分子生物学的概念及其应用

沈阳师范大学化学与生命科学学院 崔一星

分子生物学的概念及其应用

沈阳师范大学化学与生命科学学院 崔一星

一、分子生物学的概念

分子生物学是以遗传学、生物化学、细胞生物学等学科为基础，从分子水平上对生物体的多种生命现象进行研究。所谓在分子水平上研究生命的本质主要是指对遗传、生殖、生长和发育等生命基本特征的分子机理的阐明，从而为利用和改造生物奠定理论基础和提供新的手段。这里的分子水平指的是那些携带遗传信息的核酸和在遗传信息传递及细胞内、细胞间通讯过程中发挥着重要作用的蛋白质等生物大分子。这些生物大分子均具有较大的分子量，由简单的小分子核苷酸或氨基酸排列组合以蕴藏各种信息，并且具有复杂的空间结构以形成精确的相互作用系统，由此构成生物的多样化、生物个体精确的生长发育和代谢调节控制系统。阐明这些复杂的结构及结构与功能的关系是分子生物学的主要任务。

遗传学（Genetics）——研究生物的遗传与变异的科学包括基因的结构、功能及其变异、传递和规律表达。遗传学中的亲子概念不限于父母子女或一个家族，还可以延伸到包括许多家族的群体，这是群体遗传学的研究对象。遗传学中的亲子概念还可以以细胞为单位，离体培养的细胞可以保持个体的一些遗传特性，如某些酶的有无等。对离体培养细胞的遗传学研究属于体细胞遗传学。遗传学中的亲子概念还可以扩充到DNA脱氧核糖核酸的复制甚至mRNA的转录，这些是分子遗传学研究的课题。

二、分子生物学的发展

结构分析和遗传物质的研究在分子生物学的发展中作出了重要的贡献。结构分析的中心内容是通过阐明生物分子的三维结构来解释细胞的生理功能。1912年英国W.H.布喇格和W.L.布喇格建立了X射线晶体学，成功地测定了一些相当复杂的分子以及蛋白质的结构。以后布喇格的学生W.T.阿斯特伯里和J.D.贝尔纳又分别对毛发、肌肉等纤维蛋白以及胃蛋白酶、烟草花叶病毒等进行了初步的结构分析。他们的工作为后来生物大分子结晶学的形成和发展奠定了基础。20世纪50年代是分子生物学作为一门独立的分支学科脱颖而出并迅速发展的年代。首先是在蛋白质结构分析方面，1951年L.C.波林等提出了α-螺旋结构，描述了蛋白质分子中肽链的一种构象。1955年F.桑格完成了胰岛素的氨基酸序列的测定。接着 J.C.肯德鲁和M.F.佩鲁茨在X射线分析中应用重原子同晶置换技术和计算机技术分别于1957年和1959年阐明了鲸肌红蛋白和马血红蛋白的立体结构。1965年中国科学家合成了有生物活性的胰岛素，首先实现了蛋白质的人工合成。

分子生物学的研究范围十分广泛，蛋白质和核酸的结构和功能、生物膜的结构和功能、新陈代谢的调节和控制、生物体内的换能作用（如光合作用等）、神经和肌肉活动的分子基础以及病理、药理和免疫的分子基础等都是分子生物学的研究内容。分子生物学的含义分为广义和狭义两种，广义的分子生物学泛指对生物大分子的研究包括蛋白质、核酸和多糖；狭义的分子生物学则仅指对核酸(包括DNA和RNA)的研究。现在比较常用的含义是狭义的分子生物学包括分子遗传学、分子细胞学、分子人类学、分子病理学、分子药理学等分支学科。

分子生物学的诞生使传统生物学研究转变为现代实验科学,今天它仍然是生命科学的主导力量。分子生物学的飞速发展带动了生物学各分支学科向分子水平研究的深入，一方面是在分子水平上对细胞活动、遗传、发育等各种生命现象进行解释，出现了分子发育生物学、分子神经生物学等新兴学科；另一方面是把分子生物学研究手段推广到生物学各分支学科，尤其是一些宏观生物学学科如进化论、分类学、生态学，形成了分子进化生物学、分子系统分类学和分子生态学等学科。用实验的方法研究传统的生物学问题，使微观研究和宏观研究得到了紧密的结合，分子生物学在微观层次对生物大分子的结构和功能正深入到对细胞、发育和进化以及脑功能的分子机制探索。细胞周期、细胞凋亡和程序化死亡、蛋白质降解是近几年关注的焦点。分子生物学的诞生使传统生物学研究转变为现代实验科学如人类基因组计划等大科学工程，生物学界出现了大规模的集约型研究，步入了大规模、高通量的时代。

三、分子生物学的应用

分子生物学的研究对生物学各个领域有着深刻的影响。如不同种类生物间的亲缘关系，过去主要根据不同种类生物在形态构造上的异同来确定，这对形态结构较为简单的生物如细菌就有困难。通过对不同种类生物的蛋白质或核酸分子的测定，就可以克服上述困难，并且能更客观地反映生物间的亲缘关系。分子生物学与医学、农业、生物工程等的关系十分密切。分子生物学的研究成果使不同生物体之间的基因转移成为可能，在农业上开辟了育种的新途径，在医学上有可能治疗某些遗传性疾病，在工业上形成了以基因工程为基础的新兴工业，从而有可能生产出许多用常规技术从天然来源无法得到或无法大量得到的生物制品。

基因工程是生物工程的一个重要分支，它和细胞工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程共同组成了生物工程。 所谓基因工程是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术。是将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。它是用人为的方法将所需要的某一供体生物的遗传物质——DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体的DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中，以让外源物质在其中“安家落户”，进行正常的复制和表达，从而获得新物种的一种崭新技术。它克服了远缘杂交的不亲和障碍。

现在基因工程所展现出的强大生命力和巨大的经济发展潜力完全得益于分子生物学的迅猛发展，而且有证据表明，基因工程的进一步发展仍然要依赖于分子生物学研究的发展。