分子生物学教程(第三版)

第1章　绪论 1.1　分子生物学的概念 分子生物学(molecular biology)是研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构与功能，并从分子水平上阐述这些大分子之间相互作用的关系及其基因表达调控机理的科学，是人类从分子水平上真正揭开生物世界的奥秘，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学科。 人类对生物学的研究经历了相当漫长的历程。*早从研究动物和植物的形态解剖和分类开始，到以后 对细胞学、遗传学、微生物学、生理学以及生物化学的 研究，逐步进入了细胞水平。从20世纪50年代以来，以生物大分子为研究目标的分子生物学开始逐步形成为独立的学科，并迅速成为现代生物学领域中*具活力的学科。随着相关学科的不断发展，生物学与其他 学科之间的相互渗透越来越深入，物理学、化学和电子计算机的理论、术语和方法不断地用于生物学的研究。目前，科学家已经建立了一整套分子生物学研究的方法、系统和一般的逻辑推理原则，以及数目十分庞大的分子生物信息数据库等，使分子生物学的研究迅速地向纵深发展。 广义上讲的分子生物学包括对蛋白质和核酸等生 物大分子结构与功能的研究，以及从分子水平上阐明 生命的现象和生物学规律。例如，蛋白质的结构、运动 和功能、酶的作用机理和动力学、膜蛋白结构与功能和 跨膜运输，等等。从这个视角看，分子生物学几乎包括 了生物学领域的很多方面，但实际上这些内容随着其 研究的深入已逐步发展形成了各自独立的学科。由此 通常采用狭义的概念，将分子生物学的定义偏重于对核酸(基因）的分子生物学范畴，主要研究基因或DNA 结构与功能、复制、转录、表达和调节控制等的分子过程，其中也涉及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能的研究。 小结：分子生物学是研究核酸和蛋白质等生物大分子的结构与功能、并从分子水平上阐述它们间相互作用关系及基因表达调控机理的科学，是人类由被动适应自然界转向主动改造和重组自然界的学科。 1.2　分子生物学研究的主要内容 分子生物学是研究所有生物学现象的分子基础。从这个意义上说，分子生物学包括了地球上所有的生物学。因此，对分子生物学研究内容的界定是困难的。随着科学技术突飞猛进地向纵深发展，各学科之间的划分越来越细，在长期的科学研究与实践中，对生物学中的许多分支与科目，分子生物学家并未将它列为分子生物学研究的范畴，例如，某些生物学反应就像一个标准的化学反应一样通过酶和产物浓度被调节，对这些反应调节的研究就属于生物化学的范围。但如果一个酶催化的反应是通过酶基因或酶分子结构的改变而被调节，则属于分子生物学的内容。这类似于把细胞内的化学成分的排列和结构的研究称为细胞生物学。但当人们分离到了昆虫和某些原虫的行为突变体后，就要对其进行分子生物学分析。因此，分子生物学与生物学其他各分支之间的界限越来越不明显了。尽管分子生物学涉猎的范围十分广泛，研究内容也包罗万象，但是按照狭义分子生物学定义，我们可将现代分子生物学的主要研究内容概括为以下几个大的方面。 1.2.1　基因与基因组的结构与功能 基因的研究一直是影响整个分子生物学发展的主线。在不同的历史时期对基因的研究有不同的内容，20世纪50年代以前，主要从细胞染色体水平上进行研究，是基因的染色体遗传学内容；50年代之后，主要从DNA大分子水平上进行研究，属于基因的分子生物学阶段。近20多年来，由于重组DNA技术的不断完善和应用，人们已经改变了从表型到基因型的传统研究基因的途径，而能够直接从克隆目的基因出发，研究基因的功能及其与表型的关系，使基因的研究进入了反向生物学阶段。在这个历程中，对基因与基因组的微细及高级结构与功能的研究始终是分子生物学研究内容*基础*重要的部分。 