环境微生物学第六章微生物的遗传和变异

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在环境保护中的应用遗传和变异理论的应用工业——发酵工业、……农业——杂交水稻、转基因水果……医学——亲子鉴定、法医鉴定、基因疗法……环境——基因工程菌、超级细菌、生物芯片………………遗传和变异是一切生物最本质的属性遗传：微生物将其生长发育所需要的营养类型和环境条件，以及对这些营养和外界环境条件产生的一定反应，或出现的一定的性状传给后代，并相对稳定地一代一代传下去。变异：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，从而适应新环境，这是遗传的变异。遗传的特性：遗传具有保守性，保守性使种属性稳定的一代代传递下去。有利：可使生产中选育出来的优良菌种的属性稳定地一代一代传下去。不利：当营养和环境条件改变，微生物因不适应新环境而可能死亡。保守程度的大小：个体年龄越老，保守程度越大；高等生物的保守程度比低等生物的大。遗传的特性：遗传具有变异性，变异性使生物得到发展，为人类改造微生物提供理论依据。变种：变异了的微生物不同于原来的微生物，称为变种。变异的现象有多种：个体形态的变异；菌落形态的变异（光滑型/粗糙型）；营养要求的变异；对环境要求的变异；毒力的变异；生理生化的变异；代谢途径、产物的变异等。利用物理、化学药物处理微生物可提高变异频率。通过一定的筛选方法可获得生产上所需要的高产、优质的变异菌株。例：驯化——在工业废水处理中，用含有某些污染物的工业废水筛选、培养来自处理其他废水的菌种，使它们适应该种工业废水并有高效降解其中污染物能力的方法叫驯化。如何促进微生物变异？第一节微生物的遗传一、遗传和变异的物质基础——DNA二、DNA的结构与复制三、DNA的变性和复性四、RNA六、微生物生长与蛋白质合成七、微生物的细胞分裂五、遗传密码一、遗传和变异的物质基础——DNA科学实验证明，生物体内主要的遗传物质DNA。从分子遗传学角度看：亲代通过脱氧核糖核酸（DNA）将决定各种遗传性状的遗传信息传给子代的——子代有了一定结构的DNA——继而产生一定结构形态的蛋白质——进而决定子代具有一定形态结构和生理生化性质等的遗传性状。亲代生物如何将遗传性状传给子代？“核酸是遗传物质的基础”的微生物学实验证据肺炎双球菌转化实验（Griffith1928）肺炎双球菌转化补充实验（Avery1941）大肠杆菌T2噬菌体的感染实验（Hersey1952）为确立DNA为遗传物质奠定了基础确立DNA为遗传物质的第一个实验证据再次证明DNA为遗传物质RⅡ—不致病SⅢ—致病1.将无致病性的RⅡ注射给小鼠，小鼠不死亡。2.将有致病性的SⅢ注射给小鼠，小鼠死亡。3.将灭活后的致病性的SⅢ注射给小鼠，小鼠不死亡。4.将灭活后的致病性的SⅢ和无致病性的RⅡ注射给小鼠，小鼠死亡。肺炎双球菌转化实验（Griffith1928）1.RⅡ+荚膜多糖、蛋白质、RNA（SⅢ)注射给小鼠，小鼠不死亡。肺炎双球菌转化补充实验（Avery1941）2.RⅡ+DNA(SⅢ)注射给小鼠，小鼠死亡。从SⅢ中提取荚膜多糖、蛋白质、RNA、DNA分别与RⅡ型混合，注射至小鼠体内，结果只有一种情况引起了死亡。T2噬菌体侵染细菌的实验T2噬菌体的组成：头部和尾部的外壳——蛋白质头部内——DNA分子那么T2噬菌体的遗传物质究竟是蛋白质还是DNA呢？结果表明：噬菌体的蛋白质并没有进入细菌内部，而是留在细菌的外部，噬菌体的DNA却进入了细菌的体内。用放射性同位素35S标记了一部分噬菌体的蛋白质用放射性同位素32P标记了另一部分噬菌体的DNA分别侵染细菌，对被标记物质进行测试。T2噬菌体侵染细菌的实验过程：T2噬菌体侵染细菌的实验核酸DNA(脱氧核糖核酸）RNA（核糖核酸）DNA分子是由4种脱氧核苷酸组成的一种高分子化合物，两条多核苷酸链彼此互补并排列相反的，围绕一根主轴互相盘旋形成的，具有一定空间距离的双螺旋结构。