【北京大学】医学院--专业课程--《微生物学》---第十章微生物的遗传与变异原理.ppt

【北京大学】名师讲解全国特级教师 江新欢 博士教授微生物学微生物学第十章第十章 微生物的遗传与变异微生物的遗传与变异目目录录微生物的微生物的微生物的微生物的遗传遗传1微生物的微生物的微生物的微生物的变变异异异异2基因重基因重基因重基因重组组3突突突突变变体的体的体的体的检测检测与与与与筛选筛选4分子分子分子分子遗传遗传学新技学新技学新技学新技术术在在在在环环境工程与境工程与境工程与境工程与环环境保境保境保境保护护中的中的中的中的应应用用用用51.1.种瓜得瓜，种豆得豆；种瓜得瓜，种豆得豆；2.2.龙生龙，凤生凤，老鼠儿子会打洞；龙生龙，凤生凤，老鼠儿子会打洞；3.3.虎父无犬子；虎父无犬子；4.4.一母生九子，母子十不同。一母生九子，母子十不同。请大家想一想，与遗传请大家想一想，与遗传变异有关的俗语或谚语变异有关的俗语或谚语有哪些？有哪些？第十章第十章微生物的遗传与变异微生物的遗传与变异第十章第十章 微生物的遗传与变异微生物的遗传与变异遗传（遗传（heredity）和和变异（变异（variation）是生物界最是生物界最本质的属性之一。本质的属性之一。在应用微生物加工制造和发酵生产各种食品及微生物污染治在应用微生物加工制造和发酵生产各种食品及微生物污染治理过程中，要想有效地大幅度提高产品的产量、质量和处理效果，理过程中，要想有效地大幅度提高产品的产量、质量和处理效果，首先必须选育首先必须选育优良的生产菌种优良的生产菌种，才能达到目的。而优良菌种的选，才能达到目的。而优良菌种的选育是在微生物遗传变异的基础上进行的。遗传和变异是相互关联，育是在微生物遗传变异的基础上进行的。遗传和变异是相互关联，同时又相互矛盾对立的两个方面，在一定条件下，二者是相互转同时又相互矛盾对立的两个方面，在一定条件下，二者是相互转化的。认识和掌握微生物遗传变异的规律是搞好菌种选育的关键。化的。认识和掌握微生物遗传变异的规律是搞好菌种选育的关键。第十章第十章 微生物的遗传与变异微生物的遗传与变异u遗传：微生物在繁殖延续后代的过程中，亲代与子代之间在遗传：微生物在繁殖延续后代的过程中，亲代与子代之间在形态、结构、生态、生理生化特性等方面具有一定的相似性，形态、结构、生态、生理生化特性等方面具有一定的相似性，称为微生物的遗传。称为微生物的遗传。u遗传的保守性：相对稳定遗传的保守性：相对稳定有利：选育出的优良菌种属性稳定地遗传。有利：选育出的优良菌种属性稳定地遗传。不利：环境条件改变，微生物会不适应外界环境条件。不利：环境条件改变，微生物会不适应外界环境条件。u保持物种延续。保持物种延续。第十章第十章 微生物的遗传与变异微生物的遗传与变异u变异：在微生物繁殖过程中，在世代之间、同代个体之间存变异：在微生物繁殖过程中，在世代之间、同代个体之间存在差异的现象，称为变异。在差异的现象，称为变异。u变异的多样性变异的多样性 个体形态的变化，菌落形态个体形态的变化，菌落形态(光滑型粗糙型光滑型粗糙型)的变异，营养的变异，营养要求的变异，对温度、要求的变异，对温度、pHpH要求的变异，毒性的变异，抗毒能力的要求的变异，毒性的变异，抗毒能力的变异，生理生化特性的变异及代谢途径、产物的变异等。变异，生理生化特性的变异及代谢途径、产物的变异等。u两两者者的的关关系系：遗遗传传是是相相对对的的，变变异异是是绝绝对对的的，遗遗传传中中有有变变异异，变异中有遗传，遗传和变异的辨证关系使微生物不断进化。变异中有遗传，遗传和变异的辨证关系使微生物不断进化。第十章第十章 微生物的遗传与变异微生物的遗传与变异u意义：意义：遗传和变异是一切生物存在和进化的基本要素遗传和变异是一切生物存在和进化的基本要素育种育种环境保护领域环境保护领域第十章第十章 微生物的遗传与变异微生物的遗传与变异两组基本概念：两组基本概念：u遗传型（遗传型（genotype）又又称称基基因因型型，指指某某一一生生物物个个体体所所含含有有的的全全部部遗遗传传因因子子即即基基因组所携带的遗传信息。因组所携带的遗传信息。u表型（表型（phenotype）指某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和。指某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和。