分子生物學(xué)

分子生物學(xué)是從分子水平研究生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能從而闡明生命現(xiàn)象本質(zhì)的科學(xué)。自20世紀(jì)50年代以來，分子生物學(xué)一直是生物學(xué)的前沿與生長點(diǎn)，其主要研究領(lǐng)域包括蛋白質(zhì)體系、蛋白質(zhì)-核酸體系和蛋白質(zhì)-脂質(zhì)體系。

　　生物大分子，特別是蛋白質(zhì)和核酸結(jié)構(gòu)功能的研究，是分子生物學(xué)的基礎(chǔ)。現(xiàn)代化學(xué)和物理學(xué)理論、技術(shù)和方法的應(yīng)用推動(dòng)了生物大分子結(jié)構(gòu)功能的研究，從而出現(xiàn)了分子生物學(xué)的蓬勃發(fā)展。

分子生物學(xué)的發(fā)展簡史

　　結(jié)構(gòu)分析和遺傳物質(zhì)的研究在分子生物學(xué)的發(fā)展中作出了重要的貢獻(xiàn)。結(jié)構(gòu)分析的中心內(nèi)容是通過闡明生物分子的三維結(jié)構(gòu)來解釋細(xì)胞的生理功能。

　　1912年英國布喇格父子建立了 X射線晶體學(xué)，成功地測定了一些相當(dāng)復(fù)雜的分子以及蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。以后布喇格的學(xué)生阿斯特伯里和貝爾納又分別對(duì)毛發(fā)、肌肉等纖維蛋白以及胃蛋白酶、煙草花葉病毒等進(jìn)行了初步的結(jié)構(gòu)分析。他們的工作為后來生物大分子結(jié)晶學(xué)的形成和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

　　20世紀(jì)50年代是分子生物學(xué)作為一門獨(dú)立的分支學(xué)科脫穎而出并迅速發(fā)展的年代。首先在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析方面，1951年提出了α-螺旋結(jié)構(gòu)，描述了蛋白質(zhì)分子中肽鏈的一種構(gòu)象。1955年桑格完成了胰島素的氨基酸序列的測定。接著肯德魯和佩魯茨在 X射線分析中應(yīng)用重原子同晶置換技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，分別于1957和1959年闡明了鯨肌紅蛋白和馬血紅蛋白的立體結(jié)構(gòu)。1965年中國科學(xué)家合成了有生物活性的胰島素，首先實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的人工合成。

　　 另一方面，德爾布呂克小組從1936年起選擇噬菌體為對(duì)象開始探索基因之謎。噬菌體感染寄主后半小時(shí)內(nèi)就復(fù)制出幾百個(gè)同樣的子代噬菌體顆粒，因此是研究生物體自我復(fù)制的理想材料。

　　1940年比德爾和塔特姆提出了“一個(gè)基因，一個(gè)酶”的假設(shè)，即基因的功能在于決定酶的結(jié)構(gòu)，且一個(gè)基因僅決定一個(gè)酶的結(jié)構(gòu)。但在當(dāng)時(shí)基因的本質(zhì)并不清楚。1944年埃弗里等研究細(xì)菌中的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，證明了DNA是遺傳物質(zhì)。

　　1953年沃森和克里克提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，開創(chuàng)了分子生物學(xué)的新紀(jì)元。并在此基礎(chǔ)上提出的中心法則，描述了遺傳信息從基因到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的流動(dòng)。

　　遺傳密碼的闡明則揭示了生物體內(nèi)遺傳信息的貯存方式。1961年雅各布和莫諾提出了操縱子的概念，解釋了原核基因表達(dá)的調(diào)控。到20世紀(jì)60年代中期，關(guān)于DNA自我復(fù)制和轉(zhuǎn)錄生成RNA的一般性質(zhì)已基本清楚，基因的奧秘也隨之開始解開了。

　　僅僅三十年左右的時(shí)間，分子生物學(xué)經(jīng)歷了從大膽的科學(xué)假說，到經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究，從而建立了本學(xué)科的理論基礎(chǔ)。進(jìn)入70年代，由于重組DNA研究的突破，基因工程已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中開花結(jié)果，根據(jù)人的意愿改造蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)工程也已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。

