分子生物学概述

MolecularBiologyinpharmcy分子生物学21世纪是揭示生命现象内在奥秘的世纪分子生物学是生命科学发展中最重要的前沿领域医药学研究中地位举足轻重绪论1.分子生物学的基本含义及主要研究内容2.分子生物学发展简史3.分子生物学实际应用的现状和展望4.分子生物学与其他学科的关系一、分子生物学的基本含义

及主要研究内容1分子生物学（MolecularBiology）的基本含义狭义的分子生物学：偏重于核酸（基因）的分子生物学，主要研究基因或DNA的复制、转录、表达和调控等过程，也涉及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能的研究。广义的分子生物学：以核酸和蛋白质等生物大分子的结构及其在遗传信息和细胞信息传递中的作用为研究对象，从分子水平阐明生命现象和生物学规律。不同的生物大分子之间的相互作用不同的物种特性2.分子生物学的三大原则1)构成生物大分子的单体是相同的共同的核酸语言共同的蛋白质语言2)生物遗传信息表达的中心法则相同

DNARNAproteincharacter3)生物大分子单体的排列（核苷酸、氨基酸）的不同

不同的高级结构3.分子生物学研究的三大领域

*基因的分子生物学：基因的概念、结构、复制、表达、重组、交换（狭义的分子生物学）

*

结构分子生物学：

生物大分子的结构与功能生物大分子之间的相互作用DNA－蛋白质激素和受体酶和底物

*

生物技术理论与应用基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程二、分子生物学发展简史1.准备和酝酿阶段2.现代分子生物学的建立和发展阶段3.初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段1准备和酝酿阶段时间：19世纪后期到20世纪50年代初。两点重大突破：确定了蛋白质是生命的主要基础物质；确定了生物遗传的物质基础是DNA。

2现代分子生物学的建立和发展阶段时间：从50年代初到70年代初，1953年Watson和Crick的DNA双螺旋结构模型作为现代分子生物学诞生的里程碑。主要进展包括：遗传信息传递中心法则的建立对蛋白质结构与功能的进一步认识3初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段时间：70年代后－至今基因工程技术作为新的里程碑，标志着人类深入认识生命本质并能动改造生命的新时期开始。其间的重大成就包括：重组DNA技术的建立和发展基因组研究的发展单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展基因表达调控机理细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域发展历程分子生物学中重大成就与突破者－－－NobelPrize的获得者－－－构成了分子生物学发展的主要内容－－－里程碑

1910科赛尔Kossel（德）蛋白质、细胞及细胞核化学的研究（首先分离到A、T和组氨酸）

1958莱德伯格Lederberg（美）噬菌体转导比德尔

Beadle&泰特姆

Tatum（美）Onegene-oneenzyme红色面包霉突变体BeadleTatum

Lederberg

1959奥乔亚

Ochoa(美籍西班牙裔)

科恩伯格

Kornberg（美）Ochoa

Kornberg

细菌的多核苷酸磷酸化酶，成功地合成了RNA，基因（DNA）→RNA→蛋白质

实现了DNA分子在试管内（细菌无细胞提取液）的复制

1962Watson（美）＆Crick（英）

Wilkins（新西兰）通过DNA分子的X射线衍射研究证实DNADoubleHelixModel

1962肯德鲁

Kendrew＆佩鲁茨

Perutz（英国）Kendrew

Perutz

测定了肌红蛋白及血红蛋白的高级结构（三级）成为研究生物大分子结构的先驱

1965雅各布

Jacob＆莫诺

Monod（法国）Jacob

Monod

提出并证实了Operon作为调节细菌细胞代谢的分子机制首次提出mRNA分子的存在

1969Nirenberg（美）Holly＆Khorana尼伦伯格Nirenberg克拉纳Khorana

霍利Holley

破译了遗传密码酵母phetRNA的核苷酸序列并证明了所有tRNA三级结构的相似性第一个合成了核酸分子，并人工复制了酵母基因

1975Temin，Baltimore(美)&

Dulbecco特明Temin巴尔的摩Baltimore发现了逆转录酶（以RNA为模板，逆转录生成DNA）杜尔贝克Dulbecco桑格Sanger吉尔伯特Gilbert伯格Berg

1980Sanger（英）Gilbert&Berg（英）酶法核苷酸测序的设计者化学测序法的设计者DNA重组，在细菌中表达胰岛素DNA重组技术的元老Sanger还由于测定了牛胰岛素的一级结构而获得1958年诺贝尔化学奖。

