分子生物学电子教案剖析

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1、 第一章绪论 1课程教学内容 （1）十九世纪和二十世纪生命科学的回顾 （2）分子生物学的概念 （3）二十一世纪分子生物学展望 2课程重点、难点 分子生物学的概念、研究内容和发展历史 3课程教学要求 （1）理解分子生物学研究的内容； （2）掌握分子生物学领域一些具有里程碑意义的事件。 一、什么是分子生物学？ 分子生物学：是研究核酸、蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其重要性和规律性和相互关系的科学，是人类从分子水平上真正揭示生物世界的奥秘，由被动地适应自然界主动地改造和重组自然界的基础学科。创世说与进化论 许多年来，人们反复提出的3个与生命和一切生物学现象有关的问题：生命怎样起源？为什么有其父

2、必有其子？动植物个体怎样从一个受精卵发育而来？ 十九世纪初叶，对于这些问题只能从宗教或迷信的角度进行回答-上帝创造了一切。 1859年，伟大的英国生物学家达尔文发表了物种起源一书，确立了进化论。 细胞学说 17世纪末叶，荷兰籍显微镜专家 Leewenhoek 制作成功了世界第一架光学显微镜。与Leewenhoek同时代的Hooke, 第一次用细胞这个概念来形容组成软木的最基本单元。虽然这一概念到十九世纪中叶，才正式被科学界接受，但它对生物学的贡献是不可估量的。细胞学说是由德国植物学家 Schleiden和动物学家Schwann建立的。这一发现被称为十九世纪的三大发现之一。Schleiden出生

3、于德国汉堡，22岁就获得了法学博士学位，但他并不喜欢当律师，28岁时他到哥廷根和柏林学习植物学和医学，36岁获得医学和哲学博士学位。Schwann是首饰匠的儿子，16岁高中毕业后，没有按照父母的意愿学习神学，而是到柏林学医，24岁获得了博士学位。在柏林解剖博物馆工作时结识了Schleiden.他们虽然个性、经历迥然不同，但共同的志趣促成了他们多年的合作。 Schleiden研究植物的囊胚， Schwann研究蛙类的胚胎组织，相同的研究方向，相似的研究方法，使他们取得了一致的见解，共同创立了生物科学色基础理论。所有组织的最基本的单元是形状非常相似而有高度分化的细胞。细胞的发生和形成是生物学界普遍

4、和永久的规律。细胞学说对生命现象实际上是细胞活动的总和，所以细胞可以而且应该成为生物学研究的主要对象。经典的生物化学和遗传学 进化论和细胞学说相结合，产生了作为主要实验科学之一的现代生物学，而以研究动、植物遗传变异规律为目标遗传学和以分离纯化、鉴定细胞内含物质为目标的生物化学则是这一学科的两大支柱。在十九世纪中叶，人们发现动物和植物细胞的提取液中主要是一些能受热或酸变性形成纤维状沉淀的物质。DNA的发现早在 1928年英国科学家Griffith等人就发现，肺炎链球菌使小鼠引起死亡的原因是引起肺炎。细菌的毒性是由细胞表面夹膜中的多糖所决定的。具有光滑外表的S型肺炎链球菌因为带有夹膜的多糖而能使小

5、鼠发病，具有粗糙外表的R型细菌因为没有夹膜多糖而失去致病力。首先实验证明基因就是DNA分子的是美国著名的微生物学家Avery.实验过程 首先将光滑型致病菌（S型）烧煮杀灭活性以后再侵染小鼠，发现这些死细菌自然丧失致病能力。 再用活的粗糙型细菌来侵染小鼠，也不能使之发病，因为粗糙型细菌天然无致病力。 然而当他们将经烧煮杀死的S 型细菌和活的R型细菌在混合感染小鼠时，实验小鼠每次都死去。 解剖死亡的小鼠发现大量的活的S 型细菌。Hershey和他的学生Chase的噬菌体侵染细菌的实验 噬菌体用尾部的末端吸附细菌表面 噬菌体通过尾轴把DNA全部注入细菌细胞内，噬菌体的蛋白外客则留在细胞外面。 噬菌体

