水处理生物学第七章2

染色体的形态
真核生物的染色体 原核生物的染色体
原核生物的染色体
一条环状双螺旋DNA长链，附着在横隔中介体或细胞膜上。 细菌基因组中的基因结构是连续的，其排列紧密。几乎无内含子， 仅有的内含子序列也不编码蛋白。
2质粒
(P132) • 质粒(Plasmid)是一种染色体外的稳定遗传因子,大小从1-200kb不等,为双链、闭 环的DNA分子,并以超螺旋状态存在于宿主的细胞质中。是一类小型闭合环状核外 双螺旋DNA分子，能独立于细胞核进行自主复制。上面携带有数个到数十个甚至 上百个基因 • 广义质粒是染色体外能够进行自主复制的遗传单位，包括真核生物的细胞器和细 菌细胞中染色体以外的脱氧核糖核酸(DNA)分子。现在习惯上用来专指细菌、酵 母菌和放线菌等生物中染色体以外的DNA分子。 • 质粒主要发现于细菌、放线菌和真菌细胞（酵母菌）中，它具有自主复制和转录 能力,能在子代细胞中保持恒定的拷贝数,并表达所携带的遗传信息。 • • • 性质： ①可以在细胞质中独立于染色体之外独立存在（游离态），也可以通过交换掺入 染色体上，以附加体（episome）的形式存在； ②质粒是一种复制子（replicon），根据自我复制能力的不同，可把质粒复制的 控制形式分为严紧型和松弛型两种，严紧型质粒的复制受细胞核控制，与染色体

遗传型 （可能性）
+
环境条件
代谢，发育
表型 （现实性）
变异
指生物体在某种外因或内因的作用下所引起 的遗传物质结构或数量的改变，也是遗传型 的改变。
特点：
出现几率低
性状变化幅度大
新性状稳定、可遗传
饰变
• 外表的修饰性改变，即一种不涉及遗传物质结构 改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。

特点：
遗传具有保守性 优点：保障优良性状稳定遗传； 缺点：环境变化，无法适应而死亡。
金 丝 猴 的 后 代 仍 然 是 金 丝 猴
遗传型
• 又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传 因子即基因组所携带的遗传信息。是一种内在的 可能性或潜力。
表（现）型
指某一生物体所具有的一切外表特征和内在特 性的综合，是其遗传性在合适环境条件下通过代谢 和发育而得到的具体表现。是一种现实性。
–可通过细菌间接合进行传递的称接合性耐药质 粒，又称R质粒 –不能通过接合传递的非接合性耐药质粒，但可 通过噬菌体传递。
• 细菌的耐药性与染色体基因突变和R质粒的 接合转移等相关。 • R质粒 耐药传递因子（RTF） • 耐药（r）决定子 • 这两部分可以单独存在，也可结合在一起， 但单独存在时无接合传递R质粒的功能。
3. 基因
存在染色体上，是一切生体内储存遗传信 息的、有自我复制能力的遗传功能单位。 基因特別是指在DNA序列上，能够表現出 功能的部分 基因按功能可分三类：结构基因、操纵区、 调控基因 在人类的所有染色体上，约存在30,000个基 因 有时单一个基因便能控制一种性狀的表現， 然而，大部分的生理性狀，都是由一系列相 关的基因一同调控而表現
• 6 朊病毒的遗传物质（蛋白侵染因子）
二、遗传物质的复制
双链DNA的复制 （半保留复制）
冈崎片断
DNA和RNA的分子结构和复制
R N A 的 分 子 结 构
三、基因表达的调控
生物的遗传信息是以基因的形式储藏在细胞内的DNA(或RNA) 分子中的。随着个体的发育，DNA有序地将遗传信息，通过 转录和翻译的过程转变成蛋白质，执行各种生理生化功能， 完成生命的全过程。从DNA到蛋白质的过程，叫做基因表达 (gene expression)，对这个过程的调节就称为基因表达调控 (gene regulation或gene control)。 通过基因表达，DNA中的遗传信息即可用以决定细胞的表型 和生物形状。但是，基因的表达随着组织细胞及个体发育的 阶段的不同，随着内外环境的变化的不同，而表现为不同的 基因的表达。
–Col质粒编码大肠埃希菌产生大肠菌素
其他质粒
3 细胞器DNA • 4 转位（座）因子
