分子生物学电子教案第一章剖析.docx

· 第一章 绪论  1课程教学内容 （1）十九世纪和二十世纪生命科学的回忆 （2）分子生物学的概念 （3）二十一世纪分子生物学展望 2课程重点、难点 分子生物学的概念、探讨内容和开展历史 3课程教学要求 （1）理解分子生物学探讨的内容； （2）驾驭分子生物学领域一些具有里程碑意义的事务。  一、什么是分子生物学？ 分子生物学：是探讨核酸、蛋白质等生物大分子的形态、构造特征及其重要性和规律性和互相关系的科学，是人类从分子程度上真正提醒生物世界的奇妙，由被动地适应自然界主动地改造和重组自然界的根底学科。创世说及进化论 很多年来，人们反复提出的3个及生命和一切生物学现象有关的问题：生命怎样起源？为什么有其父必有其子？动植物个体怎样从一个受精卵发育而来？ 十九世纪初叶，对于这些问题只能从宗教或迷信的角度进展答复-上帝创建了一切。 1859年，宏大的英国生物学家达尔文发表了物种起源一书，确立了进化论。 细胞学说 17世纪末叶，荷兰籍显微镜专家 Leewenhoek 制作胜利了世界第一架光学显微镜。及Leewenhoek同时代的Hooke, 第一次用细胞这个概念来形容组成软木的最根本单元。虽然这一概念到十九世纪中叶，才正式被科学界承受，但它对生物学的奉献是不行估量的。细胞学说是由德国植物学家 Schleiden和动物学家Schwann建立的。这一发觉被称为十九世纪的三大发觉之一。Schleiden诞生于德国汉堡，22岁就获得了法学博士学位，但他并不喜爱当律师，28岁时他到哥廷根和柏林学习植物学和医学，36岁获得医学和哲学博士学位。Schwann是首饰匠的儿子，16岁高中毕业后，没有根据父母的意愿学习神学，而是到柏林学医，24岁获得了博士学位。在柏林解剖博物馆工作时结识了Schleiden.他们虽然特性、经验迥然不同，但共同的志趣促成了他们多年的合作。 Schleiden探讨植物的囊胚， Schwann探讨蛙类的胚胎组织，一样的探讨方向，相像的探讨方法，使他们获得了一样的见解，共同创立了生物科学色根底理论。全部组织的最根本的单元是形态特别相像而有高度分化的细胞。细胞的发生和形成是生物学界普遍和永久的规律。细胞学说对生命现象事实上是细胞活动的总和，所以细胞可以而且应当成为生物学探讨的主要对象。经典的生物化学和遗传学 进化论和细胞学说相结合，产生了作为主要试验科学之一的现代生物学，而以探讨动、植物遗传变异规律为目的遗传学和以分别纯化、鉴定细胞内含物质为目的的生物化学则是这一学科的两大支柱。在十九世纪中叶，人们发觉动物和植物细胞的提取液中主要是一些能受热或酸变性形成纤维状沉淀的物质。DNA的发觉早在 1928年英国科学家Griffith等人就发觉，肺炎链球菌使小鼠引起死亡的缘由是引起肺炎。细菌的毒性是由细胞外表夹膜中的多糖所确定的。具有光滑外表的S型肺炎链球菌因为带有夹膜的多糖而能使小鼠发病，具有粗糙外表的R型细菌因为没有夹膜多糖而失去致病力。首先试验证明基因就是DNA分子的是美国闻名的微生物学家Avery.试验过程            首先将光滑型致病菌（S型）烧煮杀灭活性以后再侵染小鼠，发觉这些死细菌自然丢失致病实力。          再用活的粗糙型细菌来侵染小鼠，也不能使之发病，因为粗糙型细菌自然无致病力。          然而当他们将经烧煮杀死的S 型细菌和活的R型细菌在混合感染小鼠时，试验小鼠每次都死去。          解剖死亡的小鼠发觉大量的活的S 型细菌。Hershey和他的学生Chase的噬菌体侵染细菌的试验           噬菌体用尾部的末端吸附细菌外表           噬菌体通过尾轴把DNA全部注入细菌细胞内，噬菌体的蛋白外客则留在细胞外面。           噬菌体的 电脑啊一旦进入细菌体内，它就能利用细菌的生命过程合成噬菌体自身的DNA和蛋白质           新合成的DNA和蛋白质外壳，能组装成很多及亲代完全一样的子代噬菌体；           子代噬菌体由于细菌的解体而被释放出来，再去侵染其他细菌。在整个过程中，DNA起了关键的作用。  二、分子生物学的开展简史            从1847年提出细胞学说至今一百多年间，我们对生物大分子即细胞的组成有了深入的相识。为了全面理解分子生物学的的开展，我们不妨来看一看局部诺贝尔生理医学奖和化学奖作为纽带的分子生物学开展简史。             