肺炎双球菌的转化实验的常见问题的解决策略
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《肺炎双球菌转化实验》疑难四问解析曾小军(江西省泰和县第二中学343700)证明DNA是遗传物质的证据的经典实验,由概念考查向分析说明转移是高考命题的趋势。
本文针对一些疑难或误区作进一步的探讨。
疑难1:有荚膜的S型细菌可以使人患肺炎或使小鼠患败血症,而无荚膜的R型细菌不能够引起上述症状,这样说来是荚膜本身有毒性造成的吗?答:很多学生误认为是荚膜本身有毒性造成的,其实不然。
荚膜是某些细菌的细胞壁外的一层较松厚而且较固定的粘液性物质,主要由水、多糖或多肽组成。
在防止噬菌体侵袭及吞噬细胞的吞噬和消化起着重要作用。
当有荚膜的S型细菌就是被吞噬细胞吞噬后,由于受荚膜的保护,能抵抗吞噬和消化作用,从而迅速繁殖、扩散,能引起肌体发生疾病,严重时引起死亡,这才是S型细菌有毒性的真正原因。
疑难2:在格里菲思的实验中,既然S型细菌被加热杀死了,为什么无毒性的仍能转化为有毒性的S型活细菌?而在艾弗里的实验中,从S型活细菌提取的DNA用DNA酶处理后,就不能使R型细菌发生转化呢?答:加热到60 ℃,S型细菌解体而死亡,此时S型细菌中的DNA链断裂为100个左右的仍具有活性的游离片断,每个片段至少有20个基因,在某一片段上仍含有控制荚膜形成的基因(即转化因子)。
因此加热杀死后的S型细菌尽管已经死亡,但加热杀死后的S 型细菌中的DNA却具有能使R型细菌转化S型细菌的遗传效应。
这也就是转化实验中,将无毒性R型活细菌与被加热杀死的S型细菌混合后,注射到小鼠体内,小鼠患败血症死亡的原因。
如果用DNA酶处理从S型细菌提取的DNA,使DNA分解为游离的脱氧核苷酸,因而不存在控制荚膜形成的基因,当然就不能使R型细菌发生转化。
疑难3:加热杀死后的S型细菌直接注射到小鼠体内后,能使小鼠的体细胞发生转化吗?答:从一个细胞分离得到的包括某些基因的DNA片段被另一细胞所吸收,从而使后者具有相应于这些基因的性状,这种基因转移的方式称为转化。
转化是细菌中较为普遍的现象。
“肺炎双球菌的转化”与“T2噬菌体侵染细菌”实验疑点分析2011-06-01 07:35:26| 分类:心修2《遗传与进|举报|字号订阅“肺炎双球菌的转化”与“T2噬菌体侵染细菌”实验疑点分析一、肺炎双球菌的转化实验1.S型肺炎双球菌为什么有毒性,而R型肺炎双球菌没有毒性?S型肺炎双球菌与R型肺炎双球菌的差别在于,S型肺炎双球菌细胞壁外有荚膜,而R型肺炎双球菌外没有。
细菌的荚膜包围在细菌细胞壁外,主要是多糖和多肽,有以下作用:①防止细菌变干;②吸附离子;③防止被吞噬细胞轻易吞噬消灭;④防止噬菌体侵染。
S型肺炎双球菌有荚膜,进入小鼠体内,受荚膜的保护,抵抗吞噬和消化作用,不容易被消灭,从而迅速繁殖、扩散,引起机体发生疾病,严重时引起死亡,即是有毒性。
而R型肺炎双球菌无荚膜,容易被吞噬细胞吞噬消化,所以不能使机体患病,即是无毒性。
2.仅S型肺炎双球菌DNA注射入小鼠,会不会使小鼠死亡?细菌自身繁殖需完整的细胞结构,如果仅将S型肺炎双球菌DNA注射到小鼠体内,不能再形成细菌,不能繁殖,不会使小鼠死亡。
