肺炎雙球菌轉化問題釋疑

肺炎雙球菌轉化問題釋疑問題一、肺炎雙球菌R菌轉化為S菌的實質過程如何？為什么R菌能轉化？典型試題解析試題1：（浙江選考試題）肺炎雙球菌轉化實驗的部分過程如圖所示。下列敘述正確的是（ ）s型S型肺炎雙球菌的菌落為粗糙的，R型肺炎雙球菌的菌落是光滑的S型菌的DNA經加熱后失活，因而注射S型菌后的小鼠仍存活從病死小鼠中分離得到的肺炎雙球菌只有S型菌而無R型菌該實驗未證明R型菌轉化為S型菌是由S型菌的DNA引起的解析：本題主要考查肺炎雙球菌轉化實驗。S型肺炎雙球菌的菌落為光滑的，R型肺炎雙球菌的菌落是粗糙的，故A錯誤；S型菌的蛋白質經過加熱后已經失活，但其DNA經加熱后沒有失去活性，故B錯誤；S型細菌中的DNA能將部分R型細菌轉化為S型細菌，因此從病死小鼠中分離得到的肺炎雙球菌有S型菌和R型菌，故C錯誤；該實驗證明S型細菌中存在某種轉化因子，能將R型細菌轉化為S型細菌，但不能證明R型菌轉化為S型菌是由S型菌的DNA引起的，故D正確。故正確答案為D。試題2： （2019年4月選考試題）為研究R型肺炎雙球菌轉化為S型肺炎雙球菌的轉化物質是DNA還是蛋白質，進行了肺炎雙球菌體外轉化實驗，其基本過程如圖所示：楫血物的膺葬植 提限物帕培養(yǎng)波 扭曜物 的垮彝蔽中現(xiàn) 乙型 囚酗下列敘述正確的是（ ）甲組培養(yǎng)皿中只有S型菌落，推測加熱不會破壞轉化物質的活性乙組培養(yǎng)皿中有R型及S型菌落，推測轉化物質是蛋白質丙組培養(yǎng)皿中只有R型菌落，推測轉化物質是DNA該實驗能證明肺炎雙球菌的主要遺傳物質是DNA解析：本題主要考查人類對遺傳物質的探索過程。甲組中，培養(yǎng)一段時間后可發(fā)現(xiàn)有極少的R型菌轉化成了S型菌，因此甲組培養(yǎng)皿中不僅有S型菌落也有R型菌落，故A錯誤；乙組培養(yǎng)皿中加入了蛋白質酶，故在乙組的轉化中已經排除了蛋白質的干擾，應當推測轉化物質是DNA，故B錯誤；丙組培養(yǎng)皿中加入了DNA酶，DNA被水解后R型菌便不發(fā)生轉化，因此可推測是DNA參與了R型菌的轉化，故C正確；該實驗只能證明肺炎雙球菌的遺傳物質是DNA，而不是主要遺傳物質是DNA，故D項錯誤。故答案為C。2.R型菌轉化為$型菌實質肺炎雙球菌的菌落主要有光滑（smooth，S）型和粗糙（rough，R）型兩種。S型菌落表面光滑、濕潤，邊緣整齊。R型菌落表面粗糙、干皺，邊緣不整齊。無莢膜的R型細菌轉化為S型細菌，屬于轉化，細菌轉化是細菌進行有性繁殖的一種方式。無莢膜的R型細菌有非常重要的“感受態(tài)因子”位點，保證了，型細菌的DNA可以進入。這是廣義上的基因重組，然后在R型細菌內再得到表達，形成莢膜，使R型細菌轉化為S型細菌。什么是感受態(tài)？細胞能夠從周圍環(huán)境中攝取DNA分子，并且不易被細胞內的限制性核酸內切酶分解時所處的一種特殊生理狀態(tài)稱感受態(tài)。