第六章微生物的遺傳和變異

遺傳和變異是一切生物最本質的屬性。遺傳生物繁殖與自已相同或相似的后代的現(xiàn)象變異生物親代與子代之間，子代個體之間有差異的現(xiàn)象，主要體現(xiàn)在形態(tài)和生理性狀。當前1頁，總共107頁。第一節(jié)微生物的遺傳當前2頁，總共107頁。通過3個經(jīng)典實驗證明了核酸（DNA和RNA）是遺傳物質基礎。1.肺炎鏈球菌的轉化現(xiàn)象2.T4噬菌體感染實驗3.植物病毒重建實驗一、遺傳和變異的物質基礎-DNA當前3頁，總共107頁。最早進行轉化實驗的是F.Griffith（1928）。肺炎鏈球菌的轉化實驗當前4頁，總共107頁。S型菌落R型菌落有莢膜，致病的，菌落表面光滑（smooth）不形成莢膜，無致病性，菌落外觀粗糙（rough)當前5頁，總共107頁。當前6頁，總共107頁。1944年，和M.McCarty從熱死的S型S.pneumoniae中提純了可能作為轉化因子的各種成分，并在離體條件下進行了轉化實驗：當前7頁，總共107頁。當前8頁，總共107頁。只有S型細菌的DNA才能將S.pneumoniae的R型轉化為S型。而且，DNA純度越高，轉化效率也越高，直到只取用純DNA的6×10-8g的量時，仍有轉化能力。這就說明，S型菌株轉移給R型菌株的，決不是某一遺傳性狀（在這里是莢膜多糖）的本身，而是以DNA為物質基礎的遺傳因子。當前9頁，總共107頁。二、核酸的結構和復制核酸是一種多聚核苷酸，它的基本單位是核苷酸核苷酸由堿基、磷酸和戊糖組成當前10頁，總共107頁。兩類核酸的基本化學組成DNARNA嘌呤堿腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）嘧啶堿胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）戊糖D-2-脫氧核糖D-核糖酸磷酸磷酸當前11頁，總共107頁。戊糖當前12頁，總共107頁。堿基RNADNA

嘧啶環(huán)

