分子生物學的前景?

【專家解說】：很好啊。在分子水平上研究生命現(xiàn)象的科學。研究生物大分子(核酸、蛋白質(zhì))的結(jié) 構(gòu)、功能和生物合成等方面來闡明各種生命現(xiàn)象的本質(zhì)。研究內(nèi)容包括各種生命過程如光合作用、發(fā)育的分子機制、神經(jīng)活動的機理、癌的發(fā)生等。 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。自20世紀50年代以來，分子生物學是生物學的前沿與生長點，其主要研究領(lǐng)域包括蛋白質(zhì)體系、蛋白質(zhì)-核酸體系 (中心是分子遺傳學)和蛋白質(zhì)-脂質(zhì)體系（即生物膜）。 生物大分子，特別是蛋白質(zhì)和核酸結(jié)構(gòu)功能的研究，是分子生物學的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代化學和物理學理論、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)了近30年來分子生物學的蓬勃發(fā)展。分子生物學和生物化學及生物物理學關(guān)系十分密切，它們之間的主要區(qū)別在于：①生物化學和生物物理學是用化學的和物理學的方法研究在分子水平，細胞水平，整體水平乃至群體水平等不同層次上的生物學問題。而分子生物學則著重在分子（包括多分子體系）水平上研究生命活動的普遍規(guī)律；②在分子水平上，分子生物學著重研究的是大分子，主要是蛋白質(zhì)，核酸，脂質(zhì)體系以及部分多糖及其復合體系。而一些小分子物質(zhì)在生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)化則屬生物化學的范圍；③分子生物學研究的主要目的是在分子水平上闡明整個生物界所共同具有的基本特征，即生命現(xiàn)象的本質(zhì)；而研究某一特定生物體或某一種生物體內(nèi)的某一特定器官的物理、化學現(xiàn)象或變化，則屬于生物物理學或生物化學的范疇。 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的發(fā)展中作出了重要的貢獻。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)來解釋細胞的生理功能。1912年英國 W.H.布喇格和W.L.布喇格建立了X射線晶體學，成功地測定了一些相當復雜的分子以及蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。以后布喇格的學生W.T.阿斯特伯里和J.D.貝爾納又分別對毛發(fā)、肌肉等纖維蛋白以及胃蛋白酶、煙草花葉病毒等進行了初步的結(jié)構(gòu)分析。他們的工作為后來生物大分子結(jié)晶學的形成和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。50年代是分子生物學作為一門獨立的分支學科脫穎而出并迅速發(fā)展的年代。首先是在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析方面，1951年L.C.波林等提出了 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F.桑格完成了胰島素的氨基酸序列的測定。接著 J.C.肯德魯和M.F.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年中國科學家合成了有生物活性的胰島素，首先實現(xiàn)了蛋白質(zhì)的人工合成。 另一方面，M.德爾布呂克小組從1938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制的理想材料。1940年G.W.比德爾和E.L.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)。但在當時基因的本質(zhì)并不清楚。1944年O.T.埃弗里等研究細菌中的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，證明了DNA是遺傳物質(zhì)。1953年J.D.沃森和F.H.C.克里克提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，開創(chuàng)了分子生物學的新紀元。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。遺傳密碼的闡明則揭示了生物體內(nèi)遺傳信息的貯存方式。1961年F.雅各布和J.莫諾提出了操縱子的概念，解釋了原核基因表達的調(diào)控。到20世紀60年代中期，關(guān)于DNA自我復制和轉(zhuǎn)錄生成RNA的一般性質(zhì)已基本清楚，基因的奧秘也隨之而開始解開了。 僅僅30年左右的時間，分子生物學經(jīng)歷了從大膽的科學假說，到經(jīng)過大量的實驗研究，從而建立了本學科的理論基礎(chǔ)。進入70年代，由于重組DNA研究的突破，基因工程已經(jīng)在實際應(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。 基本內(nèi)容 蛋白質(zhì)體系 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 4個主要的層次。一級結(jié)構(gòu)，也叫化學結(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結(jié)構(gòu)。二級結(jié)構(gòu)在空間的各種盤繞和卷曲為三級結(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DNA順序反推蛋白質(zhì)化學結(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)化學結(jié)構(gòu)分析得以實現(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。 蛋白質(zhì)－核酸體系 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λ噬菌體的基因組是由 46000個核苷酸按一定順序組成的一條雙股DNA（由于是雙股DNA，通常以堿基對計算其長度）。細菌，如大腸桿菌的基因組，含4×106堿基對。人體細胞染色體上所含DNA為3×109堿基對。 遺傳信息要在子代的生命活動中表現(xiàn)出來，需要通過復制、轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯。