五 分子生物学的降临PPT课件

.,1,第四章分子生物学的降临,公邮:jdswxfzs密码：wuhandaxue,.,2,生物学革命的三个阶段,自1900年起，生物学的进步是空前的，一场真正的生物学革命突然降临在20世纪中叶。德罗斯纳将这场革命分为三个阶段：分子生物学的降临（1955-1965）细胞生物学的改进（1965-1975）生物工程学的出现（1975-1985）,.,3,基因的分子生物学回顾,19世纪60年代，孟德尔的植物杂交实验使他得出了有机体携带遗传因子并传递给子代的结论。1906年英国生物学家贝特森首次提出了“遗传学”一词，以称呼这门研究生物遗传问题的新学科。1909年，丹麦植物学家约翰逊提议用“基因”一词代替孟德尔的遗传因子。,.,5,人们还知道每一个基因决定一个性状，因此有机体的全貌受其全部基因的控制，而这些基因都是由其亲代传递下来的。经过摩尔根的努力，生物学家搞清楚了基因在染色体内呈线性排列，确立了基因作为遗传基本单位的概念。从此以后，以解决基因组成和遗传机理为主要内容的分子生物学时代到来了,.,6,F米舍尔首次分离DNA,F米舍尔1844年出生于莱茵河畔瑞士西北部城市巴塞尔。1868年正值克里米亚战争时期，研究所附近有家医院照料着受伤的士兵。1869年，米舍尔在士兵伤口脓液的白血球细胞核中找到一种由大分子构成、含有磷和氮的物质。起初米舍尔认为该物质源于细胞核，便称它为核素(nuclein)。1874年，米舍尔将他发现的物质分离成蛋白质和酸分子后，改称其为核酸。现在，人们称米舍尔发现的物质为脱氧核糖核酸(DNA)。,米舍尔（瑞士）FriedrichMiescher(1844-1895),虽然很快就了解到核素就是细胞学家所说的染色质，但是米舍尔和当时的生物学家从来不把它看作是遗传信息的载体。作为遗传的物质基础，蛋白质是更为合理的化学物质。为什么呢？,20世纪初:植物和动物细胞中普遍存在核酸。,1869年：发现核酸(核素，nuclein),1920年代：德国化学家科赛尔发现两类不同的核酸,RNA(核糖核酸),DNA(脱氧核糖核酸,比RNA的核糖少一个氧原子),两种嘌呤和两种嘧啶，另外还有：一个磷酸，一个糖。,科赛尔(A.Kossel,18531927),还发现核酸分子含有四种碱基:,莱文（美国）PhoebusA.T.Levene(1869-1940),1909年美国洛克菲勒医学研究所的生物化学家莱文通过实验测定核酸中的核糖是戊糖。,核苷酸:核酸的基本构件,含氮碱基,戊糖,磷酸,腺嘌呤脱氧核苷酸,磷酸,糖,碱基,鸟嘌呤,腺嘌呤,胸腺嘧啶,胞嘧啶,尿嘧啶,.,13,科塞尔和莱文为了获得DNA的组分，都采用了有机化学中十分剧烈的分析方法，而这种方法后来被证明破坏了实际上是非常巨大的分子。因此，他们都误认为核酸是很小的分子，分子量约为1500D。,1929年，莱文提出了DNA的化学成分和基本结构的四核苷酸假说：1核酸:四种碱基的克分子数相等。2多核苷酸:由某种确定的、排列顺序不变的单元组成：ATCGATCGATCGATCG,莱文的“四核苷酸假说”,.,15,莱文的“四核苷酸假说”,莱文认为：一切来源的DNA中，四种碱基都是等量的。这意味着多核苷酸链是由某种确定的、排列顺序不变的单位所组成，而这些单位本身又是四种核苷酸组成的结合体。于是在这种假说之下，DNA是一种同糖原相类似的重复的多聚体。因此，它不可能产生那种对于遗传物质来说必不可少的多样性。这使得核酸丧失了作为遗传物质所具备的复杂性，因此核酸是遗传物质的设想被否定了。,.,16,一般都认为基因很可能是由蛋白质组成的，其根据则是蛋白质的多样性可以解释基因的多样性。当DNA是一个相当小的简单分子的这种看法流传开来时，认为DNA具有控制发育能力的观点就逐渐失去了说服力。