二、DNA的结构与复制核酸核苷酸(碱基－戊糖－磷酸）核苷（碱基－戊糖）磷酸嘌呤和嘧啶（碱基）核糖或脱氧核糖(戊糖）核酸的组成DNA分子的结构模式图平面结构立体结构磷酸戊糖碱基核苷酸碱基——嘌呤和嘧啶DNA的碱基：AGCTRNA的碱基：AGCUA—T（U）G—C碱基配对原则（四种）：（U）T—AC—G基本碱基结构和命名嘌呤嘧啶Adenine(A)Guanine(G)Cytosine(C)Uracil(U)Thymine(T)DNA的双螺旋结构的形成5´3´5´3´5´3´5´3´磷酸核糖碱基T-A碱基对C-G碱基对真核生物——DNA＋组蛋白构成染色体，由核膜包裹构成细胞核。1.DNA的存在形式原核生物——DNA＋极少量蛋白构成染色体，环状，高度折叠形成核区。DNA在真核细胞染色体中的存在形态：DNA在原核细胞中的存在形态：定义：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，是DNA分子上一个特定的碱基顺序，即核苷酸顺序片断。2.基因——遗传因子精确定义：基因是具有固定的起点和终点的核苷酸或密码的线性序列。功能：编码多肽（蛋白质）；编码tRNA或rRNA。1.结构基因：编码蛋白质或酶的结构，控制某种蛋白质和酶的合成。基因按功能分可分为3种：2.操纵区：它的功能像开关，操纵结构基因的表达。3.调节基因：控制结构基因，对另一个或几个基因具有阻遏作用或激活作用。每个细菌约具有5000～10000个基因。注意几点：基因控制遗传性状，但不等于遗传性状。——基因决定遗传性状的表现，但是任何一个遗传性状的表现都是在基因控制下个体发育的结果，从基因型到表现型必须通过代谢活动来实现，定义：储存在DNA上的遗传信息通过复制将遗传信息传递给后代，通过RNA的中间作用指导蛋白质的合成。这种DNA的复制和遗传信息传递的基本原则，称为分子遗传学中的中心法则。3.遗传信息的传递——中心法则注：1958年DNA双螺旋结构模型奠基人之一英国科学家F.Crick提出了遗传信息传递的中心法则。中心法则示意图DNARNA蛋白质信息的主要的或一般的传递信息的特殊传递复制翻译复制（二）DNA的复制——半保留复制首先是亲代DNA双链彼此分开成为两条链；以各自的原有的核苷酸链为模板（旧链），根据碱基配对的原则吸收细胞中游离的核苷酸，合成出一条新的互补的多核苷酸链（新链）；新链和旧链以氢键连接形成子代DNA双螺旋结构。DNA的半保留复制复制后的DNA分子，各由一条新链和一条旧链构成双螺旋结构，因此称半保留复制。原核微生物DNA的复制：例：大肠杆菌DNA为环形分子，复制的时候整个从环上的一个点开始。大肠杆菌DNA复制叉移动方向复制叉移动方向真核生物DNA复制:从染色体不同位置的多个起始点同时开始复制。三、DNA的变性和复性（一）DNA的变性定义：当天然双链DNA受热或其他因素的作用下，两条链之间的结合力被破坏而分开成单链DNA，即称为DNA变性。温度、pH化学物质可使DNA变性。解链曲线：对DNA溶液缓慢加热可使之变性，性质变化和温度之间的关系称为解链曲线。解链温度（Tm）：A260（DNA在波长260nm处的紫外吸收率）升高达到最大值一半时的温度。（二）DNA的复性定义：变性DNA溶液经适当处理后重新形成天然DNA的过程叫复性，或叫退火。复性的双链DNA是原来的DNA吗？复性的双链DNA是随机结合的，因此不可能全部是原来的DNA。根据DNA的变性和复性，人们发展了当今先进的核酸杂交技术、PCR技术等。5.环境工程主要采取什么方法培育菌种？4.杂交和转化的区别？转化和转导的区别？8.PCR是一个什么样的技术？为什么在法医鉴定中，只需要微量样本，就可以鉴定某人的身份？1.RNA有几种？分别是什么功能？3.简单说明蛋白质的合成过程？（4步）6.为什么“质粒”在基因工程中常被用作基因转移的转载工具？7.如何构建多功能超级细菌？2.几个核甘酸为一个氨基酸编码？（遗传密码），为氨基酸编码的密码子有多少组？