3.对S型肺炎双球菌加热处理后注射给小鼠为什么不死亡?对S型肺炎双球菌加热处理后为什么仍能使R型肺炎双球菌发生转化?加热破坏了荚膜、细胞膜等结构,S型细菌死亡,注射入小鼠,不会使小鼠死亡。
但加热不足以完全破坏S型细菌DNA,加热使S型细菌DNA断裂成多个片段、同时也会使氢键断开——但冷却后可恢复双螺旋结构,控制荚膜形成的基因仍有活性。
加热处理后的S型细菌经冷却与活的R型细菌混合,能转化为有毒性的S型活细菌。
4.用什么条件可以彻底破坏S型肺炎双球菌的DNA?如果用DNA酶、强酸、强碱或高压蒸汽处理S型活细菌的DNA,就不能使R型DNA发生转化。
5.一个S型肺炎双球菌与一个R型肺炎双球菌混和就会发生转化?转化是游离DNA片段的转移和重组,当R型肺炎双球菌的DNA和S型肺炎双球菌的含有荚膜形成的基因的DNA片段结合,形成杂合的DNA后,控制荚膜形成的基因在R型菌体内得到表达,从而控制了荚膜的合成和出现,导致R型菌转化为S型菌。
“转化实验”疑难解析作者:李志远来源:《文理导航》2012年第27期【摘要】在学习普通高中课程标准实验教科书生物必修2遗传与进化中的“肺炎双球菌的转化实验”时,学生常会生成很多新的问题。
该文就其中的6个疑难问题作一解析。
【关键词】高中生物;转化实验;疑难问题;解析肺炎双球菌的转化实验是证明DNA是遗传物质的经典实验之一,其中涉及许多微生物遗传和生物化学的知识。
在教学过程中,很多同学对转化实验中诸如为什么已被加热杀死的S型细菌与R型活菌混合后,如何转化为有毒性的S型活细菌等相关知识感到不解,下面就几个典型问题作一解析。
一、为什么S型肺炎双球菌可使小鼠患病死亡而R型细菌不能R型和S型肺炎双球菌的区别是前者没有荚膜(菌落表面粗糙),后者有荚膜(菌落表面光滑)。
R型实际上是S型肺炎双球菌的突变类型,二者属于同一个物种。
荚膜具有保护作用,除了具有抗干燥等功能外,还使细菌能抵抗吞噬作用和体液中的杀菌物质。
但R型肺炎双球菌由于不具备荚膜,故在小鼠体内很容易被吞噬细胞吞噬或者被杀菌物质杀死,所以在小鼠体内不能存活。
因此,相对而言,S型肺炎双球菌更容易在小鼠体内存活并繁殖,从而使小鼠患败血症死亡。
二、在肺炎双球菌转化实验中,加热为何能杀死细菌?已经加热杀死的S型肺炎双球菌的DNA为什么还能使R型细菌转化对S型细菌加热到一定程度(60℃~100℃),其蛋白质的分子结构会受到破坏而丧失生物活性,加热引起的蛋白质变性是导致S型细菌死亡的原因。
被加热杀死的S型细菌通过自溶过程,释放出部分DNA片断。
DNA加热到90℃~95℃时(根据DNA含有GC碱基对的比例,比例高则变性温度高,反之则低。
因为GC碱基对间有3个氢键,而AT碱基对间只有2个氢键),DNA双螺旋间的氢键会打开,从而解开双链,称为DNA的变性。
变性只是使DNA的氢键断开、双螺旋解体,而不会引起DNA分子的降解和一级结构的破坏。
DNA的高温变性与蛋白质的高温变性不同,这种变性是可逆的,当温度降低到65 ℃以下时,由于碱基互补作用,分离的DNA单链会重新聚合、双螺旋结构又重新恢复,叫做DNA的复性,此时DNA的遗传功能没有变化。
