分子生物学的现状和今后的发展

1、姓名：胡冬雪 学号：02104117 学校：白城师范学院 指导教师：赵娜 写作时间：2013.09.05 目录 1. .论文才要 2. 分支生物学的研究现状及前景 3. 参考文献资料 分子生物学的研究现状和今后的发展前景 摘要分子生物学是利用分子生物学的技术和方法研究人体内源性或外源性生物大分子和大分子体系的存在、结构或表达调控的变化，从而为疾病的预防、预测、诊断、治疗和转归提供信息和决策依据的一门学科。近些年其发展迅速，并渗透到了多门学科的研究领域。分子生物学的发展前景是相当可观的。 关键字分子生物学现状及发展基因治疗蛋白质工程 分子生物学(molecularbiology) 在分子水平上研

2、究生命现象的科学。研究生物大分子（核酸、蛋白质）的结构、功能和生物合成等 方面来阐明各种生命现象的本质。研究内容包括各种生命过程如光合作用、发育的分子机制、神经 活动的机理、癌的发生等。 从分子水平研究生物大分子的结构与功能从而阐明生命现象本质的科学。自 20 世纪 50 年代以来， 分子生物学是生物学的前沿与生长点，其主要研究领域包括蛋白质体系、蛋白质-核酸体系（中心 是分子遗传学）和蛋白质-脂质体系（即生物膜）o 生物大分子，特别是蛋白质和核酸结构功能的研究，是分子生物学的基础。现代化学和物理学 理论、技术和方法的应用推动了生物大分子结构功能的研究，从而出现了近 30 年来分子生物学的 蓬

3、勃发展。分子生物学和生物化学及生物物理学关系十分密切，它们之间的主要区别在于：生 物化学和生物物理学是用化学的和物理学的方法研究在分子水平，细胞水平，整体水平乃至群体 水平等不同层次上的生物学问题。而分子生物学则着重在分子（包括多分子体系）水平上研究生命 活动的普遍规律；在分子水平上，分子生物学着重研究的是大分子，主要是蛋白质，核酸，体月旨 质系以及部分多糖及其复合体系。而一些小分子物质在生物体内的转化则属生物化学的范围； 分子生物学研究的主要目的是在分子水平上阐明整个生物界所共同具有的基本特征，即生命现象的 本质；而研究某一特定生物体或某一种生物体内的某一特定器官的物理、化学现象或变化，则属

4、于 生物物理学或生物化学的范畴。 发展简史结构分析和遗传物质的研究在分子生物学的发展中作出了重要的贡献。结构分析的中心内 容是通过阐明生物分子的三维结构来解释细胞的生理功能。1912年英国 W.H.布喇格和 W.L.布喇 格建立了X射线晶体学，成功地测定了一些相当复杂的分子以及蛋白质的结构。以后布喇格的学生 W.T.阿斯特伯里和 J.D.贝尔纳又分别对毛发、肌肉等纤维蛋白以及胃蛋白酶、烟草花叶病毒等进行了初步的结构分析。他们的工作为后来生物大分子结晶学的形成和发展奠定了基础。 分子生物学作为一门独立的分支学科脱颖而出并迅速发展的年代。首先是在蛋白质结构分析方面， 1951年 L.C.波林等提出

5、了 a-螺旋结构，描述了蛋白质分子中肽链的一种构象。1955 年 F.桑格 完成了胰岛素的氨基酸序列的测定。接着 J.C.肯德鲁和 M.F.佩鲁茨在X射线分析中应用重原子同 晶置换技术和计算机技术分别于 1957 和 1959 年阐明了鲸肌红蛋白和马血红蛋白的立体结构。1965 年中国科学家合成了有生物活性的胰岛素，首先实现了蛋白质的人工合成。 另一方面，M.德尔布吕克小组从 1938 年起选择噬菌体为对象开始探索基因之谜。噬菌体感染寄主后半小时内就复制出几百个同样的子代噬菌体颗粒，因此是研究生物体自我复制的理想材料。1940 年 G.W.比德尔和 E.L.塔特姆提出了“一个基因，一个酶”的假

