分子生物學(xué)的發(fā)展前景

【專家解說(shuō)】：[編輯本段]分子生物學(xué)(molecular biology) 在分子水平上研究生命現(xiàn)象的科學(xué)。通過(guò)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(lái)闡明各種生命現(xiàn)象的本質(zhì)。研究?jī)?nèi)容包括各種生命過(guò)程。比如光合作用、發(fā)育的分子機(jī)制、神經(jīng)活動(dòng)的機(jī)理、癌的發(fā)生等。 分子生物學(xué)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(lái)，分子生物學(xué)是生物學(xué)的前沿與生長(zhǎng)點(diǎn)，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(xué))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(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(dòng)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(lái)分子生物學(xué)的蓬勃發(fā)展。分子生物學(xué)和生物化學(xué)及生物物理學(xué)關(guān)系十分密切，它們之間的主要區(qū)別在于:①生物化學(xué)和生物物理學(xué)是用化學(xué)的和物理學(xué)的方法研究在分子水平，細(xì)胞水平，整體水平乃至群體水平等不同層次上的生物學(xué)問(wèn)題。而分子生物學(xué)則著重在分子(包括多分子體系)水平上研究生命活動(dòng)的普遍規(guī)律;②在分子水平上，分子生物學(xué)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(fù)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(xué)的范圍;③分子生物學(xué)研究的主要目的是在分子水平上闡明整個(gè)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(xué)現(xiàn)象或變化，則屬于生物物理學(xué)或生物化學(xué)的范疇。 [編輯本段]發(fā)展簡(jiǎn)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(guò)闡明生物分子的三維結(jié)構(gòu)來(lái)解釋細(xì)胞的生理功能。1912年英國(guó) W.H.布喇格和W.L.布喇格建立了X射線晶體學(xué)，成功地測(cè)定了一些相當(dāng)復(fù)雜的分子以及蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。以后布喇格的學(xué)生W.T.阿斯特伯里和J.D.貝爾納又分別對(duì)毛發(fā)、肌肉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(lái)生物大分子結(jié)晶學(xué)的形成和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。50年代是分子生物學(xué)作為一門獨(dú)立的分支學(xué)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(cè)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(jì)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(guó)科學(xué)家合成了有生物活性的胰島素，首先實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的人工合成。 另一方面，M.德?tīng)柌紖慰诵〗M從1938年起選擇噬菌體為對(duì)象開(kāi)始探索基因之謎。噬菌體感染寄主后半小時(shí)內(nèi)就復(fù)制出幾百個(gè)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G.W.比德?tīng)柡虴.L.塔特姆提出了“一個(gè)基因，一個(gè)酶”的假設(shè)，即基因的功能在于決定酶的結(jié)構(gòu)，且一個(gè)基因僅決定一個(gè)酶的結(jié)構(gòu)。但在當(dāng)時(shí)基因的本質(zhì)并不清楚。1944年O.T.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J.D.沃森和F.H.C.克里克提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，開(kāi)創(chuàng)了分子生物學(xué)的新紀(jì)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(dòng)。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(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，基因的奧秘也隨之而開(kāi)始解開(kāi)了。 僅僅30年左右的時(shí)間，分子生物學(xué)經(jīng)歷了從大膽的科學(xué)假說(shuō)，到經(jīng)過(guò)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(kāi)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)。 [編輯本段]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(jiàn)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(gè)主要的層次。一級(jí)結(jié)構(gòu)，也叫化學(xué)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(guò)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(jí)結(jié)構(gòu)。二級(jí)結(jié)構(gòu)在空間的各種盤(pán)繞和卷曲為三級(jí)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(jí)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(dòng)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(gè)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(gè)蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和幾百個(gè)蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)得到了闡明。70年代末以來(lái)，采用測(cè)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，而且使一些氨基酸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(jí)神經(jīng)活動(dòng)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(jiǎn)單的病毒，如λ噬菌體的基因組是由 46000個(gè)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(duì)計(jì)算其長(zhǎng)度)。細(xì)菌，如大腸桿菌的基因組，含4×106堿基對(duì)。人體細(xì)胞染色體上所含DNA為3×109堿基對(duì)。 遺傳信息要在子代的生命活動(dòng)中表現(xiàn)出來(lái)，需要通過(guò)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯。復(fù)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(jìn)一步?jīng)Q定蛋白質(zhì)分子中氨基酸的序列，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(duì)應(yīng)關(guān)系是由mRNA分子中以一定順序相連的 3個(gè)核苷酸來(lái)決定一種氨基酸，這就是三聯(lián)體遺傳密碼。 基因在表達(dá)其性狀的過(guò)程中貫串著核酸與核酸、核酸與蛋白質(zhì)的相互作用。DNA復(fù)制時(shí)，雙股螺旋在解旋酶的作用下被拆開(kāi)，然后DNA聚合酶以親代DNA鏈為模板，復(fù)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(chǎng)所核糖核蛋白體是核酸和蛋白質(zhì)的復(fù)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_(dá)的調(diào)節(jié)控制也是通過(guò)生物大分子的相互作用而實(shí)現(xiàn)的。