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生

物

學

（MolecularBiology）華中農(nóng)業(yè)大學生命科學技術(shù)學院國家生物學理科人才培養(yǎng)基地國家生命科學與技術(shù)人才培養(yǎng)基地Tel:87281080Email:xmlian@

練興明國家級精品課程第１章緒論二十一世紀——生命科學世紀WhatisMolecularBiology?1.1分

子

生

物

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的

概

念分子生物學是研究核酸、蛋白質(zhì)等所有生物大分子的形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征及其重要性、規(guī)律性和相互關(guān)系的科學，是人類從分子水平上真正揭開生物世界的奧秘，由被動地適應(yīng)自然界轉(zhuǎn)向主動地改造和重組自然界的基礎(chǔ)科學。GeneconceptGenestructureGenereplicationGeneexpressionGenerecombinationGenemutationMolecularBiologyofGeneBiochemistryGeneticsCytologyMolecularBiology研究細胞的結(jié)構(gòu)與功能的細胞學研究基因的遺傳與變異的遺傳學研究活性物質(zhì)代謝規(guī)律的生物化學分子生物學的三大支撐學科1.2分子生物學的誕生進化論

物竟天擇

適者生存從根基上動搖

了上帝創(chuàng)造萬

物的“創(chuàng)世說”1859CharlesDarwin“物種起源”自然選擇

生存斗爭

1839-1847MatthiasSchleiden&TheodorSchwann生物體由細胞組成所有組織的最基本單元---形狀相似，高度分化的細胞細胞的發(fā)生與形成是生物界普遍和永久的規(guī)律Cytology“進化論”＋“細胞學”實驗性的生命科學觀察、比較、鑒定的描述性生物學

遺傳因子假說

(HypothesisoftheinheritedfactorG.J.Mendel1866.)

生物性狀由遺傳因子控制

親代傳給子代的是遺傳因子(A,a….)

遺傳因子在體細胞內(nèi)成雙(AA,aa)

在生殖細胞內(nèi)為單（A,a）

雜合子體細胞內(nèi)具有成雙的遺傳因子(Aa)

等位的遺傳因子獨立分離

非等位遺傳因子間自由組合地分配到配子中"forhisdiscoveriesconcerningtheroleplayedbytheChromosomeinheredity,demonstratedthatgenesareonthechromosome"ThomasHuntMorgan1933分析突變體在世代間的傳遞規(guī)律研究基因的特性和染色體的定位描述基因突變和染色體變異效應(yīng)早期的遺傳學家們研究基因ForwardGenetics在不知基因化學本質(zhì)的前提下遺傳學是依靠邏輯分析的推理性科學二十世紀中葉的遺傳學家們不再滿足于基因的抽象觀念將研究的前沿聚焦到揭示基因的本質(zhì)和它們的作用機制Biochemistry的雙重使命：分析細胞的組成成分（靜態(tài)生化）研究物質(zhì)的代謝規(guī)律（動態(tài)生化）組成蛋白質(zhì)的20種基本氨基酸被揭示蛋白質(zhì)中連接氨基酸的“肽鍵”被證實糖酵解途徑、尿素循環(huán)、三羧酸循環(huán)的發(fā)現(xiàn)“pH”概念，“緩沖”系統(tǒng)，“膠體”理論大分子之間以氫鍵和離子鍵互作重要性的揭示

十九世紀末到二十世紀初生物化學的重要發(fā)展時期遺傳學和生物化學是分子生物學發(fā)展的根基分子生物學是遺傳學和生物化學融合的結(jié)果研究遺傳物質(zhì)－基因的本質(zhì)理解基因調(diào)控生化代謝過程進入Whatisthegene?Basicproperty

DNADoubleHelixmodel1953J.WatsonandF.Crick

ReplicationExpressionMutation

分子生物學誕生★構(gòu)成生物大分子的單體是相同的★生物體內(nèi)一切有機大分子的建成都遵循共同的規(guī)則——中心法則DNARNApolypeptidesproteincharacter高級結(jié)構(gòu)生物大分子之間的互作個性分子生物學的三大原則共同的核酸語言(Nt)共同的蛋白質(zhì)語言(aa)★生物大分子單體的排列（核苷酸，氨基酸）protein

分子生物學研究領(lǐng)域的三大主要領(lǐng)域結(jié)構(gòu)生物學基因分子生物學生物技術(shù)理論與應(yīng)用分子生物學研究的三大主要領(lǐng)域生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能生物大分子之間的互作

DNA—protein

Hormone—receptor

Enzyme--substrate基因的概念基因的結(jié)構(gòu)基因的復(fù)制基因的表達基因的重組基因的突變基因工程細胞工程酶工程發(fā)酵工程蛋白質(zhì)工程狹義的分子生物學1.3.分子生物學發(fā)展的歷程

