环境微生物学第六章

1、第六章 微生物的遗传与变异“种瓜得瓜，种豆得豆种瓜得瓜，种豆得豆”“龙生龙，凤生凤龙生龙，凤生凤”“老鼠生来会打洞老鼠生来会打洞”说明什么问题说明什么问题?遗传现象遗传现象“一龙生九子，九子各不同一龙生九子，九子各不同 ”又说明什么问题又说明什么问题?变异现象变异现象 亲代的性状在子代表现出来，使子代与亲代有相似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。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

2、分子水平讲，是象，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。遗传信息发生了变化。（heredityheredity） （variationvariation） 生物体所携带的全部遗传因子或基因的总称。生物体所携带的全部遗传因子或基因的总称。具有一定遗传性的个体在特定的外界环境中通过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。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（称适应或饰变（modificationmodificat

3、ion）。变异是基因结构发生变）。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。异，变异中有遗传。第一节 微生物的遗传一、一、DNADNA是遗传物质是遗传物质三个经典实验证明了核酸三个经典实验证明了核酸(DNA(DNA和和RNA)RNA)是遗传物质基础。是遗传物质基础。1.1.肺炎链球菌的转化现象肺炎链球菌的转化现象2.2.噬菌体感染实验噬菌体感染实验3.3.植物病毒重建实验植物病毒重建实验一、遗传变异的

4、物质基础一、遗传变异的物质基础加加S菌菌DNA加加S菌菌DNA及及DNA酶以酶以外的酶外的酶加加S菌的菌的DNA和和DNA酶酶加加S菌的菌的RNA加加S菌的蛋白质菌的蛋白质加加S菌的荚膜多糖菌的荚膜多糖活活R菌菌长出长出S菌菌只有只有R菌菌1944年年O.T.Avery、C.M.MacLeod和和M。McCarty从热死从热死S型型S. pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化试验：并在离体条件下进行了转化试验：只有只有S型细菌的型细菌的DNA才能将才能将S. pneumoniae的的R型转化为型转化为S型。且型。且D

5、NA纯度越高，转化纯度越高，转化效率也越高。说明效率也越高。说明S型菌株转移给型菌株转移给R型菌株型菌株的是遗传因子的是遗传因子,即即DNA。3232P P标记噬菌体标记噬菌体DNA DNA 3535S S标记噬菌体的蛋白质外壳标记噬菌体的蛋白质外壳 大多数噬菌大多数噬菌体的体的DNADNA存在存在于细菌中，而于细菌中，而外壳留在上清外壳留在上清液中。液中。 植物病毒重建实验植物病毒重建实验 证明了证明了RNA为遗传物质为遗传物质 1956，Fraenkel-conrat用含有用含有RNA的的TMV和和HRV进行了进行了植物病毒重建实验。植物病毒重建实验。证明杂种病毒的蛋白质外壳来自证明杂种病

6、毒的蛋白质外壳来自病毒病毒1，而非病毒，而非病毒2生化提取分别获得含生化提取分别获得含RNA的烟草花叶病的烟草花叶病毒蛋白质外壳（病毒毒蛋白质外壳（病毒1）和核酸（病毒）和核酸（病毒2(霍氏车前花叶病毒霍氏车前花叶病毒)杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现为病毒为病毒2，而非病毒，而非病毒1遗传物质是核酸（遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质）而非蛋白质核外核外DNA的种类的种类 核外染色核外染色体体真核生物真核生物的的“质粒质粒”原核生物原核生物的质粒的质粒线粒体线粒体细胞质基因细胞质基因叶绿体叶绿体（质体）（质体）中心体中心体卡巴颗粒卡巴颗粒酵母菌的酵母菌的2 m质粒

7、质粒F因子因子R因子因子Col质粒质粒Ti质粒质粒巨大质粒巨大质粒降解性质粒降解性质粒卡巴颗粒(1) DNA(1) DNA由由2 2条反平行的脱氧多核苷酸链构成，两条条反平行的脱氧多核苷酸链构成，两条链绕同一中心轴盘旋而形成右手双螺旋。链绕同一中心轴盘旋而形成右手双螺旋。 (2) (2) 每条主链由磷酸和脱氧核糖相间连接而成，位于每条主链由磷酸和脱氧核糖相间连接而成，位于螺旋外侧，碱基位于螺旋的内侧，碱基平面与螺旋中螺旋外侧，碱基位于螺旋的内侧，碱基平面与螺旋中心轴垂直，螺旋表面有心轴垂直，螺旋表面有2 2条螺旋形的凹槽：大沟和小沟。条螺旋形的凹槽：大沟和小沟。 (3) (3) 双螺旋的直径是

8、双螺旋的直径是2nm2nm，沿中心轴每个螺旋周期有，沿中心轴每个螺旋周期有1010个核苷酸对，螺距为个核苷酸对，螺距为3.4nm3.4nm，碱基对之间的距离为，碱基对之间的距离为0.34nm0.34nm。 (4) (4) 两链间的碱基以氢键互相配对。两链间的碱基以氢键互相配对。A A与与T T配，有配，有2 2个个氢键；氢键；G G与与C C配，有配，有3 3个氢键。个氢键。 小沟小沟大沟大沟1.0 nm二、二、DNA的结构与复制的结构与复制脱氧脱氧核糖核糖碱基碱基磷酸磷酸A G C T基本单位脱氧核苷酸AGCT腺嘌呤脱氧核苷酸腺嘌呤脱氧核苷酸鸟嘌呤脱氧核苷酸鸟嘌呤脱氧核苷酸胞嘧啶脱氧核苷酸胞