嘌呤環(huán)尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C鳥嘌呤G腺嘌呤A當前13頁，總共107頁。核苷當前14頁，總共107頁。核苷酸當前15頁，總共107頁。多聚核苷酸當前16頁，總共107頁。（一）DNA的結構1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基礎上，根據(jù)DNA結晶的X-衍射圖譜和分子模型，提出了著名的DNA雙螺旋結構模型，并對模型的生物學意義作出了科學的解釋和預測。當前17頁，總共107頁。DNA雙螺旋結構的特點DNA分子由兩條DNA單鏈組成。DNA的雙螺旋結構是分子中兩條DNA單鏈之間基團相互識別和作用的結果。雙螺旋結構是DNA二級結構的最基本形式。當前18頁，總共107頁。DNA雙螺旋結構的要點（1）DNA分子由兩條多聚脫氧核糖核苷酸鏈(簡稱DNA單鏈)組成。兩條鏈沿著同一根軸平行盤繞，形成右手雙螺旋結構。螺旋中的兩條鏈方向相反，即其中一條鏈的方向為5′→3′，而另一條鏈的方向為3′→5′。當前19頁，總共107頁。（2）嘌呤堿和嘧啶堿基位于螺旋的內(nèi)側，磷酸和脫氧核糖基位于螺旋外側。堿基環(huán)平面與螺旋軸垂直，糖基環(huán)平面與堿基環(huán)平面成90。角。DNA雙螺旋結構的要點當前20頁，總共107頁。（3）螺旋橫截面的直徑約為2nm，每條鏈相鄰兩個堿基平面之間的距離為0.34nm，每10個核苷酸形成一個螺旋，其螺矩（即螺旋旋轉一圈）高度為3.4nm。DNA雙螺旋結構的要點當前21頁，總共107頁。DNA雙螺旋結構的要點（4）兩條DNA鏈相互結合以及形成雙螺旋的力是堿基對所形成的氫鍵。堿基的相互結合具有嚴格的配對規(guī)律，即A與T結合，G與C結合，這種配對關系，稱為堿基互補。A和T之間形成兩個氫鍵，G與C之間形成三個氫鍵。在DNA分子中，嘌呤堿基的總數(shù)與嘧啶堿基的總數(shù)相等。當前22頁，總共107頁。當前23頁，總共107頁。大部分DNA具有雙螺旋結構，亦稱為B型。小溝大溝5`3`5`3`當前24頁，總共107頁。當前25頁，總共107頁。微生物中的DNA葉綠體中含有環(huán)狀DNA線粒體中含有環(huán)狀DNA細菌等原核生物質粒染色體1.DNA的存在方式當前26頁，總共107頁。遺傳物質載體——染色體真核生物：染色體=DNA+組蛋白原核生物：染色體=DNA當前27頁，總共107頁。遺傳物質載體——質粒原核生物細胞中，染色體外的一種環(huán)狀DNA分子;并非細胞必須，僅與某些性狀有關;常作為基因轉移的運載工具.當前28頁，總共107頁。質粒PlasmidpBR322當前29頁，總共107頁?；颍壕哂羞z傳功能的DNA分子上的片段，平均1000個堿基對,分子量約6.7×105Da。一個DNA分子中含有多個基因，不同基因堿基對的數(shù)量和排列序列不同，基因具有自我復制能力。根據(jù)基因的功能差異，可分為結構基因、調(diào)節(jié)基因和操縱基因。2.基因-遺傳因子視頻資料：基因當前30頁，總共107頁?；蝾悇e結構基因 包括編碼結構蛋白和酶蛋白的基因，也包括編碼阻遏蛋白和激活蛋白的基因。調(diào)控基因 包括調(diào)節(jié)基因、啟動基因和操縱基因。當前31頁，總共107頁。操縱子J.Monod與F.Jacob當前32頁，總共107頁。（二）DNA的復制當前33頁，總共107頁。DNA的復制（以DNA為模板合成DNA）RNA的轉錄（以DNA為模板合成RNA）RNA的逆轉錄（以RNA為模板合成DNA）RNA的復制（以RNA為模板合成RNA）當前34頁，總共107頁。機制——半保留復制12保留了一半父代DNA成份父代DNA半保留復制子代DNA當前35頁，總共107頁。前導鏈連續(xù)復制滯后鏈不連續(xù)復制DNA復制為5`→3`半不連續(xù)復制。當前36頁，總共107頁。半保留——復制結果半不連續(xù)——復制過程當前37頁，總共107頁。