分子生物學(xué)的基本內(nèi)容

　　蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)單位是α-氨基酸。常見的氨基酸共20種。它們以不同的順序排列可以為生命世界提供天文數(shù)字的各種各樣的蛋白質(zhì)。

　　蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的組織形式可分為四個(gè)主要的層次。一級(jí)結(jié)構(gòu)，也叫化學(xué)結(jié)構(gòu)，是分子中氨基酸的排列順序。首尾相連的氨基酸通過氨基與羧基的縮合形成鏈狀結(jié)構(gòu)，稱為肽鏈。肽鏈主鏈原子的局部空間排列為二級(jí)結(jié)構(gòu)。二級(jí)結(jié)構(gòu)在空間的各種盤繞和卷曲為三級(jí)結(jié)構(gòu)。有些蛋白質(zhì)分子是由相同的或不同的亞單位組裝成的，亞單位間的相互關(guān)系叫四級(jí)結(jié)構(gòu)。

　　蛋白質(zhì)的特殊性質(zhì)和生理功能與其分子的特定結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，這是形形色色的蛋白質(zhì)所以能表現(xiàn)出豐富多彩的生命活動(dòng)的分子基礎(chǔ)。研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系是分子生物學(xué)研究的一個(gè)重要內(nèi)容。

　　隨著結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已有幾千個(gè)蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和幾百個(gè)蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)得到了闡明。70年代末以來，采用測定互補(bǔ)DNA順序反推蛋白質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的方法，不僅提高了分析效率，而且使一些氨基酸序列分析條件不易得到滿足的蛋白質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)分析得以實(shí)現(xiàn)。

　　發(fā)現(xiàn)和鑒定具有新功能的蛋白質(zhì)，仍是蛋白質(zhì)研究的內(nèi)容。例如與基因調(diào)控和高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)有關(guān)的蛋白質(zhì)的研究現(xiàn)在很受重視。

　　生物體的遺傳特征主要由核酸決定。絕大多數(shù)生物的基因都由DNA構(gòu)成。簡單的病毒如噬菌體的基因組是由46000個(gè)核苷酸按一定順序組成的一條雙股DNA。由于是雙股DNA，所以通常以堿基對(duì)計(jì)算其長度。

　　遺傳信息要在子代的生命活動(dòng)中表現(xiàn)出來，需要通過復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯。復(fù)制是以親代DNA為模板合成子代DNA分子。轉(zhuǎn)錄是根據(jù)DNA的核苷酸序列決定一類RNA分子中的核苷酸序列；后者又進(jìn)一步?jīng)Q定蛋白質(zhì)分子中氨基酸的序列，就是轉(zhuǎn)譯。因?yàn)檫@一類RNA起著信息傳遞作用，故稱信使核糖核酸。

　　基因在表達(dá)其性狀的過程中貫串著核酸與核酸、核酸與蛋白質(zhì)的相互作用。DNA復(fù)制時(shí)，雙股螺旋在解旋酶的作用下被拆開，然后DNA聚合酶以親代DNA鏈為模板，復(fù)制出于代DNA鏈。轉(zhuǎn)錄是在RNA聚合酶的催化下完成的。

　　生物體內(nèi)普遍存在的膜結(jié)構(gòu)，統(tǒng)稱為生物膜。它包括細(xì)胞外周膜和細(xì)胞內(nèi)具有各種特定功能的細(xì)胞器膜。從化學(xué)組成看，生物膜是由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)通過非共價(jià)鍵構(gòu)成的體系。很多膜還含少量糖類，以糖蛋白或糖脂形式存在。

　　生物體的能量轉(zhuǎn)換主要在膜上進(jìn)行。生物體取得能量的方式，或是像植物那樣利用太陽能在葉綠體膜上進(jìn)行光合磷酸化反應(yīng)；或是像動(dòng)物那樣利用食物在線粒體膜上進(jìn)行氧化磷酸化反應(yīng)。這二者能量來源雖不同，但基本過程非常相似，最后都合成腺苷三磷酸。

　　生物體利用食物氧化所釋放能量的效率可達(dá)70%左右，而從煤或石油的燃燒獲取能量的效率通常為20～40％，所以生物力能學(xué)的研究很受重視。對(duì)生物膜能量轉(zhuǎn)換的深入了解和模擬，將會(huì)對(duì)人類更有效地利用能量作出貢獻(xiàn)。

