“肺炎雙球菌及轉(zhuǎn)化”的幾個(gè)疑難問(wèn)題

1、“肺炎雙球菌及其轉(zhuǎn)化”的幾個(gè)疑難問(wèn)題問(wèn)題一。：肺炎雙球菌的知識(shí)在經(jīng)典轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中有呈現(xiàn)，在科學(xué)史 中也起到了重要的作用。由于是微生物，所以也會(huì)有許多疑問(wèn)在學(xué)生中 產(chǎn)生，如光滑和粗糙是指菌落，不是細(xì)菌，R菌能不能轉(zhuǎn)化為S菌？肺炎雙球菌又稱肺炎鏈球菌，屬于原核生物，有R型和S型，它們 是肺炎雙球菌兩個(gè)穩(wěn)定的品系。是一種人畜共患的病原菌，其中S型在 人體內(nèi)引起肺炎，在小白鼠體內(nèi)導(dǎo)致敗血癥，使小白鼠死亡。一、菌種分類(lèi)莢膜多糖抗原與致病力有密切關(guān)系，且成分復(fù)雜。根據(jù)莢膜多糖抗 原的不同，可將其分為若干血清型，其中型致病力較強(qiáng)，型最強(qiáng)，且 具有厚的莢膜，可作為鑒別此菌的依據(jù)。二、形態(tài)特點(diǎn)肺炎雙球菌直徑0.5

2、1.5微米。革蘭氏染色陽(yáng)性，但老齡菌常呈陰 性反應(yīng)。在機(jī)體內(nèi)形成莢膜，經(jīng)人工培養(yǎng)后莢膜逐漸消失，菌落由光滑 型變?yōu)榇植谛?，肺炎雙球菌屬雙球桿菌屬，為化膿性革蘭氏陽(yáng)性菌，呈 圓形或披針形、無(wú)芽孢，無(wú)鞭毛。三、R菌轉(zhuǎn)化為S菌的機(jī)理被加熱殺死的S型肺炎雙球菌（供體菌）自溶，釋放出自身的DNA 片段，當(dāng)DNA片段遇到感受態(tài)的R型活肺炎雙球菌（受體菌）時(shí)，R 型活肺炎雙球菌（受體菌）細(xì)胞膜上的結(jié)合位點(diǎn)相結(jié)合，隨后其中一條 鏈被細(xì)胞膜上的核酸酶降解，降解產(chǎn)生的能量協(xié)助把另一條單鏈推進(jìn)受 體細(xì)胞（該過(guò)程稱為DNA的結(jié)合和攝?。．?dāng)單鏈進(jìn)入受體菌細(xì)胞后，便與受體菌DNA上的同源區(qū)段發(fā)生交 換重組。再通過(guò)受體菌

3、DNA復(fù)制、細(xì)胞分裂，而表現(xiàn)出轉(zhuǎn)化的性狀， 于是就由R型肺炎雙球菌產(chǎn)生出S型肺炎雙球菌的后代。四、S菌不能轉(zhuǎn)化為R菌的原因S型肺炎雙球菌有莢膜，無(wú)感受態(tài)，不能作為受體菌，所以在S菌 的培養(yǎng)基中加入R菌的DNA，S菌不能被轉(zhuǎn)化為R型。當(dāng)然S型菌在 自然狀態(tài)下或人工的誘變下發(fā)生基因突變，S型菌可能突變?yōu)镽型，但 不是轉(zhuǎn)化。問(wèn)題二.肺炎雙球菌S型細(xì)菌轉(zhuǎn)化為R型細(xì)菌，轉(zhuǎn)化因子是擬核中的DNA還是質(zhì)粒DNA？要搞清楚這個(gè)問(wèn)題，首先要搞清楚細(xì)菌的變異類(lèi)型和變異的機(jī)制。一、菌落變異細(xì)菌的菌落主要有光滑（smooth，S）型和粗糙（rough，R）型 兩種。剛從標(biāo)本中分離的細(xì)菌菌落多為光滑型（S型），長(zhǎng)期人工

