环境微生物学专业知识培训课件

环境微生物学境微生物学专业知知识“种瓜得瓜，种豆得豆种瓜得瓜，种豆得豆”“龙生龙，凤生凤龙生龙，凤生凤”“老鼠生来会打洞老鼠生来会打洞”说明什么问题说明什么问题?遗传现象遗传现象“一龙生九子，九子各不同一龙生九子，九子各不同”又说明什么问题又说明什么问题?变异现象变异现象2环境微生物学专业知识 亲代的性状在子代表现出来，使子代与亲代有相亲代的性状在子代表现出来，使子代与亲代有相似的现象，叫遗传。从分子水平上讲，遗传就是遗传似的现象，叫遗传。从分子水平上讲，遗传就是遗传信息的复制和表达。信息的复制和表达。生物亲代与子代之间，子代个体之间有差异的现生物亲代与子代之间，子代个体之间有差异的现象，主要体现在形态和生理性状。从分子水平讲，是象，主要体现在形态和生理性状。从分子水平讲，是遗传信息发生了变化。遗传信息发生了变化。遗传遗传遗传遗传（heredityheredity）变异变异变异变异（variationvariation）3环境微生物学专业知识遗传型遗传型遗传型遗传型生物体所携带的全部遗传因子或基因的总称。生物体所携带的全部遗传因子或基因的总称。表表表表型型型型具具有有一一定定遗遗传传性性的的个个体体在在特特定定的的外外界界环环境境中中通通过过生长发育所表现出来的种种形态和生理特征的总和。生长发育所表现出来的种种形态和生理特征的总和。有些基因结构未发生变化仅表型改变不是变异，只能有些基因结构未发生变化仅表型改变不是变异，只能称适应或饰变（称适应或饰变（modificationmodification）。变异是基因结构发生变）。变异是基因结构发生变化，而且往往是不可逆的变化，此变化可以遗传给子代形化，而且往往是不可逆的变化，此变化可以遗传给子代形成新的品种。遗传是相对的，变异是绝对的；遗传中有变成新的品种。遗传是相对的，变异是绝对的；遗传中有变异，变异中有遗传。异，变异中有遗传。4环境微生物学专业知识第一节 微生物的遗传一、一、DNADNA是遗传物质是遗传物质三个经典实验证明了核酸三个经典实验证明了核酸(DNA(DNA和和RNA)RNA)是遗传物质基础。是遗传物质基础。1.1.肺炎链球菌的转化现象肺炎链球菌的转化现象2.2.噬菌体感染实验噬菌体感染实验3.3.植物病毒重建实验植物病毒重建实验5环境微生物学专业知识一、遗传变异的物质基础一、遗传变异的物质基础6环境微生物学专业知识加加S菌菌DNA加加S菌菌DNA及及DNA酶以酶以外的酶外的酶加加S菌的菌的DNA和和DNA酶酶加加S菌的菌的RNA加加S菌的蛋白质菌的蛋白质加加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O.T.Avery、C.M.MacLeod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，并在离体条件下进行了转化试验：并在离体条件下进行了转化试验：7环境微生物学专业知识只只有有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S型型菌菌株株转转移移给给R型型菌菌株株的是遗传因子的是遗传因子,即即DNA。8环境微生物学专业知识3232P P标记噬菌体标记噬菌体DNA DNA 3535S S标记噬菌体的蛋白质外壳标记噬菌体的蛋白质外壳 大多数噬菌大多数噬菌体的体的DNADNA存在存在于细菌中，而于细菌中，而外壳留在上清外壳留在上清液中。液中。噬菌体感染实验噬菌体感染实验9环境微生物学专业知识植物病毒重建实验植物病毒重建实验证明了证明了RNA为遗传物质为遗传物质1956，Fraenkel-conrat用含有用含有RNA的的TMV和和HRV进行了进行了植物病毒重建实验。植物病毒重建实验。10环境微生物学专业知识证明杂种病毒的蛋白质外壳来自证明杂种病毒的蛋白质外壳来自病毒病毒1，而非病毒，而非病毒2生化提取分别获得含生化提取分别获得含RNA的烟草花叶病的烟草花叶病毒蛋白质外壳（病毒毒蛋白质外壳（病毒1）和核酸（病毒）和核酸（病毒2(霍氏车前花叶病毒霍氏车前花叶病毒)杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现为病毒为病毒2，而非病毒，而非病毒1遗传物质是核酸（遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质）而非蛋白质11环境微生物学专业知识核外核外DNA的种类的种类核外染色核外染色体体真真核核生生物物的的“质质粒粒”原原核核生生物物的质粒的质粒线粒体线粒体细胞质基因细胞质基因叶绿体叶绿体（质体）（质体）中心体中心体卡巴颗粒卡巴颗粒酵母菌的酵母菌的2 m质粒质粒F因子因子R因子因子Col质粒质粒Ti质粒质粒巨大质粒巨大质粒降解性质粒降解性质粒12环境微生物学专业知识卡巴颗粒13环境微生物学专业知识(1)DNA(1)DNA由由2 2条反平行的脱氧多核苷酸链构成，两条链条反平行的脱氧多核苷酸链构成，两条链绕同一中心轴盘旋而形成右手双螺旋。绕同一中心轴盘旋而形成右手双螺旋。(2)(2)每条主链由磷酸和脱氧核糖相间连接而成，位于每条主链由磷酸和脱氧核糖相间连接而成，位于螺旋外侧，碱基位于螺旋的内侧，碱基平面与螺旋中螺旋外侧，碱基位于螺旋的内侧，碱基平面与螺旋中心轴垂直，螺旋表面有心轴垂直，螺旋表面有2 2条螺旋形的凹槽：大沟和小沟。