而已研究動(dòng)植物遺傳變異規(guī)律為目標(biāo)的遺傳學(xué)和以分離純化、鑒定細(xì)胞內(nèi)含物質(zhì)為目標(biāo)的生物化學(xué)則是這一學(xué)科的兩大支柱。19世紀(jì)中葉，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)物質(zhì)；生

4、物化學(xué)家Buchner第一個(gè)合成乙醇，證明蛋白質(zhì)是生活細(xì)胞中化學(xué)反應(yīng)的執(zhí)行者和催化劑；19世紀(jì)到20世紀(jì)，20種氨基酸被相繼發(fā)現(xiàn)；生物學(xué)家Fisher論證了相鄰氨基酸之間的“肽鍵”；脂類、糖類、核酸也相繼被認(rèn)識和純化。1865年奧地利遺傳學(xué)家孟德爾（Gregor Mendel）發(fā)現(xiàn)并提出遺傳定律，被公認(rèn)是經(jīng)典遺傳學(xué)的奠基人。孟德爾認(rèn)為，生物的每一種形狀都是由遺傳因子控制的，第一次提出“遺傳因子”概念。1910年美國遺傳學(xué)家Morgan發(fā)現(xiàn)遺傳第三大規(guī)律，第一次將代表某一特定形狀的基因，同某一特定的染色體聯(lián)系起來，提出基因?qū)W說并提出“基因”的概念。但是，直到1953年Watson和Crick提出

5、DNA雙螺旋模型之前，人們對基因的理解仍然是抽象的、概念化的，缺乏準(zhǔn)確的物質(zhì)內(nèi)容。1928年，英國科學(xué)家Griffith等人發(fā)現(xiàn)，肺炎鏈球菌（S型和R型）使小鼠死亡的原因是引起肺炎。1950年，美國著名的微生物學(xué)家Avery和他的同事提出死細(xì)菌中的某一成分轉(zhuǎn)化源（transforming principle）將無致病力的細(xì)菌轉(zhuǎn)化成病原細(xì)菌。10多年后，試驗(yàn)表明，DNA就是轉(zhuǎn)化源。1952年美國遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家Hershey和他的學(xué)生Chase進(jìn)一步證實(shí)了Avery的觀點(diǎn)。至此，Avery等人的工作打破了只有蛋白質(zhì)才可以擔(dān)當(dāng)決定細(xì)胞生物學(xué)特性和遺傳的重托，在遺傳學(xué)理論上樹立了全新的觀點(diǎn)DNA是

6、遺傳信息的載體。二、分子生物學(xué)簡史2.1 分子生物學(xué)的定義分子生物學(xué)是從生物化學(xué)、生物物理學(xué)、遺傳學(xué)、微生物學(xué)等多種學(xué)科，經(jīng)過相互交互、相互滲透而產(chǎn)生的。是在分子水平上研究生命現(xiàn)象的一門新興邊緣學(xué)科。它以核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)及其在遺傳信息和細(xì)胞信息傳遞中的作用為研究對象，是當(dāng)前生命科學(xué)中發(fā)展最快的重要前沿領(lǐng)域。在20世紀(jì)下半葉，由于分子生物學(xué)取得的許多成就，使得生物學(xué)成為自然科學(xué)的帶頭學(xué)科，它的理論和方法已滲透到生命科學(xué)的幾乎每一個(gè)領(lǐng)域，為生命科學(xué)的研究帶來了許多新的思維方式和研究手段。那么什么是分子生物學(xué)呢？分子生物學(xué)就是在分子水平上研究生物的結(jié)構(gòu)、組織和功能的科學(xué)，并試圖根據(jù)化學(xué)

7、和物理規(guī)律來解釋生命現(xiàn)象。分子生物學(xué)是人類從分子水平上真正揭開生物世界的奧秘，由被動(dòng)適應(yīng)自然轉(zhuǎn)向主動(dòng)改造自然的基礎(chǔ)學(xué)科。分子生物學(xué)以生物大分子為研究對象，已成為現(xiàn)代生物學(xué)最具活力的學(xué)科之一。分子生物學(xué)的誕生可以與細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)化論的奠定媲美，它是20世紀(jì)自然科學(xué)偉大成就之一。2.2分子生物是發(fā)展簡史分子生物學(xué)的基本原理 所有生物體中的有機(jī)大分子都是以碳原子為核心，并以共價(jià)鍵的形式與氫、氧、氮及磷以不同方式構(gòu)成的。不僅如此，一切生物體中的各類有機(jī)大分子都是由完全相同的單體，如蛋白質(zhì)分子中的20種氨基酸、DNA及RNA中的8種堿基所組合而成的，由此產(chǎn)生了分子生物學(xué)的3條基本原理： 構(gòu)成生物體有機(jī)大