1910年，德国科学家Kossel因为蛋白质、细胞和核酸化学的探讨而获得诺贝尔生理医学奖，他首先分别出腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸在量子力学家薛定谔的生命是什么(1944年)一书的影响下，很多物理学家和化学家投身于生命的分子根底和基因的自我复制这两个生物学中心问题的探讨,将现代物理学和化学的最新成果、理论和方法带入了生物学探讨中。 (1) 1953年4月25日出版的Nature杂志上，沃森(Watson)和物理学家克里克(Crick)提出了DNA双螺旋构造模型，标记着遗传学以及整个生物学进入分子程度的新时代。 (2) 50年头初，Barbara Mclintock 在玉米中发觉可动遗传因子即转座因子，但是这个过于超时代的发觉当时并未得到成认，甚至受到嘲笑。 (3) 1961年克里克等证明了他于1958年提出的关于遗传三联密码的推想。 1969年Nirenberg 等解译出全部遗传密码。 (4) 60年头，说明mRNA、tRNA 及核糖体的功能、蛋白质生物合成的过程、 “中心法则”等。（5）70年头，发觉限制性核酸内切酶、人工分别和合成基因获得进展，1972年P.Berg 胜利实现了DNA体外重组;1973年S.N.Cohen 通过DNA的体外重组胜利地构建了第一个有生物学功能的细菌杂交质粒，从而兴起以DNA重组技术为核心的基因工程探讨。 （6）80年头，基因工程技术飞速开展，基因工程药物和疫苗投入临床运用，转基因动植物产品上市销售，转基因动植物生物反响器探讨成为热点并实现商品化。 （7）90年头，1992年“人类基因组安排”开场施行，投资30亿美元旨在测定人类基因组全部30亿个核苷酸对的碱基序列，是在破译生物体全部遗传密码的征途上迈出的第一步，将为揭开人类和生物体生长、发育、疾病、苍老和死亡的奇妙奠定根底，其意义及原子弹探讨曼哈顿安排和载人登月阿波罗安排相比有过之而无不及。 克隆羊“多莉” (Dolly) 诞生之后，克隆牛、羊、小鼠等动物纷纷获得胜利。 （8）21世纪初人类基因组安排提早完成，遗传学面临新的挑战和使命，即进入了“基因组后探讨”时代，在搞清晰基因组的全部序列的根底上，还要 彻底说明基因组所包含的全部遗传信息的生物学功能，及其所编码的蛋白质的构造和功能，所以又称为“蛋白质组”探讨。同时，还要应用基因工程和蛋白质工程技术，改造蛋白质，使人类对生命活动的相识和支配由必定王国进入自由王国。  三、分子生物学的探讨内容分子生物学的三条根本原理：构成生物体各类有机体大分子的单体在不同生物中都是一样的；生物体内一切有机大分子的建成都遵循共同的规则；某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子确定了它的属性。分子生物学涉及的范围极为广泛，探讨内容也好像应有尽有，事实上它探讨的内容不外乎以下四个方面：DNA重组技术、基因表达及调控、生物大分子的构造及功能探讨、基因组、功能基因组和生物信息学。 1）DNA重组技术 DNA重组技术（基因工程）是20世纪70年头初兴起的技术科学，目的是将不同的DNA片段根据人们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞中及载体同时复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。 DNA重组技术是核酸化学、蛋白质化学、酶工程及微生物学、遗传学、细胞学长期深化探讨的结果，而限制性内切酶、DNA连接酶及其他工具酶的发觉和应用则是这一技术得以建立的关键。 DNA重组技术的应用：大量消费某些在正常细胞代谢中产量很低的多肽，如激素、抗生素、酶类及抗体等；可以定向改造某些生物的基因组构造，是它们所具备的特别经济价值或功能得以成百上千倍的进步。 DNA重组技术还被用来进展根底探讨。 2）基因表达调控探讨          基因表达调控主要表如今信号转导探讨、转录因子探讨和RNA剪辑3个方面。           信号传导是指外部信号通过细胞膜上的受体蛋白传到细胞内部、并激发诸如离子通透性、细胞形态或其他细胞功能方面的应答过程。信号转导之所以能引起细胞功能的变更，主要是由于信号最终活化某些蛋白质分子，使之发生构型的变更，从而干脆作为靶位点，翻开或关闭某些基因           转录因子是是一群能及基因5端上游特定序列专一结合，从而保证目的基因以特定的强度在特定的时间及空间表达的蛋白质分子。           