MILESTONE近半個世紀以來

Nobelmedal

Halfapoundof23-karalgold.2.5inchesacross近半個世紀以來1.3.1分子生物學史的第一個重要發(fā)現(xiàn)Onegene－Oneenzyme1941年，GeorgeBeadle和EdwardTatum提出的“一個基因一個酶”的假說（獲得1958年Nobel獎）說明了基因的生化作用本質(zhì)是控制酶的合成G.Beadle&E.Tatum

生物化學和遺傳學之間的聯(lián)合邁出的第一步，也是分子生物學的第一個重要發(fā)現(xiàn)

奧斯瓦德·埃弗里OswaldAvery的歷史貢獻

1948.retired,TheNobelcommitteehasbeencriticizedfornotrecognizingAvery’sachievementbeforehisdeath(1877-1955)分子生物學領(lǐng)域里的孟德爾1928-1944進行16年的肺炎鏈球菌遺傳轉(zhuǎn)化研究證明DNA是轉(zhuǎn)化因子

Thelifelongpitywasdueto…..

科學家對核酸的了解還知之甚少

DNA分子的功能也就更不為人所知蛋白質(zhì)可能是遺傳專一性的決定分子

DNase失活實驗中未能完全排除對蛋白酶的失活第一個動搖了“蛋白質(zhì)是基因”的理念奠定了“DNA是遺傳物質(zhì)”的理論基礎(chǔ)1952年（8年后）M.Delbruck，S.E.Luria，A.Hershey對噬菌體繁殖過程開展了深入的研究證明了DNA是主要的遺傳物質(zhì)盡管Avery的實驗未引起概念的革命但他的研究工作引起了ErwinChargaff的極大興趣為提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型起到了非常重要的作用medalDelbruck1969NobelHersheyLuriaD.H.L成功的因素

人們已經(jīng)認識到DNA可能在遺傳過程中重要作用

他們的科學論文幾乎與Watson,Crick的論文同時

發(fā)表，從而得到了媒體的廣泛宣傳O.Avery是孤立的研究者，較少參加學術(shù)交流與

科學討論，研究結(jié)果未能引起人們的注意D.H.L.的結(jié)果通過“噬菌體研究組”的學術(shù)關(guān)系

得到了迅速的傳播和廣泛的理解1.3.2DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的揭示分子生物學的重要里程碑1951.JamesWatson

（Luria的第一個研究生

23y)丹麥

哥本哈根KalckarLab.Post-Do訪問意大利的那不勒斯動物研究所時King’sLab.LondonUniv.MauriceWilkins1951CavendishLab.CambridgeUniversityUK35yFrancisCrick23yJamesWatson“對文章和實驗進行討論交流是重中之重，理論、討論和實驗、觀察一樣重要”在確定DNA分子結(jié)構(gòu)的研究中，沒有用DNA分子做任何一個實驗！“研究與討論，分析與推論是建立在大量實驗數(shù)據(jù)和科學論文的基礎(chǔ)上的”在確定DNA分子結(jié)構(gòu)的研究中，沒有用DNA分子做任何一個實驗！ImaginationismoreimportantthenknowledgeKing’sLab.LondonUniversityUKRosalindFranklin優(yōu)秀女科學家在雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)幾年后，因癌癥而病逝，對揭示DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)作出過重要貢獻。

X~rayphotographofDNAwithhighquality

JamesWatson(34y)FrancisCrick(46y)MauriceWilkins(46y)DNADoubleHelixmodel195319621.3.3遺傳密碼的破譯MarshallNirenberg1968NP蛋白質(zhì)是一切性狀的體現(xiàn)DNA是遺傳物質(zhì)DNA如何控制性狀的表現(xiàn)？破解遺傳密碼DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)揭示之后的又一研究熱點遺傳學家：根據(jù)DNA的分子結(jié)構(gòu)和基因在細胞中的作用推斷蛋白質(zhì)合成過程中DNA的作用生物化學家：建立體外的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)生物化學家在破解遺傳密碼中所作出的貢獻成為分子生物學中最卓越的發(fā)現(xiàn)之一22/May/1961，MonJ.Matthaei:

細菌提取物、可溶性RNA組分（tRNA）、20種(其中16種被標記)ATP、緩沖液、polyU

混合，35℃下，1hr，結(jié)果表明：polyU存在時，被標記的aa進入到蛋白質(zhì)中27/May/1961，Sat

答案：polyU存在時，合成了Phe－Phe－Phe….肽鏈1周時間內(nèi)：J.Matthaei破譯了第一個遺傳密碼Aug/1961,Nov/1961(3個月內(nèi))

兩篇文章投稿<美國國家科學院進展PNAS>遺傳密碼的破譯找到了突破口Ser-C14….

