分子生物學(xué)：緒論

1、分子生物學(xué)緒 論第一節(jié) 分子生物學(xué)的基本含義及主要研究?jī)?nèi)容第二節(jié) 分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史 第三節(jié) 分子生物學(xué)實(shí)際應(yīng)用的現(xiàn)狀和展望第四節(jié) 分子生物學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系第一節(jié) 分子生物學(xué)的基本含義及主要研究?jī)?nèi)容1 分子生物學(xué)Molecular Biology的基本含義廣義的分子生物學(xué)： 以核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)及其在遺傳信息和細(xì)胞信息傳遞中的作用為研究對(duì)象，從分子水平闡明生命現(xiàn)象和生物學(xué)規(guī)律,是當(dāng)前生命科學(xué)中發(fā)展最快并正在與其它學(xué)科廣泛交叉與滲透的重要前沿領(lǐng)域。狹義的分子生物學(xué)：偏重于核酸（基因）的分子生物學(xué)，主要研究基因或DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、表達(dá)和調(diào)控等過程，當(dāng)然也涉及與這些過程相關(guān)的蛋白質(zhì)和

2、酶的結(jié)構(gòu)與功能的研究。生物大分子特征：較大的分子量簡(jiǎn)單的小分子核苷酸或氨基酸排列組合以蘊(yùn)藏各種信息 復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)1.1 分子生物學(xué)的三大原則1) 構(gòu)成生物大分子的單體是相同的共同的核酸語言 共同的蛋白質(zhì)語言2) 生物遺傳信息表達(dá)的中心法則相同 DNARNApolypeptidesproteincharacterprotein3) 生物大分子單體的排列（核苷酸、氨基酸）的不同 不同的高級(jí)結(jié)構(gòu) 不同的生物大分子之間的互作不同的物種特性1.2 分子生物學(xué)研究的三大領(lǐng)域 * 基因的分子生物學(xué)： 基因的概念、結(jié)構(gòu)、復(fù)制、表 達(dá)、重組、交換（狹義的分子生物學(xué)） * 結(jié)構(gòu)生物學(xué)： 生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能

3、生物大分子之間的互作DNA蛋白質(zhì)激素和受體酶和底物 * 生物技術(shù)理論與應(yīng)用 基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程、蛋白質(zhì)工程第二節(jié) 分子生物學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1 準(zhǔn)備和醞釀階段2 現(xiàn)代分子生物學(xué)的建立和發(fā)展階段3 初步認(rèn)識(shí)生命本質(zhì)并開始改造生命的深入發(fā)展階段1 準(zhǔn)備和醞釀階段 時(shí)間：19世紀(jì)后期到20世紀(jì)50年代初。兩點(diǎn)重大突破：確定了蛋白質(zhì)是生命的主要基礎(chǔ)物質(zhì)確定了生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA 2 現(xiàn)代分子生物學(xué)的建立和發(fā)展階段時(shí)間：從50年代初到70年代初，1953年Watson和Crick的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型作為現(xiàn)代分子生物學(xué)誕生的里程碑。主要進(jìn)展包括：遺傳信息傳遞中心法則的建立對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功

4、能的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)3 初步認(rèn)識(shí)生命本質(zhì)并開始改造生命的深入發(fā)展階段時(shí)間： 70年代后至今基因工程技術(shù)作為新的里程碑，標(biāo)志著人類深入認(rèn)識(shí)生命本質(zhì)并能動(dòng)改造生命的新時(shí)期開始。其間的重大成就包括：重組DNA技術(shù)的建立和發(fā)展基因組研究的發(fā)展單克隆抗體及基因工程抗體的建立和發(fā)展基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)理研究成為新的前沿領(lǐng)域發(fā)展歷程分子生物學(xué)中重大成就與突破者Nobel Prize的獲得者構(gòu)成了分子生物學(xué)發(fā)展的主要內(nèi)容里程碑 1910 A.Kossel （德）蛋白質(zhì)、細(xì)胞及細(xì)胞核化學(xué)的研究（首先分離到A、T和組氨酸） 1958 Joshua Lederberg（美） 噬菌體轉(zhuǎn)導(dǎo)Beadle & Tatu

5、m（美）One gene-one enzyme紅色面包霉突變體George Wells Beadle Edward Lawrie Tatum Joshua Lederberg 1959 Ochoa(美籍西班牙裔) Kornberg（美）Severo Ochoa Arthur Kornberg 細(xì)菌的多核苷酸磷酸化酶，成功地合 成了RNA，基因（DNA）RNA蛋白質(zhì) 實(shí)現(xiàn)了DNA分子在試管內(nèi)（細(xì)菌無細(xì) 胞提取液）的復(fù)制 1962 Watson（美） Crick（英） Wilkins（新西蘭） 通過對(duì)DNA分子的X射線衍射研究證實(shí) 了DNA Double Helix Model 其中 Crick于

