3.2.1.1 遗传的物质基础
遗传必需有物质基础，即遗传信息必须由某些物质作为携带和传递的载体。现已肯定这个物质基础在绝大多数生物体中就是脱氧核糖核酸（DNA）。不含DNA，只含有RNA（核糖核酸）的微生物中，遗传物质是RNA。
1.DNA分子结构及其多样性
1953年，沃森（Waston）和克里克（Crick）通过X射线衍射法观察DNA结构，提出了DNA双螺旋分子结构模型，见图3.3。DNA的双螺旋结构是两条走向相反的多核苷酸链，以右手方向沿同一轴心平行盘绕成双螺旋。
DNA的双螺旋结构是由4种脱氧核糖核酸变化排列组成的大分子。碱基分别是：A为腺嘌呤核苷，T为胸腺嘧啶核苷，G为鸟嘌呤核苷，C为胞嘧啶核苷。但各种生物DNA的4种碱基含量往往是不均等的，而且在各种生物中这4种碱基的含量之比反映着种的特性。表3.2表明了几种细菌的碱基成分，从表可见各种DNA分子碱基含量的差异和共同点。各种微生物中的A=T，G=C。但G+C/A+T则随着微生物的种类不同而不同，这数值小到0.45，大到2.03。
图3.3 DNA分子的化学结构组成
按照沃森-克里克（Watson-Crick）DNA分子结构模型，碱基含量比值的这些特点说明：
（1）DNA两个单链的相对位置上的碱基有严格的配对关系，一条单链上嘌呤的相对位置上必定是嘧啶，一条单链上嘧啶的相对位置上必定是嘌呤，即A的相对位置上必定是T，G的相对位置上必定是C。A与T之间有两个氢键，G与C之间有三个氢键，这种碱基相配的关系称为碱基互补或碱基配对。
（2）DNA链上的碱基对排列没有一定规律。例如在表3.2中的第1和第2两种细菌的DNA分子中，AT碱基对多于GC碱基对约一倍；第3和第4两种细菌中，两者几乎相等；第5和第6两种细菌中则GC碱基对多于AT碱基对约一倍。可见DNA分子中四种碱基的排列绝不是单调重复，DNA结构的变化是无穷无尽的，具有高度多样性。
（3）一个DNA分子可含几十万或几百万个碱基对，两个相邻的碱基对之间的距离为0.34nm，每个螺旋的距离为3.4nm。
表3.2 几种细菌的DNA碱基含量比较
①Py示嘧啶。
②Pu示嘌呤。
2.遗传物质在微生物中存在的主要形式——染色体
染色体是所有生物遗传物质DNA的主要存在形式。但是不同生物的DNA分子量、碱基对数、长度等很不相同，总趋势是越是低等的生物，其DNA分子量、碱基对数和长度越小，相反则越长，即染色体DNA的含量，真核生物高于原核生物，高等动植物高于真核微生物。而且真核微生物和原核微生物的染色体有着明显的如下区别：
（1）真核生物的遗传物质是DNA，原核生物的遗传物质是DNA或RNA。
（2）真核生物的染色体由DNA及蛋白质（组蛋白）构成，原核生物的染色体是单纯的DNA或RNA。
（3）真核生物的染色体不止一个，呈线形，而原核微生物的染色体往往只有一个，呈环形。
（4）真核生物的多条染色体形成核仁并为核膜所包被，膜上有孔，而原核微生物的染色体外无膜包围。
3.2.1.2 细胞中DNA的复制
亲代的表型性状要在子代中得以完全表现，必须将亲代的遗传信息既能完整地传递给子代，又能保留在亲代中。现已清楚生物用半保留复制的方式进行复制，即DNA的每一次复制所形成的两个分子中，每个分子都保留它的亲代的DNA分子的一个单链。即每一个新复制的DNA双链中，其中一条链来自于亲代DNA，另一条链为与亲代DNA链相互补的新链，见图3.4。
图3.4 DNA半保留复制示意图
亲代分子复制时，DNA分子首先从一端或某处的氢键断裂而使双键松开，然后再以每一条DNA单链为模板，通过碱基配对各自合成完全与之互补的一条新链，最后新合成的链和原来的一条模板链形成新的双螺旋DNA分子。(www.xing528.com)
3.2.1.3 RNA与遗传表达
1.RNA结构与功能
