第六微生物的遗传和变异

第六微生物的遗传和变异第一页，共五十四页，编辑于2023年，星期一

亲代的性状在子代表现出来，使子代与亲代有相似的现象，叫遗传。从分子水平上讲，遗传就是遗传信息的复制和表达。生物亲代与子代之间，子代个体之间有差异的现象，主要体现在形态和生理性状。从分子水平讲，是遗传信息发生了变化。遗传（heredity）

变异（variation）

第二页，共五十四页，编辑于2023年，星期一遗传型——生物体所携带的全部遗传因子或基因的总称。表型——具有一定遗传性的个体在特定的外界环境中通过生长发育所表现出来的种种形态和生理特征的总和。有些基因结构未发生变化仅表型改变不是变异，只能称适应或饰变（modification）。变异是基因结构发生变化，而且往往是不可逆的变化，此变化可以遗传给子代形成新的品种。遗传是相对的，变异是绝对的；遗传中有变异，变异中有遗传。第三页，共五十四页，编辑于2023年，星期一第一节

微生物的遗传第四页，共五十四页，编辑于2023年，星期一三个经典实验证明了核酸(DNA和RNA)是遗传物质基础。1.肺炎链球菌的转化现象2.噬菌体感染实验3.植物病毒重建实验一、遗传和变异的物质基础-DNA第五页，共五十四页，编辑于2023年，星期一1、转化实验最早进行转化实验的是F.Griffith（1928）第六页，共五十四页，编辑于2023年，星期一2噬菌体感染实验第七页，共五十四页，编辑于2023年，星期一3、病毒的拆开和重建实验霍氏车前花叶病毒烟草花叶病毒第八页，共五十四页，编辑于2023年，星期一两类核酸的基本化学组成DNARNA嘌呤碱腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）嘧啶碱胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）戊糖D-2-脱氧核糖D-核糖酸磷酸磷酸核酸是一种多聚核苷酸，它的基本单位是核苷酸。核苷酸由碱基、磷酸和戊糖组成第九页，共五十四页，编辑于2023年，星期一（一）DNA的结构1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。二、DNA的结构与复制第十页，共五十四页，编辑于2023年，星期一一级结构：DNA中核苷酸之间的连结方式及其排列顺序。二级结构：双螺旋结构。基本特点：（1）DNA由两天互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成。（2）脱氧核苷酸和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧。（3）两条链上的碱基以氢键相结合形成碱基对。第十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期一碱基的相互结合具有严格的配对规律，即A与T结合，G与C结合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。第十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期一1、DNA的存在形式真核生物：染色体（DNA+组蛋白），丝状结构，所有染色体由核膜包成一个细胞膜原核生物：DNA细丝构成环状的染色体，质粒2、基因:基因是一切生物体内储存信息的，有自我复制能力的遗传功能单位。第十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期一(二）DNA的复制——半保留复制以亲代DNA分子的两条链为模板合成各自的互补链，形成两个子代的DNA分子的过程称为复制，这个过程是半保留复制即合成新的DNA分子时，子代DNA的一条链来自亲代，另一条链为新合成的互补链。第十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期一三、DNA的变性和复性（一）DNA变性DNA的双螺旋由氢键维持，当天然双螺旋DNA受热或其他因素作用下，两条链之间的结合力被破坏而分开成为单链DNA，即称为DNA变性。天然状态的DNA在完全变性后，紫外吸收(260nm)值增加25－40%；RNA变性后，约增加1.1%。这种现象称为增色效应。DNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将引起DNA变性的温度称为融点，用Tm表示。一般DNA的Tm值在70-85C之间。DNA的Tm值与分子中的G和C的含量有关。G和C的含量高，Tm值高。第十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期一（二）DNA复性变性DNA在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性。DNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复。DNA复性的程度、速率与复性过程的条件有关。将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。但是将变性的DNA缓慢冷却时，可以复性。分子量越大复性越难。浓度越大，复性越容易。此外，DNA的复性也与它本身的组成和结构有关。第十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期一由DNA复性研究发展成的一种实验技术是分子杂交，杂交可以发生在DNA之间或DNA与RNA之间，DNA之间杂交可用于估测DNA间的同源序列，不同生物在进化过程中的相关性。DNA与RNA杂交可通过RNA转录来检测DNA中特定基因的存在。核酸杂交第十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期一1、mRNA——messageRNA，信使RNA它的生物功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质合成基地–核糖体。四、RNARNA分子的主要生物功能是参与蛋白质的生物合成，可分为tRNA、rRNA、mRNA和反义RNA，都由DNA转录而来。第十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期一2、tRNA——transferRNA转移RNA是mRNA与氨基酸之间的接合体，带有能和mRNA互补的反密码子，3’末端AMP上结合氨基酸，反密码子与mRNA上的密码子互补。一个氨基酸有一种或多种tRNA。呈三叶草结构。第十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期一3、rRNA——ribosomalRNA核糖体RNArRNA与蛋白质共同组成核糖体。原核生物：5S、16S、23S真核生物：5S、5.8S、16S、28S4、反义RNA——antisenseRNA是能与DNA碱基互补，并能阻止、干扰复制转录和翻译的短小RNA。起调节作用，决定mRNA翻译合成速度。