分子生物學

molecularbiology查仁明貴州大學農學院E-mail：zrm1966@163.com;電話ntroduction

分子生物學(molecularbiology)從分子水平研究生命本質的一門新興學科(廣義)，它以核酸和蛋白質等生物大分子的結構及其在遺傳信息和細胞信息傳遞中的作用為研究對象。其內容主要包括：核酸、蛋白質的結構、運動和功能；

酶的作用機理和動力學；

生物膜蛋白的結構、功能及跨膜運輸。從分子水平來研究基因結構和功能(狹義)。重點偏重于核酸或基因的分子生物學，及其有關的proteins(orEnzymes)的結構與功能。是當前生命科學中發展最快的前沿領域。其發展為人類認識生命現象帶來了前所未有的機會，也為人類利用和改造生物創造了廣闊前景。發展歷史（3個階段）1、準備和醞釀階段(19s后期－1950s初)

是現代分子生物學誕生的準備和醞釀階段。產生了兩點對生命本質的認識上的重大突破：

A.確定了蛋白質是生命的主要基礎物質

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

20世紀20-40年代提純和結晶了一些酶（包括尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、黃酶、細胞色素C、肌動蛋白等），證明酶的本質是蛋白質。隨后陸續發現生命的許多基本現象（物質代謝、能量代謝、消化、呼吸、運動等）都與酶和蛋白質相聯系，可以用提純的酶或蛋白質在體外實驗中重復出來。B.確定了生物遺傳的物質基礎是DNA

雖然1868年F.Miescher（米歇爾）就發現了核素(nuclein)，但并未引起重視。20世紀20-30年代已確認自然界有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果，因而長期認為DNA結構只是“四核苷酸”單位的重復，不能攜帶更多的信息(蛋白質才是)。1944年O.T.Avery（埃弗里）等和1952年A.D.Hershey（赫爾希）及M.Chase（蔡斯）的兩個經典實驗證明遺傳物質就是DNA。基因就是DNA嗎？這4點，缺一不可！作為遺傳物質必需滿足4個條件：1）必須能夠攜帶遺傳信息；2）必須能夠自我復制傳遞遺傳信息；4）必須能夠讓遺傳信息得到表達以控制細胞活動。3）必須能夠突變并保留突變；1953年2月28日中午，Francis

Crick（弗朗西斯·克里克）按捺不住沖進劍橋大學附近的“鷹吧”向食客們高呼：“我們發現了生命的秘密！”1953年4月25日《Nature》雜志發表了Crick和JamesWatson（沃森）署名的1000字左右和一幅插圖的論文《脫氧核糖核酸的結構》。從此，分子生物學和基因工程的時代開始了！（誕生）為此，他們分享了1962年的諾貝爾生理學或醫學獎。2004年7月28日，Crick在美國圣地亞哥逝世。《Nature》專門為他出了紀念專刊！基因，即DNA，呈什么樣的結構才能滿足以上4點要求？2、現代分子生物學的建立和發展階段

A.DNA雙螺旋結構模型的提出(Watson和Crick,1953)作為現代分子生物學誕生的里程碑。意義確立了核酸作為信息分子的結構基礎;提出了堿基配對是核酸復制、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基礎，為認識核酸與蛋白質的關系及其在生命中的作用打下了最重要的基礎。

JamesWatsonandFrancisCrick

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

對DNA結構發現有貢獻的科學家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發現DNADNA中A=T,G=C

Transcription

TranslationReplicationDNARNAProtein

Reverse-Transcription（補充，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)的發現，是20世紀最為重大的科學發現之一，也是生物學歷史上惟一可與達爾文進化論相比的最重大的發現;它與自然選擇一起，統一了生物學的大概念，標志著分子遺傳學的誕生。3、初步認識生命本質并開始改造生命的階段

70年代后，以基因工程技術的出現作為新的里程碑，標志著人類深入認識生命本質并能動改造生命的新時期開始。其間的重大成就包括：

1.重組DNA技術的建立和發展；2.基因組研究的發展；3.單克隆抗體及基因工程抗體的建立和發展；（來自單個Ｂ淋巴細胞的克隆或一個雜交瘤細胞的克隆，只識別一種表位(抗原決定簇)的抗體。）4.基因表達調控機理；5.細胞信號轉導機理研究成為新的前沿領域。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世紀構筑完成四大理論基礎：

相對論量子論信息論

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準模型

DNA雙螺旋結構模型信息智能處理的圖靈計算模型地殼構造的板塊模型

HGP,plusmorethan60speciessequenced(-ing)(includingriceetal.);RNAi（RNA干擾，雙鏈，與目標mRNA互補結合而將其降解，目標基因沉默）;Asingleaminoacidmutationresultindisease,Protein構象的改變disease(老年癡呆癥、腫瘤、白內障etal.),Prion（感染性蛋白質）(空間結構變化)牛海綿狀腦炎,Genetic-modifiedPigs(英國PPL醫療公司)人體器官移植,

Stemcell研究：干細胞重組法(USA一基因公司),2001年11月，美國一家細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；轉基因食品安全。

成就與挑戰Asingleaminoacidmutationresultindisease敏感性

分子生物學實際應用的現狀和展望促進了以基因工程為核心的生物技術的發展，從而影響經濟發展的諸多領域。1、農業方面生物品種的改良速度更快、目標更準確，甚至創造新物種。轉基因動物－－－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、醫藥方面利用重組DNA產生的工程菌來大量高效地合成人體活性多肽（疾病的診斷、預防和治療），

基因工程疫苗（細菌疫苗、病毒疫苗、寄生蟲疫苗），

正在研制的癌癥疫苗。3、工業方面

*酶制劑，工業用酶的生產、酶的定向改造。

*環保工業上：工程菌，提高降解效率；

擴大可降解污染物的種類。

*化學與能源工業上：重組DNA技術生產丁醇，用基因工程技術改善微生物發酵生產丙酮、酒精、醋酸等的轉化效率，重組DNA技術生產酒精等石油替代品。*食品工業上：

谷氨酸、調味劑、酒類和油類，例：不含軟脂酸的大豆色拉油。生物技術必將在世界人口問題、疾病問題、人的壽命問題、營養保健問題、農業持續發展問題、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與染色體的結構第二章基因與基因組結構第三章DNA的復制第四章DNA的損傷及修復第五章RNA的生物合成第六章蛋白質的生物合成第七章原核生物基因表達調控第八章真核生物基因表達調控第九章分子生物學技術及其在農業中的應用References1、分子生物學.（第二版）主編閻隆飛、張玉麟.中國農業大學出版社.2、分子遺傳學.（第一版）主編孫乃恩、孫東旭.南京大學出版社.3、基因工程原理.主編吳乃虎4、分子生物學(影印版)（現代生物學精要速覽系列）科學出版社，2001。5、植物基因工程.王關林等著6、分子克隆(第二版)Sambrooketal.(冷泉港實驗室)7、GeneVII.BenjaminLewin著.Cell 37.297Nature 27.368Science 24.676NatureBiotechnology 11.00PlantCell10.3PlantJ5.3PlantPhysiology5.4