分子生物学第一章剖析

1、. 第一章 绪论1课程教学内容（1）十九世纪和二十世纪生命科学的回忆（2）分子生物学的概念（3）二十一世纪分子生物学展望 2课程重点、难点 分子生物学的概念、讨论内容和进展历史 3课程教学要求（1）懂得分子生物学讨论的内容；（2）把握分子生物学领域一些具有里程碑意义的大事；一、什么是分子生物学？分子生物学：是讨论核酸、蛋白质等生物大分子的外形、结构特点及其重要性和规律性 和相互关系的科学,是人类从分子水平上真正揭示生物世界的秘密,由被动地适应自然 界主动地改造和重组自然界的基础学科；创世说与进化论.很多年来,人们反复提出的 3 个与生命和一切生物学现象有关的问题：生命怎样起源？为什么有其父必有

2、其子？动植物个体怎样从一个受精卵发育而来？.十九世纪初叶,对于这些问题只能从宗教或迷信的角度进行回答-上帝制造了一切；.1859 年,宏大的英国生物学家达尔文发表了物种起源一书,确立了进化论；细胞学说.17 世纪末叶,荷兰籍显微镜专家Leewenhoek 制作胜利了世界第一架光学显微镜；.与 Leewenhoek 同时代的 Hooke, 第一次用细胞这个概念来形容组成软木的最基本单元；虽然这一概念到十九世纪中叶,才正式被科学界接受,但它对生物学的奉献是不行估量 的；.细胞学说是由德国植物学家 九世纪的三大发觉之一；Schleiden 和动物学家 Schwann 建立的；这一发觉被称为十.Sch

3、leiden 诞生于德国汉堡, 22 岁就获得了法学博士学位,但他并不喜爱当律师,28 岁时他到哥廷根和柏林学习植物学和医学,36 岁获得医学和哲学博士学位；.Schwann 是首饰匠的儿子, 16 岁高中毕业后,没有根据父母的意愿学习神学,而是到柏林学医, 24 岁获得了博士学位；在柏林解剖博物馆工作时结识了 Schleiden.他们虽然个性、经受迥然不同,但共同的志趣促成了他们多年的合作；Schleiden 讨论植物的囊胚,Schwann 讨论蛙类的胚胎组织,相同的讨论方向,相像的讨论方法,使他们取得了一样的见解,共同创立了生物科学色基础理论；.全部组织的最基本的单元是外形特别相像而有高度

4、分化的细胞；细胞的发生和形成是生物学界普遍和永久的规律；.细胞学说对生命现象实际上是细胞活动的总和,的主要对象；经典的生物化学和遗传学所以细胞可以而且应当成为生物学讨论.进化论和细胞学说相结合,产生了作为主要试验科学之一的现代生物学,而以讨论动、植物遗传变异规律为目标遗传学和以分别纯化、鉴定细胞内含物质为目标的生物化学就 是这一学科的两大支柱；.在十九世纪中叶, 人们发觉动物和植物细胞的提取液中主要是一些能受热或酸变性形成 纤维状沉淀的物质；DNA 的发觉早在 1928 年英国科学家 Griffith等人就发觉,肺炎链球菌使小鼠引起死亡的缘由是引起肺炎；细菌的毒性是由细胞表面夹膜中的多糖所打算

5、的；具有光滑外表的 S 型肺炎链球菌由于带有夹膜的多糖而能使小鼠发病,具有粗糙外表的 R 型细菌由于没有夹膜多糖而失去致病力；第一试验证明基因就是 DNA 分子的是美国闻名的微生物学家 Avery.试验过程. 第一将光滑型致病菌（ S 型）烧煮杀灭活性以后再侵染小鼠,发觉这些死细菌自然丢失致病才能；. 再用活的粗糙型细菌来侵染小鼠,也不能使之发病,由于粗糙型细菌自然无致病力；.然而当他们将经烧煮杀死的S 型细菌和活的 R 型细菌在混合感染小鼠时, 试验小鼠每次都死去；.解剖死亡的小鼠发觉大量的活的S 型细菌；Hershey 和他的同学 Chase 的噬菌体侵染细菌的试验. 噬菌体用尾部的末端吸

