环境工程微生物学微生物的遗传和变异课件.ppt

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1、关于环境工程微生物学微生物的遗传和变异第1页，此课件共101页哦微生物的遗传l 遗传和变异是一切生物最本质的属性。是指亲代如何如将自身的遗传基因稳定地传递给下一代的特性。l 遗传（保守性/相对性）l 变异（绝对性）育种/废水（气、固废）降解菌的筛选l 遗传和变异进化l 遗传学：研究生物遗传和变异现象的学科。一、概述第2页，此课件共101页哦微生物的遗传l 遗传和变异的物质基础DNAl DNA的结构与复制l DNA的变性和复性l RNA的类型和结构l 蛋白质的合成第3页，此课件共101页哦微生物的遗传 1、遗传和变异的物质基础核酸（DNA，RNA）三个经典实验（一）经典转化实验（transfor

2、mation）：（二）噬菌体感染实验（三）植物病毒的重建实验第4页，此课件共101页哦经典转化实验SR第5页，此课件共101页哦噬菌体感染实验噬菌体1952.赫尔希和切斯第6页，此课件共101页哦l 1952年l 赫尔希和切斯l 噬菌体侵染 大肠杆菌实验噬菌体感染实验第7页，此课件共101页哦为了证明核酸是遗传物质，H.Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）进行了著名的植物病毒重建实验。将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其蛋白质外壳与RNA核心相分离。分离后的RNA在没有蛋白质包裹的情况下，也能感染烟草并使其患典型症状，而且在病斑中还能分离出正常病

3、毒粒子。植物病毒的重建实验第8页，此课件共101页哦遗传物质在细胞中分布染色体（DNA和蛋白）第9页，此课件共101页哦核苷酸的结构（二）DNA的化学结构和模型一分子磷酸一分子含氮碱基一分子脱氧核糖第10页，此课件共101页哦 四种碱基 A（腺嘌呤）T（胸腺嘧啶）G（鸟嘌呤）C（胞嘧啶）1、DNA的化学结构第11页，此课件共101页哦DNA分子结构，是通过3,5-磷酸二酯键连接形成线性或环形多聚体。由于组成DNA的核苷酸彼此之间的差别仅在于碱基部分，所以DNA的化学结构即指DNA分子中碱基的组成和排列顺序。1、DNA的结构第12页，此课件共101页哦1、DNA的结构 AT,GC互相间通过 氢键

4、连接。第13页，此课件共101页哦2、DNA的模型1.DNA分子是由两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕构成的，两条线都是右手螺旋。2.磷酸与核糖在外侧，通过3,5-磷酸二酯键线连接形成DNA分子骨架，嘌呤碱基与嘧啶碱基位于双螺旋的内侧。3.双螺旋的平均直径为2 nm，两个临近的碱基对之间距离为0.34 nm，沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸，因此，每一转的高度为3.4 nm。4.两条核苷酸链通过碱基之间的氢键相连。（二）DNA的化学结构和模型第14页，此课件共101页哦1953年的克里克（Francis Crick,1916-2004)（右）和沃森(James Watson,192

5、8-)在实验室里，他们两人因为发现了DNA的分子结构，而在1962年与威尔金斯一起获得诺贝尔生理学和医学奖。第15页，此课件共101页哦（三）RNA的类型与功能RNA的化学结构主要是由AMP、GMP、CMP和UMP四种核糖核苷酸通过3,5-磷酸二酯键相连而成的多聚和苷酸链。天然RNA的二级结构只在许多区段发生自身回折，使部分A-U，G-C碱基配对，形成短的、不规则的螺旋区。不配对的碱基区膨出形成环，被排斥在双螺旋之外。RNA的分类 核糖体RNA（r RNA）、信使RNA（mRNA）和转移RNA（tRNA）反义RNA（asRNA)。反义RNA起调节作用，决定mRNA翻译合成速度。由mRNA、tR

