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1、1主要介绍分子生物学的概念、研究对象及内容；简要介绍分子生物学发展简史；分子生物学与其他学科的关系，学习方法。分子生物学是在分子水平上研究生命现象的一门新兴学科。20 世纪下半叶以来，由于分子生物学的惊人成就，使分子生物学已自成体系，并使生物学一跃成为自然科学的带头学科，它的理论和方法已渗透到生命科学的几乎每一个领域，为生命科学的研究带来了新的思维方式和研究手段。一、学科定义一、学科定义 分子生物学是在分子水平研究生物结构和功能，研究生命现象的物质基础和揭示生命过程的基本活动规律的学科。主要阐明遗传、生殖、生长和发育等生命基本特征的分子机理，从而为利用和改造生物奠定理论基础和提供新的手段。二、
2、研究对象、主要内容二、研究对象、主要内容1. 对象这里的分子水平指的是那些携带遗传信息的核酸和在遗传信息传递及细胞内、细胞间通讯过程中发挥着重要作用的蛋白质等生物大分子。即它以核酸和蛋白质等生物大分子的结构及其在遗传信息和细胞信息传递中的作用为研究对象，是当前生命科学中发展最快并与其他学科广泛交叉与渗透的重要前沿领域。 从广义的讲：蛋白质及核酸等所有生物大分子结构和功能的研究都属于分子生物学的范畴。即包括蛋白质的结构、功能和运动，酶的作用机理和动力学，膜蛋白质结构、功能和跨膜运输等都属于分子生物学的研究内容。从狭义的讲：在分子生物学发展过程中，主要是随着核酸化学研究上的突破而使其成为生命科学中
3、最活跃的学科，成为推动生物工程这个 21 世纪龙头产业的主要理论基础，因此，人们通常将分子生物学的范畴集中于核酸（或基因）的分子生物学，主要研究核酸的结构功能及与其相关的蛋白质的结构功能等内容。2. 主要内容分子生物学究其基本内容主要涉及构成生物体的生物大分子的结构和功能的研究，特别是核酸和蛋白质的结构和功能的研究，并在此基础上，对不同生物体以及生命现象的各个方面从分子水平上进行剖析。（另外，作为实验科学，分子生物学技术也是研究学习的主要内容之一。）我们学习的基础分子生物学主要包括以下内容：DNA、染色体及基因组（分子生物学的物质基础）DNA 的复制与修复（遗传信息的世代传递，确保其精确的机制
4、）2基因重组（生物变异与进化）RNA 的生物合成（遗传信息传递中的转录过程，转录后的加工）蛋白质的生物合成（遗传信息传递中的翻译过程，遗传密码子）基因表达调控（基因的时序表达；34 万个蛋白质编码基因是否意味着只有 3 万种蛋白质？）DNA 操作技术（分子生物学发展的基础、工具）三、发展简史三、发展简史 1理论基础阶段分子生物学不象以往的学科，存在着很长的经验积累阶段。它是一门深层的理论与实验科学，它必须在自然科学发展到一定的深度后才逐渐形成。尤其得益于细胞学、遗传学和生物化学的发展。从 1847 年，德国植物学家 schleiden（施莱登）和 schwann（施旺）提出“细胞学说”说明动、
5、植物都是由细胞组成的，组织、器官和个体的生命现象实际上是细胞活动的总和，所以细胞成为生物学研究的首要对象。1865 年奥地利大科学家、经典遗传学的创始人 mendel(孟德尔)的遗传学规律最先使人们对性状遗传产生了理性认识。1915 年，美国著名的遗传学家 Morgen（摩尔根）在孟德尔遗传学的基础上又提出了基因学说进一步将“性状”与“基因”相偶连，成为现代遗传学的奠基石。现代的生物化学、分子结构的化学组成等方面的研究成果，都使我们对生物大分子有了深刻的认识。于 19世纪后期到 20 世纪 50 年代初，产生了两点对生命本质的认识上的重大突破：即确定了蛋白质是生命的主要物质基础和生物遗传物质是
