肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化問題釋疑

肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化問題釋疑問題一、肺炎雙球菌R菌轉(zhuǎn)化為S菌的實(shí)質(zhì)過程如何？為什么R菌能轉(zhuǎn)化？典型試題解析試題1：（浙江選考試題）肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)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(jīng)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(shí)驗(yàn)未證明R型菌轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。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(zhì)經(jīng)過加熱后已經(jīng)失活，但其DNA經(jīng)加熱后沒有失去活性，故B錯誤；S型細(xì)菌中的DNA能將部分R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化為S型細(xì)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(shí)驗(yàn)證明S型細(xì)菌中存在某種轉(zhuǎn)化因子，能將R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌，但不能證明R型菌轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為S型肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化物質(zhì)是DNA還是蛋白質(zhì)，進(jìn)行了肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，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(zhuǎn)化物質(zhì)的活性乙組培養(yǎng)皿中有R型及S型菌落，推測轉(zhuǎn)化物質(zhì)是蛋白質(zhì)丙組培養(yǎng)皿中只有R型菌落，推測轉(zhuǎn)化物質(zhì)是DNA該實(shí)驗(yàn)?zāi)茏C明肺炎雙球菌的主要遺傳物質(zhì)是DNA解析：本題主要考查人類對遺傳物質(zhì)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(zhuǎn)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(zhì)酶，故在乙組的轉(zhuǎn)化中已經(jīng)排除了蛋白質(zhì)的干擾，應(yīng)當(dāng)推測轉(zhuǎn)化物質(zhì)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(zhuǎn)化，因此可推測是DNA參與了R型菌的轉(zhuǎn)化，故C正確；該實(shí)驗(yàn)只能證明肺炎雙球菌的遺傳物質(zhì)是DNA，而不是主要遺傳物質(zhì)是DNA，故D項(xiàng)錯誤。故答案為C。2.R型菌轉(zhuǎn)化為$型菌實(shí)質(zhì)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(xì)菌轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌，屬于轉(zhuǎn)化，細(xì)菌轉(zhuǎn)化是細(xì)菌進(jìn)行有性繁殖的一種方式。無莢膜的R型細(xì)菌有非常重要的“感受態(tài)因子”位點(diǎn)，保證了，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)，形成莢膜，使R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌。什么是感受態(tài)？細(xì)胞能夠從周圍環(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，通過它來進(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DNAOR型肺炎雙球菌屬于自然感受態(tài)的細(xì)胞，基因工程中常用的大腸桿菌就屬于需要人工處理的細(xì)胞（為了提高轉(zhuǎn)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(diǎn)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(nèi)，發(fā)生了日型菌向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)。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(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“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。正是因?yàn)楦惺軕B(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(zhuǎn)化成S型活菌的實(shí)質(zhì)過程由于加熱后的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，稱為“轉(zhuǎn)化因子”。據(jù)多個資料可知，“轉(zhuǎn)化因子”是擬核內(nèi)的DNA，不是質(zhì)粒DNA（如圖所示）。轉(zhuǎn)化過程示意圖（1）當(dāng)“轉(zhuǎn)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(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，其中一條被核酸酶降解，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，并使受體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，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(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。這個過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：問題二、肺炎雙球菌轉(zhuǎn)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(shí)，DNA不僅可以引起細(xì)菌的轉(zhuǎn)化，而且純度越高，轉(zhuǎn)化效率越高”，這句話出現(xiàn)兩個疑問，一是該實(shí)驗(yàn)是后來的研究，按照語言應(yīng)該不是艾弗里等科學(xué)家做的，但我沒找到相應(yīng)的資料來說明，盡管試題中出現(xiàn)了此觀點(diǎn)認(rèn)為不是艾弗里等科學(xué)家做的實(shí)驗(yàn)，甚至有試題認(rèn)為這個不是體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，顯然是有問題的，因?yàn)轶w外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)是幾代科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)；二是純度越高，轉(zhuǎn)化效率越高？當(dāng)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(zhuǎn)化與供體S菌的DNA純度有關(guān)，DNA越純，轉(zhuǎn)化率也就越高？”進(jìn)行說明。要搞清楚這個問題，首先要明確轉(zhuǎn)化過程是怎么發(fā)生的。是將R型細(xì)菌殺死變成S型細(xì)菌的?還是兩者的遺傳物質(zhì)進(jìn)行融合后表現(xiàn)出S型細(xì)菌的特點(diǎn)?有沒有可能是R型細(xì)菌突變而來？