6、NA、反义RNA和rRNA协作合成蛋白质。第16页，此课件共101页哦 DNA分子的四种碱基 A（腺嘌呤）T（胸腺嘧啶）G（鸟嘌呤）C（胞嘧啶）RNA分子的四种碱基 A（腺嘌呤）U（尿嘧啶）G（鸟嘌呤）C（胞嘧啶）（三）RNA的类型与功能第17页，此课件共101页哦（一）DNA的复制-自我复制1、DNA的半保留复制 DNA具有独特的半保留式的自我复制能力，确保了DNA复制精确，并保证一切生物遗传性的相对稳定。二、DNA的复制与蛋白质的合成第18页，此课件共101页哦2.DNA的复制过程1）DNA复制的起始（1）DNA复制的起始点 DNA复制开始于染色体上的特定部位，成为起始点。在起始点处双股螺

7、旋解开成单链状态，各自作为模板按照互补配对原则吸引带有互补碱基的核苷酸，合成其互补链。在起始点处出现叉子状的生长点，成为复制叉。(2)DNA复制的方向 复制的方向有三种：一是从两个起点开始，各以相反的单一方向生长出一条新链，形成两个复制叉；二是从一个起始点开始，以同一方向生出两条链，形成一个复制叉；三是从一个起点开始，沿两个相反的方向各生长出两条链，形成两个复制叉。第19页，此课件共101页哦 （3）RNA引物的合成。DNA聚合酶只能催化链的延长不能发动新链合成，即它需要一个具3-OH的核酸链作为引物，才能将合成原料dNTP一个个接上去。RNA引物酶则不同，此酶以DNA为模板就可以合成一段新的

8、RNA，这段RNA作为合成DNA的引物。DNA聚合酶从该引物3-OH端开始合成新的DNA链。2）DNA复制的延长和终止所有已知DNA聚合酶都只是能催化5 3方向的合成2.DNA的复制过程第20页，此课件共101页哦3、DNA聚合反应的相关酶（1）解旋酶（2）DNA聚合酶（3）DNA连接酶（4）拓扑异构酶能使细胞中游离的四种脱氧核糖核苷三磷酸（dATP,dCTP,dTTP.dGTP）合成DNA(有适量DNA和Mg2+)；性质：模板指导性的酶 5-3 产物DNA和天然的DNA性质相同二、DNA的复制与蛋白质的合成第21页，此课件共101页哦复制酶解开母体的双螺旋结构蛋白质固定已展开的DNA母体DN

9、A聚合酶复制叉（起始点）重要的一股链通过DNA聚合酶继续被合成母链RNA引物冈崎片段DNA不连续复制产生的长约12kb的片段，随后共价连接成完整的单链 DNA连接酶后随链随从链DNA复制时双螺旋的两股单链走向相反，从3，5的模板链只是解开一定长度时，子链才能从5，3的方向开始形复制，这股不能连续复制的链成为随从链。DNA酶消化RNA引物然后，DNA代替它第22页，此课件共101页哦 中心法则是指遗传信息从DNA传递到RNA，再从RNA传递给蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译过程。遗传信息也可以从DNA传递给DNA，即完成DNA的复制过程。这是所有具有细胞结构的生物所遵循的法则。1.遗传的中心法

10、则和发展遗传信息通过DNA的复制和蛋白质的表达完成的（二）蛋白质的合成第23页，此课件共101页哦 在细胞核中，以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对的原则合成RNA的过程，称为转录。2 转录DNA的平面结构图AG T AC A A A T TCATGTTT A第24页，此课件共101页哦AG T AC A A A T AGCUGACGGUUUDNA模板信息链游离的核糖核苷酸2 转录第25页，此课件共101页哦AG T AC A A A T AGCUGACGGUUURNA 聚合酶第26页，此课件共101页哦AG T AC A A A T AGCGACGGUUU U第27页，此课件共101页哦

11、AG T AC A A A T AGCGACGGUUU U第28页，此课件共101页哦AG T AC A A A T GCGACGGUUU UA第29页，此课件共101页哦AG T AC A A A T GCGACGUUGU UA第30页，此课件共101页哦AG T AC A A A T GCGACGUGU UAU第31页，此课件共101页哦AG T AC A A A T GCGACGGU UAU U第32页，此课件共101页哦AG T AC A A A T GCGACGGU UAU UA第33页，此课件共101页哦AG T AC A A A T GCGCGGU UAU UA U第34页，此课