RNA是由DNA携带的遗传信息表达为生物遗传特性的主要中间环节。RNA的基本结构与DNA相类似，但其所含的是核糖核酸而不是脱氧核糖核酸，碱基为A、C、G、U，没有胸腺嘧啶（T），而含有尿嘧啶（U）。RNA由单链构成，较DNA短。
根据RNA在生物性状遗传表达过程中的功能，可分为核糖体RNA即rRNA、信使RNA即mRNA、转移RNA即tRNA三种。
（1）rRNA。这是组成核糖体的主要成分，可占细胞总RNA总量的80%以上或核糖体的65%左右。核糖体是细胞合成蛋白质的场所。
（2）mRNA。mRNA的碱基是A、U、C、G，其功能是将DNA上遗传信息携带到合成蛋白质的场所核糖体上，即其链上碱基的排列顺序决定了其所携带的遗传信息。mRNA链上每3个核苷酸组成一个三联体密码子，编码一种氨基酸。所有编码构成蛋白质的20种氨基酸的全部密码子称为遗传密码。按43排列组合全套遗传密码，可有64个密码子，因此，20个氨基酸中除少数氨基酸如色氨酸、甲硫氨酸外，一个氨基酸可有多个密码子，如丝氨酸可有UCV、UCA、UCC和UCG 4个密码子编码。64个密码子中有3个密码子（UAA、UGA和UAG）是终止密码子，作为终止合成的信号。mRNA在原核微生物细胞中的寿命仅几分钟，但在真核生物细胞中可有几小时乃至几天。
（3）tRNA。tRNA在蛋白质合成过程中起将氨基酸运输转移到核糖体上的作用。tRNA链通过互补碱基之间的氢键折叠成伞叶草形特异结构，那些非互补的碱基片段形成3个小环状，其中相对于叶柄的小环为一个反密码子环，上有一个反密码子，用于识别tRNA上的氨基酸密码子。
2.“DNA→RNA→蛋白质”的遗传信息流
DNA双螺旋结构模型的奠基人之一F.Crick 1958年首次提出了“DNA→RNA→蛋白质（或多肽链）”的这一遗传信息单向传递的中心法则。在这个中心法则中，从DNA基因到蛋白质有两个过程，前一过程为DNA→RNA，称为转录，后一过程为RNA→蛋白质，称为翻译。生物中的遗传信息流见图3.5。
图3.5 DNA→RNA→蛋白质的遗传信息流
（1）转录过程。转录是将DNA链携带的遗传信息（基因）按碱基配对原则转录于mRNA上，使mRNA链上携带有DNA链携带的遗传基因信息。这些信息蕴藏在mRNA的3字密码上，密码的序列决定了蛋白质中氨基酸的序列。转录产生的RNA分子经特定的核酸酶加工成为结构复杂的rRNA和tRNA分子，而mRNA则直接进入翻译过程。
（2）翻译过程。翻译过程是按照mRNA上的遗传密码将氨基酸合成多肽链、蛋白质的过程，可分为翻译起始、肽链延长和翻译终止3个阶段。
遗传信息的表达及蛋白质合成的过程见图3.6。
图3.6 遗传信息的表达和特定蛋白质的合成
3.2.1.4 基因——遗传因子
基因是具有遗传功能的DNA分子上的片段，平均含有1000个碱基对。一个DNA分子中含有许多基因，不同基因分子含碱基对的数量和排列序列不同，并具有自我复制能力。各种基因在染色体上均有其特定的位置称为位点，如果染色体上基因缺失、重复或在新的位置上和别的基因相邻，改变了原有的排列序列，都会引起某些性状的变异。由于基因的功能差异，又可分为结构基因，调节基因和操纵基因。
1.结构基因
结构基因是决定某一种蛋白质分子结构相应的一段DNA，可将携带的特定遗传信息转录给mRNA，再以mRNA为模板合成特定氨基酸序列的蛋白质。
2.调节基因
调节基因带有阻遏蛋白，控制结构基因的活性。平时阻遏蛋白与操纵基因结合，结构基因无活性，不能合成酶或蛋白质，当有诱导物与阻遏蛋白结合时，操纵基因负责打开控制结构基因的开关，于是结构基因就能合成相应的酶或蛋白质。
3.操纵基因
操纵基因O位于结构基因的一端，与一系列结构基因合起来形成一个操纵子。
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