分子生物學(xué) 第一章 緒論

MolecularBiology

《分子生物學(xué)》張騰國第一章緒論

Introduction分子生物學(xué)的基本含義是什么？分子生物學(xué)的研究對(duì)象是什么，它與生物化學(xué)，細(xì)胞生物學(xué)，以及生物醫(yī)學(xué)的關(guān)系如何？分子生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容有哪些？分子生物學(xué)發(fā)展史上有哪些重要事件？一、分子生物學(xué)的基本含義

分子生物學(xué)是從分子水平研究生命本質(zhì)為目的的一門新興邊緣學(xué)科。二分子生物學(xué)的基本原理：

1.構(gòu)成生物體的有機(jī)大分子的單體在不同生物體內(nèi)都是相同的；

2.生物體內(nèi)一切有機(jī)大分子的構(gòu)成都遵循共同的規(guī)律；

3.某一特定生物體所擁有的核酸及蛋白質(zhì)決定了生物的屬性。三研究對(duì)象：核酸

遺傳信息的載體，決定生物性狀；穩(wěn)定遺傳，保證種的延續(xù)，母代→子代；易于操作，易于保存，蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)分子參與并控制了細(xì)胞的一切代謝活動(dòng)，它是一切生命活動(dòng)的執(zhí)行者。四分子生物學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系分子生物學(xué)是由生物化學(xué)、生物物理學(xué)、遺傳學(xué)、微生物學(xué)、細(xì)胞學(xué)、以至信息科學(xué)等多學(xué)科相互滲透、綜合融會(huì)而產(chǎn)生并發(fā)展起來的，凝聚了不同學(xué)科專長(zhǎng)的科學(xué)家的共同努力。它雖產(chǎn)生于上述各個(gè)學(xué)科，但已形成它獨(dú)特的理論體系和研究手段，成為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科。（1）生物化學(xué)與分子生物學(xué)關(guān)系

生物化學(xué)與分子生物學(xué)關(guān)系最為密切。兩者同在我國教委和科委頒布的一個(gè)二級(jí)學(xué)科中，稱為“生物化學(xué)與分子生物學(xué)”，但兩者還是有區(qū)別的。生命信息（信號(hào)）的傳遞和調(diào)控分子生物學(xué)的相關(guān)學(xué)科：1.生物化學(xué)生物化學(xué)是分子生物學(xué)的基礎(chǔ)，學(xué)好生化便于分子生物學(xué)的基本原理和方法的理解。2.微生物學(xué)作為分子生物學(xué)研究的模型生物,分子生物學(xué)操作的一部分（基因擴(kuò)增、克隆、表達(dá)）3.遺傳學(xué)研究生物的遺傳及變異規(guī)律，遺傳變異的本質(zhì)—DNA4.細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞是生命的基本功能單位，基因功能必須通過細(xì)胞來表現(xiàn)，離開細(xì)胞，就沒有生命。

11（2）分子生物學(xué)與醫(yī)學(xué)的關(guān)系

由于分子生物學(xué)涉及從分子的水平認(rèn)識(shí)生命的本質(zhì)，它也就自然廣泛的滲透到醫(yī)學(xué)各學(xué)科領(lǐng)域中，成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)重要的基礎(chǔ)。在醫(yī)學(xué)各個(gè)學(xué)科中，包括生理學(xué)、微生物學(xué)、免疫學(xué)、病理學(xué)、藥理學(xué)以及臨床各學(xué)科。分子生物學(xué)都正在廣泛地形成交叉與滲透，形成了一些交叉學(xué)科，如分子免疫學(xué)、分子病毒學(xué)、分子病理學(xué)和分子藥理學(xué)等，大大促進(jìn)了醫(yī)學(xué)的發(fā)展。五分子生物學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容1、DNA重組技術(shù)——————基因工程2、基因表達(dá)調(diào)控———————核酸生物學(xué)3、生物大分子結(jié)構(gòu)功能————結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)4、基因組、功能基因組與生物信息學(xué)研究（1）DNA重組技術(shù)（又稱基因工程）

