北工大微生物学第7章.ppt
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1、第七章微生物的遗传变异遗传遗传:亲代与子代相似变异变异:亲代与子代、子代间不同个体不完全相同遗传(inheritance)和变异(variation)是生命的最本质特性之一遗传型遗传型:表型(表现型)表型(表现型):生物的全部遗传因子及基因具有一定遗传型的个体,在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的形态等生物学特征的总和。表型是由遗传型所决定,但也和环境有关。表型是由遗传型所决定,但也和环境有关。微生物是遗传学研究中的明星:t 微生物细胞结构简单,营养体一般为单倍体,方便建立纯系。微生物细胞结构简单,营养体一般为单倍体,方便建立纯系。t 很多常见微生物都易于人工培养,快速、大量生长繁殖很多常
2、见微生物都易于人工培养,快速、大量生长繁殖。t 对环境因素的作用敏感,易于获得各类突变株,操作性强。对环境因素的作用敏感,易于获得各类突变株,操作性强。微生物的独特生物学特性:微生物的独特生物学特性:(1)个体的体制极其简单;个体的体制极其简单;(2)营养体一般都是单倍体;营养体一般都是单倍体;(3)易于在成分简单的组合培养基上大量生易于在成分简单的组合培养基上大量生长繁长繁 殖;殖;(4)繁殖速度快;繁殖速度快;(5)易于积累不同的中间代谢产物或终产物;易于积累不同的中间代谢产物或终产物;(6)菌落形态特征的可见性和多样性;菌落形态特征的可见性和多样性;(7)环境条件对微生物群体中各个个体作
3、用环境条件对微生物群体中各个个体作用的直的直 接性和均一性;接性和均一性;(8)易于形成营养缺陷型;易于形成营养缺陷型;(9)各种微生物一般都有相应的病毒;各种微生物一般都有相应的病毒;(10)存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式;存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式;第一节 遗传的物质基础一一.遗传的物质遗传的物质-DNA(或或RNA)证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验w(一)经典转化实验(一)经典转化实验(transformation):):,w研究对象:研究对象:Streptococcus pneumoniae(肺(肺炎双球菌)炎双球菌)wS
4、III型菌株:有荚膜,菌落表面光滑,有致病性型菌株:有荚膜,菌落表面光滑,有致病性wRII型菌株:无荚膜,菌落表面粗糙,无致病性型菌株:无荚膜,菌落表面粗糙,无致病性w1928年,年,Griffith进行了以下几组实验:进行了以下几组实验:w(1)动物实验)动物实验对小鼠注射活对小鼠注射活RII菌或死菌或死SIII菌菌 小鼠存活小鼠存活w对小鼠注射活对小鼠注射活SIII菌菌小鼠死亡小鼠死亡w对小鼠注射活对小鼠注射活RII菌和热死菌和热死SIII菌菌 小鼠死亡小鼠死亡w 抽取心血抽取心血 分离活的分离活的SIII菌菌Griffith转化试验示转化试验示意意混合培养混合培养RII型活菌型活菌SII
5、I型活菌型活菌SIII型热死菌型热死菌RII型活菌型活菌SIII型活菌型活菌健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康病死病死病死病死病死病死转化实验转化实验w转化实验转化实验 1944年美国洛克非勒医学研究所的年美国洛克非勒医学研究所的Avery等人证实了等人证实了1928年英国人年英国人Griffith的发的发现,并将肺炎链球菌现,并将肺炎链球菌S型的型的DNA成功的转成功的转化无毒性的肺炎球菌化无毒性的肺炎球菌R型为有毒的肺炎球菌型为有毒的肺炎球菌S型,第一次证明了载有肺炎链球菌型,第一次证明了载有肺炎链球菌S型型荚膜遗传信息的物质是荚膜遗传信息的物质是DNA。(2)细细菌