肺炎双球菌转化实验的疑难问题及解析肺炎双球菌转化实验是考试中经常出现的考点,实验看似简单明了,内容仔细去思考就会发现很多疑难问题要解决。
1认识肺炎双球菌肺炎球菌有时也叫肺炎双球菌,它是早在1881年发现的致病细菌。
根据菌落的特征分为两种类型:光滑型(S)和粗糙型(R),S和R分别是英语单词smooth(光滑)和rough(粗糙)的第一个字母。
S型细菌的菌体有荚膜,R型细菌的菌体无荚膜。
S型细菌能侵染和寄生在人体内,引起肺炎,也能侵染其他哺乳类动物如兔、马,还能侵染家鼠,能引起败血症。
荚膜是某些细菌细胞壁外的一层较松厚而且较固定的粘液性物质,主要由水、多糖或多肽组成。
S型细菌的菌体有荚膜,进入吞噬细胞后,受荚膜的保护,能抵抗吞噬和消化作用,从而迅速繁殖、扩散,能引起肌体发生疾病,严重时引起死亡。
这就是肺炎双球菌转化实验中将有毒性的S型活细菌注射到小鼠体内,小鼠患败血症死亡的原因。
R型细菌无荚膜,能被吞噬细胞吞噬、消化,所以不能使肌体患病。
这也就是肺炎双球菌转化实验中将无毒性的R型活细菌注射到小鼠体内,小鼠不死亡的原因。
致病与否,关键是看有无荚膜。
2了解败血症败血症是一种严重的急性全身性感染,由于致病菌侵入并存留于血液循环中不断繁殖,产生大量毒素而引起全身寒战、高热、恶心呕吐、大汗及头痛头晕等症状,甚至出现昏迷。
重者发生中毒性休克。
化验血液可见白细胞计数增高,血液培养中可见细菌生长。
此症多继发于全身或局部感染性疾病,如呼吸道、胆道、泌尿系统感染,还有严重创伤,如大面积烧伤、开放性骨折等,以及蜂窝组织炎等外科软组织化脓性感染等。
引起人败血症的常见致病菌主要是金黄色葡萄球菌和大肠杆菌等。
此症危险性较大,积极认真治疗各种感染性疾患及防止外伤感染,是预防败血症发生的关键。
3格里菲斯的体内转化实验实验中将加热杀死的S型和活的R型混合注射到小鼠体内,小鼠患败血症死亡,并从小鼠体内分离出活的S型,且其后代仍是有毒性的S型。
“肺炎双球菌转化实验”的几点思考(陕西省靖边县靖边中学生物教研组乔欣邮编:718500)正文:艾弗里的DNA转化因子实验证明了DNA是一种遗传物质,S型菌在热处理后失活主要是指蛋白质变性,DNA失活温度较高,热处理后仍有活性。
为什么DNA还具有活性?S型菌的DNA进人R型菌的体内,通过实验看到既有死亡小鼠又有存活小鼠,为什么?摘要:肺炎双球菌重组DNA 免疫非特异性免疫特异性免疫一.S型菌体内的DNA在R型菌体内的可能的变化(推论)例题1、1943年,美国科学家艾弗里和他的同事,从S型活细菌中提取了DNA、蛋白质和多糖等物质,然后将它们分别加入培养R型细菌的培养基中,结果发现加入DNA的培养基中,R型细菌都转化成了S型细菌,而加入蛋白质、多糖等物质的培养基中,R型细菌不能发生这种变化。
这一现象说明( BCD )A.S型细菌的性状是由DNA体现的B.在转化过程中,S型细菌的DNA可能进入到了R型细菌细胞中C.DNA是遗传物质D.蛋白质和多糖在该转化实验中,起了对照作用拓展一尝试引导:蛋白质和核酸对于高温的耐受力是不同的,在80-100℃的温度范围内,蛋白质将失去活性,DNA双链将解开;当温度降至55℃左右时,DNA双链能够重新恢复,但蛋白质的活性却不能恢复。
