上述重要发现共同建立了以中心法则为基础的分子遗传学基本理论体系。1970年Temin和Baltimore又同时从鸡肉瘤病毒颗粒中发现以RNA为模板合成DNA的反转录酶，又进一步补充和完善了遗传信息传递的中心法则。

对蛋白质结构与功能的进一步认识 1956-58年Anfinsen和White根据对酶蛋白的变性和复性实验，提出蛋白质的三维空间结构是由其氨基酸序列来确定的。 1958年Ingram证明 正常的血红蛋白与镰刀状细胞溶血症病人的血红蛋白之间，亚基的肽链上仅有一个氨基酸残基的差别，使人们对蛋白质一级结构影响功能有了深刻的印象。

与此同时，对蛋白质研究的手段也有改进 1969年Weber开始应用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质分子量； 60年代先后分析得血红蛋白、核糖核酸酶A等一批蛋白质的一级结构； 1973年氨基酸序列自动测定仪问世。 中国科学家在1965年人工合成了牛胰岛素；在1973年用1.8AX-线衍射分析法测定了牛胰岛素的空间结构，为认识蛋白质的结构做出了重要贡献。

（三） 初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段 　　70年代后，以基因工程技术的出现作为新的里程碑，标志着人类深入认识生命本质并能动改造生命的新时期开始。其间的重大成就包括：

1.重组DNA技术的建立和发展 分子生物学理论和技术发展的积累使得基因工程技术的出现成为必然。 1967-1970年R.Yuan和H.O.Smith等发现的限制性核酸内切酶为基因工程提供了有力的工具；　

1972年Berg等将SV-40病毒DNA与噬菌体P22DNA在体外重组成功，转化大肠杆菌，使本来在真核细胞中合成的蛋白质能在细菌中合成,打破了种属界限； 1977年Boyer等首先将人工合成的生长激素释放抑制因子14肽的基因重组入质粒，成功地在大肠杆菌中合成得到这14肽； 1978年Itakura（板仓）等使人生长激素191肽在大肠杆菌中表达成功； 1979年美国基因技术公司用人工合成的人胰岛素基因重组转入大肠杆菌中合成人胰岛素。

至今我国已有人干扰素、人白介素2、人集落刺激因子、重组人乙型肝炎疫苗、基因工程幼畜腹泻疫苗等多种基因工程药物和疫苗进入生产或临床试用，世界上还有几百种基因工程药物及其它基因工程产品在研制中，成为当今农业和医药业发展的重要方向，将对医学和工农业发展作出新贡献。

取食含有足量锌的食物后，就会长得非常大。培育得到比原小鼠个体大几倍的“巨鼠”，激起了人们创造优良品系家畜的热情。 转基因动植物和基因剔除动植物的成功是基因工程技术发展的结果。 转基因动物： 1982年Palmiter等将克隆的一个能够被锌调控的DNA元件与大鼠生长激素基因导入小鼠受精卵细胞核内，从而培育出了第一批转基因小鼠。这些转基因小鼠长期 取食含有足量锌的食物后，就会长得非常大。培育得到比原小鼠个体大几倍的“巨鼠”，激起了人们创造优良品系家畜的热情。

我国水生生物研究所将生长激素基因转入鱼受精卵，得到的转基因鱼的生长显著加快、个体增大； 转基因猪也正在研制中。1月11日从台湾大学举行的记者会上获悉，台湾大学生殖科技研究团队已成功研制出3只“绿色萤光猪”，研究领先国际水平。

用转基因动物还能获取治疗人类疾病的重要蛋白质，导入了凝血因子Ⅸ基因的转基因绵羊分泌的乳汁中含有丰富的凝血因子Ⅸ，能有效地用于血友病的治疗。

从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物tPA

植物基因工程在种植业生产上显示了更好的应用前景 转基因植物技术

1994年能比普通西红柿保鲜时间更长的转基因西红柿投放市场，

1996年转基因玉米、转基因大豆相继投入商品生产，美国最早研制得到抗虫棉花， 我国科学家将自己发现的蛋白酶抑制剂基因转入棉花获得抗棉铃虫的 棉花株。 到1996年全世界已有250万公顷土地种植转基因植物。 转基因彩棉

基因诊断与基因治疗是基因工程在医学领域发展的一个重要方面。 1991年美国向一患先天性免疫缺陷病（遗传性腺苷脱氨酶ADA基因缺陷）的女孩体内导入重组的ADA基因，获得成功。 我国也在1994年用导入人凝血因子Ⅸ基因的方法成功治疗了乙型血友病的患者。在我国用作基因诊断的试剂盒已有近百种之多。基因诊断和基因治疗正在发展之中。　　

例：重症综合性免疫缺乏症（SCID） 1990年，转基因T淋巴细胞注射到人体骨髓组织中治疗SCID

这时期基因工程的迅速进步得益于许多分子生物学新技术的不断涌现。包括： 核酸的化学合成从手工发展到全自动合成，1975-1977年Sanger、Maxam和Gilbert先后发明了三种DNA序列的快速测定法；90年代全自动核酸序列测定仪的问世； 1985年Cetus公司Mullis等发明的聚合酶链式反应（PCR）的特定核酸序列扩增技术，更以其高灵敏度和特异性被广泛应用，对分子生物学的发展起到了重大的推动作用。

