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分子生物学MolecularBiology第一章绪论第一节分子生物学的基本含义分子生物学是研究核酸、蛋白质等所有生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学，是人类从分子水平上真正揭开生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。简言之,它是从分子水平研究生命的本质,研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构与功能,使人类主动地改造和重组自然界的基础学科.分子生物学：分子生物学是一门从分子水平研究生命现象、生命本质、生命活动及其规律的新兴生物学科。研究对象：生物大分子，如核酸、蛋白质和多糖等。主要任务：阐明生物大分子的复杂结构、结构与功能的关系、体内代谢及其调控规律以及对生命的重要意义。第二节分子生物学的基本原理构成生物体的分子在不同生物中都是相同的;生物体内分子的构建都遵循共同的规则;核酸、蛋白质决定了生物体的属性;第三节分子生物学的主要内容结构分子生物学-----生物大分子的结构功能研究;基因表达与调控;DNA重组技术;基因组与生物信息学;DNA重组技术（recombinantDNAtechnology）又称为基因工程，根据分子生物学和遗传学的原理，将一种生物的遗传物质DNA转移到另一生物体中，使后者获得新的遗传性状或表达出所需要的产物。DNA重组技术的应用——利用微生物基因工程生产重组基因工程药物、利用转基因植物和动物体细胞克隆进行基因表达与调控的基础研究.基因组、功能基因组与生物信息学的研究基因组(Genome)：细胞或生物体一条完整单体的全部染色体遗传物质的总和。人类基因组计划（HumanGenomeProject,HGP）：测定出人基因组全部DNA3×109个碱基对的序列、确定人类约5-10万个基因的一级结构。蛋白组计划（Proteomeproject）:又称为后基因组计划或功能基因组计划，用于揭示并阐明细胞、组织乃至整个生物个体全部蛋白质及其功能。生物信息学（Bioinformatics）:是在生命科学的研究中，以计算机为工具对生物信息进行储存、检索和分析的科学。第四节分子生物学与其他学科的关系分子生物学是由生物化学、生物物理学、遗传学、微生物学、细胞学、以至信息科学等多学科相互渗透、综合融会而产生并发展起来的，凝聚了不同学科专长的科学家的共同努力。它虽产生于上述各个学科，但已形成它独特的理论体系和研究手段，成为一个独立的学科。生命活动的一致性，使生物学范围内所有学科在分子水平上得到统一。生物化学与分子生物学关系最为密切生物化学是从化学角度研究生命现象的科学，它着重研究生物体内各种生物分子的结构、转变与新陈代谢。传统生物化学的中心内容是代谢，包括糖、脂类、氨基酸、核苷酸、以及能量代谢等与生理功能的联系。分子生物学则着重阐明生命的本质,主要研究生物大分子核酸与蛋白质的结构与功能、生命信息的传递和调控。细胞生物学与分子生物学关系也十分密切传统的细胞生物学主要研究细胞和亚细胞器的形态、结构与功能。由于探讨组成细胞的分子结构比单纯观察大体结构能更加深入认识细胞的结构与功能，因此现代细胞生物学的发展越来越多地应用分子生物学的理论和方法。分子生物学是从各个生物大分子的结构入手开始进行研究的.但由于各个分子不能孤立发挥作用，生命绝非组成成分的随意加和或混合，分子生物学还需要进一步研究各生物分子间的高层次组织和相互作用，尤其是细胞整体反应的分子机理，这在某种程度上是向细胞生物学的靠拢。第五节分子生物学的发展一.准备和酝酿阶段（一）确定了蛋白质是生命的物质基础1926年,Sumner从刀豆中提取了脲酶结晶,证明了酶的化学本质是蛋白质。1951年,Pauling和Corey根据氨基酸和小肽的X-射线晶体衍射图谱,提出了蛋白质的α-螺旋结构模型。