北工大微生物學(xué)第7章

第七章

微生物的遺傳變異遺傳：親代與子代相似變異：親代與子代、子代間不同個(gè)體不完全相同遺傳（inheritance）和變異（variation）是生命的最本質(zhì)特性之一遺傳型：表型（表現(xiàn)型）：生物的全部遺傳因子及基因具有一定遺傳型的個(gè)體，在特定環(huán)境條件下通過生長發(fā)育所表現(xiàn)出來的形態(tài)等生物學(xué)特征的總和。表型是由遺傳型所決定，但也和環(huán)境有關(guān)。微生物是遺傳學(xué)研究中的明星：

微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡單，營養(yǎng)體一般為單倍體，方便建立純系。

很多常見微生物都易于人工培養(yǎng)，快速、大量生長繁殖。

對(duì)環(huán)境因素的作用敏感，易于獲得各類突變株，操作性強(qiáng)。微生物的獨(dú)特生物學(xué)特性：（1） 個(gè)體的體制極其簡單；（2） 營養(yǎng)體一般都是單倍體；（3） 易于在成分簡單的組合培養(yǎng)基上大量生長繁殖；（4） 繁殖速度快；（5） 易于積累不同的中間代謝產(chǎn)物或終產(chǎn)物；（6） 菌落形態(tài)特征的可見性和多樣性；（7） 環(huán)境條件對(duì)微生物群體中各個(gè)個(gè)體作用的直接性和均一性；（8） 易于形成營養(yǎng)缺陷型；（9） 各種微生物一般都有相應(yīng)的病毒；（10)存在多種處于進(jìn)化過程中的原始有性生殖方式；第一節(jié)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)一.遺傳的物質(zhì)---DNA(或RNA)證明核酸是遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)的三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)（一）經(jīng)典轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)（transformation）：F.Griffith，研究對(duì)象：Streptococcuspneumoniae（肺炎雙球菌）SIII型菌株：有莢膜，菌落表面光滑，有致病性RII型菌株：無莢膜，菌落表面粗糙，無致病性1928年，Griffith進(jìn)行了以下幾組實(shí)驗(yàn)：（1）動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

對(duì)小鼠注射活RII菌或死SIII菌—小鼠存活

對(duì)小鼠注射活SIII菌-----小鼠死亡

對(duì)小鼠注射活RII菌和熱死SIII菌—小鼠死亡

抽取心血分離活的SIII菌Griffith

轉(zhuǎn)化試驗(yàn)示意混合培養(yǎng)RII型活菌SIII型活菌SIII型熱死菌RII型活菌SIII型活菌健康健康健康健康健康健康健康病死病死病死轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

1944年美國洛克非勒醫(yī)學(xué)研究所的Avery等人證實(shí)了1928年英國人Griffith的發(fā)現(xiàn)，并將肺炎鏈球菌SⅢ型的DNA成功的轉(zhuǎn)化無毒性的肺炎球菌RⅡ型為有毒的肺炎球菌SⅢ型，第一次證明了載有肺炎鏈球菌SⅢ型莢膜遺傳信息的物質(zhì)是DNA。（2）細(xì)菌培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)（3）S型菌的無細(xì)胞抽提液試驗(yàn)以上實(shí)驗(yàn)說明：加熱殺死的SIII型細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)可能存在一種轉(zhuǎn)化物質(zhì)，它能通過某種方式進(jìn)入RII型細(xì)胞并使RII型細(xì)胞獲得穩(wěn)定的遺傳性狀，轉(zhuǎn)變?yōu)镾III型細(xì)胞。熱死SIII菌—————不生長