聚合酶链式反应（PCR） PCR技术就是在体外中通过酶促反应有选择地大量扩增（包括分离）一段目的基因的技术。

PCR技术的发明 PCR的发明是DNA操作技术的革命 美国Mullis教授 开汽车时的联想 逶迤崎岖的山路——DNA双螺旋 …… 1988年发明了PCR技术 1993年获得诺贝尔奖

2.基因组研究的发展 目前分子生物学已经从研究单个基因发展到研究生物整个基因组的结构与功能。 　　目前分子生物学已经从研究单个基因发展到研究生物整个基因组的结构与功能。 1977年Sanger测定了ΦX174-DNA全部5375个核苷酸的序列； 1978年Fiers等测出SV-40DNA全部5224对硷基序列； 80年代λ噬菌体DNA全部48,502硷基对的序列全部测出； 一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因组的全序列也陆续被测定；

1992年，酵母3号染色体DNA的全部315 357个碱基序列的测定，这是人类完成的第一条真核生物染色体DNA的全序列。 1996年底许多科学家共同努力测出了大肠杆菌基因组DNA的全序列长4x106硷基对。测定一个生物基因组核酸的全序列无疑对理解这一生物的生命信息及其功能有极大的意义。

1990年人类基因组计划（HumanGenomeProject）开始实施，这是生命科学领域有史以来全球性最庞大的研究计划。测定出人基因组全部DNA3x109硷基对的序列、确定人类约5-10万个基因的一级结构，这将使人类能够更好掌握自己的命运。

1995年，科学家们获得了人类第3、第16和第22号染色体的高密度物理图。 1996年，科学家们完成酵母其他15条染色体的碱基序列测定。 1997年，大肠杆菌基因组序列测定宣告完成。 1999年12月1日，科学家们宣布，人类第22号染色体，含3.34×107个碱基序列的测定已经全部完成，这是人类完成的第一条人类自身染色体的全序列测定。 2000年6月26日，人类基因组工作框架图完成，标志着功能基因组时代的到来。 科学家们对人类基因组的性质和作用的认识在不断地深化。 未来：健康领域、基础科学研究领域……

3.单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展 　　1975年Kohler和Milstein首次用B淋巴细胞杂交瘤技术制备出单克隆抗体以来，人们利用这一细胞工程技术研制出多种单克隆抗体，为许多疾病的诊断和治疗提供了有效的手段。 80年代以后随着基因工程抗体技术而相继出现的单域抗体、单链抗体、嵌合抗体、重构抗体、双功能抗体等为广泛和有效的应用单克隆抗体提供了广阔的前景。

4.基因表达调控机理 分子遗传学基本理论建立者Jacob和Monod最早提出的操纵元学说打开了人类认识基因表达调控的窗口，在分子遗传学基本理论建立的60年代，人们主要认识了原核生物基因表达调控的一些规律。

70年代以后才逐渐认识了真核基因组结构和调控的复杂性。 1977年最先发现猴SV40病毒和腺病毒中编码蛋白质的基因序列是不连续的，这种基因内部的间隔区（内含子）在真核基因组中是普遍存在的，揭开了认识真核基因组结构和调控的序幕。 1981年Cech等发现四膜虫rRNA的自我剪接，从而发现核酶（ribozyme）。 80-90年代，使人们逐步认识到真核基因的顺式调控元件与反式转录因子、核酸与蛋白质间的分子识别与相互作用是基因表达调控根本所在。

真核生物基因表达的调控可发生在不同水平上

5.细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域 　 细胞信号转导机理的研究可以追述至50年代。 Sutherland1957年发现cAMP、1965年提出第二信使学说，是人们认识受体介导的细胞信号转导的第一个里程碑。

1977年Ross等用重组实验证实G蛋白的存在和功能，将G蛋白与腺苷环化酶的作用相联系起来，深化了对G蛋白偶联信号转导途径的认识。

70年代中期以后，癌基因和抑癌基因的发现、蛋白酪氨酸激酶的发现及其结构与功能的深入研究、各种受体蛋白基因的克隆和结构功能的探索等，使近10年来细胞信号转导的研究更有了长足的进步。 目前，对于某些细胞中的一些信号转导途径已经有了初步的认识，尤其是在免疫活性细胞对抗原的识别及其活化信号的传递途径方面和细胞增殖控制方面等都形成了一些基本的概念，当然要达到最终目标还需相当长时间的努力。

以上简要介绍了分子生物学的发展过程，可以看到在近半个世纪中它是生命科学范围发展最为迅速的一个前沿领域，推动着整个生命科学的发展。 至今分子生物学仍在迅速发展中，新成果、新技术不断涌现，这也从另一方面说明分子生物学发展还处在初级阶段。