4、培養(yǎng) 后菌落可逐漸變?yōu)榇植谛停≧型）。S型菌落表面光滑、濕潤(rùn)，邊緣整 齊。R型菌落表面粗糙、干皺，邊緣不整齊。細(xì)菌菌落由光滑型變?yōu)榇?糙型的變異，稱為S-R變異。S-R變異多見(jiàn)于腸道桿菌，細(xì)菌發(fā)生菌落 變異時(shí)，其理化性狀、免疫原性、耐藥性及毒力等也會(huì)發(fā)生改變。一般 S型菌致病性強(qiáng)。但結(jié)核分枝桿菌、炭疽芽胞桿菌、鼠疫耶氏菌其毒力 菌株就是R型。二、細(xì)菌變異的發(fā)生機(jī)制細(xì)菌的遺傳性變異是由于基因結(jié)構(gòu)發(fā)生改變所致，主要通過(guò)基因突 變、基因轉(zhuǎn)移與重組兩種方式實(shí)現(xiàn)?；蛲蛔兊姆绞綄W(xué)生比較熟悉，這里就不敘說(shuō)了，基因轉(zhuǎn)移與重組 這種方式高中沒(méi)有具體的敘說(shuō)，下面把這種方式簡(jiǎn)單總結(jié)如下。遺傳物質(zhì)由供體菌進(jìn)入受體菌

5、體內(nèi)的過(guò)程稱為基因轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移的基因與受體菌DNA整合在一起，稱為重組。外源性遺傳物 質(zhì)包括細(xì)菌染色體DNA片段，質(zhì)粒DNA及噬菌體基因等。細(xì)菌通過(guò) 某種方式獲得外源基因并與自身基因重組，導(dǎo)致自身遺傳性狀改變是細(xì) 菌遺傳性變異的另一種方式?；蜣D(zhuǎn)移與重組的方式有轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)換四種。1、轉(zhuǎn)化受體菌直接從周?chē)鷶z取供體菌游離的DNA片段，與自身基因重組 后獲得新遺傳性狀的過(guò)程。例如，活的無(wú)莢膜肺炎雙球菌（R）攝取死 的有莢膜肺炎雙球菌的DNA片段（S）與自身基因重組后獲得了形成 莢膜的能力，轉(zhuǎn)變成有莢膜的肺炎雙球菌（S）。由R型菌轉(zhuǎn)化為S型 菌。2、接合指遺傳物質(zhì)（如質(zhì)粒）通過(guò)性菌毛由供菌體傳

6、遞給受體菌，使受體 菌遺傳性狀發(fā)生改變的過(guò)程。（1）F質(zhì)粒接合帶有F質(zhì)粒的雄性菌，通過(guò)性菌毛將F質(zhì)粒的一條DNA鏈傳遞給 無(wú)性菌毛的雌性菌，質(zhì)粒DNA復(fù)制后，雌性菌獲得了 F質(zhì)粒，也具有 了形成性菌毛的能力，轉(zhuǎn)變?yōu)樾坌跃?。?）R質(zhì)粒接合R質(zhì)粒是由耐藥傳遞因子（RTF）和耐藥決定因子（r決定因子）兩 部分組成。耐藥傳遞因子編碼性菌毛，功能與F質(zhì)粒相似。耐藥決定因 子編碼對(duì)抗菌藥物的耐藥性。這兩部分可以單獨(dú)存在，也可以結(jié)合在一 起成為復(fù)合物，但必須兩部分結(jié)合在一起時(shí)，才能將耐藥性轉(zhuǎn)移給其它 細(xì)菌。細(xì)菌攜帶的多重耐藥質(zhì)粒也可通過(guò)性菌毛轉(zhuǎn)移給其它細(xì)菌，從而導(dǎo) 致細(xì)菌耐藥性的擴(kuò)散，這也是近年來(lái)耐藥菌株