活RII

菌—————長出RII菌

熱死SIII菌—————長出大量RII菌和10-6SIII菌活R菌+S菌無細(xì)胞抽提液——長出大量R菌和少量S菌+活RII菌平皿培養(yǎng)①加S菌DNA②加S菌DNA及DNA酶以外的酶③加S菌的DNA和DNA酶④加S菌的RNA⑤加S菌的蛋白質(zhì)⑥加S菌的莢膜多糖活R菌長出S菌只有R菌1944年、和M。McCarty從熱死S型S.pneumoniae中提純了可能作為轉(zhuǎn)化因子的各種成分，并在離體條件下進(jìn)行了轉(zhuǎn)化試驗(yàn)：只有S型細(xì)菌的DNA才能將S.pneumoniae的R型轉(zhuǎn)化為S型。且DNA純度越高，轉(zhuǎn)化效率也越高。說明S型菌株轉(zhuǎn)移給R型菌株的，是遺傳因子。（二）噬菌體感染實(shí)驗(yàn)噬菌體的感染實(shí)驗(yàn)

1953年美國人Hershey和Chase用放射性同位素方法，提供了DNA是噬菌體遺傳物質(zhì)的直接證據(jù)。他們用含32P和35S的培養(yǎng)基培養(yǎng)大腸桿菌H，再用被標(biāo)記的大腸桿菌Ｈ培養(yǎng)Ｔ2噬菌體，直至完全標(biāo)記上32P和35S的T2噬菌體為止。用標(biāo)記的T2噬菌體侵染沒有標(biāo)記的大腸桿菌Ｈ，結(jié)果表明，Ｔ2噬菌體外殼蛋白中有35S放射性并與細(xì)菌的細(xì)胞壁連接，而DNA部分則有32P放射性并進(jìn)入細(xì)菌的細(xì)胞質(zhì)中。這一事實(shí)說明，在噬菌體侵染細(xì)菌過程中蛋白質(zhì)外殼留在細(xì)菌細(xì)胞外，只有DNA進(jìn)入了細(xì)胞，又一次證明遺傳物質(zhì)是DNA，而不是蛋白質(zhì)。（二）噬菌體感染實(shí)驗(yàn)A.D.Hershey和M.Chase，1952年（1）含32P-DNA的一組：放射性85%在沉淀中10分鐘后用搗碎器使空殼脫離吸附離心沉淀細(xì)胞進(jìn)一步培養(yǎng)后，可產(chǎn)生大量完整的子代噬菌體上清液中含15%放射性沉淀中含85%放射性沉淀中含25%放射性以35S標(biāo)記蛋白質(zhì)外殼做噬菌體感染實(shí)驗(yàn)（2）含35S-蛋白質(zhì)的一組：放射性75%在上清液中10分鐘后用搗碎器使空殼脫離吸附離心沉淀細(xì)胞進(jìn)一步培養(yǎng)后，可產(chǎn)生大量完整的子代噬菌體上清液中含75%放射性（三）植物病毒的重建實(shí)驗(yàn)為了證明核酸是遺傳物質(zhì)，H.Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的煙草花葉病毒（TMV）進(jìn)行了著名的植物病毒重建實(shí)驗(yàn)。將TMV在一定濃度的苯酚溶液中振蕩，就能將其蛋白質(zhì)外殼與RNA核心相分離。分離后的RNA在沒有蛋白質(zhì)包裹的情況下，也能感染煙草并使其患典型癥狀，而且在病斑中還能分離出正常病毒粒子。選用TMV和霍氏車前花葉病毒（HRV），分別拆分取得各自的RNA和蛋白質(zhì)，將兩種RNA分別與對(duì)方的蛋白質(zhì)外殼重建形成兩種雜合病毒：

（1）RNA（TMV）-蛋白質(zhì)（HRV）（2）RNA（HRV）-蛋白質(zhì)（TMV）用兩種雜合病毒感染寄主：（1）表現(xiàn)TMV的典型癥狀并分離到正常TMV粒子（2）表現(xiàn)HRV的典型癥狀并分離到正常HRV粒子。上述結(jié)果說明，在RNA病毒中，遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)也是核酸。MTV HRVHRV MTV遺傳物質(zhì)應(yīng)具備的三種基本功能：1、復(fù)制功能遺傳物質(zhì)必須貯存遺傳信息，并能將其復(fù)制且一代一代精確地傳遞下去。2、表達(dá)功能遺傳物質(zhì)必須控制生物體性狀的發(fā)育和表達(dá)。3、變異功能遺傳物質(zhì)必須發(fā)生變異，以適應(yīng)外界環(huán)境的變化，沒有變異就沒有進(jìn)化。

