分子生物學(xué)教案

緒論

現(xiàn)代生物學(xué)研究的目標(biāo)是要在分子水平上掌握細(xì)胞的功能并揭示生命的

本質(zhì)。20世紀(jì)50年代和關(guān)于雙螺線模型的提出；60年代和關(guān)于基因調(diào)節(jié)

控制的操縱子學(xué)說(shuō)的提出；以與70年代初期限制性內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)和一套

體外重組技術(shù)一基因工程技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了分子生物學(xué)在廣度深度上

的發(fā)展。目前，分子水平的生物學(xué)研究，正越來(lái)越多地影響傳統(tǒng)生物科學(xué)

的各個(gè)領(lǐng)域，如組織學(xué)、細(xì)胞學(xué)、解剖學(xué)、胚胎學(xué)、遺傳學(xué)、生理學(xué)和進(jìn)

化論。

一、引言

1.1創(chuàng)世說(shuō)與進(jìn)化論

在達(dá)爾文《物種起源》發(fā)表之前，關(guān)于生命和一切生物學(xué)現(xiàn)象用創(chuàng)世說(shuō)來(lái)

解釋，直到19世紀(jì)初葉。1859年，英國(guó)生物學(xué)家達(dá)爾文（）發(fā)表了著名

的《物種起源》一書，確立了進(jìn)化論的概念c《物種起源》的中心思想是

“物競(jìng)天擇，適者生存”，認(rèn)為世界上的一切生物都是可變的，并預(yù)言從

低級(jí)到高級(jí)的變化過(guò)程中必定有過(guò)渡物種存在。達(dá)爾文關(guān)于生物進(jìn)化的學(xué)

說(shuō)與其唯物主義的物種起源理論，是生物科學(xué)史上最偉大的創(chuàng)舉之一。具

有不可磨滅的貢獻(xiàn)。為了紀(jì)念這位偉大的生物科學(xué)大師，人們把進(jìn)化論稱

為“達(dá)爾文學(xué)說(shuō)”。

1.2細(xì)胞學(xué)說(shuō)

17世紀(jì)末葉，荷蘭顯微鏡專家成功制作了世界第一架光學(xué)顯微鏡，

在顯微鏡下看到了微小動(dòng)物，稱為“微動(dòng)物”（）。若干年后，人們才知道

他們是單細(xì)胞生物。

大約與同時(shí)代的，第一次用“細(xì)胞”這個(gè)概念來(lái)形容組成軟木的最基本單

位。但直到19世紀(jì)中葉，這個(gè)概念正式被科學(xué)界所接受。

德國(guó)植物學(xué)家研究被子植物的胚囊，研究蛙類的胚胎組織，相同的研究

方向，相似的研究方法，是他們?nèi)〉昧艘恢乱?jiàn)解，共同創(chuàng)立了生命科學(xué)

的基礎(chǔ)理論一一細(xì)胞學(xué)說(shuō)?，F(xiàn)在我們知道，每一個(gè)動(dòng)植物個(gè)體實(shí)際上是千

千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)生命單元的總和，而這些微小單元一一細(xì)胞，包含了所有的生

命信息。

1.3經(jīng)典的生物化學(xué)和遺傳學(xué)

進(jìn)化論和細(xì)胞學(xué)說(shuō)相結(jié)合，產(chǎn)生了作為主要實(shí)驗(yàn)科學(xué)之一的現(xiàn)代生物

學(xué)。而已研究動(dòng)植物遺傳變異規(guī)律為目標(biāo)的遺傳學(xué)和以分離純化、鑒定細(xì)

胞內(nèi)含物質(zhì)為目標(biāo)的生物化學(xué)則是這一學(xué)科的兩大支柱。

19世紀(jì)中葉，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)物質(zhì)；生物化學(xué)家第一個(gè)合成乙醇，證明

蛋白質(zhì)是生活細(xì)胞中化學(xué)反應(yīng)的執(zhí)行者和催化劑；19世紀(jì)到20世紀(jì)，20

種氨基酸被相繼發(fā)現(xiàn)；生物學(xué)家論證了相鄰氨基酸之間的“肽鍵”；脂類、

糖類、核酸也相繼被認(rèn)識(shí)和純化。

1865年奧地利遺傳學(xué)家孟德?tīng)枺ǎ┌l(fā)現(xiàn)并提出遺傳定律，被公認(rèn)是經(jīng)典

遺傳學(xué)的奠基人。孟德?tīng)栒J(rèn)為，生物的每一種形狀都是由遺傳因子控制的,

第一次提出“遺傳因子”概念。1910年美國(guó)遺傳學(xué)家發(fā)現(xiàn)遺傳第三大規(guī)律,

第一次將代表某一特定形狀的基因，同某一一特定的染色體聯(lián)系起來(lái)，提

出基因?qū)W說(shuō)并提出“基因”的概念。

1.4的發(fā)現(xiàn)

