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v3.核酸的复性
v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。
vDNA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。
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。
DNA的复性也与它本身的组成和结构。
v
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。
4.核酸的杂交
v热变性的DNA单链,在复性时并不一定与同源DNA互补链形成双螺旋结构,它也可以与在某些区域有互补序列的异源DNA单链形成双螺旋结构。
这样形成的新分子称为杂交DNA分子。
vDNA单链与互补的RNA链之间也可以发生杂交。
v核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有重要意义。
v课本P334-347
(五)基因
v基因:
具有遗传功能的DNA分子上的片段,平均1000个碱基对,分子量约6.7×
105Da。
基因是DNA分子中最小的完整功能单位。
一个DNA分子含有?
?
基因
v基因是保存和传递遗传信息的单元,它的信息功能会以(?
)的形式表达出来。
二、中心法则与蛋白质的合成
v生物的遗传信息从DNA传递给mRNA,根据mRNA链上的遗传信息合成蛋白质。
生物遗传信息的这种传递方式称为中心法则。
1.中心法则
v参与蛋白质生物合成的物质
三种RNA
●mRNA(信使RNA):
指导蛋白质的合成
●rRNA(核蛋白体RNA):
rRNA与蛋白质组成核糖体,是蛋白质的合成场所
●tRNA(转移RNA):
可识别mRNA上的信息,并将特定的氨基酸送到rRNA上供蛋白质合成
20种氨基酸(AA)作为原料
酶及众多蛋白质因子
ATP、GTP、无机离子
2.遗传密码
v不论是DNA还是mRNA都是由4种核苷酸构成,而组成多肽的氨基酸有20种,显然,必须是几个核苷酸的组合编码一个氨基酸才能应付局面。
用数学方法很容易算出:
如果每2个核苷酸编码1个氨基酸,那么4种核苷酸只有16中编码方式,显然不行。
如果每3个核苷酸编码1个氨基酸,则有64种编码方式,很理想。
如果4对1则有256种,太没必要也太复杂了。
v生物体是一个最理想的体系。
科学家们用生物化学实验证实是3个碱基编码1个氨基酸,称为三联体密码或密码子。
(1)遗传密码表
v在64个密码子中有61个编码氨基酸
v
(2)遗传密码的特点
v①方向性:
从mRNA的5’到3’
v②连读性
编码一个肽链的所有密码子是一个接着一个地线形排列,密码子之间既不重叠也不间隔,从起始密码子到终止密码子构成一个完整的读码框架(不包括终止子),又称开放阅读框架(openreadingframe,ORF)。
如果在阅读框中插入或删除一个碱基就会怎样?
v使其后的读码发生移位性错误(称为移码)。
v③简并性
几种密码子编码一种氨基酸的现象称为密码子的简并性。
如GGA、GGU、GGG、GGC都编码Gly(甘氨酸),那么这4种密码子就称为Gly的简并密码。
只有Met(甲硫氨酸)和Trp(色氨酸)没有简并密码
对应于同一氨基酸的密码称为同义密码。
v问题:
简并性的生物学意义?
A、可以降低由于遗传密码突变造成的灾难性后果
v试想,如果每种氨基酸只有一个密码子,那么剩下的44个密码子都是终止子,如果一旦哪个氨基酸的密码子发生了单碱基的点突变,那么极有可能造成肽链合成的过早终止。
如GUU编码Ala(丙氨酸),由于简并性的存在,不论第三位的U变成什么,都仍然编码Ala。
B、可以使DNA上的碱基组成有较达的变化余地,而仍然保持多肽上氨基酸序列不变(意思基本同上)。
v④摇摆性
1966年F.Crick提出摆动假说。
认为,密码子-反密码子相互作用,要求前两个碱基对是标准型的碱基互补(A-U、G-C),以保证结合有最大限度的稳定性,第三个碱基则要求不那么严格,可以允许结构上有小小的波动(即摆动),并允许有某些特异的碱基参与。
v⑤通用性
密码子在不同物种间几乎是完全通用的。
从原核生物到人类都通用。
这也是转基因的前提。
但要注意的是不同生物往往偏爱某一种密码子。
密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。
v⑥密码的使用规律
原核生物中大部分以AUG为起始密码,少数使用GUG,真核生物全部使用AUG为起始密码,终止密码UAA、UAG、UGA全部被使用,有时连续使用两个终止密码,以保证肽链合成的终止。
3.转录–mRNA的合成
v转录是以DNA为模板合成与其碱基顺序互补的mRNA的过程。
v细胞生长周期的某个阶段,DNA双螺旋解开成为转录模板,在RNA聚合酶催化下,合成mRNA。
v按碱基配对原则:
dA-U、dT-A、dG-C、dC-G
两条链都是模板链吗?