条螺旋形的凹槽：大沟和小沟。(3)(3)双螺旋的直径是双螺旋的直径是2nm2nm，沿中心轴每个螺旋周期有，沿中心轴每个螺旋周期有1010个核苷酸对，螺距为个核苷酸对，螺距为3.4nm3.4nm，碱基对之间的距离为，碱基对之间的距离为0.34nm0.34nm。(4)(4)两链间的碱基以氢键互相配对。两链间的碱基以氢键互相配对。A A与与T T配，有配，有2 2个个氢键；氢键；G G与与C C配，有配，有3 3个氢键。个氢键。小沟小沟大沟大沟1.0 nm二、二、DNA的结构与复制的结构与复制14环境微生物学专业知识脱氧脱氧核糖核糖碱基碱基磷酸磷酸A G C T基本单位脱氧核苷酸基本单位脱氧核苷酸15环境微生物学专业知识AGCT腺嘌呤脱氧核苷酸腺嘌呤脱氧核苷酸鸟嘌呤脱氧核苷酸鸟嘌呤脱氧核苷酸胞嘧啶脱氧核苷酸胞嘧啶脱氧核苷酸 胸腺嘧啶脱氧核苷酸胸腺嘧啶脱氧核苷酸脱氧核苷酸的种类脱氧核苷酸的种类16环境微生物学专业知识连连 接接 ATGCATGCDNADNA的化学结构示意图的化学结构示意图17环境微生物学专业知识要点要点(1)DNA(1)DNA由由2 2条反平行的脱氧多核苷酸链构成，两条链条反平行的脱氧多核苷酸链构成，两条链绕同一中心轴盘旋而形成右手双螺旋。绕同一中心轴盘旋而形成右手双螺旋。(2)(2)每条主链由磷酸和脱氧核糖相间连接而成，位于每条主链由磷酸和脱氧核糖相间连接而成，位于螺旋外侧，碱基位于螺旋的内侧，碱基平面与螺旋中螺旋外侧，碱基位于螺旋的内侧，碱基平面与螺旋中心轴垂直，螺旋表面有心轴垂直，螺旋表面有2 2条螺旋形的凹槽：大沟和小条螺旋形的凹槽：大沟和小沟。沟。(3)(3)双螺旋的直径是双螺旋的直径是2nm2nm，沿中心轴每个螺旋周期有，沿中心轴每个螺旋周期有1010个核苷酸对，螺距为个核苷酸对，螺距为3.4nm3.4nm，碱基对之间的距离为，碱基对之间的距离为0.34nm0.34nm。(4)(4)两链间的碱基以氢键互相配对。两链间的碱基以氢键互相配对。A A与与T T配，有配，有2 2个个氢键；氢键；G G与与C C配，有配，有3 3个氢键。个氢键。18环境微生物学专业知识双螺旋结构有双螺旋结构有A A、B B、Z Z三种类型。三种类型。A A型螺旋比型螺旋比B B型螺旋拧得紧一些。型螺旋拧得紧一些。Z Z型螺旋是左手螺旋。型螺旋是左手螺旋。但目前公认但目前公认B B型螺旋是最接近天然状型螺旋是最接近天然状态的态的DNADNA结构，也是细胞内结构，也是细胞内DNADNA的主要存的主要存在形式。在形式。19环境微生物学专业知识 特定的种或菌株的特定的种或菌株的DNADNA分子，其分子，其碱基顺序碱基顺序固定不变固定不变，保证了，保证了遗传的稳定性遗传的稳定性。一旦一旦DNADNA的个别部位发生了碱基排列顺序的个别部位发生了碱基排列顺序的变化的变化,都会导致死亡或发生遗传性状的改都会导致死亡或发生遗传性状的改变。例如变。例如:在特定部位丢掉一个或一小段碱基在特定部位丢掉一个或一小段碱基增加一个或一小段碱基增加一个或一小段碱基改变了改变了DNADNA链的长短和碱基顺序链的长短和碱基顺序20环境微生物学专业知识a.a.氢氢键键。两两条条链链间间碱碱基基的的相相互互作作用用，A A与与T T间间两两个个氢氢键键，G G与与C C间间三三个个氢氢键键，虽虽然然氢氢键键是是一一个个弱弱键键，但但DNADNA中中氢氢键键数数量量大大，所所以以氢键是氢键是比较重要的因素比较重要的因素。b.b.碱碱基基堆堆积积力力(base(base stacking stacking action)action)。是是一一条条链链上上相相邻邻两两个个平平行行碱碱基基环环间间的的相相互互作作用用，这这是是来来自自芳芳香香族族碱碱基基键键电电子子之之间间的的相相互互作作用用，是是维维持持DNADNA双双螺螺旋旋稳稳定定的的主主要要因因素素。碱碱基基堆堆积使双螺旋内部形成疏水核心，从而有利于碱基间形成氢键。积使双螺旋内部形成疏水核心，从而有利于碱基间形成氢键。c.c.离离子子键键。DNADNA分分子子中中磷磷酸酸基基团团在在生生理理条条件件下下解解离离，使使DNADNA成成为为一一种种多多阴阴离离子子，这这有有利利于于与与带带正正电电荷荷的的组组蛋蛋白白或或介介质质中中的的阳阳离离子子间间形形成成静静电电作作用用，能能减减少少双双链链间间的的静静电电排排斥斥，有有利利于于双双螺螺旋旋的稳定的稳定。DNADNA双螺旋结构的稳定因素双螺旋结构的稳定因素21环境微生物学专业知识（3 3）三股螺旋结构的）三股螺旋结构的DNADNA a.a.科科学学家家在在实实验验室室设设计计并并合合成成由由15-2515-25个个核核苷苷酸酸组组成成的的短短链链反反义义核核酸酸，这这些些反反义义核核酸可被绑到酸可被绑到DNADNA中形成三股螺旋的中形成三股螺旋的DNADNA。b.1992b.1992年我国科学家首先发现具有三股年我国科学家首先发现具有三股螺旋的天然螺旋的天然DNADNA，已被国际公认。，已被国际公认。22环境微生物学专业知识3 3、DNADNA的三级结构的三级结构超螺旋超螺旋 DNA DNA的三级结构是指的三级结构是指双螺旋基础上分子双螺旋基础上分子的进一步扭曲或再次螺旋所形成的构象。