分子生物学基础
第一节 概述
一、分子生物学定义
生物学经历一个漫长的研究过程。由于生物化学、生物物理学、遗传学、微生物学、细胞生物学，有机化学物理化学的相互渗透，相互促进从而使生物学研究闯入细胞的水平。直到20世纪中叶，生物学引人了生物大分子为研究目标以后，开始创立独立生物学科——分子生物学。
分子生物学(molecular biology)从分子水平研究生命现象的科学。它的核心内容是通过生物的物质基础——核酸、蛋白质、酶等生物大分子的结构，功能及其相互作用等运动规律的研究来阐明生命分子基础，从而探索生命的奥秘。
1953年，Watson和Crick共同提出脱氧核糖核酸(DNA)的双螺旋结构模型，为打开遗传信息的复制和转录的秘密奠定了基础，紧接着Crick提出中心法则，明确了遗传信息传递的规律。从此以后，核酸分子生物学迅速发展，从而使分子生物学成为生命科学中的领先学科。
二、分子生物学发展简史
自从分子生物学诞生到今天，追述过去的50多个春秋，这个领域发展突飞猛进，始终领导着生命科学的最新潮流。以下简要列出已经用分子生物学理论所解决的问题以及展现它所取得的研究成果，将有助于了解分子生物学发展和成熟过程，以便更好学习分子生物学。
1944年，Avery等人在肺炎链球菌转化实验中，发现遗传信息的携带者是DNA而不是蛋白质。1953年，Watson和Crick阐明DNA双螺旋结构。1980年，美国联邦最高法院裁定微生物基因工程可以获得专利。1981年，Palmiter和Brinster成功获得第一个基因小鼠。
1982年，第一个由基因工程菌生产药物——胰岛素，在美国和英国获准使用。1988年，PCR方法问世；Watson出任“人类基因组计划”首席科学家，协调举世瞩目的人类基因组测序工作的进行。1990年，美国批准第一个体细胞基因治疗方案。1995年，9月英国“自然”杂志发表了人类基因组全物理图，以及3号、16号和22号人染色体的高密度物理图谱。 1996年，完成了酵母基因组DNA(125X105bp)的全序列测定工作。1997年，英国爱丁堡罗斯林研究所培养出第一只克隆羊多莉。1998年，美国批准艾滋病疫苗进行人体实验。1999年，中国正式加入“人类基因组计划”(HGP human genome project)。2003年4月15日 美国联邦国家人类基因组研究项目负责人弗朗西斯·柯林斯博士隆重宣布，人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现。至此，有人类生命“天书”的神秘人类基因组已渐渐揭开了神秘的面纱。
纵观分子生物学发展提示，它将在不久将来帮助人类彻底地了解生命现象，即在一级结构水平上把人类基因组全部加以定位。所以人们都预言，21世纪将是生命科学、环境科学和信息科学全面取得成就的世纪。分子生物学将在人类基因结构，基因表达调控等方面，为彻底了解生命本质作出崭新的贡献。
三、分子生物学与现代医学和药学
医药事业的发展和生物学的发展是相互依赖与相互丰富的。分子生物学在医学和药学的各个领域中的渗透使医药科学进入分子水平。分子生物学发展将解决大量医学重大的前沿课题，如人脑机理，生育控制，肿瘤防治，脏器移植，新药开发等。只有在分子水平深入研究，才能揭开生命的奥秘，为医学理论，临床实践，新药研究等开拓出灿烂的前景。
1、分子生物学理论和技术在发病机制中的应用
分于生物学在医学科学研究中的每一项突破常常会给相关领域带来革命性的变化。
（1）阿尔兹海默病(Alzheimer’s Disease，AD)的基因定位 通过分子生物学技术对家族性AD基因的缺陷定位获得成功，为研究AD发病机制和基因治疗奠定基础。
（2）生物活性多肽及蛋白质mRNA研究 mRNA是基因转录的产物，任何多肽和蛋白质合成时都需经过相应mRNA的编码。通过测定mRNA的水平，确证了肾素血管紧张素系统(RAS)在遗传性高血压的发病中起着重要的作用。
（3）对某些病毒致病作用的研究 借助乙肝病毒(HBV)DNA资料，发现肝癌细胞DNA整合有HBV-DNA，认为乙肝与肝癌的发生有密切的关系。
（4）认识了某些遗传疾病的发病机制 利用分子生物学技术，发现遗传性肾脏疾病(Alport)是X染色体上COL4A5基因发生突变所致。确证突变位置不同，临床表现也就有差异。
2、分子生物学技术在疾病诊断中的应用
根据基因突变的检测，基因连续分析和mRNA检测三种途径，使用核酸分子杂交和PCR技术诊断了遗传性疾病，传染性疾病(病毒性疾病，细菌性疾病和寄生虫病)和肿瘤。
3、分子生物学在疾病治疗中的应用
