微生物的遗传与变异.ppt

1、第六章 微生物的遗传与变异,遗传：微生物在一定的条件下，亲代以能通过一定方式将其生物学性状传给子代，代代相传。,遗传和变异是生物界最基本的属性,变异：子代在形态结构、生理或免疫学特征上，发生与亲代不同的某些改变。,保守性,形态变异形态、大小改变 结构和抗原性变异 1、荚膜变异 2、抗原性变异 3、鞭毛变异 4、芽胞变异,菌落变异 1、SR变：正常的光滑型菌落可能变成粗糙型称为SR变异。 SR变异往往伴随着其他重要特性的改变，包括毒力的丧失和 抗原构造的改变。 2、粗糙型转变成光滑型称为RS回归变异。,耐药性变异 1、自然界中本身具有耐药菌株； 2、细菌本身发生突变； 3、诱导而产生的。 营养型

2、变异,常见的变异现象,当微生物从它适应的环境迁移到不适应的环境后，微生物改变自己对营养和环境条件的要求，在新的生活条件下产生适应新环境的酶(适应酶)，从而适应新环境并生长良好，这是遗传的变异。,遗传变异性使微生物得到发展，为人类改造微生物提供理论依据。微生物的变异很普遍。,两者的关系：遗传是相对的，变异是绝对的， 遗传中有变异，变异中有遗传， 遗传和变异的辨证关系使微生物不 断进化。,遗传和变异是一切生物存在和进化的基本要素 育种 环境保护领域,意义：,1.种瓜得瓜，种豆得豆； 2.龙生龙，凤生凤，老鼠儿子会打洞； 3.虎父无犬子； 4.一母生九子，母子十不同。,第一节 微生物的遗传,一、遗传

3、和变异的物质基础DNA,生物的各项生命活动都有它的物质基础。生物遗传的物质基础是什么呢？ 答案是DNA，科学告诉我们，亲代将各种遗传性状通过DNA传递给了子代，子代获得DNA后形成一定的蛋白质，将遗传特性表现出来。,哪些人用什么方法最终证明了 遗传的物质基础是DNA呢？,1.格里菲斯经典转化实（1928）及埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂等人的转化补充实验（1941）。 2.赫西和蔡斯大肠杆菌T2噬菌体感染大肠杆菌实验。,格里菲斯肺炎双球菌转化实验,将R型活菌注入小鼠体内,一段时间后,R型活菌,将S型活菌注入小鼠体内,一段时间后,S型菌,将杀死的S型菌注入小鼠体内,一段时间后,杀死的S型菌,将R型活菌

4、与杀死的S型菌注入小鼠体内,一段时间后,细菌发生转化，性状的转化可以遗传。,埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂转化补充实验,从S型肺炎球菌活体上取得蛋白质、荚膜、DNA、RNA，分别与R型肺炎球菌混合后注入到小白鼠体内，结果被注入DNA的小白鼠死亡，其它小白鼠存活。,DNA 是 遗 传 物 质,只 有DNA引 起 R 型 肺 炎 球 菌 转 化,赫西和蔡斯实验噬菌体侵染细菌的实验,噬菌体感染实验,用放射性同位素35S标记外壳蛋白质,细菌内无放射性,用放射性同位素32P标记内部DNA,细菌内有放射性,DNA是真正的遗传物质,DNA主要的遗传物质,综上所述,注：DNA不是唯一的遗传物质，较少的微生物也靠RN

5、A进行遗传。,DNA是遗传物质，而细胞中的DNA主要集中在细胞核的染色体上。此外，遗传物质还可以以质粒等形式存在于细胞核外。 1.染色体 （1）真核生物的染色体。真核生物的染色体主要由DNA和组蛋白构成，其次含有少量非组蛋白和RNA。 （2）原核生物的染色体。原核生物的染色体一般是裸露的DNA或RNA分子。它们大多是双链的，呈环状或线状。,遗传物质的存在形式,（1）真核生物的染色体主要由DNA、组蛋白组成，原核生物的染色体是单纯的DNA或RNA； （2）真核生物的染色体不止一个，而原核生物的染色体往往只有一个 （3）真核生物的染色体为核膜所包被，原核生物的染色体外没有膜包被。,真核生物核原核生

