第一节 核酸的基本化学组成与结构.ppt
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标题： 第六章 微生物的遗传和变异
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标题： 主要内容：
正文： 核酸的基本化学组成与结构 微生物的遗传 微生物的变异 基因重组 遗传工程技术
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标题： ●1868年，F. Miescher从细胞核中分离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。
第一节 核酸的基本化学组成与结构
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核酸
核苷酸
核苷
磷酸
碱基
戊糖
元素组成： C H O N P
核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖(核糖或脱氧核糖)和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。
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组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为 β-D-2-脱氧核糖;RNA所含的糖则为β-D-核糖。
标题： 一、戊糖
(Gp:) Ribose
(Gp:) Deoxyribose
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二、碱基
1. 嘌呤(Purine)
(Gp:) 1
(Gp:) 2
(Gp:) 3
(Gp:) 4
(Gp:) 5
(Gp:) 6
(Gp:) 9
(Gp:) 7
(Gp:) 8
(Gp:) 腺嘌呤Adenine
(Gp:) A
(Gp:) 鸟嘌呤guanine
(Gp:) G
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2. 嘧啶(Pyrimidine)
(Gp:) 1
(Gp:) 2
(Gp:) 3
(Gp:) 4
(Gp:) 5
(Gp:) 6
(Gp:) 尿嘧啶 uracil
(Gp:) U
(Gp:) 胞嘧啶 cytosine
(Gp:) C
(Gp:) 胸腺嘧啶 thymine
(Gp:) T
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核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。
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三、核苷(nucleoside)
核苷 戊糖+碱基 糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键
(Gp:) 1’
(Gp:) 2’
(Gp:) 3’
(Gp:) 4’
(Gp:) 5’
(Gp:) (OH)
(Gp:) 1’
(Gp:) 2’
(Gp:) 3’
(Gp:) 4’
(Gp:) 5’
(Gp:) (OH)
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假尿苷(ψ) 次黄苷(肌苷)I 黄嘌呤核苷 X 二氢尿嘧啶核苷 D 取代核苷的表示方式 7-甲基鸟苷 m5G
(Gp:) 5
(Gp:) OH
Adenosine Guanosine Cytidine Uridine
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标题： 四、核苷酸(nucleotide) 核苷酸 核苷+磷酸 戊糖+碱基+磷酸
(Gp:) H
(Gp:) H
(Gp:) H
(Gp:) H
(Gp:) H
(Gp:) H
(Gp:) H
(Gp:) H
(Gp:) H
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标题： 五、核苷酸衍生物
正文： 1. 继续磷酸化
(Gp:) AMP
(Gp:) ADP
(Gp:) ATP
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标题： 2.环化磷酸化
cAMP
cGMP
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标题： 3. 肌苷酸及鸟苷酸(强力味精)
4. 辅酶 NAD、NADP、FMN
IMP GMP
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标题： 六、多聚核苷酸(核酸)
正文： 多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3’-OH 与另一分子核苷酸的5’-磷酸基形成3’,5’-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。
(Gp:) 5’
(Gp:) 5’
(Gp:) 3’
(Gp:) 3’
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5′-磷酸端(常用5’-P表示);3′-羟基端(常用3’-OH表示) 多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。
多聚核苷酸的表示方式
DNA RNA
5′PdAPdCPdGPdTOH 3′ 5′PAPCPGPUOH ′ 或5′ACGTGCGT 3′ 5′ACGUAUGU 3′ ACGTGCGT ACGUAUGU
(Gp:) T
(Gp:) 5’
(Gp:) 3’
(Gp:) OH
(Gp:) U
(Gp:) 5’
(Gp:) 3’
(Gp:) OH
(Gp:) OH
(Gp:) OH
(Gp:) OH
(Gp:) OH
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正文： 98%核中(染色体中) 真核 线粒体(mDNA) 核外 叶绿体(ctDNA) DNA 拟核 原核 核外：质粒(plasmid) 病毒：DNA病毒
(Gp:)
核酸分为两大类： 脱氧核糖核酸 Deoxyribonucleic Acid (DNA) 核糖核酸 Ribonucleic Acid(RNA)