遗传型遗传型遗传型遗传型（可能性）（可能性）（可能性）（可能性）表型表型表型表型（现实性）（现实性）（现实性）（现实性）环境条件环境条件环境条件环境条件代谢、发育代谢、发育代谢、发育代谢、发育第十章第十章 微生物的遗传与变异微生物的遗传与变异两组基本概念：两组基本概念：u变异（变异（variationvariation）生生物物体体在在某某种种外外因因或或内内因因的的作作用用下下引引起起的的遗遗传传物物质质结结构构或或数数量量的的改改变变，即即遗遗传型的改变。传型的改变。特点：群体中几率低，性状变化幅度大，新性状稳定可遗传。特点：群体中几率低，性状变化幅度大，新性状稳定可遗传。u饰变（饰变（modificationmodification）修修饰饰性性改改变变，即即不不涉涉及及遗遗传传物物质质结结构构改改变变而而只只发发生生在在转转录录、翻翻译译水水平平上上的的表表型变化。型变化。特特点点：群群体体中中几几乎乎每每一一个个体体都都同同样样变变化化，性性状状变变化化幅幅度度小小，不不遗遗传传，引引起起饰饰变的因素消失后，表型即可恢复。变的因素消失后，表型即可恢复。例如：粘质沙雷氏菌：在例如：粘质沙雷氏菌：在2525下培养，产生深红色的灵下培养，产生深红色的灵杆菌素；在杆菌素；在3737下培养，不产生色素；如果重新将温度下培养，不产生色素；如果重新将温度降到降到2525，又恢复产色素的能力。，又恢复产色素的能力。7.1 7.1 微生物的遗传微生物的遗传遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础DNA（脱氧核糖核酸）（脱氧核糖核酸）遗传变异的物质基础是蛋白质还是核酸，曾是生物学中遗传变异的物质基础是蛋白质还是核酸，曾是生物学中激烈争论的重大问题之一。直至激烈争论的重大问题之一。直至1944年后由于连续利用微生年后由于连续利用微生物这一有利的实验对象设计了物这一有利的实验对象设计了3个著名的实验，才以确凿的事个著名的实验，才以确凿的事实证实了实证实了核酸尤其是核酸尤其是DNA才是遗传变异的真正物质基础。才是遗传变异的真正物质基础。三个经典实验与遗传物质三个经典实验与遗传物质7.1.1 7.1.1 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础DNADNA1、经典转化实验、经典转化实验vv以肺炎链球菌以肺炎链球菌以肺炎链球菌以肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniaeStreptococcus pneumoniae)作为研究对象，肺炎链作为研究对象，肺炎链作为研究对象，肺炎链作为研究对象，肺炎链球菌可以使人患肺炎，球菌可以使人患肺炎，球菌可以使人患肺炎，球菌可以使人患肺炎，也可以使小白鼠患败血也可以使小白鼠患败血也可以使小白鼠患败血也可以使小白鼠患败血病而死亡；病而死亡；病而死亡；病而死亡；vv有荚膜者是致病性的，有荚膜者是致病性的，有荚膜者是致病性的，有荚膜者是致病性的，它的菌落表面光滑它的菌落表面光滑它的菌落表面光滑它的菌落表面光滑(smooth)(smooth)(smooth)(smooth)，称为，称为，称为，称为S S S S型；型；型；型；vv有的不形成荚膜，无致有的不形成荚膜，无致有的不形成荚膜，无致有的不形成荚膜，无致病性，菌落外观粗糙病性，菌落外观粗糙病性，菌落外观粗糙病性，菌落外观粗糙(rough)(rough)(rough)(rough)，故称，故称，故称，故称R R R R型。型。型。型。有荚膜，致病的，菌落有荚膜，致病的，菌落表面光滑（表面光滑（smoothsmooth）不形成荚膜，无致病性，菌不形成荚膜，无致病性，菌落外观粗糙（落外观粗糙（rough)rough)离体转化实验离体转化实验v19441944年，年，O.T.AveryO.T.Avery、C.M.MacleodC.M.Macleod和和M.McCartyM.McCarty从热死的从热死的S S型肺炎链球菌中提纯了型肺炎链球菌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。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。Avery等等的的体体外外培培养养实实验验(1944)分离后的分离后的S型细胞物质对型细胞物质对R型细胞的转化型细胞的转化u分分析析：S型型细细菌菌的的DNA能能将将肺肺炎炎链链球球菌菌的的R型型转转化化为为S型型。而而DNA纯纯度度越越高高，转转化化效效率率也也越越高高，只只取取纯纯DNA的的610-8的的量量时时，仍仍有有转转化化能能力力。这这说说明明，S型型菌菌株株转转移移给给R型型菌菌株株的的是是以以DNA为为基基础础的的遗传因子。