6、1954年提出了中心法則 1962 Kendrew Perutz（英國(guó)）John C. Kendrew Max F. Perutz 測(cè)定了肌紅蛋白及血紅蛋白的高級(jí)結(jié)構(gòu)（三級(jí)） 成為研究生物大分子結(jié)構(gòu)的先驅(qū) 1965 Jacob Monod （法國(guó)）Francis Jacob Jacques Monod 提出并證實(shí)了Operon作為調(diào)節(jié)細(xì)菌細(xì)胞代謝的分子機(jī)制首次提出mRNA分子的存在此外，1953年，Zamecnik發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的合成場(chǎng)所是核糖體（無細(xì)胞系統(tǒng) 放射性同位素標(biāo)記的氨基酸） 1969 Nirenberg（美） Holly KhoranaMarshall W. Nirenberg Har

7、 Gobind Khorana Robert W. Holley 破譯了遺傳密碼酵母phetRNA的核苷酸序列并證明了所有tRNA三級(jí)結(jié)構(gòu)的相似性第一個(gè)合成了核酸分子，并人工復(fù)制了酵母基因 1975 Temin & Baltimore(美)Howard M. Temin David Baltimore 發(fā)現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)錄酶（以RNA為模板，逆轉(zhuǎn)錄生成DNA RNA腫瘤病毒）Frederick Sanger Walter Gilbert Paul Berg 1980 Sanger （英） Gilbert & Berg（英）酶法核苷酸測(cè)序的設(shè)計(jì)者測(cè)定了牛胰島素的化學(xué)結(jié)構(gòu)而獲 1958 年的 Nobel

8、化學(xué)獎(jiǎng)化學(xué)測(cè)序法的設(shè)計(jì)者DNA重組，在細(xì)菌中表達(dá)胰島素DNA重組技術(shù)的元老 1984 Kohler（德） Milstein（美） Jerne（丹麥）Georges J.F.KohlerCesar MilsteinNiels K. Jerne 發(fā)展了單克隆抗體(Monoclonal Antibodies McAb)技術(shù)，完善了極微量蛋白質(zhì)的檢測(cè)技術(shù) 1988 McClintock (美)可移動(dòng)的遺傳因子（jumping gene or mobile element）Barbara McClintock 50年代初發(fā)現(xiàn)88年獲獎(jiǎng) 1989 Altman Cech（美）核酶即核糖核酸質(zhì)酶（Riboz

9、yme）的發(fā)現(xiàn)者（即某些RNA具有酶的功能）Sidney Altman Thomas R. Cech 1989 BishopVarmus（美） 正常細(xì)胞同樣帶有原癌基因 1993 Roberts Sharp（美） 斷裂基因（splitting gene） Mullis（美） PCR儀的發(fā)明者 Smith 基因定點(diǎn)突變 1994 Gilman Rodbell 發(fā)現(xiàn)G蛋白在細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)中的作用 1995 Lewis（美）、NussleinVolhard（德）、Wieschaus（美） 20世紀(jì)4070年代先后獨(dú)立鑒定了控制果蠅體節(jié)發(fā)育基因第三節(jié) 分子生物學(xué)實(shí)際應(yīng)用的現(xiàn)狀和展望 促進(jìn)了以基因工程為核

10、心的生物技術(shù)的發(fā)展，從而影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的諸多領(lǐng)域1 農(nóng)業(yè)方面 生物品種的改良速度更快、目標(biāo)更準(zhǔn)確，甚至創(chuàng)造 新物種 轉(zhuǎn)基因動(dòng)物豬、牛、羊、魚等 植物抗蟲棉（Bt毒素蛋白基因）、耐貯 藏番茄等重組DNA技術(shù)的應(yīng)用1 2 1 2野生型轉(zhuǎn)基因抗真菌病的轉(zhuǎn)基因草坪草翦股穎耐鹽番茄抗棉鈴蟲棉花抗蟲水稻各色煙草花2002年各國(guó)種植轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物面積國(guó)家主要轉(zhuǎn)基因作物面積（萬公頃）比例美國(guó)大豆、玉米、棉花、油菜35.768阿根廷大豆、玉米、棉花等11.822加拿大大豆、玉米、棉花、油菜3.26中國(guó)棉花1.53南非大豆、玉米、棉花等0.2墨西哥大豆、棉花等0.2其它大豆、玉米、棉花等全球轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物銷售額及預(yù)測(cè)2

