微生物的遗传和变异.ppt

第六章微生物的遗传和变异，第一节微生物的遗传第二节微生物的变异第三节基因重组第四节基因工程技术在环境保护中的应用，遗传和变异是所有生物最不可缺少的属性微生物遗传。在特定的环境条件下，微生物的形态、结构、代谢、生殖、毒性和对药物的敏感性等性状比较稳定，代代代代代代代代代代代代代代代代代代之间可能出现相似性，这种现象称为遗传。遗传可以保持微生物的性状比较稳定，世代相传，保存其物种。变异：子系和父系之间不同程度的变化和差异称为变异。第一节微生物的遗传，第一节，遗传和变异物质为基础的DNA，微生物遗传物质的化学性质是DNA，DNA构成微生物的特定基因组，传递遗传信息。微生物的基因组是指微生物的染色体或染色体外的遗传物质所携带的基因，即我们称为质粒的基因。所以微生物遗传和变异的物质基础是染色体和核外的质粒。3个经典实验，证明DNA是遗传物质；1、转基因实验；2、噬菌体感染实验；3病毒分解和重组实验；2、DNA的结构和克隆；(1)DNA的结构；1952年，奥地利裔美国生物化学家蔡家夫测定了DNA的4种碱基含量沃森和克里克立刻想到了4种碱基之间有两种对应关系的事实。先比特列克星和蒂敏配对、乔赛特、细胞色素配对的概念已经形成。1953年2月，沃森，克里克通过威尔金斯看了富兰克林1951年11月拍摄的非常漂亮的DNA晶体x射线衍射照片，获得了灵感。他们不仅确认了DNA一定是螺旋结构，还分析了螺旋参数。他们接受了富兰克林和威尔金斯的判断，弥补了这一点。磷酸根在螺旋的外侧形成两个多核苷酸链的骨架，朝向相反的方向。碱基在螺旋的内部，两个对应。核酸是许多单核苷酸聚合的多核苷酸。DNA的主要结构是指dAMP、dCMP、dGMP、dTMP这四种核苷酸，它们是按照一定的排列顺序通过磷酸二酯结合形成的多核苷酸，核苷酸的差别只是碱基的差别，所以可以说是碱基序列。核苷酸形成一个核苷酸的5 位磷酸和下一个核苷酸的3 o ，形成3 ，5 磷酸二酯键构成线性大分子，这里磷酸和戊糖形成DNA链的骨架，可变部分是碱基序列。DNA分子在两个平行脱氧核苷酸长链中螺旋形成。DNA分子中的DNA和磷酸交替连接，排列在外部。基本排列在内部，两条链的基本通过氢键连接，a和t通过双键连接，c和g通过三键连接。(1)规则的双螺旋结构：(2)基本互补对原理：a-t；C-G。互补配对。氢键连接的碱基组合。(3)根据DNA双链基本之间的关系，总结相关的公式或结论。(。例如：对于双股，A=T，c=g；A G=T C，即嘌呤数=嘧啶数。(A G)/(T C)=1表示所有双股DNA中它们的比例相同。(A G)/(T C)是双股的百分比值。在DNA的两个单链中，(a g)/(A G)/(T C)的比率是相互倒数。(A T)/(G C)是两条单链和双链的比例相同。(4)基因基因，基因(Gene，Mendelianfactor)是基因因子，也称为基因因子，是调控性状的基本遗传单位。基因引导蛋白质的合成，表达自己携带的遗传信息，从而控制生物个体的性状。，原始功能(即基因的产物)基因可以分为：编码蛋白质的基因操作区调节基因，3，基因信息的传递，DNA通过转录作用携带的基因(基因)传递给mRNA，3种RNA(mRNA，tRNA，rRNA)的作用生物的遗传信息从DNA传递到mRNA的过程称为转录。基于MRNA链的遗传信息合成蛋白质的过程称为翻译和表达。1958年，克里克把生物遗传信息的传递方式称为中心定律。DNA序列作为基因信息的存储，通过自主复制而永恒；DNA由转录生成RNA。带有遗传信息的mRNA通过翻译产生蛋白质来控制生命现象。同时，部分RNA通过逆转录，将基因信息DNA可以传递到。