DNA是遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)⒈每個(gè)物種不同組織的細(xì)胞不論其大小和功能如何。它們的DNA含量是恒定的，而且配子中的DNA含量正好是體細(xì)胞的一半。⒉DNA在代謝上是比較穩(wěn)定的。⒊DNA是所有生物的染色體所共有。4.用不同波長的紫外線誘發(fā)各種生物突變時(shí)，其最有效的波長均為2600埃。這與DNA所吸收的紫外線光譜是一致的。二.DNA的分子結(jié)構(gòu)和復(fù)制(一)、DNA的化學(xué)組成核酸：一種高分子化合物，核苷酸的多聚體。有脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）兩類。核苷酸的構(gòu)成：（1）堿基（2）磷酸；（3）脫氧核糖堿基的種類：（1）雙環(huán)結(jié)構(gòu)的嘌呤：腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）（2）單環(huán)結(jié)構(gòu)的嘧啶：胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）(二).美妙的DNA雙螺旋1、DNA分子是由兩條多核苷酸鏈以右手螺旋的形式，彼此以一定的空間距離，平行于同一軸上，很像一個(gè)扭曲的梯子。2、DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接（手拉手）構(gòu)成基本骨架，也就是梯子的兩扶手。3、兩扶手的走向?yàn)榉聪蚱叫小?、梯子的橫檔為排列在內(nèi)側(cè)的堿基，堿基通過氫結(jié)合，并以互補(bǔ)配對(duì)原則配對(duì)，A-T，C-G，DNA的結(jié)構(gòu)

Watson和Crick在1953年提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)理論，認(rèn)為DNA是兩條多核苷酸鏈彼此互補(bǔ)并排列方向相反的，以右手旋轉(zhuǎn)的方式圍繞同一根主軸而相互盤繞形成的，具有一定空間距離的雙螺旋結(jié)構(gòu)。其中的每條鏈均由脫氧核糖——磷酸——脫氧核糖——磷酸接替排列構(gòu)成。每條多核苷酸鏈上均有四種堿基：T、A、G、C有序地排列，它們以氫鍵與另一條多核苷酸鏈的四種堿基A、T、C、G彼此互補(bǔ)相配對(duì)。由氫鍵連接的堿基組合，稱堿基配對(duì)。DNA的空間結(jié)構(gòu).自我復(fù)制遺傳信息的傳遞變異的發(fā)生堿基配對(duì)的規(guī)律十分重要,它是遺傳信息傳遞的關(guān)鍵.堿基排列順序就是遺傳信息的攜帶者.DNA雙螺旋脫氧核糖和磷酸基通過酯鍵交替連接成反向平行的兩條主鏈，它們繞一共同軸心向右盤旋形成雙螺旋構(gòu)型。形成大溝和小溝。螺旋直徑2nm；螺旋周期包含10bp；螺距3.4nm；相鄰堿基對(duì)平面的間距0.34nm。DNA雙螺旋堿基位于螺旋的內(nèi)則，它們垂直于螺旋軸。磷酸和戊糖位于外側(cè)，彼此間通過磷酸二酯鍵連接，形成DNA的骨架，糖環(huán)平面與中軸平行。DNA雙螺旋同一平面的堿基在二條主鏈間形成堿基對(duì)。A-T、G-C。間以氫鍵配對(duì)。A-T間形成兩個(gè)氫鍵，G-C間形成三個(gè)氫鍵。DNA雙螺旋DNA的其它螺旋結(jié)構(gòu)

回文結(jié)構(gòu)鏡像重復(fù)三股螺旋（H-DNA）

回文結(jié)構(gòu)—DNA序列中以某一中心區(qū)域?yàn)閷?duì)稱軸，其兩側(cè)的堿基對(duì)順序正讀和反讀都相同的雙螺旋結(jié)構(gòu)。即對(duì)稱軸一側(cè)的