将问题转移到生物选修1 PCR技术中,则引导学生理解其原理如下三点:1.DNA变性(90℃-96℃):双链DNA模板在热作用下,氢键断裂,形成单链DNA 2.退火(复性)(40℃-65℃):系统温度降低,引物与 DNA模板结合,形成局部双链。
是否可能与R型菌的DNA交叉互换(重组DNA)3.延伸(68℃-75℃):在Taq酶的作用下,以dNTP为原料,从引物的5′端→3′端延伸,合成与模板互补的DNA链(课本必修2转化实验没强调)。
再结合“肺炎双球菌的转化实验”引导解释其实质是外源DNA分子一旦找到它的内源同源体,这两个分子就可进行遗传交换了。
★★首先 ,DNA 分子有变性和复性的特点 .变性通俗点说就是性质改变 ,跟蛋白质 的变性意思差不多 .但是 DNA 不同 ,它又可以复性 ,就是恢复原本性质 . 而变性复性主要通过加热 ,使双链解开 ,再温度恢复 ,使原本解开的双链又重新聚 合.所以,你看书上说 ," 加热杀死的 S 型细菌".当然细菌的其他成分比如蛋白质就不 可逆地变性了 .但是 DNA 也通过将双链解开变性 .再将其和R 型细菌混合,那么,在细菌进行裂殖时,R 型细菌的DNA 也会解开, 那么,再降温的时候 ,就有可能 R 型细菌和 S 型细菌的 DNA 聚合,这样的话,形成 的新的子代细菌就会表示出双链 DNA 就会有一条链是 S 型的,另一条链是 R 型 的. 因此新的子代细菌就会表达出致病基因 .是的,可以发生。
如 S 型菌是获得了 R 型菌的 D N A ,并且整合到了自己的 DNA 上,这就是一个重组的过程啊。
不要以为重组就只是减数分裂时发生的。
无荚膜的 R 型细菌有非常重要的 “感受态因子 ”位点,保证了 S 型细菌的DNA 可以进入。
S 型细菌有荚膜,无 “感受态因子 ”位点,不能作为受体菌直接培养而 发生转化。
那么 S 型细菌有可能变成 R 型细菌吗 ?当然有!转化之所以会发生:一、因为R 型与S 型的DNA 可以同源区段配对, 形成 R 型和 S 型两种后代,不象许多人认为的( 二、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,若人为除去荚膜,培养出 无荚膜的后代,它就同时丧失了毒性,变成 R 型,当然就会有了感受态。
三、真核生物的细胞膜表面结构与原核生物的大不相同, 不会发生转化 (转化本 身只发生在同种菌株间或近缘菌株间) 。
我们可以放心去吃想吃的东西, 包括被 加热杀死的 S 型肺炎双球菌。
“肺炎双球菌及其转化”的几个疑难问题问题一。
:肺炎双球菌的知识在经典转化实验中有呈现,在科学史中也起到了重要的作用。
由于是微生物,所以也会有许多疑问在学生中产生,如光滑和粗糙是指菌落,不是细菌,R菌能不能转化为S菌?肺炎双球菌又称肺炎链球菌,属于原核生物,有R型和S型,它们是肺炎双球菌两个稳定的品系。
是一种人畜共患的病原菌,其中S型在人体内引起肺炎,在小白鼠体内导致败血症,使小白鼠死亡。
一、菌种分类荚膜多糖抗原与致病力有密切关系,且成分复杂。
根据荚膜多糖抗原的不同,可将其分为若干血清型,其中~型致病力较强,型最强,且具有厚的荚膜,可作为鉴别此菌的依据。