7、日益增多的一個(gè)重要原 因。3、轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)導(dǎo)是以溫和噬菌體為載體，將供體菌的一段DNA轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，使受體菌獲得新性狀的過(guò)程。4、溶原性轉(zhuǎn)換某些溫和噬菌體感染敏感菌后，其基因可整合于宿主菌染色體中，此狀態(tài)下的細(xì)菌稱為溶原性細(xì)菌。溶原性細(xì)菌因DNA結(jié)構(gòu)改變獲得噬 菌體基因賦予的新性狀稱為溶原性轉(zhuǎn)換。如無(wú)毒性的白喉棒狀桿菌、產(chǎn) 氣莢膜梭菌、肉毒梭菌、A族溶血性鏈球菌均可因噬菌體感染呈溶原狀 態(tài)時(shí)產(chǎn)生外毒素。綜上所述，無(wú)莢膜的R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌，屬于轉(zhuǎn)化，據(jù)資料 認(rèn)為，無(wú)莢膜的R型細(xì)菌有非常重要的“感受態(tài)因子”位點(diǎn)，保證了S 型細(xì)菌的DNA可以進(jìn)入。這是廣義上的基因重組，然后在R型細(xì)菌內(nèi) 再得到表達(dá)

8、，形成莢膜，使R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌。問(wèn)題三：什么是感受態(tài)？ S型肺炎雙球菌能不能變成R型菌？人工 方法如何讓細(xì)菌產(chǎn)生感受態(tài)？細(xì)胞能夠從周?chē)h(huán)境中攝取DNA分子，并且不易被細(xì)胞內(nèi)的限制 性核酸內(nèi)切酶分解時(shí)所處的一種特殊生理狀態(tài)稱感受態(tài)。細(xì)菌的感受態(tài)有兩種類(lèi)型：一種是自然感受態(tài)，自然感受態(tài)細(xì)菌可 以自由地吸收DNA,通過(guò)它來(lái)進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化；另一種是人工感受態(tài), 在這種轉(zhuǎn)化中，細(xì)菌發(fā)生改變使得它們能攝入外源DNA?？莶菅挎邨U 菌屬于能夠發(fā)展為自然感受態(tài)的細(xì)胞，大腸桿菌就屬于需要人工處理的細(xì)胞。0OII程救細(xì)胞。0OII程救1丄1匚轉(zhuǎn)化示意圖1自然感受態(tài)一R型活菌R型肺炎雙球菌存在控制莢膜不能形成的基

9、因，S型肺炎雙球菌存 在控制莢膜合成的基因。將加熱殺死的S型菌與R型活菌混合后，注入 小鼠體內(nèi)，發(fā)生了R型菌向S型菌的轉(zhuǎn)化。并非任意兩株R型菌與S 型菌之間的接觸都可發(fā)生轉(zhuǎn)化。據(jù)研究，凡能發(fā)生轉(zhuǎn)化的，其R型菌必 須處于感受態(tài)。(1) R型菌的特點(diǎn)據(jù)資料，作為受體菌的R型活肺炎雙球菌在其生長(zhǎng)后期，即對(duì)數(shù)期 后期大約40分鐘內(nèi)處于“感受態(tài)”。R型活肺炎雙球菌細(xì)胞膜表面有30-80個(gè)“感受態(tài)因子”位點(diǎn)。感 受態(tài)因子是一種胞外蛋白，可誘導(dǎo)與感受態(tài)有關(guān)蛋白的表達(dá)，其中包括 自溶素，它使細(xì)胞表面的DNA結(jié)合蛋白和核酸酶裸露出來(lái)。正是因?yàn)?感受態(tài)因子的作用，使得R菌在對(duì)數(shù)期后期吸收外源DNA的能力比其 他時(shí)

