1、第六章第六章 微生物的遗传和变异微生物的遗传和变异遗传和变异是生物体最本质的属性之一。遗传和变异是生物体最本质的属性之一。微生物的遗传性：亲代微生物将其一套完整微生物的遗传性：亲代微生物将其一套完整的遗传物质所携带的信息传递给子代微生物的遗传物质所携带的信息传递给子代微生物的特性。的特性。微生物的遗传性具有微生物的遗传性具有相对稳定性相对稳定性和和保守性保守性。变异是绝对的。变异是绝对的。微生物的遗传变异性：在某些内因或外因的微生物的遗传变异性：在某些内因或外因的作用下，微生物的遗传物质在结构或数量上作用下，微生物的遗传物质在结构或数量上发生了改变，从而引起某些相应的形态或生发生了改变，从而引
2、起某些相应的形态或生理特征等性状的改变。理特征等性状的改变。变异是变异是绝对的绝对的、是、是可以遗传可以遗传的的第一节第一节 微生物的遗传微生物的遗传 一、遗传和变异的物质基础一、遗传和变异的物质基础DNA 20世纪世纪40年代承认核酸，尤其是年代承认核酸，尤其是DNA（脱氧（脱氧核糖核酸）是遗传和变异的真正物质基础。核糖核酸）是遗传和变异的真正物质基础。二个经典实验二个经典实验v 肺炎球菌的转化实验肺炎球菌的转化实验v 噬菌体感染实验噬菌体感染实验肺炎双球菌有多糖荚膜可致病的S型不致病的R型活 S死 S死 S活 R活 R格里菲斯的转化实验分别用放射性同位素标记噬菌体35S标记蛋白质32P标记
3、 DNA35S 标记外壳蛋白质,感染后放射标记不进入大肠杆菌细胞32P 标记 DNA,感染后放射标记进入大肠杆菌细胞爱弗莱证实转化物质是 DNA二、二、DNA的结构与复制的结构与复制 1、DNA的基本结构单元的基本结构单元核苷酸由核苷酸由磷酸磷酸、戊糖戊糖和和碱基碱基三部分组成的。三部分组成的。戊糖戊糖:脱氧核糖；脱氧核糖；碱基碱基：腺嘌呤：腺嘌呤(A)、鸟嘌呤（、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（和胸腺嘧啶（T），相应的核苷酸为腺嘌呤核苷），相应的核苷酸为腺嘌呤核苷酸、鸟嘌呤核苷酸、胞嘧啶核苷酸和胸腺嘧啶酸、鸟嘌呤核苷酸、胞嘧啶核苷酸和胸腺嘧啶核苷酸。核苷酸。多聚核苷酸链由核
4、苷酸通过多聚核苷酸链由核苷酸通过磷酸二酯键磷酸二酯键相连形相连形成。每个互补碱基（成。每个互补碱基（AT、GC）之间由）之间由氢氢键键相连。相连。DNA的碱基顺序就是遗传信息存储的的碱基顺序就是遗传信息存储的分子形式。分子形式。1953年，年，Watson和和Crick根据根据DNA碱基组成的碱基组成的定量分析和定量分析和DNA结晶的结晶的X衍射图谱，提出了著衍射图谱，提出了著名的名的DNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型：DNA的双螺旋结构的双螺旋结构、DNA分子是由两条方向相反的彼此互补的多核苷分子是由两条方向相反的彼此互补的多核苷酸链组成，两条链沿同一轴平行盘绕形成右手螺旋。酸链组成，两条链
5、沿同一轴平行盘绕形成右手螺旋。、嘌呤碱基和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱嘌呤碱基和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖氧核糖位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成基环平面与碱基环平面成90角。角。、双螺旋横截面的直径约为、双螺旋横截面的直径约为2 nm，每条链相邻两个，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为碱基平面之间的距离为0.34 nm，每，每10个核苷酸形成一个核苷酸形成一个螺旋，其螺旋旋转一圈的高度（即螺距）为个螺旋，其螺旋旋转一圈的高度（即螺距）为3.4 nm。、两条、两条DNA链相互结合形成双螺旋的作用力主要链相互结合
