分子生物学的产生与发展

分子生物学的产生与发展

分子生物学是指从分子水平研究生物大分子的结构与功能从而阐明生命现象本质的科学。不同于传统的生物物理学和生物化学，研究某一特定生物体或某一种生物体内的某一特定器官的小分子物质在生物体内的物理、化学变化，分子生物学着重在大分子研究水平上，主要是蛋白质、核酸、直至体系以及部分多糖及其复合体系，阐明整个生物界所共同具有的基本特征。1953年沃森、克里克提出DNA分子的双螺旋结构模型是分子生物学诞生的标志。而在DNA分子的双螺旋结构模型发现以前，对蛋白质、核酸的发现和认识为后来分子生物学的发展奠定基础，整个分子生物学发展的准备阶段可以追溯到19世纪中期。

一、蛋白质的发现和认识

19时期前半世纪，法国化学家盖·吕萨克发现酵母可以将糖转化为酒精。1833年，帕耶恩和珀索兹从麦芽提取液中得到一种对热不稳定的物质，它可以使淀粉水解为可溶性糖，这种物质是历史上发现的第一个酶——淀粉糖化酶。1835年伯齐利厄斯提出了催化作用概念，生化现象中起催化作用的物质被称为酵素或者生物催化剂。1878年费德里克·威廉·库恩指出，发酵现象中不是酵母本身，而是酵母中的某种物质催化了酵解反映，被给这种物质取名为酶。1897年爱德华•毕希纳发现一种离体酵母提取物可以使酒精发酵，即酵母细胞产生一种酶，这种酶引起发酵，他们证明离体酵母提取物可以象活体酵母细胞一样将葡萄糖转变为酒精和二氧化碳。也就是说，这一转变并不依赖于酵母细胞，而是依赖于无生命的酶。由此奠定了现代生物化学的基石。德国化学家费歇尔，生物化学的创始人，1899年开始对氨基酸、多肽及蛋白质的研究，发展和改进了许多分析方法，认识了19种氨基酸，并认为蛋白质都是由20种氨基酸以不同数量比例和不同排列方式结合而成的。

经过一个半世纪的摸索，人们从酵母中率先认识到能对生物产生催化作用的酶，进而继续研究开始对蛋白质的认识。直到19世纪末期，费谢尔发现蛋白质是由20种氨基酸按不同比例组合而成的。根据不同的排列组合，形成我们机体形形色色的蛋白质物质，成为构成细胞的基本有机物，它们生命活动的主要承担者，至此，对蛋白质的认识开启了人们进一步研究生命的大门，同时也奠定了生物化学的基础。

二、核酸的发现和认识

1869年瑞士生物化学家约翰•米歇尔在蒂宾根研究脓细胞的时候获得了十分重要的发现。当时人们认为脓细胞主要是由蛋白质构成，然而米歇尔注意到某种不属于迄今已知的任何蛋白质物质的存在。事实上，他证明了这种物质完全不是蛋白质并且不受消化蛋白酶——胃蛋白酶的影响。他同时还证明这种新物质仅仅来自细胞核，因此取名为“核素”，1889年，阿尔特曼命名了“核酸”一词。德国生物化学家科塞尔，细胞化学的奠基人，他在著作《细胞核的化学成分》中提到：核物质也是这种组成，化学分析表明，首先在许多情况下核物质分解成两部分，其中之一有蛋白质特性。这部分除正常的蛋白质外，不具有其他原子团。然而，另一部分有特殊的结构，已给它命名为核酸。他又进一步提出，核酸包含4种含氮基团：胞嘧啶、胸腺嘧啶、腺嘌呤、鸟嘌呤。1910年因其对蛋白质和核酸的研究荣获诺贝尔生理学与医学奖。至此，核酸进入到研究领域，在接下来的时间里，人们开始对核酸及其性质进行研究。

1909年，俄裔美国生物化学家莱文和雅各布斯通过鉴定存在于酵母核酸中的碳水化合

物戊糖是核糖，从而纠正了科塞尔认为是六碳糖的观念。1929年莱文及其同事才成功地鉴定了胸腺核酸中的碳水化合物，它也是一个戊糖，但缺少核糖的一个氧原子，被称为2－脱氧－D－核糖。1928年，英国军医格里菲斯以老鼠实验发现，将活的良性肺炎双球菌与死的肺炎双球菌混合，可以引起转型，得到活的恶性菌，使老鼠死亡，该实验证明DNA是遗传物质。1944年美国细菌学家埃弗里和麦克劳德、麦卡锡共同发现不同型的肺炎双球菌的转化因子是DNA。赫希和蔡斯按照赫里奥特的思路设计的噬菌体侵染实验，再次证明DNA 是基因的化学基础

由于X射线晶体衍射分析技术的发展，1937年英国生物物理学家阿斯特伯里首次以X 射线衍射法研究核酸，尽管他对结构的测量有错误，但这是重要的最初探索，并导致鲍林对蛋白质以及沃森和克里克对核酸的工作。1950年鲍林和科里提出了α-角蛋白的α-螺旋结构模型。所以在这阶段对蛋白质一级结构和空间结构都有了认识。1953年2月28日，沃森和克里克摆出了正确的DNA双螺旋结构，《自然》杂志随后发表了他们的DNA双螺旋结构假说《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型》，同年5月，沃森和克里克在《自然》杂志上又发表一篇论文，讨论了遗传物质复制的机制，这无疑是20世纪最伟大的发现之一。

所以，核酸的发现是这一阶段的重大突破，核酸包括脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA），通过噬菌体侵染实验证明DNA是基因的化学基础，即证明核酸是遗传物质。人们对生命的认知从蛋白质上升到另一个阶段，主导生命体运作的另一大高分子基础物质进入人们的视野。此外，结晶X射线晶体衍射技术使人们对蛋白质和核酸的结构的了解提供技术支持，沃森和克里克发现的DNA双螺旋结构有里程碑式的意义。

三、中心法则的提出

1957年，克里克在揭示DNA双螺旋结构的基础上提出了著名的“中心法则”，它是现代生物学中最基本的规律之一，标志着分子生物学理论的成熟。

中心法则是指遗传信息从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译的过程。也可以从DNA传递给DNA，即完成DNA的复制过程。这是所有有细胞结构的生物所遵循的法则。在某些病毒中的RNA自我复制（如烟草花叶病毒等）和在某些病毒中能以RNA为模板逆转录成DNA的过程（某些致癌病毒）是对中心法则的补充。简单来说，遗传信息的流程可以描述为：DNA制造RNA，RNA制造蛋白质，蛋白质反过来协助前两项流程，并协助DNA自我复制。

克里克认为遗传信息的流向体现了中心法则遗传学意义：遗传信息并不一定是从DNA 单向地流向RNA，RNA携带的遗传信息同样也可以流向DNA。但是DNA和RNA中包含的遗传信息只是单向地流向蛋白质，迄今为止还没有发现蛋白质的信息逆向地流向核酸。然而，反转录酶的发现，使中心法则对关于遗传信息从DNA单向流入RNA做了修改，发现遗传信息是可以在DNA与RNA之间相互流动的。那么，对于DNA和RNA与蛋白质分子之间的信息流向是否只有核酸向蛋白质分子的单向流动，还是蛋白质分子的信息也可以流向核酸，中心法虽然肯定前者，但是病原体朊粒的行为曾对中心法则提出了严重的挑战。由此可见，任何一种假设都要经受科学事实的检验，而中心法则虽然是现代生物学的奠基理论，仍然需要历经漫长的研究道路。