9、嘧啶脱氧核苷酸 胸腺嘧啶脱氧核苷酸胸腺嘧啶脱氧核苷酸脱氧核苷酸的种类连连 接接 ATGCATGCDNADNA的化学结构示意图的化学结构示意图要点要点(1) DNA(1) DNA由由2 2条反平行的脱氧多核苷酸链构成，两条条反平行的脱氧多核苷酸链构成，两条链绕同一中心轴盘旋而形成右手双螺旋。链绕同一中心轴盘旋而形成右手双螺旋。 (2) (2) 每条主链由磷酸和脱氧核糖相间连接而成，位每条主链由磷酸和脱氧核糖相间连接而成，位于螺旋外侧，碱基位于螺旋的内侧，碱基平面与螺于螺旋外侧，碱基位于螺旋的内侧，碱基平面与螺旋中心轴垂直，螺旋表面有旋中心轴垂直，螺旋表面有2 2条螺旋形的凹槽：大沟条螺旋形的凹槽

10、：大沟和小沟。和小沟。 (3) (3) 双螺旋的直径是双螺旋的直径是2nm2nm，沿中心轴每个螺旋周期有，沿中心轴每个螺旋周期有1010个核苷酸对，螺距为个核苷酸对，螺距为3.4nm3.4nm，碱基对之间的距离为，碱基对之间的距离为0.34nm0.34nm。 (4) (4) 两链间的碱基以氢键互相配对。两链间的碱基以氢键互相配对。A A与与T T配，有配，有2 2个个氢键；氢键；G G与与C C配，有配，有3 3个氢键。个氢键。 双螺旋结构有双螺旋结构有A A、B B、Z Z三种类型。三种类型。A A型螺旋比型螺旋比B B型螺旋拧得紧一些。型螺旋拧得紧一些。Z Z型螺旋是左手螺旋。型螺旋是左手

11、螺旋。 但目前公认但目前公认B B型螺旋是最接近天然状型螺旋是最接近天然状态的态的DNADNA结构，也是细胞内结构，也是细胞内DNADNA的主要存的主要存在形式。在形式。 特定的种或菌株的特定的种或菌株的DNADNA分子，其分子，其碱基顺序碱基顺序固定不变固定不变，保证了，保证了遗传的稳定性遗传的稳定性。 一旦一旦DNADNA的个别部位发生了碱基排列顺序的个别部位发生了碱基排列顺序的变化的变化, , 都会导致死亡或发生遗传性状的改都会导致死亡或发生遗传性状的改变。例如变。例如: :在特定部位丢掉一个或一小段碱基在特定部位丢掉一个或一小段碱基增加一个或一小段碱基增加一个或一小段碱基改变了改变了D

12、NADNA链的长短和碱基顺序链的长短和碱基顺序a.a.氢键氢键。两条链间碱基的相互作用，。两条链间碱基的相互作用，A A与与T T间两个氢键，间两个氢键，G G与与C C间三个氢键，虽然氢键是一个弱键，但间三个氢键，虽然氢键是一个弱键，但DNADNA中氢键数量大，所中氢键数量大，所以氢键是以氢键是比较重要的因素比较重要的因素。b.b.碱基堆积力碱基堆积力(base stacking action)(base stacking action)。是。是一条链上相邻两一条链上相邻两个平行碱基环间的相互作用个平行碱基环间的相互作用，这是来自芳香族碱基，这是来自芳香族碱基键电子键电子之间的相互作用，是维

13、持之间的相互作用，是维持DNADNA双螺旋稳定的双螺旋稳定的主要因素主要因素。碱基堆。碱基堆积使双螺旋内部形成疏水核心，从而有利于碱基间形成氢键。积使双螺旋内部形成疏水核心，从而有利于碱基间形成氢键。c.c.离子键。离子键。DNADNA分子中磷酸基团在生理条件下解离，使分子中磷酸基团在生理条件下解离，使DNADNA成为成为一种多阴离子，这有利于与带正电荷的组蛋白或介质中的阳离一种多阴离子，这有利于与带正电荷的组蛋白或介质中的阳离子间形成静电作用，能子间形成静电作用，能减少双链间的静电排斥，有利于双螺旋减少双链间的静电排斥，有利于双螺旋的稳定的稳定。DNADNA双螺旋结构的稳定因素双螺旋结构的稳

14、定因素（3 3）三股螺旋结构的）三股螺旋结构的DNADNA a. a. 科学家在实验室设计并合成由科学家在实验室设计并合成由15-2515-25个个核苷酸组成的短链反义核酸，这些反义核核苷酸组成的短链反义核酸，这些反义核酸可被绑到酸可被绑到DNADNA中形成三股螺旋的中形成三股螺旋的DNADNA。b. 1992b. 1992年我国科学家首先发现具有三股年我国科学家首先发现具有三股螺旋的天然螺旋的天然DNADNA，已被国际公认。，已被国际公认。 3 3、DNADNA的三级结构的三级结构超螺旋超螺旋 DNA DNA的三级结构是指的三级结构是指双螺旋基础上分子双螺旋基础上分子的进一步扭曲或再次螺旋所