10、期大1000倍。（2）R型活菌轉(zhuǎn)化成S型活菌的實(shí)質(zhì)過(guò)程由于加熱后的S型肺炎雙球菌的蛋白質(zhì)外殼結(jié)構(gòu)被破壞，從有秩序 而緊密的構(gòu)造，變?yōu)闊o(wú)秩序而松散的構(gòu)造，導(dǎo)致出現(xiàn)外殼自溶現(xiàn)象，釋 放出自身的DNA片段（雙鏈結(jié)構(gòu)尚存在，分子量小于1x107,約含15 個(gè)基因），稱為“轉(zhuǎn)化因子”。當(dāng)“轉(zhuǎn)化因子”遇到處于感受態(tài)的R型肺炎雙球菌時(shí)，就有10 個(gè)左右這樣的雙鏈片段被R型肺炎雙球菌細(xì)胞膜表面的“感受態(tài)因子”位點(diǎn)結(jié)合。在位點(diǎn)上進(jìn)一步發(fā)生酶促分解，形成平均分子量為4-5x106的 DNA片段，然后雙鏈拆開(kāi)，其中一條降解，另一條單鏈逐步進(jìn)入細(xì)胞。進(jìn)入細(xì)胞的單鏈DNA片段與R型肺炎雙球菌DNA的同源區(qū) 段配對(duì)，并使

11、受體DNA的相應(yīng)單鏈片段被切除，從而將其替換，于是 形成一個(gè)雜種DNA區(qū)段（它們間不一定互補(bǔ)，故可呈雜合狀態(tài)）。隨著R型肺炎雙球菌的分裂生殖，DNA進(jìn)行復(fù)制，雜合區(qū)段分 離成兩個(gè)，其中之一類(lèi)似供體菌（S型肺炎雙球菌），另一類(lèi)似受體菌（R型肺炎雙球菌）。當(dāng)細(xì)胞分裂后，此DNA發(fā)生分離，于是就由R 型肺炎雙球菌產(chǎn)生出了 S型肺炎雙球菌的后代。這個(gè)過(guò)程稱為原核生物 的轉(zhuǎn)化，其實(shí)質(zhì)是基因重組。如圖所示:DNJfflHtf空囁卅旳粘醴flttii 室 DU“盍店|DNJfflHtf空囁卅旳粘醴flttii 室 DU“盍店|只口龜尼營(yíng) 曜軸f I.W1“為無(wú)橋卻出* 看勺曲R型活菌轉(zhuǎn)化成S型活菌的相關(guān)解釋

12、因?yàn)镽型與S型的DNA可以同源區(qū)段配對(duì)，形成雜合細(xì)菌， 通過(guò)分裂生殖形成R型和S型兩種后代，不是R型直接變成S型。無(wú)莢膜的R型有非常重要的感受態(tài)和感受態(tài)時(shí)期，保證了S型 的DNA在特定的時(shí)期可以進(jìn)入R型菌中。S型有莢膜，無(wú)感受態(tài)，因此不能作為受體菌，如果人為除去 莢膜，培養(yǎng)出無(wú)莢膜的后代，它就同時(shí)喪失了毒性，變成R型，同樣會(huì) 有感受態(tài)。自然狀態(tài)下兩者可以通過(guò)基因突變來(lái)完成相互轉(zhuǎn)變，人工方 法是利用理化方法誘發(fā)突變完成相互轉(zhuǎn)變。發(fā)生轉(zhuǎn)化需要有親緣關(guān)系，轉(zhuǎn)化本身只發(fā)生在同種菌株間或近 緣菌株間。真核生物的細(xì)胞膜表面結(jié)構(gòu)與原核生物的大不相同，不會(huì)發(fā) 生轉(zhuǎn)化。2 人工感受態(tài)大腸桿菌野生型大腸桿菌并不容