分子生物学已建立的基本规律给人们认识生命的本质指出了光明的前景，但分子生物学的历史还短，积累的资料还不够，例如：在地球上千姿万态的生物携带庞大的生命信息，迄今人类所了解的只是极少的一部分，还未认识核酸、蛋白质组成生命的许多基本规律；我们已经获得人类基因组DNA3x109bp的全序列，确定了人的5-10万个基因的一级结构，但是要彻底搞清楚这些基因产物的功能、调控、基因间的相互关系和协调，要理解80%以上不为蛋白质编码的序列的作用等等，都还要经历漫长的研究道路。可以说分子生物学的发展前景光辉灿烂，道路还会艰难曲折。

四、分子生物学的兴起改变了生物学的面貌 生物学在20世纪取得了巨大的进展，数理科学广泛而又深刻地渗入生物学的结果，全面改变了生物学的面貌，开辟了在分子水平研究生命现象的新学科—分子生物学。

分子生物学的研究，涉及生命现象最本质的内容，把在各个层次的生命活动有机地联系起来，在新的高度上揭示生命的奥秘。 分子生物学渗入生物学每一个分支的结果，全面地推动了生物学的发展。细胞生物学和神经生物学，已相继进入分子水平，成为生物学领域内新的生长点。但它们已经不是原来的经典学科，而是以分子水平研究为基础的，面貌全新的现代细胞生物学和现代神经生物学。即使最古老的生物分类和进化也因为分享了分子生物学的成果而焕发青春。

50年代DNA双股螺旋结构的确立和X-射线衍射蛋白质空间结构的测定奠定了分子生物学的基础。 生物学研究进入分子水平，才得以从本质上去探讨生命活动的规律，因此分子生物学成为当代生命科学基础研究中的前沿，开辟了现代生物学的全新局面. 在另一方面,它又使生物学以空前主动的势态，对人类物质生产和社会生活产生重大影响。1973年重组DNA获得成功，开创了基因工程。以此为基础，生物技术作为前途远大的高技术产业在世界范围兴起，生物工程将成为现代化的大工业，与此同时还极大地推动了医学和农业科学的实践。在这些领域中正在展示出的广阔的应用前景，必将又一次引起人类社会和经济生活的革命。

1.组成生物体的基本物质 分子生物学的兴起首先建立在对组成生物体的基本物质的认识上。构成生物体的物质种类很多，但其中最重要的无疑是蛋白质和核酸。

蛋白质是生命活动的主要承担者，一切生命活动无不与蛋白质有关。新陈代谢是生命活动的主要特征，而构成新陈代谢的所有化学变化，都是在酶的催化之下进行的，除最近发现的极少数具有催化功能的核糖核酸以外，所有的酶都是蛋白质。生长，运动，呼吸，免疫，消化，光合作用，以及对外界环境变化的感觉并作出必要的反应等，都必须依靠蛋白质来实现。虽然遗传信息的携带者是核酸，但遗传信息的传递和表达仍然是在酶的催化之下，并且也是在蛋白质的调节控制之下进行的。

每一个蛋白质都有它自己的一定的氨基酸序列和一定的空间结构。50年代中，胰岛素分子的氨基酸序列及二硫键连接方式的阐明，是蛋白质一级结构测定的开始。40年来氨基酸序列被测定的蛋白质已有数千。蛋白质分子，除有以氨基酸组成的并有一定顺序的肽链结构以外，还具有肽链在空间的卷曲折叠而形成的三维空间结构，第一个被测定空间结构的蛋白是肌红蛋白。只有处在这种特定的三维结构中的蛋白质分子才是能够发挥生物功能的活性蛋白。因此，即使肽链的氨基酸序列不变，只要空间结构被破坏，就会导致蛋白质功能的丧失。蛋白质在肽链保持完整下空间结构的破坏，称为蛋白质的变性，这一概念是我国科学家吴宪在30年代初根据他在国内的工作首先提出来的，长期来被国际上广泛接受。

蛋白质晶体X-射线衍射仍然是蛋白质空间结构测定的主要方法，已经确定空间结构并存入数据库的蛋白质已达1000个以上，但是这些一级结构和空间结构被测定的蛋白质，只不过是自然界数以百万计的蛋白质中的一个微不足道的部分。在结构研究领域内，近20年来发展起来的二维核磁共振方法已经显示了它对蛋白质在溶液中的空间结构和运动状态方面研究的优势，现已解出了上百个较小蛋白质的结构，也许会在不远的将来为生物大分子空间结构测定带来又一次突破。

结构与功能关系的研究，一直是蛋白质研究的核心问题之一。 过去最常用的方法，是用化学方法修饰蛋白质的侧链基团，以观察对蛋白质生物活性的影响。现在，体外基因突变技术，特别是定点突变的发明使可以任意改变蛋白质分子中的氨基酸残基，并观察其对生物功能的影响。

另一个重要的问题是蛋白质空间结构与其生物活性的关系。我们新近的研究结果指出，空间结构对酶的功能至关重要，即使极其细微的扰乱，也会导致酶活力的丧失。但是，蛋白质分子并不是一个刚性分子，它的空间结构在一定程度上是在不断运动之中，即使在晶体状态下运动也不停止。实际上，蛋白质的功能不仅与分子结构本身密切相关，而且必须依赖于结构的这种运动性能，酶分子活性部位的一定程度的柔性，亦即可运动性，正是酶充分发挥其催化功能所必需的。

