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分子生物學(molecularbiology) 從分子水平研究作為生命活動主要物質基礎的生物大分子結構與功能,從而闡明生命現象本質的科學。

1 分子生物學 -基本含義

分子生物學分子生物學

分子生物學是從分子水平研究生命本質為目的的一門新興邊緣學科,它以核酸和蛋白質等生物大分子的結構及其在遺傳信息和細胞信息傳遞中的作用為研究對象,是當前生命科學中發展最快並正在與其它學科廣泛交叉與滲透的重要前沿領域。分子生物學的發展為人類認識生命現象帶來了前所未有的機會,也為人類利用和改造生物創造了極為廣闊的前景。

  分子生物學(molecular biology)分子生物學從分子水平研究生物大分子的結構與功能從而闡明生命現象本質的科學。自20世紀50年代以來,分子生物學是生物學的前沿與生長點,其主要研究領域包括蛋白質體系、蛋白質-核酸體系 (中心是分子遺傳學)和蛋白質-脂質體系(即生物膜)。 

  生物大分子,特別是蛋白質和核酸結構功能的研究,是分子生物學的基礎。現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構功能的研究,從而出現了近30年來分子生物學的蓬勃發展。   分子生物學和生物化學及生物物理學關係十分密切,它們之間的主要區別在於:

   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,核酸,脂質體系以及部分多糖及其複合體系。而一些小分子物質在生物體內的轉化則屬生物化學的範圍;

   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徵,即生命現象的本質;而研究某一特定生物體或某一種生物體內的某一特定器官的物理、化學現象或變化,則屬於生物物理學或生物化學的範疇。

        所謂在分子水平上研究生命的本質主要是指對遺傳、 生殖、生長和發育等生命基本特徵的分子機理的闡明,從而為利用和改造生物奠定理論基礎和提供新的手段。這裡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胞內、細胞間通訊過程中發揮著重要作用的蛋白質等生物大分子。這些生物大分子均具有較大的分子量,由簡單的小分子核苷酸或氨基酸排列組合以蘊藏各種信息,並且具有複雜的空間結構以形成精確的相互作用系統,由此構成生物的多樣化和生物個體精確的生長發育和代謝調節控制系統。闡明這些複雜的結構及結構與功能的關係是分子生物學的主要任務。

2 分子生物學 -重點研究領域

  • 分子生物學蛋白質(包括酶)的結構和功能
  • 核酸的結構和功能,包括遺傳信息的傳遞 生物膜的結構和功能 生物調控的分子基礎 生物進化

    3 分子生物學 -發展簡史

    分子生物學分子生物學
    結構分析和遺傳物質的研究在分子生物學的發展中作出了重要的貢獻。結構分析的中心內容是通過闡明生物分子的三維結構來解釋細胞的生理功能。

    1912年英國布喇格父子建立了X射線晶體學,成功地測定了一些相當複雜的分子以及蛋白質的結構。以後布喇格的學生阿斯特伯里和貝爾納又分別對毛髮、肌肉等纖維蛋白以及胃蛋白酶、煙草花葉病毒等進行了初步的結構分析。他們的工作為後來生物大分子結晶學的形成和發展奠定了基礎。

    20世紀50年代是分子生物學作為一門獨立的分支學科脫穎而出並迅速發展的年代。首先在蛋白質結構分析方面,1951年提出了α-螺旋結構,描述了蛋白質分子中肽鏈的一種構象。1955年桑格完成了胰島素的氨基酸序列的測定。接著肯德魯和佩魯茨在 X射線分析中應用重原子同晶置換技術和計算機技術,分別於1957和1959年闡明了鯨肌紅蛋白和馬血紅蛋白的立體結構。1965年中國科學家合成了有生物活性的胰島素,首先實現了蛋白質的人工合成。

    另一方面,德爾布呂克小組從1936年起選擇噬菌體為對象開始探索基因之謎。噬菌體感染寄主後半小時內就複製出幾百個同樣的子代噬菌體顆粒,因此是研究生物體自我複製的理想材料。

    1940年比德爾和塔特姆提出了「一個基因,一個酶」的假設,即基因的功能在於決定酶的結構,且一個基因僅決定一個酶的結構。但在當時基因的本質並不清楚。1944年埃弗里等研究細菌中的轉化現象,證明了DNA是遺傳物質

