分子生物學 -自然科學門類

分子生物學

在分子水準上研究生命現象的科學。通過研究生物大分子(核酸、蛋白質)的結構、功能和生物合成等方面來闡明各種生命現象的本質。研究內容包括各種生命過程。比如光合作用、發育的分子機製、神經活動的機理、癌的發生等。

  • 中文名稱
    分子生物學
  • 外文名稱
    molecular biology

簡介

分子生物學(molecular biology)從分子水準研究生物大分子的結構與功能從而闡明生命現象本質的科學。自20世紀50年代以來,分子生物學是生物學的前沿與生長點,其主要研究領域包括蛋白質體系、蛋白質-核酸體系 (中心是分子遺傳學)和蛋白質-脂質體系(即生物膜)。

分子生物學分子生物學

生物大分子,特別是蛋白質和核酸結構功能的研究,是分子生物學的基礎。現代化學物理學理論、技術和方法的應 用推動了生物大分子結構功能的研究,從而出現了近30年來分子生物學的蓬勃發展。

分子生物學和生物化學及生物物理學關系十分密切,它們之間的主要區別在于:

①生物化學和生物物理學是用化學的和物理學的方法研究在分子水準,細胞水準,整體水準乃至群體水準等不同層次上的生物學問題。而分子生物學則著重在分子(包括多分子體系)水準上研究生命活動的普遍規律;

②在分子水準上,分子生物學著重研究的是大分子,主要是蛋白質,核酸,脂質體系以及部分多糖及其復合體系。而一些小分子物質在生物體內的轉化則屬生物化學的範圍;

③分子生物學研究的主要目的是在分子水準上闡明整個生物界所共同具有的基本特征,即生命現象的本質;而研究某一特定生物體或某一種生物體內的某一特定器官的物理、化學現象或變化,則屬于生物物理學或生物化學的範疇。

學科關系

生物化學是生物學的分支學科,是研究生命物質的化學組成、結構及生命活動過程中各種化學變化的基礎生命科學。分子生物學是在分子水準上研究生命現象的科學,通過研究生物分子的結構、功能和生物合成等方面來闡明生命現象的本質。

科學研究是推動生物化學和分子生物學發展的動力,從1901年以來自然科學領域的諾貝爾獎大概有550名左右,其中有200位諾獎得者涉及到生物化學和分子生物學。

發展簡史

結構分析

結構分析和遺傳物質的研究在分子生物學的發展中作出了重要的貢獻。結構分析的中心內容是通過闡明生物分子的三維結構來解釋細胞的生理功能。1912年英國W.H.布喇格和W.L.布喇格建立了X射線晶體學,成功地測定了一些相當復雜的分子以及蛋白質的結構。以後布喇格的學生W.T.阿斯特伯裏和J.D.貝爾納又分別對毛發、肌肉等纖維蛋白以及胃蛋白酶、煙草花葉病毒等進行了初步的結構分析。他們的工作為後來生物大分子結晶學的形成和發展奠定了基礎。50年代是分子生物學作為一門獨立的分支學科脫穎而出並迅速發展的年代。首先是在蛋白結構分析方面,1951年L.C.波森等提出了 α-螺旋結構,描述了蛋白質分子中肽鏈的一種構象。1953年F.Sanger(桑格)利用紙電泳及色譜技術完成了胰島素的氨基酸序列的測定,開創了蛋白質序列分析的先河。接著 J.C.肯德魯和M.F.佩魯茨在X射線分析中套用重原子同晶置換技術和電腦技術分別于1957和1959年闡明了鯨肌紅蛋白和馬血紅蛋白的立體結構。1965年中國科學家合成了有生物活性的胰島素,首先實現了蛋白質的人工合成。

探索基因之謎

另一方面,M.德爾布呂克小組從1938年起選擇噬菌體為對象開始探索基因之謎。噬菌體感染寄主後半小時內就復製出幾百個同樣的子代噬菌體顆粒,因此是研究生物體自我復製的理想材料。1941年G.W.比德爾和E.L.塔特姆提出了"一個基因,一個酶"學說(被譽為"分子生物學第一大基石"),即基因的功能在于決定酶的結構,且一個基因僅決定一個酶的結構。但在當時基因的本質並不清楚。1944年O.T.埃弗裏等研究細菌中的轉化現象,證明了DNA是遺傳物質。1953年美國科學家J.D.沃森和英國科學家F.H.C.克裏克提出了DNA的反向平行雙螺旋結構(被譽為"分子生物學第二大基石"),開創了分子生物學的新紀元。1958年Crick在此基礎上提出的中心法則,描述了遺傳信息從基因到蛋白質結構的流動。遺傳密碼的闡明則揭示了生物體內遺傳信息的貯存方式。1961年法國科學家F.雅各布和J.莫諾提出了操縱子的概念("分子生物學第三大基石"),解釋了原核基因表達的調控。到20世紀60年代中期,關于DNA自我復製和轉錄生成RNA的一般性質已基本清楚,基因的奧秘也隨之而開始解開了。

