水處理微生物學(xué)遺傳變異課件

1、第六章 微生物的遺傳和變異遺傳和變異是生物體最本質(zhì)的屬性之一。微生物的遺傳性：親代微生物將其一套完整的遺傳物質(zhì)所攜帶的信息傳遞給子代微生物的特性。微生物的遺傳性具有相對(duì)穩(wěn)定性和保守性。 變異是絕對(duì)的。微生物的遺傳變異性：在某些內(nèi)因或外因的作用下，微生物的遺傳物質(zhì)在結(jié)構(gòu)或數(shù)量上發(fā)生了改變，從而引起某些相應(yīng)的形態(tài)或生理特征等性狀的改變。 變異是絕對(duì)的、是可以遺傳的第一節(jié) 微生物的遺傳 一、遺傳和變異的物質(zhì)基礎(chǔ)DNA 20世紀(jì)40年代承認(rèn)核酸，尤其是DNA（脫氧核糖核酸）是遺傳和變異的真正物質(zhì)基礎(chǔ)。二個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn) 肺炎球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn) 噬菌體感染實(shí)驗(yàn)肺炎雙球菌有多糖莢膜可致病的S型不致病的R型活 S死

2、S死 S活 R活 R格里菲斯的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)分別用放射性同位素標(biāo)記噬菌體35S標(biāo)記蛋白質(zhì)32P標(biāo)記 DNA35S 標(biāo)記外殼蛋白質(zhì),感染后放射標(biāo)記不進(jìn)入大腸桿菌細(xì)胞32P 標(biāo)記 DNA ,感染后放射標(biāo)記進(jìn)入大腸桿菌細(xì)胞愛弗萊證實(shí)轉(zhuǎn)化物質(zhì)是 DNA二、DNA的結(jié)構(gòu)與復(fù)制 1、DNA的基本結(jié)構(gòu)單元核苷酸由磷酸、戊糖和堿基三部分組成的。戊糖:脫氧核糖；堿基：腺嘌呤(A)、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T），相應(yīng)的核苷酸為腺嘌呤核苷酸、鳥嘌呤核苷酸、胞嘧啶核苷酸和胸腺嘧啶核苷酸。 多聚核苷酸鏈由核苷酸通過磷酸二酯鍵相連形成。每個(gè)互補(bǔ)堿基（AT、GC）之間由氫鍵相連。DNA的堿基順序就是遺傳信息存儲(chǔ)的分

3、子形式。1953年，Watson和Crick根據(jù)DNA堿基組成的定量分析和DNA結(jié)晶的X衍射圖譜，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型： DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu) 、DNA分子是由兩條方向相反的彼此互補(bǔ)的多核苷酸鏈組成，兩條鏈沿同一軸平行盤繞形成右手螺旋。、 嘌呤堿基和嘧啶堿基位于螺旋的內(nèi)側(cè)，磷酸和脫氧核糖位于螺旋外側(cè)。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。、雙螺旋橫截面的直徑約為2 nm，每條鏈相鄰兩個(gè)堿基平面之間的距離為0.34 nm，每10個(gè)核苷酸形成一個(gè)螺旋，其螺旋旋轉(zhuǎn)一圈的高度（即螺距）為3.4 nm。、兩條DNA鏈相互結(jié)合形成雙螺旋的作用力主要是鏈間堿基對(duì)所形成的氫鍵。兩條

4、鏈的堿基之間嚴(yán)格遵循堿基的互補(bǔ)配對(duì)規(guī)律，即腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）結(jié)合，鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）結(jié)合。A和T之間形成兩個(gè)氫鍵，G與C之間形成三個(gè)氫鍵。堿基的互補(bǔ)配對(duì)是復(fù)制、轉(zhuǎn)錄的分子基礎(chǔ)。 1.1、DNA的存在形式 真核微生物的DNA和組蛋白組成染色體，絲狀結(jié)構(gòu)，位于細(xì)胞核內(nèi)；原核微生物DNA與少量蛋白質(zhì)結(jié)合，構(gòu)成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，高度折疊形成核區(qū)。 1.2、基因遺傳因子 基因是一切生物體內(nèi) 儲(chǔ)存遺傳信息、具有自我復(fù)制能力的遺傳功能單位，即核苷酸順序的片段。是具有固定起點(diǎn)和終點(diǎn)的核苷酸線性序列，分為： 結(jié)構(gòu)基因編碼蛋白質(zhì)和酶的結(jié)構(gòu) 操縱區(qū)操縱三個(gè)基因的表達(dá) 調(diào)節(jié)基因控制結(jié)構(gòu)基因1.3、遺傳信息的