遗传因子。7.1.1 7.1.1 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础DNADNA2 2、噬菌体感染实验、噬菌体感染实验v19521952年，年，A.D.HersheyA.D.Hershey和和M.ChaseM.Chase发表了证明噬菌体发表了证明噬菌体的遗传物质基础的著名实验噬菌体感染实验。的遗传物质基础的著名实验噬菌体感染实验。v首先，他们将首先，他们将E.coliE.coli培养在以放射性培养在以放射性3232P P3 3O O4 4或或3535S S2 2O O4 4作为磷源或硫源的合成培养基中。结果作为磷源或硫源的合成培养基中。结果,可以获得可以获得含含3232P-DNAP-DNA(噬菌体核心噬菌体核心)的噬菌体或含的噬菌体或含3535S-S-蛋白质蛋白质(噬噬菌体外壳菌体外壳)的两种实验用噬菌体。的两种实验用噬菌体。7.1.1 7.1.1 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础DNADNA3 3、烟花草叶病毒的拆开与重组实验、烟花草叶病毒的拆开与重组实验vH.Fraenkel-Conrat(1956)用含RNA的烟草花叶病烟草花叶病毒毒(TMV)(TMV)进行了著名的植物病毒重建实验。v把TMV和HRV（霍氏车前花叶病毒）的蛋白质外壳与RNA相分离。v用TMV的RNA与HRV的蛋白质外壳，HRV的RNA与TMV的蛋白质外壳重建后的杂合病毒去感染烟草。三个经典试验结果三个经典试验结果 细胞生物的遗传物质是双链细胞生物的遗传物质是双链DNADNA；病毒的遗传物质可以是单链的或双链的病毒的遗传物质可以是单链的或双链的DNADNA或或RNARNA，即：即：ssDNAssDNA，dsDNAdsDNA，ssRNAssRNA或或dsRNAdsRNA。v三个经典试验结果三个经典试验结果v朊病毒的发现和思考朊病毒的发现和思考 无论是无论是DNADNA还是还是RNARNA作为遗传物质的基础已是作为遗传物质的基础已是无可辨驳的事实。但朊病毒的发现对无可辨驳的事实。但朊病毒的发现对“蛋白质不是蛋白质不是遗传物质遗传物质”的定论也带来一些疑云。的定论也带来一些疑云。PrPPrP是具有传是具有传染性的蛋白质致病因子，迄今未发现蛋白内有核染性的蛋白质致病因子，迄今未发现蛋白内有核酸，但已知的传染性疾病的传播必须有核酸组成酸，但已知的传染性疾病的传播必须有核酸组成的遗传物质，才能感染宿主并在宿主体内自然繁的遗传物质，才能感染宿主并在宿主体内自然繁殖。那么这是生命界的又一特例呢？还是因为目殖。那么这是生命界的又一特例呢？还是因为目前人们的认识和技术所限而尚未揭示的生命之谜前人们的认识和技术所限而尚未揭示的生命之谜呢？还有待于生命科学家去认识和探索。呢？还有待于生命科学家去认识和探索。规则的双螺旋结构规则的双螺旋结构通常呈单链结构通常呈单链结构脱氧核苷酸脱氧核苷酸核糖核苷酸核糖核苷酸腺嘌呤（腺嘌呤（A）鸟嘌呤（鸟嘌呤（G）腺嘌呤（腺嘌呤（A）鸟嘌呤（鸟嘌呤（G）胞嘧啶（胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（胞嘧啶（C）尿嘧啶（尿嘧啶（U）脱氧核糖脱氧核糖核糖核糖磷酸磷酸磷酸磷酸DNA与与RNA分子的比较分子的比较7.1.2 DNA7.1.2 DNA的结构与复制的结构与复制1953年的克里克（年的克里克（Francis Crick)（右）和沃森（右）和沃森(James Watson)在实验室里，在实验室里，他们两人因为发现了他们两人因为发现了DNA的分子结构，而在的分子结构，而在1962年与威尔金斯一起获得年与威尔金斯一起获得诺贝尔生理学和医学奖。诺贝尔生理学和医学奖。DNA（脱氧核糖核酸）：（脱氧核糖核酸）：高分子化合物高分子化合物7.1.2 DNA7.1.2 DNA的结构与复制的结构与复制 DNADNA的结构的结构uDNADNA由两条多核苷酸组成的链配对而成，由两条多核苷酸组成的链配对而成，两条链彼此互补，方向相反，以右手两条链彼此互补，方向相反，以右手螺旋的方式围绕一根主轴而互相盘绕螺旋的方式围绕一根主轴而互相盘绕形成。四种碱基形成。四种碱基A A（腺嘌呤）、（腺嘌呤）、T T（胸（胸腺嘧啶）、腺嘧啶）、G G（鸟嘌呤）、（鸟嘌呤）、C C（胞嘧啶）（胞嘧啶）相互配对。相互配对。A A T,G CT,G C互相间通过氢互相间通过氢键连接。键连接。