不对称转录——只能以双链中固定的一条链(模板链、编码链)为模板转录RNA
4.蛋白质的生物合成
vmRNA携带有合成蛋白质的全部信息。
蛋白质的生物合成过程就是将mRNA分子中由碱基序列组成的遗传信息,通过遗传密码破译的方式转变成为蛋白质中的氨基酸排列顺序,因而称为翻译。
氨基酸活化
分散在胞液中的各种氨基酸需与tRNA结合成活化形式才能被转运至核蛋白体上参与蛋白质合成。
v20种氨基酸都有其特定的tRNA,而且一种氨基酸可以和2~6种tRNA特异地结合。
v目前已发现的tRNA有40~50种
tRNA在氨基酰-tRNA合成酶的帮助下,能够识别相应的氨基酸,并通过tRNA氨基酸臂的3'
-OH与氨基酸的羧基形成活化酯-氨基酰-tRNA。
氨基酰-tRNA在mRNA模板指导下组装成蛋白质
v氨基酰-tRNA通过反密码臂上的三联体反密码子识别mRNA上相应的遗传密码,并将所携带的氨基酸按mRNA遗传密码的顺序安置在特定的位置,最后在核糖体中合成肽链。
第十章环境微生物学实验方法
v第一节环境微生物取样和富集(前面章节中已介绍)
第二节指示微生物(重点)
v第三节显微技术(实验一)
v第四节生理学方法(自学)
第二节指示微生物(P311)水的细菌卫生学
v一、水中的病原微生物(补充)
某些病原微生物污染水体后,可引起传染病的爆发流行,危及人类健康。
因此在供给人民生活饮用水,必须保证水中没有病原微生物。
水中所含微生物来源于哪里?
●空气、土壤、废水、垃圾、死的动植物等。
水中的病原微生物来源于哪里?
●人或动物的排泄物,或死于传染病的人或动物。
水中的细菌只有很少的一部分是致病菌,致病菌必须经由特定的途径进入人体,才会引起疾病。
v二、指示微生物的概念
直接检测环境样品中肠道病原体的可不可行?
环境中存在病原菌的可能性很小,而环境中各种细菌的种类却很多,要排除一切细菌而单独检出某种病原菌来,在培养分离及检测技术上较为复杂,需较多的人力和较长的时间。
v1.指示微生物的概念
在19世纪末,人们引入环境指示微生物的个概念,通过检测某种指示微生物的存在来表明某类病原体微生物的存在。
●如所有动物的粪便中都存在某些细菌,这些细菌可以通过常规的细菌学加以分离、鉴定,如果该水体中发现这些细菌的存在就表明该水体已经受到动物粪便的污染,可能存在对人体有危害的病原体。
一般不直接检验水中的病原菌,而是测定水中是否有肠道正常细菌的存在。
只有在特殊情况下,才直接检验水中的病原菌。
检出有肠道细菌,则表明水被粪便所污染,也说明有被病原菌污染的可能性
选作指示微生物的要求(P312)
v生理特性的相似性/易检出,不致病/检验技术简单
大肠菌群被选作指示微生物的原因
v1.大肠菌群是人肠道中正常寄生菌,数量最大,对人较安全;
v2.在环境中的存活时间与致病菌相近;
v3.而且检验技术较简便,因而被选中,一直沿用至今。
v肠球菌群的抵抗力弱,生存时间比病原菌短。
v产气荚膜杆菌群有芽孢,能在自然环境中长期存在。
3.总大肠菌群
v总大肠菌群又称大肠菌群和大肠杆菌群,指一群来源于动物肠道、需氧或兼性厌氧、37℃培养24h、发酵乳糖产酸产气的革兰氏阴性无芽孢杆菌。
v大肠菌群并非细菌学分类命名,而是卫生细菌领域的用语,它不代表某一个或某一属细菌,而指的是具有某些特性的一组与粪便污染有关的细菌,这些细菌在生化及血清学方面并非完全一致。
v它包括埃希氏菌属(Escherichia)、柠檬酸杆菌属(Citrobacter)、肠杆菌属(Enterbacter)和克雷伯氏菌属(Klebsiella)等十几种肠道杆菌。
4.粪大肠菌群
v粪大肠菌群是总大肠菌群中的一部分,主要来自粪便。
在44.5℃温度下能生长并发酵乳糖产酸产气的大肠菌群称为粪大肠菌群。
v粪大肠菌群又叫耐热大肠菌群,主要就是大肠杆菌(埃希氏菌属),但也包括克雷伯氏菌属。
v与大肠菌群相比,粪大肠菌群在人和动物粪便中所占的比例较大,而且在自然界容易死亡。
因此,粪大肠菌群的存在表明食品或水样可能直接或间接的受到了近期的粪便污染。
v所以相对来说,粪大肠菌群对粪便污染的指示作用更为直接和贴切,而且检测方法相对大肠杆菌简单,为此是一种较好的粪便指示微生物。
作业
v1.DNA复制的结果有什么特点?