核酸是遗传信息的承担者。绝大多数生物体的遗传信息存在于DNA分子之中，DNA的复制构成了遗传的分子基础。这一复制过程是极为可靠的，发生错误的可能性虽然仅为一万亿分之一。

50年代X-射线衍射DNA分子双股螺旋结构的测定，是分子生物学发展史上的一个里程碑。此后虽然又发现了DNA分子中有不同类型的双股及三股螺旋结构，但是核酸分子的主要生物功能仍然是由特定的双股螺旋承担。

核酸的序列测定也是分子生物学中的一个突破，并且取得了极大的进展。全自动序列测定仪的出现和不断改进，不仅已经使蛋白质氨基酸序列的测定逐渐被它的编码DNA的序列测定来代替，而且使人类基因组 DNA全序列的测定得以提上日程，并引起全世界科学界的巨大兴趣及争议。人类基因组含有30亿个碱基对，它的全测定，是生物学领域中的第一项所谓大科学。全部完成后，如果印成书，以每面3000个印刷符号计，会有100万页，这将远远超过现有的任何一种百科全书的篇幅。

对这一工作也有不同看法，支持者认为，这一宏伟计划的完成将使我们能从根本上掌握人体所有生命活动的遗传信息，因此应该可以对现在还不能控制的各种危及人类生命的常见病，遗传病以及癌症，找到根本的解决办法。反对者则认为，人体基因组中大部分DNA序列不编码任何蛋白，其功能还不清楚，集中大量资金解决其全序列未必能达到期望的宏伟目标，并势必影响其他急需科学项目的投资。再者，这项工作较多的是需要工作量的积累，看不出可以全面推动和促进生物学发展的前途，因此在基础研究和实际应用两方面，似乎都将是得不偿失的。

2.生命活动的基本规律 遗传信息由DNA到RNA再到蛋白质的过程，是分子生物学研究的核心，通常称之为中心法则。虽然后来发现有一些病毒的遗传信息是由RNA携带的，在这些病毒的复制过程中，信息由RNA传给DNA，这一过程称为反转录，但这不过是极少数特例，并不影响分子生物学中心法则的普遍性。

经过多年的研究，遗传信息由DNA到RNA再到多肽链的合成过程已经基本清楚。现在的问题是，这一过程是怎样得到调节控制的。这不但是细胞发育分化的基础，也和生物体与各种环境因素的相互作用有密切关系。现在看来调节主要发生在转录阶段，通过某些特定蛋白质与DNA的结合，从而控制信使RNA的合成。

另一个问题是，蛋白质分子除一定的氨基酸顺序外，还必需有一定的空间结构才能体现生物功能。因此，怎样以一定氨基酸顺序排列的多肽链，生成有一定空间结构的蛋白质，也是分子生物学中心法则目前还完全没有解决的问题。遗传信息传递的调节控制和新生肽链的折叠现在是分子生物学研究中的二个核心问题。当前，通过遗传工程或蛋白工程得到多肽链的表达已经不会有根本上的障碍，通常遇到的困难是所得到的多肽链不能自己折叠卷曲生成有一定空间结构并具有完整生物功能的蛋白质，因此这二个问题的研究也有很大的实际应用价值。

近年来的一个出人意外的发现，是某些RNA具有转换酶或水解酶的活性，可以把 DNA的转录产物加工为成熟的信使RNA。虽然RNA的催化活力远比一般的酶低，并且这一发现也并不影响分子生物学发展的主流，但是由于蛋白质的合成依赖于核酸的编码，而核酸的合成又依赖于酶（蛋白质）的催化，因此在生命起源问题上，长期存在着先有核酸还是先有蛋白质的疑问。RNA既能携带遗传信息，又具有酶活性的发现，为RNA或某些类似RNA的分子在生命起源过程中最先出现，而DNA，蛋白质和酶都是RNA进化产物的假说，提供了有力的证据。

膜结构是生物体的基本结构之一。除细胞的外周膜之外，细胞内还有多种功能各不相同的膜结构。 膜主要由磷脂和蛋白质组成，对于代谢活动旺盛的膜，如线粒体膜，蛋白是主要成分；相反，如神经细胞的外周膜，则以磷脂为主要成分。

由于磷脂是以甘油，脂肪酸酯和磷酸酯组成，因此既有脂溶性部分，也有水溶性部分。它在水溶液中的稳定结构，是以脂溶性部分内向，水溶性部分外向的双层结构，这也是膜的基本结构。 蛋白质有的完全结合在膜的表面，有的穿透整个膜的双层，有的部分在膜的内部部分暴露在表面，还有一些镶嵌在膜的内部。此外，膜结构上有时还有少量的糖和RNA，现已知道，糖与细胞间的识别及信息传递有关，它的重要性正开始受到重视。

许多极为重要的生命活动都与膜结构紧密相关。能量转换是生命活动的根本需要，无论是动物从食物的氧化中通过氧化磷酸化作用获得能量，还是植物从光能通过光合磷酸化作用取得能量，不能脱离膜的完整性。为了完成一个完整细胞所有复杂功能，细胞内部有多种以膜包含而与细胞浆相对割离的小体，即细胞器。每一种细胞器都有其相对独立的，特定的功能，例如，细胞核含有担负遗传功能的染色体，它为膜所包围，以保持染色体的相对独立性和稳定性；又如，溶酶体含有多种水解酶，仅在特定情况下发挥其功能。如果不被膜结构所包围，则将破坏细胞内部的蛋白质等重要物质，从而导致细胞死亡。

