分子生物學第一章剖析

1、. 第一章 緒論1課程教學內容（1）十九世紀和二十世紀生命科學的回憶（2）分子生物學的概念（3）二十一世紀分子生物學展望 2課程重點、難點 分子生物學的概念、討論內容和進展歷史 3課程教學要求（1）懂得分子生物學討論的內容；（2）把握分子生物學領域一些具有里程碑意義的大事；一、什么是分子生物學？分子生物學：是討論核酸、蛋白質等生物大分子的外形、結構特點及其重要性和規(guī)律性 和相互關系的科學,是人類從分子水平上真正揭示生物世界的秘密,由被動地適應自然 界主動地改造和重組自然界的基礎學科；創(chuàng)世說與進化論.很多年來,人們反復提出的 3 個與生命和一切生物學現(xiàn)象有關的問題：生命怎樣起源？為什么有其父必有

2、其子？動植物個體怎樣從一個受精卵發(fā)育而來？.十九世紀初葉,對于這些問題只能從宗教或迷信的角度進行回答-上帝制造了一切；.1859 年,宏大的英國生物學家達爾文發(fā)表了物種起源一書,確立了進化論；細胞學說.17 世紀末葉,荷蘭籍顯微鏡專家Leewenhoek 制作勝利了世界第一架光學顯微鏡；.與 Leewenhoek 同時代的 Hooke, 第一次用細胞這個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中葉,才正式被科學界接受,但它對生物學的奉獻是不行估量 的；.細胞學說是由德國植物學家 九世紀的三大發(fā)覺之一；Schleiden 和動物學家 Schwann 建立的；這一發(fā)覺被稱為十.Sch

3、leiden 誕生于德國漢堡, 22 歲就獲得了法學博士學位,但他并不喜愛當律師,28 歲時他到哥廷根和柏林學習植物學和醫(yī)學,36 歲獲得醫(yī)學和哲學博士學位；.Schwann 是首飾匠的兒子, 16 歲高中畢業(yè)后,沒有根據(jù)父母的意愿學習神學,而是到柏林學醫(yī), 24 歲獲得了博士學位；在柏林解剖博物館工作時結識了 Schleiden.他們雖然個性、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,使他們取得了一樣的見解,共同創(chuàng)立了生物科學色基礎理論；.全部組織的最基本的單元是外形特別相像而有高度

4、分化的細胞；細胞的發(fā)生和形成是生物學界普遍和永久的規(guī)律；.細胞學說對生命現(xiàn)象實際上是細胞活動的總和,的主要對象；經(jīng)典的生物化學和遺傳學所以細胞可以而且應當成為生物學討論.進化論和細胞學說相結合,產生了作為主要試驗科學之一的現(xiàn)代生物學,而以討論動、植物遺傳變異規(guī)律為目標遺傳學和以分別純化、鑒定細胞內含物質為目標的生物化學就 是這一學科的兩大支柱；.在十九世紀中葉, 人們發(fā)覺動物和植物細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；DNA 的發(fā)覺早在 1928 年英國科學家 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；細菌的毒性是由細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 型細菌由于沒有夾膜多糖而失去致病力；第一試驗證明基因就是 DNA 分子的是美國聞名的微生物學家 Avery.試驗過程. 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)覺這些死細菌自然丟失致病才能；. 再用活的粗糙型細菌來侵染小鼠,也不能使之發(fā)病,由于粗糙型細菌自然無致病力；.然而當他們將經(jīng)燒煮殺死的S 型細菌和活的 R 型細菌在混合感染小鼠時, 試驗小鼠每次都死去；.解剖死亡的小鼠發(fā)覺大量的活的S 型細菌；Hershey 和他的同學 Chase 的噬菌體侵染細菌的試驗. 噬菌體用尾部的末端吸

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

7、德國科學家Kossel 由于蛋白質、細胞和核酸化學的討論而獲得諾貝爾生理醫(yī)學獎,他第一分別出腺嘌呤、胸腺嘧啶和組氨酸在量子力學家薛定諤的生命是什么.1944 年一書的影響下,很多物理學家和化學家投身于生命的分子基礎和基因的自我復制這兩個生物學中心問題的討論 ,將現(xiàn)代物理學和化學的最新成果、理論和方法帶入了生物學討論中；1 1953 年 4 月 25 日出版的 Nature 雜志上,沃森 Watson 和物理學家克里克 Crick 提出了 DNA 雙螺旋結構模型,標志著遺傳學以及整個生物學進入分子水平的新時代；2 50 歲月初, Barbara Mclintock 在玉米中發(fā)覺可動遺傳因子即轉座

8、因子,但是這個過于超時代的發(fā)覺當時并未得到承認,甚至受到譏笑；3 1961 年克里克等證明白他于1958 年提出的關于遺傳三聯(lián)密碼的估計；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)覺限制性核酸內切酶、人工分別和合成基因取得進展,1972 年P.Berg 勝利實現(xiàn)了 DNA 體外重組 ;1973 年 S.N.Cohen 通過 DNA 的體外重組勝利地構建了第一個有生物學功能的細菌雜交質粒,究；從而興起以 DNA 重組技術為核心的基因工程研（6）80 歲月,基因工程技

9、術飛速進展,基因工程藥物和疫苗投入臨床使用,轉基因動 植物產品上市銷售,轉基因動植物生物反應器討論成為熱點并實現(xiàn)商品化；（7）90 歲月,1992 年“人類基因組方案 ”開頭實施,投資 30 億美元旨在測定人類基因組 全部 30 億個核苷酸對的堿基序列,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、發(fā)育、疾病、衰老和死亡的秘密奠定基礎,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 產生之后,克隆牛、羊、小鼠等動物紛紛獲得勝利；（8）21 世紀初人類基因組方案提前完成,遺傳學面臨新的挑戰(zhàn)和使命,即進入了“基因組后