二、形态特点肺炎双球菌直径0.5~1.5微米。
革兰氏染色阳性,但老龄菌常呈阴性反应。
在机体内形成荚膜,经人工培养后荚膜逐渐消失,菌落由光滑型变为粗糙型,肺炎双球菌属双球杆菌属,为化脓性革兰氏阳性菌,呈圆形或披针形、无芽孢,无鞭毛。
三、R菌转化为S菌的机理被加热杀死的S型肺炎双球菌(供体菌)自溶,释放出自身的DNA 片段,当DNA片段遇到感受态的R型活肺炎双球菌(受体菌)时,R 型活肺炎双球菌(受体菌)细胞膜上的结合位点相结合,随后其中一条链被细胞膜上的核酸酶降解,降解产生的能量协助把另一条单链推进受体细胞(该过程称为DNA的结合和摄取)。
当单链进入受体菌细胞后,便与受体菌DNA上的同源区段发生交换重组。
再通过受体菌DNA复制、细胞分裂,而表现出转化的性状,于是就由R型肺炎双球菌产生出S型肺炎双球菌的后代。
四、S菌不能转化为R菌的原因S型肺炎双球菌有荚膜,无感受态,不能作为受体菌,所以在S菌的培养基中加入R菌的DNA,S菌不能被转化为R型。
当然S型菌在自然状态下或人工的诱变下发生基因突变,S型菌可能突变为R型,但不是转化。
问题二. 肺炎双球菌S型细菌转化为R型细菌,转化因子是拟核中的DNA还是质粒DNA?要搞清楚这个问题,首先要搞清楚细菌的变异类型和变异的机制。
“肺炎双球菌及其转化”的⼏个疑难问题“肺炎双球菌及其转化”的⼏个疑难问题问题⼀。
:肺炎双球菌的知识在经典转化实验中有呈现,在科学史中也起到了重要的作⽤。
由于是微⽣物,所以也会有许多疑问在学⽣中产⽣,如光滑和粗糙是指菌落,不是细菌,R菌能不能转化为S菌?肺炎双球菌⼜称肺炎链球菌,属于原核⽣物,有R型和S型,它们是肺炎双球菌两个稳定的品系。
是⼀种⼈畜共患的病原菌,其中S型在⼈体内引起肺炎,在⼩⽩⿏体内导致败⾎症,使⼩⽩⿏死亡。
⼀、菌种分类荚膜多糖抗原与致病⼒有密切关系,且成分复杂。
根据荚膜多糖抗原的不同,可将其分为若⼲⾎清型,其中~型致病⼒较强,型最强,且具有厚的荚膜,可作为鉴别此菌的依据。
⼆、形态特点肺炎双球菌直径0.5~1.5微⽶。
⾰兰⽒染⾊阳性,但⽼龄菌常呈阴性反应。
在机体内形成荚膜,经⼈⼯培养后荚膜逐渐消失,菌落由光滑型变为粗糙型,肺炎双球菌属双球杆菌属,为化脓性⾰兰⽒阳性菌,呈圆形或披针形、⽆芽孢,⽆鞭⽑。
三、R菌转化为S菌的机理被加热杀死的S型肺炎双球菌(供体菌)⾃溶,释放出⾃⾝的DNA ⽚段,当DNA⽚段遇到感受态的R型活肺炎双球菌(受体菌)时,R 型活肺炎双球菌(受体菌)细胞膜上的结合位点相结合,随后其中⼀条链被细胞膜上的核酸酶降解,降解产⽣的能量协助把另⼀条单链推进受体细胞(该过程称为DNA的结合和摄取)。
当单链进⼊受体菌细胞后,便与受体菌DNA上的同源区段发⽣交换重组。
再通过受体菌DNA复制、细胞分裂,⽽表现出转化的性状,于是就由R型肺炎双球菌产⽣出S型肺炎双球菌的后代。
四、S菌不能转化为R菌的原因S型肺炎双球菌有荚膜,⽆感受态,不能作为受体菌,所以在S菌的培养基中加⼊R菌的DNA,S菌不能被转化为R型。
当然S 型菌在⾃然状态下或⼈⼯的诱变下发⽣基因突变,S型菌可能突变为R型,但不是转化。