片段旋轉(zhuǎn)180°后，與

另一側(cè)片段對(duì)稱重復(fù)。

回文結(jié)構(gòu)能形成

十字結(jié)構(gòu)和發(fā)夾結(jié)構(gòu)AATTCAAGGGAGAAGTATAGAAGAGGGAAGGATCTTAAGTTCCCTCTTCATATCTTCTCCCTTCCTAG

存在于同一股上的某些DNA區(qū)段的反向重復(fù)序列。此序列各單股中沒有互補(bǔ)序列，不能形成十字型或發(fā)夾結(jié)構(gòu)。

*鏡像重復(fù)

多聚嘧啶和多聚嘌呤組成的DNA螺旋區(qū)段，其序列中有較長的鏡像重復(fù)時(shí)，形成局部三股配對(duì)，并互相盤繞的三股螺旋，其中兩股的堿基按Watson-Crick方式配對(duì)，第三股多聚嘧啶（鏡像重復(fù)）通過TAT和CGC+配對(duì)，而處于雙螺旋的

大溝中。

*DNA三股螺旋（H-DNA,ts-DNA）DNA構(gòu)型的變異1、B-DNA：為DNA在生理狀態(tài)下的構(gòu)型，右手雙螺旋構(gòu)型（沃森和克里克模型），每螺旋為10個(gè)核苷酸對(duì)。2、A-DNA：為DNA的脫水構(gòu)型，右手螺旋，每螺旋為11個(gè)核苷酸對(duì)。3、Z-DNA：為左手螺旋，每個(gè)螺旋含12個(gè)核苷酸對(duì)。B-DNA空間模式圖三.DNA的復(fù)制DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)：1、半保留復(fù)制拆開的兩條單鏈，以各自為模板，從細(xì)胞核內(nèi)吸取與自己堿基互補(bǔ)的游離核苷酸，進(jìn)行氫鍵結(jié)合，在酶系統(tǒng)的作用下，連接起來，各自形成一條新的互補(bǔ)鏈。DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)2、復(fù)制起點(diǎn)和復(fù)制方向原核生物：多數(shù)只有一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)。真核生物：有多個(gè)起點(diǎn)。原核生物DNA合成有關(guān)DNA合成的酶1、DNA聚合酶12、DNA聚合酶113、DNA聚合酶111DNA復(fù)制的過程1、DNA雙螺旋的解鏈2、DNA合成的開始3、一條DNA鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù)RNA引物：岡崎片斷：前導(dǎo)鏈：后隨鏈（后滯鏈）：AAATTTGGGGCCCATCDNA平面模式圖DNA復(fù)制過程AAATTTGGGGCCCATCAGCTCGT游離的脫氧核苷酸與復(fù)制有關(guān)的酶注意，此處氫鍵將被打開！AAATTTGGGGCCCATCCAGTCGT在酶的催化下氫鍵已被打開DNA分子利用細(xì)胞提供的能量，在解旋酶的作用下，把兩條扭成螺旋的雙鏈解開，這個(gè)過程叫解旋。AAATTTGGGGCCCATCCAGTCGT親代DNA的一條鏈作為模板AAATTTGGGGCCCATCCTAGTCG還未解旋剛解旋所以DNA復(fù)制特點(diǎn)之一是:邊解旋邊復(fù)制通過堿基互補(bǔ)配對(duì)脫氧核苷酸結(jié)合到母鏈上已在復(fù)制AAATTTGGGGCCCATCAAATTTGGGGCCCATC一條子代DNA另一條子代DNA形成兩條完全相同的子代DNADNA復(fù)制后產(chǎn)生的每個(gè)子代DNA分子中，都有一條單鏈?zhǔn)窃璂NA保留下來的，而另一條單鏈?zhǔn)切潞铣傻?。這種復(fù)制方式我們稱其為半保留復(fù)制。解旋合成復(fù)旋DNA分子復(fù)制時(shí)需何條件？

