1 1 1緒論現(xiàn)代生物學(xué)研究的目的是要在分子水平上闡明細(xì)胞活動(dòng)的規(guī)律 揭示生命的本質(zhì) 從20世紀(jì)40年代開始 無數(shù)生命科學(xué)家用他們的智慧和汗水 贏得了20世紀(jì)自然科學(xué)最偉大的革命 揭開生物遺傳的謎底 主要體現(xiàn) DNA的結(jié)構(gòu)與功能 RNA在蛋白質(zhì)生物合成中的作用 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能 遺傳密碼及基因表達(dá)調(diào)控等機(jī)制的闡明 本章主要介紹現(xiàn)代分生物學(xué)的歷史背景和主要人物 并簡(jiǎn)單討論人類對(duì)遺傳的最基本單位 基因化學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)過程 2 分子生物學(xué)的定義分子生物學(xué)是研究核酸 蛋白質(zhì)等所有生物大分子的形態(tài) 結(jié)構(gòu)與其功能 它們之間的相互關(guān)系 研究目的 在分子水平上闡明細(xì)胞活動(dòng)的規(guī)律 揭示生命的本質(zhì) Molecularbiologyisthestudyofgenesandtheiractivitiesatthemolecularlevel includingtranscription translation DNAreplication recombinationandtranslocation 3 1 1 1創(chuàng)世說與進(jìn)化論多少年來 人們常常會(huì)反復(fù)提出3個(gè)與生命現(xiàn)象有關(guān)的問題 生命的起源 生命是怎樣起源的 生物的遺傳 為什么 有其父必有其子 生物的發(fā)育 動(dòng) 植物個(gè)體是如何從一個(gè)受精卵發(fā)育而來的 4 直到19世紀(jì)初 西方人一直相信基督教的宣傳 相信上帝先創(chuàng)造了花草樹木 世間萬物 后來又創(chuàng)造了男人亞當(dāng) 再從亞當(dāng)身上抽出一根肋骨 這就成了女人夏娃 亞當(dāng) 夏娃婚配繁衍產(chǎn)生了人類 1859年 英國生物學(xué)家CharlesDarwin發(fā)表了著名的 物種起源 一書 確立了進(jìn)化論的概念 這打破了上帝造人的傳統(tǒng)觀念 改變了社會(huì)對(duì)人類在整個(gè)世界中的地位的看法 極大地推動(dòng)了人類思想的發(fā)展 5 達(dá)爾文采集了大量動(dòng) 植物標(biāo)本和化石并細(xì)心地進(jìn)行比較 鑒別和研究 提出并解答了一系列學(xué)術(shù)問題 A 相似的動(dòng)物為什么居住在千里之外的不同地區(qū) B 同一個(gè)小島上為什么聚集著許多不同的動(dòng)物 C 低等動(dòng)物與高等動(dòng)物有些什么樣的聯(lián)系 D 人是如何產(chǎn)生的等等 認(rèn)為 大陸自古以來發(fā)生過許多次巨變 如冰川時(shí)期等 所以不可能存在亙古不變的動(dòng) 植物 6 達(dá)爾文進(jìn)化論物種是變化的 是不斷由簡(jiǎn)單到復(fù)雜 從低等到高等逐漸進(jìn)化的 自然界種種生物都是通過這個(gè)過程演化而來的 在整個(gè)進(jìn)化過程中 自然的選擇作用決定了物種進(jìn)化的方向 適合生存的生物得到保留并形成新種 不適合生存的生物則被淘汰 7 1 1 2細(xì)胞學(xué)說17世紀(jì)末 荷蘭顯微鏡專家Leeuwenhoek成功制作了世界第一架光學(xué)顯微鏡 通過這一裝置 他看到了一系列肉眼看不到而又使人迷惑不解的微小生物 他將這些小生命稱為 微動(dòng)物 animalcule 若干年后 人們才知道它們是單細(xì)胞生物 8 9 10 19世紀(jì)初 細(xì)胞研究的一項(xiàng)重大成果是細(xì)胞核的發(fā)現(xiàn) 這一發(fā)現(xiàn)也為細(xì)胞學(xué)說的創(chuàng)立做出了一定的貢獻(xiàn) 1831年 英國植物學(xué)家R Brown 在研究施肥對(duì)植物的影響時(shí) 利用了一臺(tái)放大倍數(shù)約為300倍的顯微鏡 注意到植物細(xì)胞內(nèi)部還有其他的結(jié)構(gòu) 通過仔細(xì)觀察 他發(fā)現(xiàn)了植物細(xì)胞的細(xì)胞核 并發(fā)現(xiàn)一個(gè)植物細(xì)胞只有一個(gè)細(xì)胞核 布朗當(dāng)時(shí)對(duì)于細(xì)胞核的生物學(xué)含義既不重視又不理解 因而也沒有進(jìn)一步研究細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)和功能 11 細(xì)胞學(xué)說 細(xì)胞學(xué)說是19世紀(jì)三大發(fā)現(xiàn)之一的細(xì)胞學(xué)說的核心 建立這一學(xué)說的是德國植物學(xué)家Schleiden和動(dòng)物學(xué)家Schwann 細(xì)胞是生物體的基本結(jié)構(gòu)單位和功能單位 所有組織的最基本單元是形狀非常相似而又高度分化的細(xì)胞 并提出了一切生物是由細(xì)胞組成的細(xì)胞學(xué)說 12 細(xì)胞學(xué)說對(duì)生物科學(xué)最重要的貢獻(xiàn) 