基因工程就是將不同DNA片段（如某個(gè)基因或基因的一部分）按照人們的設(shè)計(jì)與載體定向連接起來，導(dǎo)入受體細(xì)胞，進(jìn)行持久穩(wěn)定的復(fù)制和表達(dá)，使受體細(xì)胞產(chǎn)生外源DNA的蛋白質(zhì)。1972年,美國斯坦福大學(xué)的P.Berg教授把猴病毒（SV40）DNA和λ噬菌體DNA片段用限制性內(nèi)切酶剪切后，經(jīng)噬菌體T4DNA連接酶連接，在體外建成了雜種病毒的DNA分子，并在猴組織培養(yǎng)細(xì)胞中得到繁殖。限制性內(nèi)切酶和DNA連接酶及其他工具酶的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用則是這一技術(shù)得以建立的關(guān)鍵。

表達(dá)載體包括的元件

PCR定點(diǎn)誘變NotI,AvrII酶切NotI,AvrII酶切重組連接重組表達(dá)載體pPIC9K/3D的構(gòu)建圖3D基因圖4表達(dá)產(chǎn)物的SDS電泳分析1Mark(94000、67000、43000、30000、20100)2,3expressionsupernatantofSMD1168/pPIC9K/3D4expressionsupernatantofSMD116822原核表達(dá)載體pET-30a-CbMAPK3的構(gòu)建CbMAPK3基因CDS序列PCR擴(kuò)增產(chǎn)物EcoRI,SalI酶切EcoRI,SalI酶切T4DNA連接酶連接表達(dá)產(chǎn)物的SDS電泳圖陰性對(duì)照陽性菌株2425DNA重組技術(shù)的應(yīng)用前景:用于大量生產(chǎn)某些在正常細(xì)胞代謝中產(chǎn)量很低的多肽，如激素、抗生素、酶類以及抗體。美國批準(zhǔn)上市的基因工程產(chǎn)品有人類胰島素，人類生長(zhǎng)因子，白介素，干擾素等。DNA重組技術(shù)可用于定向改造某些生物基因組結(jié)構(gòu)，使它們所具備的特殊經(jīng)濟(jì)價(jià)值或功能得以成百上千倍的地提高。有一種含有分解各種石油成分的重組DNA的超級(jí)細(xì)菌，能快速分解石油，可用來恢復(fù)被石油污染的海域或土壤。進(jìn)行基礎(chǔ)研究。如啟動(dòng)子的研究，轉(zhuǎn)錄因子的克隆和分析。27人體生長(zhǎng)激素釋放激素(SS)抑制和調(diào)節(jié)多種激素的作用從動(dòng)物腦中提取:5mg50萬只羊腦基因工程9升大腸桿菌

培養(yǎng)液28基因工程胰島素（一）胰島素是治療糖尿病的特效藥，長(zhǎng)期以來只能依靠從豬、牛等動(dòng)物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰島素，其產(chǎn)量之低和價(jià)格之高可想而知。胰島素分子結(jié)構(gòu)29基因工程胰島素（二）將合成的胰島素基因?qū)氪竽c桿菌，每2000L培養(yǎng)液就能產(chǎn)生100g胰島素！大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)不但解決了這種比黃金還貴的藥品產(chǎn)量問題，還使其價(jià)格降低了30%-50%!胰島素生產(chǎn)車間30超級(jí)動(dòng)物導(dǎo)入貯藏蛋白基因的超級(jí)羊和超級(jí)小鼠1982年P(guān)almiter等首次將大鼠生長(zhǎng)激素基因?qū)诵∈笫芫研坌栽酥?，獲得了個(gè)體比對(duì)照組大一倍的轉(zhuǎn)基因“超級(jí)小鼠”31

囊性纖維變性是一種遺傳病，患者體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生粘稠的粘液，阻塞肺部、胰腺和消化器官的內(nèi)部通道，大約有一半的患者活不過31歲。英國PPT公司培育了植入人體基因的克隆羊，羊奶中含有能夠治療囊性纖維變性的人體蛋白。