四、RNARNA（核糖核酸）:和DNA相似，不同之处是:1.以核糖代替脱氧核糖;2.以尿嘧啶（U）代替胸腺嘧啶（T）。因此，RNA链中的碱基配对为：A—U、U—A、G—C、C—G①mRNA（信使核糖核酸）——，带有指导氨基酸的遗传密码，传递遗传性。②tRNA（转运核糖核酸）——识别mRNA上的信息，并将特定的氨基酸送到rRNA上供蛋白质合成。③rRNA（核蛋白体核糖核酸）——rRNA与蛋白质组成核糖体，是蛋白质合成的场所。④反义RNA——起调节作用的短小RNA。RNA的种类及功能RNA5.环境工程主要采取什么方法培育菌种？4.杂交和转化的区别？转化和转导的区别？8.PCR是一个什么样的技术？为什么在法医鉴定中，只需要微量样本，就可以鉴定某人的身份？1.RNA有几种？分别是什么功能？3.简单说明蛋白质的合成过程？（4步）6.为什么“质粒”在基因工程中常被用作基因转移的转载工具？7.如何构建多功能超级细菌？2.几个核甘酸为一个氨基酸编码？（遗传密码），为氨基酸编码的密码子有多少组？mRNA中的核苷酸有四种，氨基酸有20种，四种核苷酸如何代表20种氨基酸？三个连续的核苷酸组成一个三联密码子，决定一个氨基酸的种类，人们已经破解了所有氨基酸的密码。五、遗传密码如：UUU是决定苯丙氨酸的密码AUG是决定甲硫氨酸的密码UAC是决定丝氨酸的密码遗传密码表其中：61组密码分别为20种氨基酸编码，代表蛋白质中的20种氨基酸，称为有意义密码子；另外3组称为无意义密码子，起终止蛋白质合成的作用。启迪与探索1954年，物理学家GeorgeGamov根据在DNA中存在4种核苷酸，在蛋白质中存在20种氨基酸的对应关系，做出如下数学推理:若每1个核苷酸为1个氨基酸编码，只能决定4种氨基酸(41=4);若每2个核苷酸为1个氨基酸编码，可决定16种氨基酸(42=16)。上述情况编码的氨基酸数小于20，显然不可能。那么若3个核苷酸为1个氨基酸编码，可编64种氨基酸(43=64);若4个核苷酸编码1个氨基酸，可编码256种氨基(44=256)，以此类推。Gamov认为43=64这种关系最理想，因为64是能满足于20种氨基酸编码的最小数。而44=256以上，数目太多，不符合生物体在亿万年进化过程中形成的和遵循的经济原则，因此认为也是不可能的。1961年的实验研究证明上述假想是正确的。基因密码的破译是六十年代分子生物学最辉煌的成就4.环境工程主要采取什么方法培育菌种？5.杂交和转化的区别？转化和转导的区别？8.PCR是一个什么样的技术？为什么在法医鉴定中，只需要微量样本，就可以鉴定某人的身份？1.RNA有几种？分别是什么功能？3.简单说明蛋白质的合成过程？（4步）6.为什么“质粒”在基因工程中常被用作基因转移的转载工具？7.如何构建多功能超级细菌？2.几个核甘酸为一个氨基酸编码？（遗传密码），为氨基酸编码的密码子有多少组？首先，决定某种蛋白质分子结构的相应一段DNA链（结构基因）自我复制；DNA如何指导蛋白质合成？双链DNA分开，以它其中一条单链为模板遵循碱基配对原则转录出一条mRNA；以mRNA为模板，依靠tRNA对氨基酸的识别作用，与之暂时结合；翻译DNA复制转录蛋白质合成以mRNA为模板，依靠tRNA的转运作用，将氨基酸按照mRNA的碱基排列顺序合成蛋白质。mRNA(信使RNA)tRNA(转运RNA)氨基酸与氨基酸特异性结合部位三联子密码决定一个氨基酸蛋白质翻译过程3.tRNA翻译4.蛋白质合成4.环境工程主要采取什么方法培育菌种？5.杂交和转化的区别？转化和转导的区别？8.PCR是一个什么样的技术？为什么在法医鉴定中，只需要微量样本，就可以鉴定某人的身份？1.RNA有几种？分别是什么功能？3.简单说明蛋白质的合成过程？（4步）6.为什么“质粒”在基因工程中常被用作基因转移的转载工具？7.如何构建多功能超级细菌？2.几个核甘酸为一个氨基酸编码？（遗传密码），为氨基酸编码的密码子有多少组？第二节微生物的变异在微生物纯种群