5、傳遞 中心法則DNA的復(fù)制和遺傳信息傳遞的基本規(guī)則。 DNA上儲(chǔ)存的遺傳信息先通過轉(zhuǎn)錄形成RNA，再通過RNA的中間作用指導(dǎo)蛋白質(zhì)的生物合成。 基因型表現(xiàn)型DNA復(fù)制轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄RNA復(fù)制翻譯蛋白質(zhì)DNA的復(fù)制 決定某種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)一段DNA鏈進(jìn)行自我復(fù)制 ，DNA多聚酶參與。DNA復(fù)制是堿基配對(duì)的半保留復(fù)制。新的DNA鏈?zhǔn)且耘f鏈為模板合成的，新加入的堿基與模板上的堿基互補(bǔ)配對(duì)，當(dāng)整個(gè)分子復(fù)制出來時(shí)，每個(gè)新的DNA時(shí)由原來的一個(gè)鏈和一個(gè)新合成的鏈組成的，所以叫半保留復(fù)制。轉(zhuǎn)錄 以DNA雙鏈中的一條鏈為模板，按照堿基互補(bǔ)的方式合成RNA，使遺傳信息由DNA到RNA的傳遞過程。轉(zhuǎn)錄是遺傳信息表達(dá)

6、的第一步。轉(zhuǎn)錄過程首先是DNA分子解開雙螺旋，以其中一條鏈為轉(zhuǎn)錄模板，在RNA聚合酶的催化下，合成與模板DNA之間堿基互補(bǔ)的mRNA。只是A相對(duì)應(yīng)的堿基是U。 mRNA合成有三種RNA分子，他們分別是：核糖體RNA（rRNA），他的作用是參與蛋白質(zhì)的合成，它可以協(xié)助核糖體保持一定的結(jié)構(gòu)，并發(fā)揮相應(yīng)的功能。轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA），蛋白質(zhì)合成過程中轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸，將核酸序列轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的氨基酸序列。信使RNA（mRNA），他們又DNA轉(zhuǎn)錄而來，并作為蛋白質(zhì)合成的模板。翻譯以RNA（密碼子）作為模板，將遺傳信息從mRNA傳遞到tRNA（反密碼子），進(jìn)而合成蛋白質(zhì)的過程?！懊艽a子”：由三個(gè)堿基組成的代表一個(gè)

7、氨基酸信息的三聯(lián)體mRNA 。組成蛋白質(zhì)的氨基酸有20種，每種氨基酸有16種密碼子，此外還有一個(gè)起始密碼子和三個(gè)終止密碼子。蛋白質(zhì)合成mRNA先與核糖體結(jié)合在一起，然后利用tRNA識(shí)別mRNA上的遺傳密碼，并將所攜帶的三個(gè)特定氨基酸按照mRNA上遺傳密碼的順序送到核糖體上，隨著核糖體在mRNA上不斷移動(dòng)，合成多肽鏈，高度折疊后形成不同生理功能的蛋白質(zhì)。 tRNA 的二級(jí)結(jié)構(gòu)呈三葉草形，它的任務(wù)是搬運(yùn)氨基酸。在tRNA分子中，一方面聯(lián)接著被搬運(yùn)的氨基酸，另一方面通過反密碼子把氨基酸安置到合適的位置上去。 轉(zhuǎn)錄 核苷酸序列核苷酸序列 翻譯 核苷酸序列氨基酸序列中心法則轉(zhuǎn)錄翻譯復(fù)制蛋白質(zhì)分子折疊 哇