6、的电脑啊一旦进入细菌体内，它就能利用细菌的生命过程合成噬菌体自身的DNA和蛋白质 新合成的DNA和蛋白质外壳，能组装成许多与亲代完全相同的子代噬菌体； 子代噬菌体由于细菌的解体而被释放出来，再去侵染其他细菌。在整个过程中，DNA起了关键的作用。 二、分子生物学的发展简史 从1847年提出细胞学说至今一百多年间，我们对生物大分子即细胞的组成有了深刻的认识。为了全面了解分子生物学的的发展，我们不妨来看一看部分诺贝尔生理医学奖和化学奖作为纽带的分子生物学发展简史。 1910年，德国科学家Kossel因为蛋白质、细胞和核酸化学的研究而获得诺贝尔生理医学奖，他首先分离出腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸在量子力学

7、家薛定谔的生命是什么?(1944年)一书的影响下，许多物理学家和化学家投身于生命的分子基础和基因的自我复制这两个生物学中心问题的研究,将现代物理学和化学的最新成果、理论和方法带入了生物学研究中。 (1) 1953年4月25日出版的Nature杂志上，沃森(Watson)和物理学家克里克(Crick)提出了DNA双螺旋结构模型，标志着遗传学以及整个生物学进入分子水平的新时代。 (2) 50年代初，Barbara Mclintock 在玉米中发现可动遗传因子即转座因子，但是这个过于超时代的发现当时并未得到承认，甚至受到讥笑。 (3) 1961年克里克等证明了他于1958年提出的关于遗传三联密码的推

8、测。 1969年Nirenberg 等解译出全部遗传密码。 (4) 60年代，阐明mRNA、tRNA 及核糖体的功能、蛋白质生物合成的过程、 “中心法则”等。（5）70年代，发现限制性核酸内切酶、人工分离和合成基因取得进展，1972年P.Berg 成功实现了DNA体外重组;1973年S.N.Cohen 通过DNA的体外重组成功地构建了第一个有生物学功能的细菌杂交质粒，从而兴起以DNA重组技术为核心的基因工程研究。 （6）80年代，基因工程技术飞速发展，基因工程药物和疫苗投入临床使用，转基因动植物产品上市销售，转基因动植物生物反应器研究成为热点并实现商品化。 （7）90年代，1992年“人类基因

9、组计划”开始实施，投资30亿美元旨在测定人类基因组全部30亿个核苷酸对的碱基序列，是在破译生物体全部遗传密码的征途上迈出的第一步，将为揭开人类和生物体生长、发育、疾病、衰老和死亡的奥秘奠定基础，其意义与原子弹研究曼哈顿计划和载人登月阿波罗计划相比有过之而无不及。克隆羊“多莉” (Dolly) 诞生之后，克隆牛、羊、小鼠等动物纷纷获得成功。 （8）21世纪初人类基因组计划提前完成，遗传学面临新的挑战和使命，即进入了“基因组后研究”时代，在搞清楚基因组的全部序列的基础上，还要彻底阐明基因组所包含的全部遗传信息的生物学功能，及其所编码的蛋白质的结构和功能，所以又称为“蛋白质组”研究。同时，还要应用基

10、因工程和蛋白质工程技术，改造蛋白质，使人类对生命活动的认识和支配由必然王国进入自由王国。 三、分子生物学的研究内容分子生物学的三条基本原理：构成生物体各类有机体大分子的单体在不同生物中都是相同的；生物体内一切有机大分子的建成都遵循共同的规则；某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性。分子生物学涉及的范围极为广泛，研究内容也似乎包罗万象，事实上它研究的内容不外乎以下四个方面：DNA重组技术、基因表达与调控、生物大分子的结构与功能研究、基因组、功能基因组和生物信息学。 1）DNA重组技术DNA重组技术（基因工程）是20世纪70年代初兴起的技术科学，目的是将不同的DNA片段按照人们的设计