12、件共101页哦AG T AC A A A T GGCGGU UAU UA U C第35页，此课件共101页哦AG T AC A A A T GGCGGU UAU UA U CmRNA第36页，此课件共101页哦1.定义：游离在细胞质中的各种氨基酸，以mRNA为模板，合成具有一定氨基酸排序的蛋白质的过程，称为翻译。2、遗传密码：mRNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基叫做密码子。密码子UCAUG A UUAmRNA 密码子 密码子第37页，此课件共101页哦第38页，此课件共101页哦从遗传密码表中可看出：密码子共64种。其中二个起始密码（AUG、GUG）；三个终止密码（UAA、UAG、UGA）

13、不决定任何氨基酸。一种密码子只对应一种氨基酸，但一种氨基酸可以和多种密码子相对应。第39页，此课件共101页哦转运RNA：分子结构呈三叶草形，其一端能与一个特定的氨基酸结合，另一端有三个特殊的碱基，能与mRNA上的“密码子”相互配对，称为“反密码子”。反密码子的种类：61种。第40页，此课件共101页哦AC U天冬氨酸反密码子AUG异亮氨酸反密码子第41页，此课件共101页哦4、翻译过程第42页，此课件共101页哦A U G G AUA U C？甲硫氨酸CUA反密码子密码子第43页，此课件共101页哦UCAUG A UUAAA U亮氨酸AC U天门冬氨酸核糖体第44页，此课件共101页哦UCA

14、UG A UUAAA U亮氨酸AC U天门冬氨酸第45页，此课件共101页哦UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸第46页，此课件共101页哦UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸肽键第47页，此课件共101页哦UCAUG A UUAAA U亮氨酸AC U天门冬氨酸AUG异亮氨酸第48页，此课件共101页哦UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸肽键第49页，此课件共101页哦UCAUG A UUAA A U亮氨酸AC U天门冬氨酸AUG异亮氨酸第50页，此课件共101页哦UCAUG A UUAAA UAC UAUG亮氨酸天门冬氨

15、酸异亮氨酸肽链第51页，此课件共101页哦翻译小结场所:模板:原料:条件:产物:原则:细胞质的核糖体上以信使RNA为模板二十种氨基酸需要酶和ATP多个多肽或蛋白质密码子与反密码子配对,既碱基互补配对原则（A=U，G=C）肽链合成完毕后，一条或几条肽链通过一定的空间构建方式组成一种或多种具有特定空间结构的蛋白质，从而表现出生物体特定的性状。3.翻译第52页，此课件共101页哦DNA（基因）的遗传信息mRNA的遗传信息蛋白质的氨基酸排列顺序氨基酸的个数n碱基至少3n碱基至少6n4、基因控制合成蛋白质的全过程第53页，此课件共101页哦基因指导蛋白质合成的全过程第54页，此课件共101页哦lDNA的

16、变性：l解链温度Tm：lDNA的复性：三、DNA的变性和复性第55页，此课件共101页哦DNA的变性第56页，此课件共101页哦DNA复性第57页，此课件共101页哦四、分子生物学技术及其在环境工程中的应用目前，用于环境工程的分子生物学技术的基因序列主要有3种1).编码蛋白的基因序列。主要 包括污染物的降解基因以及和微生物分类有关的基因。2).rRNA基因序列。原核微生物的分类对16S rRNA研究最多。3）16S-23SrRNA基因转录间隔区。（一）.常用的分子生物学技术聚合酶链式反应技术（PCR）是一种在体外快速扩增特定基因或DNA序列的方法，故又称为基因的体外扩增法。第58页，此课件共1