蛋白質工程蛋白質工程

僅僅30年左右的時間,分子生物學經歷了從大膽的科學假說,到經過大量的實驗研究,從而建立了本學科的理論基礎。進入70年代,由于重組DNA研究的突破,基因工程已經在實際套用中開花結果,根據人的意願改造蛋白質結構的蛋白質工程也已經成為現實。

基本內容

蛋白質體系

蛋白質的結構單位是α-氨基酸。常見的氨基酸共20種。它們以不同的順序排列可以為生命世界提供天文數位的各種各樣的蛋白質。

蛋白質分子結構

蛋白質分子結構的組織形式可分為 4個主要的層次。一級結構,也叫化學結構,是分子中氨基酸的排列順序。首尾相連的氨基酸通過氨基與羧基的縮合形成鏈狀結構,稱為肽鏈。肽鏈主鏈原子的局部空間排列為二級結構。二級結構在空間的各種盤繞和卷曲為三級結構。有些蛋白質分子是由相同的或不同的亞單位組裝成的,亞單位間的相互關系叫四級結構。

分子生物學研究

蛋白質的特殊性質和生理功能與其分子的特定結構有著密切的關系,這是形形色色的蛋白質所以能表現出豐富多彩的生命活動的分子基礎。研究蛋白質的結構與功能的關系是分子生物學研究的一個重要內容。

隨著結構分析技術的發展,1962年已有幾千個蛋白質的化學結構和幾百個蛋白質的立體結構得到了闡明。70年代末以來,採用測定互補DNA順序反推蛋白質化學結構的方法,不僅提高了分析效率,而且使一些氨基酸序列分析條件不易得到滿足的蛋白質化學結構分析得以實現。

發現和鑒定具有新功能的蛋白質,仍是蛋白質研究的內容。例如與基因調控和高級神經活動有關的蛋白質的研究很受重視。

蛋白質-核酸體系

生物體的遺傳特征主要由核酸決定。絕大多數生物的基因都由 DNA構成。簡單的病毒,如λ噬菌體的基因組是由 46000個核苷酸按一定順序組成的一條雙股DNA(由于是雙股DNA,通常以鹼基對計算其長度)。細菌,如大腸桿菌的基因組,含4×10^6鹼基對。人體細胞染色體上所含DNA為3×10^9鹼基對。

遺傳信息要在子代的生命活動中表現出來,需要通過復製、轉錄和轉譯。復製是以親代 DNA為模板合成子代DNA分子。轉錄是根據DNA的核苷酸序列決定一類RNA分子中的核苷酸序列;後者又進一步決定蛋白質分子中氨基酸的序列,就是轉譯。因為這一類RNA起著信息傳遞作用,故稱信使核糖核酸(mRNA)。由于構成RNA的核苷酸是4種,而蛋白質中卻有20種氨基酸,它們的對應關系是由mRNA分子中以一定順序相連的 3個核苷酸來決定一種氨基酸,這就是三聯體遺傳密碼。

基因在表達其性狀的過程中貫串著核酸與核酸、核酸與蛋白質的相互作用。DNA復製時,雙股螺旋在解旋酶的作用下被拆開,然後DNA聚合酶以親代DNA鏈為模板,復製出子代 DNA鏈。轉錄是在RNA聚合酶的催化下完成的。轉譯的場所核糖核蛋白體是核酸和蛋白質的復合體,根據mRNA的編碼,在酶的催化下,把氨基酸連線成完整的肽鏈。基因表達的調節控製也是通過生物大分子的相互作用而實現的。如大腸桿菌乳糖操縱子上的操縱基因通過與阻遏蛋白的相互作用控製基因的開關。真核細胞染色質所含的非組蛋白在轉錄的調控中具有特殊作用。正常情況下,真核細胞中僅2~15%基因被表達。這種選擇性的轉錄與轉譯是細胞分化的基礎。

蛋白質-脂質體系

生物體內普遍存在的膜結構,統稱為生物膜。它包括細胞外周膜和細胞內具有各種特定功能的細胞器膜。從化學組成看,生物膜是由脂質和蛋白質通過非共價鍵構成的體系。很多膜還含少量糖類,以糖蛋白或糖脂形式存在。