因?yàn)閱蝹€(gè)細(xì)胞生長分裂 組織 器官和個(gè)體的生命現(xiàn)象實(shí)際上是細(xì)胞活動(dòng)的總和 所以細(xì)胞可以成為生物學(xué)研究的首要對(duì)象 今天的細(xì)胞學(xué)和分子細(xì)胞學(xué)就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 13 14 經(jīng)典生物化學(xué)研究 19世紀(jì)中葉 人們發(fā)現(xiàn)動(dòng)物和植物細(xì)胞的提取液中主要是一些能耐熱或酸變性形成纖維狀沉淀的物質(zhì) 這些物質(zhì)包含有大體相等摩爾濃度的碳 氫 氧和氮 蛋白質(zhì) Buchner制備酵母無細(xì)胞提取液后 與葡萄糖進(jìn)行氧化反應(yīng) 結(jié)果產(chǎn)生乙醇 證明化學(xué)物質(zhì)的轉(zhuǎn)換不需要完整的細(xì)胞 而僅僅需要細(xì)胞中的某些成分 蛋白質(zhì)是生活細(xì)胞中所有化學(xué)反應(yīng)的催化劑 15 16 17 18 19 孟德爾兩條基本遺傳規(guī)律的含義A 生物的每一種形狀都是由遺傳因子控制的 而這些因子以從親代到子代 代代相傳 B 在體細(xì)胞內(nèi)遺傳因子成對(duì)存在的 其中一個(gè)來自父本 一個(gè)來自母本 C 在形成配子時(shí) 成對(duì)的遺傳因子彼此分開 單獨(dú)存在 D 有些遺傳因子以顯性形式存在 有些以隱性形狀 20 由于孟德爾的研究方法和結(jié)論都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)時(shí)的科學(xué)認(rèn)識(shí)水平 他的這些研究成果和見解 并沒有立即引起生物學(xué)界的注意和重視 1884年逝世 直到1900年 他的理論才被重新發(fā)現(xiàn)并得到普遍應(yīng)用 并逐漸被公認(rèn)為經(jīng)典遺傳學(xué)的奠基人 21 22 23 他們用這些突變體進(jìn)行雜交試驗(yàn) 探討了遺傳機(jī)制 到915年發(fā)現(xiàn) 24 25 26 27 1928年 Griffithetal 發(fā)現(xiàn) 美國科學(xué)家Avery 28 轉(zhuǎn)化因子的酶學(xué)分析 他樹立了全新的觀點(diǎn) DNA是遺傳信息的載體 29 表 2 DNA是病毒的遺傳物質(zhì) 30 31 1952年 美國冷泉卡耐基遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家Hershey和他的學(xué)生Chase噬菌體侵染實(shí)驗(yàn) 32 33 1 2分子生物學(xué)的發(fā)展史 34 Schleiden和Schwann提出 細(xì)胞學(xué)說 證明動(dòng) 植物都是由細(xì)胞組成的到今天 雖然不過短短一百多年時(shí)間 我們對(duì)生物大分子 細(xì)胞的化學(xué)組成卻有了深刻的認(rèn)識(shí) 孟德爾的遺傳學(xué)規(guī)律最先使人們對(duì)性狀遺傳產(chǎn)生了理性認(rèn)識(shí) 而Morgan的基因?qū)W說則進(jìn)一步將 性狀 與 基因 相耦聯(lián) 成為現(xiàn)代遺傳學(xué)的奠基石 Watson和Crick又提出了脫氧核糖核酸的雙螺旋模型 為充分揭示遺傳信息的傳遞規(guī)律鋪平了道路 Sumner在1936年證實(shí)酶是蛋白質(zhì)1953年 Sanger利用紙電泳及層析技術(shù)首次闡明胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu) 開創(chuàng)了蛋白質(zhì)序列分析的先河 Kendrew和Perutz利用X射線衍射技術(shù)解析了肌紅蛋白 myoglobin 及血紅蛋白 hemoglobin 的三維結(jié)構(gòu) 論證了這些蛋白質(zhì)在輸送分子氧過程中的特殊作用 成為研究生物大分子空間立體構(gòu)型的先驅(qū) 35 1910年 德國科學(xué)家Kossel因?yàn)榈鞍踪|(zhì) 細(xì)胞及細(xì)胞核化學(xué)的研究而獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 他首先分離出腺嘌呤 胸腺嘧啶和組氨酸 1959年 美籍西班牙裔科學(xué)家Uchoa發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的多核苷酸磷酸化酶 成功地合成了核糖核酸 研究并重建了將基因內(nèi)的遺傳信息通過RNA中間體翻譯成蛋白質(zhì)的過程 1962年 美國科學(xué)家Watson和英國科學(xué)家Crick因?yàn)樵?953年提出DNA的反向平行雙螺旋模型獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 1962年 Kendrew和Perutz由于測(cè)定了肌紅蛋白及血紅蛋白的高級(jí)結(jié)構(gòu) 獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 1965年 法國科學(xué)家Jacob和Monod提出并證實(shí)了操縱子 Operon 作為調(diào)節(jié)細(xì)菌細(xì)胞代謝的分子機(jī)制 