部分RNA可以复制自身，使其遗传信息永恒。中心定律(centraldogma)，(2) DNA的克隆，(1)半保存克隆，DNA在克隆时解开两条链，分别分解成一个模板，根据DNA聚合酶的催化作用，合成两条新链，构成新的DNA分子。这样两个新形成的DNA分子与亲代DNA分子的基本顺序完全相同。这种复制方法称为半保存复制，因为子代DNA分子中的一股来自父母，另一股是新合成的。(2)半保存复制实验证据(Meselson-Stahl)，1958年Meselsonstahl用同位素(15N)追踪标记追踪三代生长的大肠杆菌，证明DNA正在以半保存方式复制。第三，DNA的变性和复性，DNA变性，双螺旋之间的氢键断裂，双螺旋解开，形成了单链不规则线团，形成了特性变化(例如粘度降低，沉淀速度增加，浮力上升，紫外线吸收增加等)，这被称为DNA变性。可以加热、替换DNA溶液的pH值，也可以受乙醇、尿素、甲酰胺、丙烯酰胺等有机溶剂的影响，使DNA变质。(a) DNA的变性通过提高温度使DNA变性，并将uv吸收绘制到温度，就可以得到一条称为溶解曲线的曲线，当温度升高到一定范围时，DNA溶液的吸光度突然上升到峰值。由此可见，DNA变性发生在很窄的温度范围内，增色效果是爆炸性的。显示当达到特定温度时，DNA双螺旋几乎同时解开。50% DNA分子变质的温度称为变质温度(与熔化曲线中点对应的温度)，因为这类似于结晶的熔化，所以也称为熔点或熔化温度(melling temperature，TM)。因此，Tm是消亡值增加到最大消亡值的一半时的温度。(b)如果DNA的复性、变性DNA消除变性条件，两条互补链也可以重新结合，恢复原来的双螺旋结构，这种过程称为复性。一般来说，这种过程也称为退火，因为在DNA热变性后，温度缓慢冷却，保持在比Tm低约25 30 的位置，变性单链DNA就能还原双螺旋结构。复性DNA，理化性质可恢复。DNA变热后迅速冷却的话，就不能再折叠了。一种名为4，RNA，核糖的核酸，由至少几十个核糖核苷酸连接而成。RNA广泛存在于动物、植物、微生物和某些病毒和噬菌体中。RNA与蛋白质生物合成有密切的关系。在RNA病毒和噬菌体中，RNA是遗传信息的载体。RNA通常是单链线性分子。利奥病毒RNA还有双股，如。病毒RNA环单链，如；1983年也发现了支化的RNA分子。TRNA、rRNA、mRNA、反义RNA的四种RNA都由DNA转录。mRNA生物的遗传信息主要存储在DNA的碱基序列中，但DNA并不能直接决定蛋白质的合成。在真核细胞中，DNA主要保存在细胞核中的染色体上，蛋白质的合成地点存在于细胞质中的核糖体里，因此，在DNA中，控制蛋白质合成的基因信息需要传递给核糖体的媒介。经证明，这种中介物质是特殊的RNA。由于RNA有传达遗传信息的作用，因此被称为信使RNA(messageRNA，mRNA)。tRNA合成蛋白质原料20种氨基酸和mRNA的基本之间缺乏特殊的亲和力。因此，需要使用特殊的RNA转移RNA(tRNA)，将氨基酸输送到核糖体，tRNA根据mRNA的遗传密码，正确地连接自己携带的氨基酸，形成多肽链。每种氨基酸可以与1-4种tRNA结合，目前已知的tRNA种类超过40种。rRNA核糖体RNA(ribosomalRNA，rRNA)是构成核糖体的主要成分。核糖体是合成蛋白质的工厂。在大肠杆菌中，rRNA量占总细胞RNA量的75%-85%，tRNA为15%，mRNA仅为3-5%。RNA由磷酯键凝聚的核糖核苷酸生长链状分子。核糖核苷酸分子由磷酸、核糖和碱基组成。RNA的基础主要是a腺嘌呤、g鸟嘌呤、c胞嘧啶、u尿嘧啶等4种。其中，u(尿嘧啶)取代了DNA中的t thymidine，成为RNA的特征碱基。