微生物的遗传和变异

1、第六章 微生物的遗传和变异,遗传和变异是一切生物最本质的属性。 遗传 生物繁殖与自已相同或相似的后代的现象 变异 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。,第一节 微生物的遗传,通过3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.T4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,最早进行转化实验的是F.Griffith（1928）。,肺炎链球菌的转化实验,S型菌落,R型菌落,有荚膜，致病的，菌落表面光滑（smooth）,不形成荚膜，无致病性，菌落外观粗糙（rough),1944年，O.T.Aver

2、y、C.M.MacLeod和M.McCarty从热死的S型S.pneumoniae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实验：,只有S型细菌的DNA才能将S.pneumoniae的R型转化为S型。而且，DNA纯度越高，转化效率也越高，直到只取用纯DNA的610-8g的量时，仍有转化能力。这就说明，S型菌株转移给R型菌株的，决不是某一遗传性状（在这里是荚膜多糖）的本身，而是以DNA为物质基础的遗传因子。,二、核酸的结构和复制 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,两类核酸的基本化学组成,戊 糖,碱基,RNA,DNA,嘧啶环,嘌呤环,尿嘧啶

3、 U,胸腺嘧啶 T,胞嘧啶 C,鸟嘌呤 G,腺嘌呤 A,核苷,核苷酸,多 聚 核 苷 酸,（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。,DNA双螺旋结构的特点,DNA分子由两条DNA单链组成。 DNA的双螺旋结构是分子中两条DNA单链之间基团相互识别和作用的结果。 双螺旋结构是DNA二级结构的最基本形式。,DNA双螺旋结构的要点,（1）DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双

4、螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为53，而另一条链的方向为35。,（2）嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90。角。,DNA双螺旋结构的要点,（3）螺旋横截面的直径约为2nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈）高度为3.4 nm。,DNA双螺旋结构的要点,DNA双螺旋结构的要点,（4）两条DNA链相互结合以及形成双螺旋的力是碱基对所形成的氢键。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

5、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。,大 部 分 DNA 具 有 双 螺 旋 结 构 ， 亦 称 为 B 型 。,微生物中的DNA,1.DNA的存在方式,遗传物质载体染色体,真核生物：染色体=DNA+组蛋白 原核生物：染色体=DNA,遗传物质载体质粒,原核生物细胞中，染色体外的一种环状DNA分子;并非细胞必须，仅与某些性状有关; 常作为基因转移的运载工具.,质粒,Plasmid pBR322,基因：具有遗传功能的DNA分子上的片段，平均1000个碱基对,分子量约6.7105Da。一个DNA分子中含有多个基因，不同基因碱基对的数量和排

6、列序列不同，基因具有自我复制能力。根据基因的功能差异，可分为结构基因、调节基因和操纵基因。,2.基因-遗传因子,视频资料：基因,基因类别,结构基因包括编码结构蛋白和酶蛋白的基因，也包括编码阻遏蛋白和激活蛋白的基因。 调控基因包括调节基因、启动基因和操纵基因。,操纵子,J. Monod与F. Jacob,（二）DNA的复制,DNA的复制（以DNA为模板合成DNA） RNA的转录（以DNA为模板合成RNA） RNA的逆转录（以RNA为模板合成DNA） RNA的复制（以RNA为模板合成RNA）,机制半保留复制,1,2,保留了一半父代DNA成份,半保留复制,前导链连续复制,滞后链不连续复制,DNA复制

7、为53半不连续复制。,半保留复制结果 半不连续复制过程,三、DNA 的变性与复性,（一）核酸的变性 核酸的变性是指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂，变成单链结构的过程。变性核酸将失去其部分或全部的生物活性。核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级结构(碱基顺序)保持不变。 能够引起核酸变性的因素很多。温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。,利用紫外吸收的变化，可以检测核酸变性的情况。 天然状态的DNA在完全变性后，紫外吸收(260nm)值增加2540%.RNA变性后，约增加1.1%。这种现象称为增色效应.,DNA变性的特征,DNA的变性过程是突变性的，它在很

8、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。因而测定Tm值，可反映DNA分子中GC含量，可通过经验公式计算： （G+C)%=(Tm-69.3)X2.44,DNA变性,（二）核酸的复性,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D

9、NA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。,核酸的杂交,热变性的DNA单链，在复性时并不一定与同源DNA互补链形成双螺旋结构，它也可以与在某些区域有互补序列的异源DNA单链形成双螺旋结构。 这样形成的新分子称为杂交DNA分子。DNA单链与互补的RNA链之间也可以发生杂交。 核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有重要意义。,核酸的杂交,mRNA (信使RNA) Messenger RNA,约占总RNA的5%。 不同细胞的mRNA的链长和分子量差异很大。 它的功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质合成基地 核糖体。,四.RN

