![分子生物學[自然科學門類]](/img/d/4ad/nBnauM3X4YDO3gTOyUDOzYzN3QTM4IDOwgTOzQTNwAzMwIzL1gzLxAzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLxE2LvoDc0RHa.jpg "分子生物學[自然科學門類]")
簡介
分子生物學分子生物學（molecularbiology)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）。1953年沃森、克里克提出DNA分子的雙螺鏇結構模型是分子生物學誕生的標誌。
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、技術和方法的套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。
學科關係
生物化學是生物學的分支學科，是研究生命物質的化學組成、結構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象的科學，通過研究生物分子的結構、功能和生物合成等方面來闡明生命現象的本質。
科學研究是推動生物化學和分子生物學發展的動力，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。
發展簡史
結構分析
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、菸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-螺鏇結構，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胺基酸序列的測定。接著肯德魯和佩魯茨在X射線分析中套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。
探索基因之謎
蛋白質工程另一方面，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的雙螺鏇結構，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自我複製和轉錄生成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套用中開花結果，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。
基本內容
蛋白質體系
蛋白質的結構單位是α-胺基酸。常見的胺基酸共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
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，是分子中胺基酸的排列順序。首尾相連的胺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。
分子生物學研究
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，而且使一些胺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。
發現和鑑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。
蛋白質－核酸體系
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（由於是雙股DNA，通常以鹼基對計算其長度）。細菌，如大腸桿菌的基因組，含4×10^6鹼基對。人體細胞染色體上所含DNA為3×10^9鹼基對。
遺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胺基酸的序列，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(mRNA）。由於構成RNA的核苷酸是4種，而蛋白質中卻有20種胺基酸，它們的對應關係是由mRNA分子中以一定順序相連的3個核苷酸來決定一種胺基酸，這就是三聯體遺傳密碼。
基因在表達其性狀的過程中貫串著核酸與核酸、核酸與蛋白質的相互作用。DNA複製時，雙股螺鏇在解鏇酶的作用下被拆開，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。轉譯的場所核糖核蛋白體是核酸和蛋白質的複合體，根據mRNA的編碼，在酶的催化下，把胺基酸連線成完整的肽鏈。基因表達的調節控制也是通過生物大分子的相互作用而實現的。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。真核細胞染色質所含的非組蛋白在轉錄的調控中具有特殊作用。正常情況下，真核細胞中僅2～15%基因被表達。這種選擇性的轉錄與轉譯是細胞分化的基礎。
蛋白質－脂質體系
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。
1972年提出的流動鑲嵌模型概括了生物膜的基本特徵：其基本骨架是脂雙層結構。膜蛋白分為表在蛋白質和嵌入蛋白質。膜脂和膜蛋白均處於不停的運動狀態。
生物膜在結構與功能上都具有兩側不對稱性。以物質傳送為例，某些物質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pH和離子組成相對穩定，保持了產生神經、肌肉興奮所必需的離子梯度，保證了細胞濃縮營養物和排除廢物的功能。
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線上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。對於這兩種能量轉換的機制，P.米切爾提出的化學滲透學說得到了越來越多的證據。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布有明顯變化。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。
理論指導
理論指導意義
分子生物學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，都由同樣的胺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套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。