17、01页哦 一、PCR基本原理PCR是一项DNA体外合成技术，类似于生物体内的DNA复制过程。依据DNA半保留复制的机理。PCR合成DNA比细胞内复制过程简单。四、分子生物学技术及其在环境工程中的应用第59页，此课件共101页哦细胞内复制的过程1）细胞内有关蛋白质参与下，DNA双螺旋解链成两条单链，各自作为模板。2）引物酶以两条单链为模板各自合成一段引物，引物提供3-OH末端。3）DNA聚合酶以亲代DNA单链为模板，以dNTP为原料，按照碱基配对的原则，从引物的3端，循53方向，将脱氧核苷酸聚合，最终形成子代的DNA双链。四、分子生物学技术及其在环境工程中的应用第60页，此课件共101页哦Den

18、aturing95CAnnealingTm-5CExtension72CPCR的原理四、分子生物学技术及其在环境工程中的应用第61页，此课件共101页哦PCR的基本过程1.变性：将反应体系升温至95左右，样品中双链DNA解开成两条单链，各自作为模板（待拷贝的 DNA 称为模板）。2.退火：将温度降至引物的Tm值以下(55左右)，5端和3端的引物各自与两条单链DNA模板的互补区域结合。5533编码链3端引物5端引物33第62页，此课件共101页哦3.延伸：将温度升到75左右，耐热的Taq DNA聚合酶催化四种 dNTP，从引物3-OH端开始，依据模板碱基序列互补方式依次聚合，合成一条互补的DNA

19、链。55335DNA聚合酶5PCR的基本过程第63页，此课件共101页哦Cycle 355 555 5 555 5 55 555 52530 次循环后，模板DNA的含量可以扩大100万倍以上。第64页，此课件共101页哦PCR产物的鉴定、提取琼脂糖凝胶电泳四、分子生物学技术及其在环境工程中的应用第65页，此课件共101页哦PCR的扩增效应理论上，每增加1个循环，双链DNA片段会增加1倍，使DNA量可成指数(2n)增加。实际上，扩增效应低于指数增加，约为(1+X)n。一般进行30个左右的循环，特定区域的DNA量可至少增加 106 倍。四、分子生物学技术及其在环境工程中的应用第66页，此课件共10

20、1页哦2.核酸分子杂交技术核酸分子杂交技术是一种基于DNA分子碱基互补配对原则，用特异性的探针与待测样品进行杂交来检测目的基因的技术。其基本原理是具有一定同源性的两条核酸单链在一定条件下可按碱基互补形成双链，此杂过程是高度特异性的，杂交的双方是已知核酸片段的探针及待测核酸序列。常用的几种杂交技术 1.斑点印迹 2.Southern杂交和Northern杂交 3.原位杂交技术第67页，此课件共101页哦3.以rRNA基因为基础的细菌同源性分析 rRNA基因为基础的同源性分析方法，是综合应用多项分子生物学技术对细菌中rRNA基因进行分析，从而对微生物进行鉴定和多样性分析的一种技术。4.电泳技术变性

21、梯度凝胶电泳（DGGE）该技术可以分离长度相同而序列不同的DNA片段混合物，分辨精度比琼脂糖电泳和聚丙酰胺凝胶电泳更高，甚至可以检测到一个核苷酸水平的差异。（二）常见分子生物学技术在环境工程的应用（略）第68页，此课件共101页哦第二节 微生物的变异与环境工程 变异的实质 在微生物遗传过程中，由于某种因素的影响，DNA上的碱基对发生差错，出现碱基的缺失、置换或插入，改变了基因内原有的碱基顺序，导致后代性状的改变。当这种改变可以遗传时，就是发生了突变。所以说基因突变是微生物发生变异的实质。一、突变类型和基因符号（一）突变的类型 突变就是遗传物质在核苷酸序列发生了可以遗传的改变。主要包括基因突变和

22、染色体畸变。第69页，此课件共101页哦1.基因突变 基因中DNA序列的任何改变，包括一对或少数几对碱基的改变而导致的遗传变化成为基因突变。2.染色体畸变 染色体畸变不仅包括染色体结构的缺失、重复、插入、倒位和易位，也包括染色体数目的改变。（二）基因符号略第二节 微生物的变异与环境工程 第70页，此课件共101页哦二、基因突变的原因突变的类型 自发突变 诱发突变l 物理诱变，如紫外线。l 化学诱变，利用化学物质促进突变。紫外线的作用机理：形成T的二聚体，从而导致DNA复制出现错误。光复活性：核苷酸切除修复酶 遗传病、癌症第二节 微生物的变异与环境工程 第71页，此课件共101页哦 三、基因突变

