肺炎双球菌转化问题释疑

肺炎双球菌转化问题释疑问题一、肺炎双球菌R菌转化为S菌的实质过程如何？为什么R菌能转化？典型试题解析试题1：（浙江选考试题）肺炎双球菌转化实验的部分过程如图所示。下列叙述正确的是（ ）s型S型肺炎双球菌的菌落为粗糙的，R型肺炎双球菌的菌落是光滑的S型菌的DNA经加热后失活，因而注射S型菌后的小鼠仍存活从病死小鼠中分离得到的肺炎双球菌只有S型菌而无R型菌该实验未证明R型菌转化为S型菌是由S型菌的DNA引起的解析：本题主要考查肺炎双球菌转化实验。S型肺炎双球菌的菌落为光滑的，R型肺炎双球菌的菌落是粗糙的，故A错误；S型菌的蛋白质经过加热后已经失活，但其DNA经加热后没有失去活性，故B错误；S型细菌中的DNA能将部分R型细菌转化为S型细菌，因此从病死小鼠中分离得到的肺炎双球菌有S型菌和R型菌，故C错误；该实验证明S型细菌中存在某种转化因子，能将R型细菌转化为S型细菌，但不能证明R型菌转化为S型菌是由S型菌的DNA引起的，故D正确。故正确答案为D。试题2： （2019年4月选考试题）为研究R型肺炎双球菌转化为S型肺炎双球菌的转化物质是DNA还是蛋白质，进行了肺炎双球菌体外转化实验，其基本过程如图所示：楫血物的膺葬植 提限物帕培养波 扭曜物 的垮彝蔽中现 乙型 囚酗下列叙述正确的是（ ）甲组培养皿中只有S型菌落，推测加热不会破坏转化物质的活性乙组培养皿中有R型及S型菌落，推测转化物质是蛋白质丙组培养皿中只有R型菌落，推测转化物质是DNA该实验能证明肺炎双球菌的主要遗传物质是DNA解析：本题主要考查人类对遗传物质的探索过程。甲组中，培养一段时间后可发现有极少的R型菌转化成了S型菌，因此甲组培养皿中不仅有S型菌落也有R型菌落，故A错误；乙组培养皿中加入了蛋白质酶，故在乙组的转化中已经排除了蛋白质的干扰，应当推测转化物质是DNA，故B错误；丙组培养皿中加入了DNA酶，DNA被水解后R型菌便不发生转化，因此可推测是DNA参与了R型菌的转化，故C正确；该实验只能证明肺炎双球菌的遗传物质是DNA，而不是主要遗传物质是DNA，故D项错误。故答案为C。2.R型菌转化为$型菌实质肺炎双球菌的菌落主要有光滑（smooth，S）型和粗糙（rough，R）型两种。S型菌落表面光滑、湿润，边缘整齐。R型菌落表面粗糙、干皱，边缘不整齐。无荚膜的R型细菌转化为S型细菌，属于转化，细菌转化是细菌进行有性繁殖的一种方式。无荚膜的R型细菌有非常重要的“感受态因子”位点，保证了，型细菌的DNA可以进入。这是广义上的基因重组，然后在R型细菌内再得到表达，形成荚膜，使R型细菌转化为S型细菌。什么是感受态？细胞能够从周围环境中摄取DNA分子，并且不易被细胞内的限制性核酸内切酶分解时所处的一种特殊生理状态称感受态。细菌的感受态有两种类型：一种是自然感受态，自然感受态细菌可以自由地吸收DNA，通过它来进行遗传转化；另一种是人工感受态，在这种转化中，细菌发生改变使得它们能摄入外源DNAOR型肺炎双球菌属于自然感受态的细胞，基因工程中常用的大肠杆菌就属于需要人工处理的细胞（为了提高转化效率，可以用CaCl2处理受体菌制备感受态）。R型肺炎双球菌的特点R型肺炎双球菌存在控制荚膜不能形成的基因，S型肺炎双球菌存在控制荚膜合成的基因。将加热杀死的S型菌与R型活菌混合后，注入小鼠体内，发生了日型菌向S型菌的转化。并非任意两株R型菌与S型菌之间的接触都可发生转化。据研究，凡能发生转化的，其R型菌必须处于感受态。据资料，作为受体菌的R型活肺炎双球菌在其生长后期，即对数期后期大约40分钟内处于“感受态”。R型活肺炎双球菌细胞膜表面有30-80个“感受态因子”位点。感受态因子是一种胞外蛋白，可诱导与感受态有关蛋白的表达，其中包括自溶素，它使细胞表面的DNA结合蛋白和核酸酶裸露出来。正是因为感受态因子的作用，使得R菌在对数期后期吸收外源DNA的能力比其他时期大1000倍。