高等動物的高級神經活動是極其複雜的生命現象，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果充分說明高級神經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和蛋白質的組成發生明顯的變化，並且一些影響生物體合成蛋白質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象。用雞進行的實驗發現，有一種重要的神經傳遞介質（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。正是這種變化構成了雞的“生物鐘”的物質基礎。
套用意義
實踐套用意義
基因工程在套用方面，生物膜能量轉換原理的闡明，將有助於解決全球性的能源問題。了解酶的催化原理就能更有針對性地進行酶的人工模擬，設計出化學工業上廣泛使用的新催化劑，從而給化學工業帶來一場革命。
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、多種多肽激素和疫苗等。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。
技術套用
親子鑑定
親子鑑定近幾年來，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性）VNTRs（可變數量串聯重複序列多態性）研究而發展起來的檢測技術。作為最前沿的刑事生物技術，DNA分析為法醫物證檢驗提供了科學、可靠和快捷的手段，使物證鑑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、強姦殺人案、碎屍案、強姦致孕案等重大疑難案件的偵破提供準確可靠的依據。隨著DNA技術的發展和套用，DNA標誌系統的檢測將成為破案的重要手段和途徑。此方法作為親子鑑定已經是非常成熟的，也是國際上公認的最好的一種方法。與人類自身發展
分子生物學作為現代科學的一門綜合科學，其意義不止體現在純粹的科學價值上；更為重要的是它的發展關係到人類自身的方方面面。分子生物學又可以細緻的劃分為大分子生物與電子生物學兩種。上面提到的關於在刑偵方面的套用以及包括但不限於親自鑑定、及嬰兒男女鑑定方面的內容，大體為大分子分子內容的實際用途。而電子生物生物學則是從比大分子更細緻的小分子及原子角度來解釋生命的基本要素和構成，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套用。可以想像未來隨著研究的深入以及物理學的進一步發展。人類有可能成為創造另類生物的“上帝”。轉基因食品
轉基因食品（GeneticallyModifiedFoods，GMF）是利用現代分子生物技術，將某些生物的基因轉移到其他物種中去，改造生物的遺傳物質，使其在形狀、營養品質、消費品質等方面向人們所需要的目標轉變。以轉基因生物為直接食品或為原料加工生產的食品就是“轉基因食品”。可增加作物單位面積產量；可以降低生產成本；通過轉基因技術可增強作物抗蟲害、抗病毒等的能力；提高農產品的耐貯性，延長保鮮期，滿足人民生活水平日益提高的需求；可使農作物開發的時間大為縮短；可以擺脫季節、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，生產出有利於人類健康的食品。醫學關係
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。在實際套用方面，它是生物工程技術的重要理論基礎，後者正在工農業生產和環境保護等方面發揮著日益顯要的作用。醫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學科學研究提高到分子水平
經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學各科上升到基因水平、分子水平，從而出現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、分子神經病學、分子內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.癌症的研究即將出現重大的突破
癌基因的發現是分子生物學研究的重大成果。過去在癌病因學上眾說不一的局面正在改善。由各種內外因素導致癌基因激活或異常表達很可能就是癌症發生的根本原因。癌基因本來是正常的基因成分之一，它的生理功能是什麼？它是如何被調控的？異常表達和激活的機理是什麼？癌基因產物和生長因子的關係是怎樣的？是否存在著反癌基因和生長的負調節因子？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，與此有關的是愛滋病（AIDS）的研究受到世界範圍的密切關注，這個問題從學術上講，主要屬於分子免疫學和分子病毒學的範疇、其發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生變化。首先，這類疾病不再象過去認為的那么罕見。至今發現按照孟德爾方式遺傳的遺傳病已達3000餘種。如果估計到疾病易感性和基因變異的關係，則遺傳病範圍會更加擴大，例如易患心臟病、肺氣腫、高膽固醇血症、糖尿病、變態反應和胃潰瘍病等等的基因正在得到分離，甚至癌症，有的學者認為也可歸屬於遺傳病的範疇，其根本原因在於DNA的損傷。其次，基因探針技術正在逐步擴大產前診斷和遺傳病診斷的範圍。顯然，檢查出易感某病的基因對於個人保健是十分寶貴的信息，也是針對疾病危險因素採取預防措施的科學依據。在治療上，過去一切對遺傳病的療法都只能是對症的，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業領域就是製藥工業。現已有些多肽或蛋白質藥物，如人胰島素、生長激素、干擾素等能夠通過“工程菌”大量生產，更多的藥物則正在開發之中。疫苗的研製正在極大地促進預防醫學的發展，例如，B型肝炎疫苗、非甲非B肝炎疫苗、輪狀病毒疫苗、瘧疾疫苗等等，有些已能付諸套用，有些尚在開發之中。通過蛋白質工程技術，採用定點突變的方法，還可望製造出新型的蛋白質。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，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，由於分子中含有多餘的一個半胱氨酸殘基，所以二個分子容易締結合成二聚體而失活，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的半衰期，提高了療效。