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标题： RNA主要存在于细胞质中
正文： 转运RNA ( tRNA) t-RNA约占细胞总RNA的10～15%，也称之为“受体RNA”。 核糖体RNA ( rRNA) r-RNA约占细胞总RNA的80%，是核糖体的核酸。 信使RNA (mRNA) m-RNA约占细胞总RNA的5%左右，为单链结构，不同细胞的m-RNA的链长和分子量的差异很大。
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标题： 第二节 微生物的遗传
正文： 遗传和变异的物质基础——DNA
▲40年代发现了生物的遗传物质是DNA 1928年Griffith经典的转化实验; 1941年Avery的转化补充实验; 1952年Hersey何Chase大肠杆菌T2噬菌体感染大肠杆菌试验; 证明DNA是生物的遗传物质基础。
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正文： ■ DNA的结构与复制
50年代弄清了DNA的双螺旋结构
1953年Watson和Crick建立了DNA的双螺旋结构模型—1957年诺贝尔生理学奖。
▲ DNA的结构
(Francis Crick,1916-2004)(右)和沃森(James Watson,1928-)
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标题： DNA双螺旋结构
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标题： ■DNA双螺旋结构的特点
正文： DNA分子由两条DNA单链组成。 DNA的双螺旋结构是分子中两条DNA单链之间基团相互识别和作用的结果。 双螺旋结构是DNA二级结构的最基本形式。
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标题： 三股螺旋结构的DNA
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标题： DNA的存在形式
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正文： 基因——遗传因子 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DNA分子上一个具有特定碱基顺序、即核苷酸序列的片断。 基因按功能分三种： ①结构基因 ②操纵基因 ③调节基因
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正文： 60年该确定了遗传信息的传递方式
1961年J.Monod和F.Jacob提出了操纵子学说;
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标题： ■遗传信息的传递
正文： 1966年Nireberg破译了遗传密码，叙述了中心法则;
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正文： 基因工程的诞生 理论上的三大发现
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标题： ▲DNA的复制
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标题： ■DNA的变性和复性 DNA变性
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标题： ■DNA复性
正文： 变性DNA在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性。DNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复。 DNA复性的程度、速率与复性过程的条件有关。 将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。但是将变性的DNA缓慢冷却时，可以复性。分子量越大复性越难。浓度越大，复性越容易。此外，DNA的复性也与它本身的组成和结构有关。
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标题： ■DNA复性
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标题： ■ RNA RNA一级结构的特点
正文： tRNA一级结构 tRNA分子具有以下特点： 分子量25000左右，大约由70-90个核苷酸组成，沉降系数为4S左右。 分子中含有较多的修饰成分。 3'-末端都具有CpCpAOH的结构。
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标题： mRNA一级结构
正文： 真核细胞mRNA的3‘-末端有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，称为 “尾结构” ，5’ -末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为” 帽结构“ 。
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标题： rRNA
动物细胞核糖体rRNA有四类：5SrRNA，5.8SrRNA，18SrRNA，28SRNA。许多rRNA的一级结构及由一级结构推导 出来的二级结构都已阐明，但是对许多rRNA的功能迄今仍不十分清楚。
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标题： tRNA的高级结构
正文： 1，tRNA的二级结构 tRNA的二级结构都呈” 三叶草” 形状，在结构上具有某些共同之处，一般可将其分为五臂四环：包括氨基酸接受区、反密码区、二氢尿嘧啶区、T?C区和可变区。除了氨基酸接受区外，其余每个区均含有一个突环和一个臂。
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标题： 2,tRNA的三级结构
正文： 在三叶草型二级结构的基础上，突环上未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对，目前已知的tRNA的三级结构均为倒L型
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标题： 转录
