1 1 在分子水平在分子水平研究生命的科学研究生命的科学 目目 录录4 1.1 1.1 发展简史发展简史 v18世纪中期，Scheele开始研究生物体的化学组成，分离出甘油、柠檬酸、苹果酸、乳酸、尿酸，奠定生物化学基础。v1877年，Hoppe-Seyler首次使用“biochemistry”；1903年，Neuberg再次使用这一术语。v1938年，Waever在对洛氏基金董事会的年度报告中首次使用“molecular biology”；1945年，Astbury再次使用这一术语。 目目 录录5 1.1.1 1.1.1 酶学的建立和发展酶学的建立和发展 v1833年，Payen和Persoz首次发现酶。v1877年，Kuhne首次将可溶性的催化剂命名为“enzyme”，希腊语，“在酵母中”。v1857年，Pasteur提出只有活酵母才能进行发酵。v1897年，Buchner兄弟证明发酵是酶起作用，获得1907年诺贝尔化学奖。v1893年，Ostwald证明酶是催化剂。 目目 录录6 酶反应机制研究酶反应机制研究v1894年，Fischer提出酶与底物“锁和钥匙”假说。v1903年，Henri提出 “中间复合物学说”。 v1913年，Michaelis和Menten根据中间复合物学说推导出“米氏方程”，发展了酶促反应动力学理论。v1925年，Briggs和Haldane对米氏方程作了修正，提出 “稳态学说”。v1937年，Cori夫妇发现糖原磷酸化酶的可逆反应，获得1947年诺贝尔生理学或医学奖。v1961年，Monod等提出酶促反应机制是酶分子发生变构效应的假说。 目目 录录7 酶结构的研究酶结构的研究v1926年，Sumner首次证明酶是蛋白质。v1930-1936年，Northrop和Kunitz再次证实酶是蛋白质。Sumner和Northrop获得1946年诺贝尔化学奖。v1959年，Moore、Stein、Anfinsen首次测定核糖核酸酶124个氨基酸顺序，三人共获1972年诺贝尔化学奖。v1965年，Phillips首次用X射线衍射阐明鸡蛋清溶菌酶的三维结构。v1969年，Merrifield等人工合成了具有酶活性的胰核糖核酸酶。 目目 录录8 新的酶不断被发现新的酶不断被发现 v1912年，Batalli和Stern发现脱氢酶。v1933年，汤佩松发现植物中存在细胞色素氧化酶。v1943年，Green和Cori结晶出肌肉磷酸化酶。v1955年，Ochoa和Grunberg-Manago发现多核苷酸磷酸化酶。v1956年，Kornberg发现DNA聚合酶I。Ochoa和Kornberg获得1959年诺贝尔生理学或医学奖。v1958-1959年，Weiss和Hurwitz等发现DNA指导的RNA聚合酶。v1967年，Weiss发现DNA连接酶；Yuan发现第I类限制性核酸内切酶。目目 录录9v1970年，Smith提取出专一性很强的限制性核酸内切酶。vBaltimire、Temin和Dulbecco发现逆转录酶，3人于1975年获诺贝尔生理学或医学奖。v1981年，Altman和Cech发现具有酶功能的RNA分子，提出核酶（ribozyme）概念，2人于1989年获诺贝尔化学奖。v1986年，Schultz与Lerner等人成功研制抗体酶。v1995年，Szostak等首次报道了具有DNA连接酶活性DNA片段，称为脱氧核酶（deoxyribozyme）。目目 录录10 1.1.2 1.1.2 代谢途径的阐明代谢途径的阐明 v1785，Lavoisier证明动物需要O2，呼吸是氧化作用，认为酒精发酵是一系列化学过程，这是生物氧化以及能量代谢研究的开端。v1810年，Gay-Lussac推导出酒精发酵的反应式。v1850-1855年，Bernard从肝脏分离出糖原并证明它可以转变为血糖，发表了糖原异生作用的过程。