什么是分子生物學

【專家解說】：分子生物學是從分子水平研究生物大分子的結構與功能從而闡明生命現象本質的科學。自20世紀50年代以來，分子生物學一直是生物學的前沿與生長點，其主要研究領域包括蛋白質體系、蛋白質-核酸體系和蛋白質-脂質體系。 生物大分子，特別是蛋白質和核酸結構功能的研究，是分子生物學的基礎?，F代化學和物理學理論、技術和方法的應用推動了生物大分子結構功能的研究，從而出現了分子生物學的蓬勃發(fā)展。 分子生物學的發(fā)展簡史 結構分析和遺傳物質的研究在分子生物學的發(fā)展中作出了重要的貢獻。結構分析的中心內容是通過闡明生物分子的三維結構來解釋細胞的生理功能。 1912年英國布喇格父子建立了 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的結構。以后布喇格的學生阿斯特伯里和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構分析。他們的工作為后來生物大分子結晶學的形成和發(fā)展奠定了基礎。 20世紀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。首先在蛋白質結構分析方面，1951年提出了α-螺旋結構，描述了蛋白質分子中肽鏈的一種構象。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射線分析中應用重原子同晶置換技術和計算機技術，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構。1965年中國科學家合成了有生物活性的胰島素，首先實現了蛋白質的人工合成。 另一方面，德爾布呂克小組從1936年起選擇噬菌體為對象開始探索基因之謎。噬菌體感染寄主后半小時內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年比德爾和塔特姆提出了“一個基因，一個酶”的假設，即基因的功能在于決定酶的結構，且一個基因僅決定一個酶的結構。但在當時基因的本質并不清楚。1944年埃弗里等研究細菌中的轉化現象，證明了DNA是遺傳物質。 1953年沃森和克里克提出了DNA的雙螺旋結構，開創(chuàng)了分子生物學的新紀元。并在此基礎上提出的中心法則，描述了遺傳信息從基因到蛋白質結構的流動。 遺傳密碼的闡明則揭示了生物體內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的調控。到20世紀60年代中期，關于DNA自我復制和轉錄生成RNA的一般性質已基本清楚，基因的奧秘也隨之開始解開了。 僅僅三十年左右的時間，分子生物學經歷了從大膽的科學假說，到經過大量的實驗研究，從而建立了本學科的理論基礎。進入70年代，由于重組DNA研究的突破，基因工程已經在實際應用中開花結果，根據人的意愿改造蛋白質結構的蛋白質工程也已經成為現實。 分子生物學的基本內容 蛋白質的結構單位是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字的各種各樣的蛋白質。 蛋白質分子結構的組織形式可分為四個主要的層次。一級結構，也叫化學結構，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構，稱為肽鏈。肽鏈主鏈原子的局部空間排列為二級結構。二級結構在空間的各種盤繞和卷曲為三級結構。有些蛋白質分子是由相同的或不同的亞單位組裝成的，亞單位間的相互關系叫四級結構。 蛋白質的特殊性質和生理功能與其分子的特定結構有著密切的關系，這是形形色色的蛋白質所以能表現出豐富多彩的生命活動的分子基礎。研究蛋白質的結構與功能的關系是分子生物學研究的一個重要內容。 隨著結構分析技術的發(fā)展，現在已有幾千個蛋白質的化學結構和幾百個蛋白質的立體結構得到了闡明。70年代末以來，采用測定互補DNA順序反推蛋白質化學結構的方法，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化學結構分析得以實現。 發(fā)現和鑒定具有新功能的蛋白質，仍是蛋白質研究的內容。例如與基因調控和高級神經活動有關的蛋白質的研究現在很受重視。 生物體的遺傳特征主要由核酸決定。絕大多數生物的基因都由DNA構成。簡單的病毒如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，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出來，需要通過復制、轉錄和轉譯。復制是以親代DNA為模板合成子代DNA分子。轉錄是根據DNA的核苷酸序列決定一類RNA分子中的核苷酸序列；后者又進一步決定蛋白質分子中氨基酸的序列，就是轉譯。因為這一類RNA起著信息傳遞作用，故稱信使核糖核酸。 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，復制出于代DNA鏈。轉錄是在RNA聚合酶的催化下完成的。 生物體內普遍存在的膜結構，統(tǒng)稱為生物膜。它包括細胞外周膜和細胞內具有各種特定功能的細胞器膜。從化學組成看，生物膜是由脂質和蛋白質通過非共價鍵構成的體系。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；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。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問或細胞膜內外的信息傳遞。在細胞表面，廣泛地存在著一類稱為受體的蛋白質。激素和藥物的作用都需通過與受體分子的特異性結合而實現。癌變細胞表面受體物質的分布有明顯變化。細胞膜的表面性質還對細胞分裂繁殖有重要的調節(jié)作用。 對細胞表面性質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構與功能的研究越來越受到重視。從發(fā)展趨勢看，寡糖與蛋白質或脂質形成的體系將成為分子生物學研究的一個新的重要的領域。 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和核酸。遺傳物質，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。 物理學的成就證明，一切物質的原子都由為數不多的基本粒子根據相同的規(guī)律所組成，說明了物質世界結構上的高度一致，揭示了物質世界的本質，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構和生命活動的根本規(guī)律的高度一致，揭示了生命現象的本質。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滲入到基礎和應用生物學的每一個分支領域，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系。隨著蛋白質和核酸結構測定方法的進展，比較不同種屬的蛋白質或核酸的化學結構，即可根據差異的程度，來斷定它們的親緣關系。由此得出的系統(tǒng)進化樹，與用經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，構成生物體的基本生物大分子的結構反映了生命活動中更為本質的方面。其次，根據結構上的差異程度可以對親繞關系給出一個定量的，因而也是更準確的概念。第三，對于形態(tài)結構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果。 分子生物學在生物工程技術中也起了巨大的作用，1973年重組DNA技術的成功，為基因工程的發(fā)展鋪平了道路。80年代以來，已經采用基因工程技術，把高等動物的一些基因引入單細胞生物，用發(fā)酵方法生產干擾素、多種多肚激素和疫苗等，基因工程的進一步發(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。 從基因調控的角度研究細胞癌變也已經取得不少進展。分子生物學將為人類最終征服癌癥做出重要的貢獻。