分子生物学的产生及生物技术的发展课件

1、现代生物学的产生与发展主讲人：朱朝枝 博士、教授Email： 第1页，共98页。 分子生物学的诞生二分子生物学产生的基础 3一新科学诞生的启示三现代生物学的发展四第2页，共98页。（一）孟德尔遗传定律及其重新发现（二）遗传的染色体学说（三）DNA是遗传物质的证明（四）物理学对分子生物学研究的渗透分子生物学产生的基础 3一第3页，共98页。（一）孟德尔遗传定律及其重新发现第4页，共98页。格里哥孟德尔（Gregor Johann Mendel，1822年1884年）是一位奥地利遗传学家，遗传学的奠基人。又译门德尔。1822年7月22日孟德尔生于奥地利。第5页，共98页。约从1856年到1863年

2、，他进行了8年的豌豆杂交实验。孟德尔于1865年在布吕恩自然科学研究协会上报告了他的研究结果。1866年又在该会会刊上发表了题为植物杂交试验的论文。他在这篇论文中提出了遗传因子（现称基因)及显性性状、隐性性状等重要概念，并阐明其遗传规律，后人称之为孟德尔定律(包括分离定律及独立分配定律）。 第6页，共98页。第7页，共98页。第8页，共98页。孟德尔最早提出遗传因子（即基因）概念，并从生殖细胞着眼，提出了自己的见解。遗憾的是，孟德尔的这些科学发现和见解，在当时并没有引起生物学界的注意。直到35年之后，即1900年才被荷兰的弗里斯、德国的科伦斯、与奥地利的契马克等植物学家重新发现。 第9页，共9

3、8页。（二）遗传的染色体学说第10页，共98页。孟德尔定律的重新发现，使得人们有可能把遗传实验的成果与19世纪细胞学上所揭示的染色体行为联系起来考察。为染色体学说打下牢固基础，并使之发展为基因理论的是摩尔根及其合作者。第11页，共98页。摩尔根(18661945) Morgan，Thomas Hunt .美国胚胎学家，遗传学家。由于他发现了果蝇的遗传机制，在1933年获得诺贝尔医学或生理学奖。 第12页，共98页。摩尔根的基因论是遗传学与细胞学相结合的产物，其重大意义在于：把孟德尔式虚构的遗传单位遗传因子具体化为念珠状物质微粒，这就促使人们为搞清楚基因的化学本质而努力。 第13页，共98页。（

4、三）DNA是遗传物质的证明第14页，共98页。尽管由于摩尔根及其学派的出色工作，使基因学说得到了普遍的承认，但直到1953年DNA双螺旋模型提出之前，人们对于基因的理解仍缺乏准确的物质内容。遗传信息的载体到底是什么？仍然是一个谜。不少科学家认为传递遗传信息的载体是蛋白质。 第15页，共98页。第一个用实验证明遗传物质是DNA分子的是美国著名的微生物学家艾弗里。1944年，他领导的小组在研究肺炎球菌的转化试验中，证明了DNA是遗传信息的载体。 第16页，共98页。艾弗里（OTAvery）(1877-1955). 加拿大生物化学家。第17页，共98页。他领导的一个小组在研究肺炎球菌的转化试验中，证

5、明了DNA是遗传信息的载体，发现只有DNA（而不是蛋白质）具有转化因子的作用。1944年，他们公开发表了他们的研究结果。 第18页，共98页。这个实验的成功震动了整个生物界，证明DNA才是遗传信息的真正载体，而蛋白质则是由DNA的指令而合成的。这就使生物界长期存在的认为遗传物质基础是蛋白质而不是核酸的认识彻底改观。发现遗传物质的化学本质是DNA，这是基因研究上一个重要的里程碑。第19页，共98页。（四）物理学对分子生物学研究的渗透第20页，共98页。薛定谔（Erwin Schrdinger，18871961）。奥地利理论物理学家，量子力学的奠基人之一。1933年和英国物理学家狄拉克共同获得了诺