23、在环境工程中的应用（一）从自然界中获取新菌种 新的微生物菌种需要不断地从自然生态环境混杂的微生物中挑选出来。菌种的筛选过程大体可分为采样、增殖、纯化和性能测定等步骤。（二）定向培育和驯化 定向培育是一种利用微生物的自发突变，人为用某一特定环境条件长期处理某微生物群体，同时通过对微生物群体不断移植以选育出优良菌株的方法。长时间的定向培育在环境工程中被称为驯化。第二节 微生物的变异与环境工程 第72页，此课件共101页哦（三）诱变育种 诱变育种是指利用物理、化学等诱变剂处理微生物细胞群，在显著提高其突变率的基础上，采用一定的筛选方法获得少数符合要求的突变株。其中，诱变和筛选时诱变育种过程中的两个主

24、要环节。诱变的主要步骤 1.选择简便有效的诱变剂；2.挑选优良的出发菌株；3.处理单细胞或単孢子悬液；4.选用最适的诱变剂量；5.充分利用复合处理的协同效应；6.创造和利用形态、生理与产量间的相关关系；7.筛选方案。第二节 微生物的变异与环境工程 第73页，此课件共101页哦三、基因重组 基因重组是改变微生物遗传性状的另一途径。把来自不同性状的个体细胞的遗传物质转移到一起，使基因重新组合，产生新品种，称为基因重组或遗传重组。重组是分子水平上的一个概念，可以理解为遗传物质分子水平的杂交。原核微生物的基因重组形式主要有转化、转导和接合等第三节 基因重组基因工程第74页，此课件共101页哦基因工程过

25、程示意图剪切酶连接酶修饰酶第75页，此课件共101页哦质粒(plasmid)Plasmid 独立于细菌染色体外的双链环DNA分子。Plasmid chromosome 第四节 质粒及其应用第76页，此课件共101页哦质粒是生物细胞内固有的、能独立于寄主染色体而自主复制、并被稳定遗传的一类核酸分子绝大多数的天然DNA质粒具有共价、封闭、环状的分子结构，即cccDNA质粒常见于原核细菌和真菌中,绝大多数的质粒是DNA型的质粒DNA的分子量范围：1-300 kb质粒的基本特征第77页，此课件共101页哦质粒的基本特征质粒的自主复制性质粒的不相容性质粒的可转移性携带特殊的遗传标记第78页，此课件共10

26、1页哦质粒的自主复制性两大复制类型：严紧型复制控制的质粒 1-2 拷贝 stringent plasmid松弛型复制控制的质粒 10-60 拷贝 stringent plasmid质粒能利用寄主细胞的DNA复制系统进行自主复制第79页，此课件共101页哦任何两种含有相似复制子结构的不同质粒，不能同时存在于一个细胞中，这种现象称为质粒的不相容性，不相容性的质粒组成不相容性群质粒的不相容性第80页，此课件共101页哦接合型质粒 能在天然条件下自发地从一个细胞转移到另一 个细胞（接合作用）非接合型质粒 不能在天然条件下独立地发生接合作用值得注意的是，某些非接合型质粒（ColE1）在接合型质粒的存在和

27、协助下，也能发生DNA转移，这个过程由 bom 和mob 基因决定。质粒的可转移性第81页，此课件共101页哦携带特殊的遗传标记野生型的质粒DNA上往往携带一个或多个遗传标记基因，这使得寄主生物产生正常生长非必需的附加性状物质抗性 抗生素、重金属离子、毒性阴离子、有机物物质合成 抗生素、细菌毒素、有机碱这些标记基因对DNA重组分子的筛选具有重要意义第82页，此课件共101页哦载体（vector），在基因工程重组DNA技术中将DNA片段（目的基因）转移至受体细胞的一种能自我复制的DNA分子。三种最常用的载体是细菌质粒、噬菌体和动植物病毒。质粒应用运送外源基因高效转入受体细胞为外源基因提供复制能力