DNA复制的过程有什么特点?
v2.生物细胞内的RNA有几种类型?
各起什么作用?
v3.中心法则的内容是什么?
蛋白质是怎样合成的?
复习微生物的遗传
1.简述DNA的复制过程?
2.微生物生长过程中蛋白质是如何合成的?
复习指示微生物
v1.水体中的病原菌包括:
()。
A.伤寒杆菌和霍乱弧菌 B.痢疾杆菌和霍乱弧菌
C.霍乱弧菌、伤寒杆菌和痢疾杆菌 D.伤寒杆菌和痢疾杆菌
v2.在废水分析中,大肠菌群作为()。
A.水中粪便污染的指示B.进行平板计数的常规生物
C.水中固氮菌数量指示D.水中氨基酸含量的尺度
第二节微生物的变异
v一、基因突变及其特点
v二、基因突变的应用——微生物的选育
一、基因突变及其特点
v1.变异的本质——基因突变
概念:
●生物体内遗传物质的分子结构发生的可遗传的变化。
包括核苷酸顺序、种类和数量的改变
●突变的概率一般在10-9~10-6。
镰刀细胞状贫血病
v人血红蛋白β链的基因如果第6位氨基酸的密码子由CTT变为CAT,就会使多肽的第6位由谷氨酸变为缬氨酸
突变类型:
v点突变
v染色体突变
……如经DNA修复后有缺陷,DNA就会发生突变………发展成癌细胞
3.导致基因突变的原因
v
(1)DNA分子中碱基互变异构效应
v
(2)物理因素
紫外线(UV)、高能射线和电离辐射等。
v(3)化学因素
烷基化试剂,亚硝酸盐以及碱基类似物等。
二、基因突变的应用——微生物的选育*重点
v选育——筛选与定向培育
筛选——“众里挑一”
定向培育——“教育培训”
●定向培育在水的生物处理俗称驯化。
1.微生物的筛选方法
②突变—诱变法
A.基因突变的特点
利用基因突变的特点,可以通过人工诱变进行微生物的基因改造。
评价
v诱变法潜力要远大于诱导法,但操作复杂。
在实际诱变中,往往要经过几次不同诱变方法的诱变处理以及大量繁琐的筛选分离工作才有可能获得理想的突变体。
最后这些突变体将会在实验室小试、中试的基础上被投放到生产实践中。
v通常生产上更多利用的是诱导法。
污泥培养初期逐步提高污水比例,有些菌种不能适应被淘汰(筛选),能产生诱导酶的菌株及自发突变体中能来降解此类废水的菌种能够生存而被保留下来,且能力逐步提高,使废水达到预期的排放标准;
v诱变菌株环保市场的开发前景如何?
③基因重组法
v不同个体基因重新组合
vA.形式
自发基因重组与人工基因重组
v自发基因重组
a.真核生物为杂交;
●精卵细胞质融合过程中所有遗传物质的重组
b.原核生物为转化、转导、接合;
●
部分遗传物质的转移和重组
v提问:
要获取国外的某些先进技术(部分基因)有哪些途径?