考虑到发育过程和途径的极端复杂性，这样一个简单的小分子怎么可能在遗传和发育过程的控制上具有重要作用？,基因究意是什么物质构成的？对于当时整个遗传界来说，一直是个谜。,.,17,1868年：赫胥黎(T.H.Huxley,18251895)蛋白质是“生命的物质基础”。主流意见：基因是由蛋白质构成的，DNA只不过在遗传过程中发挥某些辅助的生理作用,“生命的物质基础”蛋白质还是DNA？,.,18,20世纪60年代，人们已经接受了蛋白质是生命的物质基础的观点，通过一系列的研究人们也知道蛋白质是由氨基酸构成，构成蛋白质的氨基酸有20种。对比来说，含有20种不同氨基酸的蛋白质大分子似乎能够提供无限数量的排列与组合来解释基因遗传的多样性。,.,19,当1930年代和1940年代科学家采用新的研究方法（超速离心，过滤，光吸收等等）后，出乎每个人意外的是DNA分子的分子量是50万到100万，比以前测得的（1500D）大两个数量级。实际上它们比蛋白质分子还要大。这些新发现使人们又开始重新审视核酸和蛋白质的研究，并希望澄清这样的问题：DNA与蛋白质，究竟谁是遗传信息的载体？,重新审视核酸和蛋白质的研究,1928年，发表了著名的肺炎双球菌转化试验。,格里菲斯(英国）FredrickGriffith,18771941,肺炎双球菌是一种病原菌，存在着光滑型(Smooth简称S型)和粗糙型(Rough简称R型)两种不同类型。光滑型菌株有荚膜，有毒，在人体内导致肺炎，在小鼠体中导致败血症，并使小鼠患病死亡，其菌落是光滑的；粗糙型菌株无荚膜，无毒，在人或动物体内不会导致病害，其菌落是粗糙的。,.,21,.,22,实验表明：,S型死菌体内有一种物质能引起R型活菌转化产生S型菌。这种转化的物质（转化因子）是什么?格里菲斯对此并未做出回答。,OswaldT.Avery18771955,ColinMacLeod19091972,MaclynMcCarty1911,1944年美国的埃弗里(OAvery)、麦克利奥特(C.Macleod)及麦克卡蒂(MMccarty)等人在格里菲斯工作的基础上，对转化的本质进行了深入的研究（体外转化实验）。,.,24,他们从S型活菌体内提取DNA、RNA、蛋白质和荚膜多糖，将它们分别和R型活菌混合均匀后注射人小白鼠体内。结果只有注射S型菌DNA和R型活菌的混合液的小白鼠才死亡。这是因为一部分R型菌转化产生有毒的、有荚膜的S型菌所致，并且它们的后代都是有毒、有荚膜的。由此说明RNA、蛋白质和荚膜多糖均不引起转化，而只有DNA能引起转化！,.,25,1928年，英国微生物学家F.Griffith发表了著名的肺炎双球菌转化试验1944年，美国人O.Avery，C.Macleod和M.McCarthy等人通过微生物转化试验证明DNA是遗传物质,肯定了核酸与遗传的关系。试验意义：该项实验彻底纠正了蛋白质携带遗传信息这一错误认识，确立了核酸是遗传物质的重要地位。,奥斯瓦德埃弗里OswaldAvery的历史贡献,1948.retired,TheNobelcommitteehasbeencriticizedfornotrecognizingAverysachievementbeforehisdeath(1877-1955),分子生物学领域里的孟德尔,永远的遗憾。,DNA遗传本性的发现者未获诺贝尔奖,1928-1944进行16年的肺炎链球菌遗传转化研究证明DNA是转化因子Thelifelongpitywasdueto.科学家对核酸的了解还知之甚少DNA分子的功能也就更不为人知蛋白质可能是遗传专一性的决定分子,第一个动摇了“蛋白质是基因”的理念奠定了“DNA是遗传物质”的理论基础,.,28,艾弗里的工作当时没有马上得到公认，人们甚至怀疑艾弗里提取的转化因子并不是纯粹的DNA，可能还有蛋白质。