分子生物学绪论2011

分子生物学

molecularbiology查仁明贵州大学农学院E-mail：zrm1966@163.com;电话ntroduction

分子生物学(molecularbiology)从分子水平研究生命本质的一门新兴学科(广义)，它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。其内容主要包括：核酸、蛋白质的结构、运动和功能；

酶的作用机理和动力学；

生物膜蛋白的结构、功能及跨膜运输。从分子水平来研究基因结构和功能(狭义)。重点偏重于核酸或基因的分子生物学，及其有关的proteins(orEnzymes)的结构与功能。是当前生命科学中发展最快的前沿领域。其发展为人类认识生命现象带来了前所未有的机会，也为人类利用和改造生物创造了广阔前景。发展历史（3个阶段）1、准备和酝酿阶段(19s后期－1950s初)

是现代分子生物学诞生的准备和酝酿阶段。产生了两点对生命本质的认识上的重大突破：

A.确定了蛋白质是生命的主要基础物质

Buchner（毕希纳）兄弟证明酵母无细胞提取液能使糖发酵产生酒精，第一次提出酶（enzyme）的名称，酶是生物催化剂。

20世纪20-40年代提纯和结晶了一些酶（包括尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、黄酶、细胞色素C、肌动蛋白等），证明酶的本质是蛋白质。随后陆续发现生命的许多基本现象（物质代谢、能量代谢、消化、呼吸、运动等）都与酶和蛋白质相联系，可以用提纯的酶或蛋白质在体外实验中重复出来。B.确定了生物遗传的物质基础是DNA

虽然1868年F.Miescher（米歇尔）就发现了核素(nuclein)，但并未引起重视。20世纪20-30年代已确认自然界有DNA和RNA两类核酸，并阐明了核苷酸的组成，并得出A、G、C、T含量是大致相等的结果，因而长期认为DNA结构只是“四核苷酸”单位的重复，不能携带更多的信息(蛋白质才是)。1944年O.T.Avery（埃弗里）等和1952年A.D.Hershey（赫尔希）及M.Chase（蔡斯）的两个经典实验证明遗传物质就是DNA。基因就是DNA吗？这4点，缺一不可！作为遗传物质必需满足4个条件：1）必须能够携带遗传信息；2）必须能够自我复制传递遗传信息；4）必须能够让遗传信息得到表达以控制细胞活动。3）必须能够突变并保留突变；1953年2月28日中午，Francis

Crick（弗朗西斯·克里克）按捺不住冲进剑桥大学附近的“鹰吧”向食客们高呼：“我们发现了生命的秘密！”1953年4月25日《Nature》杂志发表了Crick和JamesWatson（沃森）署名的1000字左右和一幅插图的论文《脱氧核糖核酸的结构》。从此，分子生物学和基因工程的时代开始了！（诞生）为此，他们分享了1962年的诺贝尔生理学或医学奖。2004年7月28日，Crick在美国圣地亚哥逝世。《Nature》专门为他出了纪念专刊！基因，即DNA，呈什么样的结构才能满足以上4点要求？2、现代分子生物学的建立和发展阶段

A.DNA双螺旋结构模型的提出(Watson和Crick,1953)作为现代分子生物学诞生的里程碑。意义确立了核酸作为信息分子的结构基础;提出了碱基配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式，从而最后确定了核酸是遗传的物质基础，为认识核酸与蛋白质的关系及其在生命中的作用打下了最重要的基础。

JamesWatsonandFrancisCrick

stumbleduponthestructureofDNA,butonlybymakinguseofthediscoveriesofmanyscientistswhocamebeforethem,includingRosalindFranklin（罗莎琳德·富兰克林）.

对DNA结构发现有贡献的科学家WithallshedidtomakeWatsonandCrick'sdiscoverypossible,RosalindFranklin

wasessentially"adefactocollaborator,"saysLynneOsmanElkin.

（林恩·奥斯曼·埃尔金）

Atatimewhenmanyscientiststhought

proteins

mustferryheritableattributestothenextgeneration,microbiologist

OswaldAvery（奥斯瓦尔德·埃弗里）discoveredthatthegeneticcarrierwasinfactthehumblenucleicacid

DNA.Avery’sdiscoveryhasbeencalled

worthtwoNobelPrizes,buthenevergotevenone.In1940,NobellaureateErwinSchrödinger

helpedlaunchthenewfieldofbiophysicswithalectureengaginglytitled"WhatisLife?"

