4.4 亚细胞结构：抵达分子生物学

分子生物学，生物医学的基础学科

比细胞更小

细胞由细胞膜、细胞质、细胞核三大件组成。

细胞膜就像细胞城的城墙，具有神奇的功能，比如：让物质分子选择性通过、可以让某些功能蛋白使用“特别通行证”通行、保护细胞并保持细胞与细胞外环境有效的物质和能量（还有信息）交换。

• 如果把细胞比作一个计算机系统，那么细胞膜就是这台计算机的输入和输出。
• 如果把细胞比喻成一台手机，那么细胞膜就是按钮、触摸屏、麦克风、传感器（输入）与屏幕、扬声器、传感器、发射的无线信号（输出）的总和；

细胞质就像一个微型海洋，有多重结构和组成部分，完成着复杂功能。

• 如果把细胞比作一个计算机系统，那么细胞质就是这台计算机的主板、内存、外存储装置上面的程序和数据、以及获得网络数据的硬件等各种设备，负责与CPU和基本输入输出系统、操作系统软件协同完成计算工作。
• 如果把细胞比作一部手机，那么细胞质就是这台手机的主板、内存、存储空间内的数据和程序、以及联网设备等各种硬件，负责与CPU和ROM操作系统协同完成工作。

细胞核就像一个数据中心和指挥中心，如同苏美尔人早期城市中央的神庙，掌握着神的旨意，拥有决定一切的文本，并且有权发号施令。细胞核内的DNA是记录着基因信息，是生命的密码。

• 如果把细胞比作一个计算机系统，那么细胞核就是这台计算机的CPU、基本输入输出系统（BIOS）、操作系统。
• 如果把细胞比作一部手机，那么细胞核就是这台手机的CPU、ROM。

这个品牌的手机用的是安卓的基因，定制了自己的“蛋白质”

比细胞更小的亚细胞结构最重要的两个角色是DNA和蛋白质，对DNA和蛋白质的研究几乎等同于整个分子生物学。

这些讨论仅仅描述了细胞和亚细胞结构的静态特征，细胞是活的，每时每刻都在进行复杂的生命活动。在微观上考察，细胞活动的复杂度和活跃度相当一座北京这样繁忙的大城市，甚至更加复杂和繁忙。

描述细胞静态结构很简单，看上去也没有什么特别的一个小东西。就好像我们看待一台没有通电激活、没有安装App、没有插入SIM卡，没有联入网络的iphone，也没有什么特别，不过是一个光滑闪着光芒的100多克重的物件罢了。

细胞一旦活起来，执行细胞的正常生理功能，其缤纷多彩、复杂异常的表现会让人大吃一惊。就好像我们拿起一台接入高速网络，装好各种App的iphone，而且绑定了信用卡、安装的社交软件和游戏软件里有着强大的账号，这台手机意味着什么，大家都可以想象。

静态时，细胞没有呈现生命特征：

• 基因好比手机的操作系统；
• 蛋白质好比手机的App；

动态时，细胞呈现正常的生命特征：

• 基因好比手机的软件（操作系统和App）；
• 蛋白质好比手机软件（操作系统和App）的运行时行为：输入、输出、发送的网络信号、处理与传递的传感器信号、对用户的响应等。

“大”智能手机系统如此精确映射生命系统，莫非是“神迹”？

感谢智能手机的普及，否则说明细胞、基因、蛋白质及后续的问题真是极其困难

刘易斯.托马斯的大神级著作《细胞生命的礼赞》的《作为生命体的细胞器》一文指出：很多细胞器都是被“同化”的移民，保留着自己的遗传物质，执行着生物体重要的功能。

迄今为止，我们似乎还没有为各项新知识中的什么事真正感到震惊。人们感到过奇怪，甚至有过惊愕，但还没有恐慌。期望这个也许为时尚早，也许它就在眼前。但是，寻找麻烦却并非为时过早。我能觉察到一些，至少对我来说。我从关于细胞器的了解中意识到这些麻烦。我从小就接受的信仰是，细胞器是我细胞里面的看不见的小小引擎，由我或我的细胞代理人所拥有和操纵，是我智慧肉体所私有的、显微镜下也看不见的小东西。但现在的情况好象是，它们中有一些，实际上也是最重要的一些，完全是陌生的。证据是有力的、直接的。线粒体内膜不象其他动物的细胞膜，倒最象细菌的膜。线粒体的DNA跟动物细胞核的DNA有质的不同，却酷似细菌的DNA；另外，象微生物的DNA一样，它跟膜是密切相连的。线粒体的RNA跟细胞器的RNA一样，而不服细胞核的一样。线粒体里面的核糖体象细菌的核糖体，而不同于动物的核糖体。线粒体是固有的，它们一直在那里，自行复制繁衍，跟所在细胞的繁衍没有关系。它们从卵子传到新生儿；有几个从精子传下来，但多数是来自母方的。同样，所有植物里的叶绿体都是独立的、自我复制的寓客，有着自己的DNA、RNA和核糖体。在结构和色素内容方面，它们是原核生物蓝绿藻的写照。最近有人报道，叶绿体的核酸实际上跟某些光合微生物的核酸是同源的。也许还有更多。有人提出，鞭毛和纤毛曾经是一些螺旋体，它们在有核细胞形成的时候跟其他原核生物并到一起。有些人认为，中心粒和基体是半自治的生物，有着自己独立的基因组。也许还有另外一些，尚未被人发现。我只希望，我能够保留对自己细胞核的所有权。