復制是以親代 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；后者又進一步?jīng)Q定蛋白質(zhì)分子中氨基酸的序列，就是轉(zhuǎn)譯。因為這一類RNA起著信息傳遞作用，故稱信使核糖核酸(mRNA)。由于構(gòu)成RNA的核苷酸是4種，而蛋白質(zhì)中卻有20種氨基酸，它們的對應(yīng)關(guān)系是由mRNA分子中以一定順序相連的 3個核苷酸來決定一種氨基酸，這就是三聯(lián)體遺傳密碼。 基因在表達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，復制出子代 DNA鏈。轉(zhuǎn)錄是在 RNA聚合酶的催化下完成的。轉(zhuǎn)譯的場所核糖核蛋白體是核酸和蛋白質(zhì)的復合體，根據(jù)mRNA的編碼，在酶的催化下，把氨基酸連接成完整的肽鏈?；虮磉_的調(diào)節(jié)控制也是通過生物大分子的相互作用而實現(xiàn)的。如大腸桿菌乳糖操縱子上的操縱基因通過與阻遏蛋白的相互作用控制基因的開關(guān)。真核細胞染色質(zhì)所含的非組蛋白在轉(zhuǎn)錄的調(diào)控中具有特殊作用。正常情況下，真核細胞中僅2～15％基因被表達。這種選擇性的轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)譯是細胞分化的基礎(chǔ)。 蛋白質(zhì)－脂質(zhì)體系 生物體內(nèi)普遍存在的膜結(jié)構(gòu)，統(tǒng)稱為生物膜。它包括細胞外周膜和細胞內(nèi)具有各種特定功能的細胞器膜。從化學組成看，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。 1972年提出的流動鑲嵌模型概括了生物膜的基本特征：其基本骨架是脂雙層結(jié)構(gòu)。膜蛋白分為表在蛋白質(zhì)和嵌入蛋白質(zhì)。膜脂和膜蛋白均處于不停的運動狀態(tài)。 生物膜在結(jié)構(gòu)與功能上都具有兩側(cè)不對稱性。以物質(zhì)傳送為例，某些物質(zhì)能以很高速度通過膜，另一些則不能。象海帶能從海水中把碘濃縮 3萬倍。生物膜的選擇性通透使細胞內(nèi)pH和離子組成相對穩(wěn)定，保持了產(chǎn)生神經(jīng)、肌肉興奮所必需的離子梯度，保證了細胞濃縮營養(yǎng)物和排除廢物的功能。 生物體的能量轉(zhuǎn)換主要在膜上進行。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行光合磷酸化反應(yīng)；或是像動物那樣利用食物在線粒體膜上進行氧化磷酸化反應(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。對于這兩種能量轉(zhuǎn)換的機制，P.米切爾提出的化學滲透學說得到了越來越多的證據(jù)。生物體利用食物氧化所釋放能量的效率可達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。 生物膜的另一重要功能是細胞間或細胞膜內(nèi)外的信息傳遞。在細胞表面，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)合而實現(xiàn)。癌變細胞表面受體物質(zhì)的分布有明顯變化。細胞膜的表面性質(zhì)還對細胞分裂繁殖有重要的調(diào)節(jié)作用。 對細胞表面性質(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研究的一個新的重要的領(lǐng)域。 理論意義和應(yīng)用 分子生物學的成就說明：生命活動的根本規(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，并且在所有的細胞中都以同樣的生化機制進行復制。分子遺傳學的中心法則和遺傳密碼，除個別例外，在絕大多數(shù)情況下也都是通用的。 物理學的成就證明，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科的發(fā)展。分子生物學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的發(fā)展一樣，分子生物學的概念和觀點也已經(jīng)滲入到基礎(chǔ)和應(yīng)用生物學的每一個分支領(lǐng)域，帶動了整個生物學的發(fā)展，使之提高到一個嶄新的水平。 過去生物進化的研究，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)和核酸結(jié)構(gòu)測定方法的進展，比較不同種屬的蛋白質(zhì)或核酸的化學結(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。采用分子生物學的方法研究分類與進化有特別的優(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緣關(guān)系給出一個定量的，因而也是更準確的概念。第三，對于形態(tài)結(jié)構(gòu)非常簡單的微生物的進化，則只有用這種方法才能得到可靠結(jié)果。 高等動物的高級神經(jīng)活動是極其復雜的生命現(xiàn)象，過去多是在細胞乃至整體水平上研究，近年來深入到分子水平研究的結(jié)果充分說明高級神經(jīng)活動也同樣是以生物大分子的活動為基礎(chǔ)的。例如，在高等動物學習與記憶的過程中，大腦中RNA和蛋白質(zhì)的組成發(fā)生明顯的變化，并且一些影響生物體合成蛋白質(zhì)的藥物也顯著地影響學習與記憶的能力。又如，“生物鐘”是一種熟知的生物現(xiàn)象。用雞進行的實驗發(fā)現(xiàn)，有一種重要的神經(jīng)傳遞介質(zhì)（5-羥色胺）和一種激素（褪黑激素）以及控制它們變化的一種酶，在雞腦中的含量呈24小時的周期性變化。正是這種變化構(gòu)成了雞的“生物鐘”的物質(zhì)基礎(chǔ)。 在應(yīng)用方面，生物膜能量轉(zhuǎn)換原理的闡明，將有助于解決全球性的能源問題。了解酶的催化原理就能更有針對性地進行酶的人工模擬，設(shè)計出化學工業(yè)上廣泛使用的新催化劑，從而給化學工業(yè)帶來一場革命。 分子生物學在生物工程技術(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)，把高等動物的一些基因引入單細胞生物，用發(fā)酵方法生產(chǎn)干擾素、多種多肽激素和疫苗等?；蚬こ痰倪M一步發(fā)展將為定向培育動、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)控的角度研究細胞癌變也已經(jīng)取得不少進展。分子生物學將為人類最終征服癌癥做出重要的貢獻。