[生物]分子生物学研究概述

分子生物学研究概述

概念：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在与其它学科广泛交叉与渗透的重要前沿领域。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阔的前景。

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，从而为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。这些生物大分子均具有较大的分子量，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。阐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任务。

发展历史：

一、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基础物质

19世纪末buchner兄弟证明酵母无细胞提取液能使糖发酵产生酒精，第一次提出酶（enzyme）的名称，酶是生物催化剂。20世纪20-40年代提纯和结晶了一些酶（包括尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、黄酶、细胞色素c、肌动蛋白等），证明酶的本质是蛋白质。随后陆续发现生命的许多基本现象（物质代谢、能量代谢、消化、呼吸、运动等）都与酶和蛋白质相联系，可以用提纯的酶或蛋白质在体外实验中重复出来。在此期间对蛋白质结构的认识也有较大的进步。1902年emilfisher证明蛋白质结构是多肽；40年代末，sanger创立二硝基氟苯（dnfb）法、edman发展异硫氰酸苯酯法分析肽链n端氨基酸；1953年sanger和thompson完成了第一个多肽分子--胰岛素a链和b链的氨基全序列分析。由于结晶x-线衍射分析技术的发展，1950年pauling和corey提出了α-角蛋白的α-螺旋结构模型。所以在这阶段对蛋白质一级结构和空间结构都有了认识。

确定了生物遗传的物质基础是dna

虽然1868年f.miescher就发现了核素（nuclein），但是在此后的半个多世纪中并未引起重视。20世纪20-30年代已确认自然界有dna和rna两类核酸，并阐明了核苷酸的组成。由于当时对核苷酸和硷基的定量分析不够精确，得出dna中a、g、c、t含量是大致相等的结果，因而曾长期认为dna结构只是“四核苷酸”单位的重复，不具有多样性，不能携带更多的信息，当时对携带遗传信息的侯选分子更多的是考虑蛋白质。40年代以后实验的事实使人们对酸的功能和结构两方面的认识都有了长足的进步。1944年o.t.avery等证明了肺炎球菌转化因子是dna；1952年a.d.hershey和m.cha-se用dna35s和32p分别标记t2噬菌体的蛋白质和核酸，感染大肠杆菌的实验进一步证明了是遗传物质。在对dna结构的研究上，1949-52年s.furbery等的x-线衍射分析阐明了核苷酸并非平面的空间构像，提出了dna是螺旋结构；1948-1953年chargaff等用新的层析和电泳技术分析组成dna的硷基和核苷酸量，积累了大量的数据，提出了dna硷基组成a=t、g=c的chargaff规则，为硷基配对的dna结构认识打下了基础。

二、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时代。dna双螺旋发现的最深刻意义在于：确立了核酸作为信息分子的结构基础;提出了硷基配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式；从而最后确定了核酸是遗传的物质基础，为认识核酸与蛋白质的关系及其在生命中的作用打下了最重要的基础。在此期间的主要进展包括：

遗传信息传递中心法则的建立

在发现dna双螺旋结构同时，watson和crick就提出dna复制的可能模型。其后在1956年a.kornbery首先发现dna聚合酶；1958年meselson及stahl用同位素标记和超速离心分离实验为dna半保留模型提出了证明；1968年okazaki（冈畸）提出dna不连续复制模型；1972年证实了dna复制开始需要rna作为引物；70年代初获得dna拓扑异构酶，并对真核dna聚合酶特性做了分析研究；这些都逐渐完善了对dna复制机理的认识。

在发现dna双螺旋结构同时，watson和crick就提出dna复制的可能模型。其后在1956年a.kornbery首先发现dna聚合酶；1958年meselson及stahl用同位素标记和超速离心分离实验为dna半保留模型提出了证明；1968年okazaki（冈畸）提出dna不连续复制模型；1972年证实了dna复制开始需要rna作为引物；70年代初获得dna拓扑异构酶，并对真核dna聚合酶特性做了分析研究；这些都逐渐完善了对dna复制机理的认识。

在研究dna复制将遗传信息传给子代的同时，提出了rna在遗传信息传到蛋白质过程中起着中介作用的假说。1958年weiss及hurwitz等发现依赖于dna的rna聚合酶；1961年hall和spiege-lman用rna-dna杂交证明mrna与dna序列互补；逐步阐明了rna转录合成的机理。

在此同时认识到蛋白质是接受rna的遗传信息而合成的。50年代初zamecnik等在形态学和分离的亚细胞组分实验中已发现微粒体（microsome）是细胞内蛋白质合成的部位；1957年hoagland、zamecnik及stephenson等分离出trna并对它们在合成蛋白质中转运氨基酸的功能提出了假设；1961年brenner及gross等观察了在蛋白质合成过程中mrna与核糖体的结合；1965年holley首次测出了酵母丙氨酸trna的一级结构；特别是在60年代nirenberg、ochoa以及khorana等几组科学家的共同努力破译了rna上编码合成蛋白质的遗传密码，随后研究表明这套遗传密码在生物界具有通用性，从而认识了蛋白质翻译合成的基本过程。

上述重要发现共同建立了以中心法则为基础的分子遗传学基本理论体系。1970年temin和baltimore又同时从鸡肉瘤病毒颗粒中发现以rna为模板合成dna的反转录酶，又进一步补充和完善了遗传信息传递的中心法则。

对蛋白质结构与功能的进一步认识

1956-58年anfinsen和white根据对酶蛋白的变性和复性实验，提出蛋白质的三维空间结构是由其氨基酸序列来确定的。1958年ingram证明正常的血红蛋白与镰刀状细胞溶血症病人的血红蛋白之间，亚基的肽链上仅有一个氨基酸残基的差别，使人们对蛋白质一级结构影响功能有了深刻的印象。与此同时，对蛋白质研究的手段也有改进，1969年weber开始应用sds-聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质分子量；60年代先后分析得血红蛋白、核糖核酸酶a等一批蛋白质的一级结构；1973年氨基酸序列自动测定仪问世。