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正文： 微生物生长与蛋白质合成
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标题： RNA与生物遗传信息的表达-蛋白质合成
正文： 首先，DNA通过转录作用，将其所携带的遗传信息(基因)传递给 mRNA, 在三种 RNA(mRNA、tRNA和rRNA)的共同作用下，完成蛋白质的合成。
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标题： 转录过程
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标题： 翻译过程
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正文： 现在已经知道作为多肽合成起始信号的密码子有两个，即甲硫氨酸的密码子(AUG)和氨酸的密码子(GUG)(极少出现)。在大肠杆菌中, 起始密码子AUG 所编码的氨基酸并不是甲硫氨酸本身, 而是甲酰甲硫氨酸。
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标题： 第三节 微生物的变异
正文： 变异的实质——基因突变
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标题： 基因突变
正文： 上述DNA碱基顺序的改变，是DNA在复制过程中出现错误产生的。由于DNA是具有复制功能的分子，一旦DNA碱基顺序出错，它就会通过复制机制遗传下去。 由于DNA碱基顺序的改变引起生物遗传性状显著变化的现象，称为基因“突变”。
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标题： ■突变的类型
正文： 自发突变 ▲多因素低剂量的诱变效应 ▲互变异构效应 诱发突变 ▲物理诱变 ▲化学诱变 ▲复合处理及其协同效应 ▲定向培育和驯化
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标题： (1) DNA分子中碱基互变异构
正文： DNA分子的碱基，存在酮式—烯醇式或氨式—亚胺式互变异构。不同的互变异构体形成氢键的方向和能力不同，有可能导致复制时出现错误。 例如在正常情况下，A(氨式结构)与T(酮式结构)配对;当A以亚胺式存在时(几率非常小)，则与C配对。
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标题： (2) 物理因素
正文： 能够引起基因突变的物理因素主要包括：紫外线(UV)、高能射线和电离辐射等。
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正文： 当DNA受到大剂量紫外线(波长260nm附近)照射时，可引起DNA链上相邻的两个嘧啶碱基共价聚合，形成二聚体，例如TT二聚体。
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标题： 光聚合反应
正文： 胸腺嘧啶碱基在紫外光照射下，可以发生二聚加成反应： 在DNA分子中，如果两个胸腺嘧啶碱基相邻，在紫外光照射下，可能发生上述聚合反应，其结果是破坏了正常复制或转录。
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正文： X-射线以及放射性物质产生的辐射具有很高的能量，能直接引起DNA物理或化学性质的改变。另外，电离辐射将也能使DNA周围环绕的其它分子(主要是水)产生具有很高活性的自由基，这些自由基能够进一步与DNA分子反应，导致DNA结构发生变化。
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标题： (3) 化学因素
正文： 化学因素是引起DNA结构发生变化的最常见因素，主要包括：烷基化试剂，亚硝酸盐以及碱基类似物等。 烷基化试剂能够与DNA分子中的氨基或氧作用，生成烷基化DNA。除了碱基上有多个位置可被烷基化外，DNA链上磷酸二酯键中的氧也容易被烷基化，从而导致DNA链的断裂。
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标题： 烷基化反应
正文： 由于含氧碱基存在酮式和烯醇式的互变异构，烯醇式中的羟基可以被烷基化转变为稳定的烯醇醚。 鸟嘌呤核苷烷基化形成6-甲氧基鸟嘌呤核苷后，不再与C配对，而与T配对。 这种情况将引起DNA的复制、转录及信息表达出现错误。
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标题： 环外氨基的反应
正文： 环外氨基在适当条件下，也可以发生化学反应。 胞嘧啶核苷在亚硝酸作用下，可以形成重氮盐，再转变为尿嘧啶核苷。因此生物体内亚硝酸的存在有可能改变DNA的碱基组成。 腺嘌呤核苷和鸟嘌呤核苷也能发生类似的反应，分别形成次黄嘌呤核苷(I)和黄嘌呤核苷(X)。 这种变化，将影响或改变碱基形成氢键的能力和方向，导致DNA复制错误，是引起基因突变的重要原因之一。
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正文： 碱基类似物是一类结构与核酸碱基相似的人工合成或天然化合物，由于它们的结构与核酸的碱基相似，当这些物质进入细胞后能够掺入到DNA链中，干扰DNA的正常复制和转录。 常见的有碱基衍生物及稠环、稠杂环类化合物。例如5-溴尿嘧啶(5-BU)，它与胸腺嘧啶碱基的结构相似，能取代T与A配对。 又如一种称为二恶英的含氯芳香杂三环化合物(2,3,7,8-四氯-二苯-二恶英，简称TCDD)，是一种具有强烈致癌和致畸物质。它能够进入细胞并与DNA结合，导致DNA复制发生错误，从而可能诱发癌变。
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标题： 2. DNA损伤修复
正文： 光复活 切除修复 重组修复 SOS修复
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标题： 光复活(photoreactivation)
正文： 可见光(最有效波长400nm)激活生物界广泛分布(高等哺乳动物除外)的光复活酶，该酶分解嘧啶二聚体。 是一种高度专一的修复形式，只分解由于UV照射而形成的嘧啶二聚体。
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标题： 切除修复(excision repair)