微生物亦然
目前发现自然状态下许多其它细菌、放线菌、真菌和高等动植物中都也有转化现象。
老鼠r型s型菌实验
a.遗传工程的方法
v遗传工程方法包括两个水平的研究:
一种是细胞水平;
另一种是基因水平。
所以,又可分为细胞工程和基因工程。
v细胞工程——两个细胞原生质体融合
v基因工程——两个细胞DNA片段剪接拼接
v狭义的讲,遗传工程就是基因工程。
v原理:
限制性核酸内切酶
v基因工程操作基本步骤
v取得目的基因
v选择适当的载体
v目的基因与载体DNA的体外重组
v将重组载体引入受体细胞
详见P144-147有关内容
质粒载体(具有抗性基因)
vⅠ.降解石油的工程细菌
20世纪70年代美国生物学家查克拉巴蒂(Chakrabarty)针对海洋输油,造成浮油污染,影响海洋生态等问题进行了研究。
石油成分复杂,是由饱和、不饱和、直链、支链、芳香烃类组成,不溶于水。
而海水含盐量高,虽发现90多种微生物有不同程度降解烃类的能力,但不一定能在海水中大量繁殖生存,而且降解速率较慢
查氏将能降解脂(含质粒A)的一种假单胞菌作受体细菌,分别将能降解芳烃(质粒B)、芳烃(质粒C)和多环芳烃(质粒D)的质粒,用遗传工程方法人工转入受体细菌,获得多质粒“超级细菌”,可除去原油中2/3的烃。
浮油在一般条件下降解需一年以上时间,用“超级细菌”只需几小时即可把浮油去除,速度快效率高
v基因工程方法看似简单,但在具体实施上有较大的难度。
vA.细菌的质粒本身容易丢失或转移
vB.质粒具有不相容性
质粒是“自私的”。
进入细菌后,驻留的质粒阻止其它同种的或亲缘关系相近的质粒进入。
它们不相容的原因是它们在一些对质粒存在很重要的过程中不能彼此区分,它们会竞争资源,DNA复制和分离就是这种过程。
只有在一定条件下,属于不同的不相容种群的质粒才能稳定地共存于同一宿主中。
第三节菌种的衰退、复壮和保藏(自学)
v一、菌种的衰退与复壮的概念
1.衰退(degeneration):
菌种在培养或保藏过程中,由于自发突变的存在,出现某些原有优良生产性状的劣化、遗传标记的丢失等现象,称为菌种的衰退。
衰退的原因:
①基因突变,②分离现象。
常见的衰退现象:
●菌落和细胞形态的改变;
●生长速度缓慢,产孢子越来越少;
●抵抗力、抗不良环境能力减弱等;
●代谢产物生产能力或其对宿主寄生能力下降。
v2.防止菌种衰退的方法
v①控制传代次数
一般在DNA的复制过程中,碱基的错配率是5x10-4,自发突变的频率为10-8~10-9,采用良好的菌种保藏方法,可以减少移种和传代的数;
v②选择合适的培养条件
v③采用不同类型的细胞进行传代
对丝状微生物而言,通常采用稳定的单核孢子进行接种;
v④采用有效的菌种保藏方法
v3.菌种的复壮(rejuvenation):
v使衰退的菌种恢复原来优良性状。
v菌种的复壮措施:
①纯种分离:
平板划线法、涂布法、倾注法、单细胞挑取法
②通过寄主体内生长进行复壮,如苏云金杆菌的复壮。
③淘汰已衰退的个体,采用比较激烈的理化条件进行处理,以杀死生命力较差的已衰退个体。
④采用有效的菌种保藏方法。
v二、菌种保藏
v1.目的:
①存活,不丢失,不污染
②防止优良性状丧失
③随时为生产、科研提供优良菌种
v2.原理:
选用优良的纯种(最好是休眠体,如分生孢子、芽胞等),
创造降低微生物代谢活动强度,生长繁殖受抑制,难以发生突变的环境条件(其环境要素是干燥、低温、缺氧、缺营养以及添加保护剂等)。
v3.菌种保藏的方法
v①低温保藏法
方法:
菌种管置4℃冰箱保藏,定时传代
v②石蜡油低温保藏法
橡皮塞取代棉塞、加石蜡油。
v③干燥保藏法
将菌种置于土壤、细纱、滤纸、硅胶等干燥材料上保藏。
如砂土管法,适用于放线菌、芽孢菌和某些真菌保藏,保藏时间几至几十年。
v④真空冷冻干燥法
加有保护剂的菌悬液在冻结状态下予以真空干燥。
适用于各种微生物,便于大量保藏,菌种存活时间长,是目前最好的保藏方法。
v⑤液氮超低温保藏法
将菌种置于保护剂中,预冻后保存在液氮超低温冰箱中(-196℃)
适用于各种微生物的较理想的保藏方法。
v1.为什么在进行诱变处理时,要把成团的微生物细胞或孢子制成充分分散的单细胞或孢子悬液?
v2.设计筛选高效降解石油的微生物的实验方案。
v3.原核微生物基因重组有哪几种方式?
