分子生物學(xué)

molecularbiology查仁明貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院E-mail：zrm1966@163.com;電話ntroduction

分子生物學(xué)(molecularbiology)從分子水平研究生命本質(zhì)的一門新興學(xué)科(廣義)，它以核酸和蛋白質(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。其內(nèi)容主要包括：核酸、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和功能；

酶的作用機(jī)理和動(dòng)力學(xué)；

生物膜蛋白的結(jié)構(gòu)、功能及跨膜運(yùn)輸。從分子水平來研究基因結(jié)構(gòu)和功能(狹義)。重點(diǎn)偏重于核酸或基因的分子生物學(xué)，及其有關(guān)的proteins(orEnzymes)的結(jié)構(gòu)與功能。是當(dāng)前生命科學(xué)中發(fā)展最快的前沿領(lǐng)域。其發(fā)展為人類認(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象帶來了前所未有的機(jī)會(huì)，也為人類利用和改造生物創(chuàng)造了廣闊前景。發(fā)展歷史（3個(gè)階段）1、準(zhǔn)備和醞釀階段(19s后期－1950s初)

是現(xiàn)代分子生物學(xué)誕生的準(zhǔn)備和醞釀階段。產(chǎn)生了兩點(diǎn)對(duì)生命本質(zhì)的認(rèn)識(shí)上的重大突破：

A.確定了蛋白質(zhì)是生命的主要基礎(chǔ)物質(zhì)

Buchner（畢希納）兄弟證明酵母無細(xì)胞提取液能使糖發(fā)酵產(chǎn)生酒精，第一次提出酶（enzyme）的名稱，酶是生物催化劑。

20世紀(jì)20-40年代提純和結(jié)晶了一些酶（包括尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、黃酶、細(xì)胞色素C、肌動(dòng)蛋白等），證明酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)。隨后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)生命的許多基本現(xiàn)象（物質(zhì)代謝、能量代謝、消化、呼吸、運(yùn)動(dòng)等）都與酶和蛋白質(zhì)相聯(lián)系，可以用提純的酶或蛋白質(zhì)在體外實(shí)驗(yàn)中重復(fù)出來。B.確定了生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA

雖然1868年F.Miescher（米歇爾）就發(fā)現(xiàn)了核素(nuclein)，但并未引起重視。20世紀(jì)20-30年代已確認(rèn)自然界有DNA和RNA兩類核酸，并闡明了核苷酸的組成，并得出A、G、C、T含量是大致相等的結(jié)果，因而長期認(rèn)為DNA結(jié)構(gòu)只是“四核苷酸”單位的重復(fù)，不能攜帶更多的信息(蛋白質(zhì)才是)。1944年O.T.Avery（埃弗里）等和1952年A.D.Hershey（赫爾希）及M.Chase（蔡斯）的兩個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)證明遺傳物質(zhì)就是DNA?；蚓褪荄NA嗎？這4點(diǎn)，缺一不可！作為遺傳物質(zhì)必需滿足4個(gè)條件：1）必須能夠攜帶遺傳信息；2）必須能夠自我復(fù)制傳遞遺傳信息；4）必須能夠讓遺傳信息得到表達(dá)以控制細(xì)胞活動(dòng)。3）必須能夠突變并保留突變；1953年2月28日中午，F(xiàn)rancis

Crick（弗朗西斯·克里克）按捺不住沖進(jìn)劍橋大學(xué)附近的“鷹吧”向食客們高呼：“我們發(fā)現(xiàn)了生命的秘密！”1953年4月25日《Nature》雜志發(fā)表了Crick和JamesWatson（沃森）署名的1000字左右和一幅插圖的論文《脫氧核糖核酸的結(jié)構(gòu)》。從此，分子生物學(xué)和基因工程的時(shí)代開始了?。ㄕQ生）為此，他們分享了1962年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。2004年7月28日，Crick在美國圣地亞哥逝世?！禢ature》專門為他出了紀(jì)念專刊！基因，即DNA，呈什么樣的結(jié)構(gòu)才能滿足以上4點(diǎn)要求？2、現(xiàn)代分子生物學(xué)的建立和發(fā)展階段

A.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出(Watson和Crick,1953)作為現(xiàn)代分子生物學(xué)誕生的里程碑。意義確立了核酸作為信息分子的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ);提出了堿基配對(duì)是核酸復(fù)制、遺傳信息傳遞的基本方式，從而最后確定了核酸是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，為認(rèn)識(shí)核酸與蛋白質(zhì)的關(guān)系及其在生命中的作用打下了最重要的基礎(chǔ)。

JamesWatsonandFrancisCrick

stumbleduponthestructureofDNA,butonlybymakinguseofthediscoveriesofmanyscientistswhocamebeforethem,includingRosalindFranklin（羅莎琳德·富蘭克林）.

對(duì)DNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)有貢獻(xiàn)的科學(xué)家WithallshedidtomakeWatsonandCrick'sdiscoverypossible,RosalindFranklin

wasessentially"adefactocollaborator,"saysLynneOsmanElkin.

（林恩·奧斯曼·埃爾金）

Atatimewhenmanyscientiststhought

proteins

mustferryheritableattributestothenextgeneration,microbiologist

OswaldAvery（奧斯瓦爾德·埃弗里）discoveredthatthegeneticcarrierwasinfactthehumblenucleicacid

DNA.Avery’sdiscoveryhasbeencalled

worthtwoNobelPrizes,buthenevergotevenone.In1940,NobellaureateErwinSchr?dinger

helpedlaunchthenewfieldofbiophysicswithalectureengaginglytitled"WhatisLife?"

