1、生命科学未解的八大奥秘,1 作为生命基础的蛋白质的结构能确定吗?,2 能合成人工生命形式吗?,3 能否建立精确的细胞计算机模型?,4 能弄清基因如何决定哺乳动物发育的细节吗?,5 预防、诊断和治疗医学会发生变革吗?,6 能否准确地再建人类种群史?,7 能否重构地球上生命的主要进化步骤?,8 社会将对遗传知识爆炸式增长作何反应?,为什么分子生物学如此重要?又如此让全世界的科学家为之痴迷呢?,第 一 章,序 论,一、引言：现代分子生物科学的发展 二、分子生物学的发展简史 三、分子生物学的主要研究内容 四、分子生物学展望二十一世纪是生物学全面发展的时期,本章主要内容,一、引言：现代分子生物科学的发展
2、,1、创世学与进化论19世纪之前：创世学1859年之后：达尔文物种起源达尔文成长与研究；“物竞天择，适者生存”进化论思想；第一个认识到生物世界的不连续性；“自然选择压力”与新物种的产生。,2、细胞学说17世纪：列文虎克显微镜细胞19世纪：施耐登、施旺细胞学说19世纪三大发现之一。20世纪：电子显微镜，细胞生物学 对生物学的贡献：因为单个细胞生长、分裂，组织、器官和个体的生命现象实际上是细胞活动的总和，所以细胞是生物学研究的首要对象。,显微镜的发明与早期发展之路（一）,1590年 詹森制作了第一台复合显微镜1624年 伽利略制作了和他的望远镜同样类型的显微镜1625年 塞律蒂出版了从显微镜观察制
3、作的第一本蜜蜂图谱1625年 Feber第一个杜撰了“显微镜“（microscopio）这个词1653年 Borel出版了Historiarum et Observationum Medicophysicarum Centuria，这是第一本将医学与显微镜联系的著作1658年 Kircher用一台放大倍数为32的显微镜描述鼠疫病人身体内的“虫子“ （据后来的科学家考证，“虫子“可能是红细胞和白细胞）是引起疾病的一种原因,显微镜的发明与早期发展之路（二）,1658年 Swammerdam利用显微镜观察精确地描述了红细胞的结构和功能1665年 胡克出版了Micrographia，其中包括了最早的细
4、胞结构图谱，因此产生了“细胞“这个词1674年 Van Leeuwenhoek制作了200多台显微镜和400多个镜头，他用其中一些来报道了他对池塘水中找到的“原虫“的发现1757年 Dolland制作了最初的无色玻璃，因此后来的显微镜专家就不用再把闪光和具有虹样差的物体置于有色玻璃镜头下1791年 beeldsnijder制作了第一台无色复合显微镜1911年 荧光显微镜问世1926年 Busch发现磁场和静电场可以作为透镜聚光以产生超微图象1931年 Knoll和Ruska研制出一台原型传导电镜,1934年 Moldavan描述了他的打算：对毛细血管内流动的细胞进行光电计数， 这代表了最早的流
5、体血细胞计数意愿1935年 Knoll描述了扫描电镜的一般原理1940年 电视显微镜技术问世，用于诊断1941年 Hillier和Vance制作了一台电镜，它的分辨力可到25埃1947年 Gucker描述了一种气溶胶颗粒计数器，后者是用来检测空气中的细菌 和孢子，其原理也可适用于流体血细胞计数分析,显微镜的发明与早期发展之路（三）,显微镜的发明与早期发展之路（四）,1950年 Casperson发表了他的专著细胞生长和功能，描述了对正常和异常 细胞的生长和代谢的显微分光光度计测量1950年 Friedman用荧光显微技术探测子宫癌细胞1951年 Mellors和Silver发明出一种扫描荧光显
6、微计，可用以定量测量单个细胞的 DNA荧光1952年 Mellors Keane和Papanicolaou将定量测量DNA技术应用于鳞癌细胞1953年 Coulter型血细胞计数器问世1955年 Tolles和Bostrom描述了一种自动光电“细胞分析仪“，这是一种恶性和恶性前细胞的大小、密度测定系统,普通光学显微镜,数码显微镜,金相显微镜,神经细胞,骨髓细胞,3、生化与遗传学19世纪中叶20世纪初：20种AA发现孟德尔：分离规律：性状3：1分离自由组合规律：F2代性状发生 9：3：3：1的分离从1865年植物杂交实验，1900年才重新发现并公认摩尔根：基因学说对果蝇的研究连锁互换规律,4、D