的进一步扭曲或再次螺旋所形成的构象。其中，超螺旋其中，超螺旋(superhelix)(superhelix)是最常见也是最常见也是研究最多的是研究最多的DNADNA三级结构。三级结构。23环境微生物学专业知识 细胞内的细胞内的DNADNA主要以超螺旋形式存在。主要以超螺旋形式存在。当当超超螺螺旋旋DNADNA的的一一条条链链上上出出现现一一个个缺缺口口时时，超超螺旋结构就会松开，而形成开环型结构。螺旋结构就会松开，而形成开环型结构。a.a.为直线型双螺旋结构；为直线型双螺旋结构；b.b.为开环型结构；为开环型结构；c.c.为闭环型为闭环型超螺旋结构超螺旋结构24环境微生物学专业知识(一一)DNA的存在形式的存在形式1 1、真核生物真核生物：真核生物：真核生物(人、人、高等动物、植物、真菌、藻高等动物、植物、真菌、藻类及原生动物类及原生动物)的的DNADNA和组蛋和组蛋白等白等组成染色体组成染色体，少的几个，少的几个，多的几十或更多，染色体多的几十或更多，染色体呈呈丝状结构丝状结构，细胞内所有染色，细胞内所有染色体体由核膜包裹成一个细胞核由核膜包裹成一个细胞核。2 2、原核微生物原核微生物：原核微生物的：原核微生物的DNADNA只与很少量的蛋白质结合，也没只与很少量的蛋白质结合，也没有核膜包裹，单纯由一条有核膜包裹，单纯由一条DNADNA细丝构成环状的染色体，位于细胞的细丝构成环状的染色体，位于细胞的中央，高度折叠形成具有空间结构的一个中央，高度折叠形成具有空间结构的一个核区核区。25环境微生物学专业知识（二）、基因及遗传信息传递基因是一切生物体内储存遗传信息的、有自我复制基因是一切生物体内储存遗传信息的、有自我复制能力的遗传功能单位。它是能力的遗传功能单位。它是DNA分子上一个具有特分子上一个具有特定碱基顺序，即核苷酸顺序的片断。定碱基顺序，即核苷酸顺序的片断。26环境微生物学专业知识(2)(2)分类分类(按功能分按功能分)(a)(a)结构基因：编码蛋白质或酶的结构，控制蛋白质或酶结构基因：编码蛋白质或酶的结构，控制蛋白质或酶的合成，但的合成，但tRNAtRNA和和rRNArRNA基因不编码蛋白质；基因不编码蛋白质；如，大肠杆菌三种有关利用乳糖的酶是由三个结构基因决定的；(b)(b)操纵基因或操纵区：它的功能像操纵基因或操纵区：它的功能像“开关开关”，操纵三个操纵三个结构基因结构基因的表达；的表达；(c)(c)调节基因，它是调节基因，它是控制结构基因控制结构基因的。由调节基因决定一的。由调节基因决定一种阻抑蛋白封闭操纵区的作用，使三个结构基因都不能表种阻抑蛋白封闭操纵区的作用，使三个结构基因都不能表达，阻抑了酶的合成。达，阻抑了酶的合成。当培养基中有乳糖时阻抑蛋白失活，不能封闭操纵基因，因而结构基因得以表达，合成能利用乳糖的酶。o.o.操纵基因；操纵基因；a,b,ca,b,c结构基因；结构基因；R.R.调节基因；调节基因；L.L.乳糖；乳糖；A.B.CA.B.C蛋白质蛋白质 27环境微生物学专业知识(三)、DNA的复制 半半保保留留复复制制以以亲亲代代DNA分分子子的的两两条条链链为为模模板板合合成成各各自自的的互互补补链链，形形成成两两个个子子代代的的DNA分分子子的的过过程程称称为为复复制制，这这个个过过程程是是半半保保留留复复制制即即合合成成新新的的DNA分分子子时时，子子代代DNA的的一一条条链链来来自自亲亲代代，另另一一条条链为新合成的互补链。链为新合成的互补链。28环境微生物学专业知识 首首先先是是DNADNA分分子子中中的的两两条条互互补补的的多多核核苷苷酸酸链链之之间间的的氢氢键键断断裂裂，彼彼此此分分开开成成两两条条单单链链，然然后后各各自自以以原原有有的的多多核核苷苷酸酸链链为为模模板板，根根据据碱碱基基配配对对的的原原则则吸吸收收细细胞胞中中游游离离的的核核苷苷酸酸，按按照照原原有有链链上上的的碱碱基基排排列列顺顺序序，各各自自合合成成出出一一条条新新的的互互补补的的多多核核苷苷酸酸链链，新新合合成成的的一一条条多多核核苷苷酸酸链链和和原原有有的的多多核核苷苷酸酸链链又可以氢键连接成新的双螺旋结构。又可以氢键连接成新的双螺旋结构。半保留复制半保留复制DNADNA两条链都作为模板合成两条链都作为模板合成两条新链两条新链 29环境微生物学专业知识30环境微生物学专业知识三、三、DNA的变性和复性的变性和复性核酸变性：是指核酸双螺旋结构解开，氢键断裂，但并不涉及核苷酸间磷酸二酯键的断裂。DNA的复性：变性DNA在适当条件下，又可使两条彼此分离的链重新缔合而形成双螺旋结构，这一过程又称为退火。复性后的DNA可基本恢复一系列的理化性质，生物学活性也可得到部分恢复。31环境微生物学专业知识 引引起起变变性性的的外外部部因因素素：加加热热、极极端端的的pHpH、有有机机溶溶剂剂、尿尿素素和和甲甲硫硫胺胺等等。它它们们都都能能破破坏坏氢氢键、疏水键、碱基堆积力，从而破坏双螺旋。键、疏水键、碱基堆积力，从而破坏双螺旋。DNA DNA的变性可发生在一个很窄的温度范围内。的变性可发生在一个很窄的温度范围内。