6、贝尔物理学奖，被称为量子物理学之父。 第21页，共98页。1945年，奥地利物理学家、量子力学创始人之一薛定谔在英国出版了一本关于生物学的小册子生命是什么？，副标题是“活细胞的物理观”。第22页，共98页。他认为“基因有一种类似化学分子的稳定性”。他经过分析以后认为基因可能是一种大分子。他用量子力学的观点论证了基因的稳定性和突变性发生的可能性，证明突变是分子跃迁的结果。他作出了遗传物质是一种分子的断言。 第23页，共98页。薛定谔第一次用物理概念来解释生命运动，人们对生命本质的认识产生了新的质的飞跃。第24页，共98页。他的生命是什么？实际上概括了30年代以来物理学界对生命物质运动和遗传学问题

7、的看法，启发人们用物理学的思想和方法去探求生命物质运动的本质。这对于生物学的研究工作起了十分积极的推动作用。第25页，共98页。 分子生物学的诞生二（一）DNA双螺旋结构模型的建立（二）为分子生物学的诞生做出突出贡献的科学家第26页，共98页。（一）DNA双螺旋结构模型的建立第27页，共98页。1953年DNA双螺旋结构模型的建立，是分子生物学诞生的标志。这一划时代成果的取得，是数代科学家相继奋斗的结晶，是多学科交叉、渗透的结果。第28页，共98页。第29页，共98页。第30页，共98页。（二）为分子生物学的诞生做 出突出贡献的科学家第31页，共98页。1.莱纳斯卡尔鲍林的工作第32页，共98

8、页。莱纳斯卡尔鲍林（Linus Carl Pauling，1901年2月28日1994年8月19日），美国著名化学家，量子化学的先驱者之一。1954年因在化学键方面的工作取得诺贝尔化学奖。第33页，共98页。1962年因反对核弹在地面测试的行动获得诺贝尔和平奖，成为两位获得诺贝尔奖不同奖项的人之一。第34页，共98页。2.威尔金斯和富兰克林的工作第35页，共98页。莫里斯威尔金斯（Maurice Hugh Frederick Wilkins，1916年12月15日2004年10月5日，出生于新西兰）是一位英国分子生物学家。第36页，共98页。其在伦敦国王学院期间解开了DNA分子结构，以及一些相

9、关研究，使其与克里克、沃森共同获得了1962年的诺贝尔生理学或医学奖。他在国王大学的同事罗莎琳富兰克林，也是这项研究的主要贡献者之一。第37页，共98页。罗莎琳埃尔西富兰克林（Rosalind Elsie Franklin，1920年7月25日1958年4月16日）是一位英国物理化学家与晶体学家。第38页，共98页。她所做的研究，专注于DNA、病毒、煤炭与石墨等物质的结构。其中她所拍摄的DNA晶体衍射图片“照片51号”，以及关于此物质的相关数据，是沃生与克里克解出DNA结构的关键线索。第39页，共98页。3.沃森和克里克的工作第40页，共98页。詹姆斯杜威沃森（James Dewey Wats

10、on，生于1928年4月6日），美国生物学家，二十世纪分子生物学的牵头人。第41页，共98页。与克里克共同发现脱氧核糖核酸的双螺旋结构，因而获得诺贝尔生理医学奖。第42页，共98页。佛朗西斯克里克（Francis Harry Compton Crick，1916年6月8日-2004年7月28日），英国生物学家，物理学家，及神经科学家。第43页，共98页。最重要的成就是1953年在剑桥大学卡文迪许实验室与沃森共同发现了脱氧核糖核酸（DNA）的双螺旋结构。二人也因此与维尔金斯共同获得了1962年的诺贝尔生理及医学奖。第44页，共98页。4.欧文查哥夫的工作第45页，共98页。欧文查哥夫(Erwin