15、形成的构象。的进一步扭曲或再次螺旋所形成的构象。 其中，超螺旋其中，超螺旋(superhelix(superhelix) )是最常见也是最常见也是研究最多的是研究最多的DNADNA三级结构。三级结构。 细胞内的细胞内的DNADNA主要以超螺旋形式存在。主要以超螺旋形式存在。 当超螺旋当超螺旋DNADNA的一条链上出现一个缺口时，超的一条链上出现一个缺口时，超螺旋结构就会松开，而形成开环型结构。螺旋结构就会松开，而形成开环型结构。a.a.为直线型双螺旋结构；为直线型双螺旋结构；b.b.为开环型结构；为开环型结构；c.c.为闭环型为闭环型超螺旋结构超螺旋结构(一一) DNA的存在形式的存在形式1

16、1、真核生物真核生物：真核生物：真核生物( (人、人、高等动物、植物、真菌、藻高等动物、植物、真菌、藻类及原生动物类及原生动物) )的的DNADNA和组蛋和组蛋白等白等组成染色体组成染色体，少的几个，少的几个，多的几十或更多，染色体多的几十或更多，染色体呈呈丝状结构丝状结构，细胞内所有染色，细胞内所有染色体体由核膜包裹成一个细胞核由核膜包裹成一个细胞核。 2 2、原核微生物原核微生物：原核微生物的：原核微生物的DNADNA只与很少量的蛋白质结合，也没只与很少量的蛋白质结合，也没有核膜包裹，单纯由一条有核膜包裹，单纯由一条DNADNA细丝构成环状的染色体，位于细胞的细丝构成环状的染色体，位于细胞

17、的中央，高度折叠形成具有空间结构的一个中央，高度折叠形成具有空间结构的一个核区核区。 （二）、基因及遗传信息传递 基因是一切生物体内储存遗传信息的、有自我复制基因是一切生物体内储存遗传信息的、有自我复制能力的遗传功能单位。它是能力的遗传功能单位。它是DNA分子上一个具有特分子上一个具有特定碱基顺序，即核苷酸顺序的片断。定碱基顺序，即核苷酸顺序的片断。(2)(2)分类分类( (按功能分按功能分) ) (a) (a) 结构基因：编码蛋白质或酶的结构，控制蛋白质或酶结构基因：编码蛋白质或酶的结构，控制蛋白质或酶的合成，但的合成，但tRNAtRNA和和rRNArRNA基因不编码蛋白质；基因不编码蛋白质

18、；如，大肠杆菌三种有关利用乳糖的酶是由三个结构基因决定的；(b) (b) 操纵基因或操纵区：它的功能像操纵基因或操纵区：它的功能像“开关开关”，操纵三个操纵三个结构基因结构基因的表达；的表达； (c) (c) 调节基因，它是调节基因，它是控制结构基因控制结构基因的。由调节基因决定一的。由调节基因决定一种阻抑蛋白封闭操纵区的作用，使三个结构基因都不能表种阻抑蛋白封闭操纵区的作用，使三个结构基因都不能表达，阻抑了酶的合成。达，阻抑了酶的合成。当培养基中有乳糖时阻抑蛋白失活，不能封闭操纵基因，因而结构基因得以表达，合成能利用乳糖的酶。 o.o.操纵基因；操纵基因；a,b,ca,b,c结构基因；结构基

19、因；R.R.调节基因；调节基因；L.L.乳糖；乳糖；A. B. CA. B. C蛋白质蛋白质 (三)、DNA的复制 半保留复制半保留复制以亲代以亲代DNA分子的两条链为模板分子的两条链为模板合成各自的互补链，形成合成各自的互补链，形成两个子代的两个子代的DNA分子的过分子的过程称为复制，这个过程是程称为复制，这个过程是半保留复制即合成新的半保留复制即合成新的DNA分子时，子代分子时，子代DNA的的一条链来自亲代，另一条一条链来自亲代，另一条链为新合成的互补链。链为新合成的互补链。 首先首先是是DNADNA分子中的两条互补的多核苷酸分子中的两条互补的多核苷酸链之间的氢键断裂，彼此分开成两条单链，

20、链之间的氢键断裂，彼此分开成两条单链，然后然后各自以原有的多核苷酸链为模板，根各自以原有的多核苷酸链为模板，根据碱基配对的原则吸收细胞中游离的核苷据碱基配对的原则吸收细胞中游离的核苷酸，按照原有链上的碱基排列顺序，各自酸，按照原有链上的碱基排列顺序，各自合成出一条新的互补的多核苷酸链，新合合成出一条新的互补的多核苷酸链，新合成的一条多核苷酸链和原有的多核苷酸链成的一条多核苷酸链和原有的多核苷酸链又可以氢键连接成新的双螺旋结构。又可以氢键连接成新的双螺旋结构。半保留复制半保留复制DNADNA两条链都作为模板合成两条链都作为模板合成两条新链两条新链 三、三、DNA的变性和复性的变性和复性 核酸变性