6、形成双螺旋的作用力主要是链间碱基对所形成的氢键。两条链的碱基之间严格是链间碱基对所形成的氢键。两条链的碱基之间严格遵循碱基的互补配对规律，即腺嘌呤（遵循碱基的互补配对规律，即腺嘌呤（A）与胸腺嘧）与胸腺嘧啶（啶（T）结合，鸟嘌呤（）结合，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（）与胞嘧啶（C）结合。）结合。A和和T之间形成两个氢键，之间形成两个氢键，G与与C之间形成三个氢键。之间形成三个氢键。碱基的互补配对是复制、转录的分子基础。碱基的互补配对是复制、转录的分子基础。1.1、DNA的存在形式的存在形式 真核微生物的真核微生物的DNA和组蛋白组成染色体，丝状结和组蛋白组成染色体，丝状结构，位于细胞核内；构，位于细
7、胞核内；原核微生物原核微生物DNA与少量蛋白质结合，构成环状结与少量蛋白质结合，构成环状结构，高度折叠形成核区。构，高度折叠形成核区。1.2、基因、基因遗传因子遗传因子 基因基因是一切生物体内是一切生物体内 储存遗传信息、具有自我复储存遗传信息、具有自我复制能力的遗传功能单位，即核苷酸顺序的片段。制能力的遗传功能单位，即核苷酸顺序的片段。是具有固定起点和终点的核苷酸线性序列，分为：是具有固定起点和终点的核苷酸线性序列，分为：结构基因结构基因编码蛋白质和酶的结构编码蛋白质和酶的结构 操纵区操纵区操纵三个基因的表达操纵三个基因的表达 调节基因调节基因控制结构基因控制结构基因1.3、遗传信息的传递、
8、遗传信息的传递 中心法则中心法则DNA的复制和遗传信息传递的基本的复制和遗传信息传递的基本规则。规则。DNA上储存的遗传信息先通过转录形成上储存的遗传信息先通过转录形成RNA，再通过，再通过RNA的中间作用指导蛋白质的生物的中间作用指导蛋白质的生物合成。合成。基因型基因型表现型表现型DNA复复制制转录转录逆转录逆转录RNA复制复制翻译翻译蛋白质蛋白质DNA的复制的复制 决定某种蛋白质结构的相应一段决定某种蛋白质结构的相应一段DNA链进行自我链进行自我复制复制，DNA多聚酶参与。多聚酶参与。DNA复制是碱基配对的半保留复复制是碱基配对的半保留复制。制。新的新的DNA链是以旧链为模板合成链是以旧链
9、为模板合成的，新加入的碱基与模板上的碱的，新加入的碱基与模板上的碱基互补配对，当整个分子复制出基互补配对，当整个分子复制出来时，每个新的来时，每个新的DNA时由原来的时由原来的一个链和一个新合成的链组成的，一个链和一个新合成的链组成的，所以叫所以叫半保留复制半保留复制。转录转录 以以DNA双链中的一条链为模板，按照碱基互补的双链中的一条链为模板，按照碱基互补的方式合成方式合成RNA，使遗传信息由，使遗传信息由DNA到到RNA的传递的传递过程。转录是遗传信息表达的第一步。过程。转录是遗传信息表达的第一步。转录过程首先是转录过程首先是DNA分子解开双螺旋，以其中一分子解开双螺旋，以其中一条链为转录
10、模板，在条链为转录模板，在RNA聚合酶的催化下，合成聚合酶的催化下，合成与模板与模板DNA之间碱基互补的之间碱基互补的mRNA。只是。只是A相对应相对应的碱基是的碱基是U。mRNA合成有三种有三种RNA分子，他们分别是：分子，他们分别是：核糖体核糖体RNA（rRNA），他的作用是参与），他的作用是参与蛋白质的合成，它可以协助核糖体保持一蛋白质的合成，它可以协助核糖体保持一定的结构，并发挥相应的功能。定的结构，并发挥相应的功能。转运转运RNA（tRNA），蛋白质合成过程中），蛋白质合成过程中转运氨基酸，将核酸序列转换成相应的氨转运氨基酸，将核酸序列转换成相应的氨基酸序列。基酸序列。信使信使RNA