怀疑论者大多是“噬菌体小组”的成员，包括德裔美国生物学家德尔布吕克(MaxDelbruck，19061981)和卢里亚(SalvadorLuria，19121991)。虽然他们也都充分了解艾弗里的发现，但仍然沉湎于四核苷酸假说，因而不能相信DNA能够具有遗传物质所必需的复杂性。因为噬菌体小组在当时的分子生物学领域中占有支配地位，因而他们的怀疑态度具有相当大的影响。,德尔布吕克MaxDelbrck(左)19061981(美国),萨尔瓦多爱德华卢里亚SalvadorLuria(右)19121991(美国),19381952噬菌体小组,.,30,德尔布吕克起初学习理论物理学，是玻尔的学生。由于逐渐对生命的本质感兴趣，遂于1938年改行到美国组建了一个小组专门研究基因问题。他选择噬菌体作为研究对象，因为这种噬菌体只由一种蛋白质包被着一种DNA，结构简单，繁殖又快。德尔布吕克结识了来自欧洲的卢里亚，以及圣路易.华盛顿大学的赫尔希。他们的结合创立了噬菌体小组，目标是解决基因性质之谜。1947年，卢里亚任印第安纳大学教授，他接受了19岁的沃森作他的研究生，并举荐他参加噬菌体小组。,艾弗里（美国）OswaldAvery18771955,虽然噬菌体小组持怀疑态度但是艾弗里的实验结果引起了一场“雪崩”式的核酸研究热潮。,.,32,1946年到1950年间，奥地利的查伽夫(ErwinChargaff)进行的研究使当时对于DNA的看法起了革命性的变化。,.,33,查伽夫扔下了手头的一切工作，在1946年到1950年间开始转而从事核酸研究。,查伽夫从一开始就假定核酸可能像蛋白质一样高度聚合、非常复杂。他对各种来源的核酸进行了精细的分析，非常明确地证明了四种碱基的数量不是相等的。查伽夫发现：任何类型的生物中腺嘌呤A和胸嘧啶T的比值以及鸟嘌呤G和胞嘧啶C的比例总是接近于1。,查伽夫(奥地利)ErwinChargaff,1950年:碱基含量腺嘌呤A=胸腺嘧啶T鸟嘌呤G=胞嘧啶C,查伽夫的发现彻底否定了四核苷酸假说。人们开始论证DNA就是遗传物质的载体了。,赫尔希19081997AlfredHershey,蔡斯19272003MarthaChase,于是，1952年，噬菌体小组中的两位成员赫尔希和蔡斯用放射性标记的细菌病毒（即噬菌体）进行实验，为DNA是遗传物质提供了令人信服的证据。,.,36,分别用放射性同位素标记噬菌体,35S标记蛋白质,32P标记DNA,.,37,35S标记外壳蛋白质,感染后放射标记不进入大肠杆菌细胞,32P标记DNA,感染后放射标记进入大肠杆菌细胞,噬菌体,用放射性硫跟踪蛋白质表层,用放射性磷跟踪核心的DNA,侵染,搅拌,分离,细胞中无放射性硫,外表有放射性硫,细胞中有放射性磷,外表无放射性磷,沉淀里的物质具有遗传特性，沉淀里含有的是蛋白质还是DNA呢？,.,40,虽然有些科学家觉得赫尔希-蔡斯实验的资料应该谨慎地加以解释，但是噬菌体小组的成员沃森很快接受了这一成果，认为它是DNA遗传作用的很好的证据。赫尔希-蔡斯再次证明DNA是遗传物质的实验产生了直接和深远的影响。从那时起，有关遗传机制问题的研究便全部集中于DNA上了,1952年（8年后）,M.Delbruck，A.Hershey，S.E.LuriaD.H.L.(USA)TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1969,对噬菌体繁殖过程开展了深入的研究证明了DNA是主要遗传物质,.,42,D.H.L成功的因素人们已经认识到DNA可能在遗传过程中重要作用。,他们的科学论文几乎与沃森和克里克的论文同时发表，从而得到了媒体的广泛宣传。,艾弗里是孤立的研究者，较少参加学术交流与科学讨论，研究结果未能引起人们的注意。