7.1.2 DNA7.1.2 DNA的结构与复制的结构与复制 DNA DNA的结构的结构 每条核苷酸链每条核苷酸链均由脱氧核糖均由脱氧核糖磷酸脱氧核糖磷酸脱氧核糖磷酸交替排列磷酸交替排列而成（磷酸二酯而成（磷酸二酯键）。键）。7.1.2 DNA7.1.2 DNA的结构与复制的结构与复制 DNA DNA的结构的结构四种碱基结构四种碱基结构7.1.2 DNA7.1.2 DNA的结构与复制的结构与复制 DNA DNA的结构的结构碱基配对（依靠氢键连接）碱基配对（依靠氢键连接）G CG CA TA TATGCATGC脱氧脱氧核糖核糖磷酸磷酸碱基碱基大大 部部 分分 DNA DNA 具具 有有 双双 螺螺 旋旋 结结 构构 ，亦亦 称称 为为 B B 型型 。小沟小沟小沟小沟大沟大沟大沟大沟7.1.2 DNA7.1.2 DNA的结构与复制的结构与复制 DNA DNA的存在形式的存在形式 除除部部分分病病毒毒的的遗遗传传物物质质是是RNARNA外外，其其余余病病毒毒和和全全部部具具有有典典型型细细胞胞结结构构的的生生物物体体的的遗遗传传物物质质都都是是DNADNA。按按其其在在细细胞胞中中的的存存在在形形式式可可分分成成染染色色体体DNADNA、染染色色体体外外DNADNA、RNARNA作作为遗传物质、朊病毒的遗传物质。为遗传物质、朊病毒的遗传物质。7.1.2 DNA7.1.2 DNA的结构与复制的结构与复制1.1.染色体染色体DNADNAu真核生物的染色体。真核生物的染色体主要由真核生物的染色体。真核生物的染色体主要由DNADNA和组蛋白和组蛋白(H1(H1，H2AH2A，H2BH2B，H3H3，H4)H4)构成。构成。u原核生物的染色体。原核生物的染色体的原核生物的染色体。原核生物的染色体的DNADNA与很少量的蛋白质结合，与很少量的蛋白质结合，或者是裸露的。它们大多是双链的，呈环状或线状。或者是裸露的。它们大多是双链的，呈环状或线状。7.1.2 DNA7.1.2 DNA的结构与复制的结构与复制2.2.染色体外染色体外DNADNAvv真核微生物中的真核微生物中的真核微生物中的真核微生物中的细胞器细胞器细胞器细胞器DNADNADNADNA：叶绿体、线粒体、中心粒、毛基体等叶绿体、线粒体、中心粒、毛基体等叶绿体、线粒体、中心粒、毛基体等叶绿体、线粒体、中心粒、毛基体等vv原核微生物和真核微生物的酵母菌：原核微生物和真核微生物的酵母菌：原核微生物和真核微生物的酵母菌：原核微生物和真核微生物的酵母菌：质粒质粒质粒质粒vv插入序列、转座子、插入序列、转座子、插入序列、转座子、插入序列、转座子、MuMuMuMu噬菌体等噬菌体等噬菌体等噬菌体等细菌等原核生物细菌等原核生物质粒质粒质粒质粒染色染色染色染色体体体体叶绿体中含有环状DNA线粒体中含有环状DNAv染色体染色体指携带细胞功能所必备的基因的遗传单元。病毒病毒是非细胞生物，它们的全套遗传基因称为基因组，但 不足以形成染色体。原核生物原核生物的染色体常为一个环状的DNA分子。=DNA 真核生物真核生物的细胞有几条至几十条染色体，各含一个线状的DNA分子。=DNA+组蛋白组蛋白真核生物的染色体结构细菌染色体DNA的大小和结构原核生物的质粒原核生物的质粒v游离于原核生物染色体外，具有独立复制能力的小型共价游离于原核生物染色体外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状闭合环状DNADNA分子，即分子，即cccDNA(circular covalently cccDNA(circular covalently closed DNA)closed DNA)，称为，称为质粒质粒。v质粒具有超螺旋状的结构，携带着某些染色体所没有的基质粒具有超螺旋状的结构，携带着某些染色体所没有的基因，赋予原核生物某些对其生存必不可少的特殊功能。因，赋予原核生物某些对其生存必不可少的特殊功能。v并非细胞必须，仅与某些性状有关并非细胞必须，仅与某些性状有关;v常作为基因转移的运载工具。常作为基因转移的运载工具。Plasmid pBR322质粒的主要类型质粒的主要类型v致育因子致育因子Fertilityfactor，F因子因子（致（致育因子，性因子，约育因子，性因子，约2%核染色体，核染色体，94.5kb，编码的基因约，编码的基因约1/3与接合有关与接合有关）v抗性因子抗性因子Resistancefactor，R因子因子（抗药性因子，其基因编码的物质对抗抗药性因子，其基因编码的物质对抗生素有抗性生素有抗性）vTi因子因子诱癌质粒，可同植物细胞中的核染色体整合，破坏控制细胞分裂的激素调节系统，从而使诱癌质粒，可同植物细胞中的核染色体整合，破坏控制细胞分裂的激素调节系统，从而使其变成癌细胞。其变成癌细胞。