①酶：②能量：③原料：④原則：⑤時(shí)間：⑥場所：⑦模板：解旋酶，合成酶、復(fù)旋酶四種游離的脫氧核苷酸堿基互補(bǔ)配對(duì)原則發(fā)生在細(xì)胞周期的間期主要在細(xì)胞核內(nèi)DNA解開的兩條單鏈ATP是直接的能源物質(zhì)為什么復(fù)制能形成兩條完全相同的DNA，并且它們都和親代DNA一樣？AGAACGAGTCTTGCTCAGAACGAGTCTTGCTCAGAACGAGTCTTGCTC+1、DNA分子的獨(dú)特的雙螺旋結(jié)構(gòu)為復(fù)制DNA提供精確的模板。為什么復(fù)制能形成兩條完全相同的DNA，并且它們都和親代DNA一樣？AGAACGAGTCTTGCTCAGAACGAGTCTTGCTCAGAACGAGTCTTGCTC+堿基互補(bǔ)配對(duì)能力保證了復(fù)制能夠準(zhǔn)確無誤地進(jìn)行。DNA復(fù)制有何重要的意義？保持前后代遺傳信息的連續(xù)性。關(guān)于RNA的自我復(fù)制1、先以自己為模板合成一條互補(bǔ)單鏈；（模板鏈稱“+”鏈，新復(fù)制的互補(bǔ)鏈稱“—”鏈）2、以“—”鏈作為模板，復(fù)制出一條與自己互補(bǔ)的“+”鏈。3、“+”鏈成為一條新的RNA。

真核生物DNA合成的特點(diǎn)1、DNA合成發(fā)生的時(shí)間：僅為細(xì)胞周期的S期。2、復(fù)制的起始點(diǎn)為多起點(diǎn)。3、合成所需的RNA引物和岡崎片斷都比原核生物的短。4、控制前導(dǎo)鏈和后隨鏈的聚合酶不同。5、染色體端體的復(fù)制。三.遺傳單位----基因基因——遺傳因子基因是一切生物體內(nèi)儲(chǔ)存遺傳信息的、有自我復(fù)制能力的遺傳功能單位。它是DNA分子上具有特定堿基順序，即核苷酸順序的片斷。三.遺傳單位----基因

1.基因的概念基因是遺傳的基本單位

(重組單位,突變單位,功能單位)是負(fù)載特定遺傳信息的DNA片段在一定條件下可以表達(dá),從而控制或調(diào)節(jié)生物體的性狀

2.基因的特點(diǎn)(1).基因具有自我復(fù)制（self-replication）的重要特性。復(fù)制發(fā)生在細(xì)胞分裂周期的S期，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)解旋為兩條單股的多核苷酸鏈，以DNA分子自身的每一股單鏈為模板進(jìn)行自我復(fù)制合成新的DNA分子。復(fù)制的起點(diǎn)由特定的堿基序列組成。真核生物的復(fù)制從多個(gè)位點(diǎn)同時(shí)開始進(jìn)行。這是基因的穩(wěn)定性,保證了生物種類的存在和延續(xù).(2).基因表達(dá)（geneexpression）：是把基因所儲(chǔ)存的遺傳信息轉(zhuǎn)變?yōu)橛商囟ǖ陌被岱N類和序列構(gòu)成的多肽鏈，再由多肽鏈構(gòu)成蛋白質(zhì)或酶分子，從而決定生物各種性狀（表型）的過程?；虮磉_(dá)包括兩個(gè)步驟：①以DNA為模板轉(zhuǎn)錄合成mRNA；②將遺傳信息翻譯成多肽鏈中相應(yīng)的氨基酸種類和序列(3).基因能夠發(fā)生突變誘發(fā)基因突變的因素

根據(jù)基因突變發(fā)生的原因，可將突變分為自發(fā)突變和誘發(fā)突變。在自然條件下，未經(jīng)人工處理而發(fā)生的突變?yōu)樽园l(fā)突變（spontaneousmutation）。經(jīng)人工處理而發(fā)生的突變是誘發(fā)突變（inducedmutaion）。能誘發(fā)基因突變的各種內(nèi)外環(huán)境因素統(tǒng)稱為誘變劑（mutagen）。