細菌的感受態(tài)有兩種類型：一種是自然感受態(tài)，自然感受態(tài)細菌可以自由地吸收DNA，通過它來進行遺傳轉化；另一種是人工感受態(tài)，在這種轉化中，細菌發(fā)生改變使得它們能攝入外源DNAOR型肺炎雙球菌屬于自然感受態(tài)的細胞，基因工程中常用的大腸桿菌就屬于需要人工處理的細胞（為了提高轉化效率，可以用CaCl2處理受體菌制備感受態(tài)）。R型肺炎雙球菌的特點R型肺炎雙球菌存在控制莢膜不能形成的基因，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，發(fā)生了日型菌向S型菌的轉化。并非任意兩株R型菌與S型菌之間的接觸都可發(fā)生轉化。據(jù)研究，凡能發(fā)生轉化的，其R型菌必須處于感受態(tài)。據(jù)資料，作為受體菌的R型活肺炎雙球菌在其生長后期，即對數(shù)期后期大約40分鐘內處于“感受態(tài)”。R型活肺炎雙球菌細胞膜表面有30-80個“感受態(tài)因子”位點。感受態(tài)因子是一種胞外蛋白，可誘導與感受態(tài)有關蛋白的表達，其中包括自溶素，它使細胞表面的DNA結合蛋白和核酸酶裸露出來。正是因為感受態(tài)因子的作用，使得R菌在對數(shù)期后期吸收外源DNA的能力比其他時期大1000倍。R型活菌轉化成S型活菌的實質過程由于加熱后的S型肺炎雙球菌的蛋白質外殼結構被破壞，從有秩序而緊密的構造，變?yōu)闊o秩序而松散的構造，導致出現(xiàn)外殼自溶現(xiàn)象，釋放出自身的DNA片段，稱為“轉化因子”。據(jù)多個資料可知，“轉化因子”是擬核內的DNA，不是質粒DNA（如圖所示）。轉化過程示意圖（1）當“轉化因子”遇到處于感受態(tài)的R型肺炎雙球菌時，就有10個左右這樣的雙鏈片段被R型肺炎雙球菌細胞膜表面的“感受態(tài)因子”位點結合。在位點上進一步發(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，其中一條被核酸酶降解，另一條單鏈逐步進入細胞。進入細胞的單鏈DNA片段與R型肺炎雙球菌DNA的同源區(qū)段配對，并使受體DNA的相應單鏈片段被切除，從而將其替換，于是形成一個雜種DNA區(qū)段(它們間不一定互補，故可呈雜合狀態(tài))。隨著R型肺炎雙球菌的分裂生殖，DNA進行復制，雜合區(qū)段分離成兩個，其中之一類似供體菌(S型肺炎雙球菌)，另一類似受體菌(R型肺炎雙球菌)。當細胞分裂后，此DNA發(fā)生分離，于是就由R型肺炎雙球菌產生出了S型肺炎雙球菌的后代。這個過程稱為原核生物的轉化，其實質是基因重組。如圖所示：問題二、肺炎雙球菌轉化的影響因素有哪些？必修2教材第51頁，“后來的研究不斷證實，DNA不僅可以引起細菌的轉化，而且純度越高，轉化效率越高”，這句話出現(xiàn)兩個疑問，一是該實驗是后來的研究，按照語言應該不是艾弗里等科學家做的，但我沒找到相應的資料來說明，盡管試題中出現(xiàn)了此觀點認為不是艾弗里等科學家做的實驗，甚至有試題認為這個不是體外轉化實驗的結果，顯然是有問題的，因為體外轉化實驗是幾代科學家的實驗；二是純度越高，轉化效率越高？當然這里的純度指的是S菌的DNA純度。下面就“為什么教材上說肺炎雙球菌轉化與供體S菌的DNA純度有關，DNA越純，轉化率也就越高？”