　　生物膜的另一重要功能是細(xì)胞問或細(xì)胞膜內(nèi)外的信息傳遞。在細(xì)胞表面，廣泛地存在著一類稱為受體的蛋白質(zhì)。激素和藥物的作用都需通過與受體分子的特異性結(jié)合而實(shí)現(xiàn)。癌變細(xì)胞表面受體物質(zhì)的分布有明顯變化。細(xì)胞膜的表面性質(zhì)還對(duì)細(xì)胞分裂繁殖有重要的調(diào)節(jié)作用。

　　對(duì)細(xì)胞表面性質(zhì)的研究帶動(dòng)了糖類的研究。糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂等生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的研究越來越受到重視。從發(fā)展趨勢看，寡糖與蛋白質(zhì)或脂質(zhì)形成的體系將成為分子生物學(xué)研究的一個(gè)新的重要的領(lǐng)域。

　　分子生物學(xué)的成就說明：生命活動(dòng)的根本規(guī)律在形形色色的生物體中都是統(tǒng)一的。例如，不論在何種生物體中，都由同樣的氨基酸和核苷酸分別組成其蛋白質(zhì)和核酸。遺傳物質(zhì)，除某些病毒外，都是 DNA，并且在所有的細(xì)胞中都以同樣的生化機(jī)制進(jìn)行復(fù)制。

　　物理學(xué)的成就證明，一切物質(zhì)的原子都由為數(shù)不多的基本粒子根據(jù)相同的規(guī)律所組成，說明了物質(zhì)世界結(jié)構(gòu)上的高度一致，揭示了物質(zhì)世界的本質(zhì)，從而帶動(dòng)了整個(gè)物理學(xué)科的發(fā)展。分子生物學(xué)則在分子水平上揭示了生命世界的基本結(jié)構(gòu)和生命活動(dòng)的根本規(guī)律的高度一致，揭示了生命現(xiàn)象的本質(zhì)。和過去基本粒子的研究帶動(dòng)物理學(xué)的發(fā)展一樣，分子生物學(xué)的概念和觀點(diǎn)也已經(jīng)滲入到基礎(chǔ)和應(yīng)用生物學(xué)的每一個(gè)分支領(lǐng)域，帶動(dòng)了整個(gè)生物學(xué)的發(fā)展，使之提高到一個(gè)嶄新的水平。

　　過去生物進(jìn)化的研究，主要依*對(duì)不同種屬間形態(tài)和解剖方面的比較來決定親緣關(guān)系。隨著蛋白質(zhì)和核酸結(jié)構(gòu)測定方法的進(jìn)展，比較不同種屬的蛋白質(zhì)或核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)，即可根據(jù)差異的程度，來斷定它們的親緣關(guān)系。由此得出的系統(tǒng)進(jìn)化樹，與用經(jīng)典方法得到的是基本符合的。

　　采用分子生物學(xué)的方法研究分類與進(jìn)化有特別的優(yōu)越性。首先，構(gòu)成生物體的基本生物大分子的結(jié)構(gòu)反映了生命活動(dòng)中更為本質(zhì)的方面。其次，根據(jù)結(jié)構(gòu)上的差異程度可以對(duì)親繞關(guān)系給出一個(gè)定量的，因而也是更準(zhǔn)確的概念。第三，對(duì)于形態(tài)結(jié)構(gòu)非常簡單的微生物的進(jìn)化，則只有用這種方法才能得到可*結(jié)果。

　　分子生物學(xué)在生物工程技術(shù)中也起了巨大的作用，1973年重組DNA技術(shù)的成功，為基因工程的發(fā)展鋪平了道路。80年代以來，已經(jīng)采用基因工程技術(shù)，把高等動(dòng)物的一些基因引入單細(xì)胞生物，用發(fā)酵方法生產(chǎn)干擾素、多種多肚激素和疫苗等，基因工程的進(jìn)一步發(fā)展將為定向培育動(dòng)、植物和微生物良種以及有效地控制和治療一些人類遺傳性疾病提供根本性的解決途徑。

　　從基因調(diào)控的角度研究細(xì)胞癌變也已經(jīng)取得不少進(jìn)展。分子生物學(xué)將為人類最終征服癌癥做出重要的貢獻(xiàn)。