1.2.2　DNA的复制、转录和翻译 这一方面研究的重点是DNA或基因怎样在各系统相关的酶与蛋白等因子作用下，按照中心法则进行自我复制、转录、反转录和翻译。同时，对mRNA分子进行各种剪接、加工修饰、编辑以及对新生多肽链折叠成有功能的空间结构的分子机理研究。 1.2.3　基因表达调控的研究 基因表达的实质是遗传信息的转录和翻译。在生物个体的生长、发育和繁殖过程中，遗传信息的表达按照一定的时序发生变化(时序调节的表达）；并且，随着内外环境的变化而不断地加以修正(环境调控表达)。 基因表达的调控主要发生在转录水平和翻译水平上。原核生物的基因组和染色体结构都比真核生物简单，转录和翻译在同一时空内发生，基因表达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复杂的分子信息加工过程，其基因表达的调控发生在各种不同的水平，主要表现在对上游调控序列、信号传导、转录因子以及RNA剪辑等多个方面。 1.2.4　DNA重组技术 分子生物学研究的核心是遗传信息的结构、传递和控制，在这个过程中DNA重组技术是不可缺少的手段之一。DNA重组技术是20世纪70年代初兴起的一门科学技术。应用此技术能将不同的DNA片段进行人为的重组和定向连接，并指定在特定的受体细胞中与载体同时复制和表达，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能使生物细胞基因组结构发生改变的体系。DNA重组技术是核酸化学、遗传学、细胞学、病毒学、蛋白质化学、酶工程以及微生物学等长期深人研究的结果，反过来，这些学科的发展又以DNA重组技术作为重要手段而进行。在这个过程中，限制性内切核酸酶、DNA连接酶及其他工具酶的发现与应用是这一技术得以建立的关键。 作为分子生物学研究的内容之一，DNA重组技术的主要目的是：①用于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，提高产量，降低成本，使许多有价值的多肽类物质得到广泛的应用。例如，用于治疗艾滋病的基因工程白介素12可有效地阻止病情发展，恢复HIV病毒携带者的免疫系统和功能；②用于定向改造某些生物的基因组结构，使它们所具备的特殊功能更符合人类生活的需要，其经济价值能成百上千倍地提高。例如，一种含有分解各种石油成分的重组DNA超级细菌能快速分解石油，可用来恢复被石油污染的海域和土壤；③DNA重组技术用于进行基础研究，已经成为研究分子生物学领域一切基础性问题的技术方法和常规武器。 1.2.5　结构分子生物学 任何一个生物大分子当它在发挥生物学功能时都必须具备两个前提，一是必须拥有特定的空间结构(三维结构）；二是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化。结构分子生物学的发展就是研究生物大分子特定的空间结构以及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学。它包括结构的测定、结构运动变化规律的探索和结构与功能相互关系三个方向的研究。近年来科学家不断研究发现了大量新的生物大分子静态结构，并逐步深化对其动态功能的认识。已经能够研究运动时间*短达10*～10*，运动幅度*小为0.1pm的分子运动。由单一分子研究深人到对复合乃至多亚基、多分子复合体研究，使对多种生物大分子联合起来的复杂结构与相互作用功能的认识与研究成为可能。对核糖体的结构与功能的研究就是这方面的一个例子。目前，研究生物大分子空间结构及其运动规律的手段主要是X射线衍射晶体技术、二维和多维核磁共振成像、电子衍射、中子衍射、电镜三维重组以及各种波谱学的方法。 结构分子生物学在今后仍然是生命科学发展的基础学科。在这一领域中，仍需要有生物学家、生物化学家、物理学家、化学家以及计算机和工程学的专家的共同努力。 小结：分子生物学主要研究内容包括基因与基因组的结构与功能；遗传信息的传递与表达；基因表达调控；DNA重组技术；结构分子生物学等。 