6、附细菌表面. 噬菌体通过尾轴把 DNA 全部注入细菌细胞内,噬菌体的蛋白外客就留在细胞外面；. 噬菌体的 电脑啊一旦进入细菌体内,它就能利用细菌的生命过程合成噬菌体自身的 DNA 和蛋白质. 新合成的 DNA 和蛋白质外壳,能组装成很多与亲代完全相同的子代噬菌体；. 子代噬菌体由于细菌的解体而被释放出来,再去侵染其他细菌；在整个过程中,DNA 起了关键的作用；二、分子生物学的进展简史. 从 1847 年提出细胞学说至今一百多年间,我们对生物大分子即细胞的组成有了深刻的熟悉；为了全面明白分子生物学的的进展,我们不妨来看一看部分诺贝尔生理医学奖和化学奖作为纽带的分子生物学进展简史；.1910 年,

7、德国科学家Kossel 由于蛋白质、细胞和核酸化学的讨论而获得诺贝尔生理医学奖,他第一分别出腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸在量子力学家薛定谔的生命是什么.1944 年一书的影响下,很多物理学家和化学家投身于生命的分子基础和基因的自我复制这两个生物学中心问题的讨论 ,将现代物理学和化学的最新成果、理论和方法带入了生物学讨论中；1 1953 年 4 月 25 日出版的 Nature 杂志上,沃森 Watson 和物理学家克里克 Crick 提出了 DNA 双螺旋结构模型,标志着遗传学以及整个生物学进入分子水平的新时代；2 50 岁月初, Barbara Mclintock 在玉米中发觉可动遗传因子即转座

8、因子,但是这个过于超时代的发觉当时并未得到承认,甚至受到讥笑；3 1961 年克里克等证明白他于1958 年提出的关于遗传三联密码的估计；1969 年Nirenberg 等解译出全部遗传密码；4 60 岁月,阐明 mRNA 、tRNA 及核糖体的功能、蛋白质生物合成的过程、“中心法就” 等；（5）70 岁月,发觉限制性核酸内切酶、人工分别和合成基因取得进展,1972 年P.Berg 胜利实现了 DNA 体外重组 ;1973 年 S.N.Cohen 通过 DNA 的体外重组胜利地构建了第一个有生物学功能的细菌杂交质粒,究；从而兴起以 DNA 重组技术为核心的基因工程研（6）80 岁月,基因工程技

9、术飞速进展,基因工程药物和疫苗投入临床使用,转基因动 植物产品上市销售,转基因动植物生物反应器讨论成为热点并实现商品化；（7）90 岁月,1992 年“人类基因组方案 ”开头实施,投资 30 亿美元旨在测定人类基因组 全部 30 亿个核苷酸对的碱基序列,是在破译生物体全部遗传密码的征途上迈出的第一 步,将为掀开人类和生物体生长、发育、疾病、衰老和死亡的秘密奠定基础,其意义与 原子弹讨论曼哈顿方案和载人登月阿波罗方案相比有过之而无不及；克隆羊 “多莉 ”Dolly 产生之后,克隆牛、羊、小鼠等动物纷纷获得胜利；（8）21 世纪初人类基因组方案提前完成,遗传学面临新的挑战和使命,即进入了“基因组后

10、讨论 ” 时代,在搞清晰基因组的全部序列的基础上,仍要完全阐明基因组所包含的全部遗传信息的生物学功能, 及其所编码的蛋白质的结构和功能,所以又称为 “蛋白质组 ”讨论；同时,仍要应用基因工程和蛋白质工程技术,改造蛋白质,使人类对生命活动的 熟悉和支配由必定王国进入自由王国；三、分子生物学的讨论内容 分子生物学的三条基本原理：构成生物体各类有机体大分子的单体在不同生物中都是相 同的；生物体内一切有机大分子的建成都遵循共同的规章；某一特定生物体所拥有的核 酸及蛋白质分子打算了它的属性；分子生物学涉及的范畴极为广泛,讨论内容也好像包罗万象,事实上它讨论的内容 不外乎以下四个方面： DNA 重组技术、

11、基因表达与调控、 生物大分子的结构与功能讨论、基因组、功能基因组和生物信息学；1）DNA 重组技术DNA 重组技术（基因工程）是20 世纪 70 岁月初兴起的技术科学,目的是将不同的DNA 片段根据人们的设计定向连接起来,在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达,产生影响受体细胞的新的遗传性状；DNA 重组技术是核酸化学、蛋白质化学、酶工程及微生物学、遗传学、细胞学长期深化讨论的结果,而限制性内切酶、术得以建立的关键；DNA 连接酶及其他工具酶的发觉和应用就是这一技DNA 重组技术的应用： 大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低的多肽,如激素、抗生素、酶类及抗体等；可以定向改造某些生物的基因组