    1953年沃森和克里克提出了DNA的雙螺旋結構,開創了分子生物學的新紀元。並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結構的流動。

    遺傳密碼的闡明則揭示了生物體內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控。到20世紀60年代中期,關於DNA自我複製轉錄生成RNA的一般性質已基本清楚,基因的奧秘也隨之開始解開了。

    僅僅三十年左右的時間,分子生物學經歷了從大膽的科學假說,到經過大量的實驗研究,從而建立了本學科的理論基礎。進入70年代,由於重組DNA研究的突破,基因工程已經在實際應用中開花結果,根據人的意願改造蛋白質結構的蛋白質工程也已經成為現實。

    4 分子生物學 -基本內容

    蛋白質的結構單位是α-氨基酸。常見的氨基酸共20種。它們以不同的順序排列可以為生命世界提供天文數字的各種各樣的蛋白質。

    蛋白質分子結構的組織形式可分為四個主要的層次。一級結構,也叫化學結構,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構,稱為肽鏈。肽鏈主鏈原子的局部空間排列為二級結構。二級結構在空間的各種盤繞和捲曲為三級結構。有些蛋白質分子是由相同的或不同的亞單位組裝成的,亞單位間的相互關係叫四級結構。

    蛋白質的特殊性質和生理功能與其分子的特定結構有著密切的關係,這是形形色色的蛋白質所以能表現出豐富多彩的生命活動的分子基礎。研究蛋白質的結構與功能的關係是分子生物學研究的一個重要內容。

    隨著結構分析技術的發展,現在已有幾千個蛋白質的化學結構和幾百個蛋白質的立體結構得到了闡明。70年代末以來,採用測定互補DNA順序反推蛋白質化學結構的方法,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化學結構分析得以實現。

    發現和鑒定具有新功能的蛋白質,仍是蛋白質研究的內容。例如與基因調控和高級神經活動有關的蛋白質的研究現在很受重視。

    生物體的遺傳特徵主要由核酸決定。絕大多數生物的基因都由DNA構成。簡單的病毒如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。由於是雙股DNA,所以通常以鹼基對計算其長度。

    遺傳信息要在子代的生命活動中表現出來,需要通過複製、轉錄和轉譯。複製是以親代DNA為模板合成子代DNA分子。轉錄是根據DNA的核苷酸序列決定一類RNA分子中的核苷酸序列;後者又進一步決定蛋白質分子中氨基酸的序列,就是轉譯。因為這一類RNA起著信息傳遞作用,故稱信使核糖核酸。

    基因在表達其性狀的過程中貫串著核酸與核酸、核酸與蛋白質的相互作用。DNA複製時,雙股螺旋在解旋酶的作用下被拆開,然後DNA聚合酶以親代DNA鏈為模板,複製出於代DNA鏈。轉錄是在RNA聚合酶的催化下完成的。

    生物體內普遍存在的膜結構,統稱為生物膜。它包括細胞外周膜和細胞內具有各種特定功能的細胞器膜。從化學組成看,生物膜是由脂質和蛋白質通過非共價鍵構成的體系。很多膜還含少量糖類,以糖蛋白或糖脂形式存在。

    生物體的能量轉換主要在膜上進行。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,最後都合成腺苷三磷酸。

    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。激素和藥物的作用都需通過與受體分子的特異性結合而實現。癌變細胞表面受體物質的分佈有明顯變化。細胞膜的表面性質還對細胞分裂繁殖有重要的調節作用。

    對細胞表面性質的研究帶動了糖類的研究。糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂等生物大分子結構與功能的研究越來越受到重視。從發展趨勢看,寡糖與蛋白質或脂質形成的體系將成為分子生物學研究的一個新的重要的領域。

    分子生物學的成就說明:生命活動的根本規律在形形色色的生物體中都是統一的。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和核酸。遺傳物質,除某些病毒外,都是 DNA,並且在所有的細胞中都以同樣的生化機制進行複製。

    物理學的成就證明,一切物質的原子都由為數不多的基本粒子根據相同的規律所組成,說明了物質世界結構上的高度一致,揭示了物質世界的本質,從而帶動了整個物理學科的發展。分子生物學則在分子水平上揭示了生命世界的基本結構和生命活動的根本規律的高度一致,揭示了生命現象的本質。和過去基本粒子的研究帶動物理學的發展一樣,分子生物學的概念和觀點也已經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和解剖方面的比較來決定親緣關係。隨著蛋白質和核酸結構測定方法的進展,比較不同種屬的蛋白質或核酸的化學結構,即可根據差異的程度,來斷定它們的親緣關係。由此得出的系統進化樹,與用經典方法得到的是基本符合的。