第五，微生物生长和蛋白质合成，蛋白质合成过程：(1)DNA的克隆，决定特定蛋白质分子结构的相应DNA链。(2)转录mRNA，DNA转录mRNA，DNA分子的部分核苷酸碱基序列转录成反义RNA、tRNA、rRNA。转录后mRNA的顺序由tRNA转换成相应的氨基酸排列顺序，产生具有不同生理特性的功能性蛋白质。(3)翻译，tRNA链上的逆密码子，mRNA链上氨基酸序列的核苷酸碱基序列。(4)蛋白质合成通过两端识别作用，将特定氨基酸转化为核糖体，使不同氨基酸按照mRNA的基本顺序连接在一起，通过多肽合成酶作用合成多肽链。第二节微生物的变异，1，变异的本质基因突变，基因突变(点突变):DNA链中的一对或几对碱基发生变化(取代、增加或缺失)而产生的基因突变。突变的具体表达，1，碱基对替换转换：作为最常见的点突变，嘧啶被另一个嘧啶，嘌呤被另一个嘌呤取代。用AT对替换GC对，反之亦然。颠茄(Transversion):另一个不常见的点突变，purine被嘧啶代替，或者相反，所以AT对变成TA，GC对。2、移位突变是由碱的缺失或插入引起的。DNA突变类型，野生型基因，碱基对替换，迁移代码突变，2，突变类型，自发突变：正常细胞活动或细胞与环境随机交互，这种过程引起的生物DNA序列的变化。诱变：特定化学或物理因素引起的DNA序列变化。所有突变都包括DNA序列的变化。诱变，紫外线的高能在相邻的嘧啶之间打开双键，产生环丁烷结构和6-4矿物等二聚体。电离辐射的作用比较复杂。(2)化学诱变，(1)基本类似物(baseanalog)等5-溴尿嘧啶(BU)是t碱的类似物，通常以酮结构存在，并与a配对；但有时以enol结构存在，并与g成对存在。2-氨基嘌呤(AP)是a的类似物，正常与t配对，但在稀有的亚氨基状态下存在时与c配对。(1)物理诱变，基本改性剂(basemodifier)可以以亚硝酸盐脱碱上的氨基。c氧化氨可以制成u。去除g氨后变成黄嘌呤(x)，但仍与c一致。a去除氨后成为阿黄嘌呤(I)，I与c配对，不能与原t配对。，染料(intercalationdye)吖啶、丙烷、溴化乙锭(ethidiumbromide，EB)等一些扁平的交叉环分子插入DNA的碱基对之间，会导致新合成链碱基的插入或缺失。3，DNA损伤修复，(1) DNA损伤的原因和位置，损伤原因：错误的DNA重组理化因子损伤部分：碱基，糖或磷酸二酯结合，4，DNA损伤修复类型，(1)不匹配修复，(2)切除修复，(3)克隆后，DNA在短时间内(数分钟)就会有半甲基化的GATC序列，如果发现分配错误的碱基，就马上从未甲基化的链中切除包含错误碱基的序列，将甲基化链固定成模板。(b)切除修复，碱基切除修复，糖苷水解酶：在细胞的各种，受损的核苷酸中，特异性地切除N-糖苷键，在DNA链中形成AP部位(塔林或塔林部分)。AP核酸内切酶：在AP区域附近(位置5 或3 )截断DNA链；核酸外体酶：小DNA，包括AP部位核苷酸；移除片段。DNA聚合酶I:合成新片段；DNA结合酶：连接和修复切口。核苷酸切除和修复，在DNA链中该位置的核苷酸发生损伤，在双链之间没有形成氢键的一系列酶作用下，DNA分子中受损的部分被切断，将完整的那条链变成模板，合成被切断的部分，然后将DNA恢复正常结构的过程。DNA损伤和切除修复，基本损失，基本缺陷或不一致，结构缺陷，切开，核酸内切酶，核酸外切酶，切除，DNA聚合酶，DNA结合酶，AP核酸内切酶，核酸外切系统，DNA紫外线损伤的光合作用酶修复，1，嘧啶二聚体形成，2，光合作用酶在损伤部位结合，3，酶被可见光激活，4，修复后酶释放，遗传信息中有缺陷的原生DNA分子通过遗传重组的方