问题⼆. 肺炎双球菌S型细菌转化为R型细菌,转化因⼦是拟核中的DNA还是质粒DNA?要搞清楚这个问题,⾸先要搞清楚细菌的变异类型和变异的机制。
肺炎链球菌转化实验常见问题1. 肺炎球菌、肺炎链球菌与肺炎双球菌是一回事吗人教版高中生物学旧教材将本实验称为“肺炎双球菌的转化实验”,新教材则标以“肺炎链球菌的转化实验”。
实际上,1944年艾弗里发表的文章中采用的名称为“ pneumococcal types”,翻译为“肺炎球菌类型”),因此,“肺炎双球菌”和“肺炎链球菌”指同一种细菌。
目前,在人类医学上多称其为“肺炎链球菌”或“肺炎球菌”2,而在引起动物疾病方面仍存在“肺炎双球菌”的叫法。
肺炎双球菌的名称由来是因为肺炎链球菌的菌体呈矛头状、常成双排列。
显微镜下的肺炎球菌2. S型肺炎链球菌的致病机理是什么在抗生素发明之前,肺炎是导致人类死亡率最高的疾病之一,主要的致病因素就是带荚膜的肺炎链球菌( Pneumococcus)。
带荚膜的肺炎链球菌的致病性与其细胞壁上的一层多糖荚膜有关,该多糖荚膜对细菌具有保护作用,可使其逃避人体吞噬细胞的破坏,从而迅速增殖,且引起肺泡组织发生变化,致使人类发病或死亡。
带荚膜的肺炎链球菌在培养基上可生长形成表面光滑的菌落,因此被称为S型(Smoh一词字首)。
而另一类不致病的R型肺炎链球菌不具备荚膜,可以被机体的免疫系统摧毁,因此不会导致机体发生疾病,在培养基上会形成表面粗糙的菌落,被称为R型( Rough一词字首)。
除了表面光滑与粗糙区别之外,S型细菌菌落更大,易与R型菌落区分。
3. S型细菌向R型细菌转移的DNA仅仅是荚膜合成相关基因吗1928年,英国微生物学家格里菲斯错把经过加热的S型菌液当成注射液佐剂,连同未加热的R型菌液混合后注射给小鼠,发现小鼠患败血症死去,并在小鼠体内分离得到S型细菌,证实S型细菌具有使R型细菌转变为S型细菌的转化因子。
20世纪40年代,美国微生物学家艾弗里通过一系列实验,结合数学中的“筛法”,依次提取S型细菌无细胞提取液中的蛋白质、脂类、多糖、DNA、RNA等,最后发现将DNA去除后的提取液无法使R型细菌转化成S型细菌,并通过DNA酶(可以降解DNA的酶)处理这种提取液,最终证实了引起细菌转化的因素来自S型细菌的DNA。
对肺炎双球菌转化实验的三个疑点的辨析对肺炎双球菌转化实验的教学中曾有过一些的疑问,特别是在反复备课、做习题、上论坛讨论时感受到的疑问现有三个。
1、为什么格里菲思要做第四组实验?已知道格里菲思要求证的是肺炎双球菌是如何使人感染肺炎的,而以前我的思路是,肺炎双球菌有两种,格里菲思只要证明何种使人患肺炎即可,也就是做完前三组实验可以得出,活的S型菌使人患肺炎。
然而他的实验却多做了一个第四组。
我曾也想过两种可能,一是混合思维,是否他特意将两者没有毒性的东西混在一起看1+1是否大于2?二是他想看看R型菌能否变为S型菌?而今早在一篇博客的文中我才知道,原来S型菌与R型菌有关系,他们的关系是S型菌是野生型,而R型菌是S型菌的突变型,突变型的R型菌由于缺少了荚膜,所以无法使小鼠患病。
所以为什么格里菲思要做第四组实验的原因是,S型菌能突变成R型菌,那么R 型菌能否变成S型菌呢?有什么办法能让R型菌变回S型菌呢?TOP初级会员帖子21精华积分21威望注册时间2008-3-15∙个人空间∙发短消息∙加为好友2楼大中小发表于 2009-2-27 08:36 只看该作者第2个疑点,在第四组实验中,小鼠体内能否分离出R型菌。