6、物染色体的主要区别有：,质粒 核外环状小型DNA独立复制稳定遗传,用途 基因工程中作为目的基因载体,质粒,质粒是原核生物（细菌、放线菌）的染色体外的遗传物质。它与遗传物质的转移、耐药性及抗生素等有密切的关系。例如：F质粒（F因子）。,二、DNA的结构与复制,1、DNA结构 最经典的结构： 双螺旋结构 沃森、克里克1953年提出。,最初的双螺旋模型,James D. Watson and Francis Crick,1953的和克里克（Francis Crick,1916-2004)（右）和沃森(James Watson,1928-) 在DNA双螺旋结构模型前合影,半个世纪后克里克和沃森再次在D

7、NA模型前合影,如果觉得爬上巨人的肩膀太费时费力，那么偷懒一点，爬到巨人的脚趾上好了，就比别人高那么一丁点，也许你就可以做出比别人更大的发现 。是怠惰（懒得爬高）？是油滑（爬不了高）？是标榜和吹嘘（自己本是巨人）？ 他们的DNA双螺旋的实证论据来自富兰克林和威尔金斯的X衍射图，模型建造方法来自于鲍林，对氢键的计算来自于约翰格里菲斯，对DNA构型的认识来自杰里多纳休，不同类型的碱基配对的推论来自于埃尔文查迦夫所发现的A与T、G与C在DNA中的含量分别相等的数据。 模型是指用纸板、木块、金属等原料做出来的想像中的分子三维结构，像小孩子拼图游戏一样的“拼凑”法。DNA的x射线衍射图片只能提供一半的信

8、息，另一半则来自于研究者的想象。沃森和克里克的成功凭借的是一种稀缺的想像力，而不是艰苦的实验数据收集。,站在巨人的脚趾上,在发现DNA结构之前，这两个轻狂桀骜的、顽劣的家伙倒更像是马戏团里的龙套。但沃森熟悉噬菌体方面的实验，他的博士论文即与此有关，而克里克则精通数学、物理学。沃森凭着生物学家的直觉，坚信生物体偏爱螺旋形。克里克则从物理学角度出发认为，规则的螺旋会大大减少自由变量的数目，这将使结构变得易解。 以掷硬币的方式决定两人的排名顺序。 沃森整个看上去就是一个不拘小节、随便邋遢的人, 生性豪放不羁，口无遮拦。他因喜爱野生动物而进入生物学殿堂，最喜爱鸟类。也像我们这些芸芸众生一样，怕苦怕累且

9、笨手笨脚。尽力不去选修任何有点难度的化学或物理学课程，在有机化学实验室制造的爆炸使得教授们对他退避三舍。 花甲之龄口吐无忌童言：不太瞧得起女性科学家，对媒体大谈人类的才智和生存境地有其基因基础， “越肥胖的人越聪明”，“肤色深的人性欲强”。 克里克当时已过而立却仍不谙世事，目中无人，高傲自大，不善与人合作却动辄与人吵闹，因滔滔不绝的大嗓门而遭人嫌。学物理出身的大学毕业生，缺乏研究DNA所必备的生物化学知识。 60年代中期，克里克转向研究生命起源，认为生命的化学起源至少与太阳系的形成有关。80年代克里克又转向研究脑神经信号的形成与传输。科学界中的游侠。,科学界的另类天才,未获诺贝尔奖的女科学家

10、DNA双螺旋结构的实证论据来自于富兰克林和威尔金斯的X衍射图 1962年，沃森和克里克与莫里斯威尔金斯一起因为发现DNA双螺旋结构赢得了诺贝尔奖 威尔金斯曾偷偷复制富兰克林的研究成果并提供给他，其中就包括了现在众所周知的她证明螺旋结构的X射线图像 富兰克林作为一名犹太人，一个女人，再加上脾气率直，经常对人进行直言不讳地尖锐批评，沃森和克里克也尝过她的苦头 沃森和克里克早先一直没有承认她对DNA贡献，他们根本没有告诉她，他们用了她的研究成果。沃森最后满怀感情地写道：“现在有必要阐述一下她所取得的成就我与克里克都极为赞赏她那正直的品格和宽宏大量的秉性。只是在多年之后，我们才逐渐理解了这位才华横溢的

