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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
7、复制为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
8、在很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
9、的DNA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.
10、RNA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
11、所携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
12、RNA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
13、，并通过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
14、白质,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
15、生变异。 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)
16、DNA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