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分子生物学简介（研究生物大分子的学科）

不能只靠打比方举例子说明复杂的问题，而必须直面复杂，所以，还是要引用一些尽量简单的干货，大致了解下分子生物学是什么东东。

分子生物学（molecular biology)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。自20世纪50年代以来，分子生物学是生物学的前沿与生长点，其主要研究领域包括蛋白质体系、蛋白质-核酸体系 （中心是分子遗传学)和蛋白质-脂质体系（即生物膜）。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。
生物大分子，特别是蛋白质和核酸结构功能的研究，是分子生物学的基础。现代化学和物理学理论、技术和方法的应 用推动了生物大分子结构功能的研究，从而出现了近30年来分子生物学的蓬勃发展。
分子生物学和生物化学及生物物理学关系十分密切，它们之间的主要区别在于：

1. 生物化学和生物物理学是用化学的和物理学的方法研究在分子水平，细胞水平，整体水平乃至群体水平等不同层次上的生物学问题。而分子生物学则着重在分子（包括多分子体系）水平上研究生命活动的普遍规律；
2. 在分子水平上，分子生物学着重研究的是大分子，主要是蛋白质，核酸，脂质体系以及部分多糖及其复合体系。而一些小分子物质在生物体内的转化则属生物化学的范围；
3. 分子生物学研究的主要目的是在分子水平上阐明整个生物界所共同具有的基本特征，即生命现象的本质；而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物理、化学现象或变化，则属于生物物理学或生物化学的范畴。

以上引用自“百度百科”

很多广告图片上的操作都是不符合规范的，比如这个

分子生物学三大基石

1. 1941年G.W.比德尔和E.L.塔特姆提出了“一个基因，一个酶”学说（被誉为“分子生物学第一大基石”），即基因的功能在于决定酶的结构，且一个基因仅决定一个酶的结构。但在当时基因的本质并不清楚。

2. 1944年O.T.埃弗里等研究细菌中的转化现象，证明了DNA是遗传物质。1953年美国科学家J.D.沃森和英国科学家F.H.C.克里克提出了DNA的反向平行双螺旋结构（被誉为“分子生物学第二大基石”），开创了分子生物学的新纪元。

3. 1958年Crick在此基础上提出的中心法则，描述了遗传信息从基因到蛋白质结构的流动。遗传密码的阐明则揭示了生物体内遗传信息的贮存方式。1961年法国科学家F.雅各布和J.莫诺提出了操纵子的概念（“分子生物学第三大基石”），解释了原核基因表达的调控。

到20世纪60年代中期，关于DNA自我复制和转录生成RNA的一般性质已基本清楚，基因的奥秘也随之解开。

与信息技术高速发展相比，生物科技毫不逊色

经常听到人们感慨信息技术四十年，改变了世界，1971年英特尔发布微处理器4004为标志，到2007年苹果发布第一代iphone，到2017年大数据和云服务耳熟能详，至今已经46年。回溯26年，倒退到1991年，那时候英特尔系列最强CPU叫做80486，主频只有几十兆赫兹，内存1-2兆字节，硬盘几十兆字节，计算机基本都没有联网能力，玩一个5M字节大的游戏用5英寸的大软盘一大摞拷贝。这样回溯似乎信息技术真的发展很快，一骑绝尘。

英特尔公司的80486DX微处理器，32位，发布于1991年前

等等，事实不是如此的，在信息技术之前，分子生物学领衔的生物技术，用了不到30年时间（从1953年发现双螺旋开始，分子生物学奠定基础独立发展）就取得了重大成果。仅仅30年左右的时间，分子生物学经历了从大胆的科学假说，到经过大量的实验研究，从而建立了本学科的理论基础。进入70年代，由于重组DNA研究的突破，基因工程已经在实际应用中开花结果，根据人的意愿改造蛋白质结构的蛋白质工程也已经成为现实。

大约在80486处理器发布同时期，北京海淀黄庄竖立起DNA双螺旋模型

分子生物学与医学

分子生物学的兴起是整个自然科学的一件大事，它使整个生命科学的研究上升到一个全新的阶段。在实际应用方面，它是生物工程技术的重要理论基础，后者正在工农业生产和环境保护等方面发挥着日益显要的作用。医学做为生命科学的重要组成部分，所受分子生物学的渗透和影响尤其重大：

1. 分子生物学使整个医学科学研究提高到分子水平
2. 癌症的研究即将出现重大的突破
3. 遗传病研究和治疗获得重大进展
4. 药物和疫苗获得重大进展。

mRNA，解码基因控制蛋白质合成的重要中间“信使”

分子生物学奠定了生物医学重要基础

大量生物医学技术和理论来源于分子生物学研究。可以把分子生物学视为生物医学的基础学科，就好像研究物理离不开数学一样，没有分子生物学这门“数学”，很难研究生物医学这门“物理”。

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4.解剖、器官、细胞、亚细胞结构
4.4 亚细胞结构：抵达分子生物学