10、討論 ” 時代,在搞清晰基因組的全部序列的基礎上,仍要完全闡明基因組所包含的全部遺傳信息的生物學功能, 及其所編碼的蛋白質的結構和功能,所以又稱為 “蛋白質組 ”討論；同時,仍要應用基因工程和蛋白質工程技術,改造蛋白質,使人類對生命活動的 熟悉和支配由必定王國進入自由王國；三、分子生物學的討論內容 分子生物學的三條基本原理：構成生物體各類有機體大分子的單體在不同生物中都是相 同的；生物體內一切有機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 酸及蛋白質分子打算了它的屬性；分子生物學涉及的范疇極為廣泛,討論內容也好像包羅萬象,事實上它討論的內容 不外乎以下四個方面： DNA 重組技術、

11、基因表達與調控、 生物大分子的結構與功能討論、基因組、功能基因組和生物信息學；1）DNA 重組技術DNA 重組技術（基因工程）是20 世紀 70 歲月初興起的技術科學,目的是將不同的DNA 片段根據(jù)人們的設計定向連接起來,在特定的受體細胞中與載體同時復制并得到表達,產生影響受體細胞的新的遺傳性狀；DNA 重組技術是核酸化學、蛋白質化學、酶工程及微生物學、遺傳學、細胞學長期深化討論的結果,而限制性內切酶、術得以建立的關鍵；DNA 連接酶及其他工具酶的發(fā)覺和應用就是這一技DNA 重組技術的應用： 大量生產某些在正常細胞代謝中產量很低的多肽,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、結構,是它們所具備的特別經(jīng)濟價值或功能得以成百上千倍的提高；DNA 重組技術仍被用來進行基礎討論；2）基因表達調控討論. 基因表達調控主要表現(xiàn)在信號轉導討論、轉錄因子討論和 RNA 剪輯 3 個方面；. 信號傳導是指外部信號通過細胞膜上的受體蛋白傳到細胞內部、并激發(fā)諸如離子通透性、 細胞外形或其他細胞功能方面的應答過程；信號轉導之所以能引起細胞功能的轉變,主要是由于信號最終活化某些蛋白質分子,使之發(fā)生構型的變化,從而直接作為靶位點,打開或關閉某些基因.轉錄因子是是一群能與基因5 端上游特定序列專一結合,從而保證目的基因以特定的強度在特定的時間與空間表達的蛋白質分子；. 真核基因轉錄成前體 mR

13、NA 后,除了在 5 端加帽及 3 端加多聚 A 之外,仍要切去隔開各個相鄰編碼區(qū)的內含子,使外顯子相連后成為成熟 mRNA. 3）生物大分子的結構功能討論. 生物大分子發(fā)揮生物學功能時,必需具備兩個前提：有特定的空間結構；在發(fā)揮生物學功能過程中必定存在著結構和和構象的變化；. 結構分子生物學就是討論生物大分子特定的空間結構及結構的運動變化與其生物學功能關系的科學；4）基因組、功能基因組與生物信息學討論. 基因組學. 功能基因組學. 蛋白組學 . 生物信息學四、分子生物學展望 人類基因組方案的開展到其他生物的基因組測序；基因工程 -轉基因動物植物,提高產量、質量到生產藥物蛋白,轉基因克隆技術等

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

15、現(xiàn)代科學的帶頭學科的必定性；20 世紀下半葉以來,生命科學文獻在科學文獻中的比重、從事生命科學討論的科學家 人數(shù)在自然科學家中所占的比重都在快速增長；生命科學的進展對科學技術的進展產生 重要影響；生命現(xiàn)象中仍有狠多重大問題需要人們去說明；例如生物體產生的有機分子為什么都 有特定的結構？遺傳密碼是怎樣形成的？當代很多新興學科（系統(tǒng)論、信息論、掌握論、耗散結構理論等等）都是從生命科學學問中受到啟示,生命現(xiàn)象中的很多問題的解決必 將給科學的進展帶來新的啟發(fā)；生命科學的進展必將促進海洋科學、空間科學、能源科 學、材料科學等當代新興科學技術的進展；2、分子生物學對社會進展的影響 1）與醫(yī)學 繁衍性克隆動

16、物克隆是指由一個動物經(jīng)無性繁衍產生多個后代個體,同一克隆內所 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培養(yǎng)早期胚胎及由此衍生的胚胎干細胞來生產人類 所需要的器官和組織；基因是一種有限的資源,一個基因可成就一家企業(yè),帶動一個產業(yè),下一個制造更 大財寶的人將有可能顯現(xiàn)在基因領域？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,而該酶是負責將糖基加入到豬細胞膜上,產生被人體免 疫系統(tǒng)視為抗原的物質,從而激發(fā)人體免疫系統(tǒng)對移植的豬器官產生超急性排斥反應；因此,對豬阿爾法 1,3 半乳糖苷轉移酶基因的敲除勝利,是人類為實現(xiàn)異種器官移植邁 進了打算性的一步 2）分子生物學與農業(yè)的可連續(xù)進展 轉基因植物（Transgenic Plants ）；轉基因動物（ Transgenic Animals ；動物克隆 Animal Cloning 3）分子生物學與能源問題 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；而利用太陽能有條件 的限制；人們把期望寄托于生物技術來解決能源問題：用農副產品發(fā)酵生產酒精,代替