32环境微生物学专业知识DNADNA的变性和复性图的变性和复性图 图图 6-7 DNA 6-7 DNA的解链曲线的解链曲线经加热成单链经加热成单链DNADNA双链双链DNADNA重新形成重新形成图图 6-8 6-8 变性变性DNADNA重新形成双链重新形成双链DNADNA的过程的过程缓慢冷却缓慢冷却单链单链DNADNA熔解熔解DNADNA双链双链DNADNAT Tm m=92.6=92.6 温度温度/DNA变性和蛋白质变性的区别？变性和蛋白质变性的区别？33环境微生物学专业知识三、三、RNA RNA 1 1、DNADNA与与RNARNA的区别的区别(1)RNA(1)RNA的戊糖为核糖，的戊糖为核糖，DNADNA的为脱氧核糖；的为脱氧核糖；(2)RNA(2)RNA的四种碱基中没有胸腺嘧啶的四种碱基中没有胸腺嘧啶(T)(T)，以尿嘧，以尿嘧啶啶(uracil,(uracil,简称简称U)U)代替；即为代替；即为A A、C C、G G、U U；(3)RNA(3)RNA是单链自身回折结构；碱基配对：是单链自身回折结构；碱基配对：A AU U，G GC C。34环境微生物学专业知识2 2、RNARNA的种类的种类 (1)(1)mRNAmRNA(messenger RNA)(messenger RNA)：约占总：约占总RNARNA量的量的5 5。其上带有指导氨基酸的信息密码其上带有指导氨基酸的信息密码(三联密码子三联密码子)，作用作用是是翻译氨基酸翻译氨基酸，将遗传信息，将遗传信息从从DNADNA传到蛋白质传到蛋白质，在肽链合成中起在肽链合成中起决定氨基酸排列顺序决定氨基酸排列顺序的的模板模板作用。作用。(2)(2)tRNAtRNA(transfer RNA)(transfer RNA)：约占总：约占总RNARNA的的1515，相，相对分子量较小，游离于胞质中。其上有和对分子量较小，游离于胞质中。其上有和mRNAmRNA互互补的反密码子，能补的反密码子，能识别氨基酸识别氨基酸及及识别识别mRNAmRNA上的密上的密码子码子，在，在tRNA-tRNA-氨基酸合成酶的作用下氨基酸合成酶的作用下传递氨基酸传递氨基酸(实际上是起翻译作用实际上是起翻译作用)。35环境微生物学专业知识(3)(3)rRNArRNA(ribosomal RNA)(ribosomal RNA)：约占总：约占总RNARNA量的量的8080，相对分子量较高，是相对分子量较高，是核糖体的组成成分核糖体的组成成分(占占6060左左右右)，核糖体是蛋白质合成，核糖体是蛋白质合成(翻译翻译)的场所。的场所。(4)(4)反义反义RNARNA：能与：能与DNADNA的碱基互补，并能阻止、的碱基互补，并能阻止、干扰复制转录和翻译的短小的干扰复制转录和翻译的短小的RNARNA。36环境微生物学专业知识第二位置第二位置第第一一位位置置mRNAmRNA的的55端端U UU UC CA AG GU UC CA AG G第第三三位位置置mRNAmRNA的的33端端UUU UUU 苯丙氨酸苯丙氨酸UUC UUC 苯丙氨酸苯丙氨酸UUA UUA 亮氨酸亮氨酸UUG UUG 亮氨酸亮氨酸UCU UCU 丝氨酸丝氨酸UCC UCC 丝氨酸丝氨酸UCA UCA 丝氨酸丝氨酸UCG UCG 丝氨酸丝氨酸UAU UAU 酪氨酸酪氨酸UAC UAC 酪氨酸酪氨酸UAA UAA 终止终止UAG UAG 终止终止UGU UGU 半胱氨酸半胱氨酸UGC UGC 半胱氨酸半胱氨酸UGA UGA 终止终止UGG UGG 色氨酸色氨酸C CCUU CUU 亮氨酸亮氨酸CUC CUC 亮氨酸亮氨酸CUA CUA 亮氨酸亮氨酸CUG CUG 亮氨酸亮氨酸CCU CCU 脯氨酸脯氨酸CCC CCC 脯氨酸脯氨酸CCA CCA 脯氨酸脯氨酸CCG CCG 脯氨酸脯氨酸CAU CAU 组氨酸组氨酸CAC CAC 组氨酸组氨酸CAA CAA 谷氨酰氨谷氨酰氨CAG CAG 谷氨酰氨谷氨酰氨CGU CGU 精氨酸精氨酸CGC CGC 精氨酸精氨酸CGA CGA 精氨酸精氨酸CGG CGG 精氨酸精氨酸U UC CA AG GA AAUU AUU 异亮氨酸异亮氨酸AUC AUC 异亮氨酸异亮氨酸AUA AUA 异亮氨酸异亮氨酸AUG AUG 甲硫氨酸甲硫氨酸ACU ACU 苏氨酸苏氨酸ACC ACC 苏氨酸苏氨酸ACA ACA 苏氨酸苏氨酸ACG ACG 苏氨酸苏氨酸AAU AAU 天门冬酰氨天门冬酰氨AAC AAC 天门冬酰氨天门冬酰氨AAA AAA 赖氨酸赖氨酸AAG AAG 赖氨酸赖氨酸AGU AGU 丝氨酸丝氨酸AGC AGC 丝氨酸丝氨酸AGA AGA 精氨酸精氨酸AGG AGG 精氨酸精氨酸U UC CA AG GG GGUU GUU 缬氨酸缬氨酸GUC GUC 缬氨酸缬氨酸GUA GUA 缬氨酸缬氨酸GUG GUG 缬氨酸缬氨酸GCU GCU 丙氨酸丙氨酸GCC GCC 丙氨酸丙氨酸GCA GCA 丙氨酸丙氨酸GCG GCG 丙氨酸丙氨酸GAU GAU 天门冬氨酸天门冬氨酸GAC GAC 天门冬氨酸天门冬氨酸GAA GAA 谷氨酸谷氨酸GAG GAG 谷氨酸谷氨酸GGU GGU 甘氨酸甘氨酸GGC GGC 甘氨酸甘氨酸GGA GGA 甘氨酸甘氨酸GGG GGG 甘氨酸甘氨酸U UC CA AG G四、遗传密码四、遗传密码37环境微生物学专业知识图图6-10 6-10 生长期细菌群体的生长期细菌群体的RNARNA、DNADNA和蛋白质含量的变化和蛋白质含量的变化五、微生物生长与蛋白质合成38环境微生物学专业知识2 2、蛋白质合成过程、蛋白质合成过程 (1)(1)复制：决定该种蛋白质分子结构的相应一段复制：决定该种蛋白质分子结构的相应一段DNADNA链链(结构基因结构基因)的自我复制；的自我复制；(2)(2)转录：蛋白质不能直接由转录：蛋白质不能直接由DNADNA合成，而通过合成，而通过DNADNA的副本的副本RNARNA合成。