• 是存在于细菌染色体或质粒DNA分子上的一段特异性核苷酸序列片段，它 能在DNA分子中移动，不断改变它们在基因组的位置，能从一个基因组转 移到另一个基因组中。 • 插入序列（insertion sequence,IS） • 是最小的转位因子，长度不超过2kb，不携带任何已知与插入功能无关的 基因区域，往往是插入后与插入点附近的序列共同起作用，可能是原细 胞正常代谢的调节开关之一。 • 转座子（transposon,Tn） – 长度一般超过2kb，除携带与转位有关的基因外，还携带耐药性基因、 抗金属基因、毒素基因及其他结构基因等。因此当Tn插入某一基因 时，一方面可引起插入基因失活产生基因突变，另一方面可因带入 耐药性基因而使细菌获得耐药性。转座子可能与细菌的多重耐药性 有关。
仅含RNA的生物： 以RNA为遗 传物质 如流感病毒、 爱滋病病毒、 烟草花叶病毒 等
动植物
蓝藻
细菌
噬菌体 噬菌体
流感病毒 流感病毒
艾滋病毒 烟草花叶病毒 艾滋病毒 烟草花叶病毒
二、DAN的结构与复制
（一）DNA结构
最经典的结构：双螺旋结构。 沃森、克里克1953年提出。
沃森（左）和克里克与DNA分子双螺旋结构模型
• 转座噬菌体或前噬菌体 • 是一些具有转座功能的溶原性噬菌体，当整合到细菌染色体 上，能改变溶原性细菌的某些生物学性状，如白喉棒状杆菌、 肉毒梭菌等的外毒素就是由转座噬菌体的有关基因所编码的。 另外，转座噬菌体从细菌染色体分离脱落时，可能连带有细 菌的DNA片段，故它还可能在遗传物质转移过程中起载体作 用。 • 5 RNA作为遗传物质
多糖
DNA
RNA
蛋白质
只有DNA引起R型肺炎球菌转化，DNA是其遗传物质
赫西和蔡斯实验——噬菌体侵染细菌的实验
（含P）
（含S）
用放射性同位素35S标记外壳蛋白质
细菌内无放射性
用放射性同位素32P标记内部DNA
细菌内有放射性 表明DNA是遗传物质
植物病毒的重建试验
• 法朗克---康勒特 （ H.Fraenkel-Conrat）1965用 含RNA的烟草花叶病毒（TMV）进行植物病毒重 建实验： • 将TMV放在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将 它的蛋白质外壳和RNA核心分离，发现裸露的 RNA能感染烟草，而蛋白质不感染烟草。 • 选用一株与TMV近缘的霍氏车前花叶病毒HRV进 行实验。
A
G
C
T
磷酸
脱氧 核糖
碱基
A
T
T
A
G
C
C
G
一个DNA分子可包含几十万到几百万 个碱基对，每个碱基之间间距为0.34nm。 每10个碱基组成一个螺旋，螺距3.4nm。 碱基之间一一对应，顺序固定，可以 保证遗传的稳定性。 如果受到干扰，个别碱基排列顺序发 生变化，会导致微生物死亡或变异。
2.DNA的存在形式 主要在细胞核(真核生物)、拟核（原 核生物）中，以染色体形式存在，酸性。 带负电荷，原核生物的负电荷被Mg2＋离子 和有机碱（精胺、亚精胺和腐胺）中和， 真核生物被碱性蛋白质（组蛋白和鱼精蛋 白）所中和。 另外还有质粒、细胞器等。
正常
花叶病
红蓝箭头表示遗传信息的走向
TMV重建试验
上述三个实验可以证明核酸是遗 传物质。
课堂 小结
核酸是一切生物的遗传物质，核酸 包括脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸 （RNA），绝大多数生物都是以DNA作为 遗传物质的，因此DNA是主要的遗传物质。
生物的遗传物质：
含DNA的生物： 如真核生物、原 核生物和只含 DNA的病毒等 以DNA为遗 传物质
几种重要的质粒
• • • • • 致育质粒（F质粒） 耐药质粒 毒力质粒（Vi质粒） 细菌素质粒 代谢质粒（降解质粒）
致育质粒（F质粒）
• 与有性生殖有关 • 带有F质粒的为雄性菌，能长出性菌毛； • 无F质粒的为雌性菌，无性菌毛
耐药性质粒（R因子）
• 编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药 性。
1.DNA的结构
DNA有两条核苷酸链彼此围绕同一根轴互相 盘绕形成，为双螺旋结构。 每个单链均由脱氧核糖－磷酸－脱氧核糖－ 磷酸交替排列构成。每个核苷酸链上都有四 个碱基： T——胸腺嘧啶 A——腺嘌呤 G——鸟嘌呤 C——胞嘧啶 彼此与另一条核苷酸链上的碱基组成碱基对： T—A A—T G—C C—G
4.遗传信息的传递
贮存在DNA上的遗传信息都会转录到RNA上， 通过RNA的翻译作用指导蛋白质的合成，最终 依靠蛋白质体现遗传性状。
遗传信息流动的方向:中心法则
