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1、分子生物学课程教学讲义 朱玉贤第一讲 序论二、现代分子生物学中的主要里程碑分子生物学是探讨核酸、蛋白质等全部生物大分子的形态、结构特征及其重要性、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的奇妙，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学科。当人们意识到同一生物不同世代之间的连续性是由生物体自身所携带的遗传物质所确定的，科学家为揭示这些遗传密码所进行的努力就成为人类折服自然的一部分，而以生物大分子为探讨对像的分子生物学就快速成为现代社会中最具活力的科学。从1847年Schleiden和Schwann提出细胞学说，证明动、植物都是由细胞组成的到今日，虽然不过短短一百多年
2、时间，我们对生物大分子-细胞的化学组成却有了深刻的相识。孟德尔的遗传学规律最先使人们对性状遗传产生了理性相识，而Morgan的基因学说则进一步将性状与基因相耦联，成为分子遗传学的奠基石。Watson和Crick所提出的脱氧核糖酸双螺旋模型，为充分揭示遗传信息的传递规律铺平了道路。在蛋白质化学方面，继Sumner在1936年证明酶是蛋白质之后，Sanger利用纸电泳及层析技术于1953年首次阐明胰岛素的一级结构，开创了蛋白质序列分析的先河。而Kendrew和Perutz利用X射线衍射技术解析了肌红蛋白（myoglobin）及血红蛋白（hemoglobin）的三维结构，论证了这些蛋白质在输送分子氧
3、过程中的特殊作用，成为探讨生物大分子空间立体构型的先驱。1910年，德国科学家Kossel第一个分别了腺嘌呤，胸腺嘧啶和组氨酸。1959年，美国科学家Uchoa第一次合成了核糖核酸，实现了将基因内的遗传信息通过RNA翻译成蛋白质的过程。同年，Kornberg实现了试管内细菌细胞中DNA的复制。1962年，Watson（美）和Crick（英）因为在1953年提出DNA的反向平行双螺旋模型而与Wilkins共获Noble生理医学奖，后者通过X射线衍射证明白Watson-Crick模型。1965年，法国科学家Jacob和Monod提出并证明白操纵子（operon）作为调整细菌细胞代谢的分子机制。此外
4、，他们还首次推想存在一种与DNA序列相互补、能将它所编码的遗传信息带到蛋白质合成场所（细胞质）并翻译产生蛋白质的mRNA（信使核糖核酸）。 1972年，Paul Berg（美）第一次进行了DNA重组。 1977年，Sanger和Gilbert（英）第一次进行了DNA序列分析。1988年，McClintock由于在50年头提出并发觉了可移动遗传因子（jumping gene或称mobile element）而获得Nobel奖。 1993年，美国科学家Roberts和Sharp因发觉断裂基因（introns）而获得Nobel奖。Mullis由于独创PCR仪而与加拿高校者Smith（第一个设计基因定
5、点突变）共享Nobel化学奖。 此外，Griffith（1928）及Avery（1944）等人关于致病力强的光滑型（S型）肺炎链球菌DNA导致致病力弱的粗糙型（R型）细菌发生遗传转化的试验；Hershey和Chase（1952）关于DNA是遗传物质的试验；Crick于1954年所提出的遗传信息传递规律（即中心法则）:Meselson和Stahl（1958）关于DNA半保留复制的试验以及Yanofsky和Brener（1961）年关于遗传密码三联子的设想都为分子生物学的发展做出了重大贡献。我国生物科学家吴宪20世纪20年头初回国后在协和医科高校生化系与汪猷、张昌颖等人一道完成了蛋白质变性理论、血
6、液生化检测和免疫化学等一系列有重大影响的探讨，成为我国生物化学界的先驱。20世纪60年头、70年头和80年头，我国科学家相继实现了人工全合成有生物学活性的结晶牛胰岛素，解出了三方二锌猪胰岛素的晶体结构，采纳有机合成与酶促相结合的方法完成了酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工全合成，在酶学探讨、蛋白质结构及生物膜结构与功能等方面都有世所瞩目的建树。 三、分子生物学的主要探讨内容全部生物体中的有机大分子都是以碳原子为核心，并以共价键的形式与氢、氧、氮及磷以不同方式构成的。不仅如此，一切生物体中的各类有机大分子都是由完全相同的单体，如蛋白质分子中的20种氨基酸、DNA及RNA中的8种碱基所组合而成的，由此产
7、生了分子生物学的3条基本原理：1 构成生物体有机大分子的单体在不同生物中都是相同的；2 生物体内一切有机大分子的建成都遵循着各自特定的规则；3 某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子确定了它的属性。分子生物学探讨内容:DNA重组技术-基因工程基因表达调控-核酸生物学 生物大分子结构功能-结构分子生物学DNA重组技术（又称基因工程）这是20世纪70年头初兴起的技术科学，目的是将不同DNA片段（如某个基因或基因的一部分）依据人们的设计定向连接起来，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。严格地说，DNA重组技术并不完全等于基因工程，因为后者还包括其他可能使生物细
8、胞基因组结构得到改造的体系。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、细胞学长期深化探讨的结晶，而限制性内切酶DNA连接酶及其他工具酶的发觉与应用则是这一技术得以建立的关键。DNA重组技术有着广袤的应用前景:DNA重组技术可用于定向改造某些生物基因组结构，使它们所具备的特殊经济价值或功能得以成百 上千倍的地提高。DNA重组技术还被用来进行基础探讨。假如说，分子生物学探讨的核心是遗传信息的传递和限制，那么依据中心法则，我们要探讨的就是从DNA到RNA，再到蛋白质的全过程，也即基因的表达与调控。在这里，无论是对启动子的探讨（包括调控元件或称顺式作用元件），还是对转录因子的克隆
