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微生物知识点讲解
微生物知识点(顾青老师部分)
1、微生物的遗传特性
遗传因子:
承载遗传物质的结构,必须具备2点:
能自我复制,能编码。
基因:
是遗传物质DNA上具有特定功能的一段核苷酸序列(编码一种蛋白,一种tRNA或一种rRNA,或不具有编码蛋白功能,但具有重要的遗传功能)。
基因组:
是存在于生物体内的遗传物质(包括病毒的核酸、细胞生物的染色体及其核外遗传物质)中的全部基因的总称。
原核微生物的遗传因子有3类:
染色体、质粒、噬菌体。
细菌的染色体一般是1条环状dsDNA,
(1)一般没有间隔基因;
(2)一般没有重复序列。
细菌的质粒存在于绝大多数原核生物,但只在少数真核生物中发现。
是能独立于宿主细胞染色体进行自我复制的遗传因子,以核酸的形式存在于细胞内,无细胞外存在形式。
细菌的一些基因群来自染色体外的遗传因子,如质粒和噬菌体。
真核微生物的遗传因子有染色体、线粒体、DNA、叶绿体DNA、质粒、病毒。
2、遗传物质的特点
稳定性、多样性、自我复制能力
3、遗传物质的基础
目前普遍认为:
基因是染色体DNA分子上的一个特定大小的片段。
除DNA外,某些病毒(只含RNA的病毒)也可以RNA作为遗传物质。
DNA:
主要的遗传物质;
RNA:
部分生物的遗传物质;
蛋白质:
生命活动的体现者。
4.为什么微生物是遗传学研究的最好材料和对象
(1)生长速度快
(2)容易获得
(3)微生物有多种代谢类型
(4)基因裸露,利于基因操作
(5)大多数微生物含有质粒,方便导入导出
5.微生物基因组学
原核生物(细菌、古生菌)的基因组:
1)双链环状的DNA分子(单倍体)
2)基因组上遗传信息具有连续性,大肠杆菌和其它原核生物中基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数;一般不含内含子,遗传信息是连续的而不是中断的。
3)功能相关的结构基因组成操纵子结构
操纵子(operon):
功能相关的几个基因前后相连,再加上一个共同的调节基因和一组共同的控制位点(启动子、操作子等)在基因转录时协同动作。
4)结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝
5)基因组的重复序列少而短
古生菌的基因组在结构上类似于细菌。
但是信息传递系统(复制、转录和翻译)则与细菌不同而类似于真核生物。
真核微生物(啤酒酵母)的基因组:
1)典型的染色体结构
该基因大小为13.5×106bp,分布在16条染色体中。
象所有其它的真核细胞一样,酵母菌的DNA也是与四种主要的组蛋白(H2A、H2B、H3和H4)结合构成染色质(chromatin)的14bp核小体核心DNA;
染色体DNA上有着丝粒(centromere)和端粒(telomere),
2)没有明显的操纵子结构
3)有间隔区(即非编码区)和内含子序列
原核生物中非编码区或内含子均非常少,而人类基因组测序后发现了大量的非编码区,被称为基因组上的荒漠,估计只有5-10%用于编码基因。
4)重复序列多
6.基因的结构
1.真核生物的基因结构:
开放阅读框(ORF):
是结构基因的正常核苷酸序列,从起始密码子到终止密码子的阅读框可编码完整的多肽链,其间不存在使翻译中断的终止密码子。
顺式调控元件:
启动子:
增强子:
沉默子:
是真核基因中的一种特殊的序列,与增强子有许多类似之处。
沉默子能够同反式因子结合从而阻断增强子及反式激活因子的作用,并最终抑制该基因的转录活性。
应答元件:
反式作用因子:
外显子、内含子:
(5’→3’)
终止子:
(通常是回文序列,呈发夹结构)
2.原核生物基因结构
7.基因的调控
一、基因表达调控的生物学意义
1.适应环境,维持生长和增殖。
如:
葡萄糖存在时,细菌与葡萄糖代谢有关的酶编码基因表达,而与其他糖类代谢有关的酶基因关闭,当葡萄糖耗尽而有乳糖存在时,则与乳糖代谢有关的酶编码基因表达。
2.维持个体发育与分化。