21、：是指核酸双螺旋结构解开，氢键断裂，但并不涉及核苷酸间磷酸二酯键的断裂。 DNA的复性：变性DNA在适当条件下，又可使两条彼此分离的链重新缔合而形成双螺旋结构，这一过程又称为退火。复性后的DNA可基本恢复一系列的理化性质，生物学活性也可得到部分恢复。 引起变性的引起变性的外部因素外部因素：加热、极端的：加热、极端的pHpH、有机溶剂、尿素和甲硫胺等。它们都能破坏氢有机溶剂、尿素和甲硫胺等。它们都能破坏氢键、疏水键、碱基堆积力，从而破坏双螺旋。键、疏水键、碱基堆积力，从而破坏双螺旋。 DNADNA的变性可发生在一个很窄的温度范围内。的变性可发生在一个很窄的温度范围内。 DNADNA的变性和复的变

22、性和复性图性图 图图 6-7 DNA6-7 DNA的解链曲线的解链曲线经加热成单链经加热成单链DNADNA双链双链DNADNA重新形成重新形成图图 6-8 6-8 变性变性DNADNA重新形成双链重新形成双链DNADNA的过程的过程缓慢冷却缓慢冷却单链单链DNADNA熔解熔解DNADNA双链双链DNADNAT Tm m=92.6=92.6 温度温度/ DNA变性和蛋白质变性的区别？变性和蛋白质变性的区别？三、三、RNA RNA 1 1、DNADNA与与RNARNA的区别的区别 (1) RNA(1) RNA的戊糖为核糖，的戊糖为核糖，DNADNA的为脱氧核糖；的为脱氧核糖； (2) RNA(2)

23、 RNA的四种碱基中没有胸腺嘧啶的四种碱基中没有胸腺嘧啶(T)(T)，以尿，以尿嘧啶嘧啶(uracil(uracil, , 简称简称U)U)代替；即为代替；即为A A、C C、G G、U U； (3) RNA(3) RNA是单链自身回折结构；碱基配对：是单链自身回折结构；碱基配对：A AU U，G GC C。 2 2、RNARNA的种类的种类 (1)(1)mRNAmRNA(messenger RNA)(messenger RNA)：约占总：约占总RNARNA量的量的5 5。其上带有指导氨基酸的信息密码其上带有指导氨基酸的信息密码( (三联密码子三联密码子) )，作用作用是是翻译氨基酸翻译氨基酸

24、，将遗传信息，将遗传信息从从DNADNA传到蛋白传到蛋白质质，在肽链合成中起，在肽链合成中起决定氨基酸排列顺序决定氨基酸排列顺序的的模板模板作用。作用。 (2)(2)tRNAtRNA(transfer RNA)(transfer RNA)：约占总：约占总RNARNA的的1515，相，相对分子量较小，游离于胞质中。其上有和对分子量较小，游离于胞质中。其上有和mRNAmRNA互互补的反密码子，能补的反密码子，能识别氨基酸识别氨基酸及及识别识别mRNAmRNA上的密上的密码子码子，在，在tRNAtRNA- -氨基酸合成酶的作用下氨基酸合成酶的作用下传递氨基传递氨基酸酸( (实际上是起翻译作用实际上是

25、起翻译作用) )。 (3)(3)rRNArRNA(ribosomal RNA)(ribosomal RNA)：约占总：约占总RNARNA量的量的8080，相对分子量较高，是相对分子量较高，是核糖体的组成成分核糖体的组成成分( (占占6060左右左右) )，核糖体是蛋白质合成，核糖体是蛋白质合成( (翻译翻译) )的场所。的场所。 (4)(4)反义反义RNARNA：能与：能与DNADNA的碱基互补，并能阻止、的碱基互补，并能阻止、干扰复制转录和翻译的短小的干扰复制转录和翻译的短小的RNARNA。 第二位置第二位置第第一一位位置置mRNAmRNA的的55端端U UU UC CA AG GU UC

26、CA AG G第第三三位位置置mRNAmRNA的的33端端UUU UUU 苯丙氨酸苯丙氨酸UUC UUC 苯丙氨酸苯丙氨酸UUA UUA 亮氨酸亮氨酸UUG UUG 亮氨酸亮氨酸UCU UCU 丝氨酸丝氨酸UCC UCC 丝氨酸丝氨酸UCA UCA 丝氨酸丝氨酸UCG UCG 丝氨酸丝氨酸UAU UAU 酪氨酸酪氨酸UAC UAC 酪氨酸酪氨酸UAA UAA 终止终止UAG UAG 终止终止UGU UGU 半胱氨酸半胱氨酸UGC UGC 半胱氨酸半胱氨酸UGA UGA 终止终止UGG UGG 色氨酸色氨酸C CCUU CUU 亮氨酸亮氨酸CUC CUC 亮氨酸亮氨酸CUA CUA 亮氨酸亮氨酸