转录是双链合成。转录是双链DNADNA分开，以其分开，以其中的一条单链为模板转录出一条中的一条单链为模板转录出一条mRNAmRNA。新转录的。新转录的mRNAmRNA链的核苷酸碱基的排列顺序与模板链的核苷酸碱基的排列顺序与模板DNADNA链的链的核苷酸碱基排列顺序互补。同样，也可以核苷酸碱基排列顺序互补。同样，也可以DNADNA分分子的某些部分核苷酸碱基顺序转录成子的某些部分核苷酸碱基顺序转录成tRNAtRNA和和rRNArRNA。39环境微生物学专业知识(3)(3)翻译：翻译是由翻译：翻译是由tRNAtRNA完成的，完成的，tRNAtRNA链上有与链上有与mRNAmRNA链上对氨基酸顺序编码的核苷酸碱基顺序链上对氨基酸顺序编码的核苷酸碱基顺序(密码子密码子)互补的反密码子互补的反密码子 tRNA tRNA具有特定识别作用的两端：具有特定识别作用的两端：一端一端识别特定识别特定的、在的、在ATPATP和氨基酸合成酶作用下被活化的氨基和氨基酸合成酶作用下被活化的氨基酸，并与之暂时结合形成氨基酸酸，并与之暂时结合形成氨基酸tRNAtRNA的结合分的结合分子。子。另一端另一端有三个核苷酸碱基顺序组成反密码子。有三个核苷酸碱基顺序组成反密码子。tRNAtRNA上的反密码子能识别上的反密码子能识别mRNAmRNA上的与之互补的密上的与之互补的密码子，并与之暂时结合。码子，并与之暂时结合。40环境微生物学专业知识(4)(4)蛋白质合成：通过两端识别作用，把特定氨蛋白质合成：通过两端识别作用，把特定氨基酸转送到一定位置上，使不同的氨基酸按照基酸转送到一定位置上，使不同的氨基酸按照mRNAmRNA上的碱基顺序连接起来，在多肽合成酶的作上的碱基顺序连接起来，在多肽合成酶的作用下合成多肽链用下合成多肽链(mRNA(mRNA的碱基顺序决定了多肽链的碱基顺序决定了多肽链上氨基酸的排列顺序上氨基酸的排列顺序)，多肽链合成后组成特定，多肽链合成后组成特定的蛋白质结构。的蛋白质结构。41环境微生物学专业知识图图6-11 6-11 原核微生物的原核微生物的DNADNA转录为转录为mRNAmRNA示意图示意图注：图中启动子即启动密码，终止子即终止密码注：图中启动子即启动密码，终止子即终止密码 42环境微生物学专业知识图图6-13 6-13 真核微生物的真核微生物的DNADNA转录（转录（mRNAmRNA合成）合成）43环境微生物学专业知识原核生物与真核生物RNA转录的区别1.真核生物RNA的转录是在细胞核内，翻译在细胞质中进行；原核生物则在核区同时进行转录和翻译；2.真核生物一个mRNA只编码一个基因；原核生物一个mRNA编码多个基因；3.真核生物有RNA聚合酶、等三种不同的酶；原核生物则只有一种RNA聚合酶；4.真核生物中转录的起始更复杂，RNA的合成需要转录因子的协助进行转录；原核生物则较为简单；5.真核生物的mRNA 转录后进行加工，然后运送到细胞质中进行翻译；原核生物无需进行加工，边转录边翻译。44环境微生物学专业知识原核生物转录水平的调控-乳糖操纵子模型1.调节基因和结构基因.45环境微生物学专业知识2 调控位点 (1)Operator 操纵基因 (2)CAP(catabolite gene activation protein)or CRP(cAMP受体蛋白)结合位点 (3)Promotor3 别乳糖为诱导物4 本底组成型(background constitutive synthesis)组成型(constitutive gene)即看家基因（Houskeeping gene)46环境微生物学专业知识未发现47环境微生物学专业知识乳糖48环境微生物学专业知识49环境微生物学专业知识50环境微生物学专业知识第二节 微生物的变异51环境微生物学专业知识一一、变变异异的的实实质质基因突变基因突变基基基基因因因因突突突突变变变变：DNADNA因因某某种种因因素素引引起起碱碱基基的的缺缺失失、置置换换或或插插入入，改改变变了了基基因因内内部部原原有有的的碱碱基基排排列列顺顺序序，从从而而引引起起其后代表型的改变其后代表型的改变.二、突变的类型二、突变的类型 （一一）自自发发突突变变:指指微微生生物物在在自自然然条条件件下下，没没有有人工参与而发生的基因突变人工参与而发生的基因突变52环境微生物学专业知识（二）诱发突变（二）诱发突变 指指在在细细菌菌的的环环境境中中加加入入理理化化因因素素而而诱诱导导细细菌菌发发生的突变。生的突变。凡凡提提 高高突突变变 率率的的 理理化化因因 子子都都可可称称诱诱变变剂剂（mutagenmutagen）1 1、物理诱变、物理诱变:（1 1）紫外辐射诱变作用机制：紫外辐射诱变作用机制：主主要要的的生生物物效效应应是是DNADNA吸吸收收紫紫外外辐辐射射，引引起起DNADNA结结构构的的变变化化。引引起起DNADNA结结构构的的变变化化有有很很多多方方面面：DNADNA断断裂裂、DNADNA交交联联、DNADNA与与蛋蛋白白质质交交联联、胞胞嘧嘧啶啶与与鸟鸟嘌嘌呤的水合作用及嘧啶二聚体的形成。