三、DNA的變性與復性（一）核酸的變性核酸的變性是指核酸雙螺旋區(qū)的多聚核苷酸鏈間的氫鍵斷裂，變成單鏈結構的過程。變性核酸將失去其部分或全部的生物活性。核酸的變性并不涉及磷酸二酯鍵的斷裂，所以它的一級結構(堿基順序)保持不變。能夠引起核酸變性的因素很多。溫度升高、酸堿度改變、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的變性。當前38頁，總共107頁。利用紫外吸收的變化，可以檢測核酸變性的情況。天然狀態(tài)的DNA在完全變性后，紫外吸收(260nm)值增加25－40%.RNA變性后，約增加1.1%。這種現(xiàn)象稱為增色效應.當前39頁，總共107頁。DNA變性的特征DNA的變性過程是突變性的，它在很窄的溫度區(qū)間內(nèi)完成。因此，通常將引起DNA變性的溫度稱為融點，用Tm表示。一般DNA的Tm值在70-85C之間。DNA的Tm值與分子中的G和C的含量有關。G和C的含量高，Tm值高。因而測定Tm值，可反映DNA分子中GC含量，可通過經(jīng)驗公式計算：（G+C)%=(Tm-69.3)X2.44當前40頁，總共107頁。DNA變性當前41頁，總共107頁。當前42頁，總共107頁。（二）核酸的復性變性DNA在適當?shù)臈l件下，兩條彼此分開的單鏈可以重新締合成為雙螺旋結構，這一過程稱為復性。DNA復性后，一系列性質將得到恢復，但是生物活性一般只能得到部分的恢復。DNA復性的程度、速率與復性過程的條件有關。將熱變性的DNA驟然冷卻至低溫時，DNA不可能復性。但是將變性的DNA緩慢冷卻時，可以復性。分子量越大復性越難。濃度越大，復性越容易。此外，DNA的復性也與它本身的組成和結構有關。當前43頁，總共107頁。當前44頁，總共107頁。高溫變性緩慢冷卻熱復性急速冷卻復性失敗當前45頁，總共107頁。核酸的雜交熱變性的DNA單鏈，在復性時并不一定與同源DNA互補鏈形成雙螺旋結構，它也可以與在某些區(qū)域有互補序列的異源DNA單鏈形成雙螺旋結構。這樣形成的新分子稱為雜交DNA分子。DNA單鏈與互補的RNA鏈之間也可以發(fā)生雜交。核酸的雜交在分子生物學和遺傳學的研究中具有重要意義。當前46頁，總共107頁。核酸的雜交當前47頁，總共107頁。mRNA(信使RNA)MessengerRNA約占總RNA的5%。不同細胞的mRNA的鏈長和分子量差異很大。它的功能是將DNA的遺傳信息傳遞到蛋白質合成基地–核糖體。四.RNA的四種存在形式當前48頁，總共107頁。tRNA(轉移RNA)TransferRNA約占總RNA的10-15%。它在蛋白質生物合成中起翻譯氨基酸信息，并將相應的氨基酸轉運到核糖體的作用。已知每一個氨基酸至少有一個相應的tRNA。RNA分子的大小很相似，鏈長一般在73-78個核苷酸之間。當前49頁，總共107頁。rRNA(核糖體RNA)RibosomeRNA約占全部RNA的80%，是核糖體的主要組成部分。rRNA的功能與蛋白質生物合成相關。當前50頁，總共107頁。反義RNA是能與DNA堿基互補，并能阻止、干擾復制轉錄和翻譯的短小RNA。起調(diào)節(jié)作用，決定mRNA翻譯合成速度。當前51頁，總共107頁。五、微生物生長與蛋白質合成DNA通過轉錄作用，將其所攜帶的遺傳信息傳遞給mRNA,在三種RNA（mRNA、tRNA和rRNA）的共同作用下，完成蛋白質的合成。當前52頁，總共107頁。DNA復制RNA轉錄蛋白質翻譯逆轉錄復制中心法則生物的遺傳信息從DNA傳遞給mRNA的過程稱為轉錄。根據(jù)mRNA鏈上的遺傳信息合成蛋白質的過程，被稱為翻譯和表達。1958年Crick將生物遺傳信息的這種傳遞方式稱為中心法則翻譯和肽鏈折疊組裝轉錄DNAmRNA從基因到蛋白的轉錄和翻譯過程當前53頁，總共107頁。1.轉錄–mRNA的合成轉錄是以DNA為模板合成與其堿基順序互補的mRNA的過程。細胞生長周期的某個階段，DNA雙螺旋解開成為轉錄模板，在RNA聚合酶催化下，合成mRNA。當前54頁，總共107頁。轉錄——以DNA為模板，按堿基配對原則（dA-U、dT-A、dG-C、dC-G)合成RNA鏈。