但是，直到1953年和提出雙螺旋模型之前，人們對(duì)基因的理解仍然

是抽象的、概念化的，缺乏準(zhǔn)確的物質(zhì)內(nèi)容。

1928年，英國(guó)科學(xué)家等人發(fā)現(xiàn)，肺炎鏈球菌（S型和R型）使小鼠死

亡的原因是引起肺炎。1950年，美國(guó)著名的微生物學(xué)家和他的同事提出死

細(xì)菌中的某一成分一一轉(zhuǎn)化源（）將無(wú)致病力的細(xì)菌轉(zhuǎn)化成病原細(xì)菌。

10多年后，試驗(yàn)表明，就是轉(zhuǎn)化源。

1952年美國(guó)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家和他的學(xué)生進(jìn)一步證實(shí)了的觀點(diǎn)。

至此，等人的工作打破了只有蛋白質(zhì)才可以擔(dān)當(dāng)決定細(xì)胞生物學(xué)特性和

遺傳的重托，在遺傳學(xué)理論上樹(shù)立了全新的觀點(diǎn)一一是遺傳信息的載體。

二、分子生物學(xué)簡(jiǎn)史

2.1分子生物學(xué)的定義

分子生物學(xué)是從生物化學(xué)、生物物理學(xué)、遺傳學(xué)、微生物學(xué)等多種學(xué)

科，經(jīng)過(guò)相互交互、相互滲透而產(chǎn)生的。是在分子水平上研究生命現(xiàn)象的

一門新興邊緣學(xué)科。它以核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)與其在遺傳信

息和細(xì)胞信息傳遞中的作用為研究對(duì)象，是當(dāng)前生命科學(xué)中發(fā)展最快的

重要前沿領(lǐng)域。

在20世紀(jì)下半葉，由于分子生物學(xué)取得的許多成就，使得生物學(xué)成為自

然科學(xué)的帶頭學(xué)科，它的理論和方法已滲透到生命科學(xué)的幾乎每一個(gè)領(lǐng)

域，為生命科學(xué)的研究帶來(lái)了許多新的思維方式和研究手段。則什么是分

子生物學(xué)呢？

分子生物學(xué)就是在分子水平上研究生物的結(jié)構(gòu)、組織和功能的科學(xué)，并試

圖根據(jù)化學(xué)和物理規(guī)律來(lái)解釋生命現(xiàn)象。分子生物學(xué)是人類從分子水平上

真正揭開(kāi)生物世界的奧秘，由被動(dòng)適應(yīng)自然轉(zhuǎn)向主動(dòng)改造自然的基礎(chǔ)學(xué)

科。分子生物學(xué)以生物大分子為研究對(duì)象，已成為現(xiàn)代生物學(xué)最具活力的

學(xué)科之一。分子生物學(xué)的誕生可以與細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)化論的奠定媲美，它

是20世紀(jì)自然科學(xué)偉大成就之一。

2.2分子生物是發(fā)展簡(jiǎn)史

2.3分子生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容

分子生物學(xué)的基本原理

所有生物體中的有機(jī)大分子都是以碳原子為核心，并以共價(jià)健的

形式與氫、氧、氮與磷以不同方式構(gòu)成的。不僅如此，一切生物體中的各

類有機(jī)大分子都是由完全相同的單體，如蛋白質(zhì)分子中的20種氨基酸、

與中的8種堿基所組合而成的，由此產(chǎn)生了分子生物學(xué)的3條基本原理：

①構(gòu)成生物體有機(jī)大分子的單體在不同生物中都是相同的；

②生物體內(nèi)一切有機(jī)大分子的建成都遵循著各自特定的規(guī)則；

③某一特定生物體所擁有的核酸與蛋白質(zhì)分子決定了它的屬性。

分子生物學(xué)研究?jī)?nèi)容

分子生物學(xué)產(chǎn)生的初始，有兩個(gè)主要研究方向：一是以化學(xué)或物理為

主，這種研究生物大分子的結(jié)構(gòu)，特別是蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)；另一方面是