vCol因子因子大肠杆菌素因子，即使大肠杆菌分泌大肠杆菌素大肠杆菌素因子，即使大肠杆菌分泌大肠杆菌素v巨大质粒巨大质粒分子量分子量20030010106 6DaDa，比一般质粒大几十到几百倍，上面有固氮基因。，比一般质粒大几十到几百倍，上面有固氮基因。v降解性质粒降解性质粒可以编码许多降解性酶类，使细菌降解特殊物质。可以编码许多降解性酶类，使细菌降解特殊物质。只在假单胞菌属中发现。只在假单胞菌属中发现。它们的降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编码，从而能利用一它们的降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编码，从而能利用一般细菌所难以分解的物质做碳源。般细菌所难以分解的物质做碳源。7.1.2 DNA7.1.2 DNA的结构与复制的结构与复制基因基因遗传因子遗传因子 基因是一切生物体内储存遗传信息的、有自我复制能力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。它是的遗传功能单位。它是DNADNA分子上具有特定碱基顺序，即核分子上具有特定碱基顺序，即核苷酸顺序的片断。苷酸顺序的片断。u遗传物质的最小功能单位。遗传物质的最小功能单位。u基因既是一个结构单位，也是一个功能单位。基因既是一个结构单位，也是一个功能单位。u按功能可把基因分为三种：结构基因、操纵基因、调节基因。按功能可把基因分为三种：结构基因、操纵基因、调节基因。7.1.2 DNA7.1.2 DNA的结构与复制的结构与复制基因基因遗传因子遗传因子u结构基因：编码蛋白质或酶的结构结构基因：编码蛋白质或酶的结构,控制某种蛋白质或酶的合成。控制某种蛋白质或酶的合成。u操纵基因：操纵结构基因的表达。操纵基因：操纵结构基因的表达。u调节基因：控制结构基团。调节基因：控制结构基团。7.1.2 DNA7.1.2 DNA的结构与复制的结构与复制遗传信息的传递遗传信息的传递 DNA DNA遗传信息需要通过一系列物质变化过程才能在生理上和遗传信息需要通过一系列物质变化过程才能在生理上和形态上表达出相应的遗传性状。形态上表达出相应的遗传性状。现现代代生生物物遗遗传传学学已已经经证证明明：亲亲代代的的性性状状是是通通过过脱脱氧氧核核糖糖核核酸酸（DNADNA）将将决决定定各各种种遗遗传传性性状状的的遗遗传传信信息息传传给给子子代代的的。子子代代根根据据DNADNA所所携携带带的的遗遗传传信信息息，产产生生一一定定形形态态结结构构的的蛋蛋白白质质，由由一一定定结结构构的的蛋蛋白白质质就就可可决决定定子子代代具具有有一一定定形形态结构和生理生化特性。态结构和生理生化特性。7.1.2 DNA7.1.2 DNA的结构与复制的结构与复制基因信息的传递基因信息的传递分子遗传学的中心法则分子遗传学的中心法则19581958年年CrickCrick和和19701970年年TeminTemin7.1.2 DNA7.1.2 DNA的结构与复制的结构与复制DNADNA的复制的复制半保留式的自我复制能力半保留式的自我复制能力l解旋解旋l复制复制l分配分配4dNTP注意：注意：l 复制过程必须有酶的参与，如：解旋复制过程必须有酶的参与，如：解旋酶、聚合酶等。酶、聚合酶等。l 解旋过程中，并不是完全断开后才解旋过程中，并不是完全断开后才开始复制，而是解开一段后，就进行复开始复制，而是解开一段后，就进行复制。复制好的就开始形成双螺旋。制。复制好的就开始形成双螺旋。l 每个子代细胞都获得了亲代细胞的一每个子代细胞都获得了亲代细胞的一个个DNA单链。单链。7.1.3 DNA7.1.3 DNA的变性与复性的变性与复性DNADNA的变性的变性 双双链链DNADNA受受热热或或其其它它因因素素的的作作用用，两两条条链链之之间间的的结结合合力力被被破破坏坏而而分分开开成成单单链链的的DNADNA，即即称为称为DNADNA变性变性。7.1.3 DNA7.1.3 DNA的变性与复性的变性与复性DNADNA的变性的变性 加加热热引引起起DNADNA变变性性是是实实验验室最常用的方法。室最常用的方法。uA A260260：260nm260nm波波长长处处DNADNA对对紫紫外外辐辐射的吸收值。射的吸收值。uT Tm m：解解链链温温度度或或熔熔解解温温度度，A A260260升高达到一半时的温度。升高达到一半时的温度。uDNADNA分分子子越越大大，G-CG-C碱碱基基越越多多，T Tm m值越高。值越高。