分子生物学讲义.doc

1 第1章绪论 分子生物学的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、结构特征以及重要性、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科学。当人们认识到同一生物不同世代之间的连续性是由生物自身所携带的遗传物质所决定的,科学家为揭示这些遗传密码所进行的努力就成为人类征服自然界的一部分,而以生物大分子为研究对象的分子生物学就迅速地成为现代生物学领域里最具活力的科学。从广义上讲,蛋白质、核酸等生物大分子结构和功能研究都属于分子生物学的范畴。例如,蛋白质的结构、运动和功能,酶的作用机理和动力学,膜蛋白的结构、功能和跨膜运输等都属于分子生物学的研究内容。不过目前人们通常采用狭义的概念,将分子生物学的范畴偏重于核酸(或基因)的分子生物学,主要研究基因的复制、表达和调节控制的过程。当然,其中也涉及到与这些过程有关的蛋白质和酶结构和功能的研究。 分子生物学发展简史早在 1871 年 Miescher 就从脓细胞中分离出了脱氧核糖核酸( DNA ), 但当时并不认为它是生物体的遗传物质。直到 1944 年, Avery 等人才通过肺炎链球菌的转化实验证实了 DNA 是生物体的遗传及变异的物质。在 1949 年查盖夫( Chargaff )测定出了 DNA 的碱基组成,并确定了 DN A 的碱基配对规律, 与此同时威尔金斯( Wilkins ) 及弗兰金( Frankin , 1950 — 1952 )用X—射线衍射技术测定了 DNA 纤维结构,指出 DNA 是一种螺旋结构。在此基础上 Watson 和 Crick 于 195 3 年提出了 DNA 的双螺旋结构模型,为充分揭示遗传信息的传递规律铺平了道路。为此他们和 Wilkins 于 1962 年共同获得了诺贝尔生理医学奖。 DNA 双螺旋结构模型理论奠定了分子生物学发展的基础。 DNA 双螺旋模型已经预示出了 DNA 的复制规则。科恩伯格( Kornberg )在 1956 年首先在大肠杆菌的无细胞提取液中实现了 DNA 的合成, 并从大肠杆菌中分离出了 DNA 聚合酶Ⅰ, 并证明 DNA 的合成需要一个模板 DNA 。奥乔尔( Uchoa ) 发现了细菌的多核苷酸磷酸化酶, 成功的合成了 RNA , 研究并重建了将基因内的遗传信息通过 RNA 中间体翻译成蛋白质的过程。他和 Kornber g 共享 1959 年的诺贝尔生理医学奖 1965 年, 法国科学家 Jacob 和 Monod 由于提出并证实了“操纵子学说”而获得了诺贝尔生理医学奖。 Jacob 和 Monod 还首次提出存在一种与染色体 DNA 序列相互补, 能将染色体 DNA 上的遗传信息带到蛋白质合成场所并翻译成蛋白质的核糖核酸,即 mRNA 分子。他们这一学说对分子生物学的发展起了极其重要的指导作用。 Crick 在 1954 年就提出了遗传信息的传递规律, 称为“中心法则”,但 RNA 如何翻译成蛋白质的问题没有解决。直到 1961 年 Yanofsky 和 Brener 提出了三联密码的设想,后来经过尼伦伯格( Nirenberg )和马夏( Matthai )的努力,终于于 1963 年破译了遗传密码。霍利( Holly )阐明了 2 酵母丙氨酸 tRNA 的核苷酸序列,并证实所有的 tRNA 具有结构上的相似性。科拉纳( Khorana ) ( 1966 年) 用有机化学方法合成了多聚脱氧核糖核酸, 并以它为模板用 DNA 聚合酶Ⅰ合成 DN A 链,然后以 DNA 为模板合成了 RNA 。为此, Nirenberg 、 Holly 、 Khorana 分享了 1968 年的诺贝尔生理医学奖。按照中心法则, 遗传信息是从 DNA → RNA →蛋白质。但是在 RN A 病毒中则是从 DNA → ssRNA → cDNA ,这个过程必须有反转录酶发挥作用。泰明( Temin )和鲍蒂毛( Baltimore )首先发现在 RNA 肿瘤病毒中存在反转录酶,因此他们获得了 1975 年的诺贝尔生理医学奖。现在,我们可以利用反转录酶,以分离得到的 mRNA 为模板合成 cDNA ,从而进行基因结构及其表达的研究。 DNA 是一个长链的生物分子,在研究 DNA 重组、表达质粒的构造,以及在 DNA 的碱基序列分析之前往往需要将 DNA 分子切割成较短的片段,这就需要一种酶来完成。史密斯( Smith ) 于 1970 年首先从大肠杆菌中分离出了第一个能切割 DNA 的酶。由于它能在 DNA 的专一位点上切割 DNA 分子, 所以将这种酶称为限制性内切酶。目前已有数百种限制性内切酶作为商品出售, 给分子生物学的研究带来了极大的方