    採用分子生物學的方法研究分類與進化有特別的優越性。首先,構成生物體的基本生物大分子的結構反映了生命活動中更為本質的方面。其次,根據結構上的差異程度可以對親繞關係給出一個定量的,因而也是更準確的概念。第三,對於形態結構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果。

    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,為基因工程的發展鋪平了道路。80年代以來,已經採用基因工程技術,把高等動物的一些基因引入單細胞生物,用發酵方法生產干擾素、多種多肚激素和疫苗等,基因工程的進一步發展將為定向培育動、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。

    從基因調控的角度研究細胞癌變也已經取得不少進展。分子生物學將為人類最終征服癌症做出重要的貢獻。

    5 分子生物學 -主要研究內容

    分子生物學分子生物學

    分子生物學主要包含以下三部分研究內容:

    1.核酸的分子生物學

    核酸的分子生物學研究核酸的結構及其功能。由於核酸的主要作用是攜帶和傳遞遺傳信息,因此分子遺傳學(moleculargenetics)是其主要組成部分。由於50年代以來的迅速發展,該領域已形成了比較完整的理論體系和研究技術,是目前分子生物學內容最豐富的一個領域。研究內容包括核酸/基因組的結構、遺傳信息的複製、轉錄與翻譯,核酸存儲的信息修復與突變,基因表達調控和基因工程技術的發展和應用等。遺傳信息傳遞的中心法則(centraldogma)是其理論體系的核心。

    2.蛋白質的分子生物學

    分子生物學分子生物學

    蛋白質的分子生物學研究執行各種生命功能的主要大分子──蛋白質的結構與功能。儘管人類對蛋白質的研究比對核酸研究的歷史要長得多,但由於其研究難度較大,與核酸分子生物學相比發展較慢。近年來雖然在認識蛋白質的結構及其與功能關係方面取得了一些進展,但是對其基本規律的認識尚缺乏突破性的進展。

    3.細胞信號轉導的分子生物學

    分子生物學分子生物學

    細胞信號轉導的分子生物學研究細胞內、細胞間信息傳遞的分子基礎。構成生物體的每一個細胞的分裂與分化及其它各種功能的完成均依賴於外界環境所賦予的各種指示信號。在這些外源信號的刺激下,細胞可以將這些信號轉變為一系列的生物化學變化,例如蛋白質構象的轉變、蛋白質分子的磷酸化以及蛋白與蛋白相互作用的變化等,從而使其增殖、分化及分泌狀態等發生改變以適應內外環境的需要。信號轉導研究的目標是闡明這些變化的分子機理,明確每一種信號轉導與傳遞的途徑及參與該途徑的所有分子的作用和調節方式以及認識各種途徑間的網路控制系統。信號轉導機理的研究在理論和技術方面與上述核酸及蛋白質分子有著緊密的聯繫,是當前分子生物學發展最迅速的領域之一。

     

     

     

     

    6 分子生物學 -Molecular and Integrative Physiology

    Open Journal of Molecular and Integrative Physiology (OJMIP) is an international journal dedicated to the latest advancement of Physiology. The goal of this journal is to provide a platform for scientists and academicians all over the world to promote, share, and discuss various new issues and developments in different areas of Physiology. All manuscripts must be prepared in English, and are subject to a rigorous and fair peer-review process. Accepted papers will immediately appear online followed by printed hard copy. The journal publishes original papers including but not limited to the following fields:

    開源期刊分子中西醫結合的生理學(OJMIP)是一個國際性期刊,由美國科研出版社發行。致力於生理學的最新進展。這本雜誌的目的是讓各地的科學家和學者促進,共享和討論在不同的領域生理學各種新問題和新的發展。包括以下研究領域:

    分子生物學分子生理學研究



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     Cell Physiology 
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     Human and Animal Physiology 
     Integrative Physiology 
     Molecular Physiology 
     Musculoskeletal Physiology 
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     Reproductive Physiology 
     Respiratory Physiology 
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