环境微生物学第六章

第六章微生物的遗传与变异“种瓜得瓜，种豆得豆”“龙生龙，凤生凤”“老鼠生来会打洞”说明什么问题?遗传现象“一龙生九子，九子各不同”又说明什么问题?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）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。第一节微生物的遗传一、DNA是遗传物质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、遗传变异的物质基础①加S菌DNA②加S菌DNA及DNA酶以外的酶③加S菌的DNA和DNA酶④加S菌的RNA⑤加S菌的蛋白质⑥加S菌的荚膜多糖活R菌长出S菌只有R菌1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M。McCarty从热死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试验：只有S型细菌的DNA才能将S.pneumoniae的R型转化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的是遗传因子,即DNA。32P标记噬菌体DNA35S标记噬菌体的蛋白质外壳大多数噬菌体的DNA存在于细菌中，而外壳留在上清液中。噬菌体感染实验植物病毒重建实验证明了RNA为遗传物质1956，Fraenkel-conrat用含有RNA的TMV和HRV进行了植物病毒重建实验。证明杂种病毒的蛋白质外壳来自病毒1，而非病毒2生化提取分别获得含RNA的烟草花叶病毒蛋白质外壳（病毒1）和核酸（病毒2(霍氏车前花叶病毒)杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现为病毒2，而非病毒1遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质核外DNA的种类核外染色体真核生物的“质粒”原核生物的质粒线粒体细胞质基因叶绿体（质体）中心体卡巴颗粒酵母菌的2m质粒F因子R因子Col质粒Ti质粒巨大质粒降解性质粒卡巴颗粒(1)DNA由2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。(2)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，碱基平面与螺旋中心轴垂直，螺旋表面有2条螺旋形的凹槽：大沟和小沟。(3)双螺旋的直径是2nm，沿中心轴每个螺旋周期有10个核苷酸对，螺距为3.4nm，碱基对之间的距离为0.34nm。(4)两链间的碱基以氢键互相配对。A与T配，有2个氢键；G与C配，有3个氢键。小沟大沟1.0nm二、DNA的结构与复制脱氧核糖碱基磷酸AGCT基本单位－脱氧核苷酸AGCT腺嘌呤脱氧核苷酸鸟嘌呤脱氧核苷酸胞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接ATGCATGCDNA的化学结构示意图要点(1)DNA由2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。(2)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，碱基平面与螺旋中心轴垂直，螺旋表面有2条螺旋形的凹槽：大沟和小沟。(3)双螺旋的直径是2nm，沿中心轴每个螺旋周期有10个核苷酸对，螺距为3.4nm，碱基对之间的距离为0.34nm。(4)两链间的碱基以氢键互相配对。A与T配，有2个氢键；G与C配，有3个氢键。双螺旋结构有A、B、Z三种类型。A型螺旋比B型螺旋拧得紧一些。Z型螺旋是左手螺旋。但目前公认B型螺旋是最接近天然状态的DNA结构，也是细胞内DNA的主要存在形式。特定的种或菌株的DNA分子，其碱基顺序固定不变，保证了遗传的稳定性。一旦DNA的个别部位发生了碱基排列顺序的变化,都会导致死亡或发生遗传性状的改变。例如: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改变了DNA链的长短和碱基顺序a.氢键。两条链间碱基的相互作用，A与T间两个氢键，G与C间三个氢键，虽然氢键是一个弱键，但DNA中氢键数量大，所以氢键是比较重要的因素。b.碱基堆积力(basestackingaction)。是一条链上相邻两个平行碱基环间的相互作用，这是来自芳香族碱基π键电子之间的相互作用，是维持DNA双螺旋稳定的主要因素。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。c.离子键。DNA分子中磷酸基团在生理条件下解离，使DNA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，有利于双螺旋的稳定。DNA双螺旋结构的稳定因素（3）三股螺旋结构的DNAa.科学家在实验室设计并合成由15-25个核苷酸组成的短链反义核酸，这些反义核酸可被绑到DNA中形成三股螺旋的DNA。b.1992年我国科学家首先发现具有三股螺旋的天然DNA，已被国际公认。3、DNA的三级结构——超螺旋DNA的三级结构是指双螺旋基础上分子的进一步扭曲或再次螺旋所形成的构象。其中，超螺旋(superhelix)是最常见也是研究最多的DNA三级结构。细胞内的DNA主要以超螺旋形式存在。当超螺旋DNA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。a.为直线型双螺旋结构；b.为开环型结构；c.为闭环型超螺旋结构(一)DNA的存在形式1、真核生物：真核生物(人、高等动物、植物、真菌、藻类及原生动物)的DNA和组蛋白等组成染色体，少的几个，多的几十或更多，染色体呈丝状结构，细胞内所有染色体由核膜包裹成一个细胞核。