分子生物学讲义.doc

第1章绪论
1. 1 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DNA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1953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Kornberg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DNA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RNA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便。限制性内切酶的分离成功,使重组DNA成为可能。1972年伯格(Berg)首次将不同的DN***段连接起来,并且将这个重组的DNA分子有效的插入到细菌细胞之中,重组的DNA进行繁殖,于是产生了重组DNA的克隆。Berg是重组DNA和基因工程的创始人。桑格(Sanger)和吉尔伯特(Gilbert)两人则于1977年分别用酶法和化学方法测定了DNA的碱