分子細胞學技術基本理論知識

從細胞 生物 學可知，真核細胞的出現，是生命發展質的飛躍。生命特征在于生命的延續性；細胞自我復制（細胞分裂）和細胞分化是生命延續的保證。細胞結構和 生物 性狀代代相傳即遺傳性，遺傳的變異和新性狀的出現是生命的進化。生物遺傳性曾長期被認為是神秘和不可測知的生命現象。孟德爾1865 年發現了遺傳因子（基因），雖然賦予遺傳性以物質實體性的概念，但卻長久未能獲得令人信服和可以感知的證據。直到20 世紀50 年代，Crick 和Watson 闡明DNA 雙螺旋結構和它的半保留復制機制后，遺傳的秘密才大白于天下，從而DNA也就成了人們研究遺傳性和基因確切無誤的對象，進而導致分子生物學技術的形成，并以一泄千里之勢，不斷向前發展。 當前分子細胞學內容已極其豐富和復雜，難以盡述，也非本書目的，本節僅就與后述技術相關問題作扼要回顧，更深入的內容，請讀者參閱其它資料。 一、細胞和基因 （一）細胞的基本生命活動 細胞自我復制和細胞分化是細胞生存中的主要生命活動。細胞分化是細胞結構和功能的特化；是在細胞生存過程中不斷進化和發展的產物。細胞的分化能使細胞更好的適應環境和保證生命延續。因此細胞自我復制和細胞分化是細胞生命活動中息息相關的兩個主要方面。沒有細胞自我復制，便沒有細胞生命的延續；沒有分化，細胞則不能更好地適應環境。細胞生命活動具有保守性，即遺傳性。生物遺傳性保證了物種的穩定性；遺傳性的改變是為變異，變異賦予了生命進化的可能性。 任何結構復雜程度不同的機體，都有著不同層次的生命活動。人體最復雜，它有著整體、系統、器官、組織、細胞和分子等六個結構層次的機能活動表現。而單細胞生物如細菌，僅有細胞和分子兩個水平的生命活動。但不論機體結構復雜程度如何，細胞和分子兩個水平的生命活動仍是它們共同的基礎；分子生命活動是基礎，細胞生命活動是分子活動的體現。由DNA 構成的基因，能轉錄產生RNA，再由RNA 翻譯制造蛋白質；也即基因表達：DNA→RNA→蛋白質（包括酶）的過程。蛋白質是機體構建一切結構和完成生理功能的基本成分；RNA 傳遞生成蛋白質的遺傳信息，細胞生命活動的分子基礎是基因。 （二）基因的結構： 細胞核內染色質是顯微鏡下肉眼可見的遺傳物質，細胞分裂時變成染色體，其基本成分是脫氧核蛋白。脫氧核蛋白由組蛋白和脫氧核糖核酸（DNA）構成。DNA 是有遺傳功能的物質，它攜帶的遺傳信息是保證生命遺傳性和蛋白質合成的基礎。細胞的一切結構皆成自蛋白質，酶也是蛋白質。生命的一切功能活動皆賴于蛋白質和酶來完成。蛋白質和酶都來源于DNA 的活動。因此一切生命活動的信息歸根結底都儲存在DNA 中。 人的每一個二倍體細胞均含有46 條染色體，每條染色體平均長1.6μm~8.2μm；46 條染色體共攜帶的全體基（DNA）稱基因組（Genome）。基因組由兩套基因組成，一套父源，另一套母源，每套DNA 約有3×10 9 堿基對（bp），包含著5~10 萬個基因。 1．成分： 遺傳物質DNA 的基本分子為脫氧核苷酸（Deoxynucleotide：DNA）。DNA 成自： 脫氧核糖核苷三磷酸或簡稱脫氧核苷酸（dNTP）共四種：脫氧核糖腺苷酸（dATP：A）、脫氧核糖胸苷（dTTP：T）、脫氧核糖胞苷（dCTP：C）和脫氧核糖鳥苷（dGTP：G）是組成DNA的基本成分。除脫氧核糖外尚有核糖；兩種核糖中碳原子的編號均用：1′2′3′4′5′表示，以和嘌呤或嘧啶堿基中碳原子的編號：1，2，3，4，5 相區別。磷酸與核苷中的脫氧核糖5′或3′位的羥基發生酯化形成脫氧核苷酸，從而核苷酸有3′或5′位兩種脫氧核苷酸；5′端稱上游（Upstream），3′端稱下游（Downstream）。很多脫氧核苷酸通過5′和3′位相連接成為多核苷酸（鏈），故DNA也是多核苷酸鏈。在細胞中DNA分子是由兩條核苷酸鏈以互補關系相結合的雙鏈為其存在形式；在一定條件下DNA也可以單鏈形式存在但不穩定。由于分子結構原因，只能形成A-T，C-G 特定互補關系，是為DNA半保留復制合成形式的原理和構成遺傳性的物質基礎（圖13-1）。兩條單鏈DNA 借氫鍵相連接成雙鏈DNA；A-T 間為兩個氫鍵，G-C 間為三個氫鍵，后者比前者結合更為穩固。 圖13-1 DNA 結構