以生物學(xué)為主，研究生物信息的傳遞和復(fù)制。后來(lái)，在20世紀(jì)50年代初

期，兩個(gè)流派匯合并與其他學(xué)科領(lǐng)域不斷融合，形成了現(xiàn)代分子生物學(xué)。

從表面看，分子生物學(xué)涉獵范圍極為廣闊，研究?jī)?nèi)容也似乎包羅萬(wàn)象。事

實(shí)上，它所研究的內(nèi)容不外乎四個(gè)方面:

⑴生物大分子的結(jié)構(gòu)功能研究一個(gè)生物大分子，不論是核算、蛋白

質(zhì)還是多糖，在發(fā)揮其生物功能時(shí)，必須要擁有自己特定的空間結(jié)構(gòu)和

在發(fā)揮生物學(xué)功能時(shí)存在的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象的變化。這部分內(nèi)容就是要研究生

物大分子特定的空間結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)變化與其生物學(xué)功能關(guān)系。

⑵基因表達(dá)調(diào)挖研究生物體內(nèi)的基因是按一定程序、有序的表達(dá),

才有了生物的生長(zhǎng)、發(fā)育、衰老、死亡。表達(dá)程序不同f不同的性狀，病

變。基因表達(dá)存在時(shí)空差異，調(diào)控一多彩的世界。

一個(gè)受精卵一一個(gè)植株、個(gè)體一分化出根、莖、葉、花。

基因表達(dá)實(shí)質(zhì)上就是遺傳信息的轉(zhuǎn)錄與翻譯。基因表達(dá)的調(diào)控主要發(fā)

生在轉(zhuǎn)錄水平和翻譯水平上，并且原核生物和真核生物的調(diào)控機(jī)制不相

同。具體的機(jī)制我們?cè)谝院蟮恼鹿?jié)中會(huì)詳細(xì)介紹。

⑶重組技術(shù)該技犬時(shí)20世紀(jì)70年代初興起的技術(shù)科學(xué)，目的是洛不

同的片段按照人們的設(shè)計(jì)定向連接起來(lái)，在特定的受體細(xì)胞中與載體同

時(shí)夏制并得到表達(dá)，產(chǎn)生影響受體細(xì)胞的新的遺傳性狀。重組技術(shù)是核酸

化學(xué)、蛋白質(zhì)化學(xué)、酶工程、微生物學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞學(xué)長(zhǎng)期深入研究的

結(jié)晶，而限制性內(nèi)切酶、連接酶與其他工具酶的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用則是這一技術(shù)

得以建立的關(guān)鍵。

（4）基因組、功能基因組與生物信息學(xué)研究隨著近年來(lái)的研究，許多生

物的基因組被破譯，如我們?nèi)祟惖幕?、擬南芥、果蠅等，這些大大豐富

了我們的知識(shí)寶庫(kù)，加快了人類認(rèn)識(shí)自然和改造自然的步伐。隨著計(jì)算機(jī)

的飛速發(fā)展，生物信息學(xué)也隨之誕生。人們可以利用生物信息學(xué)知識(shí)，借

助于計(jì)算機(jī)，最大限度地開(kāi)發(fā)和運(yùn)用基因組學(xué)所帶來(lái)的龐大數(shù)據(jù)。

三、分子生物學(xué)的研究進(jìn)展

1.基因工程的研窕成就

-植物基因工程：抗除草劑作物、改良蛋白貯存的種子、抗蟲作物、

改良的藥用植物等等；

-動(dòng)物基因工程：主要是轉(zhuǎn)基因動(dòng)物與其發(fā)展；

■基因工程多肽藥物與疫苗：胰島素、干擾素等；

?基因診斷與基因治療：如血友病等；

?環(huán)境監(jiān)測(cè)與凈化

2.分子生物學(xué)研究成就

?關(guān)于原核生物：致力于繪制大腸桿菌等的基因圖譜；

?腫瘤

?關(guān)于艾滋病

-心血管疾?。夯蛘{(diào)控同蛋白代謝障礙的關(guān)系；

■腦和神經(jīng)的生物學(xué)

?人類基因組

四、分子生物學(xué)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

分子生物學(xué)的研究和發(fā)展軌跡基本上遵循兩個(gè)大方向：

1.不斷把本學(xué)科理論和技術(shù)引向深入。目前與今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，將

在基因研究、基因表達(dá)調(diào)控研究、結(jié)構(gòu)分子生.學(xué)研究、信號(hào)傳導(dǎo)等四