分子生物学：绪论

1、分子生物学绪 论第一节 分子生物学的基本含义及主要研究内容第二节 分子生物学发展简史 第三节 分子生物学实际应用的现状和展望第四节 分子生物学与其他学科的关系第一节 分子生物学的基本含义及主要研究内容1 分子生物学Molecular Biology的基本含义广义的分子生物学： 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,是当前生命科学中发展最快并正在与其它学科广泛交叉与渗透的重要前沿领域。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，当然也涉及与这些过程相关的蛋白质和

2、酶的结构与功能的研究。生物大分子特征：较大的分子量简单的小分子核苷酸或氨基酸排列组合以蕴藏各种信息 复杂的空间结构1.1 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 DNARNApolypeptidesproteincharacterprotein3) 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 不同的生物大分子之间的互作不同的物种特性1.2 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） * 结构生物学： 生物大分子的结构与功能

3、生物大分子之间的互作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、蛋白质工程第二节 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

4、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Nobel Prize的获得者构成了分子生物学发展的主要内容里程碑 1910 A.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 Joshua Lederberg（美） 噬菌体转导Beadle & Tatu

5、m（美）One gene-one enzyme红色面包霉突变体George Wells Beadle Edward Lawrie Tatum Joshua Lederberg 1959 Ochoa(美籍西班牙裔) Kornberg（美）Severo Ochoa Arthur 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 1962 Watson（美） Crick（英） Wilkins（新西兰） 通过对DNA分子的X射线衍射研究证实 了DNA Double Helix Model 其中 Crick于

6、1954年提出了中心法则 1962 Kendrew Perutz（英国）John C. Kendrew Max F. 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 Jacob Monod （法国）Francis Jacob Jacques 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分子的存在此外，1953年，Zamecnik发现蛋白质的合成场所是核糖体（无细胞系统 放射性同位素标记的氨基酸） 1969 Nirenberg（美） Holly KhoranaMarshall W. Nirenberg Har

7、 Gobind Khorana Robert W. 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 1975 Temin & Baltimore(美)Howard M. Temin David Baltimore 发现了逆转录酶（以RNA为模板，逆转录生成DNA RNA肿瘤病毒）Frederick Sanger Walter Gilbert Paul Berg 1980 Sanger （英） Gilbert & Berg（英）酶法核苷酸测序的设计者测定了牛胰岛素的化学结构而获 1958 年的 Nobel

8、化学奖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 1984 Kohler（德） Milstein（美） Jerne（丹麦）Georges J.F.KohlerCesar MilsteinNiels K. Jerne 发展了单克隆抗体(Monoclonal Antibodies McAb)技术，完善了极微量蛋白质的检测技术 1988 McClintock (美)可移动的遗传因子（jumping gene or mobile element）Barbara McClintock 50年代初发现88年获奖 1989 Altman Cech（美）核酶即核糖核酸质酶（Riboz

9、yme）的发现者（即某些RNA具有酶的功能）Sidney Altman Thomas R. Cech 1989 BishopVarmus（美） 正常细胞同样带有原癌基因 1993 Roberts Sharp（美） 断裂基因（splitting gene） Mullis（美） PCR仪的发明者 Smith 基因定点突变 1994 Gilman Rodbell 发现G蛋白在细胞信号传导中的作用 1995 Lewis（美）、NussleinVolhard（德）、Wieschaus（美） 20世纪4070年代先后独立鉴定了控制果蝇体节发育基因第三节 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

10、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（Bt毒素蛋白基因）、耐贮 藏番茄等重组DNA技术的应用1 2 1 2野生型转基因抗真菌病的转基因草坪草翦股颖耐盐番茄抗棉铃虫棉花抗虫水稻各色烟草花2002年各国种植转基因农作物面积国家主要转基因作物面积（万公顷）比例美国大豆、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中国棉花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、棉花等全球转基因农作物销售额及预测2

11、 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）以及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 * 环境保护生物传感器-环境监测 A 水和废水监测： BOD生物传感器、检测有害 物质的生物传感器 、水体富营养化监测传感器 B 空气和废气监测 C 农药残留量检测 生物修复、生物可降解塑料 、生物表面活性剂、生物絮凝剂 、生物农药、藻类与环境保护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。化学与能源工业上： 重组DN

12、A技术生产丁醇，及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 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，脂肪酶。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1990年人类基因组计划（Human Genome Project）实施;2003年4月测定出人基因组全部DNA 3x109碱基对的序列图。 中国的成就：2002年12月水稻基因组“精细图” 。2003年11月

13、，家蚕基因组“框架图” 。.生物大分子的高级三维结构与功能的统一 生物大分子之间的互作 基因的社会学 基因表达，基因互作 器官发生胚胎形成个体发育 结构生物学（Structural Biology） 分子发育生物学（Molecular Developing Biology） 4 分子生物学的发展导致未来生物学的新热点及领域个体细胞分子还原论整体论细胞中的定位细胞分化神经基质神经通道信息传递大分子克隆一级结构分析三维结构重建思维感情记忆科学解释分子细胞生物学 (Molecular Cell Biology)分子神经生物学（Molecular Neurobiology）1986. Friend R

14、B1第一个抑制癌基因被克隆 11个抑癌基因被证实 1975. Bishop M. Src (Sarcoma肉瘤)癌基因的证实 分子肿瘤学（Molecular Tumorology）人类基因组计划（HGP）遗传图物理图序列图表达图基因定位 基因克隆 基因转移 基因的分子生物学 比较基因组研究水稻等作物基因组计划猪，牛等家畜基因组计划中心法则的深入研究与发展-基因组学（Genomics )人与大鼠的基因90%是相同的基因的识别与鉴定基因功能信息的提取与证实基因表达图谱的绘制基因功能的改变（基因敲出 knock out）蛋白质水平上基因互作的探测 功能基因组学(Functional Genomics

15、 or postGenomics) 蛋白质组（proteome）一词，源于蛋白质（protein）与 基因组（genome）两个词的杂合，意指“一种基因组所表达的全套蛋白质”,即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质。蛋白质组的研究不仅能为生命活动规律提供物质基础，也能为众多种疾病机理的阐明及攻克提供理论根据和解决途径。通过对正常个体及病理个体间的蛋白质组比较分析，我们可以找到某些“疾病特异性的蛋白质分子”，它们可成为新药物设计的分子靶点，或者也会为疾病的早期诊断提供分子标志。 Proteome is the total number of proteins produced by an organism.第四节 分子生物学与其他学科的关系1 生物化学与分子生物学关系最为密切生物