提出存在一種與染色體脫氧核糖核酸序列相互補(bǔ) 能將編碼在染色體DNA上的遺傳信息帶到蛋白質(zhì)合成場(chǎng)所 細(xì)胞質(zhì) 并翻譯產(chǎn)生蛋白質(zhì)的信使核糖核酸 即mRNA分子 他們的這一學(xué)說對(duì)分子生物學(xué)的發(fā)展起了極其重要的指導(dǎo)作用 36 1975年 美國人Temin Dulbecco和Baltimore由于發(fā)現(xiàn)在RNA腫瘤病毒中存在以RNA為模板 逆轉(zhuǎn)錄生成cDNA的逆轉(zhuǎn)錄酶而共享諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 1980年 Sanger因設(shè)計(jì)出一種測(cè)定DNA分子內(nèi)核苷酸序列的方法 而與Gilbert和Berg分獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) Sanger還由于測(cè)定了牛胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)而獲得1958年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 1983年 美國遺傳學(xué)家McClintock由于發(fā)現(xiàn)了可移動(dòng)的遺傳因子而獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 1984年 德國人Kohler 美國人Milstein和丹麥科學(xué)家Jerne由于建立了單克隆抗體技術(shù) 完善了極微量蛋白質(zhì)的檢測(cè)技術(shù)而分享了諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 37 1989年 美國科學(xué)家Altman和Cech由于發(fā)現(xiàn)某些RNA具有酶的功能 稱為核酶 而共享諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) Bishop和Varmus由于發(fā)現(xiàn)正常細(xì)胞同樣帶有原癌基因而分享當(dāng)年的諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 1993年 美國科學(xué)家Roberts和Sharp由于在斷裂基因方面的工作而榮獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 美國科學(xué)家Mullis由于發(fā)明PCR儀而與第一個(gè)設(shè)計(jì)基因定點(diǎn)突變的Smith共享諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 1994年 美國科學(xué)家Gilman和Rodbell由于發(fā)現(xiàn)了G蛋白在細(xì)胞內(nèi)信息傳導(dǎo)中的作用而分享諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 38 1995年 美國人Lewis 德國人Nusslein Volhard和美國人Wieschaus由于在40 70年代先后獨(dú)立鑒定了控制果蠅體節(jié)發(fā)育基因而分享諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 1996年 澳大利亞科學(xué)家Doherty和瑞士人Zinkernagel由于闡明了T 淋巴細(xì)胞的免疫機(jī)制而分享了當(dāng)年的諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 1997年 美國科學(xué)家Prusiner由于發(fā)現(xiàn)朊病毒 Prions 作為早老性癡呆癥 CJD綜合癥 等疾病的病原并能直接在寄主細(xì)胞中繁殖傳播而獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 39 1999年 美國科學(xué)家Blobel由于闡述了蛋白質(zhì)在細(xì)胞間的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制 明確了信號(hào)肽及信號(hào)識(shí)別復(fù)合在蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的主導(dǎo)作用而獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 2001年 美國科學(xué)家Hartwell和英國科學(xué)家Hunt和Nurse因?yàn)閷?duì)細(xì)胞周期調(diào)控因子的研究而分享諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 2006年 美國科學(xué)家Hornberg由于揭示真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄機(jī)制而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 美國科學(xué)家用RNA干擾技術(shù)揭示控制遺傳信