8、！ 終于結(jié)束了。2、DNA的復(fù)制 DNA多聚酶參與的半保留式的自我復(fù)制3、DNA的變性和復(fù)性 3.1、DNA的變性天然雙鏈的DNA手熱或其他因素的作用，兩條鏈之間的結(jié)合力被破壞而分開成單鏈的現(xiàn)象。因素：高溫、高pH、尿素等化學(xué)物質(zhì)3、DNA的變性和復(fù)性 3.2、DNA的復(fù)性（退火）變性的DNA溶液經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗笾匦滦纬商烊坏腄NA的過程。復(fù)性的雙鏈隨機(jī)結(jié)合，可以形成雜交DNA。4、RNARNA也是由磷酸、戊糖和堿基三部分組成，所不同的是組成RNA的戊糖為核糖，而且四種堿基中以尿嘧啶（U）代替了胸腺嘧啶（T）。參與遺傳信息的傳遞的RNA包括：信使信使mRNA轉(zhuǎn)運(yùn)tRNA核糖體rRNA反義RNA

9、DNA轉(zhuǎn)錄形成mRNA的功能是將DNA的遺傳信息傳遞到蛋白質(zhì)合成場(chǎng)所核糖核蛋白體傳遞遺傳性tRNA可識(shí)別mRNA上的信息，并將特定的氨基酸送到rRNA上進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成傳遞氨基酸rRNA與蛋白質(zhì)結(jié)合成核糖體蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所。5、微生物生長(zhǎng)與蛋白質(zhì)合成RNA也是由磷酸、戊糖和堿基三部分組成，所不同的是組成RNA的戊糖為核糖，而且四種堿基中以尿嘧啶（U）代替了胸腺嘧啶（T）。參與遺傳信息的傳遞的RNA包括：信使信使mRNA轉(zhuǎn)運(yùn)tRNA核糖體rRNA反義RNAmRNA的功能是將DNA的遺傳信息傳遞到蛋白質(zhì)合成場(chǎng)所核糖核蛋白體傳遞遺傳性tRNA可識(shí)別mRNA上的信息，并將特定的氨基酸送到rRNA上進(jìn)行

10、蛋白質(zhì)的合成傳遞氨基酸rRNA與蛋白質(zhì)結(jié)合成核糖體蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所。第二節(jié) 微生物的變異 一、變異的實(shí)質(zhì)基因突變微生物的DNA被某種因素引起堿基的缺失、置換或者插入，改變了基因內(nèi)部原有的排列順序，從而引起后代表現(xiàn)型的變化。二、突變的類型自發(fā)突變：DNA分子中的堿基對(duì)的變化是在自然條件下自發(fā)進(jìn)行的。概率極低，10-410-101、多因素低劑量的誘變效應(yīng)2、互變異構(gòu)效應(yīng) Normal DNANonsense Mutation二、突變的類型誘發(fā)突變：利用物理或化學(xué)的因素處理微生物群體，促使少數(shù)個(gè)體細(xì)胞的DNA分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，基因內(nèi)部堿基對(duì)配對(duì)發(fā)生錯(cuò)位，使遺傳形狀改變。1、物理誘變 紫外輻射誘變光復(fù)

11、活和暗復(fù)活切除修復(fù)重組修復(fù)SOS修復(fù)適應(yīng)性修復(fù) 劑量和方法：p2212、化學(xué)誘變 使DNA復(fù)制時(shí)堿基配對(duì)轉(zhuǎn)換（亞硝酸等）類似的物質(zhì)代替堿基發(fā)生變異DNA分子上堿基的缺失或插入3、復(fù)合處理及協(xié)同作用 誘變劑之間的協(xié)同作用，效應(yīng)增強(qiáng)4、定向培育和馴化 定向培育人為用某種特定環(huán)境條件長(zhǎng)期處理某種微生物，同時(shí)將其進(jìn)行移種傳代，以達(dá)到積累和選擇合適的自發(fā)突變的育種形式。廢水處理中的馴化過程第三節(jié) 基因重組 基因重組將兩個(gè)具有不同性狀的生物細(xì)胞中的遺傳基因轉(zhuǎn)移到一起，并經(jīng)過遺傳物質(zhì)的重新組合，形成新遺傳型個(gè)體的方式?；蛑亟M不引起堿基結(jié)構(gòu)上的變化（突變），是分子水平上遺傳物質(zhì)的雜交。 基因重組的方式1、轉(zhuǎn)