11、（mRNA），他们又），他们又DNA转录而转录而来，并作为蛋白质合成的模板。来，并作为蛋白质合成的模板。翻译翻译以以RNA（密码子）作为模板，将遗传信息从（密码子）作为模板，将遗传信息从mRNA传递到传递到tRNA（反密码子），进而合成蛋白（反密码子），进而合成蛋白质的过程。质的过程。“密码子密码子”：由三个碱基组成的代表一个氨基酸信：由三个碱基组成的代表一个氨基酸信息的三联体息的三联体mRNA。组成蛋白质的氨基酸有。组成蛋白质的氨基酸有20种，种，每种氨基酸有每种氨基酸有16种密码子，此外还有一个起始密种密码子，此外还有一个起始密码子和三个终止密码子。码子和三个终止密码子。蛋白质合成蛋白质合
12、成mRNA先与核糖体结合在一起，然后利用先与核糖体结合在一起，然后利用tRNA识识别别mRNA上的遗传密码，并将所携带的三个特定氨上的遗传密码，并将所携带的三个特定氨基酸按照基酸按照mRNA上遗传密码的顺序送到核糖体上，上遗传密码的顺序送到核糖体上，随着核糖体在随着核糖体在mRNA上不断移动，合成多肽链，高上不断移动，合成多肽链，高度折叠后形成不同生理功能的蛋白质。度折叠后形成不同生理功能的蛋白质。tRNA 的二级结构呈的二级结构呈三叶草形三叶草形，它的任务是搬，它的任务是搬运氨基酸。在运氨基酸。在tRNA分子中，一方面联接着被搬运分子中，一方面联接着被搬运的氨基酸，另一方面通过反密码子把氨基
13、酸安置到的氨基酸，另一方面通过反密码子把氨基酸安置到合适的位置上去。合适的位置上去。转录 核苷酸序列核苷酸序列 翻译 核苷酸序列氨基酸序列中心法则转录翻译复制2、DNA的复制的复制 DNA多聚酶参与的半保留式的自我复制多聚酶参与的半保留式的自我复制3、DNA的变性和复性的变性和复性 3.1、DNA的变性的变性天然双链的天然双链的DNA手热或其他因素的作用，两条链手热或其他因素的作用，两条链之间的结合力被破坏而分开成单链的现象。之间的结合力被破坏而分开成单链的现象。因素：高温、高因素：高温、高pH、尿素等化学物质、尿素等化学物质3、DNA的变性和复性的变性和复性 3.2、DNA的复性（退火）的复
14、性（退火）变性的变性的DNA溶液经过适当的处理后重新形成天然溶液经过适当的处理后重新形成天然的的DNA的过程。的过程。复性的双链随机结合，可以形成杂交复性的双链随机结合，可以形成杂交DNA。4、RNARNA也是由磷酸、戊糖和碱基三部分组成，所不也是由磷酸、戊糖和碱基三部分组成，所不同的是组成同的是组成RNA的戊糖为核糖，而且四种碱基中的戊糖为核糖，而且四种碱基中以尿嘧啶（以尿嘧啶（U）代替了胸腺嘧啶（）代替了胸腺嘧啶（T）。）。参与遗传信息的传递的参与遗传信息的传递的RNA包括：包括：信使信使信使信使mRNA转运转运tRNA核糖体核糖体rRNA反义反义RNADNA转录转录形成形成mRNA的功能
15、是将的功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质的遗传信息传递到蛋白质合成场所核糖核蛋白体合成场所核糖核蛋白体传递遗传性传递遗传性tRNA可识别可识别mRNA上的信息，并将特定的氨基酸上的信息，并将特定的氨基酸送到送到rRNA上进行蛋白质的合成上进行蛋白质的合成传递氨基酸传递氨基酸rRNA与蛋白质结合成核糖体与蛋白质结合成核糖体蛋白质合成的场蛋白质合成的场所。所。5、微生物生长与蛋白质合成、微生物生长与蛋白质合成RNA也是由磷酸、戊糖和碱基三部分组成，所不也是由磷酸、戊糖和碱基三部分组成，所不同的是组成同的是组成RNA的戊糖为核糖，而且四种碱基中的戊糖为核糖，而且四种碱基中以尿嘧啶（以尿嘧啶（U）代
16、替了胸腺嘧啶（）代替了胸腺嘧啶（T）。）。参与遗传信息的传递的参与遗传信息的传递的RNA包括：包括：信使信使信使信使mRNA转运转运tRNA核糖体核糖体rRNA反义反义RNAmRNA的功能是将的功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质的遗传信息传递到蛋白质合成场所核糖核蛋白体合成场所核糖核蛋白体传递遗传性传递遗传性tRNA可识别可识别mRNA上的信息，并将特定的氨基酸上的信息，并将特定的氨基酸送到送到rRNA上进行蛋白质的合成上进行蛋白质的合成传递氨基酸传递氨基酸rRNA与蛋白质结合成核糖体与蛋白质结合成核糖体蛋白质合成的场蛋白质合成的场所。所。第二节第二节 微生物的变异微生物的变异 一、变异的实