8、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著各自特定的規(guī)則；某一特定生物體所擁有的核酸及蛋白質(zhì)分子決定了它的屬性。 分子生物學(xué)研究內(nèi)容分子生物學(xué)產(chǎn)生的初始，有兩個(gè)主要研究方向：一是以化學(xué)或物理為主，這種研究生物大分子的結(jié)構(gòu)，特別是蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)；另一方面是以生物學(xué)為主，研究生物信息的傳遞和復(fù)制。后來，在20世紀(jì)50年代初期，兩個(gè)流派匯合并與其他學(xué)科領(lǐng)域不斷融合，形成了現(xiàn)代分子生物學(xué)。從表面看，分子生物學(xué)涉獵范圍極為廣闊，研究內(nèi)容也似乎包羅萬象。事實(shí)上，它所研究的內(nèi)容不外乎四個(gè)方面： 生物大分子的結(jié)構(gòu)功能研究 一個(gè)生物大分子，不論是核算、蛋白質(zhì)還是多糖，在發(fā)揮其生物功

9、能時(shí)，必須要擁有自己特定的空間結(jié)構(gòu)和在發(fā)揮生物學(xué)功能時(shí)存在的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象的變化。這部分內(nèi)容就是要研究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。 基因表達(dá)調(diào)控研究 生物體內(nèi)的基因是按一定程序、有序的表達(dá)，才有了生物的生長、發(fā)育、衰老、死亡。表達(dá)程序不同不同的性狀，病變?；虮磉_(dá)存在時(shí)空差異，調(diào)控多彩的世界。 一個(gè)受精卵一個(gè)植株、個(gè)體分化出根、莖、葉、花?；虮磉_(dá)實(shí)質(zhì)上就是遺傳信息的轉(zhuǎn)錄與翻譯?；虮磉_(dá)的調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平和翻譯水平上，并且原核生物和真核生物的調(diào)控機(jī)制不相同。具體的機(jī)制我們在以后的章節(jié)中會(huì)詳細(xì)介紹。 DNA重組技術(shù) 該技術(shù)時(shí)20世紀(jì)70年代初興起的技術(shù)科學(xué)，目的

10、是將不同的DNA片段按照人們的設(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、微生物學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞學(xué)長期深入研究的結(jié)晶，而限制性內(nèi)切酶、DNA連接酶及其他工具酶的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用則是這一技術(shù)得以建立的關(guān)鍵。 基因組、功能基因組與生物信息學(xué)研究 隨著近年來的研究，許多生物的基因組被破譯，如我們?nèi)祟惖幕?、擬南芥、果蠅等，這些大大豐富了我們的知識寶庫，加快了人類認(rèn)識自然和改造自然的步伐。隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，生物信息學(xué)也隨之誕生。人們可以利用生物信息學(xué)知識，借助于計(jì)算機(jī)，最大限度地開發(fā)和運(yùn)用基因組學(xué)所帶來的龐大

11、數(shù)據(jù)。三、 分子生物學(xué)的研究進(jìn)展§ 植物基因工程：抗除草劑作物、改良蛋白貯存的種子、抗蟲作物、改良的藥用植物等等；§ 動(dòng)物基因工程：主要是轉(zhuǎn)基因動(dòng)物及其發(fā)展；§ 基因工程多肽藥物與疫苗：胰島素、干擾素等；§ 基因診斷與基因治療：如血友病等；§ 環(huán)境監(jiān)測與凈化§ 關(guān)于原核生物：致力于繪制大腸桿菌等的基因圖譜；§ 腫瘤§ 關(guān)于艾滋病§ 心血管疾病：基因調(diào)控同蛋白代謝障礙的關(guān)系；§ 腦和神經(jīng)的生物學(xué)§ 人類基因組四、 分子生物學(xué)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 分子生物學(xué)的研究和發(fā)展軌跡基本上遵循兩個(gè)大方向： 1. 不斷把本學(xué)科理論和技術(shù)引向深入。目前及今后相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)，將在基因研究、基因表達(dá)調(diào)控研究、結(jié)構(gòu)分子生物 學(xué)研究、信號傳導(dǎo)等四大前沿