v1907年，Fletcher和Hopkins证明缺氧条件下肌肉收缩时能定量地将葡萄糖转变为乳酸。v1912年，Neuberg描述了发酵的化学途径。 目目 录录11v1929年，Cori夫妇发现Cori循环。v1935年，Meyerhof、Embden和Parnas阐明糖酵解过程的全部12个步骤，糖酵解又称迈耶霍夫-埃姆登-帕纳斯途径。v1953年，Horecker、Dichens和Racker阐明磷酸戊糖旁路。v1905年，Knoop提出脂肪酸-氧化作用。v1964年，Bloch和Lynan因为在胆固醇和脂肪酸生物合成方面的研究获诺贝尔生理学或医学奖。v1985年，Brown和Goldstein因为在胆固醇代谢及相关疾病方面的发现获诺贝尔生理学或医学奖。 目目 录录12v1932年，Krebs和Hensleit提出鸟氨酸循环。5年后，Krebs又提出代谢的公共途径柠檬酸循环的设想，并在1940年做了实验证实。v1944年，Lipmann发现辅酶A，打通了糖酵解、脂肪酸等氧化的最终产物进入三羧酸循环的通道。v1947-1950年，Lipmann和Kaplan分离鉴定了辅酶A。vKrebs和Lipmann阐明了糖有氧氧化的三个阶段，他们获得1953年诺贝尔生理学或医学奖。v 1950-1965年，生物体内各种小分子的代谢途径基本阐明。 目目 录录13 能量代谢研究能量代谢研究 v1912年，Warburg发现细胞中有一种呼吸酶;1928年，发现呼吸酶中铁卟啉的性质，1931年获诺贝尔生理学或医学奖。v1931年，Engelhardt发现磷酸化作用与呼吸作用偶联。v1932年，Warbung和Christian在心肌制剂中重建了电子传递系统。 v1935年，Lohmann阐明了ATP的化学结构。v1943年，Ochoa证明三羧酸循环中氧化磷酸化的P:O为3:1。 目目 录录14v1951年，Lehninger证明从NADH到氧的电子传递是氧化磷酸化作用的直接能量来源。v1961年，Mitchell提出化学渗透偶联假说，解释氧化磷酸化和光合磷酸化的能量转化机制，获1978年诺贝尔化学奖。v1961-1968年，Racker等从线粒体分离出ATP合酶，以后在亚线粒体泡中重建了氧化磷酸化作用。v1997年，Boyer和Walker因为阐明了ATP合酶合成与分解机制，获诺贝尔化学奖。 目目 录录15 1.1.3 1.1.3 分子生物学崛起分子生物学崛起 v1868年，Miescher首先从浓细胞核中提取出富含氮和磷的酸性物质。v18791909年，Kossel、Levene等分析出核酸的4种碱基和两种核糖，Kossel获得1910年诺贝尔生理学或医学奖。v19251930年，Levene弄清了单核苷酸的结构并证明是核酸的组成单位。v1929年，Levene发现核酸有脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）之分。目目 录录16 证实核酸是遗传物质证实核酸是遗传物质 v1944年，Avery等报告肺炎双球菌的转化实验，证明转化因子是DNA而不是蛋白质。v1952年，Hershey和Chase证明噬菌体DNA携带着噬菌体复制的全部信息，再次证明DNA是遗传信息的载体。v1956年，Gierer和Schramm发现烟草花叶病毒里的遗传物质是RNA。v1957年，Franenkel 及Williams构建烟草镶嵌病毒，证实其遗传物质是RNA，而不是蛋白质。 目目 录录17 核酸结构研究核酸结构研究v1950年，Chargaff发现碱基间1:1的比例关系，称为“Chargaff规则”。vFranklin、Wilkins用X-射线衍射法研究DNA的晶体结构。v1953年，Watson和Crick提出 “双螺旋结构模型”。Watson、Crick以及Wilkins共获1962年诺贝尔生理学或医学奖。