6、设，即基因的功能在于决定酶的结构，且一个基因仅决定一个酶的结构。但在当时基因的本质并不清楚。1944 年 O.T.埃弗里等研究细菌中 的转化现象，证明了 DNA是遗传物质。1953 年 J.D.沃森和 F.H.C.克里克提出了 DNA的双螺旋结构，开创了分子生物学的新纪元。在此基础上提出的中心法则，描述了遗传信息从基因到蛋白质结 构的流动。遗传密码的阐明则揭示了生物体内遗传信息的贮存方式。1961 年 F.雅各布和 J.莫诺提 出了操纵子的概念，解释了原核基因表达的调控。到20世纪60年代中期，关于 DNA自我复制和转录生成 RNA的一般性质已基本清楚，基因的奥秘也随之而开始解开了。 仅仅 3

7、0 年左右的时间，分子生物学经历了从大胆的科学假说，到经过大量的实验研究，从而建立了 本学科的理论基础。进入 70 年代，由于重组 DNA研究的突破，基因工程已经在实际应用中开花结果，根据人的意愿改造蛋白质结构的蛋白质工程也已经成为现实。 基本内容蛋白质体系蛋白质的结构单位是 a-氨基酸。常见的氨基酸共 20 种。它们以不同的顺序排列可以为生命世界提供天文数字的各种各样的蛋白质。 蛋白质分子结构的组织形式可分为 4 个主要的层次。一级结构，也叫化学结构，是分子中氨基酸的 排列顺序。首尾相连的氨基酸通过氨基与竣基的缩合形成链状结构，称为肽链。肽链主链原子的局部空间排列为二级结构。二级结构在空间的

8、各种盘绕和卷曲为三级结构。有些蛋白质分子是由相同 50 年代是 的或不同的亚单位组装成的，亚单位间的相互关系叫四级结构。 蛋白质的特殊性质和生理功能与其分子的特定结构有着密切的关系，这是形形色色的蛋白质所以能 表现出丰富多彩的生命活动的分子基础。研究蛋白质的结构与功能的关系是分子生物学研究的一个重要内容。 随着结构分析技术的发展，现在已有几千个蛋白质的化学结构和几百个蛋白质的立体结构得到了阐 明。70 年代末以来，采用测定互补 DNA顺序反推蛋白质化学结构的方法，不仅提高了分析效率， 而且使一些氨基酸序列分析条件不易得到满足的蛋白质化学结构分析得以实现。 发现和鉴定具有新功能的蛋白质，仍是蛋白

9、质研究的内容。例如与基因调控和高级神经活动有关的蛋白质的研究现在很受重视。 蛋白质一核酸体系生物体的遗传特征主要由核酸决定。绝大多数生物的基因都由 DNA构成。简单 的病毒， 如入噬菌体的基因组是由 46000 个核甘酸按一定顺序组成的一条双股 DNA(由于是双股 DNA,通常以碱基对计算其长度)。细菌，如大肠杆菌的基因组，含 4X106 碱基对。人体细胞染色体上所含 DNA为 3X109 碱基对。 遗传信息要在子代的生命活动中表现出来，需要通过复制、转录和转译。复制是以亲代 DNA为模 板合成子代 DNA分子。转录是根据 DNA的核甘酸序列决定一类 RNA分子中的核甘酸序列；后者 又进一步决

10、定蛋白质分子中氨基酸的序列，就是转译。因为这一类 RNA起着信息传递作用，故称信使核糖核酸(mRNA)。由于构成 RNA的核甘酸是 4 种，而蛋白质中却有 20 种氨基酸，它们的对应关系是由 mRNA分子中以一定顺序相连的 3个核甘酸来决定一种氨基酸，这就是三联体遗传 密码。 基因在表达其性状的过程中贯串着核酸与核酸、核酸与蛋白质的相互作用。DNA复带ij时，双股螺 旋在解旋酶的作用下被拆开，然后 DNA聚合酶以亲代 DNA链为模板，复制出子代 DNA链。转录 是在RNA聚合酶的催化下完成的。转译的场所核糖核蛋白体是核酸和蛋白质的复合体，根据 mRNA的编码，在酶的催化下，把氨基酸连接成完整的