11、 Chargaff)，奥地利生物化学家。对核酸中的4种碱基的含量的重新测定取得了成果。在艾弗里工作的影响下，他认为如果不同的生物种是由于DNA的不同，则DNA的结构必定十分复杂，否则难以适应生物界的多样性。第46页，共98页。他在1948 1952年4年时间内，他利用了比列文时代更精确的纸层析法分离4种碱基，用紫外线吸收光谱做定量分析，经过多次反复实验，终于得出了不同于列文的结果。实验结果表明，在DNA大分子中嘌吟和嘧啶的总分子数量相等，其中腺嘌吟A与胸腺嘧啶T数量相等，鸟嘌吟G与胞嘧啶C数量相等。第47页，共98页。第48页，共98页。三、新科学诞生的启示第49页，共98页。启示一：尊重权威

12、，但敢于挑战权威。第50页，共98页。 启示二：多学科的交叉融合。第51页，共98页。启示三：要善于总结前人的研究成果。第52页，共98页。启示四：要敢于创新。第53页，共98页。启示五：重视知识的积累。第54页，共98页。四、现代生物学的发展第55页，共98页。（一）遗传密码的破译1.桑格的工作20世纪50年代DNA双螺旋结构问世不久，分子生物学的另一重大成就是1958年英国化学家桑格（Sanger）应用纸层析方法，分析出了一种蛋白质胰岛素所含51个氨基酸残基的序列，第一次证明了蛋白质胰岛素的每个分子具有一种独特的氨基酸残基顺序。 第56页，共98页。桑格(Frederick Sanger)

13、，英国生物化学家，1918年8月13日生于英国。桑格因确定胰岛素的分子结构而获得1958年诺贝尔化学奖。1980年他又因设计出一种测定DNA(脱氧核糖核酸)内核苷酸排列顺序的方法而与W吉尔伯特、P伯格共获1980年诺贝尔化学奖。桑格是第四位两次获此殊荣的科学家。第57页，共98页。2.伽莫夫的工作第一个提出遗传密码具体设想的不是生物学家，而是宇宙物理学家、美籍俄国血统的伽莫夫（G.Gamov）。 他在读过沃森和克里克的文章后，立刻想到核酸分子中核苷酸只有四种，而蛋白质分子中的氨基酸却有20种，它们对应的关系不可能是1对1的。 他用排列组合的方法推算，提出三联体密码子的概念。第58页，共98页。

14、伽莫夫（19041968）Gamow，George美籍苏联物理学家。1904年3月4日生于俄国敖德萨。第59页，共98页。伽莫夫在许多科学领域都作出重大贡献。在原子核物理方面，1928 年提出a衰变理论 ，1936年提出衰变的伽莫夫特勒选择定则。第60页，共98页。在宇宙论中，1948年后与勒梅特一起最早提出了天体物理学的“大爆炸”理论 ，指出宇宙起源于原始的热核爆炸，化学元素依次产生于大爆炸后的中子俘获过程。第61页，共98页。在生物学方面，提出遗传密码的概念，对此后遗传理论的迅速发展起了很大促进作用。第62页，共98页。3.遗传密码表的建立1963年，经过多位科学家的努力，20种氨基酸的遗

15、传密码全部破译。1969年，64种遗传密码的含义也全部被测出。于是一部仿效电波传输信息的生物遗传密码辞典问世了。 第63页，共98页。第64页，共98页。4.遗传密码表建立的意义这个遗传密码表对于生物学的意义，可以与化学上的元素周期律相媲美。它在科学和哲学上都有重大意义：第65页，共98页。（1）它等于宣布了各种蛋白质可以在试管中合成，所有的生物蛋白质都可以由无机物合成。生物与非生物的界线再一次被打破，神创论彻底破产。第66页，共98页。（2）从生物大分子水平上再度说明了物质的统一性。尽管世界上的生命形态多种多样，但生命现象最本质的东西却是高度统一的。第67页，共98页。（二）中心法则的建立1