17、质一、变异的实质基因突变基因突变微生物的微生物的DNA被某种因素引起碱基的缺失、置被某种因素引起碱基的缺失、置换或者插入，改变了基因内部原有的排列顺序，换或者插入，改变了基因内部原有的排列顺序，从而引起后代表现型的变化。从而引起后代表现型的变化。二、突变的类型二、突变的类型自发突变：自发突变：DNA分子中的碱基对的变化是在自分子中的碱基对的变化是在自然条件下自发进行的。概率极低，然条件下自发进行的。概率极低，10-410-101、多因素低剂量的诱变效应、多因素低剂量的诱变效应2、互变异构效应、互变异构效应 Normal DNANonsense Mutation二、突变的类型二、突变的类型诱发突
18、变：诱发突变：利用物理或化学的因素处理微生物利用物理或化学的因素处理微生物群体，促使少数个体细胞的群体，促使少数个体细胞的DNA分子结构发生分子结构发生改变，基因内部碱基对配对发生错位，使遗传改变，基因内部碱基对配对发生错位，使遗传形状改变。形状改变。1、物理诱变、物理诱变 紫外辐射诱变紫外辐射诱变v光复活和暗复活光复活和暗复活v切除修复切除修复v重组修复重组修复vSOS修复修复v适应性修复适应性修复 剂量和方法：剂量和方法：p2212、化学诱变、化学诱变 v使使DNA复制时碱基配对转换（亚硝酸等）复制时碱基配对转换（亚硝酸等）v类似的物质代替碱基发生变异类似的物质代替碱基发生变异vDNA分子
19、上碱基的缺失或插入分子上碱基的缺失或插入3、复合处理及协同作用、复合处理及协同作用 诱变剂之间的协同作用，效应增强诱变剂之间的协同作用，效应增强4、定向培育和驯化、定向培育和驯化 定向培育定向培育人为用某种特定环境条件长期处理人为用某种特定环境条件长期处理某种微生物，同时将其进行移种传代，以达到积某种微生物，同时将其进行移种传代，以达到积累和选择合适的自发突变的育种形式。累和选择合适的自发突变的育种形式。废水处理中的驯化过程废水处理中的驯化过程第三节第三节 基因重组基因重组 基因重组基因重组将两个具有不同性状的生物细胞中的遗传基将两个具有不同性状的生物细胞中的遗传基因转移到一起，并经过遗传物质
20、的重新组合，因转移到一起，并经过遗传物质的重新组合，形成新遗传型个体的方式。形成新遗传型个体的方式。基因重组不引起碱基结构上的变化（突变），基因重组不引起碱基结构上的变化（突变），是分子水平上遗传物质的杂交。是分子水平上遗传物质的杂交。基因重组的方式基因重组的方式1、转化：、转化：受体细胞直接吸收来自供体细胞的受体细胞直接吸收来自供体细胞的DNA片段并整合到自己的基因组中，从而获得片段并整合到自己的基因组中，从而获得了供体细胞部分遗传性状。了供体细胞部分遗传性状。2、杂交：、杂交：供体菌和受体菌的完整细胞经直接供体菌和受体菌的完整细胞经直接融合而传递大段融合而传递大段DNA（包括质粒）遗传信息
21、。（包括质粒）遗传信息。3、转导：、转导：以噬菌体为媒介把供体细胞中的以噬菌体为媒介把供体细胞中的DNA片段携带到受体细胞中，从而使后者获得片段携带到受体细胞中，从而使后者获得前者的部分遗传性状前者的部分遗传性状。转化转化需要具有亲缘关系并且处于感受态（受体菌最需要具有亲缘关系并且处于感受态（受体菌最容易接受外源容易接受外源DNA片段并实现转化的一种生理片段并实现转化的一种生理状态）。状态）。杂交（接合）杂交（接合）F因子（质粒）是一种独立于染色体外的环状因子（质粒）是一种独立于染色体外的环状DNA小分子，可以决定细菌的性别并编码小分子，可以决定细菌的性别并编码4060种蛋白质。具有自主的与染