1.3　分子生物学与生物化学之间的关系 当代生命科学的一大特点是几乎所有关于生命的分支学科均已被分子生物学渗透，由此涉及了许多难以穷尽的方方面面难以界定。实际上，分子生物学与生物化学之间的关系是非常紧密而难以区分的。但随着这两门学科的研究向纵深发展，内容越来越多，科学家们不得不将它们做相对的划分。分子生物学的定义如前所述，它从分子水平上研究生命的现象，生物化学是从分子水平上研究生命现象的化学本质；从学科范畴讲，分子生物学包括了生物化学；但从研究的基本内容上，例如，在遗传信息流从DNA—mRNA—蛋白质的代谢传递过程中，许多内容又属于生物化学的范围，等等。因此，分子生物学与生物化学这两门学科是“你中有我”、“我中有你”，而不能截然分开。但这两门学科的研究方向和研究方法与手段也显示出了明显的区别。 在研究方向上，分子生物学主要是研究蛋白质、核酸和其他大分子的结构与功能，以及它们之间的相互作用，着重解决细胞中的信息传递和代谢调节等问题。而生物化学主要研究大分子物质的组成、性质结构与功能及其在生命活动中的代谢转化等动态的过程，包含大量有机小分子的参与。因此分子生物学与生物化学虽然在研究内容上有相同之处，但在研究方向上，分子生物学的着重点是大分子的结构与功能，而生物化学则以生物分子的动态代谢转化为主。 在研究方法上，分子生物学是以化学和物理学的方法研究大分子结构，采用生物化学与遗传学相结合的方法探索其功能，解决大分子结构与功能及其代谢调节的关系。而生物化学主要采用生物化学与化学以及生理学的方法，探索生命的化学过程，解决分子转化与能量转换的问题。所以，分子生物学与生物化学，在分离、纯化生物分子时，或许采用同样的方法，而在分别探索其研究的问题时，却采用了许多不同的手段。 1.4　分子生物学发展的历程 分子生物学在人类文明史上的光辉成就，以前所未有的速度推动着生物学的发展，使整个生物学的面貌发生了巨大的变化。由于无数分子生物学家的不懈追求与刻苦研究，使我们现在不但能从分子水平上认识了核酸的结构与功能以及复制、转录、翻译、剪接、加工、修饰等的详细过程，而且已经测知了许多重要生物的基因组及其结构与功能，真正从分子水平上对这些基因控制的生长、发育和变异等一系列生物学问题有了更深人的了解，获得了令人振奋的结果。为了使学习和认识上的条理更加清晰，在此将其发展过程简单地概括为3个阶段。 1.4.1　人类对DNA和遗传信息传递的认识阶段 1928年，F Griffith做的肺炎双球菌的转化试验奠定了DNA是遗传物质的基础。 1944年，Oswald Avery等用生物化学和物理化学手段对F Griffith的肺炎双球菌转化试验进一步做了分析，证实DNA是生物的遗传物质。这一重大发现打破了长期以来许多生物学家认为的只有像蛋白质那样的大分子才能作为细胞遗传物质的观点，在遗传学上树立了DNA是遗传信息载体的理论。 1950年，E Chargaff提出了DNA碱基组成的等比例规律。与此同时R Hotchkiss对Avery的转化物做了纯化，进一步证实了高纯度的DNA是遗传物质。 1952年，Hershey和Martha Chase用同位素示踪技术，将T2噬菌体侵染大肠杆菌细胞，证实了主要是核酸进人细菌体内，而病毒外壳蛋白留在细胞外，且进人菌体的DNA能利用细菌的生命过程合成噬菌体自身的DNA和蛋白质，并能自我组装成与亲代完全相同的子代哩菌体。烟草花叶病毒的重建实验也证明，病毒蛋白质的特性由RNA决定，即遗传物质是核酸而不是蛋白质。至此，DNA作为遗传物质才被普遍地接受。 1953年，是开创生命科学新时代具有里程碑意义的一年，Watson和Crick发表了“脱氧核糖核酸的结构”的著名论文，提出了DNA双螺旋结构模型，为人类充分揭示遗传信息的传递规律奠定了坚实的理论基础。同年，Sanger历经8年，完成了**个蛋白质——胰岛素的氨基酸全序列分析。 1954年，Crick在前人研究工作基础上，提出了中心法则理论；Gamnow从理论上