分子生物學緒論（一）

  一、分子生物學的基本含義

　　分子生物學是從分子水平研究生命本質為目的的一門新興邊緣學科，它以核酸和蛋白質等生物大分子的結構及其在遺傳信息和細胞信息傳遞中的作用為研究對象，是當前生命科學中發展最快并正與其它學科廣泛交叉與滲透的重要前沿領域。分子生物學的發展為人類認識生命現象帶來了前所未有的機會，也為人類利用和改造生物創造了極為廣泛的前景。

　　所謂在分子水平上研究生命的本質主要是指對遺傳、生殖、生長和發育等生命基本特征的分子機理的闡明，從而利用和改造生物奠定理論基礎和提供新的手段。這里的分子水平指的是那些攜帶遺傳信息的核酸和在遺傳信息傳遞及細胞內、細胞間通訊過程中發揮著重要作用的蛋白質等生物大分子。這些生物大分子均具有較大的分子量，由簡單的小分子核苷酸或氨基酸排列組合以蘊藏各種信息，并且具有復雜的空間結構以形成精確的相互作用系統，由此構成生物的多樣化和生物個體精確的生長發育和代謝調節控制系統。簡明這些復雜的結構及結構與功能的關系是分子生物學的主要任務。

　　二、分子生物學的主要研究內容

　　分子生物學主要包含以下三部分研究內容：

　　1 核酸的分子生物學

　　核酸的分子生物學研究核酸的結構及其功能。由于核酸的主要作用是攜帶和傳遞信息，因此分子遺傳學（moleculargenetics)是其主要組成部分。由于50年代以來的迅速發展。該領域已形成了比較完整的理論體系和研究技術，是目前分子生物學內容最豐富的一個領域。研究內容包括核/基因組的結構、遺傳信息的復制、轉錄與翻譯，核酸存儲的信息修復與突變，基因表達調控和基因工程技術的發展和應用等。遺傳信息傳遞的中心法則（centraldogma)是其理論體系的核心。

　　2 蛋白質的分子生物學

　　蛋白質的分子生物學研究執行各種生命功能的主要大分子——蛋白質的結構與功能。盡管人類對蛋白質的研究比對核酸研究的歷史要長得多，但由于其研究難度較大，與核酸分子生物學相比發展較慢。近年來雖然在認識蛋白質的結構及其與功能關系方面取得了一些進展，但是對其基本規律的認識尚缺乏突破性的進展。

　　3 細胞信號轉導的分子生物學

　　細胞信號轉導的分子生物學研究細胞內、細胞間信息傳遞的分子基礎。構成生物體的每一個細胞的分裂與分化及其各種功能的完成均依賴于外界環境所賦予的各種指示信號。在外源信號的刺激下，細胞可以將這些信號轉變為一系列生物化學變化，例如蛋白質構象的轉變、蛋白分子的磷酸化心臟蛋白與蛋白相互作用的變化等，從而使其增殖、分化及分泌狀態等發生改變以適應內外環境的需要。信號轉導研究的目標是簡明這些變化的分子機理，明確每一種信號轉導與傳遞的途徑及參與該途徑的所有分子的作用和調節方式以及認識各種途徑間的網絡控制系統。信號轉導機理的研究在理論和技術方面與上述核酸及蛋白質分子有著緊密的聯系，是當前分子生物學發展最迅速的領域之一。

　　三、分子生物學與其他學科的關系

　　分子生物學是由生物化學、生物物理學、遺傳學、微生物學、細胞學、以纛信息科學等多學科相互滲透、綜合融會而產生并發展起來的，凝聚了不同專長的科學家的共同努力。它雖產生于上述各個學科，但已形成它獨特的理論體系和研究手段，成為一個獨立的學科。

　　生物化學與分子生物學關系最為密切。兩者同在我國教委和科委頒布的一個二級學科中，稱為“生物化學與分子生物學”，但兩者還是區別的。生物化學是從化學角度研究生命現象的科學，它著重研究生物體內各種生物分子的結構、轉變與新陳代謝。傳統生物化學的中心內容是代謝，包括糖、脂類、氨基酸、核苷酸、以及能量代謝等與生理功能的聯系。分子生物學則著重闡明生命的本質——主要研究生物大分子核酸與蛋白質的結構與功能、生命信息的傳遞和調控。《國際生物化學學會》和《中國生物化學學會》現昀已改名為《國際生物化學與分子生物學學會》和《中國生物化學與分子生物學學會》。