1972年提出的流動鑲嵌模型概括了生物膜的基本特征:其基本骨架是脂雙層結構。膜蛋白分為表在蛋白質和嵌入蛋白質。膜脂和膜蛋白均處于不停的運動狀態。

生物膜在結構與功能上都具有兩側不對稱性。以物質傳送為例,某些物質能以很高速度通過膜,另一些則不能。象海帶能從海水中把碘濃縮 3萬倍。生物膜的選擇性通透使細胞內pH和離子組成相對穩定,保持了產生神經、肌肉興奮所必需的離子梯度,保證了細胞濃縮營養物和排除廢物的功能。

生物膜的流動鑲嵌模型生物膜的流動鑲嵌模型

生物體的能量轉換主要在膜上進行。生物體取得能量的方式,或是像植物那樣利用太陽能在葉綠體膜上進行光合磷酸化反應;或是像動物那樣利用食物在線粒體膜上進行氧化磷酸化反應。這二者能量來源雖不同,但基本過程非常相似,最後都合成腺苷三磷酸。對于這兩種能量轉換的機製,P.米切爾提出的化學滲透學說得到了越來越多的證據。生物體利用食物氧化所釋放能量的效率可達70%左右,而從煤或石油的燃燒獲取能量的效率通常為20~40%,所以生物力能學的研究很受重視。對生物膜能量轉換的深入了解和模擬將會對人類更有效地利用能量作出貢獻。

生物膜的另一重要功能是細胞間或細胞膜內外的信息傳遞。在細胞表面,廣泛地存在著一類稱為受體的蛋白質。激素和葯物的作用都需通過與受體分子的特異性結合而實現。癌變細胞表面受體物質的分布有明顯變化。細胞膜的表面性質還對細胞分裂繁殖有重要的調節作用。

對細胞表面性質的研究帶動了糖類的研究。糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂等生物大分子結構與功能的研究越來越受到重視。從發展趨勢看,寡糖與蛋白質或脂質形成的體系將成為分子生物學研究的一個新的重要的領域。

理論指導

理論指導意義

分子生物學的成就說明:生命活動的根本規律在形形色色的生物體中都是統一的。例如,不論在何種生物體中,都由同樣的氨基酸和核苷酸分別組成其蛋白質和核酸。遺傳物質,除某些病毒外,都是DNA,並且在所有的細胞中都以同樣的生化機製進行復製。分子遺傳學的中心法則和遺傳密碼,除個別例外,在絕大多數情況下也都是通用的。

物理學的成就證明,一切物質的原子都由為數不多的基本粒子根據相同的規律所組成,說明了物質世界結構上的高度一致,揭示了物質世界的本質,從而帶動了整個物理學科的發展。分子生物學則在分子水準上揭示了生命世界的基本結構和生命活動的根本規律的高度一致,揭示了生命現象的本質。和過去基本粒子的研究帶動物理學的發展一樣,分子生物學的概念和觀點也已經滲入到基礎和套用生物學的每一個分支領域,帶動了整個生物學的發展,使之提高到一個嶄新的水準。

過去生物進化的研究,主要依靠對不同種屬間形態和解剖方面的比較來決定親緣關系。隨著蛋白質和核酸結構測定方法的進展,比較不同種屬的蛋白質或核酸的化學結構,即可根據差異的程度,來斷定它們的親緣關系。由此得出的系統進化樹,與用經典方法得到的是基本符合的。採用分子生物學的方法研究分類與進化有特別的優越性。首先,構成生物體的基本生物大分子的結構反映了生命活動中更為本質的方面。其次,根據結構上的差異程度可以對親緣關系給出一個定量的,因而也是更準確的概念。第三,對于形態結構非常簡單的微生物的進化,則隻有用這種方法才能得到可靠結果。

高等動物的高級神經活動是極其復雜的生命現象,過去多是在細胞乃至整體水準上研究,深入到分子水準研究的結果充分說明高級神經活動也同樣是以生物大分子的活動為基礎的。例如,在高等動物學習與記憶的過程中,大腦中RNA和蛋白質的組成發生明顯的變化,並且一些影響生物體合成蛋白質的葯物也顯著地影響學習與記憶的能力。又如,"生物鍾"是一種熟知的生物現象。用雞進行的實驗發現,有一種重要的神經傳遞介質(5-羥色胺)和一種激素(褪黑激素)以及控製它們變化的一種酶,在雞腦中的含量呈24小時的周期性變化。正是這種變化構成了雞的"生物鍾"的物質基礎。