,D.H.L.的结果通过“噬菌体研究组”的学术关系和网络得到了迅速的传播和广泛的理解。,.,43,为了回答基因怎样能够作为模板这个问题，就必须更多地了解DNA分子的结构。,自从莱文以来有些学者已经预料到DNA必定具有纵向线性结构，由脱氧核糖和磷酸（碱以某种方式与之相联）的骨架构成。问题是这三种分子彼此是怎样联结的呢？只有弄清楚这个问题之后才能够确定DNA怎样执行其遗传功能。,.,44,现代物理学与现代生物学的结合-分子生物学的诞生,20世纪40年代细胞遗传学、微生物学和生化遗传学领域取得的成就，吸引了一些物理学家投身到遗传的分子基础和基因的自我复制这两个领域的研究中来，从而注入了物理学的新理论、新概念和新方法。德尔布吕克作为一位物理学家，将现代物理学与生物学相结合，将信息的概念和定量的方法引入到遗传学的研究当中。1951年用生物物理学家威尔金斯给出了DNA纤维的X射线衍射图，为DNA双螺旋结构的发现打下了基础。,.,45,当时有三个实验室都在全力探索DNA分子结构，都具有同等的成功机会。,一个是美国加州理工学院的鲍林实验室；一个是伦敦皇家学院的威尔金斯（MauriceWilkins）实验室；一个是剑桥大学的沃森-克里克实验室。他们的研究很快就演变成一场发现DNA双螺旋结构的竞赛。,美国加州理工学院的鲍林实验室,莱纳斯鲍林（美国）LinusPauline,19011994,.,47,美国加州理工学院的莱纳斯鲍林（LinusPauling，19011994）实验室,鲍林是“化学家、物理学家、结晶学家、分子生物学家和医学研究者”。曾两次荣获诺贝尔奖金（1954年化学奖，1962年和平奖），有很高的国际声誉。1951年他发现了蛋白质的基本结构。蛋白质也是一条长链分子，由二十种不同的氨基酸通过肽键彼此联结而成。这样的氨基酸链亦称多肽链。,.,48,鲍林在构想多肽链空间构型时发现，蛋白质大分子骨架实际上只能有少量不同的螺旋构型。他预见到其中一种构型，即-螺旋在决定蛋白质分子的形状中必定发挥着主导作用。鲍林因此于1954年荣获诺贝尔化学奖。,.,49,1994年8月19日，鲍林以93岁高龄在加利福尼亚逝世。,鲍林是惟一一位先后两次单独获得诺贝尔奖的科学家。曾被英国新科学家周刊评为人类有史以来20位最杰出的科学家之一，与牛顿、居里夫人及爱因斯坦齐名。首次全面描述化学键的本质；发现蛋白质的结构；揭示镰刀状细胞贫血症的病因；参与揭示DNA结构的研究；推进X射线结晶学、电子衍射学、量子力学、生物化学、分子精神病学、核物理学、麻醉学、免疫学、营养学等学科的发展。,引出的问题？,DNA分子的骨架:直的还是螺旋的？一条螺旋:碱基联在骨架的外边？多条螺旋:碱基在骨架的里边？它们彼此间如何相联？威尔金斯小组的专长是X射线结晶学。,鲍林（美国）LinusPauline19011994,布拉格（英国）LawrenceBragg18901971,弗兰克林（英国）RosalindFranklin19201958,莫里斯.维尔金斯（英国）MauriceWilkins,19162004,伦敦皇家学院的威尔金斯小组,.,52,莫里斯.维尔金斯（英国）MauriceWilkins,19162004,维尔金斯是新西兰物理学家，40年代开始生物物理学的研究工作。他在剑桥毕业后到伯明翰大学工作。还参加了美国“曼哈顿计划”。从美国回英国后，在伦敦皇家学院从事DNA的X射线的分析研究。1962年获诺贝尔生理学医学奖。因病于2004年10月5日在医院中去世，享年87岁。威尔金斯和富兰克林在建立DNA分子模型中的作用是非常重要的。1950年开始研究DNA晶体结构，采取“X射线衍射法”拍摄出第一张DNA纤维衍射图，证明DNA分子具有双链螺旋结构。这在建立DNA的分子模型的工作中发挥了重要的作用。