1984Kohler（德）Milstein（美）Jerne（丹麦）科莱尔Kohler米尔斯坦Milstein杰尼

Jerne发展了单克隆抗体(MonoclonalAntibodiesMcAb)技术，完善了极微量蛋白质的检测技术

1988麦克林托克

McClintock(美)可移动的遗传因子（jumpinggeneormobileelement）McClintock50年代初发现88年获奖

1989奥尔特曼

Altman（加）＆切赫

Cech（美）核酶即核糖核酸质酶（Ribozyme）的发现者（即某些RNA具有酶的功能）SidneyAltman

ThomasR.Cech

1989Bishop＆Varmus（美）正常细胞同样带有原癌基因

1993Roberts＆Sharp（美）断裂基因（splittinggene）

Mullis（美）PCR仪的发明者

Smith

基因定点突变

1994Gilman＆Rodbell

发现G蛋白在细胞信号传导中的作用

1995Lewis（美）、Nusslein－Volhard（德）、Wieschaus（美）

20世纪40～70年代先后独立鉴定了控制果蝇体节发育基因三、分子生物学应用现状生命科学基础理论研究中的应用农林牧副渔中的应用工业中的应用在医药学中的应用（一）在基础研究中的应用几乎在所有生命科学分支学科中得到应用基因蛋白表达及相互作用、疾病发生机理等将人的生长激素基因和牛的生长素基因分别注射到小白鼠受精卵中，得到的“超级小鼠”。高产、稳产和具优良品质的品种用基因工程的方法可以改善粮食作物的蛋白质含量。如“向日葵豆”植株。抗逆性品种将细菌的抗虫、抗病毒、抗除草剂、抗盐碱、抗干旱、抗高温等抗性基因转移到作物体内，将从根本上改变作物的特性。如转基因抗虫棉。（二）在农业上的应用全球转基因农作物销售额1.增加农作物产品的营养价值。如：增加种子、块茎的蛋白质含量，改变植物蛋白的必需氨基酸比例等。2.提高农作物抗逆性能。如：抗病虫害、抗旱、抗涝、抗除草剂等性能。通过感染或显微注射技术将重组DNA转移到动物受精卵中。3.畜牧渔养殖业:繁殖具有抗病能力、高产仔率、高产奶率和高质量的皮毛等优良品质的转基因动物。用于提高动物生长速度改善畜产品的品质(三)工业中的应用1.酶制剂、工业用酶的生产、酶的定向改造3.环境保护生物传感器--环境监测

生物修复“吃油”工程菌2.食品工业上：氨基酸，助鲜剂，甜味剂，食品添加剂、淀粉酶，纤维素酶、啤酒酿造、白酒和黄酒的酿造和酒精生产喷洒工程菌清除石油污染美国GE公司构造成功具有巨大烃类分解能力的工程菌，并获专利，用于清除石油污染。4.化学与能源工业上：

基因工程修饰过的淀粉及重组DNA技术生产酒精等石油替代品(四)医药行业中的应用1.基因工程用于生产蛋白质类药物2.基因工程用于疫苗生产3.基因工程用于基因治疗、研究疾病发生机理1.基因工程用于生产蛋白质类药物目前用基因工程生产的蛋白质药物已达数十种，如胰岛素、干扰素、生长因子、凝血因子等蛋白质药物，以前根本不可能大量生产，现在用基因工程办法便可能大量生产。传统方法：从猪、牛等家畜的胰腺中提取，每100kg胰腺只能提取4-5g胰岛素。缺点：产量低，价格昂贵，远不能满足社会需要。基因工程方法：1979年，科学家将动物体内的胰岛素基因与大肠杆菌DNA分子重组，并在大肠杆菌内实现了表达。1982年，美国一家基因公司用基因工程方法生产的胰岛素投入市场，售价降低了30%~50%。基因工程药品——胰岛素（糖尿病）

干扰素是病毒侵入细胞后产生的一种糖蛋白，几乎能抵抗所有病毒引起的感染，是一种抗病毒的特效药。对治疗某些癌症和白血病也有一定疗效。

传统方法：从人血液中的白细胞内提取，每300L血液只能提取出1mg干扰素。基因工程方法：

1980~1982年，科学家用基因工程方法在大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，是传统的生产量的12万倍。1987年上述干扰素大量投放市场。基因工程药品——

干扰素

治疗侏儒症的唯一方法，是向人体注射生长激素。而生长激素的获得很困难。以前，要获得生长激素，需解剖尸体，从大脑的底部摘取垂体，并从中提取生长激素。现可利用基因工程方法，将人的生长激素基因导入大肠杆菌中，使其生产生长激素。人们从450L大肠杆菌培养液中提取的生长激素，相当于6万具尸体的全部产量。基因工程药品——

生长激素

2.基因工程用于疫苗生产（1）常规疫苗：弱毒活疫苗、死疫苗缺点：活疫苗隐含着感染的危险性。死疫苗免疫活性不高，需加大注射量或多次接种。（2）基因工程疫苗：（重组亚基疫苗）把编码抗原蛋白质的基因重组到载体上去，再送入细菌细胞或其他细胞中大量生产。只含病原物的一个或几个抗原成分，不含病原物遗传信息。优点：效价很高，无感染毒性等危险。

例如：在酵母中表达乙型肝炎表面抗原HBsAg产量可达每升2.5mg，已于1984年问世。基因工程生产疫苗有良好的发展前景。3.基因工程用于基因治疗人体基因的缺失，导致一些遗传疾病，应用基因工程技术使缺失的基因归还人体，达到治疗的目的，已成为基因工程在医学方面应用的又一重要内容。白化病、半乳糖血症、苯丙酮尿症4.其他

（1）蛋白质—肽类药物的生产（2）器官移植（3）挽救珍稀濒危动物（4）良种牲畜的繁育（5）用于研究的动物模型的建立克隆羊试验成功打开了广泛应用的大门向受精卵雄性原核注入DNA溶液生物技术必将在世界人口问题、疾病问题、人的寿命问题、营养保健问题、农业持续发展问题、资源再利用问题、大气污染问题、世界公害问题、洁净新能源问题等各方面问题的解决中起重要作用转基因动物存在的问题1.伦理2.不可预见性危害随即整合如何控制、如何使目的基因定位在特定组织中、导致畸形产生的问题克隆技术所带来的挑战动物克隆与克隆人1生物化学与分子生物学关系最为密切生物化学是从化学角度研究生命现象，着重研究生物体内各种生物分子的结构、转变与新陈代谢。分子生物学着重阐明生命的本质----主要研究生物大分子核酸与蛋白质的结构与功能、生命信息的传递和调控。四、分子生物学与其他学科的关系2细胞生物学与分子生物学关系也十分密切传统的细胞生物学