DNA復制RNA轉錄當前55頁，總共107頁。兩條鏈都是模板鏈嗎？當前56頁，總共107頁。不對稱轉錄——只能以雙鏈中固定的一條鏈（模板鏈）為模板轉錄RNA開始(啟動子)當前57頁，總共107頁。17bp螺旋解開長度12bpDNA-RNA復合體長度(終止子)當前58頁，總共107頁。mRNA攜帶有合成蛋白質的全部信息。蛋白質的生物合成是以mRNA作為模板進行的。當前59頁，總共107頁。轉錄過程當前60頁，總共107頁。遺傳密碼mRNA分子中所存儲的蛋白質合成信息，是由組成它的四種堿基（A、G、C和U）以特定順序排列成三個一組的三聯(lián)體代表的，即每三個堿基代表一個氨基酸信息。這種代表遺傳信息的三聯(lián)體稱為密碼子，或三聯(lián)體密碼子。mRNA分子的堿基順序即表示了所合成蛋白質的氨基酸順序。當前61頁，總共107頁。遺傳密碼當前62頁，總共107頁。2.蛋白質的生物合成tRNA在氨基酰-tRNA合成酶的幫助下，能夠識別相應的氨基酸，并通過tRNA氨基酸臂的3'-OH與氨基酸的羧基形成活化酯－氨基酰-tRNA。當前63頁，總共107頁。當前64頁，總共107頁。氨基酸活化的總反應式是：氨基酰-tRNA合成酶氨基酸+ATP+tRNA+H2O氨基酰-tRNA+AMP+PPi每一種氨基酸至少有一種對應的氨基酰-tRNA合成酶。它既催化氨基酸與ATP的作用,也催化氨基酰基轉移到tRNA。氨基酰-tRNA合成酶具有高度的專一性。每一種氨基酰-tRNA合成酶只能識別一種相應的tRNA。tRNA分子能接受相應的氨基酸,決定于它特有的堿基順序,而這種堿基順序能夠被氨基酰-tRNA合成酶所識別。當前65頁，總共107頁。(2)氨基酰-tRNA在mRNA模板指導下組裝成蛋白質氨基酰-tRNA通過反密碼臂上的三聯(lián)體反密碼子識別mRNA上相應的遺傳密碼，并將所攜帶的氨基酸按mRNA遺傳密碼的順序安置在特定的位置，最后在核糖體中合成肽鏈。當前66頁，總共107頁。當前67頁，總共107頁。當前68頁，總共107頁。當前69頁，總共107頁。當前70頁，總共107頁。第二節(jié)微生物的變異當前71頁，總共107頁。一、變異的本質——基因突變DNA堿基順序的改變，是DNA在復制過程中出現(xiàn)錯誤產(chǎn)生的。由于DNA是具有復制功能的分子，一旦DNA堿基順序出錯，它就會通過復制機制遺傳下去。由于DNA堿基順序的改變引起生物遺傳性狀顯著變化的現(xiàn)象，稱為基因“突變”。當前72頁，總共107頁。二、基因突變的化學本質DNA堿基順序中核苷酸缺失，置換或插入，引起排列順序改變DNA結構的改變將導致相應蛋白質一級結構（氨基酸順序）的變化，從而引起生物特征或性狀發(fā)生變異。生物的變異和進化可以認為是由于DNA結構的改變而引起蛋白質組成和性質變化的結果。當前73頁，總共107頁。DNA結構變化的類型及影響因素生物遺傳變異的分子機制是DNA分子中為氨基酸編碼的三聯(lián)體密碼子的改變。DNA遺傳密碼的改變主要有如下幾種類型：堿基順序顛倒，如TA被顛倒成AT；當前74頁，總共107頁。某個堿基被調(diào)換，如AT換成GC；當前75頁，總共107頁。MolecularbasisofMutationPointMutation天冬酰胺酪氨酸當前76頁，總共107頁。③少了或多了一對或幾對堿基，例如：5’ATGGCTATGC3’變成5’ATGGTATGC3’3’TACCGATACG5’3’TACCATACG5’當前77頁，總共107頁。三、導致基因突變的原因(1)DNA分子中堿基互變異構效應(2)物理因素紫外線（UV）、高能射線和電離輻射等。(3)化學因素烷基化試劑，亞硝酸鹽以及堿基類似物等。當前78頁，總共107頁。(1)DNA分子中堿基互變異構效應DNA分子的堿基，存在酮式—烯醇式或氨式—亞胺式互變異構。不同的互變異構體形成氫鍵的方向和能力不同，有可能導致復制時出現(xiàn)錯誤。例如在正常情況下，A（氨式結構）與T（酮式結構）配對；當A以亞胺式存在時（幾率非常小），則與C配對。當前79頁，總共107頁。胺式

