分子生物學(xué)的概念及其應(yīng)用

沈陽(yáng)師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院 崔一星

分子生物學(xué)的概念及其應(yīng)用

沈陽(yáng)師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院 崔一星

一、分子生物學(xué)的概念

分子生物學(xué)是以遺傳學(xué)、生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)，從分子水平上對(duì)生物體的多種生命現(xiàn)象進(jìn)行研究。所謂在分子水平上研究生命的本質(zhì)主要是指對(duì)遺傳、生殖、生長(zhǎng)和發(fā)育等生命基本特征的分子機(jī)理的闡明，從而為利用和改造生物奠定理論基礎(chǔ)和提供新的手段。這里的分子水平指的是那些攜帶遺傳信息的核酸和在遺傳信息傳遞及細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞間通訊過(guò)程中發(fā)揮著重要作用的蛋白質(zhì)等生物大分子。這些生物大分子均具有較大的分子量，由簡(jiǎn)單的小分子核苷酸或氨基酸排列組合以蘊(yùn)藏各種信息，并且具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)以形成精確的相互作用系統(tǒng)，由此構(gòu)成生物的多樣化、生物個(gè)體精確的生長(zhǎng)發(fā)育和代謝調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。闡明這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系是分子生物學(xué)的主要任務(wù)。

遺傳學(xué)（Genetics）——研究生物的遺傳與變異的科學(xué)包括基因的結(jié)構(gòu)、功能及其變異、傳遞和規(guī)律表達(dá)。遺傳學(xué)中的親子概念不限于父母子女或一個(gè)家族，還可以延伸到包括許多家族的群體，這是群體遺傳學(xué)的研究對(duì)象。遺傳學(xué)中的親子概念還可以以細(xì)胞為單位，離體培養(yǎng)的細(xì)胞可以保持個(gè)體的一些遺傳特性，如某些酶的有無(wú)等。對(duì)離體培養(yǎng)細(xì)胞的遺傳學(xué)研究屬于體細(xì)胞遺傳學(xué)。遺傳學(xué)中的親子概念還可以擴(kuò)充到DNA脫氧核糖核酸的復(fù)制甚至mRNA的轉(zhuǎn)錄，這些是分子遺傳學(xué)研究的課題。

二、分子生物學(xué)的發(fā)展

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)。20世紀(jì)50年代是分子生物學(xué)作為一門(mén)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年和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。

分子生物學(xué)的研究范圍十分廣泛，蛋白質(zhì)和核酸的結(jié)構(gòu)和功能、生物膜的結(jié)構(gòu)和功能、新陳代謝的調(diào)節(jié)和控制、生物體內(nèi)的換能作用（如光合作用等）、神經(jīng)和肌肉活動(dòng)的分子基礎(chǔ)以及病理、藥理和免疫的分子基礎(chǔ)等都是分子生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容。分子生物學(xué)的含義分為廣義和狹義兩種，廣義的分子生物學(xué)泛指對(duì)生物大分子的研究包括蛋白質(zhì)、核酸和多糖；狹義的分子生物學(xué)則僅指對(duì)核酸(包括DNA和RNA)的研究?，F(xiàn)在比較常用的含義是狹義的分子生物學(xué)包括分子遺傳學(xué)、分子細(xì)胞學(xué)、分子人類學(xué)、分子病理學(xué)、分子藥理學(xué)等分支學(xué)科。