11、妇女。” 由于长期受X射线的影响，1958年富兰克林因卵巢癌去世，享年37岁,双螺旋结构之母 罗莎琳德富兰克林,DNA有两条核苷酸链彼此互补，以右手螺旋的方式围绕同一根轴互相盘绕形成，为双螺旋结构。,每个单链均由脱氧核糖磷酸脱氧核糖磷酸交替排列构成。每个核苷酸链上都有四个碱基： T胸腺嘧啶 C胞嘧啶 G鸟嘌呤 A腺嘌呤 彼此与另一条核苷酸链上的碱基组成碱基对：TA AT GC CG,四种碱基的结构,核酸,核苷酸,磷酸,核苷,戊糖,碱基,核苷酸 的结构,A,G,C,T,Purines,Pyrimidines,四种碱基的结构,DNA分子结构,DNA链的延伸,DNA的电子显微镜照片,C-G Guan

12、ine And Cytosine,T-A Adenine And Thymine,Base Pairing,一个DNA分子可包含几十万到几百万个碱基对，每个碱基之间间距为0.34nm。每10个碱基组成一个螺旋，螺距3.4nm。 碱基之间一一对应，顺序固定，所以可以保证遗传的稳定性，但是，如果收到干扰，个别碱基排列顺序发生变化，都会导致微生物死亡或变异。,2、DNA的复制,微生物为了保证遗传的稳定性，DNA的复制十分精确。 复制过程： 1.解旋：DNA双链氢键断裂，双链分开； 2.复制：以各自双链为模板，进行复制。 3.分配：新复制的核苷酸链与原来的一条核苷酸链按照碱基配对原则形成新的双链结构并

13、分给子代。,A,A,A,T,T,T,G,G,G,G,C,C,C,A,T,C,A,G,C,T,C,G,T,游离的 脱氧核苷酸,与复制 有关的酶,注意，此处 氢键将被打开！,DNA的半保留复制,A,A,A,T,T,T,G,G,G,G,C,C,C,A,T,C,C,A,G,T,C,G,T,在酶的催化下 氢键已被打开,DNA分子利用细胞提供的能量，在解旋酶的作用下， 把两条扭成螺旋的双链解开，这个过程叫解旋。,A,A,A,T,T,T,G,G,G,G,C,C,C,A,T,C,C,A,G,T,C,G,T,亲代DNA的 一条链作为模板,A,A,A,T,T,T,G,G,G,G,C,C,C,A,T,C,C,T,A

14、,G,T,C,G,还未解旋,刚解旋,所以DNA复制特点之一是: 边解旋边复制,通过碱基互补 配对脱氧核苷酸 结合到母链上,已在复制,A,A,A,T,T,T,G,G,G,G,C,C,C,A,T,C,A,A,A,T,T,T,G,G,G,G,C,C,C,A,T,C,一条子代 DNA,另一条 子代DNA,形成两条完全相同的子代DNA,DNA复制后产生的每个子代DNA分子中，都有一条单链是原DNA保留下来的，而另一条单链是新合成的。这种复制方式我们称其为半保留复制。,解旋,合成,复旋,注意： 1.复制过程必须有酶的参与； 如：解旋酶、聚合酶等。 2.解旋过程中，并不是完全断开后才开始复制，而是解开一段后

15、，就进行复制。复制好的就开始形成双螺旋。 3.每个子代细胞都获得了亲代细胞的一个DNA单链。,DNA是双链分子，但作为基因则只有一条链为蛋白质编码（意义链），另一条只是使DNA分子处于稳定状态的互补链，称为反义链。由DNA分子上的碱基顺序通过转录过程决定RNA 分子。,基因是一段可以编码具有某种生物学功能物质的核苷酸序列。,3、基因,A gene = a segment of DNA，the coding system for instructions，编码蛋白质或RNA的DNA（或RNA病毒中的RNA）片段。,基因是一个具有遗传因子效应的DNA片段，它是遗传物质的最小功能单位。,基因是生物染

16、色体上的一段DNA，它储存了遗传信息，又具有自我复制的能力。基因具有特定的碱基顺序，即核苷酸顺序，它不仅可以决定生物的某一个性状，而且还具有调控其他基因表达活性的功能。基因既是一个结构单位，也是一个功能单位。,每个细菌约有500010000个基因。,基因控制遗传性状,The Central Dogma,DNA,RNA,Protein,transcription,translation,?,?,replication,replication,遗传信息的传递,复制：以原来DNA分子为模板合成出相同分子的过程,转录：在DNA分子上合成出与其核苷酸顺序相对应的RNA的过程。,翻译：在RNA的控制下，根