10、A的四种存在形式,tRNA (转移RNA) Transfer RNA,约占总RNA的10-15%。 它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息，并将相应的氨基酸转运到核糖体的作用。 已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。 RNA分子的大小很相似，链长一般在73-78个核苷酸之间。,rRNA (核糖体RNA) Ribosome RNA,约占全部RNA的80%， 是核糖体的主要组成部分。 rRNA 的功能与蛋白质生物合成相关。,反义RNA,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。,五、微生物生长与蛋白质合成,DNA通过转录作用，将其所携

11、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。,DNA,复制,RNA,转录,蛋白质,翻译,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,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。,转录以DNA为模板，按碱基配对原则（dA-U、dT-A、dG-C、dC-G)合成RN

12、A链。,DNA,复制,RNA,转录,两条链都是模板链吗？,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),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。,转录过程,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。,遗传密码,2.蛋白质的生物合成,tRNA在氨基酰-tRNA合成酶的帮助下，能够识别相应的氨基酸，并

13、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。,氨基酸活化的总反应式是：,氨基酰-tRNA 合成酶 氨基酸 + ATP + tRNA + H2O 氨基酰-tRNA + AMP + PPi 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。,(2)氨基酰-tRNA在mRNA模板指导下组装成蛋白质

14、,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。,第二节 微生物的变异,一、变异的本质基因突变,DNA碱基顺序的改变，是DNA在复制过程中出现错误产生的。由于DNA是具有复制功能的分子，一旦DNA碱基顺序出错，它就会通过复制机制遗传下去。 由于DNA碱基顺序的改变引起生物遗传性状显著变化的现象，称为基因“突变”。,二、基因突变的化学本质,DNA碱基顺序中核苷酸缺失，置换或插入，引起排列顺序改变DNA结构的改变将导致相应蛋白质一级结构（氨基酸顺序）的变化，从而引起生物特征或性状发生变

15、异。 生物的变异和进化可以认为是由于DNA结构的改变而引起蛋白质组成和性质变化的结果。,DNA结构变化的类型及影响因素,生物遗传变异的分子机制是DNA分子中为氨基酸编码的三联体密码子的改变。DNA遗传密码的改变主要有如下几种类型： 碱基顺序颠倒，如TA被颠倒成AT；, 某个碱基被调换，如AT换成GC；,Molecular basis of Mutation,Point Mutation,天冬酰胺,酪氨酸, 少了或多了一对或几对碱基，例如： 5 ATGGCTATGC 3 变成 5 ATGGTATGC 3 3 TACCGATACG 5 3 TACCATACG 5,三、导致基因突变的原因,(1)DN

16、A分子中碱基互变异构效应 (2)物理因素 紫外线（UV）、高能射线和电离辐射等。 (3)化学因素 烷基化试剂，亚硝酸盐以及碱基类似物等。,(1)DNA分子中碱基互变异构效应,DNA分子的碱基，存在酮式烯醇式或氨式 亚胺式互变异构。不同的互变异构体形成氢键的方向和能力不同，有可能导致复制时出现错误。 例如在正常情况下，A（氨式结构）与T（酮式结构）配对；当A以亚胺式存在时（几率非常小），则与C配对。,胺式亚胺式互变异构,酮式烯醇式互变异构,(2)物理因素,射线的类别 电离射线 ：、射线和不同能量的的中子等粒子辐射，还包括射线和 X射线等电磁波辐射。 非电离辐射：能量小，不足以引起物质电离，如紫外

17、线。,当DNA受到大剂量紫外线（波长260nm附近）照射时，可引起DNA链上相邻的两个嘧啶碱基共价聚合，形成二聚体，例如TT二聚体。,光聚合反应,胸腺嘧啶碱基在紫外光照射下，可以发生二聚加成反应： 在DNA分子中，如果两个胸腺嘧啶碱基相邻，在紫外光照射下，可能发生上述聚合反应，其结果是破坏了正常复制或转录。,(3)化学因素,化学因素是引起DNA结构发生变化的最常见因素，主要包括： 第一类 烷化剂 如乙烯亚胺(EI)、硫酸二乙酯(DES) 、甲基磺酸乙酯(EMS)、 亚硝基甲脲(NMU)等。 第二类 碱基类似物 如 5-溴尿嘧啶(5-BU)、2氨基嘌呤(AP)等。 第三类 能引起DNA分子中碱基