11、肽链。基因表达的调节控制也是通过生物大 分子的相互作用而实现的。如大肠杆菌乳糖操纵子上的操纵基因通过与阻遏蛋白的相互作用控制 基因的开关。真核细胞染色质所含的非组蛋白在转录的调控中具有特殊作用。正常情况下，真核细 胞中仅 215%基因被表达。这种选择性的转录与转译是细胞分化的基础。 蛋白质-脂质体系生物体内普遍存在的膜结构，统称为生物膜。它包括细胞外周膜和细胞内具有各 种特定功能的细胞器膜。从化学组成看，生物膜是由脂质和蛋白质通过非共价键构成的体系。很多 膜还含少量糖类，以糖蛋白或糖脂形式存在。 1972 年提出的流动镶嵌模型概括了生物膜的基本特征：其基本骨架是脂双层结构。膜蛋白分为表在 蛋白

12、质和嵌入蛋白质。膜脂和膜蛋白均处于不停的运动状态。 生物膜在结构与功能上都具有两侧不对称性。以物质传送为例，某些物质能以很高速度通过膜，另 一些则不能。象海带能从海水中把碘浓缩 3 万倍。生物膜的选择性通透使细胞内 pH和离子组成相 对稳定，保持了产生神经、肌肉兴奋所必需的离子梯度，保证了细胞浓缩营养物和排除废物的功能。 生物体的能量转换主要在膜上进行。生物体取得能量的方式，或是像植物那样利用太阳能在叶绿体 膜上进行光合磷酸化反应；或是像动物那样利用食物在线粒体膜上进行氧化磷酸化反应。这二者能 量来源虽不同，但基本过程非常相似，最后都合成腺昔三磷酸。对于这两种能量转换的机制，P.米 切尔提出的

13、化学渗透学说得到了越来越多的证据。生物体利用食物氧化所释放能量的效率可达 70% 左右，而从煤或石油的燃烧获取能量的效率通常为 2040%,所以生物力能学的研究很受重视。对 生物膜能量转换的深入了解和模拟将会对人类更有效地利用能量作出贡献。 生物膜的另一重要功能是细胞间或细胞膜内外的信息传递。在细胞表面，广泛地存在着一类称为受 体的蛋白质。激素和药物的作用都需通过与受体分子的特异性结合而实现。癌变细胞表面受体物质 的分布有明显变化。细胞膜的表面性质还对细胞分裂繁殖有重要的调节作用。 对细胞表面性质的研究带动了糖类的研究。糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂等生物大分子结构与功能的研究越来越受到重视。从发展趋

14、势看，寡糖与蛋白质或脂质形成的体系将成为分子生物学研究的一个新的重要的领域。 理论意义和应用分子生物学的成就说明：生命活动的根本规律在形形色色的生物体中都是统一的。 例如，不论在何种生物体中，都由同样的氨基酸和核甘酸分别组成其蛋白质和核酸。遗传物质，除 某些病毒外，都是 DNA,并且在所有的细胞中都以同样的生化机制进行复制。分子遗传学的中心 法则和遗传密码，除个别例外，在绝大多数情况下也都是通用的。 物理学的成就证明，一切物质的原子都由为数不多的基本粒子根据相同的规律所组成，说明了物质 世界结构上的高度一致，揭示了物质世界的本质，从而带动了整个物理学科的发展。分子生物学则 在分子水平上揭示了生

15、命世界的基本结构和生命活动的根本规律的高度一致，揭示了生命现象的本 质。和过去基本粒子的研究带动物理学的发展一样，分子生物学的概念和观点也已经渗入到基础和 应用生物学的每一个分支领域，带动了整个生物学的发展，使之提高到一个崭新的水平。 过去生物进化的研究，主要依靠对不同种属间形态和解剖方面的比较来决定亲缘关系。随着蛋白质 和核酸结构测定方法的进展，比较不同种属的蛋白质或核酸的化学结构，即可根据差异的程度，来 断定它们的亲缘关系。由此得出的系统进化树，与用经典方法得到的是基本符合的。采用分子生物 学的方法研究分类与进化有特别的优越性。首先，构成生物体的基本生物大分子的结构反映了生命 活动中更为本