这个问题在论坛上曾有一题得到了许多老师的参与讨论,我所支持的观点是,不能,原因是R型菌无荚膜,被免疫杀死而不能在体内存活,只有S型菌才能在体内存活。
现在从R型菌是突变型的观点来看,野生的就只有S型菌,而R型菌只是在实验室的培养基培养时发现的,这点我原来有个疑问,如果有R型这种菌,那么在平时它们是怎样生活的呢?现在明白R型菌的存在场所和由来就晃然大悟了。
∙当前离线TOP初级会员帖子21精华积分21威望注册时间2008-3-15∙个人空间∙发短消息∙加为好友∙当前离线3楼大中小发表于 2009-2-27 08:42 只看该作者3、有一种说法,肺炎双球菌实验只能证明DNA是遗传物质,而不能证明蛋白质不是遗传物质。
★★首先,DNA分子有变性和复性的特点.变性通俗点说就是性质改变,跟蛋白质的变性意思差不多.但是DNA不同,它又可以复性,就是恢复原本性质.而变性复性主要通过加热,使双链解开,再温度恢复,使原本解开的双链又重新聚合.所以,你看书上说," 加热杀死的S型细菌".当然细菌的其他成分比如蛋白质就不可逆地变性了.但是DNA也通过将双链解开变性.再将其和R型细菌混合,那么,在细菌进行裂殖时,R型细菌的DNA也会解开,那么,再降温的时候,就有可能R型细菌和S型细菌的DNA聚合,这样的话,形成的新的子代细菌就会表示出双链DNA就会有一条链是S型的,另一条链是R型的.因此新的子代细菌就会表达出致病基因.是的,可以发生。
如S型菌是获得了R型菌的DNA,并且整合到了自己的DNA 上,这就是一个重组的过程啊。
不要以为重组就只是减数分裂时发生的。
无荚膜的R型细菌有非常重要的“感受态因子”位点,保证了S型细菌的DNA 可以进入。
S型细菌有荚膜,无“感受态因子”位点,不能作为受体菌直接培养而发生转化。
那么S型细菌有可能变成R型细菌吗?当然有!转化之所以会发生:一、因为R型与S型的DNA可以同源区段配对,形成杂合细菌,通过分裂生殖形成R型和S型两种后代,不象许多人认为的(R型直接变成S型);二、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,若人为除去荚膜,培养出无荚膜的后代,它就同时丧失了毒性,变成R型,当然就会有了感受态。
三、真核生物的细胞膜表面结构与原核生物的大不相同,不会发生转化(转化本身只发生在同种菌株间或近缘菌株间)。
我们可以放心去吃想吃的东西,包括被加热杀死的S型肺炎双球菌。
四、S型可以变成R型吗?当然可以!产荚膜细菌由于有黏液物质,菌落表面湿润、有光泽、黏液状,称光滑型—S型(smooth);无荚膜细菌由于无黏液物质,菌落表面干燥、粗糙,称粗糙型—R型(rough)。
肺炎双球菌的转化实验的常见问题的解决策略关于新课标人教版必修二第三章“基因的本质”中第一节“DNA 是要紧的遗传物质”这一内容涉及“格里菲斯的肺炎双球菌的转化实验”,学生总是提出下列的疑问:
(1)杀死的S型细菌什么缘故可不能使小鼠死亡,而加入R型细菌之后小鼠就死亡了?