27、CUG CUG 亮氨酸亮氨酸CCU CCU 脯氨酸脯氨酸CCC CCC 脯氨酸脯氨酸CCA CCA 脯氨酸脯氨酸CCG CCG 脯氨酸脯氨酸CAU CAU 组氨酸组氨酸CAC CAC 组氨酸组氨酸CAA CAA 谷氨酰氨谷氨酰氨CAG CAG 谷氨酰氨谷氨酰氨CGU CGU 精氨酸精氨酸CGC CGC 精氨酸精氨酸CGA CGA 精氨酸精氨酸CGG CGG 精氨酸精氨酸U UC CA AG GA AAUU AUU 异亮氨酸异亮氨酸AUC AUC 异亮氨酸异亮氨酸AUA AUA 异亮氨酸异亮氨酸AUG AUG 甲硫氨酸甲硫氨酸ACU ACU 苏氨酸苏氨酸ACC ACC 苏氨酸苏氨酸ACA ACA

28、 苏氨酸苏氨酸ACG ACG 苏氨酸苏氨酸AAU AAU 天门冬酰氨天门冬酰氨AAC AAC 天门冬酰氨天门冬酰氨AAA AAA 赖氨酸赖氨酸AAG AAG 赖氨酸赖氨酸AGU AGU 丝氨酸丝氨酸AGC AGC 丝氨酸丝氨酸AGA AGA 精氨酸精氨酸AGG AGG 精氨酸精氨酸U UC CA AG GG GGUU GUU 缬氨酸缬氨酸GUC GUC 缬氨酸缬氨酸GUA GUA 缬氨酸缬氨酸GUG GUG 缬氨酸缬氨酸GCU GCU 丙氨酸丙氨酸GCC GCC 丙氨酸丙氨酸GCA GCA 丙氨酸丙氨酸GCG GCG 丙氨酸丙氨酸GAU GAU 天门冬氨酸天门冬氨酸GAC GAC 天门冬氨酸天

29、门冬氨酸GAA GAA 谷氨酸谷氨酸GAG GAG 谷氨酸谷氨酸GGU GGU 甘氨酸甘氨酸GGC GGC 甘氨酸甘氨酸GGA GGA 甘氨酸甘氨酸GGG GGG 甘氨酸甘氨酸U UC CA AG G四、遗传密码四、遗传密码图图6-10 6-10 生长期细菌群体的生长期细菌群体的RNARNA、DNADNA和蛋白质含量的变化和蛋白质含量的变化五、微生物生长与蛋白质合成2 2、蛋白质合成过程、蛋白质合成过程 (1)(1)复制：决定该种蛋白质分子结构的相应一段复制：决定该种蛋白质分子结构的相应一段DNADNA链链( (结构基因结构基因) )的自我复制；的自我复制； (2)(2)转录：蛋白质不能直接由

30、转录：蛋白质不能直接由DNADNA合成，而通过合成，而通过DNADNA的副本的副本RNARNA合成。转录是双链合成。转录是双链DNADNA分开，以其分开，以其中的一条单链为模板转录出一条中的一条单链为模板转录出一条mRNAmRNA。新转录的。新转录的mRNAmRNA链的核苷酸碱基的排列顺序与模板链的核苷酸碱基的排列顺序与模板DNADNA链的链的核苷酸碱基排列顺序互补。同样，也可以核苷酸碱基排列顺序互补。同样，也可以DNADNA分分子的某些部分核苷酸碱基顺序转录成子的某些部分核苷酸碱基顺序转录成tRNAtRNA和和rRNArRNA。 (3)(3)翻译：翻译是由翻译：翻译是由tRNAtRNA完成的

31、，完成的，tRNAtRNA链上有与链上有与mRNAmRNA链上对氨基酸顺序编码的核苷酸碱基顺序链上对氨基酸顺序编码的核苷酸碱基顺序( (密码子密码子) )互补的反密码子互补的反密码子 tRNA tRNA具有特定识别作用的两端：具有特定识别作用的两端：一端一端识别特定识别特定的、在的、在ATPATP和氨基酸合成酶作用下被活化的氨基和氨基酸合成酶作用下被活化的氨基酸，并与之暂时结合形成氨基酸酸，并与之暂时结合形成氨基酸tRNAtRNA的结合分的结合分子。子。另一端另一端有三个核苷酸碱基顺序组成反密码子。有三个核苷酸碱基顺序组成反密码子。tRNAtRNA上的反密码子能识别上的反密码子能识别mRNAm

32、RNA上的与之互补的密上的与之互补的密码子，并与之暂时结合。码子，并与之暂时结合。 (4)(4)蛋白质合成：通过两端识别作用，把特定氨蛋白质合成：通过两端识别作用，把特定氨基酸转送到一定位置上，使不同的氨基酸按照基酸转送到一定位置上，使不同的氨基酸按照mRNAmRNA上的碱基顺序连接起来，在多肽合成酶的作上的碱基顺序连接起来，在多肽合成酶的作用下合成多肽链用下合成多肽链(mRNA(mRNA的碱基顺序决定了多肽链的碱基顺序决定了多肽链上氨基酸的排列顺序上氨基酸的排列顺序) )，多肽链合成后组成特定，多肽链合成后组成特定的蛋白质结构。的蛋白质结构。 图图6-11 6-11 原核微生物的原核微生物的