16、质的方面。其次，根据结构上的差异程度可以对亲缘关系给出一个定量的，因而也是更准确的概念。第三，对于形态结构非常简单的微生物的进化，则只有用这种方法才能得到可靠结 果。 高等动物的高级神经活动是极其复杂的生命现象，过去多是在细胞乃至整体水平上研究，近年来深 入到分子水平研究的结果充分说明高级神经活动也同样是以生物大分子的活动为基础的。例如，在 高等动物学习与记忆的过程中，大脑中 RNA和蛋白质的组成发生明显的变化，并且一些影响生物体 合成蛋白质的药物也显著地影响学习与记忆的能力。又如，“生物钟”是一种熟知的生物现象。用 鸡进行的实验发现，有一种重要的神经传递介质（5-羟色胺）和一种激素（褪黑激素

17、）以及控制它 们变化的一种酶，在鸡脑中的含量呈 24 小时的周期性变化。正是这种变化构成了鸡的“生物钟”的 物质基础。 在应用方面，生物膜能量转换原理的阐明，将有助于解决全球性的能源问题。了解酶的催化原理就 能更有针对性地进行酶的人工模拟，设计出化学工业上广泛使用的新催化剂，从而给化学工业带来 场革命。 分子生物学在生物工程技术中也起了巨大的作用，1973 年重组DNA技术的成功，为基因工程的 发展铺平了道路。80 年代以来，已经采用基因工程技术，把高等动物的一些基因引入单细胞生物， 用发酵方法生产干扰素、多种多肽激素和疫苗等。基因工程的进一步发展将为定向培育动、植物和 微生物良种以及有效地控

18、制和治疗一些人类遗传性疾病提供根本性的解决途径。 从基因调控的角度研究细胞癌变也已经取得不少进展。分子生物学将为人类最终征服癌症做出重要 的贡献。 编辑本段分子生物学的应用 分子生物学的发展及其在临床医学上的应用已经走过了半个多世纪的路程，随着国际交往的增加，近 年来我国分子生物学技术有了突飞猛进的发展。目前在医学院校和省级以上的医院均建立了临床分 子生物学实验室。随着分子生物学的兴起和向各方面的渗透，生物科学的各分支学科也经历着兴衰 更替的变化。从目前的发展状况来看，分子生物学仍将保持带头分支学科的地位，分子生物学带动了整个生物科学的全面发展。 就分子生物学现状来看，现代生物科学是生物科学与

19、众多学科之间相互交叉、渗透和相互促进的结 果。例如：分子生物学渗入到发育生物学产生了分子发育生物学(molecdardevelopmentalbiology), 生活周期短的一些动植物如线虫、果蝇、拟南芥已成为发育生物学的重点研究对象，它们的发育过程 很多已从分子水平得到了解。分子生物学与细胞生物学关系密切，已形成一门新的分子细胞生物学 (molecdarcellbiology)。许多细胞生物学问题如细胞分裂、细胞骨架(cytoskeleton)、细胞因子 (cytoldne)的研究都进入了分子水平。免疫学与分子生物学结合，产生了分子免疫学(molecular immunology)。病理学与

20、分子生物学结合，产生了分子病理学(molecularpathology淇中病毒学与分子生物学结合，就是分子病毒学(molecularvirology其他相关科学推动了生物科学对生命现象和本质的研究不断深入和扩大，生物科学的发展也为其他相关科学提出了许多新的研究课题，开辟了许多新的研究领域。可见，生物科学与有关科学的高度的双向渗透和综合。再者，现代生物科学的新进 展，许多是在采用先进的技术和手段的条件下取得的，这些新技术有：DNA重组技术，DNA合成 技术，快速 DNA序列测定技术，蛋白质人工合成技术，蛋白质序列测定技术，核酸分子杂交技术，反义 RNA技术，聚合酶链反应扩增技术，单克隆抗体技术，脉冲电泳技术，电子计算机技术等等。 要论起分子生物学目前在实际方面的发展状况是令人乐观的。在医学方面，基因治疗(genetherapy) 目前已在研究之中。在动植物方面转基因动植物的培育，也已进入重点研究之列，成为生物技术 (biotechnology)的主要内容。将苏云金杆菌毒蛋白(Bt)基因转入棉花已获得抗棉铃虫的抗虫棉，并已 取得经济效益。利用反义 RNA(antisenseRNA)技术延长果实、蔬菜的保鲜期和改变花卉的花色也 已取得成果，。蛋白质工程(proteinengineer