呤的水合作用及嘧啶二聚体的形成。53环境微生物学专业知识（2 2）DNADNA损伤的修复损伤的修复光复活和暗复活光复活和暗复活 光光复复活活：光光裂裂合合酶酶在在可可见见光光下下（300-500nm300-500nm）会会因因获获得得光光能能而而发发生生解解离离从从而而使使二二聚聚体体重重新新分分解解成单体。成单体。暗复活：切除修复和重组修复暗复活：切除修复和重组修复54环境微生物学专业知识切除修复：切除修复：需需要要三三种种酶酶协协同同作作用用，不不需需要要可可见见光光的的激激活活。首首先先在在二二聚聚体体两两侧侧核核酸酸内内切切酶酶作作用用下下造造成成单单链链断断裂裂并并切切除除二二聚聚体体。DNADNA聚聚合合酶酶I I作作用用下下修修复复，最最后后DNADNA连接酶缝合新合成的连接酶缝合新合成的DNADNA片段和原片段和原DNADNA片段。片段。重组修复：重组修复：必必须须在在DNADNA进进行行复复制制的的情情况况下下进进行行，所所以以又又称称复复制制后后修修复复。大大肠肠杆杆菌菌可可以以在在不不切切除除胸胸腺腺二二聚聚体体情情况况下下以以带带有有二二聚聚体体的的这这一一单单链链为为模模板板而而合合成成互互补补单单链链，但但在在二二聚聚体体附附近近留留下下了了一一个个空空隙隙，经经过过染染色色体体交交换换，使使空空隙隙部部分分面面对对正正常常单单链链，DNADNA聚聚合合酶和连接酶将此修复。酶和连接酶将此修复。55环境微生物学专业知识 SOS SOS修复：修复：DNA DNA大范围损失作为一种求救信号引发设计大范围损失作为一种求救信号引发设计DNADNA修复的多种细胞功能参加的诱导作用。正常的修复的多种细胞功能参加的诱导作用。正常的SOSSOS系统被系统被LexALexA蛋白所抑制，蛋白所抑制，DNADNA损伤时激活损伤时激活RecARecA蛋白蛋白酶活性，使酶活性，使LexALexA蛋白失活，启动蛋白失活，启动SOSSOS系统。一旦修系统。一旦修复完成，复完成，SOSSOS系统关闭。系统关闭。SOSSOS系统是一种倾向差错的系统是一种倾向差错的DNADNA修复机制，可造成突变。修复机制，可造成突变。适应性修复：适应性修复：细菌由于长期接触低剂量诱变剂会产生修复细菌由于长期接触低剂量诱变剂会产生修复蛋白酶，修复蛋白酶，修复DNADNA上因甲基化而遭受的损伤。上因甲基化而遭受的损伤。56环境微生物学专业知识2 2、化学诱变、化学诱变 化学诱变可造成碱基对的置换化学诱变可造成碱基对的置换 转转换换（transitiontransition）：嘌嘌呤呤被被另另一一嘌嘌呤呤或或嘧嘧啶啶被被另另一嘧啶取代。一嘧啶取代。颠换颠换（transversiontransversion）：）：嘌呤被嘧啶取代。嘌呤被嘧啶取代。化学诱变对化学诱变对DNADNA的作用形式有三类：的作用形式有三类：（1 1）直接引起置换的诱变剂）直接引起置换的诱变剂 是是一一类类可可直直接接与与核核酸酸碱碱基基发发生生化化学学反反应应的的诱诱变变剂剂。可可与与一一个个或或几几个个核核苷苷酸酸发发生生化化学学反反应应，引引起起DNADNA复复制制时时碱基配对的转换。碱基配对的转换。57环境微生物学专业知识亚硝酸可使碱基发生氧化脱氨，使腺嘌呤亚硝酸可使碱基发生氧化脱氨，使腺嘌呤A A转变为次黄转变为次黄嘌呤嘌呤H H，胞嘧啶，胞嘧啶C C变成尿嘧啶变成尿嘧啶U U，引起，引起A=TA=T向向G=CG=C转换转换 腺嘌呤氧化脱氨后形成烯醇式次黄嘌呤（腺嘌呤氧化脱氨后形成烯醇式次黄嘌呤（HeHe）He He通过互变异构效应形成酮式次黄嘌呤（通过互变异构效应形成酮式次黄嘌呤（HKHK）DNADNA复制时，复制时，HK HK 与胞嘧啶（与胞嘧啶（C C）配对配对 DNADNA第二次复制时，第二次复制时，C C与与G G正常配对，实现了转换。正常配对，实现了转换。58环境微生物学专业知识（2 2）间间接接引引起起置置换换的的诱诱变变剂剂：这这类类诱诱变变剂剂是是一一些些碱碱基基类类似似物物，5-5-溴溴尿尿嘧嘧啶啶（5-Bu5-Bu）、5-5-氨氨基基尿尿嘧嘧啶啶（5-Au5-Au）、8-8-氮氮鸟鸟嘌嘌呤呤（8-NG8-NG）、2-2-氨氨基基嘌嘌呤呤（2-2-APAP）等等。它它们们的的作作用用是是通通过过活活细细胞胞的的代代谢谢活活动动掺掺入入到到DNADNA分子后引起的，因此是间接的。分子后引起的，因此是间接的。（3 3）引引起起移移码码突突变变的的诱诱变变剂剂：由由诱诱变变剂剂引引起起DNADNA分分子子中中的的一一个个或或少少数数几几个个核核苷苷酸酸的的增增添添、插插入入或或缺缺失失，从从而而使使该该部部位位后后面面的的全全部部遗遗传传密密码码发发生生转转录录和和转转译译错误的一类突变。错误的一类突变。59环境微生物学专业知识3 3、复合处理及协同效应、复合处理及协同效应 两种或多种诱变剂先后使用；两种或多种诱变剂先后使用；同一种诱变剂重复使用；同一种诱变剂重复使用；两种或多种诱变剂同时使用两种或多种诱变剂同时使用4 4、定向培育与驯化、定向培育与驯化:用用某某一一特特定定环环境境长长期期处处理理某某一一微微生生物物群群体体，不不断断移移种种传传代代，从从中中选选择择具具有有合合格格性性状状的的自自发发突突变变体体。