17、据核酸链上每三个核苷酸决定一个氨基酸的三联体密码子规则，合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链的过程,1868年的某天瑞士的生物化学家米歇尔(Miescher)研究一个病人的绷带，小心地将绷带上粘着的病人伤口处的物质洗下来。洗脱物中含有许多脓细胞。他向其中加入酒精，将细胞中的脂肪类物质除去，之后又加入含有胃蛋白酶的提取液清除各种杂蛋白，这样，他就可以拿到纯的浓细胞的细胞核了。于是米歇尔开始研究这些核。结果他意外地发现核中有一种从未认识到的新物质，并起名为“核素”。这就是现在我们知道的DNA。 经过后人的研究，核素为酸性物质，含有三种成分：糖、磷酸、有机碱。又发现糖少了一个氧。称之为脱氧核糖。,小

18、资料米歇尔的发现,三、DNA的变性和复性 1.DNA变性 DNA双链受到外界作用（受热、提高pH），氢键被破坏而形成单链的现象。 2.DNA的复性 变性DNA重新形成天然DNA的过程。也称为退火。如：高温条件下变性的DNA在降温后回重新形成双链结构。,注意：DNA的复性是随机的。即复性的DNA不可能完全回复到原来状态。,复性实验： 用非放射性同位素15N标记的DNA和用放射性同位素14N标记的DNA同时变性与复性实验，最终得到3种双链DNA。 a. 25含14N的双链； b.25含15N的双链； c.50含有14N和15N的双链。,四、RNA 即核糖核酸。 RNA与DNA相似，不同之处是核糖及

19、碱基。 RNA的碱基也有四个，为 U尿嘧啶（DNA为T：胸腺嘧啶） A腺嘌呤 G鸟嘌呤 C胞嘧啶 碱基对： UA AU GC CG,RNA有四种 tRNA、rRNA、mRNA、反义RNA mRNA：信使RNA，带有氨基酸的信息密码（三联密码子），用于翻译氨基酸。tRNA：转移RNA，带有与mRNA互补的反密码子，能识别氨基酸和mRNA的密码。 rRNA：与蛋白质形成核糖体，作为蛋白质的合成场所。(核糖体RNA) 反义RNA：起调节作用，主要决定mRNA的翻译速度。,由DNA转录mRNA和反义RNA的过程,规则的双螺旋结构,通常呈单链结构,脱氧核苷酸,核糖核苷酸,腺嘌呤（A） 鸟嘌呤（G）,腺嘌

20、呤（A） 鸟嘌呤（G）,胞嘧啶（C） 胸腺嘧啶（T）,胞嘧啶（C） 尿嘧啶（U）,脱氧核糖,核糖,磷酸,磷酸,DNA与RNA分子的比较,微生物生长的主要活动是蛋白质的合成。 蛋白质的合成在核糖体上进行，与RNA的复制(合成) 即DNA(合成) 的复制有关。 蛋白质合成的过程有一下几个步骤： DNA复制：相应的DNA链进行自我复制； 转录mRNA：由DNA转录成mRNA，同时也转录成其他几种RNA； 翻译：由tRNA完成；通过反密码子与mRNA密码子的互补，tRNA破译氨基酸的密码，进而将所需氨基酸送到核糖体处。 蛋白质合成：特定的碱基顺序密码送到核糖体，氨基酸按照顺序连接在一起，在酶的作用下合

21、成多肽，最终生成具有特定功能的蛋白质。,五、 微生物生长与蛋白质合成,T,C,A,T,G,A,T,T,A,A,G,T,A,C,T,A,A,T,DNA的平面结构图,细胞核中,A,C,G,游离的核糖核苷酸,DNA 解旋，一条链为模板合成RNA,细胞核中,A,C,G,A,G,T,A,C,T,A,A,T,DNA与RNA的碱基互补配对,细胞核中,聚合酶,A,C,G,游离的核糖核苷酸,A,C,G,A,G,T,A,C,T,A,A,T,DNA与RNA的碱基互补配对,细胞核中,聚合酶,A,C,G,游离的核糖核苷酸,A,C,G,U,U,细胞质,核孔,DNA,mRNA在细胞核中合成,细胞核内,U,C,A,U,G,A