,1952年英国RosalindFranklin拍摄到清晰的DNA晶体的X-衍射照片。1953年她认为DNA是一种对称结构，可能是螺旋。,罗莎琳德.富兰克林英国女物理学家和化学家,富兰克林出生金融家家庭，天资聪慧，心灵手巧，1941年毕业于剑桥大学。1947-1950年期间，在巴黎的一所实验室学会了X射线衍射技术，成为一位出色的物理学家、物理化学家、结晶学家和X射线衍射技术的专家。罗莎琳德1951年回国发展，去威尔金斯手下研究DNA。凭着深厚的物理学素养和绝伦的实验技术，她拍出了被誉为“完美到极致的DNA分子链X光衍射图片”。她发现照片总是表明脱氧核糖核酸具有螺旋形分子结构；她还判明磷酸基团一定位于该螺旋结构的外侧。,罗莎琳德.富兰克林英国女物理学家和化学家,沃森通过威尔金斯看到了她的X射线衍射照片（这样做显然未经她本人同意），从中发现了他们所需要的证据，于是提出DNA双螺旋结构模型。没多久这位女科学家就因卵巢癌过世，病因是无数次衍射试验受到过多辐射导致癌变，当时人们并不知道X光对人体的损害，普遍缺乏防护。1958年罗莎琳德去世时只有37岁，单身，甚至没谈过恋爱。“科学玫瑰”没等到分享荣耀，在研究成果被承认之前就已凋谢。4年后，克里克、沃森和威尔金斯共同获得了1962年诺贝尔生理学和医学奖。富兰克林对揭示核酸具有双螺旋结构所做的贡献一直未能得到公正的评价。,剑桥大学的沃森-克里克小组,沃森,克里克,沃森(JamesWatson，1929)DNA之父,Watson在中学时就是一个极聪明的孩子，虽然他在课堂上从不作笔记，但在课程结束时，他的成绩总是在班上名列前茅。15岁便进入芝加哥大学，对鸟类学极有兴趣，而对其他任何东西似乎不特别感兴趣。当他读了薛定谔(ErwinSchrodinger，18871961)的生命是什么？(1944年)一书后，便下定决心去发现基因的秘密。,.,58,沃森(JamesWatson，1929)DNA之父,由于加州理工学院和哈佛大学都未招收他，他便在印第安纳大学当研究生，但是那里没有鸟类学专业，于是选择在卢里亚的指导下工作。22岁获得遗传学博士学位后到欧洲继续深造。在丹麦哥本哈根的卡尔喀实验室工作了一年后，他的某些研究计划由于技术上的原因无法进一步开展，又转到了剑桥大学卡文迪什实验室加入佩卢兹小组从事植物病毒核酸的分子结构研究。,.,59,克里克:伟大的事情就在角落里,1938年:伦敦大学物理学硕士。二战的爆发改变了很多人的生活轨迹，一枚德国炸弹炸毁了克里克在大学的实验室，他继续攻读博士的努力也被迫中断。薛定谔生命是什么？的印象:可以用精确的概念，即物理学和化学的概念，来考虑生物学的本质问题。1949年:加入剑桥大学的卡文迪许物理学实验室（佩卢兹小组）攻读博士学位。2004年7月28日深夜，弗朗西斯克里克在与结肠癌进行了长时间的搏斗之后，在加州圣地亚哥的桑顿医院里逝世，享年88岁。,克里克(英国)FrancisCrick19162004,.,60,克里克和沃森具有同样的才华，并且在实验技术上很内行,卡文迪许实验室的科学家们正在集中精力用X射线晶体学方法来研究血红蛋白的分子结构，但克里克却敏锐地将目光聚焦在了DNA之上。1951年10月，年仅23岁的美国遗传学博士沃森（JamesD.Watson）来到了卡文迪许实验室做博士后研究。沃森生机勃勃，同时怀抱着一个近乎偏执的信念：遗传物质是由DNA而不是蛋白质组成的。由于两人共同的志趣、相互吸引的个性，以及互补的知识背景，克里克和沃森很快就开始携手合作，致力于DNA分子结构的研究。