第一章绪论
1.1分子生物学的概念
1938年Report of the Rockefeller Foundation首次使用了molecular biology一词，广义的分子生物学被定义为是研究生物大分子结构和功能的学科。按照这样的定义，除了核酸的结构和功能，分子生物学还包括蛋白质的结构和功能、酶的作用机制、膜的结构和功能、细胞的信号转导等内容。换句话说，广义的分子生物学可以包罗现代生物学在微观领域的大部分内容。
由于生命科学在微观领域的进展非常迅速，广义的分子生物学要包罗如此之多的内容比较困难。另一方面，广义分子生物学与生物化学、遗传学和细胞生物学的部分内容是很难区分的。狭义的分子生物学，主要内容为基因和基因组的结构与功能，DNA复制及损伤修复，基因的重组和克隆，RNA的生物合成及转录产物的加工，蛋白质的生物合成及肽链合成后的加工，基因表达的调控等内容，其中也涉及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能。
狭义的分子生物学与细胞生物学的关系已经不那么密切了，但就其知识范畴而论，与生物化学和分子遗传学的部分内容依然是难以区分的。不过，由于生物化学和分子遗传学均是发展很快、知识容量很大的学科。因此，在生物化学中关于基因组学、基因重组和基因表达调控的内容通常是粗线条的。在分子遗传学中，关于生物大分子的结构及其相互作用的机制，特别是相关的研究方法，一般是粗线条的。分子生物学则可以在对生物大分子结构及相互作用深入讨论的层面上，详细叙述基因组学、基因表达及其调控的分子机制。
1.2分子生物学的内容
对基因和基因组的研究一直是分子生物学的主线。
自从有人类历史以来，人们自然会思考包括人类在内的生物为什么会有性状的遗传和变异，包括人类在内的生物是如何起源的，如何进化的，个体是如何发育的这样一些重要的问题。对这些问题的初步思考，可以看作分子生物学的启蒙阶段。由于问题的复杂性，在长达几千年的时间内，人们只能对这些问题进行猜想，产生了不少有趣的传说（见电子教程知识扩展1-1关于生命起源的传说）。
20世纪50年代以前，主要在细胞水平和染色体水平进行基因的研究，50年代之后，主要从DNA分子水平进行基因的研究，70年代以后，由于重组DNA技术的完善和发展，人们能够直接从克隆目的基因出发，研究基因的功能及其与表型的关系。这种研究途径改变了传统遗传学从表型到基因型的研究方法，而使基因的研究进入了反向生物学阶段，加快了对基因结构和功能的研究进程。
20世纪90年代以后，随着DNA序列测定技术的发展，以某物种全套遗传物质序列测定和基因定位为内容的结构基因组学蓬勃发展，促进了比较基因组学、生物信息学的发展。随后在生物芯片技术、蛋白质组学、生物信息学的促进下，以某物种全套基因表达产物的结构和功能研究为内容的功能基因组学已经和正在取得越来越多的成就。
分子生物学第二个方面的内容是基因传递和表达的机制，包括DNA复制和损伤修复，基因的重组和转座，基因转录和转录产物的加工，蛋白质生物合成及肽链合成后的修饰、折叠和输送。由于基因的复制、转录和翻译均是有多种因子参与的复杂过程，这一方面知识体系已经相当丰富，但依然有不少问题有待进一步深入研究。
分子生物学第三个方面的内容是基因表达的调控。原核生物的转录和翻译在同一空间进行，一般在转录尚未完成时即可进行翻译，其基因表达的调控主要发生在转录水平。真核生物有细胞核结构，转录和翻译过程在时间和空间上被分隔，且在转录和翻译后都有复杂的加工过程，其基因表达的调控可以发生在不同的水平，但主要的调控步骤是上游调控序列与转录因子的相互作用，以及RNA的剪辑。或者说，最主要的调控阶段依然在转录水平。基因表达调控的研究进展对推进生命科学的基础研究有重要意义，还可为人类疾病的控制和物种改良提供路径。近年来发现，基因组的大部分序列可以转录生成种类繁多的非编码RNA（ncRNA），在多个层面调控基因表达，为生命科学展开了一个非常广阔的领域。