真核基因转录成前体mRNA后，除了在5端加帽及3端加多聚A之外，还要切去隔开各个相邻编码区的内含子，使外显子相连后成为成熟mRNA. 3）生物大分子的构造功能探讨          生物大分子发挥生物学功能时，必需具备两个前提：有特定的空间构造；在发挥生物学功能过程中必定存在着构造和和构象的变更。           构造分子生物学就是探讨生物大分子特定的空间构造及构造的运动变更及其生物学功能关系的科学。 4）基因组、功能基因组及生物信息学探讨          基因组学           功能基因组学           蛋白组学           生物信息学  四、分子生物学展望人类基因组安排的开展到其他生物的基因组测序。 基因工程-转基因动物植物，进步产量、质量到消费药物蛋白，转基因克隆技术等。生物学在各个学科之间广泛浸透，互相促进，不断深化和开展。科学家从分子程度、细胞程度、个体和群体等不同层次深化探究各种生物现象。 分子生物学及其他学科的交融：及细胞生物学、神经生物学、及遗传学、及分类学和生物进化探讨、及发育生物学 1、生命科学可望成为21世纪的领衔学科在科学开展的历史上，各门学科并非齐头并进，总有一门或一组学科走在其他学科的前面，从理论观念、思维方式或科研方法上对其他学科发挥重要的影响，人们称之为带头学科。近代科学的带头学科是力学，现代科学的带头学科是物理学，21世纪的带头学科将是什么？人们看好生命科学。回忆科学的开展史，我们就能看到力学和物理学成为近代和现代科学的带头学科的必定性。 20世纪下半叶以来，生命科学文献在科学文献中的比重、从事生命科学探讨的科学家人数在自然科学家中所占的比重都在快速增长。生命科学的开展对科学技术的开展产生重要影响。 生命现象中还有狠多重大问题须要人们去说明。例如生物体产生的有机分子为什么都有特定的构造？遗传密码是怎样形成的？当代很多新兴学科（系统论、信息论、限制论、耗散构造理论等等）都是从生命科学学问中受到启发，生命现象中的很多问题的解决必将给科学的开展带来新的启迪。生命科学的开展必将促进海洋科学、空间科学、能源科学、材料科学等当代新兴科学技术的开展。 2、分子生物学对社会开展的影响 1）及医学 繁殖性克隆动物克隆是指由一个动物经无性繁殖产生多个后代个体，同一克隆内全部成员的遗传信息是完全一样的。 治疗性克隆概念利用核重组技术培育早期胚胎及由此衍生的胚胎干细胞来消费人类所须要的器官和组织。 基因是一种有限的资源，一个基因可成就一家企业，带动一个产业，下一个创建更大财宝的人将有可能出如今基因领域？ PPL公司胜利获得GT-knockout 猪：2001年12月25日，PPL公司胜利地获得了5头“Knock-out”（基因敲除）母猪，命名为Noel, Angel, Star, Joy 和 Mary。这些猪基因组上的alpha 1,3 galactosyl transferase 被敲除，而该酶是负责将糖基参加到猪细胞膜上，产生被人体免疫系统视为抗原的物质，从而激发人体免疫系统对移植的猪器官产生超急性排挤反响。因此，对猪阿尔法1,3半乳糖苷转移酶基因的敲除胜利，是人类为实现异种器官移植迈进了确定性的一步 2）分子生物学及农业的可持续开展转基因植物（Transgenic Plants）；转基因动物（ Transgenic Animals)；动物克隆 (Animal Cloning) 3）分子生物学及能源问题 地球上的煤和石油化石能的枯竭指日可待，核燃料也有告罄之时。而利用太阳能有条件的限制。 人们把盼望寄予于生物技术来解决能源问题：用农副产品发酵消费酒精，代替汽油做燃料；培育含油量高的植物消费燃料用油；探讨清晰植物光合作用中将水分子分解为氢气及氧气的机制及其催化剂酶的构造，人工模拟光合作用，利用太阳能分解水得到氢燃料。 4）及伦理道德问题It has been realized that it would also raise a number of complex ethical, legal and social issues.  复习思索题1.       现代分子生物学的含义和包括的探讨范围2.       分子生物学开展史史上的重大事务？3.       谈谈你对分子生物学在今后的生物科学有什么样的重要意义？