進行說明。要搞清楚這個問題，首先要明確轉化過程是怎么發(fā)生的。是將R型細菌殺死變成S型細菌的?還是兩者的遺傳物質進行融合后表現(xiàn)出S型細菌的特點?有沒有可能是R型細菌突變而來？典例解析試題：下列關于肺炎雙球菌實驗的敘述，正確的是（ ）DNA酶與S型活菌混合后注入正常小鼠體內，小鼠不會患敗血癥致死提取S型活菌的DNA直接注射到正常小鼠體內，小鼠會患敗血癥致死活體轉化實驗中，從患病致死小鼠血液中可分離出活的S型活菌離體轉化實驗中，R型活菌轉化為S型活菌的原因是基因突變答案：C解析：DNA酶與S型活菌混合后，DNA酶作用不了S型活菌，S型菌依然存在毒性，小鼠會患敗血癥致死，A錯誤；S型活菌的DNA進入小鼠體內不能指導蛋白質合成，反而被分解，不會使小鼠患敗血癥，B錯誤；活體轉化實驗中，從患病致死小鼠血液中可分離出活的S型活菌，C正確；離體轉化實驗中，R型活菌轉化為S型活菌的原因是轉化，屬于廣義上的基因重組，D錯誤。NO.1R型菌轉化為S型菌的過程被加熱殺死的S型肺炎雙球菌自溶，釋放出自身的DNA片段（已經失活，但雙鏈結構尚存在，約含15個基因），稱為“轉化因子”。當“轉化因子”遇到感受態(tài)的R型活肺炎雙球菌時，就有10個左右這樣的雙鏈片段與R型活肺炎雙球菌細胞膜表面的“感受態(tài)因子”位點相結合。在位點上進一步發(fā)生DNA酶促分解，形成DNA片段。細菌細胞表面的2種DNA酶在轉化中起重要作用。細菌細胞壁上的一種核酸核酶內切吸附著的DNA切成大約14kb的片段。然后細胞膜上另一種核酸酶把一條單鏈切除，使另一條單鏈進入細胞。進入細菌體的DNA單鏈與受體菌DNA同源區(qū)段配對，接著受體DNA相應單鏈片段切除，并被外來DNA取代，形成雜種DNA區(qū)段（實質就是基因重組）。受體菌DNA通過復制雜合區(qū)段分離成兩個，其中有的類似供體S菌，有的類似R型菌，細胞分裂生殖后，于是就由R型肺炎雙球菌產生出S型肺炎雙球菌的后代。另外，無莢膜的R型有非常重要的感受態(tài)，保證了S型的DNA可以進入。反之則不會發(fā)生：S型有莢膜，無感受態(tài)，不能作為受體菌。轉化本身只發(fā)生在同種菌株間或近緣菌株間。這些S細菌不是通過這些特定的R細菌突變而來的。

■asm中如\■asm中如\丸q休汨mi心dmFNO.2影響轉化效率的因素受體細菌和供體細菌的親緣關系當親緣關系愈遠，轉化效率愈低，這主要是受吸附位點專一性和DNA的同源程度的影響。DNA分子的聯(lián)會是供體DNA整合到受體DNA上的先決條件，聯(lián)會一般只發(fā)生在同源區(qū)段之間，而親緣關系愈遠則同源性愈低，所以轉化效率也愈低。對比起來，S型和R型細菌之間DNA的差異相對小鼠來講要小得多，在轉化過程中當然是R型細菌具有優(yōu)先性，所以一般以R型細菌的細胞作為受體細胞。受體細胞的生理狀態(tài)與轉化效率有關外源DNA首先必須吸附在細菌胞表面的一些接受位點上，然后才能進入受體細胞內，受體細胞的生理狀態(tài)與轉化效率有關。細菌能夠吸收外源DNA時的生理狀態(tài)稱為感受態(tài)。