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分子生物學
本詞條是多義詞，共10個義項
自然科學門類
簡介
分子生物學
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。現(xiàn)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(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。
學科關系
生物化學是生物學的分支學科，是研究生命物質(zhì)的化學組成、結(jié)構(gòu)及生命活動過程中各種化學變化的基礎生命科學。分子生物學是在分子水平上研究生命現(xiàn)象的科學，通過研究生物分子的結(jié)構(gòu)、功能和生物合成等方面來闡明生命現(xiàn)象的本質(zhì)。
科學研究是推動生物化學和分子生物學發(fā)展的動力，從1901年以來自然科學領域的諾貝爾獎大概有550名左右，其中有200位諾獎得者涉及到生物化學和分子生物學。
發(fā)展簡史
探索基因之謎
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(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年沃森和克里克提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，開創(chuàng)了分子生物學的新紀元。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(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(diào)控。到20世紀60年代中期，關于DNA自我復制和轉(zhuǎn)錄生成RNA的一般性質(zhì)已基本清楚，基因的奧秘也隨之開始解開了。
僅僅三十年左右的時間，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。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)分子結(jié)構(gòu)
蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的組織形式可分為四個主要的層次。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，亞單位間的相互關系叫四級結(jié)構(gòu)。
分子生物學研究
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。研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關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4×10^6堿基對。人體細胞染色體上所含DNA為3×10^9堿基對。
遺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(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，復制出于代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。基因表達的調(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。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。
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；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(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問或細胞膜內(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。
理論指導
理論指導意義
分子生物學
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(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(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，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。
應用意義
實踐應用意義
基因工程
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(jīng)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(chǎn)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(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。
技術應用
親子鑒定
親子鑒定近幾年來，人類基因組研究的進展日新月異，而分子生物學技術也不斷完善，隨著基因組研究向各學科的不斷滲透，這些學科的進展達到了前所未有的高度。在法醫(yī)學上，STR位點和單核苷酸（SNP）位點檢測分別是第二代、第三代DNA分析技術的核心，是繼RFLPs（限制性片段長度多態(tài)性）VNTRs（可變數(shù)量串聯(lián)重復序列多態(tài)性）研究而發(fā)展起來的檢測技術。作為最前沿的刑事生物技術，DNA分析為法醫(yī)物證檢驗提供了科學、可靠和快捷的手段，使物證鑒定從個體排除過渡到了可以作同一認定的水平，DNA檢驗能直接認定犯罪、為兇殺案、強奸殺人案、碎尸案、強奸致孕案等重大疑難案件的偵破提供準確可靠的依據(jù)。隨著DNA技術的發(fā)展和應用，DNA標志系統(tǒng)的檢測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，也是國際上公認的最好的一種方法。
與人類自身發(fā)展
分子生物學作為現(xiàn)代科學的一門綜合科學，其意義不止體現(xiàn)在純粹的科學價值上；更為重要的是它的發(fā)展關系到人類自身的方方面面。分子生物學又可以細致的劃分為大分子生物與電子生物學兩種。上面提到的關于在刑偵方面的應用以及包括但不限于親自鑒定、及嬰兒男女鑒定方面的內(nèi)容，大體為大分子分子內(nèi)容的實際用途。而電子生物生物學則是從比大分子更細致的小分子及原子角度來解釋生命的基本要素和構(gòu)成，有著更多未解的謎題和更為廣闊的科學前景。克隆技術基本上只是此項課題的一個入門階段的應用。可以想象未來隨著研究的深入以及物理學的進一步發(fā)展。人類有可能成為創(chuàng)造另類生物的“上帝”。