9、及分析，都离不开重组DNA技术的应用。基因表达调控探讨 因为蛋白质分子参加并限制了细胞的一切代谢活动，而确定蛋白质结构和合成时序的信息都由核酸（主要是脱氧核糖核酸）分子编码，表现为特定的核苷酸序列，所以基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译。在个体生长发育过程中生物遗传信息的表达按肯定的时序发生变更（时序调整），并随着内外环境的变更而不断加以修正（环境调控）。原核生物的基因组和染色体结构都比真核生物简洁，转录和翻译在同一时间和空间内发生，基因表达的调控主要发生在转录水平。真核生物有细胞核结构，转录和翻译过程在时间和空间上都被分隔开，且在转录和翻译后都有困难的信息加工过程，其基因表达的调控可以发
10、生在各种不同的水平上。基因表达调控主要表现在信号传导探讨、转录因子探讨及RNA剪辑3个方面。转录因子是一群能与基因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。 真核基因在结构上的不连续性是近10年来生物学上的重大发觉之一。当基因转录成pre-mRNA后，除了在5端加帽及3端加多聚ApolyA之外，还要将隔开各个相邻编码区的内含子剪去，使外显子（编码区）相连后成为成熟mRNA。探讨发觉，有很多基因不是将它们的内含子全部剪去，而是在不同的细胞或不同的发育阶段有选择地剪接其中部分内含子，因此生成不同的mRNA及蛋白质分子。 结构分子生物学 生物大分子的结
11、构功能探讨（又称结构分子生物学） 一个生物大分子，无论是核酸、蛋白质或多糖，在发挥生物学功能时，必需具备两个前提:首先，它拥有特定的空间结构（三维结构）；其次，在它发挥生物学功能的过程中必定存在着结构和构象的变更。结构分子生物学就是探讨生物大分子特定的空间结构及结构的运动变更与其生物学功能关系的科学。它包括结构的测定、结构运动变更规律的探究及结构与功能相互关系的建立3个主要探讨方向。最常见的探讨三维结构及其运动规律的手段是X射线衍射的晶体学（又称蛋白质晶体学），其次是用二维核磁共振和多维核磁探讨液相结构，也有人用电镜三维重组、电子衍射、中子衍射和各种频谱学方法探讨生物高分子的空间结构。 其次讲
12、 染色体与DNA一、 DNA的组成与结构 Avery在1944年的探讨报告中写道：当溶液中酒精的体积达到9/10时，有纤维状物质析出。如稍加搅拌，它就会象棉线在线轴上一样绕在硬棒上，溶液中的其它成份则呈颗粒状沉淀。溶解纤维状物质并重复数次，可提高其纯度。这一物质具有很强的生物学活性，初步试验证明，它很可能就是DNA（谁能想到！）。对DNA分子的物理化学探讨导致了现代生物学天翻地覆的革命，这更是Avery所没有想到。所谓DNA的一级结构，就是指4种核苷酸的连接及其排列依次，表示了该DNA分子的化学构成。核苷酸序列对DNA高级结构的形成有很大影响，如B-DNA中多聚（G-C）区易出现左手螺旋DNA
13、（Z-DNA），而反向重复的DNA片段易出现发卡式结构等。DNA不仅具有严格的化学组成，还具有特殊的高级结构，它主要以有规则的双螺旋形式存在，其基本特点是： 1、DNA分子是由两条相互平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的。2、DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧。3、两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对，它的组成有肯定的规律。这就是嘌呤与嘧啶配对，而且腺嘌呤（A）只能与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）只能与胞嘧啶（C）配对。如一条链上某一碱基是C，另一条链上与它配对的碱基必定是G。碱基之间的这种一一对应的关系叫碱基互补配对原则。组成DNA分子的碱基虽然只有
14、4种，它们的配对方式也只有A与T，C与G两种，但是，由于碱基可以任何依次排列，构成了DNA分子的多样性。例如，某DNA分子的一条多核苷酸链有100个不同的碱基组成，它们的可能排列方式就是4100。 二、 DNA聚合酶与DNA的合成The accuracy of translation relies on the specificity of base pairing. The actual rate in bacteria seems to be -10-8-10-10. This corresponds to -1 error per genome per 1000 bacterial re
15、plication cycles, or -10-6 per gene per generation.DNA polymerase might improve the specificity of complementary base selection at either (or both) of two stages:1，It could scrutinize the incoming base for the proper complementarity with the template base; for example, by specifically recongnizing m
16、atching chemical features. This would be a presynthetic error control. 2，Or it could scrutinize the base pair after the new base has been added to the chain, and, in those cases in which a mistake has been made, remove the most recently added base. This would be a proofreading control. 三、DNA的生理意义及成分分析早在1928年英国科学家Griffith等人就发觉肺炎链球菌使小鼠残废的缘由是引起肺炎。细菌的毒性（致病力）是由细胞表面荚膜中的多糖所确