1953年完成了胰岛素的氨基酸全序列分析。(二)确定了生物的遗传物质是DNA而非蛋白质1859年，英国生物学家达尔文在他发表的《物种起源》一书中，第一次用大量的事实和系统的理论论证了生物进化的普遍规律，指出生物的性状是可遗传的。1865年，奥地利神父。经典遗传学的奠基人孟德尔经过8年的豌豆杂交试验，写出了一篇题为《植物杂交试验》的论文，提出生物体的各种特定性状受遗传因子所控制，一个因子决定一种性状。1869年，瑞士科学家米歇尔从细胞核中分离出核酸。1903年，美国细胞学家萨顿发现了遗传因子与染色体的平行关系，提出了遗传的染色体学说。1915年，美国染色体遗传学家摩尔根创立了现代遗传学的基因学说，1926年发表了著名的《基因论》。1924年，德国细胞学家福尔根发现了核糖核酸和脱氧核糖核酸。1927年，美国遗传学家缪勒发现x射线照射可诱导基因突变。1929年，莱文发现核酸碱基的主要成分。1941年，比德尔和塔特姆提出了“一个基因一个酶”的假说。1944年，爱弗里（Avery）证明了DNA是遗传信息的载体。证明DNA是遗传物质的两个关键性实验美国Avery用肺炎球菌感染小鼠。美国Hershey用T2噬菌体感染大肠杆菌。这两个实验主要的论点证据是：生物体吸收的外源DNA改变了其遗传潜能。1950年，查卡夫提出DNA的碱基组成规则。1951年，麦克林托克提出了“跳跃基因”学说。1952年，富兰克林和威尔金斯发现DNA是螺旋分子并由双链组成。1953年，沃森和克里克提出DNA双螺旋结构模型。二.建立和发展阶段1953年,Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构模型.1956年,A.Kornberg首先发现DNA聚合酶。1958年,Meselsonl和Stahl提出DNA半保留复制模型.1968年,Okazaki(冈畸)提出DNA不连续复制.1972年,证实DNA复制开始需要RNA作为引物.三.认识并开始改造生命的发展阶段(一)重组DNA技术的建立和发展1970年,R.Yuan和H.O.Smith发现限制性内切酶;1972年,Berg等将SV-40病毒DNA与噬菌体P22DNA在体外重组成功;1977年,Boyer等将人工合成的生长激素释放抑制因子基因重组入质粒;1979年,美国人工合成的人胰岛素基因重组转入大肠杆菌中合成人胰岛素.(二)转基因动植物的成功1982年,Palmiter等将克隆的生长激素基因导入小鼠;1994年,能比普通西红柿保鲜时间更长的转基因西红柿;1996年,转基因玉米、转基因大豆相继投入商品生产;我国将蛋白酶抑制剂基因转入棉花获得抗棉铃虫的棉花株。(三)基因诊断与基因治疗在医学领域的发展对遗传疾病的治疗，使变异基因和异常表达的基因变为正常基因，从根本上治愈遗传疾病。(四)基因组研究的发展1977年,Sanger测定了ΦX174全部5375个核苷酸的序列；1978年,Fiers等测出SV-40全部5224对碱基序列；1980年,λ噬菌体48,502碱基对的序列全部测出；1996年,测出了大肠杆菌4x106碱基对序列；1990年,人类基因组计划（HumanGenomeProject）开始实施，测定出人基因组全部3x109碱基对的序列、确定人类约5-10万个基因的一级结构。(五)单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展1975年,Kohler和Milstein首次用B淋巴细胞杂交瘤技术制备出单克隆抗体。1980年代以后,随着基因工程抗体技术而相继出现的单域抗体、单链抗体、嵌合抗体、重构抗体、双功能抗体等为许多疾病的诊断和治疗提供了有效的手段。(六)细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域Sutherland于1957年发现cAMP,并于1965年提出第二信使学说。