2、原核微生物：原核微生物的DNA只与很少量的蛋白质结合，也没有核膜包裹，单纯由一条DNA细丝构成环状的染色体，位于细胞的中央，高度折叠形成具有空间结构的一个核区。（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、有自我复制能力的遗传功能单位。它是DNA分子上一个具有特定碱基顺序，即核苷酸顺序的片断。(2)分类(按功能分)(a)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tRNA和rRNA基因不编码蛋白质；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)操纵基因或操纵区：它的功能像“开关”，操纵三个结构基因的表达；(c)调节基因，它是控制结构基因的。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.操纵基因；a,b,c结构基因；R.调节基因；L.乳糖；A.B.C蛋白质(三)、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。首先是DNA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，然后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。半保留复制——DNA两条链都作为模板合成两条新链三、DNA的变性和复性核酸变性：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。引起变性的外部因素：加热、极端的pH、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。DNA的变性可发生在一个很窄的温度范围内。DNA的变性和复性图图6-7DNA的解链曲线经加热成单链DNA双链DNA重新形成图6-8变性DNA重新形成双链DNA的过程缓慢冷却单链DNA熔解DNA双链DNATm=92.6℃温度/℃DNA变性和蛋白质变性的区别？？？三、RNA1、DNA与RNA的区别(1)RNA的戊糖为核糖，DNA的为脱氧核糖；(2)RNA的四种碱基中没有胸腺嘧啶(T)，以尿嘧啶(uracil,简称U)代替；即为A、C、G、U；(3)RNA是单链自身回折结构；碱基配对：A－U，G－C。2、RNA的种类(1)mRNA(messengerRNA)：约占总RNA量的5％。其上带有指导氨基酸的信息密码(三联密码子)，作用是翻译氨基酸，将遗传信息从DNA传到蛋白质，在肽链合成中起决定氨基酸排列顺序的模板作用。(2)tRNA(transferRNA)：约占总RNA的15％，相对分子量较小，游离于胞质中。其上有和mRNA互补的反密码子，能识别氨基酸及识别mRNA上的密码子，在tRNA-氨基酸合成酶的作用下传递氨基酸(实际上是起翻译作用)。(3)rRNA(ribosomalRNA)：约占总RNA量的80％，相对分子量较高，是核糖体的组成成分(占60％左右)，核糖体是蛋白质合成(翻译)的场所。(4)反义RNA：能与DNA的碱基互补，并能阻止、干扰复制转录和翻译的短小的RNA。第二位置第一位置mRNA的5’端UUCAGUCAG第三位置mRNA的3’端UUU苯丙氨酸UUC苯丙氨酸UUA亮氨酸UUG亮氨酸UCU丝氨酸UCC丝氨酸UCA丝氨酸UCG丝氨酸UAU酪氨酸UAC酪氨酸UAA终止UAG终止UGU半胱氨酸UGC半胱氨酸UGA终止UGG色氨酸CCUU亮氨酸CUC亮氨酸CUA亮氨酸CUG亮氨酸CCU脯氨酸CCC脯氨酸CCA脯氨酸CCG脯氨酸CAU组氨酸CAC组氨酸CAA谷氨酰氨CAG谷氨酰氨CGU精氨酸CGC精氨酸CGA精氨酸CGG精氨酸UCAGAAUU异亮氨酸AUC异亮氨酸AUA异亮氨酸AUG甲硫氨酸ACU苏氨酸ACC苏氨酸ACA苏氨酸ACG苏氨酸AAU天门冬酰氨AAC天门冬酰氨AAA赖氨酸AAG赖氨酸AGU丝氨酸AGC丝氨酸AGA精氨酸AGG精氨酸UCAGGGUU缬氨酸GUC缬氨酸GUA缬氨酸GUG缬氨酸GCU丙氨酸GCC丙氨酸GCA丙氨酸GCG丙氨酸GAU天门冬氨酸GAC天门冬氨酸GAA谷氨酸GAG谷氨酸GGU甘氨酸GGC甘氨酸GGA甘氨酸GGG甘氨酸UCAG四、遗传密码图6-10生长期细菌群体的RNA、DNA和蛋白质含量的变化五、微生物生长与蛋白质合成2、蛋白质合成过程(1)复制：决定该种蛋白质分子结构的相应一段DNA链(结构基因)的自我复制；(2)转录：蛋白质不能直接由DNA合成，而通过DNA的副本RNA合成。转录是双链DNA分开，以其中的一条单链为模板转录出一条mRNA。新转录的mRNA链的核苷酸碱基的排列顺序与模板DNA链的核苷酸碱基排列顺序互补。同样，也可以DNA分子的某些部分核苷酸碱基顺序转录成tRNA和rRNA。(3)翻译：翻译是由tRNA完成的，tRNA链上有与mRNA链上对氨基酸顺序编码的核苷酸碱基顺序(密码子)互补的反密码子tRNA具有特定识别作用的两端：一端识别特定的、在ATP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－tRNA的结合分子。另一端有三个核苷酸碱基顺序组成反密码子。tRNA上的反密码子能识别mRNA上的与之互补的密码子，并与之暂时结合。(4)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mRNA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(mRNA的碱基顺序决定了多肽链上氨基酸的排列顺序)，多肽链合成后组成特定的蛋白质结构。图6-11原核微生物的DNA转录为mRNA示意图注：图中启动子即启动密码，终止子即终止密码图6-13真核微生物的D