13、易轉(zhuǎn)化，這是由于DNA無(wú)法進(jìn)入野生型大 腸桿菌的細(xì)胞。經(jīng)過(guò)多年的努力，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種方法可以增加細(xì) 胞吸收外源DNA的效率。那就是用化學(xué)方法處理細(xì)胞，使其改變膜對(duì) DNA的通透性。這種細(xì)胞就稱為感受態(tài)細(xì)胞，即細(xì)胞處于能攝入核酸 分子時(shí)的生理狀態(tài)。大腸桿菌需要誘導(dǎo)才能變成感受態(tài)細(xì)胞，而有些細(xì)菌細(xì)胞則在自然 條件下，或是在改變培養(yǎng)基和其他培養(yǎng)條件下就可變成感受態(tài)細(xì)胞。大腸桿菌的轉(zhuǎn)化常用化學(xué)法（CaCI2法），該法最先是由Cohen 于1972年發(fā)現(xiàn)的。其原理是細(xì)菌處于0C, CaCI2的低滲溶液中，菌 細(xì)胞膨脹成球形，轉(zhuǎn)化混合物中的DNA形成抗DNase的羥基-鈣磷酸 復(fù)合物粘附于細(xì)胞表面，經(jīng)

14、42C短時(shí)間熱沖擊處理,促使細(xì)胞吸收DNA 復(fù)合物，在豐富培養(yǎng)基上生長(zhǎng)數(shù)小時(shí)后，球狀細(xì)胞復(fù)原并分裂增值，被 轉(zhuǎn)化的細(xì)菌中，重組子中基因得到表達(dá)，在選擇性培養(yǎng)基平板上，可選 出所需的轉(zhuǎn)化子。目前CaCI2轉(zhuǎn)化方法的機(jī)制尚不清楚，可能是細(xì)胞壁被打了一些 孔，DNA分子從這些孔洞中進(jìn)入細(xì)胞，而這些孔洞隨后又可以被宿主 細(xì)胞修復(fù)?？梢越邮蹹NA的細(xì)胞稱為感受態(tài)細(xì)胞。另外，CaCI2化學(xué)試劑處理細(xì)菌后，是增加細(xì)胞膜的通透性還是細(xì) 胞壁的通透性，不同的教材有不同的觀點(diǎn)，浙科版認(rèn)為增加細(xì)胞壁通透 性。這種方法已經(jīng)成為基因工程的常規(guī)技術(shù),它對(duì)于我們利用體外DNA 重組技術(shù)來(lái)了解真核和原核生物的基因功能特別重要

15、。問(wèn)題四：肺炎雙球菌的莢膜作用和控制合成的基因在哪里？試題：如圖為科研人員將S型肺炎雙球菌的DNA分子切成片段導(dǎo) 入R型菌的過(guò)程相關(guān)敘述錯(cuò)誤的是（）HP*H 昭冊(cè)S型菌表面多糖類(lèi)莢膜的形成受DNA （基因）控制實(shí)驗(yàn)室中過(guò)程的實(shí)現(xiàn)可用Ca2+處理過(guò)程需要限制酶和DNA聚合酶催化D肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化的實(shí)質(zhì)是游離DNA片段的轉(zhuǎn)移和重組答案：C解析：由圖可知，導(dǎo)入S型菌DNA分子片段后形成的S型菌表面 有多糖類(lèi)莢膜，所以多糖類(lèi)莢膜的形成受DNA （基因）控制，A正確; 使微生物（R型菌）成為感受態(tài)細(xì)胞時(shí)需要用Ca2+處理，B正確；過(guò)程 是重組細(xì)菌的增殖，該過(guò)程需要DNA聚合酶催化，不需要限制酶， C錯(cuò)誤；肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化的實(shí)質(zhì)是基因重組，既游離DNA片段的轉(zhuǎn)移 和重組，D正確。那么，莢膜有關(guān)的基因在哪里？在擬核還是質(zhì)粒?莢膜是某些細(xì)菌在一定條件下或生長(zhǎng)發(fā)育到某一階段時(shí)，在細(xì)胞壁外一層厚度不均的膠狀物