近年对于膜研究的极大重视，主要是来自细胞与其周围环境的相互作用。从单细胞生物来看，必须通过其外周膜，才能有选择地吸取外界的营养物质，排斥外界的有害物质，使其不能进入胞内。细胞还要通过其外周膜接受外界传来的信息，调整自己的生命活动以适应环境的变化。对多细胞的高等生物而言，除上述所有活动外，还有细胞间的物质交换和信息传递。这些重要的生命活动，都要通过外周膜上的蛋白质（其中不少是糖蛋白）才能进行。细胞生物学和神经生物学领域内的许多重要问题都和膜—蛋白体系有密切关系。

由于膜外层的亲水和内部的疏水性质，一般物质是不能自由通过细胞膜的，这就保护了细胞内部环境的相对稳定性，使得尽管外部环境处于不断变化之中，细胞活动也可以不受过多的影响。 但是，细胞又需要不断与外部环境进行相互作用，如从外界吸取必需的营养成分，以及从外部接受信息，并作出必要的反应等。从外部吸取营养物质是通过穿透膜的蛋白质来进行的，即使是像钠离子那样的普通物质，也必需通过跨膜的，有一定结构钠离子通道蛋白才能进入细胞。实际上，对钾钠离子出入细胞的控制是神经生物学研究的一项重要内容。

细胞内外和细胞间的信息传递，是通过细胞表面的一类被称为受体蛋白进行的。现在知道，激素，神经递质，细胞生长因子和分化因子，以及某些药物等，都首先通过它们与细胞表面的特异受体蛋白结合，才能把信息传递到细胞内部。动物体的感知行为，也必需通过受体才能实现。

生命世界的多样性和生命本质的一致性，是一个辩证的统一。 多少世纪以来，生物学研究的主体一直是观察和认识生命世界的多样性。 3.生命现象的多样性和生命基本原理的一致性 生命世界的多样性和生命本质的一致性，是一个辩证的统一。 多少世纪以来，生物学研究的主体一直是观察和认识生命世界的多样性。

从生命现象的表面观察日益深入到生命活动本质的阐明，是生物学发展的必然趋势，也正是现代生物学的特点。 分子生物学，自诞生以来短短几十年间所取得的一系列重大进展，深刻地揭示了虽然生命现象在数以百万计的不同种属中的表现形式是多种多样，千姿百态的，即使孪生兄弟也不完全相同，但是生命世界中最本质的东西，在不同生物体中却是高度一致的。

所有的生物体，从最高等最复杂的人到最低级最简单的单细胞生物，其基本组成物质都是蛋白质和核酸。它们的蛋白质都是由相同的20种氨基酸以肽键连接而成，核酸也都是同样的四种核苷酸以核苷酸链构成的。上面提到在核苷酸顺序和氨基酸顺序之间的对应关系，即遗传密码，除极少数例外，在整个生物界也是基本一致的。如果没有这种一致性，就不可能实现基因在不同生物体之间的转移及表达，已逐渐成为现代化大工业的遗传工程和蛋白工程也就完全谈不上了。

动物和植物从外界取得能量的方式显然不同。动物从食物的氧化通过氧化磷酸化获得能量，而植物从太阳光能通过光合磷酸化取得能量。然而现在知道氧化磷酸化和光合磷酸化这两种表面看来完全不同的作用，在分子水平上的机制却是极其相似的。二者都是通过电子在一系列的蛋白质间的传递，造成膜内外两侧的质子梯度差，然后合成腺三磷。整个生命世界都以腺三磷为细胞的各种活动提供能量。

激素，以往一直认为是高等生物所特有的，但是近年来发现人雌性激素受体在酵母中表达后，对酵母细胞基因的转录可以进行依赖于雌性激素的调节。哺乳动物胰岛细胞分泌的胰岛素，也发现在某些单细胞生物中存在，并表现和在高等动物中类似的，促进生长的功能。生命活动高度一致性的阐明说明分子生物学确实已经深入到了生命现象的核心和本质。

4.生物学的全新面貌 当前凡是研究生命现象的学科，不可避免地都要深入到分子水平去进行本质规律的探讨，这使分子生物学很快就渗入生物学的各个领域，改变了整个生物学的面貌；同时也对医学和农业科学及其应用产生了巨大的影响。

生物学的全新面貌最突出地表现在出现了一系列新的分支学科，如：分子遗传学、分子细胞学、分子分类学、分子神经解剖学、分子药理学、分子病理学、分子流行病学等等，影响到生命科学的所有领域，即使是生态学、古生物学和分类学等也不例外。 下面我们简略地介绍分子生物学对一些基础生物学领域的影响，着重谈谈当代生物学研究的几个热点，以及虽然从表面看来和数理学科关系较远，但由于分子生物学的冲击也已面貌一新的学科。