R型活菌转化成S型活菌的实质过程由于加热后的S型肺炎双球菌的蛋白质外壳结构被破坏，从有秩序而紧密的构造，变为无秩序而松散的构造，导致出现外壳自溶现象，释放出自身的DNA片段，称为“转化因子”。据多个资料可知，“转化因子”是拟核内的DNA，不是质粒DNA（如图所示）。转化过程示意图（1）当“转化因子”遇到处于感受态的R型肺炎双球菌时，就有10个左右这样的双链片段被R型肺炎双球菌细胞膜表面的“感受态因子”位点结合。在位点上进一步发生酶促分解，形成平均分子量为4.5X106的DNA片段，然后双链拆开，其中一条被核酸酶降解，另一条单链逐步进入细胞。进入细胞的单链DNA片段与R型肺炎双球菌DNA的同源区段配对，并使受体DNA的相应单链片段被切除，从而将其替换，于是形成一个杂种DNA区段(它们间不一定互补，故可呈杂合状态)。随着R型肺炎双球菌的分裂生殖，DNA进行复制，杂合区段分离成两个，其中之一类似供体菌(S型肺炎双球菌)，另一类似受体菌(R型肺炎双球菌)。当细胞分裂后，此DNA发生分离，于是就由R型肺炎双球菌产生出了S型肺炎双球菌的后代。这个过程称为原核生物的转化，其实质是基因重组。如图所示：问题二、肺炎双球菌转化的影响因素有哪些？必修2教材第51页，“后来的研究不断证实，DNA不仅可以引起细菌的转化，而且纯度越高，转化效率越高”，这句话出现两个疑问，一是该实验是后来的研究，按照语言应该不是艾弗里等科学家做的，但我没找到相应的资料来说明，尽管试题中出现了此观点认为不是艾弗里等科学家做的实验，甚至有试题认为这个不是体外转化实验的结果，显然是有问题的，因为体外转化实验是几代科学家的实验；二是纯度越高，转化效率越高？当然这里的纯度指的是S菌的DNA纯度。下面就“为什么教材上说肺炎双球菌转化与供体S菌的DNA纯度有关，DNA越纯，转化率也就越高？”进行说明。要搞清楚这个问题，首先要明确转化过程是怎么发生的。是将R型细菌杀死变成S型细菌的?还是两者的遗传物质进行融合后表现出S型细菌的特点?有没有可能是R型细菌突变而来？典例解析试题：下列关于肺炎双球菌实验的叙述，正确的是（ ）DNA酶与S型活菌混合后注入正常小鼠体内，小鼠不会患败血症致死提取S型活菌的DNA直接注射到正常小鼠体内，小鼠会患败血症致死活体转化实验中，从患病致死小鼠血液中可分离出活的S型活菌离体转化实验中，R型活菌转化为S型活菌的原因是基因突变答案：C解析：DNA酶与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，小鼠会患败血症致死，A错误；S型活菌的DNA进入小鼠体内不能指导蛋白质合成，反而被分解，不会使小鼠患败血症，B错误；活体转化实验中，从患病致死小鼠血液中可分离出活的S型活菌，C正确；离体转化实验中，R型活菌转化为S型活菌的原因是转化，属于广义上的基因重组，D错误。NO.1R型菌转化为S型菌的过程被加热杀死的S型肺炎双球菌自溶，释放出自身的DNA片段（已经失活，但双链结构尚存在，约含15个基因），称为“转化因子”。当“转化因子”遇到感受态的R型活肺炎双球菌时，就有10个左右这样的双链片段与R型活肺炎双球菌细胞膜表面的“感受态因子”位点相结合。在位点上进一步发生DNA酶促分解，形成DNA片段。细菌细胞表面的2种DNA酶在转化中起重要作用。细菌细胞壁上的一种核酸核酶内切吸附着的DNA切成大约14kb的片段。然后细胞膜上另一种核酸酶把一条单链切除，使另一条单链进入细胞。进入细菌体的DNA单链与受体菌DNA同源区段配对，接着受体DNA相应单链片段切除，并被外来DNA取代，形成杂种DNA区段（实质就是基因重组）。受体菌DNA通过复制杂合区段分离成两个，其中有的类似供体S菌，有的类似R型菌，细胞分裂生殖后，于是就由R型肺炎双球菌产生出S型肺炎双球菌的后代。另外，无荚膜的R型有非常重要的感受态，保证了S型的DNA可以进入。反之则不会发生：S型有荚膜，无感受态，不能作为受体菌。转化本身只发生在同种菌株间或近缘菌株间。这些S细菌不是通过这些特定的R细菌突变而来的。