套用意義

實踐套用意義

在套用方面,生物膜能量轉換原理的闡明,將有助于解決全球性的能源問題。了解酶的催化原理就能更有針對性地進行酶的人工模擬,設計出化學工業上廣泛使用的新催化劑,從而給化學工業帶來一場革命。分子生物學在生物工程技術中也起了巨大的作用,1973年重組DNA技術的成功,為基因工程的發展鋪平了道路。80年代以來,已經採用基因工程技術,把高等動物的一些基因引入單細胞生物,用發酵方法生產幹擾素、多種多肽激素和疫苗等。基因工程的進一步發展將為定向培育動、植物和微生物良種以及有效地控製和治療一些人類遺傳性疾病提供根本性的解決途徑。

基因工程基因工程

從基因調控的角度研究細胞癌變也已經取得不少進展。分子生物學將為人類最終征服癌症做出重要的貢獻。

相關套用

親子鑒定

近幾年來,人類基因組研究的進展日新月異,而分子生物學技術也不斷完善,隨著基因組研究向各學科的不斷滲透,這些學科的進展達到了前所未有的高度。在法醫學上,STR位點和單核苷酸(SNP)位點檢測分別是第二代、第三代DNA分析技術的核心,是繼RFLPs(限製性片段長度多態性)VNTRs(可變數量串聯重復序列多態性)研究而發展起來的檢測技術。作為最前沿的刑事生物技術,DNA分析為法醫物證檢驗提供了科學、可靠和快捷的手段,使物證鑒定從個體排除過渡到了可以作同一認定的水準,DNA檢驗能直接認定犯罪、為凶殺案、強奸殺人案、碎屍案、強奸致孕案等重大疑難案件的偵破提供準確可靠的依據。隨著DNA技術的發展和套用,DNA標志系統的檢測將成為破案的重要手段和途徑。此方法作為親子鑒定已經是非常成熟的,也是國際上公認的最好的一種方法。

megabace dna分析系統megabace dna分析系統

與人類自身發展

分子生物學作為現代科學的一門綜合科學,其意義不止體現在純粹的科學價值上;更為重要的是它的發展關系到人類自身的方方面面。分子生物學又可以細致的劃分為大分子生物與電子生物學兩種。上面提到的關于在刑偵方面的套用以及包括但不限于親自鑒定、及嬰兒男女鑒定方面的內容,大體為大分子分子內容的實際用途。而電子生物生物學則是從比大分子更細致的小分子及原子角度來解釋生命的基本要素和構成,有著更多未解的謎題和更為廣闊的科學前景。克隆技術基本上隻是此項課題的一個入門階段的套用。可以想象未來隨著研究的深入以及物理學的進一步發展。人類有可能成為創造另類生物的"上帝"。

轉基因食品

轉基因食品(Genetically Modified Foods,GMF)是利用現代分子生物技術,將某些生物的基因轉移到其他物種中去,改造生物的遺傳物質,使其在形狀、營養品質、消費品質等方面向人們所需要的目標轉變。以轉基因生物為直接食品或為原料加工生產的食品就是"轉基因食品"。可增加作物單位面積產量;可以降低生產成本;通過轉基因技術可增強作物抗蟲害、抗病毒等的能力;提高農產品的耐貯性,延長保鮮期,滿足人民生 活水準日益提高的需求;可使農作物開發的時間大為縮短;可以擺脫季節、氣候的影響,四季低成本供應;打破物種界限,不斷培植新物種,生產出有利于人類健康的食品。

楊岐生著書籍

題名: 分子生物學

作者: 楊岐生

責任編輯: 鄒小寧

出版社: 浙江大學出版社

出版日期: 2006-07-07

ISBN: 7-308-03628-6

分子生物學是研究和闡述生物大分子結構與功能的學科,是當代生物科學的重要分支,是一門迅速發展的基礎學科。在本書編寫中,參考了國內外的優秀教材,並在1994年編寫的《分子生物學基礎》的基礎上,保持原有架構的長處,結合多年的教學實踐,進行擴充、重寫。全書從蛋白質、核酸、基因及基因組結構開始,沿著中心法則的主線,闡述生物大分子在復製、轉錄、翻譯、信息傳導、基因表達調控中的相互作用和功能。編寫時著重分子生物學的基本概念和理論,盡量使敘述確切,能更好地反映分子生物學的發展趨向。全書分12章,包括蛋白質分子結構、核酸的結構、基因和基因組、生物大分子的相互作用、基因工程原理、DNA的復製、基因的轉錄、轉錄後加工、蛋白質生物合成和翻譯後加工、細胞信息傳導、原核生物基因表達的調控、真核生物基因表達的調控。通過本書的學習,使學生能了解當前分子生物學的概貌、基本思路、方法、與生命科學其他學科的聯系。