作为生命体基本单位的细胞，和作为生命活动最高形式的神经活动是现代生物学研究的最活跃的领域，但是今天，这两门学科由于采用了分子生物学的新的研究思想和新的研究手段而获得新的生命力，研究步伐大大加快，与分子生物学一起发展成为当代生物学研究的三大热点。现在如果浏览一下这两门学科在国际上的主要刊物，或者重要国际会议的内容，就可以知道它们已经和传统的细胞生物学及神经生物学有了很大的不同，而是以分子生物学为基础，在分子水平上进行研究，从而面貌一新，实际上已经演变成为分子细胞生物学和分子神经生物学。

细胞学的基本知识早就告诉我们，所有细胞的分裂都有一个周期。直到现在，我们才从分子水平认识到细胞是如何控制其分裂周期的。一种可以称之为周期蛋白的物质在细胞内的浓度发生着周期性的变化，它的不断合成使其浓度不断增加，在细胞分裂之前达到高峰。周期蛋白活化了细胞内的蛋白激酶，后者活力的升高所引起的一系列化学变化会最终导致细胞分裂。在细胞分裂时，周期蛋白则迅速被水解，浓度下降；在子细胞中周期蛋白又重新合成并积累，这样开始下一个周期。控制这个周期的分子机制，在从酵母到人的细胞中是完全一致的，这就再次说明了生命活动在分子水平上的高度一致性。

一个单一的受精卵细胞怎样在发育过程中，逐渐分化成为一个由千千万万不同类型和不同功能的细胞组成的成熟个体，一直是细胞学研究的核心问题之一，也是发育生物学的中心内容。现在知道细胞的分化也是由基因决定的，是在由基因编码的，一类接受决定细胞分化方向信息的蛋白质的控制之下。例如，编码控制果蝇复眼细胞分化的有关蛋白的基因已被分离，DNA序列测定的结果表明，它和癌基因有类似的特点，它所编码的蛋白质是一个膜蛋白，与某些生长因子受体结构相似，很可能具有酪氨酸蛋白激酶的活性。细胞发育分化的研究实际上已经是基因调控的分子生物学研究，而基因调控的分子生物学研究必需上升到去解释整个细胞的活动。

各个学科之间的渗透和交叉如此密切是现代生物学的又一特点。

除物质交换外，细胞与外界环境以及细胞间的信息传递，也依赖于存在于细胞表面的或跨膜的蛋白质。这些蛋白质，称为受体蛋白，接受外界信息，然后把信息传达到细胞内部，再引起一系列的变化，调节细胞的新陈代谢，以适应外部的环境。这些蛋白质在生命活动中有多方面的重要作用。

例如，某些生长因子就是通过受体控制细胞的分裂繁殖。这种受体蛋白能与鸟二磷（GTP）结合，因此被称为G蛋白。这个G蛋白—GTP复合物能够把细胞生长的信息传递到细胞内，但它又有 GTP水解酶活性，能在以上过程中把鸟三磷水解为鸟二磷（GDP）。所生成的受体蛋白—GDP复合物则是细胞生长终止的信号。现在知道，G蛋白在细胞生长调节等方面有重要作用。癌细胞生长失调也与此有关。

在神经生物学领域中，神经细胞中信息的存储和组织，以及神经细胞间信息传递的研究，现在都已进入了分子水平。

以电生理学而言，脑组织中的电流活动与膜的离子通道密切相关。这些离子通道都是跨膜蛋白，通过蛋白构象变化，控制离子出入神经细胞。 这些离子通道蛋白大体上可分为配体控制，如乙酰胆碱受体，及电压控制，如钠离子通道蛋白两大类，它们都具有特定的专一性。 现在不少通道蛋白的编码基因DNA序列，及由此得到的蛋白序列已经测定，在膜上的结构与其作为离子通道的功能关系也已有所了解。

动物一般有极强的感觉能力，这是动物生存所不可缺少的，也是神经生物学研究的重要内容之一。 例如，某些动物感知气味的灵敏度及分辨能力都是极其惊人的。灵敏度可达一万亿分之一，并能分辨化学物质的光学异构体。现在这些现象已经从分子水平开始得到阐明。视觉，味觉和嗅觉等都有自己的受体，这些受体也都是蛋白质。这些受体蛋白质不但有极高的专一性，并且以极高的亲和力与配体结合，这就是生物体感觉的分辨力和灵敏度的分子基础。

大脑的研究也许是神经生物学领域中最复杂的问题了，思维，感情，学习，记忆都是大脑的活动，不少人认为它将是21世纪最活跃的研究领域，现在也已开始进入分子生物学研究的范围。

21世纪大脑研究将有突破性的进展，但最主要的进展必将从分子水平上取得。人的大脑可能含有一百万亿个突触接点，其物质基础仍然离不开受体蛋白。正是这些突触接点的连接组织方式，决定了人脑的活动。记忆的基础，可能与突触接点连接组织方式的改变有关，某些蛋白质的磷酸化，能对突触接点的加强或减弱起调节作用，从而影响突触的连接组织方式。