第二十页，共五十四页，编辑于2023年，星期一五、微生物生长和蛋白质合成微生物生长的主要活动是蛋白质的合成，DNA的复制合成和RNA的转录合成最终目的在于蛋白质的合成。DNA通过转录作用，将其所携带的遗传信息传递给mRNA,在三种RNA（mRNA、tRNA和rRNA）的共同作用下，完成蛋白质的合成。第二十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期一DNA复制RNA转录蛋白质翻译逆转录复制中心法则生物的遗传信息从DNA传递给mRNA的过程称为转录。根据mRNA链上的遗传信息合成蛋白质的过程，被称为翻译和表达。1958年Crick将生物遗传信息的这种传递方式称为中心法则。第二十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期一1.转录–mRNA的合成转录是以DNA为模板合成与其碱基顺序互补的mRNA的过程。细胞生长周期的某个阶段，DNA双螺旋解开成为转录模板，在RNA聚合酶催化下，合成mRNA。第二十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期一转录——以DNA为模板，按碱基配对原则（dA-U、dT-A、dG-C、dC-G)合成RNA链。DNA复制RNA转录第二十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期一不对称转录——只能以双链中固定的一条链（模板链）为模板转录RNA开始(启动子)与mRNA序列相同的那条DNA链称为编码链或有义链，并把另一条链根据碱基互补原则指导mRNA合成的DNA链称为反义链。第二十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期一mRNA携带有合成蛋白质的全部信息。蛋白质的生物合成是以mRNA作为模板进行的。第二十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期一遗传密码mRNA分子中所存储的蛋白质合成信息，是由组成它的四种碱基（A、G、C和U）以特定顺序排列成三个一组的三联体代表的，即每三个碱基代表一个氨基酸信息。这种代表遗传信息的三联体称为密码子，或三联体密码子。mRNA分子的碱基顺序即表示了所合成蛋白质的氨基酸顺序。第二十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期一遗传密码第二十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期一2.蛋白质的生物合成(1)tRNA在氨基酰-tRNA合成酶的帮助下，能够识别相应的氨基酸，并通过tRNA氨基酸臂的3'-OH与氨基酸的羧基形成活化酯－氨基酰-tRNA。第二十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期一每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰-tRNA合成酶。它既催化氨基酸与ATP的作用,也催化氨基酰基转移到tRNA。氨基酰-tRNA合成酶具有高度的专一性。每一种氨基酰-tRNA合成酶只能识别一种相应的tRNA。tRNA分子能接受相应的氨基酸,决定于它特有的碱基顺序,而这种碱基顺序能够被氨基酰-tRNA合成酶所识别。第三十页，共五十四页，编辑于2023年，星期一(2)氨基酰-tRNA在mRNA模板指导下组装成蛋白质氨基酰-tRNA通过反密码臂上的三联体反密码子识别mRNA上相应的遗传密码，并将所携带的氨基酸按mRNA遗传密码的顺序安置在特定的位置，最后在核糖体中合成肽链。第三十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期一六、微生物的细胞分裂微生物将倍增的核物质和蛋白质均等地分配给两个细胞，在细胞的中部合成横隔膜并逐渐内陷，最终将两个子细胞分开，细胞分裂完成。第三十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期一第二节微生物的变异第三十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期一一、变异的实质——基因突变基因突变：DNA因某种因素引起碱基的缺失、置换或插入，改变了基因内部原有的碱基排列顺序，从而引起其后代表型的改变.二、突变的类型（一）自发突变:指微生物在自然条件下，没有人工参与而发生的基因突变第三十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期一（二）诱发突变指在细菌的环境中加入理化因素而诱导细菌发生的突变。凡提高突变率的理化因子都可称诱变剂（mutagen）1、物理诱变:（1）紫外辐射诱变作用机制：主要的生物效应是DNA吸收紫外辐射，引起DNA结构的变化。引起DNA结构的变化有很多方面：DNA断裂、DNA交联、DNA与蛋白质交联、胞嘧啶与鸟嘌呤的水合作用及嘧啶二聚体的形成。第三十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期一（2）DNA损伤的修复①光复活和暗复活光复活：光裂合酶在可见光下（300-500nm）会因获得光能而发生解离从而使二聚体重新分解成单体。暗复活：切除修复和重组修复第三十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期一②切除修复：需要三种酶协同作用，不需要可见光的激活。首先在二聚体两侧核酸内切酶作用下造成单链断裂并切除二聚体。DNA聚合酶I作用下修复，最后DNA连接酶缝合新合成的DNA片段和原DNA片段。③重组修复：必须在DNA进行复制的情况下进行，所以又称复制后修复。大肠杆菌可以在不切除胸腺二聚体情况下以带有二聚体的这一单链为模板而合成互补单链，但在二聚体附近留下了一个空隙，经过染色体交换，使空隙部分面对正常单链，DNA聚合酶和连接酶将此修复。第三十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期一④SOS修复：DNA大范围损失作为一种求救信号引发设计DNA修复的多种细胞功能参加的诱导作用。正常的SOS系统被LexA蛋白所抑制，DNA损伤时激活RecA蛋白酶活性，使LexA蛋白失活，启动SOS系统。一旦修复完成，SOS系统关闭。SOS系统是一种倾向差错的DNA修复机制，可造成突变。⑤适应性修复：细菌由于长期接触低剂量诱变剂会产生修复蛋白酶，修复DNA上因甲基化而遭受的损伤。第三十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期一2、化学诱变化学诱变可造成碱基对的置换转换（transition）：嘌呤被另一嘌呤或嘧啶被另一嘧啶取代。颠换（transversion）：嘌呤被嘧啶取代。化学诱变对DNA的作用形式有三类：（1）直接引起置换的诱变剂是一类可直接与核酸碱基发生化学反应的诱变剂。可与一个或几个核苷酸发生化学反应，引起DNA复制时碱基配对的转换。