因因自自发发突突变变率低，变异程度低，培育进程很缓慢。率低，变异程度低，培育进程很缓慢。环境工程中仍采用定向培育的方法培育菌种环境工程中仍采用定向培育的方法培育菌种驯化。驯化。60环境微生物学专业知识第三节 基因重组61环境微生物学专业知识一、定义 两个独立基因组内的遗传基因，通两个独立基因组内的遗传基因，通过一定的途径转移到一起，形成新的稳过一定的途径转移到一起，形成新的稳定基因组的过程，称为定基因组的过程，称为基因重组基因重组(gene recombination)或遗传重组(genetic recombination)，简称重组。可通过杂交、转化等手段达到基因重组。可通过杂交、转化等手段达到基因重组。62环境微生物学专业知识二、杂交(接合)杂杂交交是是通通过过双双亲亲细细胞胞的的融融合合，使使整整套套染染色色体体的的基基因因重重组组(如如酵酵母母菌菌和和霉霉菌菌等等)，或或者者是是通通过过双双亲亲细细胞胞的的沟沟通通，使使部部分分染染色色体体基基因因重重组组(如细菌如细菌)。在真核微生物和原核微生物中可通过杂交在真核微生物和原核微生物中可通过杂交获得有目的的、定向的新品种获得有目的的、定向的新品种。如含有固氮基。如含有固氮基因的肺炎克氏杆菌因的肺炎克氏杆菌(Klebsiella pneumoniaeKlebsiella pneumoniae)的固氮基因传递给大肠杆菌，产生了含有固氮的固氮基因传递给大肠杆菌，产生了含有固氮基因并有固氮能力的基因并有固氮能力的nifnif+大肠杆菌，对农业生大肠杆菌，对农业生产和缺氮的工业废水处理很有意义。产和缺氮的工业废水处理很有意义。63环境微生物学专业知识三、转化(transformation)（引（引进）进）受受菌菌体体直直接接吸吸收收供供菌菌体体的的DNADNA片片断断而而获获得得后后者者部分遗传性状的现象，称为转化或转化作用。部分遗传性状的现象，称为转化或转化作用。DNA片断新的性状细胞供体细胞研碎微生物转化过程基本过程：微生物转化过程基本过程：19281928年，年，GriffithGriffith发现肺炎链球菌的转化现象发现肺炎链球菌的转化现象,目前已知目前已知有二十多个种的细菌具有自然转化的能力。有二十多个种的细菌具有自然转化的能力。通通过过转转化化方方式式而而形形成成的的杂杂种种后后代代，称称转转化化子子(transformant)(transformant)。64环境微生物学专业知识65环境微生物学专业知识66环境微生物学专业知识四、转导(transduction)（间谍窃（间谍窃取）取）通过通过缺陷噬菌体缺陷噬菌体(defective phage)(defective phage)的媒的媒介，把供体细胞的小片段介，把供体细胞的小片段DNADNA携到受体细胞中，携到受体细胞中，通过交换与整合，使后者获得前者部分遗传通过交换与整合，使后者获得前者部分遗传性状的现象，称为转导。性状的现象，称为转导。由转导作用而获得部分新性状的重组细胞，由转导作用而获得部分新性状的重组细胞，称为转导子称为转导子(transductant)(transductant)。67环境微生物学专业知识第四节第四节 突变体及重组子的检测与筛选突变体及重组子的检测与筛选 人们用某种诱变因子诱导微生物产生突变体，目的是为了从中获得优人们用某种诱变因子诱导微生物产生突变体，目的是为了从中获得优良的目的品种突变体。因此，需要用一定的检测方法检测与筛选。良的目的品种突变体。因此，需要用一定的检测方法检测与筛选。一、突变体的检测一、突变体的检测的方法的方法 （一）直接检测表现型（一）直接检测表现型 直接检测表现型是最简便易行的检测方法。直接检测表现型是最简便易行的检测方法。识别特征：识别特征：光滑型菌落（正常细菌）光滑型菌落（正常细菌）粗糙型菌落（突变株）粗糙型菌落（突变株）通过观察菌落就可识别，直观而又快速。通过观察菌落就可识别，直观而又快速。正常细菌正常细菌 原产原产红色素、红色素、呈呈红色红色的的菌落菌落突变株突变株无色菌落无色菌落诱变诱变 、培养、培养69环境微生物学专业知识图图6-20 6-20 影印平板技术（正常菌影印平板技术（正常菌E.coliE.coli）注：图中红色实心者为正常菌落；蓝色实心者为突变株注：图中红色实心者为正常菌落；蓝色实心者为突变株70环境微生物学专业知识（二）间接检测法（二）间接检测法 有许多的突变体不能用直接检测获得，如高温菌、低有许多的突变体不能用直接检测获得，如高温菌、低温菌、嗜酸菌、嗜碱菌及营养缺陷型的微生物要通过控制温菌、嗜酸菌、嗜碱菌及营养缺陷型的微生物要通过控制培养条件而获得。培养条件而获得。对于转入质粒等的重组子，可以采用抗性进行筛选。对于转入质粒等的重组子，可以采用抗性进行筛选。71环境微生物学专业知识第五节 分子遗传学新技术在环境工程与环境保护中的应用72环境微生物学专业知识一、遗传工程技术在环境保护中的应用一、遗传工程技术在环境保护中的应用（一）质粒育种（一）质粒育种 质质粒粒是是细细菌菌体体内内一一种种独独立立于于染染色色体体外外，与与细细菌菌细细胞胞共共生生能能独独立立复复制制和和稳稳定定地地延延续续遗遗传传的的遗遗传传单单位位，其其基基因因由由环环状状双双链链共共价价闭闭合合DNADNA分分子子组组成成，长长1-200kb1-200kb。