分子生物學分子生物學

本書可作為生物學、生物技術、醫學等專業以及農林相關專業的大學部生、研究生的分子生物學課程的教材或參考書。

醫學關系

分子生物學的興起是整個自然科學的一件大事,它使整個生命科學的研究上升到一個全新的階段。在實際套用方面,它是生物工程技術的重要理論基礎,後者正在工農業生產和環境保護等方面發揮著日益顯要的作用。醫學做為生命科學的重要組成部分,所受分子生物學的滲透和影響尤其重大。

一.分子生物學使整個醫學科學研究提高到分子水準

經典的生物學隻能從生物表型的變化描述和歸納生命活動的某些規律,所謂基因也還隻是抽象的概念,表型的分子基礎也未查明。從前的醫學研究狀況大體上也是如此。隻有分子生物學的研究才使醫學各科上升到基因水準、分子水準,從而出現了所謂分子微生物學、分子免疫學、分子生理學、分子病理學、分子葯理學、分子心髒病學分子神經病學、分子內分泌學等等全新的領域。不僅理論研究如此,在臨床實踐上,基因診斷和基因治療,也提到日程上來了,有些診斷方法正在付諸實施,有些則正在積極探索。

二.癌症的研究即將出現重大的突破

癌基因的發現是分子生物學研究的重大成果。過去在癌病因學上眾說不一的局面正在改善。由各種內外因素導致癌基因激活或異常表達很可能就是癌症發生的根本原因。癌基因本來是正常的基因成分之一,它的生理功能是什麽?它是如何被調控的?異常表達和激活的機理是什麽?癌基因產物和生長因子的關系是怎樣的?是否存在著反癌基因和生長的負調節因子?等等。這些問題都是當前研究的熱點,正在取得日新月異的進展,與此有關的是艾滋病(AIDS)的研究受到世界範圍的密切關註,這個問題從學術上講,主要屬于分子免疫學和分子病毒學的範疇、其發病的分子機理正在被逐步深入地闡明。如果分子生物學研究成果和社會性的預防措施能夠很好地結合起來,這個疾病的流行將會較快得到製止。

三.遺傳病

隨著醫學分子生物學研究的日益深入,有關遺傳病的一些概念正在發生變化。首先,這類疾病不再象過去認為的那麽罕見。至今發現按照孟德爾方式遺傳的遺傳病已達3000餘種。如果估計到疾病易感性和基因變異的關系,則遺傳病範圍會更加擴大,例如易患心髒病、肺氣腫、高膽固醇血症、糖尿病、變態反應和胃潰瘍病等等的基因正在得到分離,甚至癌症,有的學者認為也可歸屬于遺傳病的範疇,其根本原因在于DNA的損傷。其次,基因探針技術正在逐步擴大產前診斷和遺傳病診斷的範圍。顯然,檢查出易感某病的基因對于個人保健是十分寶貴的信息,也是針對疾病危險因素採取預防措施的科學依據。在治療上,過去一切對遺傳病的療法都隻能是對症的,從理論上講,隻有基因療法才是治療遺傳病的唯一根治方法。當然,要將這種方法付諸實踐在當前尚有許多理論上和技術上的困難有待克服。

四. 葯物和疫苗

隨著基因工程的蓬勃興起而首先受益的產業領域就是製葯工業。現已有些多肽或蛋白質葯物,如人胰島素、生長激素、幹擾素等能夠通過"工程菌"大量生產,更多的葯物則正在開發之中。疫苗的研製正在極大地促進預防醫學的發展,例如,乙型肝炎疫苗、非甲非乙肝炎疫苗、輪狀病毒疫苗、瘧疾疫苗等等,有些已能付諸套用,有些尚在開發之中。通過蛋白質工程技術,採用定點突變的方法,還可望製造出新型的蛋白質。例如,白細胞介素 2和β幹擾素是兩種具有抗癌作用的蛋白質,在其多肽鏈中各有三個半胱氨酸殘基,但隻形成一對二硫鍵,由于分子中含有多餘的一個半胱氨酸殘基,所以二個分子容易締結合成二聚體而失活,用定點突變法改變半胱氨酸的密碼子為絲氨酸密碼子,就可防止二聚體的形成,從而在不損害活性的情況下大大延長這兩個蛋白質的半衰期,提高了療效。

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