7.1.3 DNA7.1.3 DNA的变性与复性的变性与复性DNADNA的复性的复性 变变性性DNADNA溶溶液液经经适适当当处处理理后后重重新新形形成成天天然然DNADNA的的过过程程叫叫复复性性，或或叫叫退退火。火。注意：注意：DNADNA的复性是随机的。即复性的的复性是随机的。即复性的DNADNA不可能完全回复到原来状态。不可能完全回复到原来状态。高温变性高温变性缓缓慢慢冷冷却却热复性热复性急急速速冷冷却却复性失败复性失败7.1.4 RNA7.1.4 RNA RNA RNA（核糖核酸）（核糖核酸）和和DNADNA很相似，不同的是以核很相似，不同的是以核糖代替脱氧核糖，以尿嘧啶糖代替脱氧核糖，以尿嘧啶(U)(U)代替胸腺嘧啶代替胸腺嘧啶(T)(T)。7.1.4 RNA7.1.4 RNA RNA有四种有四种:tRNA、rRNA、mRNA和反义和反义RNA，它们均由它们均由DNA转录而成转录而成。分别在蛋白质合成过程中。分别在蛋白质合成过程中担任不同的角色。担任不同的角色。mRNA叫信使叫信使 RNA，tRNA叫转移叫转移RNA，反义反义RNA起调节作用，决定起调节作用，决定mRNA翻译合成速度。翻译合成速度。rRNA（核糖体（核糖体RNA）7.1.4 RNA7.1.4 RNADNADNA转录成转录成RNARNA非非非非模模模模板板板板链链链链模模模模板板板板链链链链mRNA翻译的模板翻译的模板CAACUGCAGACAUAUAUGAUACAAUUUGAUCAGUAU5/3/-Gln-Leu-Gln-Thr-Tyr-Met-Ile-Gln-Phe-Asp-Gln-Tyr-7.1.5 7.1.5 遗传密码遗传密码 mRNA分子中，从分子中，从5-3每三个相邻的每三个相邻的 碱基组成的三联体，代表某个氨基酸碱基组成的三联体，代表某个氨基酸,共有共有64种。种。6161种种代表代表2020种氨基酸种氨基酸3 3种种UAAUAA、UAGUAG、UGAUGA终止密码终止密码(codon)AUGAUG起始密码起始密码甲硫氨酸（蛋氨酸）甲硫氨酸（蛋氨酸）密码子：密码子：7.1.5 7.1.5 遗传密码遗传密码遗传密码表遗传密码表第一碱基第一碱基（5/-端）端）第第 二二 碱碱 基基第三碱基第三碱基（3/-端）端）终止终止终止终止*在在mRNA起始部位的起始部位的AUG为起始信号为起始信号遗传密码表遗传密码表第一碱基第一碱基（5/-端）端）第第 二二 碱碱 基基第三碱基第三碱基（3/-端）端）终止终止终止终止*在在mRNA起始部位的起始部位的AUG为起始信号为起始信号密码子的特点(1)(1)连续性:两个密码子之间无任何核苷酸加以隔开和两个密码子之间无任何核苷酸加以隔开和重叠，如插入重叠，如插入/删除碱基，可发生移码突变或框移删除碱基，可发生移码突变或框移5.UACGGACAUCUG.35.UACCGGACAUCUG.3酪酪甘甘组组蛋蛋酪酪精精苏苏 半胱半胱5.UACGACAUCUG.3酪酪天天 异亮异亮插入插入缺失缺失密码子的特点(2)(2)简并性简并性:除除MetMet（甲硫氨酸）（甲硫氨酸），TrpTrp（色氨酸）（色氨酸）外，其余氨基酸均由外，其余氨基酸均由2 2个以上个以上密码子编码密码子编码（UUUUUU和和UUCUUC都是苯丙氨酸的密码子，都是苯丙氨酸的密码子，UCUUCU、UCCUCC、UCAUCA、UCGUCG、AGUAGU和和AGCAGC都是丝氨酸的密码子都是丝氨酸的密码子）。）。其中其中 UAG,UAA,UGAUAG,UAA,UGA是终是终止密码子止密码子,AUG,AUG是起始密码子同时又编码甲硫氨酸；但细菌例外，在细是起始密码子同时又编码甲硫氨酸；但细菌例外，在细菌中菌中GUGGUG表示起始的甲酰蛋氨酸。表示起始的甲酰蛋氨酸。(3)(3)通用性通用性:所有的生物使用同一套密码子，仅有少数例外，例如：线粒所有的生物使用同一套密码子，仅有少数例外，例如：线粒体起始密码子为体起始密码子为AUGAUG、AUU;AUU;终止密码为终止密码为AGAAGA，AGCAGC；色氨酸为；色氨酸为UGAUGA等。等。密码子的特点（四）摆动性：（四）摆动性：反密码子与反密码子与mRNAmRNA的第三个核苷酸配对时，不严格遵从的第三个核苷酸配对时，不严格遵从碱基配对原则，可出现碱基配对原则，可出现U-G,I-C,I-A,U-G,I-C,I-A,此种配对为不稳定配此种配对为不稳定配对，又称摇摆性。一般前两个碱基决定其专一性，第三位对，又称摇摆性。一般前两个碱基决定其专一性，第三位碱基可有变异。碱基可有变异。tRNA反密码环53UGUThrACG53mRNA7.1.6 7.1.6 微生物生长与蛋白质合成微生物生长与蛋白质合成 微生物生长的主要活动是蛋白质的合成。