11、定向连接起来，在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。 DNA重组技术是核酸化学、蛋白质化学、酶工程及微生物学、遗传学、细胞学长期深入研究的结果，而限制性内切酶、DNA连接酶及其他工具酶的发现和应用则是这一技术得以建立的关键。 DNA重组技术的应用：大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低的多肽，如激素、抗生素、酶类及抗体等；可以定向改造某些生物的基因组结构，是它们所具备的特殊经济价值或功能得以成百上千倍的提高。 DNA重组技术还被用来进行基础研究。 2）基因表达调控研究 基因表达调控主要表现在信号转导研究、转录因子研究和RNA剪辑3个方面。 信号传导是指外部信

12、号通过细胞膜上的受体蛋白传到细胞内部、并激发诸如离子通透性、细胞形状或其他细胞功能方面的应答过程。信号转导之所以能引起细胞功能的改变，主要是由于信号最后活化某些蛋白质分子，使之发生构型的变化，从而直接作为靶位点，打开或关闭某些基因 转录因子是是一群能与基因5端上游特定序列专一结合，从而保证目的基因以特定的强度在特定的时间与空间表达的蛋白质分子。 真核基因转录成前体mRNA后，除了在5端加帽及3端加多聚A之外，还要切去隔开各个相邻编码区的内含子，使外显子相连后成为成熟mRNA. 3）生物大分子的结构功能研究 生物大分子发挥生物学功能时，必须具备两个前提：有特定的空间结构；在发挥生物学功能过程中必

13、定存在着结构和和构象的变化。 结构分子生物学就是研究生物大分子特定的空间结构及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学。 4）基因组、功能基因组与生物信息学研究 基因组学 功能基因组学 蛋白组学 生物信息学 四、分子生物学展望人类基因组计划的开展到其他生物的基因组测序。 基因工程-转基因动物植物，提高产量、质量到生产药物蛋白，转基因克隆技术等。生物学在各个学科之间广泛渗透，相互促进，不断深入和发展。科学家从分子水平、细胞水平、个体和群体等不同层次深入探索各种生物现象。 分子生物学与其他学科的融合：与细胞生物学、神经生物学、与遗传学、与分类学和生物进化研究、与发育生物学 1、生命科学可望成为21世

14、纪的领衔学科在科学发展的历史上，各门学科并非齐头并进，总有一门或一组学科走在其他学科的前面，从理论观念、思维方式或科研方法上对其他学科发挥重要的影响，人们称之为带头学科。近代科学的带头学科是力学，现代科学的带头学科是物理学，21世纪的带头学科将是什么？人们看好生命科学。回顾科学的发展史，我们就能看到力学和物理学成为近代和现代科学的带头学科的必然性。 20世纪下半叶以来，生命科学文献在科学文献中的比重、从事生命科学研究的科学家人数在自然科学家中所占的比重都在迅速增长。生命科学的发展对科学技术的发展产生重要影响。 生命现象中还有狠多重大问题需要人们去解释。例如生物体产生的有机分子为什么都有特定的结

15、构？遗传密码是怎样形成的？当代许多新兴学科（系统论、信息论、控制论、耗散结构理论等等）都是从生命科学知识中受到启发，生命现象中的许多问题的解决必将给科学的发展带来新的启迪。生命科学的发展必将促进海洋科学、空间科学、能源科学、材料科学等当代新兴科学技术的发展。 2、分子生物学对社会发展的影响 1）与医学 繁殖性克隆动物克隆是指由一个动物经无性繁殖产生多个后代个体，同一克隆内所有成员的遗传信息是完全相同的。 治疗性克隆概念利用核重组技术培育早期胚胎及由此衍生的胚胎干细胞来生产人类所需要的器官和组织。 基因是一种有限的资源，一个基因可成就一家企业，带动一个产业，下一个创造更大财富的人将有可能出现在基因领域？ PPL公司成功获得GT-knockout 猪：2001年12月25日，PPL公司