Leu-C14….

Lys-C14….

Gly-C14….

MarshallNirenberg體外蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)方法進行改進利用不同polyNt指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成GobindKhorana建立了合成具有特定堿基序列的oligoNt的有效方法簡便快速的生化方法促進了遺傳密碼的破譯R.HolleyH.G.KhoranaM.Nirenberg

H.GobindKhorana(46y)

HowtosynthesizetripletRNAMarshallNirenberg(41y)

GeneticcodenRobertHolley(46y)tRNAphecloverleafstructure1968Nobel1.3.4信使RNA的發(fā)現(xiàn)我本人的思想是基于兩個基本原理sequencehypothesis

：核酸片段的特異性完全由其堿基序列所決定，而且這種序列是某一蛋白質(zhì)氨基酸序列的密碼centraldogma

：信息一旦進入蛋白質(zhì)，它就不可能再輸出Crick(1957）在英國實驗生物學學會演講

第一次論述了“中心法則”和“序列假說”直到1960年：DNA－蛋白質(zhì)－RNA之間的關(guān)系仍未獲得有力的實驗證據(jù)仍未提出明確的科學闡明證明“遺傳密碼的攜帶者－mRNA的存在”關(guān)鍵：

FrancoisJacob退役軍醫(yī)。被A.Lwoff

招聘,從事生物學研究利用Hfr的接合實驗，對原噬菌體在細菌染色體上的整合位點進行了非常準確的定位

出生于一個傳統(tǒng)的教徒家庭在AndreLwoff的帶領(lǐng)下，開始了“微生物營養(yǎng)的研究生涯,發(fā)現(xiàn)了細菌的“二度生長”

(diauxy)現(xiàn)象

JacquesMonod基因通過RNA嚴格地控制著蛋白質(zhì)的合成

Namingas“messengerRNA”ArthurPardeeFrancoisJacob

JacquesMonod通過(Pa-Ja-Mo)大量實驗最終證明1.3.5操縱子模型開辟了分子生物學研究新天地—基因表達的調(diào)控機制IF.Jacob(44y)J.Monod(55y)A.Lwoff(63y)Lac.OperonConceptofmRNA暗示了“三聯(lián)體遺傳密碼”以外的“空間調(diào)控密碼”的存在，為分子生物學的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)NP1965

1.3.6中心法則的發(fā)展

1975NP豐富和發(fā)展了“中心法則”為遺傳工程提供了最重要的工具酶1970年DavidBaltimore分離到ReverseTranscriptase8年后，科學界才確信“中心法則”被“逆轉(zhuǎn)”了1962年HowardTemin發(fā)現(xiàn)了ReverseTranscription

1.3.7

科學技術(shù)互促共進科學為技術(shù)的發(fā)明與提升提供理論依據(jù)技術(shù)為科學的發(fā)現(xiàn)與研究提供方法手段DNA分子的克隆技術(shù)基因的定點誘變技術(shù)PCR的DNA擴增技術(shù)細胞與組織培養(yǎng)技術(shù)使分子生物學從“觀察性”和“驗證性”的科學發(fā)展成“干涉性”和“創(chuàng)造性”的科學遺傳工程引發(fā)了一場分子生物學革命不僅能將目標基因定向引入到其他物種中去而且可以利用細菌對目的DNA分子進行克隆基于“遺傳重組”技術(shù)的生物學的理論不斷創(chuàng)新基于“遺傳工程”技術(shù)的生物遺傳改良成效明顯有關(guān)基因工程技術(shù)發(fā)明獲得Nobel獎

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1978forthediscoveryofrestrictionenzymesandtheirapplicationtoproblemsofmoleculargeneticsWernerArber

DanielNathans

HamiltonO.Smith

discoveryapplicationidentify雖然，沒有任何一項技術(shù)具有原創(chuàng)性但是，利用已報道的多項技術(shù)，創(chuàng)造性地實現(xiàn)了不同DNA分子的體外重組SV40

λDNA＋EcoRIRecombinationDNA1972.PNASDavidJacksonRobertSymonsPaulBerg“遺傳工程”的奠基工作為分子生物學的研究和遺傳改造展示了一個清晰而又美好的前景具有與沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型同樣的開拓性價值NP1980PaulBerg

TheNobelPrizeinChemistry1980thedeterminationofbasesequencesinnucleicacidsWalterGilbert

FrederickSanger1958NPForstructureofproteinsespeciallythatofinsulinTheNobelPrizeinChemistry