12、结构,是它们所具备的特别经济价值或功能得以成百上千倍的提高；DNA 重组技术仍被用来进行基础讨论；2）基因表达调控讨论. 基因表达调控主要表现在信号转导讨论、转录因子讨论和 RNA 剪辑 3 个方面；. 信号传导是指外部信号通过细胞膜上的受体蛋白传到细胞内部、并激发诸如离子通透性、 细胞外形或其他细胞功能方面的应答过程；信号转导之所以能引起细胞功能的转变,主要是由于信号最终活化某些蛋白质分子,使之发生构型的变化,从而直接作为靶位点,打开或关闭某些基因.转录因子是是一群能与基因5 端上游特定序列专一结合,从而保证目的基因以特定的强度在特定的时间与空间表达的蛋白质分子；. 真核基因转录成前体 mR

13、NA 后,除了在 5 端加帽及 3 端加多聚 A 之外,仍要切去隔开各个相邻编码区的内含子,使外显子相连后成为成熟 mRNA. 3）生物大分子的结构功能讨论. 生物大分子发挥生物学功能时,必需具备两个前提：有特定的空间结构；在发挥生物学功能过程中必定存在着结构和和构象的变化；. 结构分子生物学就是讨论生物大分子特定的空间结构及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学；4）基因组、功能基因组与生物信息学讨论. 基因组学. 功能基因组学. 蛋白组学 . 生物信息学四、分子生物学展望 人类基因组方案的开展到其他生物的基因组测序；基因工程 -转基因动物植物,提高产量、质量到生产药物蛋白,转基因克隆技术等

14、；生 物学在各个学科之间广泛渗透,相互促进,不断深化和进展；科学家从分子水平、细胞 水平、个体和群体等不同层次深化探究各种生物现象；分子生物学与其他学科的融合：与细胞生物学、神经生物学、与遗传学、与分类学和生 物进化讨论、与发育生物学 21 世纪的领衔学科 1、生命科学可望成为 在科学进展的历史上,各门学科并非齐头并进,总有一门或一组学科走在其他学科的 前面,从理论观念、思维方式或科研方法上对其他学科发挥重要的影响,人们称之为带 头学科；近代科学的带头学科是力学,现代科学的带头学科是物理学,21 世纪的带头学 科将是什么？人们看好生命科学；回忆科学的进展史,我们就能看到力学和物理学成为 近代和

15、现代科学的带头学科的必定性；20 世纪下半叶以来,生命科学文献在科学文献中的比重、从事生命科学讨论的科学家 人数在自然科学家中所占的比重都在快速增长；生命科学的进展对科学技术的进展产生 重要影响；生命现象中仍有狠多重大问题需要人们去说明；例如生物体产生的有机分子为什么都 有特定的结构？遗传密码是怎样形成的？当代很多新兴学科（系统论、信息论、掌握论、耗散结构理论等等）都是从生命科学学问中受到启示,生命现象中的很多问题的解决必 将给科学的进展带来新的启发；生命科学的进展必将促进海洋科学、空间科学、能源科 学、材料科学等当代新兴科学技术的进展；2、分子生物学对社会进展的影响 1）与医学 繁衍性克隆动

16、物克隆是指由一个动物经无性繁衍产生多个后代个体,同一克隆内所 有成员的遗传信息是完全相同的；治疗性克隆概念利用核重组技术培养早期胚胎及由此衍生的胚胎干细胞来生产人类 所需要的器官和组织；基因是一种有限的资源,一个基因可成就一家企业,带动一个产业,下一个制造更 大财宝的人将有可能显现在基因领域？PPL 公司胜利获得 GT-knockout 猪： 20XX 年 12 月 25 日, PPL 公司胜利地获得了 5 头“ Knock-out ”（基因敲除）母猪,命名为 基因组上的 alpha 1,3 Noel, Angel, Star, Joy 和 Mary ；这些猪galactosyl transf

17、erase 被敲除,而该酶是负责将糖基加入到猪细胞膜上,产生被人体免 疫系统视为抗原的物质,从而激发人体免疫系统对移植的猪器官产生超急性排斥反应；因此,对猪阿尔法 1,3 半乳糖苷转移酶基因的敲除胜利,是人类为实现异种器官移植迈 进了打算性的一步 2）分子生物学与农业的可连续进展 转基因植物（Transgenic Plants ）；转基因动物（ Transgenic Animals ；动物克隆 Animal Cloning 3）分子生物学与能源问题 地球上的煤和石油化石能的枯竭指日可待,核燃料也有告罄之时；而利用太阳能有条件 的限制；人们把期望寄托于生物技术来解决能源问题：用农副产品发酵生产酒精,代替