現代生命科學的重要進展及發(fā)展前景

【專家解說】：分子生物學 分子生物學(molecular biology) 在分子水平上研究生命現象的科學。研究生物大分子(核酸、蛋白質)的結 構、功能和生物合成等方面來闡明各種生命現象的本質。研究內容包括各種生命過程如光合作用、發(fā)育的分子機制、神經活動的機理、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 (中心是分子遺傳學)和蛋白質-脂質體系（即生物膜）。 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，核酸，脂質體系以及部分多糖及其復合體系。而一些小分子物質在生物體內的轉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，即生命現象的本質；而研究某一特定生物體或某一種生物體內的某一特定器官的物理、化學現象或變化，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 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的結構。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。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。首先是在蛋白質結構分析方面，1951年L.C.波林等提出了 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，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，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O.T.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J.D.沃森和F.H.C.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。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，基因的奧秘也隨之而開始解開了。 僅僅30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。 基本內容 蛋白質體系 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 4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。 蛋白質－核酸體系 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(mRNA)。由于構成RNA的核苷酸是4種，而蛋白質中卻有20種氨基酸，它們的對應關系是由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。轉錄是在 RNA聚合酶的催化下完成的。轉譯的場所核糖核蛋白體是核酸和蛋白質的復合體，根據mRNA的編碼，在酶的催化下，把氨基酸連接成完整的肽鏈?；虮磉_的調節(jié)控制也是通過生物大分子的相互作用而實現的。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。真核細胞染色質所含的非組蛋白在轉錄的調控中具有特殊作用。正常情況下，真核細胞中僅2～15％基因被表達。這種選擇性的轉錄與轉譯是細胞分化的基礎。 蛋白質－脂質體系 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。 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構。膜蛋白分為表在蛋白質和嵌入蛋白質。膜脂和膜蛋白均處于不停的運動狀態(tài)。 生物膜在結構與功能上都具有兩側不對稱性。以物質傳送為例，某些物質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pH和離子組成相對穩(wěn)定，保持了產生神經、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。對于這兩種能量轉換的機制，P.米切爾提出的化學滲透學說得到了越來越多的證據。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間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。 理論意義和應用 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。分子遺傳學的中心法則和遺傳密碼，除個別例外，在絕大多數情況下也都是通用的。 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緣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。 高等動物的高級神經活動是極其復雜的生命現象，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果充分說明高級神經活動也同樣是以生物大分子的活動為基礎的。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象。用雞進行的實驗發(fā)現，有一種重要的神經傳遞介質（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。正是這種變化構成了雞的“生物鐘”的物質基礎。 在應用方面，生物膜能量轉換原理的闡明，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、多種多肽激素和疫苗等。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。 生物工程 生物工程 生物工程 生物工程，是20世紀70年代初開始興起的一門新興的綜合性應用學科。 所謂生物工程，一般認為是以生物學(特別是其中的微生物學、遺傳學、生物化學和細胞學)的理論和技術為基礎，結合化工、機械、電子機算機等現代工程技術，充分運用分子生物學的最新成就，自覺地操縱遺傳物質，定向地改造生物或其功能，短期內創(chuàng)造出具有超 遠緣性狀的新物種，再通過合適的生物反應器對這類“工程菌”或“工程細胞株”進行大規(guī)模的培養(yǎng)，以生產大量有用代謝產物或發(fā)揮它們獨特生理功能一門新興技術。? 生物工程包括五大工程，即遺傳工程(基因工程)、細胞工程、微生物工程(發(fā)酵工程)、酶工程(生化工程)和生物反應器工程。在這五大領域中，前兩者作用是將常規(guī)菌(或動植物細胞株)作為特定遺傳物質受體，使它們獲得外來基因，成為能表達超遠緣性狀的新物種——“工程菌”或“工程細胞株”。后三者的作用則是這一有巨大潛在價值的新物種創(chuàng)造良好的生長與繁殖條件，進行大規(guī)模的培養(yǎng)，以充分發(fā)揮其內在潛力，為人們提供巨大的經濟效益 和社會效益。 生物工程的應用領域非常廣泛，包括農業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學、藥物學、能源、環(huán)保、冶金、化工原料等。它必將對人類社會的政治、經濟、軍事和生活等方面產生巨大的影響，為世界面臨的資源、環(huán)境和人類健康等問題的解決提供美好的前景。 主要課程：有機化學、生物化學、化工原理、生化工程、微生物學、細胞生物學、遺傳學、生物化學、分子生物學、基因工程、細胞工程、微生物工程、生化工程、生物工程下游技術、發(fā)酵工程設備等。 醫(yī)學方面不知道了.