7、NA的发现1953年，Watson、Crick：DNA双螺旋结构 实验证明基因就是DNA分子的研究实验：,1953年，沃森（Watson）和克里克（Crick）通过X射线衍射法研究，提出了DNA双螺旋构造模型。这个模型的特点是：1）由两条互补的多核苷酸链，彼此以一定的空间距离，在同一轴上相互盘旋起来，很象一个扭曲起来的梯子。2）DNA双链中，一条链的走向从5到3，另一条链的走向从3到5。两条链呈反向平行。3）A与T以两个氢键配对相连，G与C是以三个氢键配对相连。4）各对碱基上下之间的距离为3.4，每个螺距的距离34 ，也就是说每个螺距包括10对碱基。,二、分子生物学发展简史,分子生物学的发展大
8、致可分为三个阶段： 1、准备和酝酿阶段19世纪后期到20世纪50年代初，是现代分子生物学诞生的准备和酝酿阶段。在这一阶段产生了两点对生命本质的认识上的重大突破。确定了蛋白质是生命的主要物质基础。确定了生物遗传的物质是DNA。,2、现代分子生物学的建立和发展阶段：,这一阶段是从50年代初到70年代初，以1953年Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构模型作为现代分子生物学诞生的里程碑开创了分子遗传学基本理论建立和发展的黄金。在些期间的主要进展包括： 遗传信息传递中心法则的建立：DNA复制 、RNA转录 、遗传密码 、蛋白质翻译合成 对蛋白质结构与功能的进一步认识：中国科学家在1965年人
9、工合成了牛胰岛素,3、初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段,70年代后，以基因工程技术的出现作为新的里程碑，标志着人类涂认识生命本质并能主动改造生命的新时期开始。其间的重大成就包括： 1 重组DNA技术的建立和发展 2 基因组研究的发展 3 单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展 4 基因表达调控机理 5 细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域,附：现代分子生物学中的主要里程碑,1910年，德国科学家Kossel第一个分离了腺嘌呤，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
10、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射线衍射证实了Watson-Crick模型。 1965年，法国科学家Jacob和Monod提出并证实了操纵子（operon）作为调节细菌细胞代谢的分子机制。,此外，他们还首次推测存在一种与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D
11、NA序列分析。 1988年，McClintock由于在50年代提出并发现了可移动遗传因子而获得Nobel奖。 1993年，美国科学家Roberts和Sharp因发现断裂基因而获得Nobel奖。Mullis由于发明PCR仪而与加拿大学者Smith（第一个设计基因定点突变）共享Nobel化学奖。,1954年所提出的遗传信息传递规律（即中心法则）:,三、分子生物学的主要研究内容,分子生物学的基本含义分子生物学是从分子水平研究生命本质为目的的一门新兴边缘学科，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正与其它学科广泛交叉与渗透的重要前沿
12、领域。分子生物学的发展为人类认识生命现象带来了前所未有的机会，也为人类利用和改造生物创造了极为广泛的前景。,所谓在分子水平上研究生命的本质主要是指对遗传、生殖、生长和发育等生命基本特征的分子机理的阐明，从而利用和改造生物奠定理论基础和提供新的手段。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。这些生物大分子由简单的小分子核苷酸或氨基酸排列组合以蕴藏各种信息，并且具有复杂的空间结构以形成精确的相互作用系统，由此构成生物的多样化和生物个体精确的生长发育和代谢调节控制系统。简明这些复杂的结构及结构与功能的关系是分子生物学的主要
13、任务。,所有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决定了它的属性。,经典分子生物学研究内容:,1 核酸的分子生物学：研究内容包括核基因组的结构、遗传信息的复制、转录与翻译，核酸存储的信息修复与突变，基因表达调控和基因工程技术