v1959年，Sinsheimer发现X174噬菌体含有单链DNA。v1979年，Rich和Wang发现左手螺旋DNA，命名为Z-DNA。目目 录录18 中心法则的提出中心法则的提出v1957年，Hogland、Stephenson、Scott和Zamecnik首次发现tRNA并对它们在合成蛋白质中转运氨基酸的功能提出了假设。v1958年，Meselson和Stahl为DNA半保留复制模型提供了实验证明；Crick提出“中心法则”。 v1968年，Okazaki提出DNA不连续复制学说。v1970年，Baltimore、Temin发现逆转录现象，对中心法则作了修正。目目 录录19 遗传密码的破译遗传密码的破译v1956年，Gamow提出三联体密码的假设，推论有64个密码。v1961年，Nirenberg和Matthei发现苯丙氨酸的遗传密码为UUU，这是第一个被破译的遗传密码。v1966年，Holley、Khorana、Nirenberg等破译了20种氨基酸的全部遗传密码，三人获1968年诺贝尔生理学或医学奖。v1979年，Macino等发现线粒体内存在变异的遗传密码。v1987年，Duve提出第二套遗传密码的假设。 目目 录录20 基因重组现象基因重组现象v1943年，Delbrck和Luria发现噬菌体的基因重组和细菌的自发突变。v1946年，Lederberg和Tatum发现了大肠杆菌的遗传重组现象。v1952年，Lederberg和Zinder在研究鼠伤寒沙门氏菌的重组时发现转导现象。v1958年,Lederberg获得诺贝尔生理学或医学奖。目目 录录21 基因工程的兴起基因工程的兴起v1971年，Berg把猴细胞病毒SV40的DNA与噬菌体的DNA在体外重组成功。v1973年，Cohen将外源DNA片段插入大肠杆菌质粒后产生嵌合质粒，导入大肠杆菌时仍具有功能，从此开创了基因工程。v1977年，Boyer和Riggs两个科研小组将人工合成的14肽生长激素释放抑制因子的基因导入大肠杆菌并表达成功。v1978年，Itakura等使人生长激素（191肽）基因在大肠杆菌中表达成功。v1978-1979年，美国基因技术公司将人工合成的人胰岛素基因导入大肠杆菌并表达成功。 目目 录录22v1980-1981年，Taniguchi用基因克隆技术制造出人类成纤维细胞干扰素。v1982年，用基因工程生产的人工胰岛素获得美、英、德、瑞士等国政府批准,上市销售,进入工业化生产。v1984年，Davis等将T细胞抗原受体基因克隆成功。v1986年，Furntani报导人的白细胞介素-基因分离成功。v1987年，Burke、Carle和Olson用人造酵母染色体（YACS）作为载体，将大片段外源DNA导入酵母细胞。目目 录录23 基因结构分析基因结构分析 v1954年，Benzer提出了顺反子、突变子、重组子的概念。v1955年，Benzer完成了基因精细结构图谱，肯定一个基因具有许多突变位点。v1979年，Goldberg和Hogness发现真核生物的DNA启动子的TATA构造，后称TATA盒。v1993年，Roberts与Sharp发现断裂基因获诺贝尔生理学或医学奖。目目 录录24 基因功能及调控基因功能及调控v1941年，Beadle和Tatum提出“一个基因一个酶”假说，获得1958年的诺贝尔生理学或医学奖。v1957年，Vogel、Magasanik等提出酶合成中的遗传阻遏。v1961年，Jacob和Monod提出了操纵子学说，他们于1965年获诺贝尔生理学或医学奖。v1995年，Lewis、Wieschaus与Volhard建立动物基因控制早期胚胎发育的模式。三人获诺贝尔生理学或医学奖。v2001年，Hartwell发现细胞周期分裂基因。目目 录录25 癌基因与抗癌基因癌基因与抗癌基因 v1957年，Armitage和Doll提出二次突变假说（two-hit hypothesis）。