分子生物学的研究方法和技术是学科发展的重要推动力。特别是序列测定技术、分子杂交技术、基因重组技术、聚合酶链式反应（PCR）技术、生物芯片技术和生物信息学的进步，强有力地推动了分子生物学的发展。研究方法和技术是分子生物学的重要内容，在理论课的教学中，需要概要介绍一些重要技术的原理，帮助学生深入理解有关的教学内容。同时，也有利于培养学生科学思维的能力和创新能力。由于不少研究方法和技术是以生物大分子的结构和性质为基础的，本书将在各个章节穿插介绍一些重要研究方法的基本原理和应用范围，如在核酸变性复性一节之后，顺理成章地介绍有关分子杂交和基因芯片的原理和应用。有关方法和技术的详细介绍和操作层面的内容，读者可以阅读实验技术方面的著作。
随着研究技术的不断进步，比较基因组学和功能基因组学会进一步加快发展速度，同时会促进生物信息学的快速发展，加深人们对基因结构和功能的认识。基因组学的发展可促进对蛋白质结构和功能的研究，对蛋白质结构和功能的深入了解，又会反过来促进对基因表达及其调控的研究。这些研究成果逐渐走向应用，可以为农林牧业提供新的优良品种，在解决粮食问题、能源问题、环境问题等方面发挥作用。还可以为疾病的预防和治疗提供新思路和新方法，提高人类的生活质量。近年来，DNA测序技术快速发展，测序成本大幅度下降，临床应用日益广泛。实时定量PCR（qPCR）在临床检验中的应用规模日益扩大，基因组编辑在基础研究和应用领域的发展突飞猛进，分子生物学展现了辉煌的发展前景。
1.3分子生物学与其他学科的关系
分子生物学除与生物化学、遗传学和细胞生物学关系密切外，与生命科学的其他领域如发育生物学、神经生物学、生理学等学科也关系密切。分子生物学明显地促进相关学科的深入发展，同时，相关学科也为分子生物学提供越来越广阔的研究领域。甚至形态分类学和生态学等宏观学科也越来越多地用分子生物学的方法研究一些深层次的问题。由此可见，生命科学各个领域的科技工作者，都需要掌握分子生物学的基本理论和基本技术，分子生物学领域的科技工作者，也需要熟悉相关领域的基本理论和基本技术，以拓展自己的研究领域。对于生命科学领域（包括生物科学、生物技术、生物工程、医学和农学）的学生来说，分子生物学无疑是一门十分重要的课程。同时，为了学好分子生物学，学好相关学科的课程也是重要的。
分子生物学的不少内容以化学和物理学的基本理论和研究方法为基础，随着基因组学和生物信息学的发展，数学和计算机科学也越来越重要。分子生物学领域的科技工作者，特别是青年学生，应当掌握尽可能多的数理化知识。
1.4分子生物学的学习方法
（1） 要有良好的精神状态分子生物学内容复杂而且抽象，学生要克服畏难情绪，积极培养兴趣，以良好的精神状态主动学习，才能有好的学习效果。
（2） 要注意记忆与理解的相互促进分子生物学内容十分丰富，有不少知识点需要记忆，丰富的记忆材料是良好理解能力的基础，对问题的理解又可以促进记忆，要注意锻炼记忆与理解相互促进的学习方法。
（3） 要有动态观念生物大分子不断进行着合成和降解，实现其功能伴随着空间结构的变化，如果生物大分子的运动停止，生命就完结了。因此，学习分子生物学一定要有动态观念。
（4） 要关注生物大分子的建成规则生物大分子均由若干种单体脱水缩合而成，其序列蕴含着结构和功能信息。因此，学习分子生物学一定要注重生物大分子结构与其功能之间的关系。
（5） 要注重阅读和练习分子生物学的有些内容比较复杂，还有一些内容需要对实验结果进行分析。不同的书叙述问题的角度不同，多读几本书，有助于加强对问题的理解。因此，加强阅读至关重要。
（6） 注重学习科学思维的方法和实验技能分子生物学是一门实验学科，绝大部分知识是通过实验得到或验证的，了解重要科学发现的思路和主要途径，对于培养学生的创新能力十分重要。要重视阅读实验原理和技能方面的书籍，进行必要的实验技能训练。
（7） 注重与数理化特别是化学知识的联系用化学理论来探索基因的结构、表达和调控是分子生物学的重要内容，因此，学习分子生物学一定要有很好的化学基础。数学、物理学和信息科学为分子生物学提供研究思路和手段，分子生物学的许多重大突破是由化学家和物理学家完成的，从一个侧面说明了数理化对于分子生物学十分重要。