物理因素

紫外線紫外線的照射可使DNA順序中相鄰的嘧啶類堿基結(jié)合成嘧啶二聚體，最常見的為胸腺嘧啶二聚體（TT）。在復(fù)制或轉(zhuǎn)錄進(jìn)行時(shí)，該處堿基配對(duì)發(fā)生錯(cuò)誤，從而引起新合成的DNA或RNA鏈的堿基改變。

電離輻射

射線直接擊中DNA鏈，DNA分子吸收能量后引起DNA鏈和染色體的斷裂，片斷發(fā)生重排，引起染色體結(jié)構(gòu)畸變。紫外線誘發(fā)的胸腺嘧啶二聚體T-AT-T基因突變的一般特性多向性

同一基因座上的基因可獨(dú)立發(fā)生多次不同的突變而形成復(fù)等位基因可逆性

突變的方向可逆,可以是正突變，也可以是回復(fù)突變有害性

突變會(huì)導(dǎo)致人類許多疾病的發(fā)生

稀有性

在自然狀態(tài)下發(fā)生突變的頻率很低

隨機(jī)性可重復(fù)性基因突變的分子機(jī)制一般分為兩大類－－靜態(tài)突變和動(dòng)態(tài)突變。

靜態(tài)突變（staticmutation）是在一定條件下生物各世代中以相對(duì)穩(wěn)定的頻率發(fā)生的基因突變?？煞譃辄c(diǎn)突變和片段突變。

點(diǎn)突變（pointmutation）

點(diǎn)突變:DNA鏈中一個(gè)或一對(duì)堿基發(fā)生的改變。它有兩種形式：堿基替換和移碼突變。堿基替換（basesubstitution）:DNA鏈中堿基之間互相替換，從而使被替換部位的三聯(lián)體密碼意義發(fā)生改變。轉(zhuǎn)換（transition）:一種嘌呤（嘧啶）被另一種嘌呤（嘧啶）所替換顛換（transvertion）:一種嘌呤（嘧啶）被另一種嘧啶（嘌呤）所替換如果堿基替換影響的是密碼子，則會(huì)產(chǎn)生同義突變、無義突變、錯(cuò)義突變和終止密碼突變等遺傳學(xué)效應(yīng)；如果影響的是非密碼子區(qū)域，則產(chǎn)生幾種不同的遺傳學(xué)效果：無明確的遺傳學(xué)效應(yīng)、改變調(diào)控序列從而影響基因表達(dá)的調(diào)控、改變外顯子-內(nèi)含子接頭處的序列從而影響外顯子的加工拼接。

同義突變（samesensemutation）堿基被替換之后，產(chǎn)生了新的密碼子，但新舊密碼子同義，所編碼的氨基酸種類保持不變，因此同義突變并不產(chǎn)生突變效應(yīng)。無義突變（non-sensemutation）堿基替換使編碼氨基酸的密碼變成終止密碼UAA、UAG或UGA。錯(cuò)義突變（missensemutation）

堿基替換使編碼某種氨基酸的密碼子變成編碼另一種氨基酸的密碼子，從而使多肽鏈的氨基酸種類和序列發(fā)生改變。終止密碼突變（terminatorcodonmutation）

DNA分子中的某一個(gè)終止密碼突變?yōu)榫幋a氨基酸的密碼，從而使多肽鏈的合成至此仍繼續(xù)下去，直至下一個(gè)終止密碼為止，形成超長的異常多肽鏈。

移碼突變（frame-shiftmutation）除堿基替換外，點(diǎn)突變的另一種形式就是移碼突變。由于基因組DNA鏈中插入或缺失1個(gè)或幾個(gè)堿基對(duì)，從而使自插入或缺失的那一點(diǎn)以下的三聯(lián)體密碼的組合發(fā)生改變，進(jìn)而使其編碼的氨基酸種類和序列發(fā)生變化。DNA損傷的修復(fù)

生物體內(nèi)存在著多種DNA修復(fù)系統(tǒng)，當(dāng)DNA受到損傷時(shí)，在一定條件下，這些修復(fù)系統(tǒng)可以