維爾莫特所在的研究所曾向德國一家藥廠出售一頭這樣的轉(zhuǎn)基因羊，獲得50萬英鎊。32基因工程與環(huán)境污染治理基因工程做成的“超級(jí)細(xì)菌”能吞食和分解多種污染環(huán)境的物質(zhì)。通常一種細(xì)菌只能分解石油中的一種烴類，用基因工程培育成功的“超級(jí)細(xì)菌”卻能分解石油中的多種烴類化合物。有的還能吞食轉(zhuǎn)化汞、鎘等重金屬，分解DDT等毒害物質(zhì)。轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物和基因剔除動(dòng)植物的成功是基因工程技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。1982年P(guān)almiter等將克隆的生長(zhǎng)激素基因?qū)胄∈笫芫鸭?xì)胞核內(nèi)，培育得到比原小鼠個(gè)體大幾倍的“巨鼠”，激起了人們創(chuàng)造優(yōu)良品系家畜的熱情。我國水生生物研究所將生長(zhǎng)激素基因轉(zhuǎn)入魚受精卵，得到的轉(zhuǎn)基因魚的生長(zhǎng)顯著加快、個(gè)體增大；用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物還能獲取治療人類疾病的重要蛋白質(zhì)，導(dǎo)入了凝血因子基因的轉(zhuǎn)基因綿羊分泌的乳汁中含有豐富的凝血因子，能有效地用于血友病的治療。舉例在轉(zhuǎn)基因植物方面，1994年能比普通西紅柿保鮮時(shí)間更長(zhǎng)的轉(zhuǎn)基因西紅柿投放市場(chǎng)。（怕凍的蔬菜）1996年轉(zhuǎn)基因玉米、轉(zhuǎn)基因大豆相繼投入商品生產(chǎn)，我國科學(xué)家將自己發(fā)現(xiàn)的蛋白酶抑制劑基因轉(zhuǎn)入棉花獲得抗棉鈴蟲的棉花株。到1996年全世界已有250萬公頃土地種植轉(zhuǎn)基因植物。（2）基因表達(dá)調(diào)控研究

蛋白質(zhì)分子參與并控制了細(xì)胞的一切代謝活動(dòng)，而決定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和合成時(shí)序的信息都由核酸（主要是脫氧核糖核酸）分子編碼，表現(xiàn)為特定的核苷酸序列?；虮磉_(dá)實(shí)質(zhì)上就是遺傳信息的轉(zhuǎn)錄（從DNA到RNA）和翻譯（從RNA到蛋白質(zhì)）。在個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育過程中生物遺傳信息的表達(dá)按一定的時(shí)序發(fā)生變化（時(shí)序調(diào)節(jié)），并隨著內(nèi)外環(huán)境的變化而不斷加以修正（環(huán)境調(diào)控）?；蛴纱硕譃閮深悾汗芗一?，其表達(dá)產(chǎn)物大致以恒定水平始終存在于細(xì)胞內(nèi)，這類基因的表達(dá)為組成型表達(dá)；可調(diào)基因，它們的產(chǎn)物只有在細(xì)胞需要時(shí)才表達(dá)，稱為可調(diào)型表達(dá)或誘導(dǎo)型表達(dá)。3637真核生物和原核生物基因表達(dá)的對(duì)比38394℃處理下，CbMAPK3激酶基因的轉(zhuǎn)錄水平迅速增長(zhǎng)，并在處理0.5小時(shí)時(shí)達(dá)到最高值，然后表達(dá)量逐漸降低，處理24h后，降低到了基礎(chǔ)水平。－4℃下處理時(shí)，CbMAPK3激酶基因的轉(zhuǎn)錄水平同樣迅速增長(zhǎng)，并且在處理24小時(shí)時(shí)仍然保持在較高的水平。在ABA的處理下，CbMAPK基因的轉(zhuǎn)錄在30min內(nèi)明顯升高，并在處理12小時(shí)之后逐漸降低。高鹽處理下，CbMAPK基因的轉(zhuǎn)錄在2-6小時(shí)達(dá)到一個(gè)很高的水平，在12-48小時(shí)表達(dá)量有所降低，但仍然維持在一個(gè)較高的水平。

高山粒子芥懸浮細(xì)胞在4℃處理下，CbMAPK3激酶蛋白質(zhì)水平在處理前3個(gè)小時(shí)有所增加，并在3小時(shí)時(shí)達(dá)到最高值，然后逐漸降低，處理24h后，降低到了基礎(chǔ)水平。

4℃處理下CbMAPK3激酶蛋白質(zhì)水平變化（3）結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)

結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)就是研究生物大分子特定的空間結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)變化與其生物學(xué)功能關(guān)系的科學(xué)。一個(gè)生物大分子，無論是核酸、蛋白質(zhì)或多糖，在發(fā)揮生物學(xué)功能時(shí)，必須具備兩個(gè)前提:首先，它擁有特定的空間結(jié)構(gòu)（