33、DNADNA转录为转录为mRNAmRNA示意图示意图注：图中启动子即启动密码，终止子即终止密码注：图中启动子即启动密码，终止子即终止密码 图图6-13 6-13 真核微生物的真核微生物的DNADNA转录（转录（mRNAmRNA合成）合成） 原核生物与真核生物RNA转录的区别1. 真核生物RNA的转录是在细胞核内，翻译在细胞质中进行；原核生物则在核区同时进行转录和翻译；2. 真核生物一个mRNA只编码一个基因；原核生物一个mRNA编码多个基因；3. 真核生物有RNA聚合酶、等三种不同的酶；原核生物则只有一种RNA聚合酶；4. 真核生物中转录的起始更复杂，RNA的合成需要转录因子的协助进行转录；原

34、核生物则较为简单；5. 真核生物的mRNA 转录后进行加工，然后运送到细胞质中进行翻译；原核生物无需进行加工，边转录边翻译。原核生物转录水平的调控-乳糖操纵子模型 1.调节基因和结构基因. P laci P O lacZ lacY lacADNA1040823510780825mRNA多肽3603810211252603027530氨基酸分子量(KDa)蛋白四聚体152四聚体500膜蛋白30二聚体60结构分子量(KDa)功能阻遏蛋白-半乳糖苷酶 透性酶转乙酰酶 乳糖操纵子的结构和功能(仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.3) 2 调控位点 (1) Operator 操纵

35、基因 (2) CAP(catabolite gene activation protein) or CRP(cAMP受体蛋白)结合位点 (3) Promotor 3 别乳糖为诱导物 4 本底组成型(background constitutive synthesis) 组成型(constitutive gene) 即看家基因（Houskeeping gene) 负调控 正调控 Lac O Ara O 诱 导 失活的阻遏物 活化的激活蛋白 阻遏物 诱导物 失活的活性蛋白 诱导物 阻遏 诱导 阻遏 诱导 Trp O 阻 遏 失活的活性蛋白 辅-阻遏物 活化的激活蛋白 辅-阻遏物 失活的活性蛋白 诱导

36、 阻遏 诱导 阻遏 图 16-1 原核生物结构基因的 4 种表达调控类型 (仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.21) 未发现 H OH HO H OH H H CH2OH H O OH HO O H O CH2 CH2OH H OH OH H HO O H 别乳糖 H O OH H H H OH OH H H H2O H H H O OH CH2OH CH2OH H OH CH2OH H O OH HO O OH H H OH H OH H HO H H H H OH H OH 葡萄糖 半乳糖 图 16- 乳糖分解的不同产物乳糖 未诱导：结构基因被阻遏 阻遏物 四聚体

37、 LacI P O lacZ lacY lacA 图 16- 当无诱导物时阻遏物结合在操纵基因上 诱导：基因被打开 -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰转移酶 图 16-7 诱导物和阻遏物成为调节操纵子的开关 第二节 微生物的变异一、变异的实质一、变异的实质基因突变基因突变：DNADNA因某种因某种因素引起碱基的缺失因素引起碱基的缺失、置换或插入，改变、置换或插入，改变了基因内部原有的碱了基因内部原有的碱基排列顺序，从而引基排列顺序，从而引起其后代表型的改变起其后代表型的改变. . 二、突变的类型二、突变的类型 （一）自发突变（一）自发突变: : 指微生物在自然条件下，没有指微生物在自然条件下，没有人工

38、参与而发生的基因突变人工参与而发生的基因突变（二）诱发突变（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指在细菌的环境中加入理化因素而诱导细菌发生的突变。生的突变。 凡提高突变率的理化因子都可称诱变剂（凡提高突变率的理化因子都可称诱变剂（mutagenmutagen）1 1、物理诱变、物理诱变: : （1 1） 紫外辐射诱变作用机制：紫外辐射诱变作用机制： 主要的生物效应是主要的生物效应是DNADNA吸收紫外辐射，引起吸收紫外辐射，引起DNADNA结构的变化。引起结构的变化。引起DNADNA结构的变化有很多方面：结构的变化有很多方面：DNADNA断裂、断裂、DNADNA交联、交联、D

39、NADNA与蛋白质交联、胞嘧啶与鸟嘌与蛋白质交联、胞嘧啶与鸟嘌呤的水合作用及嘧啶二聚体的形成。呤的水合作用及嘧啶二聚体的形成。（2 2）DNADNA损伤的修复损伤的修复光复活和暗复活光复活和暗复活 光复活：光裂合酶在可见光下（光复活：光裂合酶在可见光下（300-500nm300-500nm）会因）会因获得光能而发生解离从而使二聚体重新分解获得光能而发生解离从而使二聚体重新分解成单体。成单体。 暗复活：切除修复和重组修复暗复活：切除修复和重组修复切除修复：切除修复： 需要三种酶协同作用，不需要可见光的激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活。首先在二聚体两

40、侧核酸内切酶作用下造成单链断裂并切除二聚体。单链断裂并切除二聚体。DNADNA聚合酶聚合酶I I作用下修作用下修复，最后复，最后DNADNA连接酶缝合新合成的连接酶缝合新合成的DNADNA片段和原片段和原DNADNA片段。片段。 重组修复：重组修复： 必须在必须在DNADNA进行复制的情况下进行，所以又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