,.,61,分子生物学的重要里程碑,1951.JamesWatson（Luria的第一个研究生23y),丹麦哥本哈根的卡尔喀实验室KalckarLab.Post-Do,访问意大利的那不勒斯动物研究所时KingsLab.LondonUniv.MauriceWilkins,1951CavendishLab.CambridgeUniversityUK,35yCrick,23yWatson,.,63,1.鲍林:建立螺旋模型，再用X射线检验2.1952年6月,格里菲斯(JohnGriffith):计算同类碱基之间的吸引力。理论上:不同碱基之间相互吸引。3.1952年7月,查伽夫访问剑桥。在谈话中，克里克得知DNA所含四种碱基含量不相等，嘌呤与嘧啶的比例总是1：1，验证了克里克设想的碱基配对可能是DNA分子结构的基础。4.弗兰克林1952年得到的最好的DNA的X射线照片(51号)。,DNA分子结构发现的过程,.,64,5.1952年冬天，当他们得知鲍林不久可能建立一个DNA模型时，沃森和克里克更加疯狂地工作，希望赶在别人的前面建立一个精确的DNA模型。可供选择的方案已经缩减到两链或三链分子，这种链的碱基朝内，糖-磷酸骨架朝外，或者碱基朝外，糖-磷酸骨架朝内。,.,65,6.1953年1月30日星期五，沃森访问伦敦大学的威尔金斯小组，从威尔金斯那里得到了弗兰克林关于DNA结构的新照片和新数据。7.沃森:我简直目瞪口呆。照片中反射出的黑十字只能是螺旋结构的结果。8.X射线的数据与密度的测量结果符合DNA是双链的可能性;糖-磷酸骨架一定位于DNA链的外侧。,Nature1953年4月25日AstructureforDeoxyriboseNucleicAcid,.,67,1953年4月25日，沃森-克里克的DNA模型在自然杂志的一篇短文中公布于世，仅用了900个单词，一个简单图解说明了全部内容。这个模型包括两个彼此缠绕的螺旋体，像是一个螺旋楼梯，梯阶由配对的碱基(腺嘌呤-胸腺嘧啶、胞嘧啶-鸟嘌呤)构成，糖-磷酸骨架在外侧。,.,70,1953年，美国人J.D.Watson英国人F.H.C.Crick提出DNA双螺旋模型。,FormsofDNA,细胞中DNA主要以B型构象存在,Crick：我本人的思想是基于两个基本原理，我称之为序列假说（sequencehypothesis）和中心法则(centraldogma)sequencehypothesis：核酸片段的特异性完全由其碱基序列所决定，而且这种序列是某一蛋白质氨基酸序列的密码。centraldogma：信息一旦进入蛋白质，它就不可能再输出。,Crick(1957）在英国实验生物学学会演讲第一次论述了“中心法则”和“序列假说”,NobelmedalHalfapoundof23-karalgold.2.5inchesacross,诺贝尔奖不能给那些故去的人颁发，实在是个遗憾RosalindFranklin38岁英年早逝.,.,75,DNA的双螺旋结构的发现,1.1953年刚刚离开大学校门的沃森和物理学家克里克发现了DNA的双螺旋结构，开启了分子生物学时代。2.分子生物学使生物大分子的研究进入一个新的阶段，使遗传的研究深入到分子层次。3.沃森和克里克和威尔金斯共同获得了1962年的诺贝尔奖，非常遗憾的是，社会上始终认为模型是沃森和克里克的，不承认是3人共有的。,对双螺旋的了解开拓了一个广阔的、激动人心的研究新领域，可以毫不夸张的说，由于这一发现的结果，分子生物学在随后的15年中完全左右了生物学。迈尔ErnstMayr(1904),20世纪生命科学最重要的事件是分子生物学的产生，而分子生物学来自沃森和克里克的DNA双螺旋模型。,薛定谔（奥地利）ErwinSchrodinger18871961,1944年:生命是什么？,唤起生物学革命的物理学家及其小册子,.,78,薛定谔生命是什么?,沃森-克里克这两位科学家恰巧都受到薛定谔的小册子生命是什么?的深刻影响。他们的成就，使其后五十年生物学完