v1971年，Knudson认为野生型基因产物可以抑制肿瘤产生，他称该基因为肿瘤抑制基因。v1982年，Tabin等及Reddy等发现人类癌基因突变，证明一个氨基酸的变异就能导致癌变。v1987年，Whyte、Buchkovich、Horowitz等发现癌基因的活化或抗癌基因的钝化是肿瘤产生的前提。v1989年，Bishop与Varmus证明癌症的起因是致癌基因，而不是病毒，由此获得诺贝尔生理学或医学奖。 目目 录录26 酵母丙氨酸酵母丙氨酸tRNAtRNA的研究的研究 v1965年，Holly等分析了酵母丙氨酸tRNA全部77个核苷酸序列。v1970-1972年，Khorana人工合成了酵母丙氨酸tRNA的基因。v1973和1977年，Kim、Rich先后用0.4nm和0.25nm X-射线分析法测定了酵母丙氨酸tRNA的三级结构。v1981年，王德宝等一批研究人员合成了酵母丙氨酸tRNA，这是人工合成的第一个具有生物活性的核酸分子。 目目 录录27 核酸一级结构分析核酸一级结构分析v1968年，Sanger测定了5S rRNA的一级结构。v1975年，Sanger建立分析DNA碱基序列的方法。v1976年，Mexam和Gilbert建立快速测定大片段DNA序列的化学法。v1977年，Sanger提出用链终止抑制法测定DNA序列，并完成174噬菌体全部5400个碱基序列的分析。Gilbert、Sanger获得1980年诺贝尔化学奖。v1978年，Fiers等测定了SV-40病毒DNA的一级结构。以后，乙型肝炎病毒、艾滋病病毒等基因组的全序列陆续被测定。 目目 录录28 人类基因组计划人类基因组计划 v1985年，Sinsheime率先提出人类基因组研究计划。v1986年，Dulbecco指出，要彻底解决肿瘤问题必须对人的基因组进行全面测序。v1987年，美国政府正式启动人类基因组计划（human genome project，HGP）。v1998年，中国相继成立了国家人类基因组南、北方研究中心。 v1999年，中国正式加入“国际人类基因组测序联盟”（International Human Genome Sequencing Consortium，IHGSC），由美、英、法、德、日五国扩展为六国。 目目 录录29v1998年，Gene Bank公布最新人类“基因图谱98”，提供了30181条基因定位的信息。v2000年，果蝇和拟南芥的基因组测序完成。v2000年6月26日宣布人类基因组草图完成。v2001年2月15日发表了根据人类基因组94序列草图作出的初步分析。v2002年，水稻、小鼠、疟原虫和按蚊基因组测序完成。v2003年4月14日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提前完成。 目目 录录30 1.1.4 1.1.4 蛋白质的研究蛋白质的研究 v1838年，Mulder对蛋白质进行初步研究。v1864，Hoppe-Seyler第一次结晶出血红蛋白。v1938年，Bernal、Frankuchen和Perutz对血红蛋白进行X-射线研究。v1949年，Pauling等证明镰形红细胞贫血有异常血红蛋白存在，提出分子病（molecular disease）概念。v1956年，Ingram证明镰形细胞血红蛋白一条多肽链末端第6位谷氨酸被缬氨酸取代。v1959年，Perutz和Kendrew完成血红蛋白晶体结构分析，二人获1962年诺贝尔化学奖。 目目 录录31 胰岛素的研究胰岛素的研究v1923年，Banting和Macleod分离提纯出胰岛素，并获诺贝尔生理学或医学奖。v1953年，Sanger和Thompson完成了胰岛素A及B链氨基酸序列测定。v1956年，Sanger报道了整个胰岛素分子的氨基酸序列，获1958年诺贝尔化学奖。