分子生物學(xué)的誕生使傳統(tǒng)生物學(xué)研究轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代實(shí)驗(yàn)科學(xué),今天它仍然是生命科學(xué)的主導(dǎo)力量。分子生物學(xué)的飛速發(fā)展帶動(dòng)了生物學(xué)各分支學(xué)科向分子水平研究的深入，一方面是在分子水平上對(duì)細(xì)胞活動(dòng)、遺傳、發(fā)育等各種生命現(xiàn)象進(jìn)行解釋，出現(xiàn)了分子發(fā)育生物學(xué)、分子神經(jīng)生物學(xué)等新興學(xué)科；另一方面是把分子生物學(xué)研究手段推廣到生物學(xué)各分支學(xué)科，尤其是一些宏觀生物學(xué)學(xué)科如進(jìn)化論、分類學(xué)、生態(tài)學(xué)，形成了分子進(jìn)化生物學(xué)、分子系統(tǒng)分類學(xué)和分子生態(tài)學(xué)等學(xué)科。用實(shí)驗(yàn)的方法研究傳統(tǒng)的生物學(xué)問(wèn)題，使微觀研究和宏觀研究得到了緊密的結(jié)合，分子生物學(xué)在微觀層次對(duì)生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能正深入到對(duì)細(xì)胞、發(fā)育和進(jìn)化以及腦功能的分子機(jī)制探索。細(xì)胞周期、細(xì)胞凋亡和程序化死亡、蛋白質(zhì)降解是近幾年關(guān)注的焦點(diǎn)。分子生物學(xué)的誕生使傳統(tǒng)生物學(xué)研究轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代實(shí)驗(yàn)科學(xué)如人類基因組計(jì)劃等大科學(xué)工程，生物學(xué)界出現(xiàn)了大規(guī)模的集約型研究，步入了大規(guī)模、高通量的時(shí)代。

三、分子生物學(xué)的應(yīng)用

分子生物學(xué)的研究對(duì)生物學(xué)各個(gè)領(lǐng)域有著深刻的影響。如不同種類生物間的親緣關(guān)系，過(guò)去主要根據(jù)不同種類生物在形態(tài)構(gòu)造上的異同來(lái)確定，這對(duì)形態(tài)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的生物如細(xì)菌就有困難。通過(guò)對(duì)不同種類生物的蛋白質(zhì)或核酸分子的測(cè)定，就可以克服上述困難，并且能更客觀地反映生物間的親緣關(guān)系。分子生物學(xué)與醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、生物工程等的關(guān)系十分密切。分子生物學(xué)的研究成果使不同生物體之間的基因轉(zhuǎn)移成為可能，在農(nóng)業(yè)上開(kāi)辟了育種的新途徑，在醫(yī)學(xué)上有可能治療某些遺傳性疾病，在工業(yè)上形成了以基因工程為基礎(chǔ)的新興工業(yè)，從而有可能生產(chǎn)出許多用常規(guī)技術(shù)從天然來(lái)源無(wú)法得到或無(wú)法大量得到的生物制品。

基因工程是生物工程的一個(gè)重要分支，它和細(xì)胞工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程和微生物工程共同組成了生物工程。 所謂基因工程是在分子水平上對(duì)基因進(jìn)行操作的復(fù)雜技術(shù)。是將外源基因通過(guò)體外重組后導(dǎo)入受體細(xì)胞內(nèi)，使這個(gè)基因能在受體細(xì)胞內(nèi)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯表達(dá)的操作。它是用人為的方法將所需要的某一供體生物的遺傳物質(zhì)——DNA大分子提取出來(lái)，在離體條件下用適當(dāng)?shù)墓ぞ呙高M(jìn)行切割后，把它與作為載體的DNA分子連接起來(lái)，然后與載體一起導(dǎo)入某一更易生長(zhǎng)、繁殖的受體細(xì)胞中，以讓外源物質(zhì)在其中“安家落戶”，進(jìn)行正常的復(fù)制和表達(dá)，從而獲得新物種的一種嶄新技術(shù)。它克服了遠(yuǎn)緣雜交的不親和障礙。

現(xiàn)在基因工程所展現(xiàn)出的強(qiáng)大生命力和巨大的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿ν耆靡嬗诜肿由飳W(xué)的迅猛發(fā)展，而且有證據(jù)表明，基因工程的進(jìn)一步發(fā)展仍然要依賴于分子生物學(xué)研究的發(fā)展。