6、 DNA。2形成发展阶段由于核酸化学的发展，1953 年美国科学家 James Watson 和英国科学家 Francis Crick 在前人的基础上（Chargaff, Wilkins 及 Franklin 等），在 Nature 杂志上（171：737738）上提出了 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（即本课程中第二章的基础）。1954 年 Crick 又提出了遗传信息的传递规律中心法则，对以后分子生物学的发展起了极其重要的指导作用（即本课程中的思路）。1956 年，Kornberg 在大肠杆菌的无细胞提取液中实现了 DNA 合成，从 E.coli中分离出了
7、 DNA 聚合酶，帮助证明了 DNA 复制的复杂过程。1963 年，美国科学家 Nirenberg 和 Matthi 破译可编码氨基酸的遗传密码子，为揭示蛋白质的合成提供了理论基础。31961 年，法国科学家 jacob 和 Monod 提出了操纵子学说，在基因表达调控领域点亮了一盏航灯。在全世界科学家的积极努力过程中，还发展了相关的技术及工具，促进了分子生物学发展。如 1970 年， Hamilton.O. Smith 从 E.coli中分离出了限制性内切酶（restriction enzyme），限制酶可以用来解剖纤细的 DNA 分子，在分析染色体结构、制作 DNA 的限制酶谱、测定较长的
8、 DNA 序列、基因的分离、基因的体外重组等研究中是不可缺少的工具。对于研究 DNA 的分子生物学家来说，这是一把天赐神刀分子生物刀。 1972 年，Berg 首次将不同 DNA 片段连接起来，并将起有效地插入细菌细胞中，产生了重组 DNA 的克隆（为此，Berg 被公认为 DNA 重组技术的元老）；1977 年，Sanger 及 Gilbert 分别用不同的方法测定了 DNA 分子内核苷酸序列，发明了 DNA 序列分析法。1985 年，美国科学家 Mullis 发明了 PCR 技术。这些技术都成为了现代分子生物学研究中应用较为广泛的技术，已经渗透到生物科学的各个领域，我们将在基因工程课中详细
9、介绍相关内容。由于分子生物学的研究对生命科学的发展起着巨大的推动作用，受到国际科学界的高度重视，据统计从1910 年到 2001 年，约 50 多人次科学家荣获诺贝尔化学奖及生理医学奖。3未来发展阶段随着人类、拟南芥等一系列基因组测序的完成，分子生物学研究向哪个方向发展是各国科学家关心的问题。生物学家清楚地认识到，基因组测序的完成只是在研究生物体发育和功能的长征路上迈出了第一步。就基因组研究来说，以全基因组测序为目标的研究属结构基因组学（structural genomics）的范畴，而以确定基因功能为目标的研究属功能基因组学（functional genomics）范畴，亦称后基因组学（po
10、stgenomics）。如果说结构基因组学的研究目前已取得了突破，那么下一个关键的任务是探索生命周期中合成的每一种蛋白质（complete set of proteins）其特性及其功能，即蛋白组学（proteomics），它是后基因组时代基因功能研究最重要的目标之一，它遵循的基本思路是：基因组转录组（transcriptomics）蛋白质组。人类个体之间在遗传上具有 99.9%的共性，这决定了每个人同属于一个生物物种，而恰恰剩下的 0.1%的差异决定了一个人与他人的不同。最常见的人类遗传变异是基因组中散在的单个碱基的不同，即所谓的单核苷酸多态性（single nucleotide polym
11、orphism, SNP）。SNP 是一种重要的遗传工具，也是后基因组时代研究的重要目标，而要解决 SNP 的大规模操作，又必须采用现代生物信息学技术。在各种生物物种全基因组序列以及表达序列标签（expressed sequence tags, EST）等大量数据取得的情况下，如何对取得的生物信息进行处理、存贮、分配、分析和解释，是解释“生命之书”的关键步骤，而这也是现代生物信息学应运而声的内在原因。它包括必要的软件、数据库以及包括电子网络等远程通讯工4具。生物信息学的崛起必将推动分子生物学的进一步高速发展。即未来的发展：基因组转录组（transcriptomics）蛋白质组。生物信息学从中看