第三十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期一亚硝酸可使碱基发生氧化脱氨，使腺嘌呤A转变为次黄嘌呤H，胞嘧啶C变成尿嘧啶U，引起A=T向G=C转换

①腺嘌呤氧化脱氨后形成烯醇式次黄嘌呤（He）②He通过互变异构效应形成酮式次黄嘌呤（HK）③DNA复制时，HK与胞嘧啶（C）配对④DNA第二次复制时，C与G正常配对，实现了转换。第四十页，共五十四页，编辑于2023年，星期一（2）间接引起置换的诱变剂：这类诱变剂是一些碱基类似物，5-溴尿嘧啶（5-Bu）、5-氨基尿嘧啶（5-Au）、8-氮鸟嘌呤（8-NG）、2-氨基嘌呤（2-AP）等。它们的作用是通过活细胞的代谢活动掺入到DNA分子后引起的，因此是间接的。（3）引起移码突变的诱变剂：由诱变剂引起DNA分子中的一个或少数几个核苷酸的增添、插入或缺失，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。第四十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期一3、复合处理及协同效应两种或多种诱变剂先后使用；同一种诱变剂重复使用；两种或多种诱变剂同时使用4、定向培育与驯化:用某一特定环境长期处理某一微生物群体，不断移种传代，从中选择具有合格性状的自发突变体。因自发突变率低，变异程度低，培育进程很缓慢。

环境工程中仍采用定向培育的方法培育菌种——驯化。第四十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期一第三节基因重组

两个不同性状个体细胞的DNA融合，使基因重新组合，从而发生遗传变异，产生新品种，此过程称为基因重组。第四十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期一一、杂交

杂交是在细胞水平上发生的一种遗传重组方式。有性杂交，一般指性细胞间的接合和随之发生染色体重组，并产生新遗传型后的一种方式。凡能产生有性孢子的酵母菌或霉菌，原则上都可应用与高等动、植物杂交育种相似的有性杂交方法进行育种。第四十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期一二、转化（transformation）受体菌直接吸收来自供体菌的DNA片段，通过交换，把它组合到自己的基因组中，从而获得供体菌部分遗传性状的现象，称为转化。转化后的受体菌称为转化子。第四十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期一两个菌种和菌株间能否发生转化，与它们在进化上的亲缘关系有密切关系，但即使在转化率极高的那些种中，不同菌株间也不一定能发生转化，能进行转化的细胞必须是感受态的。受体菌最易接受外源DNA片段并实现转化的生理状态称为感受态。感受态因子是一种胞外蛋白，可能是细胞膜上的一种组分，可催化外来DNA片段的吸收或降解表面某种成分，让细胞表面的DNA受体暴露出来。第四十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期一三、转导(transduction)

通过缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的DNA片段携带到受体细胞中，从而使后者获得了前者部分遗传性状的现象，称为转导。1、普遍转导(generalizedtransduction)噬菌体可误包供体菌中的任何基因(包括质粒)，并使受体菌实现各种性状的转导，此即普遍性转导。2、局限转导(restrictedspecializedtransduction)指通过某些部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中的转导现象。第四十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期一第四节遗传工程技术在环境保护中的应用第四十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期一一、遗传工程技术在环境保护中的应用（一）质粒育种质粒是细菌体内一种独立于染色体外，与细菌细胞共生能独立复制和稳定地延续遗传的遗传单位，其基因由环状双链共价闭合DNA分子组成，长1-200kb。不带有重要基因，存在与否不对细菌产生致死效应。不同质粒拷贝数不同，根据其数目分为严紧型和松弛型两类。严紧型质粒多半是一些