11、 醫(yī)藥方面 利用重組DNA產(chǎn)生的工程菌來大量高效地合成人體活性多肽（疾病的診斷、預(yù)防和治療）， 基因工程疫苗（細(xì)菌疫苗、病毒疫苗、寄生蟲疫苗）以及正在研制的癌癥疫苗3 工業(yè)方面 * 酶制劑工業(yè)用酶的生產(chǎn)、酶的定向改造 * 環(huán)境保護(hù)生物傳感器-環(huán)境監(jiān)測(cè) A 水和廢水監(jiān)測(cè)： BOD生物傳感器、檢測(cè)有害 物質(zhì)的生物傳感器 、水體富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)傳感器 B 空氣和廢氣監(jiān)測(cè) C 農(nóng)藥殘留量檢測(cè) 生物修復(fù)、生物可降解塑料 、生物表面活性劑、生物絮凝劑 、生物農(nóng)藥、藻類與環(huán)境保護(hù)噴灑工程菌清除石油污染 美國(guó) GE 公司構(gòu)造成功具有巨大烴類分解能力的工程菌，并獲專利，用于清除石油污染?；瘜W(xué)與能源工業(yè)上： 重組DN

12、A技術(shù)生產(chǎn)丁醇，及用基因工程技術(shù)改善微生 物發(fā)酵生產(chǎn)丙酮、酒精、醋酸等的轉(zhuǎn)化效率 基因工程修飾過的淀粉及重組DNA技術(shù)生產(chǎn)酒精等石 油替代品食品工業(yè)上：氨基酸，助鮮劑，甜味劑，食品添加劑， 淀粉酶，纖維素酶，脂肪酶。生物技術(shù)必將在世界人口問題、 疾病問題、人的壽命問題、營(yíng)養(yǎng)保健問題、農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展問題、資源再利用問題、大氣污染問題、世界公害問題、潔凈新能源問題等各方面問題的解決中起重要作用1990年人類基因組計(jì)劃（Human Genome Project）實(shí)施;2003年4月測(cè)定出人基因組全部DNA 3x109堿基對(duì)的序列圖。 中國(guó)的成就：2002年12月水稻基因組“精細(xì)圖” 。2003年11月

13、，家蠶基因組“框架圖” 。.生物大分子的高級(jí)三維結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一 生物大分子之間的互作 基因的社會(huì)學(xué) 基因表達(dá)，基因互作 器官發(fā)生胚胎形成個(gè)體發(fā)育 結(jié)構(gòu)生物學(xué)（Structural Biology） 分子發(fā)育生物學(xué)（Molecular Developing Biology） 4 分子生物學(xué)的發(fā)展導(dǎo)致未來生物學(xué)的新熱點(diǎn)及領(lǐng)域個(gè)體細(xì)胞分子還原論整體論細(xì)胞中的定位細(xì)胞分化神經(jīng)基質(zhì)神經(jīng)通道信息傳遞大分子克隆一級(jí)結(jié)構(gòu)分析三維結(jié)構(gòu)重建思維感情記憶科學(xué)解釋分子細(xì)胞生物學(xué) (Molecular Cell Biology)分子神經(jīng)生物學(xué)（Molecular Neurobiology）1986. Friend R

14、B1第一個(gè)抑制癌基因被克隆 11個(gè)抑癌基因被證實(shí) 1975. Bishop M. Src (Sarcoma肉瘤)癌基因的證實(shí) 分子腫瘤學(xué)（Molecular Tumorology）人類基因組計(jì)劃（HGP）遺傳圖物理圖序列圖表達(dá)圖基因定位 基因克隆 基因轉(zhuǎn)移 基因的分子生物學(xué) 比較基因組研究水稻等作物基因組計(jì)劃豬，牛等家畜基因組計(jì)劃中心法則的深入研究與發(fā)展-基因組學(xué)（Genomics )人與大鼠的基因90%是相同的基因的識(shí)別與鑒定基因功能信息的提取與證實(shí)基因表達(dá)圖譜的繪制基因功能的改變（基因敲出 knock out）蛋白質(zhì)水平上基因互作的探測(cè) 功能基因組學(xué)(Functional Genomics

15、 or postGenomics) 蛋白質(zhì)組（proteome）一詞，源于蛋白質(zhì)（protein）與 基因組（genome）兩個(gè)詞的雜合，意指“一種基因組所表達(dá)的全套蛋白質(zhì)”,即包括一種細(xì)胞乃至一種生物所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組的研究不僅能為生命活動(dòng)規(guī)律提供物質(zhì)基礎(chǔ)，也能為眾多種疾病機(jī)理的闡明及攻克提供理論根據(jù)和解決途徑。通過對(duì)正常個(gè)體及病理個(gè)體間的蛋白質(zhì)組比較分析，我們可以找到某些“疾病特異性的蛋白質(zhì)分子”，它們可成為新藥物設(shè)計(jì)的分子靶點(diǎn)，或者也會(huì)為疾病的早期診斷提供分子標(biāo)志。 Proteome is the total number of proteins produced by an organism.第四節(jié) 分子生物學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系1 生物化學(xué)與分子生物學(xué)關(guān)系最為密切生物