（8） 注重与生物学功能的联系分子生物学以生物体为研究对象，因此，从生物学功能的角度理解问题，可以显著提高学习的效率。
提要
广义的分子生物学被定义为研究生物大分子结构和功能的学科，可以包罗现代生物学在微观领域的大部分内容，显得过于庞杂。狭义分子生物学将其范畴局限于基因的结构和功能，主要包括基因和基因组的结构，DNA复制及损伤修复，基因的重组和克隆，RNA的生物合成及转录产物的加工，蛋白质的生物合成及肽链合成后的加工，基因表达的调控等内容，其中也涉及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能。分子生物学的发展和应用，可能为农林牧渔业提供新的优良品种，在解决粮食问题、能源问题、环境问题等方面发挥作用。还可能为疾病的预防和治疗提供新路径，提高人类的生活质量。
分子生物学是随着遗传学、生物化学和细胞生物学等学科的发展兴起的，与发育生物学、神经生物学、生理学等学科也关系密切。化学、数学、物理学和信息科学为分子生物学提供基础及研究思路和手段。
学习分子生物学需要有良好的精神状态，注意记忆与理解的相互促进，要注重阅读和练习，注重学习科学思维的方法和实验技能，注重与数理化特别是化学知识的联系，注重与生物学功能的联系。
思考题
1.解释广义的分子生物学和狭义的分子生物学。
2. 狭义的分子生物学包含哪些内容？
3.简述分子生物学与有关学科的关系。
4.简述分子生物学的学习方法。
第二章核酸的结构和功能
20世纪50年代初，核酸是遗传物质得到公认。1953年J.Watson和F.Crick提出DNA的双螺旋结构模型，从此，核酸的研究成了生命科学中最活跃的领域之一。分子生物学和分子遗传学等新兴学科随之兴起，极大地推动了生命科学的发展进程。
对核酸结构和功能的深入研究，以及一系列工具酶的使用，推动了分子生物学各个领域的快速发展。基因的复制和转录，分子杂交和基因芯片，DNA序列的测定，基因的克隆和表达，基因表达的调控等均以核酸结构和功能的研究为基础。因此，对生命科学工作者而言，掌握核酸的结构和功能是至关重要的。
2.1DNA是主要的遗传物质
1869年瑞士科学家F.Miescher通过碱抽提和酸化从细胞核中分离得到一种新的富含磷的化合物，称之为核素（nuclein）。1889年R.Altman制备了不含蛋白质的核酸制品，命名为核酸（nucleic acid）。Miescher在1892年的一封信中指出，核酸由一些彼此相似但不完全相同的小的化学片段重复组成，可以表达非常丰富的遗传信息，正如很多语言的单词都是由24～30个字母组成的一样。但遗憾的是，这一推论在约半个世纪的时间内，既未得到实验证据的支持，也未得到学术界的重视。
1885～1901年德国生物化学家A.Kossel从核酸中分离鉴定了5种碱基，因此荣获1910年诺贝尔生理学或医学奖。俄裔美籍生物化学家P.A.Levine发现不同来源的核酸中分别含有核糖和脱氧核糖，将核酸分为核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）和脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）。Levine还证明核酸是由核苷酸组成的链状分子，但错误地认为核酸是由4种核苷酸构成的重复单位连接而成的，难以承担复杂的遗传功能。这一观点当时得到广泛认同，一度阻碍了对核酸的研究工作（见电子教程科学史话2-1核酸研究的早期 工作）。
20世纪50年代以前，尽管已证明了生物体普遍含有DNA和RNA，但由于四核苷酸假说的影响，核酸的研究未能引起足够重视。1943年E.Chargaff等证明DNA中4种碱基的比例并不相等，四核苷酸假说开始受到质疑。1944年O
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