分类和进化是生物学领域中历史最悠久的学科之一。近年来由于分子生物学的影响，这两门古老的学科已经产生了根本性的变化。过去主要是依靠生物体的形态，并用生理特征作为辅助，探讨亲缘关系的远近，进行分类和研究不同种属间的进化关系。对于形体简单的生物体，如细菌等，生理特征的比较就成了主要手段。

近年来由于蛋白质和核酸序列研究的突破性进展，人们逐渐发现了不同生物体中担负相同功能的蛋白质和核酸在序列上的相似性和它们在亲缘关系上的远近有直接的联系。由于生物体适应环境的能力，其形态和生理受它们所生活的环境的影响很大，而蛋白质和核酸序列则反映了不同生物体进化演变更为根本的性质，较少受环境影响，因此也更为可靠。

目前应用较多的是核糖体RNA序列的比较。在原核生物中，过去的习惯分类法是分为蓝绿藻和细菌。 关于真核生物的分类学，人们利用核糖体18SRNA序列的比较，也解决了一些过去不清楚的问题。

除直接的核酸或蛋白质的序列比较外，还可以用较为简单的不同种属间单股DNA的杂化，或抗原抗体的相互作用来分别比较DNA或蛋白质结构的相似性。根据碱基配对原理，不同种属间DNA序列越相似，其单股DNA配对后生成的双股DNA分子就越稳定。抗原抗体的相互作用也有类似的关系。这些方法都是不需要复杂的技术或设备就可以做到的。

对于高等动物所得结果虽然大体上和经典的看法近似，但也澄清了一些过去有一定争议的问题。例如，根据DNA的杂化和免疫蛋白的相互作用，明确了熊猫属于熊科，而不是属于猫科等。 和传统的方法相比，这类方法的另一个优点是可以根据核酸或蛋白质序列差异的程度，判断种属之间的分化时间。例如，熊猫与熊科其它种属分化的时间是1500万至2500万年前，人类和黑猩猩的分化时间是在630万至770万年前。

由于冷冻的尸体，骨骼，甚至化石中的DNA分子仍能保存一定的完整性，这就使对现已灭绝的生物种属在分子水平上研究其进化和分类成为可能

例如，西伯利亚冻土中保存的勐玛象尸体中的DNA仍然相当完整，其序列分析结果充分说明勐玛象和现代象有密切关系。

已知保存最久的DNA或许是保存于琥珀中的象鼻虫（黎巴嫩）的DNA，已有1.2亿年，但序列仍然相当完整。从其序列可以确定其与现有种属的关系。

在美国ldaho州湖底发现的叶化石中的DNA也有1700万年以上的历史，是编码光合作用中一种极为重要的酶，核酮糖—1，5—二磷酸羧化酶—加氧酶的基因片断，从DNA序列比较使对这种现已灭绝的植物与现存种属的关系的研究成为可能。类似的研究已形成了一门新的学科，分子古生物学。

考古学从表面看来和生物学关系不大，甚至可以被认为不属于自然科学。但是考古学家现在也不能不对分子生物学有所了解。

近年来对保存了几千年的埃及木乃伊进行研究的结果，发现其体内的DNA分子仍然保存了一定程度的核苷酸顺序完整性，由于人体内的所谓卫星DNA的核苷酸顺序是极端多变的，对每一个人都不一样，不同个体之间DNA顺序的相似性，依赖于他们之间的血缘关系。因此对埃及王族木乃伊的DNA的序列分析，就可以对埃及王族的世系有所阐明。

5.生物学已经对人民生活产生了巨大的影响 分子生物学的兴起还不到40年，它所取得的成果，已经在工业，农业及医药卫生等方面有了重要应用，特别是基因在不同个体，甚至在远为不同的生物种属之间的转移，为某些遗传疾病的治疗，和新品种的培育等提供了前所未有的可能性，从而为人类健康，农业增产，以及控制和改造整个地球上的生物界展现了无限广阔的美好前景。但从近年来的发展看，这还不过仅仅是一个开端，将来必然会有更为广阔的发展前景。

分子生物学成果在工业上的应用，产生了以基因工程为基础的生产生物制品的一种新兴的工业。从一种生物体分离编码某个蛋白质的基因，即DNA片断，再人工重组到可以用发酵法大量生产的如大肠杆菌或酵母的基因中去，使其在大肠杆菌或酵母的细胞中表达成这个蛋白质，并达到大量生产的目的。

新近发展起来的蛋白质工程则是分离出某个蛋白质的基因之后，根据三联密码，把这个DNA序列中编码某一个氨基酸的密码子，改变成为编码另一个所需要的氨基酸的密码子；或者用合成DNA的方法直接合成基因，在体外加以改造。从以上两种方法都可以得到在天然界原来并不存在的DNA，再用和上面所说的类似的方法，引入大肠杆菌或酵母的基因中进行表达，以达到大量生产的目的，得到具有新的特性的蛋白质。

组织血栓溶酶活化蛋白（TPA），是一种有助于溶化血栓的蛋白质，在生物体中含量甚微，不可能用天然来源制备的药物。现在已经用基因工程方法大量生产，并被用于中风的预防和治疗。仅此一种产品，年产值已达2.3亿美元。