28、或整合能力为外源基因的扩增或表达提供必要的条件载体的功能第83页，此课件共101页哦（1）具有复制起点（2）具有抗菌素抗生基因；（3）具若干限制酶单一识别位点；（4）具有较小的分子量和较高的拷贝数克隆载体具备的条件：克隆载体：在载体上插入合适大小的外源DNA片段，并注意不能破坏载体的自我复制性质，将重组后的载体引入到宿主细胞中，并在宿主细胞中大量繁殖。克隆载体第84页，此课件共101页哦表达载体（Expression vectors）：在克隆载体基本骨架的基础上增加表达元件（如启动子、RBS、终止子等），使目的基因能够表达的载体。表达载体表达载体四部分：目的基因、启动子、终止子、标记基因 第8

29、5页，此课件共101页哦(1)分子量尽量小，大于15kb 时转化效率低。(2)了解载体上基因位置/限制酶作用位点。(3)包含可供选择的标记性状(基因)(4)应有另一个遗传标记基因（抗生素常用），(5)最大限度地具有MCS的单切点构建质粒载体第86页，此课件共101页哦Vector Target DNARecombinant plasmid/DNA CloneDNA Cloning第87页，此课件共101页哦第五节遗传工程技术在环境工程中的应用（1）石油降解功能菌的构建（2）烃类和抗汞质粒菌的构建（3）脱色工程菌的构建（4）特殊环境下的Q5T工程菌的构建（5）人工合成有机物工程菌的构建（6）重金

30、属污染的基因工程修复 第88页，此课件共101页哦基因工程在环境工程方面的应用（1）石油降解功能菌的构建 l环境污染净化 20世纪70年代美国生物学家Chakrabarty等对假单胞杆菌属的不同菌种分解烃类化合物的遗传学进行了大量研究，发现假单胞杆菌属的许多菌种的细胞内含有某种降解质粒，它们控制着石油中烃类降解菌酶的合成。第89页，此课件共101页哦基因工程在环境工程方面的应用第90页，此课件共101页哦(2)烃类和抗汞质粒菌的构建 Chakrabartv等人同时将著油的假单胞菌体内能够降解辛烷、乙烷、癸烷功能的0CT质粒和抗汞质粒MER向时转移到对20mg/L汞敏感的恶臭假单胞菌体内，结果使

31、对汞敏感的恶臭假单胞菌转变成了能抗5070mg/L汞，且能同时分解烷烃的抗汞质粒菌。基因工程在环境工程方面的应用第91页，此课件共101页哦（3）脱色工程菌的构建 目前，已经将含有降解偶氮染料质粒的编号K24和K46两株假单胞菌通过质粒转移技术培育出兼有分解两种偶氮染料功能的脱色工程菌。基因工程在环境工程方面的应用第92页，此课件共101页哦（4）特殊环境下的Q5T工程菌的构建 Q5T工程菌是由将嗜温菌pseudomounas putda pawl 中能降解甲苯和二甲苯的质粒TOL转移到嗜冷菌Q5 菌株体内构建而成的。该Q5T工程菌在0摄氏度时仍能正常利用浓度为1000mg/L的甲苯作为碳源，

32、这对寒冷地区进行废水生物处理既有十分重要的意义。基因工程在环境工程方面的应用第93页，此课件共101页哦（5）人工合成有机物工程菌的构建A.多氯联苯PCBs基因工程在环境工程方面的应用第94页，此课件共101页哦B.除草剂：阿特拉津B.除草剂：阿特拉津B.除草剂：阿特拉津基因工程在环境工程方面的应用第95页，此课件共101页哦C.有机磷 农药基因工程在环境工程方面的应用第96页，此课件共101页哦（中国期刊网）国外国外基因工程在环境工程方面的应用第97页，此课件共101页哦（中国期刊网）国内基因工程在环境工程方面的应用第98页，此课件共101页哦基因工程在环境工程方面的应用第99页，此课件共101页哦（6）重金属污染的基因工程修复基因工程在环境工程方面的应用第100页，此课件共101页哦感谢大家观看第101页，此课件共101页哦