41、空隙部分面对正常单链，过染色体交换，使空隙部分面对正常单链，DNADNA聚合酶和连接酶将此修复。聚合酶和连接酶将此修复。 SOS SOS修复：修复： DNADNA大范围损失作为一种求救信号引发设计大范围损失作为一种求救信号引发设计DNADNA修复的多种细胞功能参加的诱导作用。正常的修复的多种细胞功能参加的诱导作用。正常的SOSSOS系统被系统被LexALexA蛋白所抑制，蛋白所抑制，DNADNA损伤时激活损伤时激活RecARecA蛋白酶活性，使蛋白酶活性，使LexALexA蛋白失活，启动蛋白失活，启动SOSSOS系统。一系统。一旦修复完成，旦修复完成，SOSSOS系统关闭。系统关闭。SOSSO

42、S系统是一种倾向系统是一种倾向差错的差错的DNADNA修复机制，可造成突变。修复机制，可造成突变。适应性修复：适应性修复： 细菌由于长期接触低剂量诱变剂会产生修复细菌由于长期接触低剂量诱变剂会产生修复蛋白酶，修复蛋白酶，修复DNADNA上因甲基化而遭受的损伤。上因甲基化而遭受的损伤。2 2、化学诱变、化学诱变 化学诱变可造成碱基对的置换化学诱变可造成碱基对的置换 转换转换（transitiontransition）：嘌呤被另一嘌呤或嘧啶被另）：嘌呤被另一嘌呤或嘧啶被另一嘧啶取代。一嘧啶取代。 颠换颠换（transversiontransversion）：嘌呤被嘧啶取代。）：嘌呤被嘧啶取代。 化

43、学诱变对化学诱变对DNADNA的作用形式有三类：的作用形式有三类： （1 1）直接引起置换的诱变剂）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。可与一个或几个核苷酸发生化学反应，引起DNADNA复制复制时碱基配对的转换。时碱基配对的转换。 亚硝酸可使碱基发生氧化脱氨，使腺嘌呤亚硝酸可使碱基发生氧化脱氨，使腺嘌呤A A转变为次黄转变为次黄嘌呤嘌呤H H，胞嘧啶，胞嘧啶C C变成尿嘧啶变成尿嘧啶U U，引起，引起A=TA=T向向G=CG=C转换转换 腺嘌呤氧化脱氨后形成烯醇式次黄嘌呤（腺嘌呤氧化

44、脱氨后形成烯醇式次黄嘌呤（HeHe） He He通过互变异构效应形成酮式次黄嘌呤（通过互变异构效应形成酮式次黄嘌呤（HKHK）DNADNA复制时，复制时，HK HK 与胞嘧啶（与胞嘧啶（C C）配对配对 DNADNA第二次复制时，第二次复制时，C C与与G G正常配对，实现了转换。正常配对，实现了转换。（2 2）间接引起置换的诱变剂：这类诱变剂是一些）间接引起置换的诱变剂：这类诱变剂是一些碱基类似物，碱基类似物，5-5-溴尿嘧啶（溴尿嘧啶（5-Bu5-Bu）、）、5-5-氨基尿嘧啶氨基尿嘧啶（5-Au5-Au）、）、8-8-氮鸟嘌呤（氮鸟嘌呤（8-NG8-NG）、）、2-2-氨基嘌呤（氨基嘌呤

45、（2-2-APAP）等。它们的作用是通过活细胞的代谢活动掺入）等。它们的作用是通过活细胞的代谢活动掺入到到DNADNA分子后引起的，因此是间接的。分子后引起的，因此是间接的。（3 3）引起移码突变的诱变剂：由诱变剂引起）引起移码突变的诱变剂：由诱变剂引起DNADNA分分子中的一个或少数几个核苷酸的增添、插入或缺失，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。错误的一类突变。3 3、复合处理及协同效应、复合处理及协同效应 两种或多种诱变剂先后使用；两种或多种诱变剂先后使用； 同一种诱变剂重复

46、使用；同一种诱变剂重复使用； 两种或多种诱变剂同时使用两种或多种诱变剂同时使用4 4、定向培育与驯化、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。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环境工程中仍采用定向培育的方法培育菌种驯化。驯化。第三节 基因重组一、定义 两个独立基因组内的遗传基因，通两个独立基因组内的遗传基因，通过一定的途径转移到一起，形成新的稳过一定

47、的途径转移到一起，形成新的稳定基因组的过程，称为定基因组的过程，称为基因重组基因重组(gene recombination)或遗传重组(genetic recombination)，简称重组。可通过杂交、转化等手段达到基因重组。可通过杂交、转化等手段达到基因重组。 二、杂交(接合) 杂交是通过双亲细胞的融合，使整套染色杂交是通过双亲细胞的融合，使整套染色体的基因重组体的基因重组( (如酵母菌和霉菌等如酵母菌和霉菌等) )，或者是通，或者是通过双亲细胞的沟通，使部分染色体基因重组过双亲细胞的沟通，使部分染色体基因重组( (如细菌如细菌) )。 在真核微生物和原核微生物中可通过杂交在真核微生物和原