细胞个体生长、发育的不同阶段,细胞中蛋白质分子和含量差异很大,即使同一生长发育阶段不同组织器官内蛋白质分子分布也存在很大差异。
这些差异即是基因表达调控的结果。
二、基因表达调控的基本原理
1.基因表达的多级调控:
对一个基因编码产物———蛋白质来说:
至少有以下几个调控环节:
基因激活、转录起始、转录后加工、mRNA降解、蛋白质翻译、翻译后加工及蛋白质降解等。
2.基因转录激活调节的基本要素
(1)特异DNA序列:
指具有调节功能的DNA序列
原核生物:
操纵子调控机制。
原核生物能转录出一条mRNA的几个功能相关的结构基因及其上游的调控区域,称为一个操纵子Operon。
包括:
结构基因——2个以上的编码序列
启动序列——(启动子Promoter)
操纵序列——(Operator)
其他调节序列
启动序列是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列,通常在转录起始点上游一10~一35区域存在的一些相似序列称为共有序列(Consensussequence)。
-10区:
TATAAT;一35区:
TTGACA不同的启动序列其转录活性不同,共有序列的任一碱基突变或变异,都影响RNA聚合酶与启动子的结合,及转录起始。
操纵序列与启动序列毗邻或接近,其DNA序列常与启动序列交错.重叠,是原核阻遏蛋白(Repressor)的结合位点,当操纵序列结合有阻遏蛋白时,会阻碍RNA聚合酶与启动子的结合,或使RNA酶不能沿DNA向前移动,阻遏转录,介导负性调节。
其它调节序列如:
CAP结合位点真核生物:
基因转录激活调节的DNA序列一顺式作用元件(Cis—actingelement)顺式作用元件(Cis一actingelement)是指可影响自身基因表达活性的DNA序列(在分子遗传学中,相对同一分子或染色体为顺式CIS,相对不同一分子或染色体为反式trans)。
不同的基因顺式作用元件的核心序列常是共有序列,如TATAbOX,CCAATb。
x等,常见的真核基因的顺式作用元件有:
启动子、增强子、沉默子等。
(2)调节蛋白
原核:
原核生物的调节蛋白分为三类:
特异因子——决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别及结合能力。
如:
。
因子。
阻遏蛋白——结合特异DNA序列一操纵序列,阻遏基因转录。
激活蛋白(activator)——结合启动序列临近的DNA序列,促进RNA聚合酶与启动序列结合,增强RNA聚合酶活性。
如:
分解(代谢)物基因激活蛋白(Catab。
litegeneactivationprotem—C:
AP)就是一种激活蛋白。
真核:
真核基因调节蛋白又称转录因子(transcrtptton{Rctor),其作用方式:
蛋白质一1)NA作用:
通过与特异的顺式作用元件相互作用反式作用另一基因转录称反式作用因子(trans—actingfactor)。
有些基因产物特异识别并结合自身基因的调节序列,调节自身基因的开启或关闭称顺式调节,这种调节蛋白称顺式作用蛋白。
蛋白质一蛋白质作用,再作用于DNA。
3.DNA一蛋白质.蛋白质一蛋白质相互作用
(1)DNA一蛋白质相互作用:
指反式作用因子与顺式,作用元件之间的特异识别及结合。
通常为非共价键结合。
(2)蛋白质一蛋白质相互作用:
通常形成二聚体或多聚体,再作用与DNA,有的蛋白质形成二聚体或多聚体后,丧失结合DNA的能力。
乙RNA聚合酶DNA元件与调节蛋白对转录激活的调节,最终是由RNA聚合酶的活性体现的。
(1)启动序列/启动子与RNA聚合酶活性:
不同的启动序列与RNA聚合酶的亲和力不同,亲和力大小直接影响转录的启动频率。
不同的启动序列RNA聚合酶的转录活性不同。
(2)调节蛋白与RNA聚合酶活性:
许多环境信号的改变是通过调节蛋白构象的改变,再直接或间接调节RNA聚合酶转录启动过程。
三、原核基因转录调节
1.原核基因转录调节特点:
(1)。
因子决定RNA聚合酶识别特异性。
因子识别特异启动序列,不同的。
因子决定特异基因的转录激活,决定mRNA、rRNA和tRNA基因转录。