1977年,Ross等用重组实验证实G蛋白的存在和功能，将G蛋白与cAMP的作用相联系起来，对G蛋白偶联信号转导途径有了新的认识。随后蛋白酪氨酸激酶途径的发现、各种受体蛋白基因的克隆和结构功能的探索等，使近10年来细胞信号转导的研究有了长足的进步。第六节在农业上的应用品种选育：抗逆性、增产、提高营养价值等;作为生物反应器生产人们所需产品;植物的组织培养快速繁殖脱毒等;转基因植物.第七节在医学方面的应用人类的基因组计划基因治疗（遗传疾病）疾病的诊断单克隆抗体（生物导弹）疾病的防治（基因工程疫苗）人类后基因组计划基因克隆计划：克隆仅占2.5%序列的5万个基因的位置。基因组多样性计划：对群体基因多样性和个体基因组特异性的研究。每个人将有一份“先天隐私”的详尽资料，个体基因组遗传信息。cDNA计划——建立不同组织、不同基因在不同时期的表达序列的文库。蛋白组计划——从单一的蛋白质转向大规模的种类、结构和功能的研究。细胞计划——阐明信号传导途径认识生命奥秘。当前要做的事情挖掘我国宝贵的遗传病资源，克隆我们自己的相关基因；建立基因组分析与基因克隆能力。中国的HGP指导思想参与分享，重点是以自己的资源，依靠自己的力量，为子孙后代克隆我们自己的基因。遗传病人类现有3000多种遗传病，已找到了200多个与遗传病有关的基因。人类中的遗传病大致可分为单基因、多基因和染色体病三大类。单基因遗传病：只与一对基因有关，它主要是由基因突变引起的，如白化病、血友病、色盲等;多基因遗传病：是指由几对基因的变化引起的疾病，例如，高血压、糖尿病、神经病等。染色体病：是由于染色体畸变所致的遗传病，如先天愚型、猫叫综合征、性腺发育不全症等。约25％的生理缺陷、30％的儿童死亡和60％的成年人疾病都是由遗传疾病引起的。基因治疗体外原位治疗——从患者体内取出带有缺陷的细胞，通过基因转移进行遗传修正。将经过遗传修正后的细胞转入患者的体内。体内基因治疗——是指将具有治疗功能的基因直接转入病人的某一特定组织中，并且能正常表达。反义疗法引入与目的mRNA相补的RNA（反义RNA），用于阻遏或降低某个基因的表达，达到治疗目的。基因诊断基因诊断是在DNA重组技术的基础上发展起来的新技术。DNA诊断关键是筛选出特异性的DNA探针对病原微生物染色体DNA限制性酶切建立基因文库筛选出特异性DNA探针通过DNA分子杂交鉴定该种病原微生物目前已分离出100多种病原菌的特异性探针PCR诊断关键是设计合成待鉴定病原菌特异序列的引物对细菌性疾病的诊断可以防止抗生素的滥用能检测出病原菌是否带有抗药性基因利用待测菌不同特异片段设计多对引物即套式PCR能够增大检测的准确性。PCR-酶解鉴定诊断遗传疾病如β珠蛋白基因突变造成的镰刀形细胞贫血病突变恰好是在CvnI限制性酶切位点正常CCTGAGG突变成CCTGTGG在CvnI酶位点两端设计引物PCR扩增后酶切由于酶切位点突变扩增的产物电泳发生变化基因工程疫苗用基因工程的方法表达出病原物的一段基因序列，将表达产物用作疫苗。表达产物无毒性、无感染力、强的免疫性.目前多数的乙肝疫苗是基因工程苗第八节现代生物技术的社会伦理问题人体实验新的医疗技术或新医药产品，首先要进行动物实验，然后还必须临床实验。公众反对滥用健康人、病人、犯人等做人体实验。科学家认为，对人体实验的过分限制，无异于对人类获取生物医学知识设置阻碍。人体实验中的种种问题仍然不可避免地存在着。基因操作会打乱生态系统的自然演化生物物种间的界限被打破了，这将打乱自然进化的历程，新的转基因生物如大量释放到大自然，它们可能会影响到生态系统中能量的流动和物质循环改变生态系统的结构，这对人类来说是祸还是福？人们对基因产品心存顾虑人类使用转基因药物和食品是否会影响到身体的健康，这一点目前还没有确凿证据。受到宗教界的谴责基因垄断的后果将是所有基因的发现都只归利于几家捷足先登的大公司，这将不利于人类的生活改善。基因组是全人类的，基因组计划因当造福全人类。