微生物生长的主要活动是蛋白质的合成。蛋白质合成蛋白质合成(翻译翻译)在核糖体上进行，与在核糖体上进行，与RNARNA的复制（合成）的复制（合成）及及DNADNA的复制（合成）有关。的复制（合成）有关。蛋白质合成过程：蛋白质合成过程：u DNADNA复制：相应的复制：相应的DNADNA链进行自我复制；链进行自我复制；u 转录转录mRNAmRNA：由：由DNADNA转录成转录成mRNAmRNA，同时也转录成其他几种，同时也转录成其他几种RNARNA；u 翻译：由翻译：由tRNAtRNA完成；完成；u 蛋白质合成：合成多肽，最终生成具有特定功能的蛋蛋白质合成：合成多肽，最终生成具有特定功能的蛋白质。白质。7.1.6 7.1.6 微生物生长与蛋白质合成微生物生长与蛋白质合成TCATG A TTAAGTAC T AATDNADNA的平面结构图的平面结构图细细胞胞核核中中AGTAC T AATACGU游离的核糖核苷酸游离的核糖核苷酸 4NTPDNA DNA 解旋，一条链为模板合成解旋，一条链为模板合成RNARNA细细胞胞核核中中ACGUAGTAC T AAT DNA DNA与与RNARNA的碱基互补配对的碱基互补配对细细胞胞核核中中聚合酶聚合酶ACGU游离的核糖核苷酸游离的核糖核苷酸ACGUUU4NTP4NTP 细胞质细胞质 核孔核孔DNADNAmRNAmRNA在细胞核中合成在细胞核中合成 细细胞胞核核内内UCAUG A UUAAGTAC T AATmRNAmRNAUCAUG A UUAmRNAmRNAAGTAC T AATUCAUG A UUAmRNAmRNA 细细胞胞核核内内 密码子密码子 密码子密码子 密码子密码子 密码子密码子 mRNAmRNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基UCAUG A UAmRNAmRNAU tRNAtRNA在在氨氨基基酰酰-tRNA-tRNA合合成成酶酶的的帮帮助助下下，能能够够识识别别相相应应的的氨氨基基酸酸，并并通通过过tRNAtRNA氨氨基基酸酸臂臂的的3-OH3-OH与与氨氨基基酸酸的的羧羧基基形形成成活活化化酯氨基酰酯氨基酰-tRNA-tRNA。氨基酰氨基酰氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA-tRNA-tRNA 合成酶合成酶合成酶合成酶氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸+ATP+tRNA+H2O +ATP+tRNA+H2O +ATP+tRNA+H2O +ATP+tRNA+H2O 氨基酰氨基酰氨基酰氨基酰-tRNA+AMP+PPi-tRNA+AMP+PPi-tRNA+AMP+PPi-tRNA+AMP+PPi3-OH3-OH3-OH3-OH反密码子反密码子反密码子反密码子A A UAC UAUG 亮氨酸亮氨酸 天冬氨酸天冬氨酸 异亮氨酸异亮氨酸 氨基酸氨基酸（原料）（原料）氨基酰氨基酰氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA合成酶合成酶合成酶合成酶 tRNAtRNA的一端运载着氨基酸的一端运载着氨基酸 反密码子反密码子 亮氨酸亮氨酸UA A天冬氨酸天冬氨酸AC U 异亮氨酸异亮氨酸AUG 核糖体核糖体UCAUG A UAmRNAmRNAU 亮氨酸亮氨酸UA A天冬氨酸天冬氨酸AC U 异亮氨酸异亮氨酸AUGv氨氨基基酰酰-tRNA-tRNA通通过过反反密密码码臂臂上上的的三三联联体体反反密密码码子子识识别别mRNAmRNA上上相相应应的的遗遗传传密密码码，并并将将所所携携带带的的氨氨基基酸酸按按mRNAmRNA遗遗传传密密码码的的顺顺序序安安置置在在特特定的位置，最后在核糖体中合成肽链。定的位置，最后在核糖体中合成肽链。细细胞胞质质中中 核糖体核糖体UCAUG A UAmRNAmRNAU 亮氨酸亮氨酸UA A细细胞胞质质中中 核糖体核糖体UCAUG A UAmRNAmRNAU 亮氨酸亮氨酸UA A天冬氨酸天冬氨酸AC U 异亮氨酸异亮氨酸AUG细细胞胞质质中中 核糖体核糖体UCAUG A UAmRNAmRNAU 亮氨酸亮氨酸UA A天冬氨酸天冬氨酸AC U 异亮氨酸异亮氨酸AUG缩合缩合 亮氨酸亮氨酸天冬氨酸天冬氨酸 异亮氨酸异亮氨酸以以mRNAmRNA为模板形成了有一定氨基酸顺序的蛋白质为模板形成了有一定氨基酸顺序的蛋白质 细细胞胞质质中中UCAUG A UAmRNAmRNAU蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成7.1.7 7.1.7 微生物的细胞分裂微生物的细胞分裂 由于由于DNADNA复制和蛋白质的合成而使两者成倍增加后的一复制和蛋白质的合成而使两者成倍增加后的一个有秩序的过程，即微生物细胞的分裂。