各有什么特点?
v4.菌种保藏的基本原理是什么?
比较几种最常见的菌种保藏方法各有什么特点?
复习微生物的变异
v填空:
1.突变率10-8表示。
2.DNA中一个碱基对发生改变引起的突变称为。
3.两个细菌间发生转导时的媒介是。
v第六章微生物的生态学
实例
v
(1)协同作用
微生物接种时
●接种量较小时,常导致生长缺乏或适应期延长,而接种量较大时,则适应期会缩短。
微生物对不溶性的底物(纤维素、木质素)的利用
●种群密度越高,胞外酶的利用率就会越高。
遗传物质的交换
●对抗生素和重金属的抗性基因在一个微生物群体
中传递要求群体密度高于105个/mL。
微生物群体抵抗不良环境
●对于一定浓度的抑制剂,种群密度越高,受抑制剂的影响越小
v
(2)群内竞争
对食物和空间的竞争
●在营养物质非常低的自然环境中,群体密度的增加会加剧对营养物的竞争。
(1)中立关系
v两种群之间在一起彼此没有影响或仅存无关紧要的影响。
哪些情况有这种关系?
不在同一或邻近环境中
虽相隔很近,但它们的代谢能力差别极大
两个菌体密度非常小,如海洋和营养缺乏的湖泊中
处于休眠状态
不利于微生物进行旺盛生长的环境条件下,如冰块中
(2)协作关系(互生关系)
(3)互惠共生关系
v相互作用的两个种群相互有利,两者之间是一种专性的和紧密的结合。
联合的种群发展成一个共生体,其中任何一个群体不能被其他群体所代替。
v互惠共生的典型例子:
地衣是真菌和藻类的共生体,藻类通过光合作用合成有机物为真菌提供碳源,而真菌可以给藻类提供水分、生长因子和无机盐。
●与地衣共生的藻类通常为蓝藻(蓝细菌)和绿藻(真核藻类)
地衣共生体能够抵抗多种恶劣环境(如极地、岩石)。
v地衣繁殖时,在表面上生出球状粉芽,粉芽中含有少量的藻类细胞和真菌菌丝,粉芽脱离母体散布到适宜的环境中,发育成新的地衣。
(4)竞争关系
v两个种群因需要相同的生长基质或其它环境因子,致使增长率和种群密度受到限制时发生的相互作用,其结果对两种种群都是不利的。
如在好氧生物处理中,当溶解氧或营养物质缺乏时,菌胶团细菌和丝状细菌就会表现出明显的竞争关系
(5)偏利共生关系
v一种种群因另一种种群的存在或生命活动而得利,而后者没有从前者受益或受害。
自然界很普遍,如一个微生物群体在岩石表面上生长时,其分泌物将岩石上的无机盐溶解出来,为其他微生物群体提供了可溶性的无机盐。
(6)偏害关系
v一种种群阻碍另一种种群的生长,对第一种种群无影响,或可以获得更有利的生长条件。
非特异性偏害:
●在制造泡菜时,乳酸杆菌产生乳酸时pH值下降,抑制其他腐败细菌的生长;
特异性偏害:
某种微生物产生抗菌性物质,对另一种微生物有专一性的抑制或致死作用。
●青霉菌产生青霉素对革兰氏阳性菌有致死作用
(7)寄生关系
v一种种群对另一种群的直接侵入,寄生者从寄主生活细胞或生活组织获得营养,而对寄主产生不利影响。
噬菌体与细菌
细菌与细菌之间,真菌与真菌之间、微生物与植物之间、微生物与动物之间
(8)捕食关系
v一种种群被另一种种群完全吞食,捕食者种群从被食者种群得到营养,而对被食者种群产生不利影响
原生动物吞噬细菌、藻类、真菌等
粘细菌吞食细菌和其它微生物;
真菌捕食线虫和其它原生动物;
二、微生物与植物之间的关系(自学)
有哪些关系?
中立关系、协作关系、互惠共生关系、竞争关系、偏利共生关系、偏害关系、寄生关系和捕食关系。
v1.微生物与植物根之间的相互作用
v2.植物内的生微生
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