(2)操纵子模型的普遍性
除个别基因外,原核绝大多数基因均是操纵子调控模式,如:
lacoperon、araoperon、trpoperon。
(3)阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性
原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与的开关调节机制,阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时,就会引起特异基因的阻遏或去阻遏。
2.乳糖操纵子(LacOperon)的结构
(1)表达区:
三个结构基因Z基因(p一半乳糖苷酶)、Y基因(透酶)、A基因(乙酰基转移酶)。
(2)调控区:
一个操纵序列O(Operator)、一个启动序列P(Promoter)、一个调节基因I(inhibitor)即阻遏基因:
一个分解(代谢)物基因激活蛋白(CAP—catab。
1itegeneactlvatiOnprotein)。
-
3.阻遏蛋白的负性调节
没有乳糖时:
I序列在P1启动序列操纵下表达的阻遏蛋白与()序列结合,阻碍RNA聚合酶与P序列结合,抑制转录起动,Z、Y、A基因不能转录,处于关闭状态。
当乳糖存在时:
I。
acoperon被诱导表达。
阻遏蛋白的阻遏作用并非绝对,偶有阻遏蛋白与O序列解聚、因此每个细胞中可能有寥寥数分子p一半乳糖苷酶、透酶生成。
乳糖可经过这数分子的透酶催化进入细胞,再经过早一半乳糖苷酶催化转变为半乳糖,半乳糖作为一种诱导剂(inducer)与阻遏蛋白结合,使之构象改变,导致阻遏蛋白与O序列解离,而发生转录。
4.CAP的正,/生调节’
CAP是同二聚体,其分子内有DNA结合区及cAMP结合位点。
当无葡萄糖时,cAMP浓度较高,cAMP与CAP结合成复合物,复合物结合在CAP位点上,刺激RNA聚合转录活性,使之提高50倍。
当有葡萄糖时cAMP浓度较低,cAMP与CAP结合受阻,Lacoperon表达下降。
5.协调调节
即阻遏蛋白的负性调节与CAP的正性调节的协调。
当阻遏蛋白封闭转录时,CAP对该系统不能发挥作用,如果没有CAP存在来加强转录活性,即使阻遏蛋白从操纵子上解聚,仍几乎无转录活性。
可见,二者相辅相成,互相协调,制约。
然而,当葡萄糖/乳糖均存在时是怎样的呢?
细菌首先利用葡萄糖,才是最节能的,这时,葡萄糖通过降低cAMP浓度,阻碍cAMP结合而抑制Lacoperon转录,细菌只能利用葡萄糖。
葡萄糖对Lacoperon的阻碍作用称为分解代谢阻遏(Catab01icrepressiOn),Lacoperon强的诱导作用既需要乳糖存在又需要缺乏葡萄糖。
四、其他转录调节机制
1.转录衰减
细菌E.Coli具备合成色氨酸所需要的酶,这些酶的编码基因串联成一个操纵子(trpoperon),trpoperon是一个阻遏型操纵子,其阻遏蛋白(T叩)有两种构象。
有色氨酸时,色氨酸结合阻遏蛋白TRP,阻遏蛋白TRP构象改变,能结合()序列,阻断基因转录。
没有色氨酸时,无色氨酸与阻遏蛋白Trp结合,阻遏蛋白T叩不能结合到()序列,操纵子基因开始转录。
但,此后的转录速率受转录衰减(attenuation)机制调节。
第一个结构基因与启动序列P之间有一个衰减子区域(9ttenuatorregion)。
衰减调节机制:
细菌内色氨酸浓度很高时,trpoperon表达关闭。
是因为trpoperon的序列1中有两个色氨酸密码子,色氨酸浓度高时,核蛋白体很快通过编码序列1,并封闭序列2,这种与转录偶联进行的翻译过程导致序列3.4形成一个不依赖p(rh。
)因子的终止结构——衰减子(attenuator)[茎环结构紧接约6个U],使RNA聚合酶脱落,转录终止。
细菌内色氨酸浓度缺乏时,trpoperon转录,转录速率受转录衰减机制调节。
色氨酸缺乏,没有色氨酸一tRNA供给,核蛋白体翻译停止在序列1中的两个色氨酸密码子前,序列2与序列
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