分子生物學(xué)：第一章 緒論(2學(xué)時(shí))

第一章緒論

本章我們討論4個(gè)問題：

一、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基本特點(diǎn)。

二、現(xiàn)代生物學(xué)面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

三、分子生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的關(guān)系

四、分子生物學(xué)回顧、發(fā)展現(xiàn)狀與展望

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第一節(jié)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基本特點(diǎn)

一、科學(xué)技術(shù)加速發(fā)展和急劇變革

（一）當(dāng)代科技發(fā)展呈指數(shù)增長趨勢，全世界每天發(fā)表科

技論文6000～8000篇，平均篇/10.8秒問世。

（二）人類科技知識，19世紀(jì)是每50年增加1倍，當(dāng)前是

每3～5年增加1倍。工程師知識半衰期是5年。

（三）1973年，CohenGroup利用重組DNA技術(shù)第一次實(shí)現(xiàn)了細(xì)菌遺傳性狀轉(zhuǎn)移（terr+Nes→terrNer）,導(dǎo)致

了基因工程技術(shù)誕生。至今不到30年，人類已擁有克隆羊、克隆豬……的技術(shù)，可以復(fù)制1個(gè)生命體。2

二、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的綜合化

（一）19世紀(jì)中葉以前，科學(xué)技術(shù)是分離的，它們各自獨(dú)立發(fā)揮社會(huì)作

用,它們都有自己獨(dú)特的文化傳統(tǒng)，它們的發(fā)展往往是脫節(jié)的。

（二）科學(xué)回答的“是什么”，“為什么”，技術(shù)回答的是“做什么”、“怎么

做”。當(dāng)今科技發(fā)展已經(jīng)密不可分，科學(xué)里面有技術(shù)，技術(shù)里有科學(xué)。

（三）當(dāng)代科學(xué)技發(fā)展有2種形式：一是突破，二是融合。突破是線性

的，即從研究開發(fā)新一代科技成果取代原有一代的科技成果。融

合是非線性的，即混合原有不同領(lǐng)域科技，進(jìn)而發(fā)展新產(chǎn)品，造

成革命性市場，它們是互補(bǔ)和合作的結(jié)果。

（四）基因工程技術(shù)既是突破，也是融合，既是科學(xué)，也是技術(shù)。它們

是分子生物學(xué)，生物化學(xué)，遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和組織學(xué)等相關(guān)

學(xué)科科學(xué)技術(shù)突破和融合的結(jié)果。3三、科學(xué)發(fā)展必須和人文社會(huì)科學(xué)發(fā)展相結(jié)合

（一）當(dāng)代各種全球性問題的出現(xiàn)，從一定意義上來說，是由于

科學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用于社會(huì)而引發(fā)的，如NMD，TMD。

（二）科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的最重要的

手段和社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的主要力量，而文化水平是是衡

量人類發(fā)展的一個(gè)特殊尺度，也是標(biāo)志人類的把握科學(xué)技

術(shù)的一個(gè)程度。

（三）科學(xué)技術(shù)是一把雙刃劍。原子核技術(shù)可以給人類帶來福

音，也可以給人類帶來災(zāi)難。原子能發(fā)電站給人類帶來

了光明，原子彈可以把長崎，廣島夷為平地。

克隆技術(shù)可以挽救瀕臨滅絕動(dòng)物，也可動(dòng)搖人類自然以性

愛為基礎(chǔ)生育方式等。

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第二節(jié)分子生物學(xué)——帶動(dòng)生命科學(xué)的前沿學(xué)科一．子生物學(xué)的定義分子生物學(xué)的誕生可以與細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)化論的奠定媲美，它是20世紀(jì)自然科學(xué)偉大成就之一。經(jīng)典觀念認(rèn)為，狹義的分子生物學(xué)是指分子遺傳學(xué)，廣義的包括分子遺傳、細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、代謝的調(diào)節(jié)機(jī)制，蛋白質(zhì)與核酸結(jié)構(gòu)分析與功能測定，生物大分子人工合成，遺傳物質(zhì)的重組等。5二．分子生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的關(guān)系

基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)是整個(gè)醫(yī)學(xué)的基石，而分子生物學(xué)在整個(gè)醫(yī)學(xué)中起到紐帶作用，將基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)各分枝學(xué)科及基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)聯(lián)系起來，成為渾然一體。由此可見分子生物學(xué)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究中的重要性，它代表了人們對生命現(xiàn)象認(rèn)識層次的深入，理所當(dāng)然成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)的前沿學(xué)科和領(lǐng)域，在一定程度上起到牽動(dòng)全局的作用。不論分子生物學(xué)，臨床醫(yī)學(xué)家或生物學(xué)家，在談?wù)摤F(xiàn)代醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)時(shí)，無不對分子生物學(xué)所取得的成就及發(fā)展動(dòng)態(tài)予以特別的關(guān)注的重視。6

未來的醫(yī)學(xué)將把研究層次深入到量子水平，分子生物學(xué)則可能把自己的“血液”熔化到醫(yī)學(xué)的軀體之中，“化己為他”，“化整為零”，滲透到各個(gè)相關(guān)學(xué)科中，成為科學(xué)上的“蠟燭”，燃燒自己，照亮別人。分子生物學(xué)在醫(yī)學(xué)上的價(jià)值和“靈魂”將永存。分子生物學(xué)將成為現(xiàn)代生命科學(xué)的“共同語言”。7