亞胺式互變異構當前80頁，總共107頁。酮式烯醇式互變異構當前81頁，總共107頁。(2)物理因素射線的類別電離射線：α、β射線和不同能量的的中子等粒子輻射，還包括γ射線和X射線等電磁波輻射。非電離輻射：能量小，不足以引起物質電離，如紫外線。當前82頁，總共107頁。當DNA受到大劑量紫外線（波長260nm附近）照射時，可引起DNA鏈上相鄰的兩個嘧啶堿基共價聚合，形成二聚體，例如TT二聚體。當前83頁，總共107頁。光聚合反應

胸腺嘧啶堿基在紫外光照射下，可以發(fā)生二聚加成反應：

在DNA分子中，如果兩個胸腺嘧啶堿基相鄰，在紫外光照射下，可能發(fā)生上述聚合反應，其結果是破壞了正常復制或轉錄。當前84頁，總共107頁。(3)化學因素化學因素是引起DNA結構發(fā)生變化的最常見因素，主要包括：第一類烷化劑如乙烯亞胺(EI)、硫酸二乙酯(DES)、甲基磺酸乙酯(EMS)、亞硝基甲脲(NMU)等。第二類堿基類似物如5-溴尿嘧啶(5-BU)、2－氨基嘌呤(AP)等。第三類能引起DNA分子中堿基增、減的物質如丫啶類染料、ICR類化合物(氮芥類衍生物)當前85頁，總共107頁。烷基化試劑能夠與DNA分子中的氨基或氧作用，生成烷基化DNA。除了堿基上有多個位置可被烷基化外，DNA鏈上磷酸二酯鍵中的氧也容易被烷基化，從而導致DNA鏈的斷裂。烷基化反應當前86頁，總共107頁。由于含氧堿基存在酮式和烯醇式的互變異構，烯醇式中的羥基可以被烷基化轉變?yōu)榉€(wěn)定的烯醇醚。鳥嘌呤核苷烷基化形成6-甲氧基鳥嘌呤核苷后，不再與C配對，而與T配對。這種情況將引起DNA的復制、轉錄及信息表達出現(xiàn)錯誤。當前87頁，總共107頁。環(huán)外氨基的反應

環(huán)外氨基在適當條件下，也可以發(fā)生化學反應。胞嘧啶核苷在亞硝酸作用下，可以形成重氮鹽，再轉變?yōu)槟蜞奏ず塑?。因此生物體內(nèi)亞硝酸的存在有可能改變DNA的堿基組成。腺嘌呤核苷和鳥嘌呤核苷也能發(fā)生類似的反應，分別形成次黃嘌呤核苷（I）和黃嘌呤核苷（X）。這種變化，將影響或改變堿基形成氫鍵的能力和方向，導致DNA復制錯誤，是引起基因突變的重要原因之一。當前88頁，總共107頁。當前89頁，總共107頁。堿基類似物是一類結構與核酸堿基相似的人工合成或天然化合物，由于它們的結構與核酸的堿基相似，當這些物質進入細胞后能夠摻入到DNA鏈中，干擾DNA的正常復制和轉錄。常見的有堿基衍生物及稠環(huán)、稠雜環(huán)類化合物。例如5-溴尿嘧啶（5-BU），它與胸腺嘧啶堿基的結構相似，能取代T與A配對。又如一種稱為二惡英的含氯芳香雜三環(huán)化合物（2,3,7,8-四氯-二苯-二惡英，簡稱TCDD），是一種具有強烈致癌和致畸物質。它能夠進入細胞并與DNA結合，導致DNA復制發(fā)生錯誤，從而可能誘發(fā)癌變。當前90頁，總共107頁。鐮刀狀貧血病—血液中大量出現(xiàn)鐮刀紅細胞，患者因此缺氧窒息正常細胞鐮刀形細胞它是最早認識的一種分子病。流行于非洲，死亡率極高，大部分患者童年時就夭折，活過童年的壽命也不長，它是由于遺傳基因突變導致血紅蛋白分子結構的突變。當前91頁，總共107頁。正常型

---Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys---β鏈

谷氨酸鐮刀型

---Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys---β鏈

纈氨酸谷A（極性）纈A（非極性）由于纈氨酸上的非極性基團與相鄰非極性基團間在疏水力作用下相互靠攏，并引發(fā)所在鏈扭曲為束狀，整個蛋白質由球狀變?yōu)殓牭缎危c氧結合功能喪失，導致病人窒息甚至死亡，但病人可抗非洲瘧疾。當前92頁，總共107頁。鐮刀形貧血病的氨基酸變化當前93頁，總共107頁?！缃?jīng)DNA修復后有缺陷，DNA就會發(fā)生突變………發(fā)展成癌細胞當前94頁，總共107頁。a自發(fā)突變spontaneousmutationb誘發(fā)突變inducedmutation四、突變的類型當前95頁，總共107頁。誘發(fā)突變方法—物理誘變電離輻射：x-射線，-射線非電離輻射：紫外線當前96頁，總共107頁。誘發(fā)突變方法—化學誘變有誘變作用的有機或無機化合物統(tǒng)稱誘變劑。烷基化試劑，亞硝酸鹽以及堿基類似物等。當前97頁，總共107頁。原核生物的遺傳重組實質上是指受體中插入來自供體的遺傳性不同的DNA片段，并把這種DNA片段或它的復本整合為受體基因組的一部分。第三節(jié)基