6、菌培培养养实验实验(3)S型菌的无细胞抽提液试验型菌的无细胞抽提液试验以上实验说明:加热杀死的以上实验说明:加热杀死的SIII型细菌细胞内可型细菌细胞内可能存在一种转化物质,它能通过某种方式进入能存在一种转化物质,它能通过某种方式进入RII型型细胞并使细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性状,转变为型细胞获得稳定的遗传性状,转变为SIII型细胞。型细胞。热死热死SIII菌菌不生长不生长活活 RII 菌菌长出长出RII菌菌热死热死SIII菌菌长出大量长出大量RII菌和菌和10-6SIII菌菌活活R菌菌+S菌无细胞抽提液菌无细胞抽提液长出大量长出大量R菌和菌和少量少量S菌菌+活活RII菌菌平皿培养平
7、皿培养w加加S菌菌DNAw加加S菌菌DNA及及DNA酶以外酶以外的酶的酶w加加S菌的菌的DNA和和DNA酶酶w加加S菌的菌的RNAw加加S菌的蛋白质菌的蛋白质w加加S菌的荚膜多糖菌的荚膜多糖活活R菌菌长出长出S菌菌只有只有R菌菌1944年年、和和M。McCarty从从热热死死S型型S.pneumoniae中中提提纯纯了了可可能能作作为为转转化化因因子子的的各各种种成成分分,并并在在离离体体条条件件下下进进行行了了转化试验:转化试验:只只有有S型型细细菌菌的的DNA才才能能将将S.pneumoniae的的R型型转转化化为为S型型。且且DNA纯纯度度越越高高,转转化化效效率率也也越越高高。说说明明
8、S型型菌菌株株转转移给移给R型菌株的,是遗传因子。型菌株的,是遗传因子。(二)噬菌体感染实验(二)噬菌体感染实验噬菌体的感染实验噬菌体的感染实验 1953年美国人年美国人Hershey和和Chase用放射性同位用放射性同位素方法,提供了素方法,提供了DNA是噬菌体遗传物质的直接证据。是噬菌体遗传物质的直接证据。他们用含他们用含32P和和35S的培养基培养大肠杆菌的培养基培养大肠杆菌H,再用,再用被标记的大肠杆菌培养被标记的大肠杆菌培养2噬菌体,直至完全标噬菌体,直至完全标记上记上32P和和35S的的T2噬菌体为止。用标记的噬菌体为止。用标记的T2噬菌噬菌体侵染没有标记的大肠杆菌,结果表明,体侵
9、染没有标记的大肠杆菌,结果表明,2噬噬菌体外壳蛋白中有菌体外壳蛋白中有35S放射性并与细菌的细胞壁连放射性并与细菌的细胞壁连接,而接,而DNA部分则有部分则有32P放射性并进入细菌的细胞放射性并进入细菌的细胞质中。这一事实说明,在噬菌体侵染细菌过程中蛋质中。这一事实说明,在噬菌体侵染细菌过程中蛋白质外壳留在细菌细胞外,只有白质外壳留在细菌细胞外,只有DNA进入了细胞,进入了细胞,又一次证明遗传物质是又一次证明遗传物质是DNA,而不是蛋白质。,而不是蛋白质。(二)噬菌体感染实验(二)噬菌体感染实验wA.D.Hershey和和M.Chase,1952年年(1)含)含32P-DNA的一组:放射性的一
10、组:放射性85%在沉淀中在沉淀中10分钟后分钟后用捣碎器用捣碎器使空壳脱离使空壳脱离吸附吸附离心离心沉淀细胞进一步培沉淀细胞进一步培养后,可产生大量养后,可产生大量完整的子代噬菌体完整的子代噬菌体上清液中含上清液中含15%放射性放射性沉淀中含沉淀中含85%放射性放射性沉淀中含沉淀中含25%放射性放射性以以35S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验w(2)含)含35S蛋白质的一组:放射性蛋白质的一组:放射性75%在在上清液中上清液中10分钟后分钟后用捣碎器用捣碎器使空壳脱离使空壳脱离吸附吸附离心离心沉淀细胞进一步培沉淀细胞进一步培养后,可产生大量养后,可产生大量完整的子代
11、噬菌体完整的子代噬菌体上清液中含上清液中含75%放射性放射性(三)植物病毒的重建实验(三)植物病毒的重建实验w为了证明核酸是遗传物质,为了证明核酸是遗传物质,H.FraenkelConrat(1956)用含)用含RNA的烟草花叶病毒的烟草花叶病毒(TMV)进行了著名的植物病毒重建实验。)进行了著名的植物病毒重建实验。w将将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡,就能在一定浓度的苯酚溶液中振荡,就能将其蛋白质外壳与将其蛋白质外壳与RNA核心相分离。分离后核心相分离。分离后的的RNA在没有蛋白质包裹的情况下,也能感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,而且在病斑中还染烟草并使其患典型症