48、核微生物中可通过杂交获得有目的的、定向的新品种获得有目的的、定向的新品种。如含有固氮基。如含有固氮基因的肺炎克氏杆菌因的肺炎克氏杆菌( (Klebsiella pneumoniaeKlebsiella pneumoniae) )的固氮基因传递给大肠杆菌，产生了含有固氮的固氮基因传递给大肠杆菌，产生了含有固氮基因并有固氮能力的基因并有固氮能力的nifnif+ +大肠杆菌，对农业生大肠杆菌，对农业生产和缺氮的工业废水处理很有意义。产和缺氮的工业废水处理很有意义。 三、转化(transformation) 受菌体直接吸收供菌体的受菌体直接吸收供菌体的DNADNA片断而获得后片断而获得后者部分遗传性状

49、的现象，称为转化或转化作用。者部分遗传性状的现象，称为转化或转化作用。DNA片断新的性状细胞供体细胞研碎得到受体细胞吸收微生物转化过程基本过程：微生物转化过程基本过程： 19281928年，年，GriffithGriffith发现肺炎链球菌的转化现象发现肺炎链球菌的转化现象, ,目前已知目前已知有二十多个种的细菌具有自然转化的能力。有二十多个种的细菌具有自然转化的能力。 通过转化方式而形成的杂种后代，称转化子通过转化方式而形成的杂种后代，称转化子(transformant(transformant) )。四、转导(transduction) 通过通过缺陷噬菌体缺陷噬菌体(defective p

50、hage)(defective phage)的媒的媒介，把供体细胞的小片段介，把供体细胞的小片段DNADNA携到受体细胞中，携到受体细胞中，通过交换与整合，使后者获得前者部分遗传通过交换与整合，使后者获得前者部分遗传性状的现象，称为转导。性状的现象，称为转导。 由转导作用而获得部分新性状的重组细胞，由转导作用而获得部分新性状的重组细胞，称为转导子称为转导子(transductant(transductant) )。 TransductionFigure 8.28Recombinant1Phage protein coatBacterial chromosome23Bacterial DNAPh

51、age DNA4Recipient cell5Donor bacterial DNARecipient bacterial DNARecombinant cellA phage infects the donor bacterial cell.Phage DNA and proteins are made, and the bacterial chromosome is broken down into pieces.Occasionally during phage assembly, pieces of bacterial DNA are packaged in a phage capsi

52、d. Then the donor cell lyses and releases phage particles containing bacterial DNA.A phage carrying bacterial DNA infects a new host cell, the recipient cell.Recombinant can occur, producing a recombinant cell with a genotype different from both the donor and recipient cells.第四节第四节 突变体及重组子的检测与筛选突变体及

53、重组子的检测与筛选 人们用某种诱变因子诱导微生物产生突变体，目的是为了从中获得人们用某种诱变因子诱导微生物产生突变体，目的是为了从中获得优良的目的品种突变体。因此，需要用一定的检测方法检测与筛选。优良的目的品种突变体。因此，需要用一定的检测方法检测与筛选。 一、突变体的检测一、突变体的检测的方法的方法 （一）直接检测表现型（一）直接检测表现型 直接检测表现型是最简便易行的检测方法。直接检测表现型是最简便易行的检测方法。 识别特征：识别特征：光滑型菌落（正常细菌）光滑型菌落（正常细菌） 粗糙型菌落（突变株）粗糙型菌落（突变株） 通过观察菌落就可识别，直观而又快速。通过观察菌落就可识别，直观而又快

54、速。正常细菌正常细菌 原产原产红色素、红色素、呈呈红色红色的的菌落菌落突变株突变株无色菌落无色菌落诱变诱变 、培养、培养图图6-20 6-20 影印平板技术（正常菌影印平板技术（正常菌E.coliE.coli）注：图中红色实心者为正常菌落；蓝色实心者为突变株注：图中红色实心者为正常菌落；蓝色实心者为突变株（二）间接检测法（二）间接检测法 有许多的突变体不能用直接检测获得，如高温菌、低有许多的突变体不能用直接检测获得，如高温菌、低温菌、嗜酸菌、嗜碱菌及营养缺陷型的微生物要通过控制温菌、嗜酸菌、嗜碱菌及营养缺陷型的微生物要通过控制培养条件而获得。培养条件而获得。对于转入质粒等的重组子，可以采用抗性

55、进行筛选。对于转入质粒等的重组子，可以采用抗性进行筛选。第五节 分子遗传学新技术在环境工程与环境保护中的应用一、遗传工程技术在环境保护中的应用一、遗传工程技术在环境保护中的应用（一）质粒育种（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基因由环状双链共价闭合DNADNA分子组成，长分子组成，长1-200kb1-200kb。不带有重要基因，存在与否不对细菌产生致死效应。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具有自身传递性松弛型两类。严紧型质粒多半是一些具有自身传递性能力的大质粒，其能力的大质粒，其DNADNA复制与宿主染色体复制与宿主染色体DNADNA复制相偶复制相偶联，每个细胞仅联，每个细胞仅1-21-2个拷贝，不能充当载体。松弛型质个拷贝，不能充当载体。松弛型质粒约为粒约为10-20