1993"forhisinventionofthepolymerasechainreaction(PCR)method"KaryB.Mullis

生物化學博士學位1979年受雇于Cetus生物技術(shù)公司，專門制備用作探針的寡聚核苷酸,在1983年4月的一個周五晚上,當他在加利福尼亞的山坡上開車前往度周末的小屋時他突發(fā)其想。作為一項“擴增”DNA的技術(shù)，盡管它本身并未開辟分子生物學新的研究領(lǐng)域，但這項的發(fā)明對分子生物學家研究工作的影響程度超過了其他任何技術(shù)，它的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎超過了其他任何技術(shù)。幾年內(nèi)以PCR為技術(shù)基礎(chǔ)的科技論文數(shù)如同該技術(shù)本身的特征一樣，以幾何級數(shù)的方式增長。TheNobelPrizeinChemistry1993forsite-directedmutagenesisanditsdevelopmentforproteinstudiesMichaelSmithUniversityofBritishColumbia

Vancouver,Canada1932-2000研究對象的變換研究策略的轉(zhuǎn)變研究內(nèi)容的拓展現(xiàn)代分子生物學發(fā)展史的三大轉(zhuǎn)折研究對象的變換以果蠅，豌豆為揭示生命奧秘的材料系統(tǒng)

高等真核生物宏觀與微觀的結(jié)合Phagegroup40年代以病毒，細菌原核生物系統(tǒng)為試材，Cistron，onegene–oneenzyme，operon,等新理論不斷被發(fā)現(xiàn)，新概念不斷被提出，生物學開始騰飛.

1969NobelmedalDelbruck1969NobelmedalHersheyLuria高等真核生物進化水平，細胞分化組織特化，個體發(fā)育重復(fù)序列，基因概念人類健康，農(nóng)業(yè)生態(tài)已成為分子生物學家追蹤的學科前沿DNAtransposableelement1947年發(fā)現(xiàn)玉米Ac/Ds轉(zhuǎn)座因子1983.TheNobelPrize

BarbaraMcClintock(81y)1902-1992

TheNobelPrizeinChemistry1989

TheRoyalSwedishAcademyofScienceshasawardedthisyear's

NobelPrizeinChemistryjointlyto

SidneyAltmanandThomasR.Cech

fortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNA

SidneyAltman

YaleUniversity

NewHaven,CT,USAThomasR.Cech

UniversityofColorado

atBoulder,USA

Contents:

Introduction

Thechemistryoflifeanditscentraldogma

Enzymes–biologicalcatalysts

Ribonucleicacid(RNA)–thebiomoleculewhichcandoitall

Thehistoryofbiocatalysis

Whathappensnext?

Furtherreading

Basedonmaterialsfromthe1989NobelPosterforChemistry.

Creditsandreferencesfortheposter

LastmodifiedMay10,2001

Copyright?2001TheNobelFoundationTheOfficialWebSiteofTheNobelFoundation

LastmodifiedMay10,2001

Copyright?2001TheNobelFoundationTheOfficialWebSiteofTheNobelFoundation

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TheNobelPrizeinChemistry1989"fortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNARibozyme"SidneyAltman

ThomasR.Cech

YaleUniversity

NewHaven,CT,USAUniversityofColorado

Boulder,CO,USA1939-1947TheNP1993splitgenesIn1978RichardJ.RobertsPhillipA.SharpminirevolutiondiscoveredGeneticcontrolofearlydevelopmentinDrosophilaEdwardB.ewisChristianeNüsslein-Volhard

EricF.WieschausTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1995StanleyB.PrusinerUniversityofCalifornia,SchoolofMedicine

USA1942-forhisdiscoveryofPrions–---anewbiologicalprincipleofinfection1997NPdiscoveredkeyregulatorsofthecellcycleLelandH.HartwellR.Timothy(Tim)HuntSirPaulM.NurseNP2001ProgrammedCellDeath(PCD)anddevelopmentS.Brenner(75y)H.R.Horvitz(55y)J.E.Sulston(60y)2002"fortheirdiscoveriesofodorantreceptors

andtheorganizationoftheolfactorysystem"R.Axel(58y)L.B.Buck(57y)NP2004"fortheirdiscoveryofRNAinterference-genesilencingbydouble-strandedRNA".NP2006

CraigC.Mello

1960年馬薩諸塞州醫(yī)學院AndrewZ.Fire,1959年

斯坦福大學醫(yī)學院1990.10.1.HGPReductionism20世紀

Holism21世紀Genomics（strategychange）還原論Reductionism

20世紀人類對生命現(xiàn)象的認識個體

染色體

基因DNAdNt基因的概念基因的本質(zhì)基因的功能逐步深刻認識宏

觀

微

觀人類對生命現(xiàn)象的認識

整體論

holism

揭示生命的奧秘21世紀“組學”→“系統(tǒng)生物學”微

觀

宏

觀MaddoxJ.(editorof“Nature”)

Ismolecularbiologyyetascience?