DNA转录形 成mRNA
翻译作用
核糖体
转录作用
三、遗传物质在微生物细胞中的存在形式
D是遗传物NA质，而细胞中的DNA主要集 中在细胞核的染色体上。此外，遗传物质 还可以以质粒等形式存在于细胞核外。 1.染色体 （1）真核生物的染色体。真核生物的染色体主要由DNA和组 蛋白构成，其次含有少量非组蛋白和RNA。 （2）原核生物的染色体。原核生物的染色体一般是裸露的 DNA或RNA分子。它们大多是双链的，呈环状或线状。
DNA复制相伴随,一般一个寄主细胞内只有少数几个（1~5）个拷贝；松弛型质粒
的复制不受细胞核控制，在染色体DNA复制停止的情况下仍可以进行复制，在细 胞内的数量可以达到10~200个或更多。
③可以通过转化、转导或接合作用而由一个细菌细胞转移到另一个菌细 胞中，使两个细胞都成为带有质粒的细胞；质粒转移时，它可以单独转 移，也可以携带着染色体（片段）一起进行转移，所以它可成为基因工 程的载体。 ④编码的基因产物能赋予细菌某些特性（非细菌生命活动不可缺少的） 对于细菌的生存并不是必要的。 ⑤质粒可自行丢失与消除，质粒的丢失不会影响宿主细胞的生存，宿主 细胞丢失的是由质粒携带的遗传信息所编码的（控制）的某些表现性状。 ⑥质粒的相容性与不相容性 两种结构相似密切相关的质粒不能稳定共存于一个宿主菌的现象称为质 粒的不相容性。 几种不同的质粒同时共存于一个菌细胞内则称相容性。 ⑦ 可重组性。不同来源的质粒之间，质粒与染色体之间的基因可以发 生重组，形成新的质粒。 ⑧功能多样化
毒力质粒（Vi质粒）
• 编码与该菌致病性有关的毒力因子。
–如致病性的大肠埃希菌产生的耐热性肠毒素是 由ST质粒编码的。 –细菌粘附定植在肠粘膜表面是由K质粒决定的。
• 代谢质粒（降解质粒） • 编码产生相关的代谢酶。
–沙门菌发酵乳糖的能力通常是由质粒决定的
细菌素质粒
• 编码各种细菌产生的细菌素。
1866年－奧地利孟德尔发表论文《植物杂交实验》，提 出分离律、自由配合律等遗传定律。 1879年－德国生物学家弗来明在细胞核內发现了染色质 1903年－美国细胞学家萨顿发现，细胞染色体的活动方 式，与孟德尔所描述的遗传因子极为类似。 1909年－丹麦的丹麦的植物遗传学家约翰逊开始以“基 因”取代“遗传因子” 1910年－美国遗传学家摩根通过果蝇的研究，证明了基 因存在染色体上 真正确立遗传物质：1944年后的3个著名实验。
多 糖 类 荚 膜
R型菌
（粗糙、 无毒性）
S型菌
（光滑、 有毒性）
将R型活菌注入小鼠体内
一段时间后
将S型活菌注入小鼠体内
一段时间后
将灭活的S型菌注入小鼠体内
一段时间后
将R型活菌与灭活的S型菌注入小鼠体内
一段时间后
细菌发生转化，性状的转化可以遗传。
埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂转化补充实验 从S型肺炎球菌活体上取得蛋白质、 荚膜、DNA、RNA，分别与R型肺炎球 菌混合后注入到小白鼠体内 结果被注入DNA的小白鼠死亡，其它 小白鼠存活。
哪些人用什么方法最终证明了 遗传的物质基础？
1.格里菲斯（F.Griffith）经典转化实验（1928）及埃 弗里、麦克劳德、麦卡蒂等人的转化补充实验（1941）。
2.赫西和蔡斯大肠杆菌T2噬菌体感染大肠杆菌实验。
3.法朗克---康勒特H.Fraenkel-Conrat植物病毒的重建 实验
格里菲斯——肺炎双球菌转化实验
性状变化的幅度小 不遗传
微生物遗传变异的应用
遗传是相对的，变异是绝对的。
• 利用物理因素、化学药物处理微生物提高其变异 频率，可获得具有优异特性的变异菌株。
• 工业废水生物处理中，可以用含有某些污染物的 废水筛选、培养菌种，使其适应并有高效降解其 中污染物能力。
一、遗传和变异的物质基础—DNA
第七章 微生物的生长和遗传变异
第二节微生物的遗传
• 遗传、变异、遗传型、表（现）型等概念 • 遗传变异的物质基础 • 三个经典实验 • DNA的结构及性质
几个重要概念：遗传、遗传型、表型、 变异、饰变
遗传
wk.baidu.com
指上一代生物如何将自身的一整套遗传基因 传递给下一代的行为或功能。
微生物将其生长发育所需要的营养类型和环境条件， 以及对这些营养和外界环境条件产生的一定反应，或 出现的一定性状(例如：生态、生理生化特性等)传给 后代，并相对稳定地一代一代传下去。