典例解析試題：下列關(guān)于肺炎雙球菌實(shí)驗(yàn)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(nèi)，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(nèi)，小鼠會患敗血癥致死活體轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中，從患病致死小鼠血液中可分離出活的S型活菌離體轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中，R型活菌轉(zhuǎn)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(jìn)入小鼠體內(nèi)不能指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成，反而被分解，不會使小鼠患敗血癥，B錯誤；活體轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中，R型活菌轉(zhuǎn)化為S型活菌的原因是轉(zhuǎn)化，屬于廣義上的基因重組，D錯誤。NO.1R型菌轉(zhuǎn)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(jīng)失活，但雙鏈結(jié)構(gòu)尚存在，約含15個基因），稱為“轉(zhuǎn)化因子”。當(dāng)“轉(zhuǎn)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(xì)胞膜表面的“感受態(tài)因子”位點(diǎn)相結(jié)合。在位點(diǎn)上進(jìn)一步發(fā)生DNA酶促分解，形成DNA片段。細(xì)菌細(xì)胞表面的2種DNA酶在轉(zhuǎn)化中起重要作用。細(xì)菌細(xì)胞壁上的一種核酸核酶內(nèi)切吸附著的DNA切成大約14kb的片段。然后細(xì)胞膜上另一種核酸酶把一條單鏈切除，使另一條單鏈進(jìn)入細(xì)胞。進(jìn)入細(xì)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(yīng)單鏈片段切除，并被外來DNA取代，形成雜種DNA區(qū)段（實(shí)質(zhì)就是基因重組）。受體菌DNA通過復(fù)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(xì)胞分裂生殖后，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。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(jìn)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(zhuǎn)化本身只發(fā)生在同種菌株間或近緣菌株間。這些S細(xì)菌不是通過這些特定的R細(xì)菌突變而來的。

■asm中如\■asm中如\丸q休汨mi心dmFNO.2影響轉(zhuǎn)化效率的因素受體細(xì)菌和供體細(xì)菌的親緣關(guān)系當(dāng)親緣關(guān)系愈遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)化效率愈低，這主要是受吸附位點(diǎn)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(guān)系愈遠(yuǎn)則同源性愈低，所以轉(zhuǎn)化效率也愈低。對比起來，S型和R型細(xì)菌之間DNA的差異相對小鼠來講要小得多，在轉(zhuǎn)化過程中當(dāng)然是R型細(xì)菌具有優(yōu)先性，所以一般以R型細(xì)菌的細(xì)胞作為受體細(xì)胞。受體細(xì)胞的生理狀態(tài)與轉(zhuǎn)化效率有關(guān)外源DNA首先必須吸附在細(xì)菌胞表面的一些接受位點(diǎn)上，然后才能進(jìn)入受體細(xì)胞內(nèi)，受體細(xì)胞的生理狀態(tài)與轉(zhuǎn)化效率有關(guān)。細(xì)菌能夠吸收外源DNA時的生理狀態(tài)稱為感受態(tài)。許多細(xì)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(rèn)為感受態(tài)是處于DNA合成剛剛停止，蛋白質(zhì)合成繼續(xù)活躍的時期。一定濃度的鈣離子能夠提高細(xì)菌的轉(zhuǎn)化效率。細(xì)菌細(xì)胞能吸附的DNA主要是雙鏈狀態(tài)的。感受態(tài)細(xì)胞的濃度和供體DNA濃度供體DNA結(jié)合到受體細(xì)胞表面開始是可逆的，這主要與細(xì)菌細(xì)胞表面的吸附位點(diǎn)有關(guān)。據(jù)估計一個細(xì)菌細(xì)胞表面大約有50個吸附位點(diǎn)。吸附位點(diǎn)飽和后，就阻止其他雙鏈DNA的結(jié)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?jīng)]有專一性，甚至對魚的DNA也能吸附。所以，轉(zhuǎn)化率與供體菌細(xì)胞的DNA純度有關(guān)，DNA越純，轉(zhuǎn)化率也就越高，這與受體菌R菌的吸附位點(diǎn)有關(guān)。供體菌DNA…*供體DNA的<5/f一股被降解轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)（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(jié)果培養(yǎng)基中未出現(xiàn)S型。這個實(shí)驗(yàn)從反面證明了DNA是遺傳物質(zhì)，為什么不能排除人們對提取的DNA中含有0.02%的蛋白質(zhì)起到了轉(zhuǎn)化因子（遺傳物質(zhì)）的作用的懷疑？這個推理從理論上來說確實(shí)沒錯，但是實(shí)際上，當(dāng)時情況要復(fù)雜的多。當(dāng)時人們對艾弗里實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示懷疑的原因主要來自兩個方面。一方面：艾弗里的實(shí)驗(yàn)并非無懈可擊，人們發(fā)現(xiàn)他的第一個實(shí)驗(yàn)中的DNA純度不夠，關(guān)鍵性的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)茏龀鲆恍┙忉專侨藗內(nèi)匀豢梢哉J(rèn)為是DNA和蛋白質(zhì)共同作用完成細(xì)菌的轉(zhuǎn)化，或者蛋白質(zhì)也參與了細(xì)菌的轉(zhuǎn)化過程，即無法完全排除蛋白質(zhì)可能起了作用的懷疑。另一方面：艾弗里由實(shí)驗(yàn)推論得到DNA是使R型細(xì)菌發(fā)生遺傳改變的物質(zhì)，這個觀點(diǎn)與當(dāng)時大多數(shù)科學(xué)家的觀點(diǎn)是截然不同的，因此很多人都不愿承認(rèn)艾弗里的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這一點(diǎn)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(dāng)時人們普遍認(rèn)為抗原特性取決于細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)，不相信艾弗里的結(jié)果，懷疑其結(jié)果是因?yàn)槎嗵菗诫s了蛋白質(zhì)雜質(zhì)導(dǎo)致的。在 1946年以前，艾弗里有4次進(jìn)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(jié)果都認(rèn)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(zhì)的研究。當(dāng)時研究核酸的兩個權(quán)威一一卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院的化學(xué)教授艾納?哈馬斯登和他的前學(xué)生，細(xì)胞研究與遺傳學(xué)教授托布真?卡佩森。這兩個人都相信只有蛋白質(zhì)才有可能是遺傳物質(zhì)，而且他們根據(jù)自己的研究經(jīng)驗(yàn)，知道很難除去DNA中的蛋白質(zhì)雜質(zhì)，從而不相信艾弗里的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1946年，由哈馬斯登對艾弗里的實(shí)驗(yàn)做了簡短的書面評價，他對艾弗里的結(jié)果持批評態(tài)度，認(rèn)為艾弗里的DNA是被蛋白質(zhì)雜質(zhì)污染了，蛋白質(zhì)才是轉(zhuǎn)化因子。接下來的幾年，有一些實(shí)驗(yàn)室用其他實(shí)驗(yàn)證實(shí)了艾弗里的結(jié)論，艾弗里的