环境工程微生物学微生物的遗传和变异讲稿.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一页,讲稿共一百零一页哦微生物的遗传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、概述第二页,讲稿共一百零一页哦微生物的遗传l遗传和变异的物质基础DNAlDNA的结构与复制lDNA的变性和复性lRNA的类型和结构l蛋白质的合成第三页,讲稿共一百零一页哦微生物的遗传 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(transformation):(二
2、)噬菌体感染实验(三)植物病毒的重建实验第四页,讲稿共一百零一页哦经典转化实验S SR R第五页,讲稿共一百零一页哦噬菌体感染实验噬菌体噬菌体1952.赫尔希和切斯第六页,讲稿共一百零一页哦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七页,讲稿共一百零一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毒粒子
3、。植物病毒的重建实验第八页,讲稿共一百零一页哦遗传物质在细胞中分布染色体(染色体(DNADNA和蛋白和蛋白)第九页,讲稿共一百零一页哦核苷酸的结构(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十页,讲稿共一百零一页哦四种碱基A(腺嘌呤)T(胸腺嘧啶)G(鸟嘌呤)C(胞嘧啶)1、DNA的化学结构第十一页,讲稿共一百零一页哦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的结构第十二页,讲稿共一百零一页哦1、DNA的结构AT,GC互相间通过
4、氢键连接。第十三页,讲稿共一百零一页哦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2nm,两个临近的碱基对之间距离为0.34nm,沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸,因此,每一转的高度为3.4nm。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十四页,讲稿共一百零一页哦1953年的克里克(FrancisCrick,1916-2004)(右)和沃森(JamesWatson,1928-)
5、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。第十五页,讲稿共一百零一页哦(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(rRNA)、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、tRNA、反义
6、RNA和rRNA协作合成蛋白质。第十六页,讲稿共一百零一页哦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的类型与功能第十七页,讲稿共一百零一页哦(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十八页,讲稿共一百零一页哦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。在起始点处双股螺旋解开成单链状态,各
7、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。第十九页,讲稿共一百零一页哦(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RNA,这段RNA作为合
8、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53方向的合成2.DNA的复制过程第二十页,讲稿共一百零一页哦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二十一页,讲稿共一百零一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DNA聚合酶复制叉(起始点)重要
9、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代替它第二十二页,讲稿共一百零一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.遗传的中心法则和发展遗传信息通过DNA的复
10、制和蛋白质的表达完成的(二)蛋白质的合成第二十三页,讲稿共一百零一页哦在细胞核中,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第二十四页,讲稿共一百零一页哦AG T AC A A A T AGCUGACGGUUUDNA模板信息链游离的核糖核苷酸2转录第二十五页,讲稿共一百零一页哦AG T AC A A A T AGCUGACGGUUURNA 聚合酶聚合酶第二十六页,讲稿共一百零一页哦AG T AC A A A T AGCGACGGUUU U第二十七页,讲稿共一百零一页哦AG T AC A
11、A A T AGCGACGGUUU U第二十八页,讲稿共一百零一页哦AG T AC A A A T GCGACGGUUU UA第二十九页,讲稿共一百零一页哦AG T AC A A A T GCGACGUUGU UA第三十页,讲稿共一百零一页哦AG T AC A A A T GCGACGUGU UAU第三十一页,讲稿共一百零一页哦AG T AC A A A T GCGACGGU UAU U第三十二页,讲稿共一百零一页哦AG T AC A A A T GCGACGGU UAU UA第三十三页,讲稿共一百零一页哦AG T AC A A A T GCGCGGU UAU UA U第三十四页,讲稿共一百零
12、一页哦AG T AC A A A T GGCGGU UAU UA U C第三十五页,讲稿共一百零一页哦AG T AC A A A T GGCGGU UAU UA U CmRNA第三十六页,讲稿共一百零一页哦3.翻译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:、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。密码子密码子UCAUG A UUAmRNA 密码子密码子 密码子密码子第三十七页,讲稿共一百零一页哦第三十八页,讲稿共一百零一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);
13、三个终止密码(UAA、UAG、UGA)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。3.翻译第三十九页,讲稿共一百零一页哦转运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。3.翻译第四十页,讲稿共一百零一页哦AC U天冬氨酸反密码子AUG异亮氨酸反密码子3.翻译第四十一页,讲稿共一百零一页哦4、翻译过程3.翻译第四十二页,讲稿共一百零一页哦A U G G AUA U CmRNA?甲硫氨酸CUA反密码子密码子第四十三页,讲稿共一百零一页哦UCAU
14、G A UUAAA U亮氨酸AC U天门冬氨酸核糖体第四十四页,讲稿共一百零一页哦UCAUG A UUAAA U亮氨酸AC U天门冬氨酸第四十五页,讲稿共一百零一页哦UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸第四十六页,讲稿共一百零一页哦UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸肽键第四十七页,讲稿共一百零一页哦UCAUG A UUAAA U亮氨酸AC U天门冬氨酸AUG异亮氨酸第四十八页,讲稿共一百零一页哦UCAUGAUUAAAU亮氨酸ACU天门冬氨酸AUG异亮氨酸肽键第四十九页,讲稿共一百零一页哦UCAUG A UUAA A U亮氨酸AC U天门冬氨酸A
15、UG异亮氨酸第五十页,讲稿共一百零一页哦UCAUG A UUAAA UAC UAUG亮氨酸天门冬氨酸异亮氨酸肽链第五十一页,讲稿共一百零一页哦翻译小结场所: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.翻译第五十二页,讲稿共一百零一页哦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转录翻译氨基酸的个数n碱基至少3n碱基至少6n4、基因控制
16、合成蛋白质的全过程第五十三页,讲稿共一百零一页哦基因指导蛋白质合成的全过程第五十四页,讲稿共一百零一页哦lDNA的变性:l解链温度Tm:lDNA的复性:三、DNA的变性和复性第五十五页,讲稿共一百零一页哦DNA的变性第五十六页,讲稿共一百零一页哦DNA复性第五十七页,讲稿共一百零一页哦四、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16SrRNA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1.聚
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