糖尿病是一种常见病，过去胰岛素的生产依靠从动物胰脏中提取经常供不应求。目前世界市场上销售的胰岛素，用基因工程方法生产的人胰岛素已经占总产量的一半，为糖尿病患者带来了福音，年销售额值约为5.7亿美元。

现在世界上的生物工程公司，已经在几年前纷纷建立的基础上取得了很大的发展，各种疫苗、抗菌素、激素、酶等。

基因工程用于农业，已经对农作物的品种改良起了以前不可能想象的重要影响。农作物以及家畜品种的改良，现在可以用定向引入有关基因的方法进行，这就从根本上改变了过去盲目大量诱变然后再从中进行筛选的传统作法。

在农作物中，已经成功地对马铃薯进行了改造，不但使其获得了抗病毒基因，也得到了高蛋白质含量的马铃薯新品种。 把一个蛋白水解酶抑制剂基因引入烟草之后，使得以烟叶为食的害虫不能消化其中的蛋白质而不能繁殖，这样，这一品种就获得了抗虫害的能力。 对蕃茄的基因改造，得到了比较不易软化和擦伤的品种，因此可以在成熟后收获关且保存较长时间，也避免了过去在成熟前收获因而口味不好的缺点，现产品已经在美国上市。

虽然植物基因工程的应用还刚刚开始，但为农作物的大量增产和品种改造，例如固氮基因的转移等，提供了无法估量的发展前景。

癌症是危害人类最严重的疾病之一。分子生物学的进展为认识癌症发病原因，从而彻底征服癌症提供了新的可能性。 现在已经发现了几十种癌基因，其中已有10余种已被认为与癌证病源学有关。

前面提到生长因子受体蛋白，即G蛋白，能与GTP及GDP生成复合物，从而实现对细胞生长的控制。某些癌基因的表达产物，P21蛋白，与G蛋白的氨基酸序列极为相似，但P21蛋白能与GTP生成复合物后，却不能引起GTP水解为GDP，从而终止细胞的分裂，这就导致了细胞生长的失控。

最近，P21蛋白的X-射线衍射空间结构已经解出，对它和 GTP及GDP的结合方式，包括分子中与结合有关的肽段，及直接与GDP结合的氨基酸残基，都已有所了解，并发现它分别和GTP及GDP结合后，分子的空间结构发生明显的变化。最近，还利用同步加速器的强X-射线光源，对P21蛋白水解GTP的动态过程进行了研究。这些都将对癌症的最终解决有所帮助。

人类的遗传疾病是由于基因缺陷而引起的。 早已知道，镰刀状贫血症，是由于血红蛋白基因中的一个核苷酸的突变造成蛋白中一个氨基酸的突变，从而引起脱氧血红蛋白溶解度下降，在细胞内成胶或聚合，使红细胞变形成为镰刀状，并且丧失结合氧分子的能力。 另外一种比较常见的遗传疾病是由于编码苯丙氨酸羟化酶的基因丢失，人体不能合成苯丙氨酸羟化酶，造成苯丙氨酸在体内的积累而引起的痴呆症。 某些过去曾被认为是生活习惯的问题，现在也证实与遗传有关，并发现其分子水平上的原因。酗酒基因的发现及克隆就是近来一个引人注意的例子。

用引入有关基因的方法，来治疗遗传疾病已经取得了很大的进展。在一些国家基因治疗已经取得初步成果。看来，在不远的将来，许多遗传疾病可望得到治疗。

人体内的所谓卫星DNA序列是极端多变的，对每一个人都不一样。现代技术的发展，只要极微量的材料，如一滴血、一根头发、一块皮肤屑或极少量的精液，从中提取的DNA经过多聚酶链反应扩增，就可以对卫星DNA进行序列测定。罪犯可以极小心地不留下指纹，但很难完全避免留下身上极少量的上述物质，这一方法已经被用于刑事案件中罪犯的确定，被称为DNA指纹法。

由于不同个体之间DNA序列的相似性是依赖于他们之间血缘关系的远近，根据卫星DNA之间序列相似性的比较，不仅可以决定亲子关系，甚至可以区别亲兄弟和堂兄弟，在民事案件中也十分有用。DNA指纹法已经开始在实际案件中普遍使用，所得结果发生错误的可能性仅为一亿分之一。和任何新方法一样，使用不当也会发生错误，但随着方法的不断完善，可能会取代指纹法成为法医学中的重要方法。

21世纪将是统一生物学的世纪 分子生物学的发展已经揭示了生命本质的高度一致性，这是人类认识自然和认识自己的极大飞跃，21世纪的生物学将是在对生命活动的本质统一认识下的真正的General Biology。 21世纪将是统一生物学的世纪，并将形成崭新的生命观。

分子生物学对科学和人类生活的全面影响，完全可以和上世纪初物理学所引起的变革相比，它和生物化学及生物物理学一起，吸引了大量的物理学家和化学家进入生物学领域工作，从而也影响了这两个学科的发展。它不仅现在是自然科学中发展最迅速的领域，到21世纪，它仍将毫无疑问地是自然科学领域中的带头学科。

复习思考题 １．你对现代分子生物学的含义和包括的研究范围是怎么理解的？ ２．你对分子生物学的现况和今后的发展有何看法？