生命過程是一個(gè)多層次、連續(xù)的整合過程。基因和分子研究是認(rèn)識生命過程的深入層次，這個(gè)層次的研究結(jié)果對于基因后生命現(xiàn)象如生理表現(xiàn)，病理表現(xiàn)，病生理表現(xiàn)，具有重要意義。生命科學(xué)中一些最重要的課題需要分子生物學(xué)滲入，如細(xì)胞生長、分化、衰老，凋亡，個(gè)體發(fā)育和神經(jīng)活動(dòng)等研究。分子生物學(xué)與這些研究活動(dòng)結(jié)合在一起，形成新的生長點(diǎn)和新的邊緣學(xué)科，較為突出的者有：8（一）分子細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞是一切生命活動(dòng)結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。因此細(xì)胞生物學(xué)的研究應(yīng)是全方位的，但概括起來有2個(gè)基本點(diǎn)：一是基因與基因產(chǎn)物如何控制細(xì)胞的重要生命活動(dòng)，如生長、分化、衰老等，在此涉及與信號傳遞的關(guān)系；二是基因產(chǎn)物與其他生物分子如何構(gòu)建與裝配成細(xì)胞高度組織化的結(jié)構(gòu)如染色體，細(xì)胞核、細(xì)胞器、生物膜、細(xì)胞骨架，并行使其在序的細(xì)胞生命活動(dòng)。通過上述兩方面的結(jié)合，可把分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)連接起來。9（二）發(fā)育分子生物學(xué)受精卵如何發(fā)育成結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜的個(gè)體是未解決的發(fā)育生物學(xué)重大難題。分子生物學(xué)為解決這一難題提供了條件，并產(chǎn)生了發(fā)育分子生物學(xué)。發(fā)育分子生物學(xué)要解決的基本問題是基因如何按一定的時(shí)空關(guān)系選擇性地表達(dá)而控制細(xì)胞的分化和個(gè)體發(fā)育。發(fā)育程序是通過相關(guān)基因系統(tǒng)間一系列相互作用而逐次展開的，這是多基因在多層次上的聯(lián)系和配合所形成的調(diào)控結(jié)果?；蜻x擇性表達(dá)的時(shí)間取決于定時(shí)的信號和生物學(xué)時(shí)間的刺激，而其空間控制取決于細(xì)胞所處的位置（環(huán)境）和細(xì)胞間的相互作用，形態(tài)發(fā)生可能有細(xì)胞連接、識別、運(yùn)動(dòng)、生長的彼此配合來控制。10（三）分子神經(jīng)科學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究神經(jīng)系統(tǒng)（主要是腦）的結(jié)構(gòu)和功能，其研究層次包括分子水平、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水平、整體水平和行為水平。分子神經(jīng)科學(xué)為在分子水平研究神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，它的研究方向有：

1、神經(jīng)細(xì)胞的分化和神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的分子機(jī)理；2、神經(jīng)活動(dòng)的基本過程（如神經(jīng)沖動(dòng)、信息處理、神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)回路等）中離子通道，突觸通訊，受體及信號傳導(dǎo)的變化和相關(guān)基因表達(dá)的變化。113．參入學(xué)習(xí)、記憶、行為過程的基因及其產(chǎn)物。4．一系列神經(jīng)精神性疾病的分子基礎(chǔ)，分離和鑒定其相關(guān)基因，為其治療和預(yù)防服務(wù)?？茖W(xué)家們一直遺憾，人腦可以指導(dǎo)自己去制造電腦和作任何精細(xì)的工作，都不能用以窺視自身的奧秘。由于神經(jīng)科學(xué)極端重要性和特殊地位，近年來受到了極大重視?？茖W(xué)家們預(yù)言，進(jìn)入下個(gè)世紀(jì)后神經(jīng)科學(xué)將走在分子生物學(xué)前面，并將給醫(yī)學(xué)帶來新的光輝。12

三、分子生物學(xué)的歷史回顧遺傳和變異是生物的一對重要概念。遺傳賦于生物種的穩(wěn)定，保證生物種的延錦不斷；變異則賦于生物種的進(jìn)化，保證生物種對環(huán)境的適應(yīng)。遺傳和變異這一對矛盾在一個(gè)生物體內(nèi)統(tǒng)一起來。遺傳學(xué)要解決問題是生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)中極為關(guān)鍵的問題。分子水平技術(shù)手段一旦與遺傳學(xué)研究相結(jié)合，就可在分子水平上解釋遺傳學(xué)的問題，促使分子遺傳學(xué)的形成和發(fā)展。分子生物學(xué)的形成和掘起，歸功能數(shù)十年無數(shù)科學(xué)家智慧的結(jié)晶，成果的融匯，從40年代起，在理論和技術(shù)方面奠定了雄厚的基礎(chǔ)。13（一）理論上的三大發(fā)現(xiàn)1.40年代，Avery發(fā)現(xiàn)了生物遺傳物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)是DNA2.50年代，Walson-crick提出了DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型，搞清楚了生物遺傳的分子機(jī)制3.60年代，確定了遺傳信息的傳遞方式：DNA→RNA→protein14（二）技術(shù)上的3大發(fā)明

1.“基因剪刀”—限制性核酸內(nèi)切酶發(fā)明

從40～60年代，科學(xué)家們就為基因工程設(shè)計(jì)好了美麗的藍(lán)圖，但是而對龐大dsDNA，束手無策，無從下手把它切成單個(gè)的基因片段，當(dāng)時(shí)酶學(xué)知識已有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展，但沒有1個(gè)已發(fā)現(xiàn)的酶能夠完成這樣的使命。1970年，SmithWilcox在流感嗜血桿菌(Haemophilusinfluenzae)中分離純化了HindII，取得了突破，打破了基因工程的禁固，迎來了改造生物，為基因工程技術(shù)，為分子生物學(xué)技術(shù)奠定了最為主要的技術(shù)基礎(chǔ)。15