22、色体进行种蛋白质。具有自主的与染色体进行同步复制和转移到其他细胞中的能力。同步复制和转移到其他细胞中的能力。F因子的菌株在细胞表面会产生性伞毛，性伞因子的菌株在细胞表面会产生性伞毛，性伞毛为中空、细长的结构，它的功能是在接合毛为中空、细长的结构，它的功能是在接合过程中转移遗传物质。过程中转移遗传物质。细菌的接合转化R因子即抗药性因子，因子即抗药性因子，使微生物对某些化学使微生物对某些化学药物具有抗性。药物具有抗性。降解质粒使微生物能降解质粒使微生物能降解一些复杂和难降降解一些复杂和难降解的有机物。解的有机物。转导转导 通过噬菌体作为媒介，把供体细胞中的通过噬菌体作为媒介，把供体细胞中的DNA片
23、段携带到受体细胞中，从而使后者获得前片段携带到受体细胞中，从而使后者获得前者的部分遗传性状的现象。者的部分遗传性状的现象。ConjugationTransformationTransduction第四节第四节 遗传工程技术在环境工程中的应用遗传工程技术在环境工程中的应用 诱变育种诱变育种 利用物理、化学等诱变剂处理微生物，利用物理、化学等诱变剂处理微生物，提高其突变率，并从中筛选出具有某一优良提高其突变率，并从中筛选出具有某一优良性状的突变体。性状的突变体。“培养驯化高效菌培养驯化高效菌”1、质粒育种、质粒育种基因的运载工具基因的运载工具多功能超级菌多功能超级菌解烷抗汞质粒菌解烷抗汞质粒菌脱色
24、工程菌：降解偶氮染料菌脱色工程菌：降解偶氮染料菌Q5T菌：御寒的降解甲苯细菌菌：御寒的降解甲苯细菌质粒：原核微生物除染色体外的环状质粒：原核微生物除染色体外的环状DNA分子分子2、基因工程的应用、基因工程的应用供体供体DNA目的目的DNA片段片段质粒质粒DNADNA连接酶连接酶新的新的DNA分子分子受体细胞受体细胞新品种新品种用质粒构建重组DNA分子 其次要把目的基因“装”到载体中去。“安装”的过程，需要的关键酶叫限制性内切酶。此酶识别一定碱基序列，有的还可切出“粘性”末端，使得目的基因和载体的连接非常容易。限制性内切酶识别特定的碱基序列生产基因工程产品的生物反应器基因工程的应用基因工程被用于
25、大量生产过去难以得到或几乎不可能得到的蛋白质-肽类药物。生产奶酪的凝乳酶传统上来自哺乳小牛的胃。现在可以通过基因工程办法，用酵母生产凝乳酶，大量用于奶酪制造。哺乳小牛 凝乳酶基因 胃 转入啤酒酵母 凝乳酶 凝乳酶 制造奶酪把大鼠生长因子转入小鼠得到巨大型的转基因小鼠。喷洒工程菌清除石油污染 3、PCR技术在环境保护中的应用技术在环境保护中的应用 1985年发明的特异性的体外扩增年发明的特异性的体外扩增技术，实质是体外酶促合成特异性的技术，实质是体外酶促合成特异性的片断（片断（Polymease Chain Reaction）它能快速、特异地扩增出任何所希望的目它能快速、特异地扩增出任何所希望的
26、目的基因或的基因或DNA片段，用于基因克隆、测序、片段，用于基因克隆、测序、突变体和重组体的构建、基因定位、品系鉴突变体和重组体的构建、基因定位、品系鉴定系统发育的分析、遗传病诊断、肿瘤机制定系统发育的分析、遗传病诊断、肿瘤机制的探查、法医鉴定等诸多方面。的探查、法医鉴定等诸多方面。3、PCR技术在环境保护中的应用技术在环境保护中的应用 发明者发明者Millus因此获得了因此获得了1993年度诺贝尔年度诺贝尔化学奖。化学奖。此过程包括加热变性、退火、延伸三个阶段此过程包括加热变性、退火、延伸三个阶段PCR 把寻找目的基因和扩增目的基因两步操作并成一步。P C R操作流程90 0 0 C50 0 0 C70 0 0 CPCR 反应分三步完成：第一步 90 0 0 C 高温下，使混合物的DNA 片断因变性而成单链。第二步 50 0 0 C 温度下，引物 DNA结合在适于配对的DNA片断上。第三步 70 0 0 C 温度下，由合成酶（DNA 高温聚合酶）催化，从引物开始合成目的基因 DNA。PCR 的三个步骤为一次循环，约需510 分钟。每经一次循环，所找到的目的基因扩充一倍。经过 20 次循环，即可扩增 106 倍，总共只需几个小时。哈哈，下 课 了 !