正文： 即在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤的部分切除掉，并以完整的那一段为模板，合成出切去的部分，从而使DNA恢复正常。这是一种比较普遍的修复机制。 细胞的修复功能对于保护遗传物质DNA不受破坏有重要意义。
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标题： 重组修复(recombination repair)
正文： 又称复制后修复(postreplication repair) 受损伤的DNA在进行复制时，跳过损伤部位，在子代DNA链与损伤相对应部位出现缺口。通过分子间重组，从完整的母链上将相应的碱基顺序片段移至子链的缺口处，然后再用合成的多核苷酸来补上母链的空缺，此过程即重复修复。并非完全校正。
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标题： SOS修复
正文： 指DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式，修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多，又称倾错性修复(Error-Prone Repair )。
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标题： 第三节 基因重组
正文： 杂交： 是通过双亲细胞的融合，使整套染色体的基因重组，或者是通过双亲细胞的沟通，使部分染色体基因重组。 转化： 受体细胞直接吸收来自供体细胞得DNA片断，并把它整合到自己的基因组里，从而获得了供体细胞部分遗传性状的现象。
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其他占位符： 通过温和噬菌体的媒介作用，把供体细胞内特定的基因(DNA片断)携带至受体细胞中，使后者获得前者部分遗传性状的现象。
转导
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标题： 第四节 遗传工程技术在环境工程中的应用
正文： 遗传工程技术在环境工程中的应用
■质粒育种: 将两种或多种微生物通过细胞结合或融合技术，使供体菌的质粒转移到受体内，使受体菌保留自身功能质粒，同时获得供体菌的功能质粒，即培育出具有两种功能质粒的新品种。 ▲多功能超级细菌的构建; ▲工程菌的构建;
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正文： 改变细胞内的关键酶或酶系统： 随着工业发展，大量的合成有机化合物进入环境，其中很大部分难于生物降解或降解缓慢，只是在环境中的停留时间长达数年至数十年。 基因工程为该改变细胞内的关键酶或酶系统提供了可能，从而可以： 提高微生物的降解速率; 拓宽底物的专一性范围; 维持低浓度下的代谢活性; 改善有机污染物降解过程中的生物催化稳定性;
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正文： 设计复合代谢途径; 2，4，6-三硝基甲苯(TNT); 假单胞菌可以利用TNT为唯一碳源，但不能利用甲苯; 将具有甲苯完整降解途径的TOL质粒pWO-Km导入该微生物，可以扩展微生物的代谢能力，构建的新微生物可以是TNT完全降解。
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正文： 拓宽氧化酶的专一性; 三氯乙烯(TCE)某些氧化酶可以进攻该分子，但氧化速率低;甲苯双氧化酶对TCE具有部分活性，但催化过程中易失活;而联苯双氧化酶不能氧化，而基因工程构建的杂和联苯双氧化酶体系可以氧化TCE，且其氧化速度为天然甲苯双合氧化酶的3倍;且稳定性更好，在环境污染物降解方面有大作为。
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正文： 增强无机磷的去除： 活性污泥只能去除城市废水中20%-40%无机磷， 有些细菌能够以聚磷酸盐形式过量积累磷，通过对E.coli polyP激酶基因ppK和再生ATP乙酸激酶基因ackA进行扩增，可以有效的提高E.coli对无机磷的去除能力2-3倍，4h将0.5mol/L的磷酸盐去除约90%。 此结果显示，通过基因工程改进酶的活性，在无机污染物如磷的处理方面也大有潜力。
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标题： ■基因工程技术
正文： 技术上的三大发明： ●工具酶 1970年Smith和Wilcox从流感嗜血杆菌中分离并纯化了限制性核酸内切酶HindⅡ，使DNA分子的切割成为可能。 1967年世界上5个实验室几乎同时发现了DNA连接酶，使DNA裂口的修复成为可能。
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正文： ● 载体 大多数DNA片断不具备自我复制的能力，为了使它们能够在宿主细胞中进行繁殖，必须将DNA片断接到一种特定的，具有自我复制能力的DNA分子上，这种DNA分子就是基因工程载体(vector)。 可作为基因载体的有： 病毒;噬菌体;质粒等不同小分子量的复制子。 最常用的是抗药性R因子质粒分子pBR322和pUC13。
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正文： ●逆转录酶 1970年Baltimore等人同时发现了逆转录酶，打破了中心法则，使真核基因的制备成为可能。 具备了以上的理论和技术基础，基因工程诞生的条件已经成熟。 1972年斯坦福大学的P.Berg等人在世界上第一次实现了DNA体外重组。 猿猴病毒SV40DNA+λ噬菌体DNA---→重组DNA分子; 1973年斯坦福大学地S.Cohen成功地进行了另一个体外重组DNA实验并成功地实现了细菌间性状的转移。 大肠杆菌抗四环素质粒pSC101+抗新霉素质粒R6-3 ---→重组DNA分子----→大肠杆菌(筛选出了抗四环素和抗新霉素的重组菌落 基因工程从此诞生了。
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标题： ●基因工程的内容
正文： 带有目的基因的DNA片断的获取; 在体外将目的基因片断连接到载体分子上，形成重组分子; 重组分子导入受体细胞; 带有重组DNA分子的细胞扩增，获得大量的细胞繁殖群体; 重组体的筛选; 外源基因表达产物的分离与提纯;
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正文： PCR技术在环境工程中的应用
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