个有秩序的过程，即微生物细胞的分裂。成倍增加的核物质和蛋白质均等地分给两个子细胞，在成倍增加的核物质和蛋白质均等地分给两个子细胞，在细胞中部合成横隔膜并逐渐内陷，最终将两个子细胞分开。细胞中部合成横隔膜并逐渐内陷，最终将两个子细胞分开。一、变异的实质一、变异的实质 在在微微生生物物遗遗传传过过程程中中，由由于于某某种种因因素素的的影影响响，DNADNA上上的的碱碱基基对对发发生生差差错错，出出现现碱碱基基的的缺缺失失、置置换换或或插插入入，改改变变了了基基因因内内原原有有的的碱碱基基顺顺序序，导导致致后后代代性性状状的的改改变变。当当这这种种改改变变可可以以遗遗传传时时，就就是是发发生生了了突突变变。所所以以说说基基因突变是微生物发生变异的实质。因突变是微生物发生变异的实质。7.2 7.2 微生物的变异微生物的变异7.2 7.2 微生物的变异微生物的变异突变率：突变率：某一细胞（或病毒颗粒）在每一世代中发生某性状某一细胞（或病毒颗粒）在每一世代中发生某性状突变的频率，称突变率。突变的频率，称突变率。例如：例如：突变率为突变率为10108 8，表示该细胞在，表示该细胞在1 1亿次分裂过程中，平均会发生亿次分裂过程中，平均会发生1 1次突变。次突变。也可以用某一单位群体在每一世代（即分裂一次）中产生突变株的数也可以用某一单位群体在每一世代（即分裂一次）中产生突变株的数目来表示。目来表示。某一基因的突变一般是独立发生的，它的突变不会影响其它基因的突变某一基因的突变一般是独立发生的，它的突变不会影响其它基因的突变率。表明双重或多重基因突变的概率是很低的。率。表明双重或多重基因突变的概率是很低的。突变突变基因突变基因重组诱发突变自发突变点突变染色体畸变碱基置换移码突变转换颠换缺失添加缺失添加易位倒位二、突变的类型二、突变的类型二、突变的类型二、突变的类型二、突变的类型二、突变的类型根据突变的条件和原因（突变机理）根据突变的条件和原因（突变机理）u自发突变：自发突变：微生物在自然条件下，没有人工参与而发生的基因突变。微生物在自然条件下，没有人工参与而发生的基因突变。多因素低剂量的诱变效应多因素低剂量的诱变效应 背景因素和环境因素的诱变背景因素和环境因素的诱变 微生物自身有害代谢产物的诱变微生物自身有害代谢产物的诱变 互变异构效应互变异构效应 碱基配对碱基配对A-TA-T、G-CG-C，在，在DNADNA复制时出现与前不同的碱基对：复制时出现与前不同的碱基对：G-TG-T、C-AC-A。环出效应环出效应u诱发突变诱发突变 碱基对的置换碱基对的置换 点突变点突变 移码突变移码突变 染色体畸变染色体畸变7.2 7.2 微生物的变异微生物的变异诱发突变诱发突变诱发突变诱发突变碱基对的置换碱基对的置换7.2 7.2 微生物的变异微生物的变异 碱碱碱碱基基基基对对对对的的的的置置置置换换换换可可可可分分分分成成成成两两两两个个个个亚亚亚亚类类类类：一一一一类类类类是是是是DNA DNA DNA DNA 链链链链上上上上的的的的一一一一个个个个嘌嘌嘌嘌呤呤呤呤被被被被另另另另一一一一个个个个嘌嘌嘌嘌呤呤呤呤或或或或是是是是一一一一个个个个嘧嘧嘧嘧啶啶啶啶被被被被另另另另一一一一个个个个嘧嘧嘧嘧啶啶啶啶所所所所置置置置换换换换，称称称称为为为为转转转转换换换换；另另另另一一一一类类类类是是是是DNA DNA DNA DNA 链链链链上上上上的的的的一个嘌呤被另一个嘧啶或是一个嘧啶被另一个嘌呤所置换，称为颠换一个嘌呤被另一个嘧啶或是一个嘧啶被另一个嘌呤所置换，称为颠换一个嘌呤被另一个嘧啶或是一个嘧啶被另一个嘌呤所置换，称为颠换一个嘌呤被另一个嘧啶或是一个嘧啶被另一个嘌呤所置换，称为颠换.（实线代表转换，虚线代表颠换）（实线代表转换，虚线代表颠换）（实线代表转换，虚线代表颠换）（实线代表转换，虚线代表颠换）uu 直接引起置换的诱变剂：可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，例如直接引起置换的诱变剂：可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，例如直接引起置换的诱变剂：可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，例如直接引起