LABOROTARYOFPOMOLOGY,GUIZHOUUNIVERSITY生物物理DNA為遺傳信息載體

FriedrichMiescher（米歇爾）,workingatalaboratoryinTuebingenCastleinsouthwesternGermany,discoveredDNAasearlyas1871.Erwin

Chargaff’s（歐文·查加夫）discoveryin1949thatthetotalnumberoftwoofDNA'sfourbasechemicalsalwaysequaledthetotalnumberoftheothertwohelpedsetthestageforWatsonandCrick'sbrilliantinsightintoDNA'sstructurejustfouryearslater.LABOROTARYOFPOMOLOGY,GUIZHOUUNIVERSITYScientistsContributingtoDiscoveryofDNAStructure早在1871發(fā)現(xiàn)DNADNA中A=T,G=C

Transcription

TranslationReplicationDNARNAProtein

Reverse-Transcription（補(bǔ)充，RNA病毒）B.遺傳信息傳遞中心法則的建立(Crick,1954)和完善(Temin（特明）andBaltimore,1970)Centraldogma(Crick,1954;TeminandBaltimore,1970)意義：DNA雙螺旋模型(包括中心法則)的發(fā)現(xiàn)，是20世紀(jì)最為重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，也是生物學(xué)歷史上惟一可與達(dá)爾文進(jìn)化論相比的最重大的發(fā)現(xiàn);它與自然選擇一起，統(tǒng)一了生物學(xué)的大概念，標(biāo)志著分子遺傳學(xué)的誕生。3、初步認(rèn)識(shí)生命本質(zhì)并開始改造生命的階段

70年代后，以基因工程技術(shù)的出現(xiàn)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：

1.重組DNA技術(shù)的建立和發(fā)展；2.基因組研究的發(fā)展；3.單克隆抗體及基因工程抗體的建立和發(fā)展；（來自單個(gè)Ｂ淋巴細(xì)胞的克隆或一個(gè)雜交瘤細(xì)胞的克隆，只識(shí)別一種表位(抗原決定簇)的抗體。）4.基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理；5.細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)理研究成為新的前沿領(lǐng)域。Abriefhistory(timeline)1954Centraldogma(Crick)1972

RecombinantDNAinvitro(Berg)1973FirstusedplasmidtocloneDNA(Cohen)1986PCR(Mullis)1986Ribozyme(Cech)1990LauchedtheHGP(Watsonetal.)

1997Dolly(Wilmutandcolleagues)Dolly(1997)交叉蛋白序列嗜血流感桿菌成就人類20世紀(jì)構(gòu)筑完成四大理論基礎(chǔ)：

相對(duì)論量子論信息論

基因論五大模型：

宇宙起源和演化的熱大爆炸模型粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型信息智能處理的圖靈計(jì)算模型地殼構(gòu)造的板塊模型

HGP,plusmorethan60speciessequenced(-ing)(includingriceetal.);RNAi（RNA干擾，雙鏈，與目標(biāo)mRNA互補(bǔ)結(jié)合而將其降解，目標(biāo)基因沉默）;Asingleaminoacidmutationresultindisease,Protein構(gòu)象的改變disease(老年癡呆癥、腫瘤、白內(nèi)障etal.),Prion（感染性蛋白質(zhì)）(空間結(jié)構(gòu)變化)牛海綿狀腦炎,Genetic-modifiedPigs(英國PPL醫(yī)療公司)人體器官移植,

Stemcell研究：干細(xì)胞重組法(USA一基因公司),2001年11月，美國一家細(xì)胞公司宣稱人類胚胎培育成功。

貧富差距加大；科技與倫理道德；基因檔案安全隱患以及隱私安全；轉(zhuǎn)基因食品安全。

成就與挑戰(zhàn)Asingleaminoacidmutationresultindisease敏感性

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，耐貯藏番茄，抗除草劑大豆、棉花等。2、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），

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)保工業(yè)上：工程菌，提高降解效率；

擴(kuò)大可降解污染物的種類。

*化學(xué)與能源工業(yè)上：重組DNA技術(shù)生產(chǎn)丁醇，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，重組DNA技術(shù)生產(chǎn)酒精等石油替代品。*食品工業(yè)上：

谷氨酸、調(diào)味劑、酒類和油類，例：不含軟脂酸的大豆色拉油。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。課程大綱緒論第一章DNA與染色體的結(jié)構(gòu)第二章基因與基因組結(jié)構(gòu)第三章DNA的復(fù)制第四章DNA的損傷及修復(fù)第五章RNA的生物合成第六章蛋白質(zhì)的生物合成第七章原核生物基因表達(dá)調(diào)控第八章真核生物基因表達(dá)調(diào)控第九章分子生物學(xué)技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用References1、分子生物學(xué).（第二版）主編閻隆飛、張玉麟.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社.2、分子遺傳學(xué).（第一版）主編孫乃恩、孫東旭.南京大學(xué)出版社.3、基因工程原理.主編吳乃虎4、分子生物學(xué)(影印版)（現(xiàn)代生物學(xué)精要速覽系列）科學(xué)出版社，2001。5、植物基因工程.王關(guān)林等著6、分子克隆(第二版)Sambrooketal.(冷泉港實(shí)驗(yàn)室)7、GeneVII.BenjaminLewin著.Cell 37.297Nature 27.368Science 24.676NatureBiotechnology 11.00PlantCell10.3PlantJ5.3PlantPhysiology5.4