轉(zhuǎn)基因食品
轉(zhuǎn)基因食品（GeneticallyModifiedFoods，GMF）是利用現(xiàn)代分子生物技術，將某些生物的基因轉(zhuǎn)移到其他物種中去，改造生物的遺傳物質(zhì)，使其在形狀、營養(yǎng)品質(zhì)、消費品質(zhì)等方面向人們所需要的目標轉(zhuǎn)變。以轉(zhuǎn)基因生物為直接食品或為原料加工生產(chǎn)的食品就是“轉(zhuǎn)基因食品”。可增加作物單位面積產(chǎn)量；可以降低生產(chǎn)成本；通過轉(zhuǎn)基因技術可增強作物抗蟲害、抗病毒等的能力；提高農(nóng)產(chǎn)品的耐貯性，延長保鮮期，滿足人民生活水平日益提高的需求；可使農(nóng)作物開發(fā)的時間大為縮短；可以擺脫季節(jié)、氣候的影響，四季低成本供應；打破物種界限，不斷培植新物種，生產(chǎn)出有利于人類健康的食品。
楊岐生著書籍
題名: 分子生物學
作者: 楊岐生
責任編輯: 鄒小寧
出版社: 浙江大學出版社
出版日期: 2006-07-07
ISBN: 7-308-03628-6
分子生物學是研究和闡述生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的學科，是當代生物科學的重要分支，是一門迅速發(fā)展的基礎學科。在本書編寫中，參考了國內(nèi)外的優(yōu)秀教材，并在1994年編寫的《分子生物學基礎》的基礎上，保持原有框架的長處，結(jié)合多年的教學實踐，進行擴充、重寫。全書從蛋白質(zhì)、核酸、基因及基因組結(jié)構(gòu)開始，沿著中心法則的主線，闡述生物大分子在復制、轉(zhuǎn)錄、翻譯、信息傳導、基因表達調(diào)控中的相互作用和功能。編寫時著重分子生物學的基本概念和理論，盡量使敘述確切，能更好地反映分子生物學的發(fā)展趨向。全書分12章，包括蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、核酸的結(jié)構(gòu)、基因和基因組、生物大分子的相互作用、基因工程原理、DNA的復制、基因的轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后加工、蛋白質(zhì)生物合成和翻譯后加工、細胞信息傳導、原核生物基因表達的調(diào)控、真核生物基因表達的調(diào)控。通過本書的學習，使學生能了解當前分子生物學的概貌、基本思路、方法、與生命科學其他學科的聯(lián)系。
本書可作為生物學、生物技術、醫(yī)學等專業(yè)以及農(nóng)林相關專業(yè)的本科生、研究生的分子生物學課程的教材或參考書。
醫(yī)學關系
分子生物學的興起是整個自然科學的一件大事，它使整個生命科學的研究上升到一個全新的階段。在實際應用方面，它是生物工程技術的重要理論基礎，后者正在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護等方面發(fā)揮著日益顯要的作用。醫(yī)學做為生命科學的重要組成部分，所受分子生物學的滲透和影響尤其重大。
一．分子生物學使整個醫(yī)學科學研究提高到分子水平
經(jīng)典的生物學只能從生物表型的變化描述和歸納生命活動的某些規(guī)律，所謂基因也還只是抽象的概念，表型的分子基礎也未查明。從前的醫(yī)學研究狀況大體上也是如此。只有分子生物學的研究才使醫(yī)學各科上升到基因水平、分子水平，從而出現(xiàn)了所謂分子微生物學、分子免疫學、分子生理學、分子病理學、分子藥理學、分子心臟病學、分子神經(jīng)病學、分子內(nèi)分泌學等等全新的領域。不僅理論研究如此，在臨床實踐上，基因診斷和基因治療，也提到日程上來了，有些診斷方法正在付諸實施，有些則正在積極探索。
二。癌癥的研究即將出現(xiàn)重大的突破
癌基因的發(fā)現(xiàn)是分子生物學研究的重大成果。過去在癌病因?qū)W上眾說不一的局面正在改善。由各種內(nèi)外因素導致癌基因激活或異常表達很可能就是癌癥發(fā)生的根本原因。癌基因本來是正常的基因成分之一，它的生理功能是什么？它是如何被調(diào)控的？異常表達和激活的機理是什么？癌基因產(chǎn)物和生長因子的關系是怎樣的？是否存在著反癌基因和生長的負調(diào)節(jié)因子？等等。這些問題都是當前研究的熱點，正在取得日新月異的進展，與此有關的是艾滋病（AIDS）的研究受到世界范圍的密切關注，這個問題從學術上講，主要屬于分子免疫學和分子病毒學的范疇、其發(fā)病的分子機理正在被逐步深入地闡明。如果分子生物學研究成果和社會性的預防措施能夠很好地結(jié)合起來，這個疾病的流行將會較快得到制止。
三．遺傳病
隨著醫(yī)學分子生物學研究的日益深入，有關遺傳病的一些概念正在發(fā)生變化。首先，這類疾病不再象過去認為的那么罕見。至今發(fā)現(xiàn)按照孟德爾方式遺傳的遺傳病已達3000余種。如果估計到疾病易感性和基因變異的關系，則遺傳病范圍會更加擴大，例如易患心臟病、肺氣腫、高膽固醇血癥、糖尿病、變態(tài)反應和胃潰瘍病等等的基因正在得到分離，甚至癌癥，有的學者認為也可歸屬于遺傳病的范疇，其根本原因在于DNA的損傷。其次，基因探針技術正在逐步擴大產(chǎn)前診斷和遺傳病診斷的范圍。顯然，檢查出易感某病的基因?qū)τ趥€人保健是十分寶貴的信息，也是針對疾病危險因素采取預防措施的科學依據(jù)。在治療上，過去一切對遺傳病的療法都只能是對癥的，從理論上講，只有基因療法才是治療遺傳病的唯一根治方法。當然，要將這種方法付諸實踐在當前尚有許多理論上和技術上的困難有待克服。
四。藥物和疫苗
隨著基因工程的蓬勃興起而首先受益的產(chǎn)業(yè)領域就是制藥工業(yè)。現(xiàn)已有些多肽或蛋白質(zhì)藥物，如人胰島素、生長激素、干擾素等能夠通過“工程菌”大量生產(chǎn)，更多的藥物則正在開發(fā)之中。疫苗的研制正在極大地促進預防醫(yī)學的發(fā)展，例如，乙型肝炎疫苗、非甲非乙肝炎疫苗、輪狀病毒疫苗、瘧疾疫苗等等，有些已能付諸應用，有些尚在開發(fā)之中。通過蛋白質(zhì)工程技術，采用定點突變的方法，還可望制造出新型的蛋白質(zhì)。例如，白細胞介素2和β干擾素是兩種具有抗癌作用的蛋白質(zhì)，在其多肽鏈中各有三個半胱氨酸殘基，但只形成一對二硫鍵，由于分子中含有多余的一個半胱氨酸殘基，所以二個分子容易締結(jié)合成二聚體而失活，用定點突變法改變半胱氨酸的密碼子為絲氨酸密碼子，就可防止二聚體的形成，從而在不損害活性的情況下大大延長這兩個蛋白質(zhì)的半衰期，提高了療效。
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作者
