分子生物學(xué)方面的問題

分子生物學(xué)（molecularbiology）從分子水平研究作為生命活動主要物質(zhì)基礎(chǔ)的生物大分子結(jié)構(gòu)與功能，從而闡明生命現(xiàn)象本質(zhì)的科學(xué)。重點(diǎn)研究下述領(lǐng)域：（1]蛋白質(zhì)（包括酶）的結(jié)構(gòu)和功能。（2）[核的結(jié)構(gòu)和功能，包括遺傳信息的傳遞。（3）生物膜的結(jié)構(gòu)和功能。（4）生物調(diào)控的分子基礎(chǔ)。（5）生物進(jìn)化]。分子生物學(xué)是第二次世界大戰(zhàn)后，由生物化學(xué),`遺傳學(xué),微生物學(xué),病毒學(xué),結(jié)構(gòu)分析及高分子化學(xué)等不同研究領(lǐng)域結(jié)合而形成的一門交叉科學(xué)。目前分子生物學(xué)已發(fā)展成生命科學(xué)中的帶頭學(xué)科。隨著]DNA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和遺傳機(jī)制的秘密一點(diǎn)一點(diǎn)呈現(xiàn)在人們眼前，特別是當(dāng)人們了解到遺傳密是由RNA轉(zhuǎn)錄表達(dá)的以后，生物學(xué)家不再僅僅滿足于探索、提示生物遺傳的秘密，而是開始躍躍試，設(shè)想在分子的水平上去干預(yù)生物的遺傳特性。如果將一種生物的DNA中的某個遺傳密片斷連接到另外一種生物的DNA鏈上去，將DNA重新組織一下，就可以按照人類的愿望，設(shè)計出新的遺傳物質(zhì)并創(chuàng)造出新的生物類型，這與過去培育生物繁殖后代的傳統(tǒng)做法完全不同。這種做法就像技術(shù)科學(xué)的工程設(shè)計，按照人類的需要把這種生物的這個“基因”與那種生物的那個“基因”重新“施工”，“”成新的基因組合，創(chuàng)造出新的生物。這種完全按照人的意愿，由重新基因到新生物產(chǎn)生的生物科學(xué)技術(shù)，就稱為“基因工程”，或者說是“遺傳工程”。生物學(xué)的研究可以說長期以來都是科研的重點(diǎn)，惟其所涉及的方方面面與人類生活緊密相連。本世紀(jì)50年代以前的生物學(xué)研究，雖然有些已進(jìn)入了微觀領(lǐng)域，但總的來說，主要是研究生物個體組織、、細(xì)胞或是亞細(xì)胞這些東西之間的相互關(guān)系。50年代中期，隨著沃森和克里克揭示出DNA分子的空間結(jié)構(gòu)，生物學(xué)才真正開始了其揭開分子水平生命秘密的研究歷程。到70年代，重組DNA技術(shù)的發(fā)展又給人們了研究DNA的強(qiáng)有力的手段，于是分子生物學(xué)就逐漸形成了。顧名思義，分子生物學(xué)就是研究生物大分子之間相互關(guān)系和作用的一門學(xué)科，而生物大分子主要是指基因和蛋白質(zhì)兩大類；分子生物學(xué)以遺傳學(xué)、生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)，從分子水平上對生物體的多種生命現(xiàn)象進(jìn)行研究；分子生物學(xué)在理論和實(shí)踐中的發(fā)展也為基因工程的出現(xiàn)和發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)，因此可以說基因工程就是分子生物學(xué)的工程應(yīng)用?，F(xiàn)在基因工程所展現(xiàn)出的強(qiáng)大生命力和巨大的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿ν耆靡嬗诜肿由飳W(xué)的迅猛發(fā)展，而且有表明，基因工程的進(jìn)一步發(fā)展仍然要依賴于分子生物學(xué)研究的發(fā)展。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)和核結(jié)構(gòu)功能的研究，是分子生物學(xué)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代化學(xué)和物理學(xué)理論、技術(shù)和方法的應(yīng)用推動了生物大分子結(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)。以后布喇格的阿斯特伯里和貝爾納又分別對毛發(fā)、肌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)家了有生物活性的胰島素，首先實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的人工。另一方面，德爾布呂克小組從1936年起選擇噬菌體為對象開始探索基因之謎。噬菌體感染寄主后半小時內(nèi)就復(fù)制出幾百個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“一個基因，一個酶”的假設(shè)，即基因的功能在于決定酶的結(jié)構(gòu)，且一個基因僅決定一個酶的結(jié)構(gòu)。但在當(dāng)時基因的本質(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。遺傳密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。常見的氨基共20種。它們以不同的順序排列可以為生命世界天文數(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主要的層次。一級結(jié)構(gòu)，也叫化學(xué)結(jié)構(gòu)，是分子中氨基的排列順序。首尾相連的氨基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結(jié)構(gòu)。二級結(jié)構(gòu)在空間的各種盤繞和卷曲為結(jié)構(gòu)。有些蛋白質(zhì)分子是由相同的或不同的亞單位成的，亞單位間的相互關(guān)系叫四級結(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，這是形形的蛋白質(zhì)所以能表現(xiàn)出豐富多彩的生命活動的分子基礎(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)在已有幾千個蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和幾百個蛋白質(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)控和高級神經(jīng)活動有關(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個核苷按一定順序組成的一條雙股DNA。由于是雙股DNA，所以通常以堿基對計算其長度。遺傳信息要在子代的生命活動中表現(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為模板子代DNA分子。轉(zhuǎn)錄是根據(jù)DNA的核苷序列決定一類RNA分子中的核苷序列；后者又進(jìn)一步?jīng)Q定蛋白質(zhì)分子中氨基的序列，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?；蛟诒磉_(dá)其性狀的過程中貫串著核與核、核與蛋白質(zhì)的相互作用。DNA復(fù)制時，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)行光合磷化反應(yīng)；或是像動物那樣利用食物在線粒體膜上進(jìn)行氧化磷化反應(yīng)。這二者能量來源雖不同，但基本過程非常相似，最后都腺苷三磷。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。對生物膜能量轉(zhuǎn)換的深入了解和模擬，將會對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)還對細(xì)胞繁殖有重要的調(diào)節(jié)作用。對細(xì)胞表面性質(zhì)的研究帶動了糖類的研究。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)研究的一個新的重要的領(lǐng)域。分子生物學(xué)的成就說明：生命活動的根本規(guī)律在形形的生物體中都是統(tǒng)一的。例如，不論在何種生物體中，都由同樣的氨基和核苷分別組成其蛋白質(zhì)和核。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)，從而帶動了整個物理學(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)的每一個分支領(lǐng)域，帶動了整個生物學(xué)的發(fā)展，使之提高到一個嶄新的水平。過去生物進(jìn)化的研究，主要依靠對不同種屬間形態(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親繞關(guān)系給出一個定量的，因而也是更準(zhǔn)確的概念。第三，對于形態(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靠結(jié)果