■asm中如\■asm中如\丸q休汨mi心dmFNO.2影响转化效率的因素受体细菌和供体细菌的亲缘关系当亲缘关系愈远，转化效率愈低，这主要是受吸附位点专一性和DNA的同源程度的影响。DNA分子的联会是供体DNA整合到受体DNA上的先决条件，联会一般只发生在同源区段之间，而亲缘关系愈远则同源性愈低，所以转化效率也愈低。对比起来，S型和R型细菌之间DNA的差异相对小鼠来讲要小得多，在转化过程中当然是R型细菌具有优先性，所以一般以R型细菌的细胞作为受体细胞。受体细胞的生理状态与转化效率有关外源DNA首先必须吸附在细菌胞表面的一些接受位点上，然后才能进入受体细胞内，受体细胞的生理状态与转化效率有关。细菌能够吸收外源DNA时的生理状态称为感受态。许多细菌的感受态都在对数生长期的后期迅速出现。有人认为感受态是处于DNA合成刚刚停止，蛋白质合成继续活跃的时期。一定浓度的钙离子能够提高细菌的转化效率。细菌细胞能吸附的DNA主要是双链状态的。感受态细胞的浓度和供体DNA浓度供体DNA结合到受体细胞表面开始是可逆的，这主要与细菌细胞表面的吸附位点有关。据估计一个细菌细胞表面大约有50个吸附位点。吸附位点饱和后，就阻止其他双链DNA的结合，而处于不可逆状态。此时供体DNA不再受培养基中DNA酶的破坏。肺炎双球菌于DNA的吸附没有专一性，甚至对鱼的DNA也能吸附。所以，转化率与供体菌细胞的DNA纯度有关，DNA越纯，转化率也就越高，这与受体菌R菌的吸附位点有关。供体菌DNA…*供体DNA的<5/f一股被降解转化蔺 原型菌NO.3拓展：艾弗里没有获得诺贝尔奖的原因艾弗里在第三组实验（加DNA水解物）中，用DNA酶处理提取的DNA，然后加入培养R型菌的培养基中，结果培养基中未出现S型。这个实验从反面证明了DNA是遗传物质，为什么不能排除人们对提取的DNA中含有0.02%的蛋白质起到了转化因子（遗传物质）的作用的怀疑？这个推理从理论上来说确实没错，但是实际上，当时情况要复杂的多。当时人们对艾弗里实验结果表示怀疑的原因主要来自两个方面。一方面：艾弗里的实验并非无懈可击，人们发现他的第一个实验中的DNA纯度不够，关键性的实验证据出现了问题，由此证据得到的推论自然会被人们怀疑。尽管艾弗里的第三个实验能做出一些解释，但是人们仍然可以认为是DNA和蛋白质共同作用完成细菌的转化，或者蛋白质也参与了细菌的转化过程，即无法完全排除蛋白质可能起了作用的怀疑。另一方面：艾弗里由实验推论得到DNA是使R型细菌发生遗传改变的物质，这个观点与当时大多数科学家的观点是截然不同的，因此很多人都不愿承认艾弗里的实验结果，这一点从他一生的遭遇就可以看出。自1930年起，几乎每年艾弗里都因发现肺炎双球菌的抗原特异性取决于其多糖荚膜而获诺贝尔奖提名，但由于当时人们普遍认为抗原特性取决于细胞表面的蛋白质，不相信艾弗里的结果，怀疑其结果是因为多糖掺杂了蛋白质杂质导致的。在 1946年以前，艾弗里有4次进入了第二轮名单，即诺贝尔奖委员会对其工作做了书面评价，但是评价的结果都认为他的发现不值得获奖。1946年起，开始有人在提名艾弗里时提到他对遗传物质的研究。当时研究核酸的两个权威一一卡罗林斯卡医学院的化学教授艾纳•哈马斯登和他的前学生，细胞研究与遗传学教授托布真•卡佩森。这两个人都相信只有蛋白质才有可能是遗传物质，而且他们根据自己的研究经验，知道很难除去DNA中的蛋白质杂质，从而不相信艾弗里的实验结果。1946年，由哈马斯登对艾弗里的实验做了简短的书面评价，他对艾弗里的结果持批评态度，认为艾弗里的DNA是被蛋白质杂质污染了，蛋白质才是转化因子。接下来的几年，有一些实验室用其他实验证实了艾弗里的结论，艾弗里的