14、的发展和应用等。遗传信息传递的中心法则是其理论体系的核心。 2 蛋白质的分子生物学 ：蛋白质的结构及其与功能关系及其基本规律,3 细胞信号转导的分子生物学：外源信号的刺激下，细胞可以将这些信号转变为一系列生物化学变化，例如蛋白质构象的转变、蛋白分子的磷酸化心脏蛋白与蛋白相互作用的变化等，从而使其增殖、分化及分泌状态等发生改变以适应内外环境的需要。信号转导研究的目标是简明这些变化的分子机理，明确每一种信号转导与传递的途径及参与该途径的所有分子的作用和调节方式以及认识各种途径间的网络控制系统。,现代分子生物学研究内容:,1、DNA重组技术基因工程 这是20世纪70年代初兴起的技术科学，目的是将不同
15、DNA片段（如某个基因或基因的一部分）按照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。 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、细胞学长期深入研究的结晶，而限制性内切酶、DNA连接酶及其他工具酶的发现与应用则是这一技术得以建立的关键。,2、基因表达调控核酸生物学,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
16、间上都被分隔开，且在转录和翻译后都有复杂的信息加工过程，其基因表达的调控可以发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研究、转录因子研究及RNA剪辑(选择性剪切内含子生成不同mRNA及蛋白质） 3个方面。,3、生物大分子结构功能结构分子生物学,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。它包括结构的测定、结构运动变化规律的探索及结构与功能相互关系的建立3个主要研究方向。最常见的研究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研究液相结构，也有人用电镜三维重组、电子衍射、中子衍射和各种
17、频谱学方法研究生物高分子的空间结构。,4、基因组、功能基因组与生物信息学研究,基因组:一个细胞（或生物体）内所有基因的组合 功能基因组学：研究基因组内每个基因的具体功能及其相互关系 蛋白组计划：后基因组计划，研究蛋白质的组成、功能 生物信息学：运用生物信息传递中大分子信息并运用计算机统计分析生物信息原理,四、分子生物学展望,生物科学是当代自然科学中发展最迅速、对人类的生存和自身发展影响最大的学科领域之一。统计美国“科学引文索引（SCI）“收录的4500余种学术刊物，发现有2350种左右为生物科学相关杂志！统计全世界引用指数（Impact factor）在10以上的超一流学术刊物，也发现80%左
18、右（97年48种刊物中有38种）是生物科学相关刊物。,分子生物学与其他学科的关系,分子生物学是由生物化学、生物物理学、遗传学、微生物学、细胞学、以纛信息科学等多学科相互渗透、综合融会而产生并发展起来的。 生物化学与分子生物学关系最为密切。 细胞生物学与分子生物学关系也十分密切。 由于分子生物学涉及认识生命的本质，它也就自然广泛的渗透到医学各学科领域中，成为现代医学重要的基础。,分子生物学未来与其他学科的发展,分子生物学发展的影响已广泛深入到生命科学的各个领域，由此产生许多新的学科、新概念、新问题。 细胞生物学、神经生物学与分子生物学 遗传学与分子生物学 分类学与、进化生物学与分子生物学 发育生
19、物学与分子生物学,DNA重组技术、基因遗传转化技术及植物组织培养技术的兴起。植物的组织培养技术如原生质体的培养和成株、细胞融合等技术的迅速发展进一步促进了植物基因工程的发展。在15年左右的时间里，已经有200多种植物相继被转化，内容涉及到植物的抗病、抗虫、抗除草剂、抗逆和作物的高产优质、果蔬贮藏、谷物或其它作物的固氮能力、药物生产及环境美化等方面。,生物新兴学科将应运而生并得以快速发展,（一）生物技术学 （二）生物法学 （三）生命伦理学：有关生育权和生存权问题、人类伦理道德问题、心理问题、卫生保健服务的公平性问题等，都有待生命伦理学解决。 （四）基因育种学 （五）生物信息学：它以核酸、蛋白质等生物大分子数据为主要对象，以数学、信息学、计算机科学为主要手段，对大量的原始数据进行存储、管理、注释、加工、解读，使之成为具有明确生物意义的生物信息。对这些大量信息的应用，将有助于生命起源、生物进化及细胞、器官和个体发生、发育、衰亡等重大问题的研究。,分子生物学学习方法及注意问题,