不带有重要基因，存在与否不对细菌产生致死效应。不带有重要基因，存在与否不对细菌产生致死效应。不不同同质质粒粒拷拷贝贝数数不不同同，根根据据其其数数目目分分为为严严紧紧型型和和松松弛弛型型两两类类。严严紧紧型型质质粒粒多多半半是是一一些些具具有有自自身身传传递递性性能能力力的的大大质质粒粒，其其DNADNA复复制制与与宿宿主主染染色色体体DNADNA复复制制相相偶偶联联，每每个个细细胞胞仅仅1-21-2个个拷拷贝贝，不不能能充充当当载载体体。松松弛弛型型质质粒粒约约为为10-20010-200个个，DNADNA复复制制不不与与染染色色体体DNADNA偶偶联联复复制制调调控以松弛的方式进行。控以松弛的方式进行。73环境微生物学专业知识 根据质粒的功能可分为抗药性质粒、降解根据质粒的功能可分为抗药性质粒、降解质粒、载体质粒等。质粒、载体质粒等。目前已知的降解质粒有目前已知的降解质粒有4 4类：类：石油降解质粒石油降解质粒 农药降解质粒农药降解质粒 工业污染物降解质粒工业污染物降解质粒 抗重金属离子的质粒抗重金属离子的质粒74环境微生物学专业知识多质粒超级细菌图多质粒超级细菌图图图6-21 6-21 用遗传工程获得多质粒超级细菌用遗传工程获得多质粒超级细菌75环境微生物学专业知识二、基因工程技术在环境保护中的作用二、基因工程技术在环境保护中的作用 基基因因工工程程是是指指在在基基因因水水平平上上的的遗遗传传工工程程，又又叫叫基因剪接或基因剪接或DNADNA体外重组。体外重组。基基因因工工程程育育种种打打破破了了物物种种界界限限，突突破破了了亲亲缘缘关关系系的的限限制制，加加快快突突变变速速度度，并并且且可可以以定定向向突突变变创创造造出出自自然然界界所所没没有有的的生生物物，其其应应用用标标志志着着现现代代遗遗传学已发展到能定向获得遗传性状的新阶段。传学已发展到能定向获得遗传性状的新阶段。76环境微生物学专业知识1 1、目的基因的获得、目的基因的获得2 2、DNADNA体外重组体外重组3 3、将重组体转入受体细胞、将重组体转入受体细胞4 4、重组体克隆的筛选和鉴定、重组体克隆的筛选和鉴定5 5、外外源源基基因因表表达达产产物物的的分分离离与提纯与提纯77环境微生物学专业知识PCRPCR的原理和操作：的原理和操作：1 1、加加热热变变性性：将将待待扩扩增增的的DNADNA置置于于94-94-9595度高温水浴中加热度高温水浴中加热2 2、退退火火：将将加加热热变变性性的的单单链链DNADNA溶溶液液的的温温度度缓缓慢慢下下降降至至5555度度，引引物物DNADNA碱碱基基与单链模板与单链模板DNADNA配对配对3 3、延延伸伸：冷冷至至延延伸伸温温度度时时，加加入入Taq Taq DNADNA聚合酶反应聚合酶反应1min1min 变变性性复复性性延延伸伸，反反复复25-3025-30次次。将将扩扩增增产产物物进进行行琼琼脂脂糖糖凝凝胶胶电电泳泳并并观观察。察。三、三、PCR技术在环境保护中的应用技术在环境保护中的应用78环境微生物学专业知识PCRPCR在环境微生物学的应用主要集中在：在环境微生物学的应用主要集中在：1 1、研研究究特特定定环环境境中中微微生生物物区区系系的的组组成成、结结构构，分分析析种群动态种群动态2 2、监测环境中特定的微生物如致病菌和工程菌、监测环境中特定的微生物如致病菌和工程菌79环境微生物学专业知识DGGE-微生物多样性变性梯度凝胶电泳（DGGE）:一种分离相似大小DNA片段的电泳方法。即双链DNA在变性剂(如尿素或甲酰胺)浓度或温度梯度增高的凝胶中电泳，随变性剂浓度升高，由于Tm值不同，DNA的某些区域解链，降低其电泳泳动性，导致迁移率下降，从而达到分离不同片段的目的。80环境微生物学专业知识环境样品基因组环境样品基因组DNADNA的提取的提取目标片段的目标片段的PCRPCR扩增扩增DGGEDGGE图谱的分析图谱的分析图像的采集和条带的回收图像的采集和条带的回收DGGE 分析分析电泳前准备工作电泳前准备工作电泳分析电泳分析剥胶、染色剥胶、染色DGGE条带测序条带测序81环境微生物学专业知识细节决定成败！细节决定成败！82环境微生物学专业知识DGGE图谱的聚类分析、相似性分析图谱的聚类分析、相似性分析83环境微生物学专业知识84环境微生物学专业知识第六章-回顾什么是微生物的遗传性和变异性？遗传和变异的物质基什么是微生物的遗传性和变异性？遗传和变异的物质基础是什么？如何得以证明？础是什么？如何得以证明？微生物的遗传基因是什么？微生物的遗传信息是如何传微生物的遗传基因是什么？微生物的遗传信息是如何传递的？递的？DNA是如何复制的？何谓是如何复制的？何谓DNA的变性和复性？的变性和复性？微生物生长过程中蛋白质是如何合成的？细胞是如何分微生物生长过程中蛋白质是如何合成的？细胞是如何分裂的？裂的？微生物变异的实质是什么？微生物突变类型有几种？变微生物变异的实质是什么？微生物突变类型有几种？变异表现在哪些方面？异表现在哪些方面？DNA损伤修复有几种形式？各自如何修复？损伤修复有几种形式？各自如何修复？何谓基因工程？它的操作有几个步骤？何谓基因工程？它的操作有几个步骤？什么叫什么叫PCR技术？有几个操作步骤？技术？有几个操作步骤？85环境微生物学专业知识