LABOROTARYOFPOMOLOGY,GUIZHOUUNIVERSITY生物物理DNA为遗传信息载体

FriedrichMiescher（米歇尔）,workingatalaboratoryinTuebingenCastleinsouthwesternGermany,discoveredDNAasearlyas1871.Erwin

Chargaff’s（欧文·查加夫）discoveryin1949thatthetotalnumberoftwoofDNA'sfourbasechemicalsalwaysequaledthetotalnumberoftheothertwohelpedsetthestageforWatsonandCrick'sbrilliantinsightintoDNA'sstructurejustfouryearslater.LABOROTARYOFPOMOLOGY,GUIZHOUUNIVERSITYScientistsContributingtoDiscoveryofDNAStructure早在1871发现DNADNA中A=T,G=C

Transcription

TranslationReplicationDNARNAProtein

Reverse-Transcription（补充，RNA病毒）B.遗传信息传递中心法则的建立(Crick,1954)和完善(Temin（特明）andBaltimore,1970)Centraldogma(Crick,1954;TeminandBaltimore,1970)意义：DNA双螺旋模型(包括中心法则)的发现，是20世纪最为重大的科学发现之一，也是生物学历史上惟一可与达尔文进化论相比的最重大的发现;它与自然选择一起，统一了生物学的大概念，标志着分子遗传学的诞生。3、初步认识生命本质并开始改造生命的阶段

70年代后，以基因工程技术的出现作为新的里程碑，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：

1.重组DNA技术的建立和发展；2.基因组研究的发展；3.单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展；（来自单个Ｂ淋巴细胞的克隆或一个杂交瘤细胞的克隆，只识别一种表位(抗原决定簇)的抗体。）4.基因表达调控机理；5.细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域。Abriefhistory(timeline)1954Centraldogma(Crick)1972

RecombinantDNAinvitro(Berg)1973FirstusedplasmidtocloneDNA(Cohen)1986PCR(Mullis)1986Ribozyme(Cech)1990LauchedtheHGP(Watsonetal.)

1997Dolly(Wilmutandcolleagues)Dolly(1997)交叉蛋白序列嗜血流感杆菌成就人类20世纪构筑完成四大理论基础：

相对论量子论信息论

基因论五大模型：

宇宙起源和演化的热大爆炸模型粒子物理的标准模型

DNA双螺旋结构模型信息智能处理的图灵计算模型地壳构造的板块模型

HGP,plusmorethan60speciessequenced(-ing)(includingriceetal.);RNAi（RNA干扰，双链，与目标mRNA互补结合而将其降解，目标基因沉默）;Asingleaminoacidmutationresultindisease,Protein构象的改变disease(老年痴呆症、肿瘤、白内障etal.),Prion（感染性蛋白质）(空间结构变化)牛海绵状脑炎,Genetic-modifiedPigs(英国PPL医疗公司)人体器官移植,

Stemcell研究：干细胞重组法(USA一基因公司),2001年11月，美国一家细胞公司宣称人类胚胎培育成功。

贫富差距加大；科技与伦理道德；基因档案安全隐患以及隐私安全；转基因食品安全。

成就与挑战Asingleaminoacidmutationresultindisease敏感性

分子生物学实际应用的现状和展望促进了以基因工程为核心的生物技术的发展，从而影响经济发展的诸多领域。1、农业方面生物品种的改良速度更快、目标更准确，甚至创造新物种。转基因动物－－－猪、牛、羊、鱼等；植物－－－抗虫棉，耐贮藏番茄，抗除草剂大豆、棉花等。2、医药方面利用重组DNA产生的工程菌来大量高效地合成人体活性多肽（疾病的诊断、预防和治疗），

基因工程疫苗（细菌疫苗、病毒疫苗、寄生虫疫苗），

正在研制的癌症疫苗。3、工业方面

*酶制剂，工业用酶的生产、酶的定向改造。

*环保工业上：工程菌，提高降解效率；

扩大可降解污染物的种类。

*化学与能源工业上：重组DNA技术生产丁醇，用基因工程技术改善微生物发酵生产丙酮、酒精、醋酸等的转化效率，重组DNA技术生产酒精等石油替代品。*食品工业上：

谷氨酸、调味剂、酒类和油类，例：不含软脂酸的大豆色拉油。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。课程大纲绪论第一章DNA与染色体的结构第二章基因与基因组结构第三章DNA的复制第四章DNA的损伤及修复第五章RNA的生物合成第六章蛋白质的生物合成第七章原核生物基因表达调控第八章真核生物基因表达调控第九章分子生物学技术及其在农业中的应用References1、分子生物学.（第二版）主编阎隆飞、张玉麟.中国农业大学出版社.2、分子遗传学.（第一版）主编孙乃恩、孙东旭.南京大学出版社.3、基因工程原理.主编吴乃虎4、分子生物学(影印版)（现代生物学精要速览系列）科学出版社，2001。5、植物基因工程.王关林等著6、分子克隆(第二版)Sambrooketal.(冷泉港实验室)7、GeneVII.BenjaminLewin著.Cell 37.297Nature 27.368Science 24.676NatureBiotechnology 11.00PlantCell10.3PlantJ5.3PlantPhysiology5.4