基因治疗是将基因加以修饰，转移至某个体细胞内，以达到治疗的目的。早期是单基因遗传病，现在已扩展到肿瘤，心血管，自身免疫病及病毒感染等危害较大而且无有效治疗途径的疾病。
4、重组DNA技术与新药研究
（1）重组微生物是生产有用小分子代谢产物(如维生素类，氨基酸，染料，抗生素以及生物多聚体的前体等)的反应器。
（2）研制亚单位或合成肽疫苗。
（3）应用基因工程技术生产细胞因子，激素及血液因子等。
（4）利用转基因动物或转基因植物生产药用蛋白。
（5）开发第二代生物技术药品，如糖(糖肽十有机小分子化合物)，核酸(反义核苷酸)和脂类等药物。
第二节 核 酸
一、核酸的化学组成及其结构
早在1868年，瑞士人F．Miescher从外科绷带上脓细胞的细胞核分离出一种含磷量非常高的有机化合物，而且具有很强的酸性，当时称之为核素(nuclein)。核素实际就是今天我们所说的脱氧核糖核酸与相应的蛋白质构成的染色质，随之人们在细胞中又分离另外一类与核素(脱氧核糖核酸)的理化性质、组成、结构相像的有机化合物，即核糖核酸。由于历史原因，且最早由细胞核分离得来，目前人们将上述两类有机化合物称为核酸(nucleic acid)。依据其化学组成，核酸分为脱氧核糖核酸(deoxvribonucleic acid，DNA)和核糖核酸(ribonucleic acid，RNA)两大类型。
任何生命有机体均无例外地含有核酸，由生命有机体进化角度来看，从细菌到动植物都含有DNA和RNA，而DNA主要分布于细胞核内(或类核区)，但线粒体、叶绿体等中也含有DNA，RNA主要分布于细胞浆中，但对于病毒而言，要么只含有DNA，要么只含有RNA，因而按照所含核酸的类型，将病毒分为DNA病毒和RNA病毒两大类。
1、核酸的化学组成
核酸是一种线型多聚核苷酸(polynucleotide)。采用不同的降解方法和降解程度，可以将核酸降解成核苷酸(nucleotide)，即核苷酸是核酸的基本组成单位。核苷酸进一步降解成核苷(nucleoside)和磷酸，而核苷可进一步降解成碱基(basa)和戊糖(pentose)。
核酸中的碱基分两大类：嘌呤碱(purine base)和嘧啶碱(pyrimidine base)。嘌呤碱有二种：腺嘌呤(adenine)和鸟嘌呤(guanine)；嘧啶碱有三种：胞嘧啶(cytosine)、尿嘧啶(uracil)和胸腺嘧啶(thymine)。除上述五种最基本的碱基外，核酸分子中还有一些含量甚少的碱基——非基本碱基，称为稀有碱基或修饰碱基。这类碱基种类繁多，大多数都是甲基化碱基。
核酸中的戊糖分为两种：D-2-脱氧核糖(D-2-deoxyribose)和D-核糖(D-ribose)。
核苷是碱基和戊糖以糖苷键连接而成。糖环上的C1与嘌呤碱的N9或者嘧啶碱的N1相连接，所形成核苷的名称是以相应的碱基和戊糖而定，如腺嘌呤与核糖所形成的核苷为腺嘌呤核苷或简称腺苷，而与脱氧核糖形成的称为脱氧腺嘌呤核苷或简称脱氧腺苷。
核苷酸是核苷的戊糖羟基与磷酸脱水而成，磷酸均可以与戊糖环的第3'位，第5'位和第2'位(D-脱氧核糖2'无羟基)形成核苷酸，所形成的相应核苷酸分别称为3／-、5／-、2'—核苷酸，一般5'-核苷酸可简称核苷酸。各种核苷酸的命名则由相应的核苷名称加上酸，如腺苷所形成的5'-核苷酸，可称腺嘌呤核苷酸或简称腺苷酸，形成的3'-或2'-核苷酸，分别称为3'-腺嘌呤核苷酸、2'-腺嘌呤核苷酸，又可分别简称3'-腺苷酸、2'-腺苷酸。
DNA实际上是由四种脱氧核糖核苷酸聚合而成的线型多聚脱氧核苷酸；而RNA则是由四种核糖核苷酸聚合而成的线型多聚核苷酸。
2、核酸的结构
（1）、核酸的一级结构
生物大分子的结构概念与一般化学结构的概念不同，生物大分子的结构概念是在一般化学结构概念的基础上，对生物大分子整体的宏观逐步深入到微观。核酸的结构概念非常类同蛋白质的结构概念，目前一般划分为一级、二级、高级或称三维结构三个阶段。
核酸的一级结构是指构成核酸的四种基本组成单位——脱氧核苷酸(或者核苷酸)，通过3'，5，-磷酸二酯键彼此间连接起来的线型多聚体，以及其基本单位核苷酸的排列顺序。对于DNA就是4种脱氧核苷酸——脱氧腺苷酸、脱氧鸟苷酸、脱氧胸腺苷酸、脱氧胞苷酸，经3’，5’-磷酸二酯键连接的多聚体，以及这四种脱氧核苷酸的排列序列；对于RNA则是腺苷酸、鸟苷酸、尿苷酸、胞苷酸，经3'，5’-磷酸二酯键连接的多聚体，以及其排列顺序。尽管核酸只有四种核苷酸组成，但是，由于这四种核苷酸可以有任何的排列顺序，因而也就构成了核苷酸分子的多样性。例如，由100