12、化：受體細(xì)胞直接吸收來自供體細(xì)胞的DNA片段并整合到自己的基因組中，從而獲得了供體細(xì)胞部分遺傳性狀。2、雜交：供體菌和受體菌的完整細(xì)胞經(jīng)直接融合而傳遞大段DNA（包括質(zhì)粒）遺傳信息。3、轉(zhuǎn)導(dǎo)：以噬菌體為媒介把供體細(xì)胞中的DNA片段攜帶到受體細(xì)胞中，從而使后者獲得前者的部分遺傳性狀。 轉(zhuǎn)化需要具有親緣關(guān)系并且處于感受態(tài)（受體菌最容易接受外源DNA片段并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化的一種生理狀態(tài)）。雜交（接合）F因子（質(zhì)粒）是一種獨(dú)立于染色體外的環(huán)狀DNA小分子，可以決定細(xì)菌的性別并編碼4060種蛋白質(zhì)。具有自主的與染色體進(jìn)行同步復(fù)制和轉(zhuǎn)移到其他細(xì)胞中的能力。F因子的菌株在細(xì)胞表面會(huì)產(chǎn)生性傘毛，性傘毛為中空、細(xì)長(zhǎng)的結(jié)

13、構(gòu)，它的功能是在接合過程中轉(zhuǎn)移遺傳物質(zhì)。 細(xì)菌的接合轉(zhuǎn)化R因子即抗藥性因子，使微生物對(duì)某些化學(xué)藥物具有抗性。降解質(zhì)粒使微生物能降解一些復(fù)雜和難降解的有機(jī)物。轉(zhuǎn)導(dǎo) 通過噬菌體作為媒介，把供體細(xì)胞中的DNA片段攜帶到受體細(xì)胞中，從而使后者獲得前者的部分遺傳性狀的現(xiàn)象。 ConjugationTransformationTransduction第四節(jié) 遺傳工程技術(shù)在環(huán)境工程中的應(yīng)用 誘變育種 利用物理、化學(xué)等誘變劑處理微生物，提高其突變率，并從中篩選出具有某一優(yōu)良性狀的突變體?！芭囵B(yǎng)馴化高效菌” 1、質(zhì)粒育種基因的運(yùn)載工具多功能超級(jí)菌解烷抗汞質(zhì)粒菌脫色工程菌：降解偶氮染料菌Q5T菌：御寒的降解甲苯細(xì)

14、菌質(zhì)粒：原核微生物除染色體外的環(huán)狀DNA分子2、基因工程的應(yīng)用供體DNA目的DNA片段質(zhì)粒DNADNA連接酶新的DNA分子受體細(xì)胞新品種用質(zhì)粒構(gòu)建重組DNA分子 其次要把目的基因“裝”到載體中去?！鞍惭b”的過程，需要的關(guān)鍵酶叫限制性內(nèi)切酶。 此酶識(shí)別一定堿基序列，有的還可切出“粘性”末端，使得目的基因和載體的連接非常容易。限制性內(nèi)切酶識(shí)別特定的堿基序列生產(chǎn)基因工程產(chǎn)品的生物反應(yīng)器基因工程的應(yīng)用基因工程被用于大量生產(chǎn)過去難以得到或幾乎不可能得到的蛋白質(zhì)-肽類藥物。生產(chǎn)奶酪的凝乳酶?jìng)鹘y(tǒng)上來自哺乳小牛的胃?，F(xiàn)在可以通過基因工程辦法，用酵母生產(chǎn)凝乳酶，大量用于奶酪制造。哺乳小牛 凝乳酶基因 胃 轉(zhuǎn)入啤

15、酒酵母 凝乳酶 凝乳酶 制造奶酪返回把大鼠生長(zhǎng)因子轉(zhuǎn)入小鼠得到巨大型的轉(zhuǎn)基因小鼠。噴灑工程菌清除石油污染 3、PCR技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用 1985年發(fā)明的特異性的體外擴(kuò)增技術(shù)，實(shí)質(zhì)是體外酶促合成特異性的片斷（Polymease Chain Reaction） 它能快速、特異地?cái)U(kuò)增出任何所希望的目的基因或DNA片段，用于基因克隆、測(cè)序、突變體和重組體的構(gòu)建、基因定位、品系鑒定系統(tǒng)發(fā)育的分析、遺傳病診斷、腫瘤機(jī)制的探查、法醫(yī)鑒定等諸多方面。3、PCR技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用 發(fā)明者M(jìn)illus因此獲得了1993年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。此過程包括加熱變性、退火、延伸三個(gè)階段PCR 把尋找目的基因和擴(kuò)增目的基因兩步操作并成一步。P C R操作流