12、出，学科交叉是当代科学研究的特征与要求。四、分子生物学在生命科学中的位置四、分子生物学在生命科学中的位置 1分子生物学是从生物化学发展出来的一门科学。由于核酸与蛋白质生物化学研究的深入，在解析了其三维结构以后，核酸化学得到迅速发展，形成了分子生物学这门独特的学科。但他与生物化学不能相分开，因为要研究核酸的信息传递，就需要对相关蛋白质进行研究，则这些蛋白质的分离、纯化、结构性质就必须研究了解，因此，分子生物学与生物化学是分不开的。 2分子生物学与微生物关系密切，早期研究对象为大肠杆菌（E.coli）；研究中的质粒、受体载体多来自于 E.coli，因此，有人曾经认为分子生物学主要是 E.coli的
13、分子生物学。3与遗传学的关系，均涉及到遗传信息的载体及传递过程，为相辅相成的学科。这些学科的关系，再一次证明了学科交叉是当代科学研究的特征与要求。五、学习方法五、学习方法 1善于跟踪、研究最新科技文献，新发现进展对于诠释学习中的疑难问题有着举一反三的作用。2实验操作是掌握分子生物学精髓的主要途径，经常动手做实验或设计一些新实验程序，往往有事半功倍的效果。3通过完成练习题，培养和提高分析问题和解决问题的能力。4联系先修课程（生物化学、细胞生物学）的知识，在教师的指导下全面了解教材内容，抓住重点，在理解的基础上加强记忆，在记忆的过程中加深理解。六、参考资料六、参考资料 教材教材：卢向阳主编，分子生
14、物学（面向 21 世纪课程教材第一版），中国农业出版社。阎龙飞，张玉鳞主编，分子生物学（第二版），中国农业大学出版社。参考教材：参考教材： 1朱玉贤，李毅编著，现代分子生物学（第二版），高等教育出版社。2王镜岩，朱圣庚，徐长法主编，生物化学（第三版），高等教育出版社。3于自然，黄熙泰主编，现代生物化学，化学工业出版社。54Instant Notes in Molecular Biology. 1999. Bios Scientific Publishers Limited(科学出版社影印)5Robert. F. Weaver. Molecular Biology. 2000. McGraw-H
15、ill Campanies. Ins. （科学出版社影印）第一章第一章 DNADNA、染色体及基因组（、染色体及基因组（DNA,chromosomeDNA,chromosome andand genomegenome）主要内容：进一步了解 DNA 的高级结构超螺旋的相关知识，解释拓扑异构现象；学习染色体的组成及构造层次；学习基因组的大小、复杂性及原核与真核生物基因组的区别。1-11-1 DNADNA 超螺旋及拓扑异构现象超螺旋及拓扑异构现象 在基础生物化学课中我们已经了解了 DNA（deoxyribonucleicacid）的基本组成、分布、结构及性质。在分子生物学课中，DNA 作为主要研究对
16、象，有必要对其高级结构进一步学习。一、超螺旋（superhelix or supercoil） 细胞中的 DNA 是细长的线性分子，它必须经过高度有序的致密的包装折叠才能被细胞所容纳（一个人体细胞所有 DNA 的全长约为 2m，E.coli细胞 DNA 约 1.7mm）。而使 DNA 有序包装折叠的一个重要结构因子是 DNA 的超螺旋（supercoiledDNA）。自从 1965 年 Vinograd 等人发现多瘤病毒的环形 DNA 的超螺旋以来，先已知道绝大多数原核生物都是共价封闭环（covalentlyclosed circle, 简称 cccDNA 分子）。超螺旋：指双螺旋环状分子再度螺旋化即成为超螺旋结构。对于真核生物来说，虽然其染色体上多为线形 DNA 分子，但其 DNA 均与蛋白质结合，两个结合点之间的 DNA 形成类似 CCC 分子的环结构（loop），同样具有超螺旋形成。二、超螺旋的方向性（正超螺旋与负超螺旋） 为了说明超螺旋的方向，我们可以用一根细绳做实验，假设原来的绳子两股以右旋方向