如大腸桿菌乳糖操縱子上的操縱基因通過(guò)與阻遏蛋白的相互作用控制基因的開(kāi)關(guān)。真核細(xì)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(xì)胞中僅2~15%基因被表達(dá)。這種選擇性的轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)譯是細(xì)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(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(guò)非共價(jià)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(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 生物膜在結(jié)構(gòu)與功能上都具有兩側(cè)不對(duì)稱性。以物質(zhì)傳送為例，某些物質(zhì)能以很高速度通過(guò)膜，另一些則不能。象海帶能從海水中把碘濃縮 3萬(wàn)倍。生物膜的選擇性通透使細(xì)胞內(nèi)pH和離子組成相對(duì)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(xì)胞濃縮營(yíng)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(jìn)行。生物體取得能量的方式，或是像植物那樣利用太陽(yáng)能在葉綠體膜上進(jìn)行光合磷酸化反應(yīng);或是像動(dòng)物那樣利用食物在線粒體膜上進(jìn)行氧化磷酸化反應(yīng)。這二者能量來(lái)源雖不同，但基本過(guò)程非常相似，最后都合成腺苷三磷酸。對(duì)于這兩種能量轉(zhuǎn)換的機(jī)制，P.米切爾提出的化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)得到了越來(lái)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(dá)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(xué)的研究很受重視。對(duì)生物膜能量轉(zhuǎn)換的深入了解和模擬將會(huì)對(duì)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)胞間或細(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)。激素和藥物的作用都需通過(guò)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(duì)細(xì)胞分裂繁殖有重要的調(diào)節(jié)作用。 對(duì)細(xì)胞表面性質(zhì)的研究帶動(dòng)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(lái)越受到重視。從發(fā)展趨勢(shì)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(gè)新的重要的領(lǐng)域。 [編輯本段]理論意義和應(yīng)用 分子生物學(xué)的成就說(shuō)明:生命活動(dòng)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(xì)胞中都以同樣的生化機(jī)制進(jìn)行復(fù)制。分子遺傳學(xué)的中心法則和遺傳密碼，除個(gè)別例外，在絕大多數(shù)情況下也都是通用的。 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(shuō)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(dòng)了整個(gè)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(dòng)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(guò)去基本粒子的研究帶動(dòng)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(gè)分支領(lǐng)域，帶動(dòng)了整個(gè)生物學(xué)的發(fā)展，使之提高到一個(gè)嶄新的水平。 過(guò)去生物進(jìn)化的研究，主要依靠對(duì)不同種屬間形態(tài)和解剖方面的比較來(lái)決定親緣關(guān)系。隨著蛋白質(zhì)和核酸結(jié)構(gòu)測(cè)定方法的進(jìn)展，比較不同種屬的蛋白質(zhì)或核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)，即可根據(jù)差異的程度，來(lái)斷定它們的親緣關(guān)系。由此得出的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)，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(dòng)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(duì)親緣關(guān)系給出一個(gè)定量的，因而也是更準(zhǔn)確的概念。第三，對(duì)于形態(tài)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)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。 高等動(dòng)物的高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)是極其復(fù)雜的生命現(xiàn)象，過(guò)去多是在細(xì)胞乃至整體水平上研究，近年來(lái)深入到分子水平研究的結(jié)果充分說(shuō)明高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)也同樣是以生物大分子的活動(dòng)為基礎(chǔ)的。例如，在高等動(dòng)物學(xué)習(xí)與記憶的過(guò)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(xué)習(xí)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(jìn)行的實(shí)驗(yàn)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(shí)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(wèn)題。了解酶的催化原理就能更有針對(duì)性地進(jìn)行酶的人工模擬，設(shè)計(jì)出化學(xué)工業(yè)上廣泛使用的新催化劑，從而給化學(xué)工業(yè)帶來(lái)一場(chǎng)革命。 分子生物學(xué)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(lái)，已經(jīng)采用基因工程技術(shù)，把高等動(dòng)物的一些基因引入單細(xì)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(jìn)一步發(fā)展將為定向培育動(dòng)、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(xì)胞癌變也已經(jīng)取得不少進(jìn)展。分子生物學(xué)將為人類最終征服癌癥做出重要的貢獻(xiàn)。 [編輯本段]分子生物學(xué)的應(yīng)用 1，親子鑒定 近幾年來(lái)，人類基因組研究的進(jìn)展日新月異，而分子生物學(xué)技術(shù)也不斷完善，隨著基因組研究向各學(xué)科的不斷滲透，這些學(xué)科的進(jìn)展達(dá)到了前所未有的高度。在法醫(yī)學(xué)上，STR位點(diǎn)和單核苷酸(SNP)位點(diǎn)檢測(cè)分別是第二代、第三代DNA分析技術(shù)的核心，是繼RFLPs(限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性)VNTRs(可變數(shù)量串聯(lián)重復(fù)序列多態(tài)性)研究而發(fā)展起來(lái)的檢測(cè)技術(shù)。作為最前沿的刑事生物技術(shù)，DNA分析為法醫(yī)物證檢驗(yàn)提供了科學(xué)、可靠和快捷的手段，使物證鑒定從個(gè)體排除過(guò)渡到了可以作同一認(rèn)定的水平，DNA檢驗(yàn)?zāi)苤苯诱J(rèn)定犯罪、為兇殺案、強(qiáng)奸殺人案、碎尸案、強(qiáng)奸致孕案等重大疑難案件的偵破提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。隨著DNA技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，DNA標(biāo)志系統(tǒng)的檢測(cè)將成為破案的重要手段和途徑。此方法作為親子鑒定已經(jīng)是非常成熟的，也是國(guó)際上公認(rèn)的最好的一種方法。