18、增、减的物质 如丫啶类染料、ICR类化合物(氮芥类衍生物),烷基化试剂能够与DNA分子中的氨基或氧作用，生成烷基化DNA。除了碱基上有多个位置可被烷基化外，DNA链上磷酸二酯键中的氧也容易被烷基化，从而导致DNA链的断裂。,烷基化反应,由于含氧碱基存在酮式和烯醇式的互变异构，烯醇式中的羟基可以被烷基化转变为稳定的烯醇醚。 鸟嘌呤核苷烷基化形成6-甲氧基鸟嘌呤核苷后，不再与C配对，而与T配对。 这种情况将引起DNA的复制、转录及信息表达出现错误。,环外氨基的反应,环外氨基在适当条件下，也可以发生化学反应。 胞嘧啶核苷在亚硝酸作用下，可以形成重氮盐，再转变为尿嘧啶核苷。因此生物体内亚硝酸的存在有可

19、能改变DNA的碱基组成。 腺嘌呤核苷和鸟嘌呤核苷也能发生类似的反应，分别形成次黄嘌呤核苷（I）和黄嘌呤核苷（X）。 这种变化，将影响或改变碱基形成氢键的能力和方向，导致DNA复制错误，是引起基因突变的重要原因之一。,碱基类似物是一类结构与核酸碱基相似的人工合成或天然化合物，由于它们的结构与核酸的碱基相似，当这些物质进入细胞后能够掺入到DNA链中，干扰DNA的正常复制和转录。 常见的有碱基衍生物及稠环、稠杂环类化合物。例如5-溴尿嘧啶（5-BU），它与胸腺嘧啶碱基的结构相似，能取代T与A配对。 又如一种称为二恶英的含氯芳香杂三环化合物（2,3,7,8-四氯-二苯-二恶英，简称TCDD），是一种具

20、有强烈致癌和致畸物质。它能够进入细胞并与DNA结合，导致DNA复制发生错误，从而可能诱发癌变。,镰刀状贫血病血液中大量出现镰刀红细胞，患者因此缺氧窒息,正常细胞 镰刀形细胞,它是最早认识的一种分子病。流行于非洲，死亡率极高，大部分患者童年时就夭折，活过童年的寿命也不长，它是由于遗传基因突变导致血红蛋白分子结构的突变。,正常型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys - 链 谷氨酸 镰刀型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys - 链 缬氨酸,谷A（极性） 缬A（非极性） 由于缬氨酸上的非极性基团与相邻非极性基团间在疏水力作用下相互靠拢，并引发所在链扭曲为束

21、状，整个蛋白质由球状变为镰刀形，与氧结合功能丧失， 导致病人窒息甚至死亡，但病人可抗非洲疟疾。,镰刀形贫血病的氨基酸变化,如经DNA修复后有缺陷，DNA就会发生突变发展成癌细胞,a 自发突变 spontaneous mutation b 诱发突变 induced mutation,四、突变的类型,诱发突变方法物理诱变,电离辐射：x-射线，-射线 非电离辐射：紫外线,诱发突变方法化学诱变,有诱变作用的有机或无机化合物统称诱变剂。 烷基化试剂，亚硝酸盐以及碱基类似物等。,原核生物的遗传重组实质上是指受体中插入来自供体的遗传性不同的DNA片段，并把这种DNA片段或它的复本整合为受体基因组的一部分。,

22、第三节 基因重组,1.转化,转化的主要步骤,双链DNA分子与细胞表面感受位点进行可逆性结合。 供体DNA片断被吸入受体细胞。 侵入受体细胞的供体DNA转为单链，其中一条被降解。 未被降解的一条链部分或整个插入受体细胞的DNA中。 杂合的DNA经复制可以形成亲代类型和重组类型的DNA, 导致转化细胞的形成与表达。,2. 接合(conjugation),接合：是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒DNA）从供体菌转移给受体菌。,转导：是以温和噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。,3. 转导(transduction),转导,第四节 遗传工程技术在环境保护中的应用,遗传工程是20世纪70年代初发展起来的生物技术。按照人们预先设计的生物蓝图，通过对遗传物质的直接操纵、改组、重建，实现对遗传性状定向改造的方法称为遗传工程. 之所以称其为遗传工程是由于它的操作方法采用了对遗传物质体外加工，类似工程设计那样很高的预见性、精确性与严密性。,遗传工程的方法,遗传工程方法包括两个水平的研究：一种是细胞水平；另一种是基因水平。所以，又可把它分为细胞工程和基因工程。细胞水平主要指的是两个细胞的原生质体融合，实验操作停留在细胞的处理层次。相比而言目前研究的主要内容是基因工程。因此，狭义的讲，遗传工程就是基因工程。,由于新的化学物质的不断发现，难降解污染物的