v1959年，邹承鲁等完成了胰岛素A、B两链的拆合研究，使胰岛素的生物活性失而复得。v1965年，纽经义、汪猷、季爱雪等历经七年完成了牛胰岛素的人工合成，这是世界上第一例人工合成的有生物活性的蛋白质。目目 录录32 新的蛋白质不断被发现新的蛋白质不断被发现 v1986年，Montalcini与Cohen发现神经生长因子和表皮生长因子，因此获诺贝尔生理学或医学奖。v1994年，Gilman与Rodbell发现G蛋白质以及它们在细胞信号转导中的作用，并因此获诺贝尔生理学或医学奖。v1999年，Blobel发现细胞中蛋白质有其内在的运输和定位信号，获诺贝尔生理学或医学奖。v2001年，Hartwell、Hunt和Nurse发现周期蛋白依赖性激酶及周期蛋白，获诺贝尔生理学或医学奖。v2003年，Agre和Mackinnon发现真核细胞膜水通道蛋白获诺贝尔化学奖。 目目 录录33 蛋白质分子结构蛋白质分子结构v1902年，Fischer和Hofmeister证明蛋白质是多肽，提出肽键理论。v1931年，吴宪提出蛋白质变性理论，即蛋白质变性是由于蛋白质的结构发生了变化。v1936年，Mirsky和Pauling发展了氢键理论。变性时氢键破坏，结构随之破坏。v1950年，Pauling和Corey提出-螺旋结构模型。v19561958年，Anfinsen和White肯定蛋白质的空间构象由氨基酸序列决定。v 1965年，Monod提出蛋白质的别构学说。 目目 录录34 多肽一级结构的测定多肽一级结构的测定 v1945年，Brand首次报导-乳球蛋白的全部氨基酸组成的分析结果。v1969年，Edelman与Porter完成人的免疫球蛋白G1的氨基酸序列分析。v1973年，Moore和Stein设计出氨基酸序列自动测定仪。v1985年，Chambon、Greene等克隆雌性激素受体，阐明此受体的一级结构。 目目 录录35 蛋白质组学的兴起蛋白质组学的兴起v1996年，澳大利亚建立了世界上第一个蛋白质组研究中心（Australia Proteome Analysis Facility，APAF）。v2001年4月，美国成立了国际人类蛋白质组研究组织（Human Proteome Organization，HUPO），启动人类蛋白质组计划（Human Proteome Project）。v2001年，Venter公布绘制人类蛋白质组图谱的计划。目目 录录36 1.2 1.2 主要内容主要内容 v静态生化：生物体的物质组成、性质及其含量，并对这些组分进行分离、纯化及结构测定；v动态生化:各种物质在体内的代谢变化及其调节；v机能生化：生物分子的结构与功能；v临床生化:人体重要组织器官的代谢特点。v分子生物学：研究基因以及基因组的结构与功能和基因信息的传递、调控及生物学效应。 目目 录录37 生物化学与分子生物学生物化学与分子生物学主要内容的相互关系主要内容的相互关系 代谢及调控代谢及调控生物大分子生物大分子酶酶细胞信号转细胞信号转导导维生素维生素微量元素微量元素目目 录录38 1.2.1 1.2.1 生物体的物质组成生物体的物质组成v地球上92种天然元素中约有1/3在生物体内被发现，不存在所谓的“生命元素”。v基本元素：包括C、H、O、N四种元素，约占生物体总质量的99%以上。v少量元素：包括S、P、Cl、Ca、K、Na、Mg。v微量元素：包括Fe、Cu、Co、Mn、Zn、Al、As、B、Br、Cr、F、Ga、I、Mo、Se、Si等。 目目 录录39 人体物质组成人体物质组成v水5567。v蛋白质1518。v脂类1015。v无机盐34。v糖类12。v核酸、维生素、激素、肽、氨基酸、核苷酸等。 目目 录录40 3030种基本的生物小分子种基本的生物小分子v20种编码氨基酸。v5种芳香族碱基（2种嘌呤和3种嘧啶）。v2种单糖（葡萄糖和核糖）。v脂肪酸、甘油和胆碱。v生物化学与分子生物学的“字母表”。 