　　細胞生物學與分子生物學關系也十分密切。傳統的細胞生物學主要研究細胞和亞細胞器的形態、結構與功能。細胞作為生物體基本的構成單位是由許多分子組成的復雜體系，光學顯微鏡和電子顯微鏡下所見到的規則結構是各種分子有序結合而形成的。探討組成細胞的分子結構比單純觀察大體結構能更加深入認識細胞的結構與功能，因此現代細胞生物學的發展越來越多地應用分子生物學的理論和方法。分子生物學則是從研究各個生物大分子的結構入手，但各個分子不能孤立發揮作用，生命絕非組成萬分的隨意加和或混合，分子生物學還需要進一步研究各生物分子間的高層次組織和相互作用，尤其是細胞整體反應的分子機理。這在某種程度上是向細胞生物學的靠攏。分子細胞學或細胞分子生物學就因此而產生，成為人們認識生命的基礎。

　　由于分子生物學涉及認識生命的本質，它也就自然廣泛的滲透到醫學各學科領域中，成為現代醫學重要的基礎。在醫學各個學科中，包括生理學、微生理學、免疫學、病理學、藥理學以及臨床各學科分子生物學都正在廣泛地形成交叉與滲透，形成了一些交叉學科，如分子免疫學、分子病毒學、分子病理學和分子藥理學等，大大促進了醫學的發展。

　　四、分子生物學發展簡史

　　分子生物學的發展大致可分為三個階段。

　　（一)準備和醞釀階段

　　19世紀后期到20世紀50年代初，是現代分子生物學誕生的準備和醞釀階段。在這一階段產生了兩點對生命本質的認識上的重大突破。

　　確定了蛋白質是生命的主要物質基礎。

　　19世紀末Buchner兄弟證明酵母無細胞提取液能使糖發酵產生酒精，第一次提出酶（enzyme)的名稱，酶是生物催化劑。20世紀20-40年代提純和結晶了一些酶（包括尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、共同酶、細胞色素C、肌動蛋白等)，證明酶的本質是蛋白質。隨后陸續發現生命的許多基本現象（物質代謝、能量代謝、消化、呼吸、運動等)都與酶和蛋白質相聯系，可以用提純的酶或蛋白質在體外實驗中重復出來。在此期間對蛋白質結構的認識也有較大的進步。1902年EmilFisher證明蛋白質結構是多肽；40年代末，Sanger創立二硝基氟苯（DNFB)法、Edman發展異硫氰酸苯酯法分析肽鏈N端氨基酸；1953年Sanger和Thompson完成了第一個多肽分子——胰島素A鏈和B鏈的氨基酸全序列分析。由于結晶X-線衍射分析技術的發展，1950年Pauling和Corey提出了α-角蛋白的α-螺旋結構模型。所以在這階段對蛋白質一級結構和空間結構都有了認識。

　　確定了生物遺傳的物質是DNA。

　　雖然1868年F.Miescher就發現了核素（nuclein)，但是在此后的半個多世紀中并未引起重視。20世紀20-30年代已確認了自然界有DNA和RNA兩類核酸，并闡明了核苷酸的組成。由于當時對核苷酸和堿基的定量分析不夠精確，得出DNA中A、G、C、T含量是大致相等的結果，因而間長期認為DNA結構只有“四核苷酸”單位的重復，不具有多樣性，不能攜帶更多的信息，當時對攜帶遺傳信息的侯選分子更多的是考慮蛋白質。40年代以后的實驗事實使人們對核酸的功能和結構兩方面的認識都有了長足的進步。1944年O.T.Avery等證明了肺炎球菌轉化因子是DNA；1952年S.Furbery等的X-線衍射分析闡明了核苷酸并非平面的空間構像，提出了DNA是螺旋結構；1948-1953年Chargaff等用新的層析和電泳技術分析組成DNA的堿基和核苷酸量，積累了大量的數據，提出了DNA堿基組成A=T、G=C的Chargaff規則，為堿基酸對的DNA結構認識打下了基礎。