許多細菌的感受態(tài)都在對數(shù)生長期的后期迅速出現(xiàn)。有人認為感受態(tài)是處于DNA合成剛剛停止，蛋白質合成繼續(xù)活躍的時期。一定濃度的鈣離子能夠提高細菌的轉化效率。細菌細胞能吸附的DNA主要是雙鏈狀態(tài)的。感受態(tài)細胞的濃度和供體DNA濃度供體DNA結合到受體細胞表面開始是可逆的，這主要與細菌細胞表面的吸附位點有關。據(jù)估計一個細菌細胞表面大約有50個吸附位點。吸附位點飽和后，就阻止其他雙鏈DNA的結合，而處于不可逆狀態(tài)。此時供體DNA不再受培養(yǎng)基中DNA酶的破壞。肺炎雙球菌于DNA的吸附沒有專一性，甚至對魚的DNA也能吸附。所以，轉化率與供體菌細胞的DNA純度有關，DNA越純，轉化率也就越高，這與受體菌R菌的吸附位點有關。供體菌DNA…*供體DNA的<5/f一股被降解轉化藺 原型菌NO.3拓展：艾弗里沒有獲得諾貝爾獎的原因艾弗里在第三組實驗（加DNA水解物）中，用DNA酶處理提取的DNA，然后加入培養(yǎng)R型菌的培養(yǎng)基中，結果培養(yǎng)基中未出現(xiàn)S型。這個實驗從反面證明了DNA是遺傳物質，為什么不能排除人們對提取的DNA中含有0.02%的蛋白質起到了轉化因子（遺傳物質）的作用的懷疑？這個推理從理論上來說確實沒錯，但是實際上，當時情況要復雜的多。當時人們對艾弗里實驗結果表示懷疑的原因主要來自兩個方面。一方面：艾弗里的實驗并非無懈可擊，人們發(fā)現(xiàn)他的第一個實驗中的DNA純度不夠，關鍵性的實驗證據(jù)出現(xiàn)了問題，由此證據(jù)得到的推論自然會被人們懷疑。盡管艾弗里的第三個實驗能做出一些解釋，但是人們仍然可以認為是DNA和蛋白質共同作用完成細菌的轉化，或者蛋白質也參與了細菌的轉化過程，即無法完全排除蛋白質可能起了作用的懷疑。另一方面：艾弗里由實驗推論得到DNA是使R型細菌發(fā)生遺傳改變的物質，這個觀點與當時大多數(shù)科學家的觀點是截然不同的，因此很多人都不愿承認艾弗里的實驗結果，這一點從他一生的遭遇就可以看出。自1930年起，幾乎每年艾弗里都因發(fā)現(xiàn)肺炎雙球菌的抗原特異性取決于其多糖莢膜而獲諾貝爾獎提名，但由于當時人們普遍認為抗原特性取決于細胞表面的蛋白質，不相信艾弗里的結果，懷疑其結果是因為多糖摻雜了蛋白質雜質導致的。在 1946年以前，艾弗里有4次進入了第二輪名單，即諾貝爾獎委員會對其工作做了書面評價，但是評價的結果都認為他的發(fā)現(xiàn)不值得獲獎。1946年起，開始有人在提名艾弗里時提到他對遺傳物質的研究。當時研究核酸的兩個權威一一卡羅林斯卡醫(yī)學院的化學教授艾納?哈馬斯登和他的前學生，細胞研究與遺傳學教授托布真?卡佩森。這兩個人都相信只有蛋白質才有可能是遺傳物質，而且他們根據(jù)自己的研究經驗，知道很難除去DNA中的蛋白質雜質，從而不相信艾弗里的實驗結果。1946年，由哈馬斯登對艾弗里的實驗做了簡短的書面評價，他對艾弗里的結果持批評態(tài)度，認為艾弗里的DNA是被蛋白質雜質污染了，蛋白質才是轉化因子。接下來的幾年，有一些實驗室用其他實驗證實了艾弗里的結論，艾弗里的