目目 录录41 1.2.2 1.2.2 新陈代谢新陈代谢v新陈代谢（metabolism）指生物体与外界环境之间的物质和能量交换以及生物体内物质和能量的转变过程，是生物体内全部有序化学变化的总称。v新陈代谢过程中，既有同化作用，又有异化作用。同化作用是合成代谢，是生物体从外界摄取营养物质并转变为自身物质同时储存能量的过程。异化作用是分解代谢，是生物体自身物质被氧化分解同时释放能量，并且把分解的终产物排出体外的过程。v新陈代谢包括物质代谢和能量代谢，物质代谢包含能量代谢，能量代谢以物质代谢为依托。 42 人体新陈代谢人体新陈代谢v按60岁计算，人与环境交换的物质量大约有60t水、10t糖类、1.6t蛋白质、1t脂类。v人体新陈代谢分成消化吸收、中间代谢和排泄三个阶段。v大分子的营养物质被分解成小分子的构件分子，与体内相同的小分子混合起来形成“代谢库”，共同参与中间代谢。v在合成代谢中，小分子作为原料合成大分子，满足组织细胞生长、增殖、修补、替换的需求；在分解代谢中，小分子进一步分解释放能量，满足生命活动的需要。目目 录录43 中间代谢与中间代谢与代谢网络代谢网络v中间代谢在细胞内进行，包括合成代谢、分解代谢、能量代谢以及代谢调控等。合成代谢涉及能量的储存，分解代谢涉及能量的释放。v中间代谢包含一系列化学反应，这些化学反应主要在细胞内进行并由酶催化，因此称为“代谢反应”。v代谢反应组成一条条“代谢途径”，最后形成复杂的“代谢网络”。 目目 录录44 1.2.3 1.2.3 生物大分子生物大分子v核酸是生命的蓝图，负责储存遗传信息；蛋白质是生命蓝图的产物，负责参与各种生命活动。 v大多数生物将遗传信息储存在DNA中，只有RNA病毒将遗传信息储存在RNA中。v生物体的各种生命活动就是各种蛋白质的功能体现。无论是遗传信息传递还是细胞信号转导都离不开蛋白质。 目目 录录45 1.2.4 1.2.4 中心法则中心法则 目目 录录46 1.3 1.3 学科地位学科地位v20世纪50年代的双螺旋结构v20世纪60年代的操纵子学说v20世纪70年代的基因工程v20世纪80年代的PCR技术v20世纪90年代的DNA测序v21世纪初的蛋白质组学 目目 录录47 1.3.1 1.3.1 与医学的关系与医学的关系 v生化研究正常生命现象，医学研究异常生命现象，两者有共同语言。v生化理论对医学具有指导作用。v医学所揭示出的一些复杂疾病为生物化学与分子生物学的深入研究提供素材。v生物化学与分子生物学的内容已融入相关学科，形成一批“分子”类边缘学科，如分子生理学、分子药理学、分子免疫学、分子诊断学、分子流行病学等。 目目 录录48 v根据发病机制及病原体与人体在代谢和调控上的差异，设计或筛选出高效低毒的药物。v生化药物是用生化理论和技术制备的具有治疗作用的生物活性物质。v药物基因组学(pharmacogenomics)是20世纪90年代末发展起来的基于功能基因组学和分子药理学的一门科学。研究基因序列多态性与药物效应多样性之间关系，开发药物，指导用药。 目目 录录49 1.3.2 1.3.2 医学的发展方向医学的发展方向 v单克隆抗体、单域抗体、单链抗体、嵌合抗体、重构抗体、双功能抗体等。v基因疫苗（gene vaccine）可进行免疫预防和治疗，能产生单克隆抗体和多克隆抗体，无自身免疫现象。 v基因诊断能诊断疾病、预测疾病、指导用药、评价疗效。v基因治疗从单基因遗传病扩展到复杂疾病。 v基因组医学使医学更具个性化。 目目 录录50vDNA芯片一次可以检测上千个片段的遗传差异，可以高效进行分子诊断，可以鉴定个人基因组的表达格局，即基因组的生物学密码。 v基因组医学和分子医学代表医学发展方向。v在诊断方面，预测性检查能将诊断和预防联系在一起。v在治疗方面，以特定基因为目标的基因药物和基因疫苗的研发和针对特定基因型的个性化用药将成为主流。 目目 录录51个人观点供参考，欢迎讨论