12、状,而且在病斑中还能分离出正常病毒粒子。能分离出正常病毒粒子。选选用用TMV和和霍霍氏氏车车前前花花叶叶病病毒毒(HRV),分分别别拆拆分分取取得得各各自自的的RNA和和蛋蛋白白质质,将将两两种种RNA分分别别与与对对方方的的蛋蛋白白质质外外壳重建形成两种杂合病毒:壳重建形成两种杂合病毒:(1)RNA(TMV)蛋白质蛋白质(HRV)(2)RNA(HRV)蛋白质蛋白质(TMV)w用两种杂合病毒感染寄主:用两种杂合病毒感染寄主:(1)表现)表现TMV的典型症状并分离的典型症状并分离到正常到正常TMV粒子粒子(2)表现)表现HRV的典型症状并分离的典型症状并分离到正常到正常HRV粒子。粒子。w上述结
13、果说明,在上述结果说明,在RNA病毒中,遗传病毒中,遗传的物质基础也是核酸。的物质基础也是核酸。MTV HRVHRV MTV遗传物质应具备的三种基本功能:遗传物质应具备的三种基本功能:w1、复制功能、复制功能 遗传物质必须贮存遗传信息,并遗传物质必须贮存遗传信息,并 能将其复制且一代一代精确地传递下去。能将其复制且一代一代精确地传递下去。w2 2、表达功能、表达功能 遗传物质必须控制生物体性状的发育遗传物质必须控制生物体性状的发育和表达。和表达。w3 3、变异功能、变异功能 遗传物质必须发生变异,以适应外界遗传物质必须发生变异,以适应外界环境的变化,没有变异就没有进化。环境的变化,没有变异就没
14、有进化。DNADNA是遗传物质的间接证据是遗传物质的间接证据 每个物种不同组织的细胞不论其大小和功能如何。每个物种不同组织的细胞不论其大小和功能如何。它们的它们的DNADNA含量是恒定的,而且配子中的含量是恒定的,而且配子中的DNADNA含量含量正好是体细胞的一半。正好是体细胞的一半。DNA DNA在代谢上是比较稳定的。在代谢上是比较稳定的。DNA DNA是所有生物的染色体所共有。是所有生物的染色体所共有。4.4.用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时,其最用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时,其最有效的波长均为有效的波长均为26002600埃。这与埃。这与DNADNA所吸收的紫外线所吸收的紫外
15、线光谱是一致的。光谱是一致的。二.DNA的分子结构和复制的分子结构和复制w(一一)、DNADNA的化学组成的化学组成w核酸:一种高分子化合物,核苷酸的多核酸:一种高分子化合物,核苷酸的多 聚体。有脱氧核糖核酸(聚体。有脱氧核糖核酸(DNADNA)和核糖核)和核糖核酸(酸(RNARNA)两类。)两类。w核苷酸的构成:核苷酸的构成:w(1 1)碱基w(2 2)磷酸;)磷酸;w(3 3)脱氧核糖脱氧核糖碱基的种类:w(1 1)双环结构的嘌呤:)双环结构的嘌呤:w 腺嘌呤(腺嘌呤(A A)w 鸟嘌呤(鸟嘌呤(G G)w(2 2)单环结构的嘧啶:)单环结构的嘧啶:w 胞嘧啶(胞嘧啶(C C)w 胸腺嘧啶
16、(胸腺嘧啶(T T)w 尿嘧啶(尿嘧啶(U U)(二二).美妙的美妙的DNA双螺旋双螺旋w1 1、DNADNA分子是由两条多核苷酸链以右手分子是由两条多核苷酸链以右手 螺旋的螺旋的形式,彼此以一定的空间距离,平行于同一轴上,形式,彼此以一定的空间距离,平行于同一轴上,很像一个扭曲的梯子。很像一个扭曲的梯子。w2 2、DNADNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替分子中的脱氧核糖和磷酸交替 连连 接(手接(手拉手)构成基本骨架,也就是梯子的两扶手。拉手)构成基本骨架,也就是梯子的两扶手。w3 3、两扶手的走向为反向平行。、两扶手的走向为反向平行。w4 4、梯子的横档为排列在内侧的碱基,碱基通过、梯子的横
17、档为排列在内侧的碱基,碱基通过氢结合,并以互补配对原则配对,氢结合,并以互补配对原则配对,A-TA-T,C-GC-G,DNA的结构 Watson和Crick在1953年提出了DNA双螺旋结构理论,认为DNA是两条多核苷酸链彼此互补并排列方向相反的,以右手旋转的方式围绕同一根主轴而相互盘绕形成的,具有一定空间距离的双螺旋结构。其中的每条链均由脱氧核糖磷酸脱氧核糖磷酸接替排列构成。每条多核苷酸链上均有四种碱基:T、A、G、C有序地排列,它们以氢键与另一条多核苷酸链的四种碱基A、T、C、G彼此互补相配对。由氢键连接的碱基组合,称碱基配对。DNA的空间结构的空间结构.自我复制自我复制遗传信息的传递遗传
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