16、958年，克里克（F.Crick，1916）在综合地分析了50年代末期有关于遗传信息流转向的各种资料的基础上，提出了“中心法则”的概念，认为记录在DNA分子中的遗传信息被转录到RNA上，RNA再通过一个“受体”用信息去指导氨基酸进行蛋白质含成，而这一过程有着严格的方向性，即DNARNA蛋白质。第68页，共98页。第69页，共98页。（三）生物技术的产生及其产业化1.生物技术的产生综合运用现代生物学、化学、工程学的手段，直接或间接地利用生物体、生命体系和生命活动过程生产有用物质的一门高级应用技术科学。第70页，共98页。（1）基因工程（2）细胞工程（3）蛋白质与酶工程（4）发酵工程第71页，共9

17、8页。2.生物技术的产业化生物技术产业：利用细胞和生物分子进行药品、农产品生产开发和环境治理的产业，该产业技术由医药生物技术、农业生物技术和环境生物技术共同组成。第72页，共98页。（1）生物技术产业化-医药医药生物技术重点攻克癌症、艾滋病、老年痴呆症、帕金森病、心脏病、糖尿病等危害人类的顽疾。第73页，共98页。2007年4月12日出版的Nature刊登了纽约Memorial Sloan-Kettering癌症中心Joan Massagu研究组关于乳腺癌转移的最新研究进展。文章称,在小鼠动物模型中已经证实,通过一种简单的药物鸡尾酒疗法可以阻止乳腺癌的转移。 第74页，共98页。1982年，基

18、因技术公司开发的基因工程人胰岛素推向市场，这是第一个问世的重组人体蛋白类药物；1986年，第一个基因工程疫苗重组乙型肝炎疫苗由美国默克公司开发成功。以后又有多种基因工程药物和疫苗开发成功，目前基因工程药物和疫苗是生物技术药物的主流产品。 第75页，共98页。诊断试剂 诊断试剂的发展依赖于整体生物技术水平的发展，并主要经历了以下几个阶段：早期的化学液体诊断试剂；二十世纪50年代放射免疫诊断试剂；二十世纪60年代酶联免疫诊断试剂；二十世纪70、80年代单克隆抗体试剂；二十世纪90年代PCR诊断试剂。 第76页，共98页。基因治疗 2004年1月，深圳赛百诺基因技术有限公司将世界上第一个基因治疗产品

19、重组人p53腺病毒注射液（商品名“今又生”）正式推向市场，在世界上引起了巨大反响，这是世界基因治疗研究和产业化发展的里程碑。 第77页，共98页。组织（器官）工程目前已研制出一些较为成熟的技术和产品，包括组织工程化骨、软骨、肌腱、皮肤等系列组织工程产品，部分产品达到或接近临床应用阶段。 第78页，共98页。干细胞研究在干细胞研究与应用方面也取得可喜进展，利用干细胞定向培育出血液、角膜、神经、胰岛、肝脏、心肌等细胞产品，为下一步用于癌症、心血管疾病、糖尿病、肝脏疾病、帕金森病、老年性痴呆等的替代治疗奠定了基础。 第79页，共98页。2008年国内外生物技术领域研究发展迅速：干细胞研究有了新突破，可以避开伦理学的限制开展广泛研究；人工合成生命有了新进展，表现出了巨大的生命力和广阔的应用前景；基因组快速测序技术的出现，使人类个性化医疗向前迈出了重要的一步；对癌基因进行测序，发现了更多的致癌基因和器官移植的成功实例，使人们看到了治疗疑难病的希望 。第80页，共98页。2007年，日本科学家已经利用从胚胎里获得的细胞，让成年老鼠长出了功能健全的牙齿。这为人们利用该技术制造新器官作为移植物带来了新的曙光。 第81页，共98页。干细胞造心脏第82页，共98页。（2）生物技术产业化-农业农业生物技术着眼于提高农产品的产量和质量。第83页