22、,U,U,A,mRNA,U,C,A,U,G,A,U,U,A,mRNA,U,C,A,U,G,A,U,U,A,mRNA,细胞核内,密码子,密码子,密码子,密码子,mRNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基,U,C,A,U,G,A,U,A,mRNA,U,亮氨酸,天冬氨酸,异亮氨酸,氨基酸（原料）,tRNA的一端运载着氨基酸,细胞质中,核糖体,细胞质中,核糖体,亮氨酸,U,天冬氨酸,A,C,U,异亮氨酸,A,U,G,细胞质中,核糖体,亮氨酸,U,天冬氨酸,A,C,U,异亮氨酸,缩合,亮氨酸,天冬氨酸,异亮氨酸,以mRNA为模板形成了有一定氨基酸顺序的蛋白质,细胞质中,单击画面继续,一 、变异的实质基因的

23、突变 基因突变即微生物的DNA被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，从而引起其后代表现型的改变。当后代表现出和亲代显然不同，能遗传的形状时，就发生了突变。,第二节 微生物的变异,二、基因突变类型,突变类型,自发突变,诱发突变,低剂量多因素突变,互变异构效应,物理诱变,化学诱变,定向培育和驯化,按突变的条件和原因划分：自发突变和诱发突变,（一）自发突变 自发突变是指某种微生物在自然条件下，没有人工参与而发生的基因突变。 原因： 多因素低剂量的诱变效应 互变异构效应,1.物理诱变 利用物理因素导致的基因突变。UV、电离辐射等。 重点：诱变机制及DNA损伤的修复 (

24、1)机制 DNA的碱基对于UV敏感，当有UV辐射时，就会进行吸收，从而发生DNA结构变化。如：胸腺嘧啶聚合形成胸腺嘧啶二聚体。,（二） 诱发突变,诱发突变是利用物理的或化学因素处理微生物群体，促使少数个体细胞的DNA分子结构发生改变，在基因内部碱基配对发生差错，引起微生物的遗传发生突变。,(2)DNA的修复（有5种） a.光复活 需要PHr酶,b. 切除修复,需要DNA 多聚酶、核酸酶及DNA连接酶,c. 重组修复 先复制，组合，修复 d. SOS修复 在DNA受到大范围重大损伤时诱导产生一种应急反应，使细胞内所有的修复酶增加合成量，提高酶活性 e. 适应性修复,2.化学诱变 利用化学物质对微

25、生物进行诱变，引起基因突变或染色体畸变。 3.复合处理 4.定向培育和驯化,杂交 杂交是通过双亲细胞的融合，使整套染色体的基因重组，或者是通过双亲细胞的沟通，使部分染色体基因重组。在真核微生物和原核微生物中可通过杂交获得有目的的、定向的新品种。 转化 受体细胞直接吸收来自供体细胞的DNA片段，并把它整合到自己的基因组里，从而获得了细胞部分遗传形状的现象，称为转化。 细菌转化过程：感受态细胞的出现；DNA的吸附；DNA进入细胞内；DNA解链，形成受体DNA供体DNA复合物；DNA复制和分离。 转导 通过温和噬菌体的媒介作用，把供体细胞内特定的基因携带至受体细胞中，使后者获得前者部分遗传性状的现象

26、，称为传导。,第三节 基因重组,一、遗传工程技术在环境保护中的应用 质粒育种 二、 基因工程技术在环境保护中的应用 基因工程是指在基因水平在的遗传工程 基因工程操作分五步： 先从供体细胞中选择获取带有目的基因的DNA片断 将目的DNA片段和质粒在体外重组 将重组体转入受体细胞 重组体克隆的筛选与鉴定 外源基因表达产物的分离与提纯,第四节 遗传工程技术在环境保护中的应用,限制性内切酶,外源DNA,连接酶,转化,限制性内切酶,+,目的基因,载体DNA,表达,基因工程的操作步骤,PCR是DNA在体外扩增的技术，广泛应用于法医鉴定、医学、卫生检疫、环境检测等方面。,1985年 Kary. Mullis及同事创立。随后借助于热稳定性Taq DNA聚合酶的发现，1987年Kary Mullis等完成了自动化操作装置，使PCR技术进行实用阶段。1993年度，Kary Mullis因发明了“聚合酶链式反应”而获得诺贝尔化学奖。,三 、PCR技术在环境保护中的应用,多聚酶链式反应(