(2)什么缘故能发生转化,是将R型细菌杀死变成S型细菌的?依旧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?
(3)S型细菌的DNA非要用R型细菌当宿主细胞吗,它如何不能用小鼠体内的细胞当宿主细胞来进行增殖?
关于这些问题,专门多教师在回答时也仍是底气不足的,以下是笔者查阅资料,并进行整理汇总后所得,以供同行参考。
一、背景介绍
肺炎链球菌有具多糖荚膜的致病菌S型细菌(Smooth,因菌落外观光滑)和非致病菌R型细菌(Rough,因菌落外观粗糙)。
细菌是否具有产生荚膜的能力以及产生荚膜的类型称为“遗传特性”。
S型细菌通过突变能够产生R突变体,反之亦然,只是突变总是涉及丢失或获得产生一个特定类型荚膜的能力。
格里菲斯对肺炎球菌的致病情形做了研究。
当他把热处理的S细菌(Ⅲ-S型)与活的R细菌(Ⅱ-R型)的混合物注射到小鼠体中时,尽管这两种细菌本身都不是致死的,然而小鼠依旧死亡了。
更重要的是,从注射了这类混合物而死亡的小鼠身上分离得到S型菌,是与加热杀死的S细菌(Ⅲ-S型)相同的类型,因此这些S细菌不可能是通过这些特定的R细菌突变而来的。
二、相关问题说明
问题(1)的说明:1933年,阿洛维将Ⅱ-R型细菌和Ⅲ-S型细菌的无细胞提取液(所有完整细胞、细胞碎片、荚膜分子都通过离心和过滤从提取物中去掉)混合,培养皿上仍长出了Ⅲ-S型细菌。
这否认了R型细菌以某种方式使加热杀死的S型细菌“复活”。
而是S型细菌细胞提取物中含有转化因子,同时
它的化学本质依旧未知的。
人教版必修二里关于格里菲斯所做的实验的结论也是:加热杀死的S型细菌中,必定含有某种促成将R型细菌转化形成有毒性的S型活细菌的活性物质,而那个活性物质叫做“转化因子”,后来被证实那个转化因子是S型细菌的遗传物质—DNA。
尽管在加热过程中,S型细菌差不多死了,然而它自身的遗传物质还没有失活,只是蛋白质失活了而已,它的DNA能够整合到R型细菌的遗传物质中,同时连续发挥自身的作用,利用R型细菌提供的材料,随着R型细菌的增殖而增殖,并指导S型细菌的蛋白质的合成,最终表现出S型细菌的毒性。
也确实是教材中所说的:产生产荚膜的S型肺炎双球菌,导致小鼠最终患败血症而死亡。
而杀死的S型细菌由于蛋白质失活而失去感染性,不能使小鼠死亡。
问题(2)的说明:第一对转化这一名词进行说明:转化是某一基因型的细胞从周围介质中吸取来自另一基因型细胞的DNA,而使它的基因型和表现型发生相应变化的现象。
这现象第一发觉于细菌,也是细菌间遗传物质转移的多种形式中最早发觉的一种,它不同于通过噬菌体感染传递遗传物质的转导以及通过细菌细胞的接触而转移DNA的细菌接合。
细菌转化过程包括有转化能力的染色体DNA片段的吸附、吸取和整合3个时期。
外源DNA第一吸附在细菌细胞表面的一些同意位点上,能吸附的DNA要紧是双链状态的,在通过细胞膜进入细胞的吸取过程中DNA分子转变为单链,并与R型细菌内的同源区段配对,形成杂合区段,接着发生错配碱基对的修复校正,假如是以S型细菌的DNA作为模板进行修复,那S型细菌的DNA就会以这种形式整合到细菌染色体上。
外源基因整合后,通过基因表达使受体细菌的表型发生相应的变化,假如整合到R型细菌中的DNA正好含有操纵荚膜形成的基因,则会表现出有荚膜的特性。
因此,格里菲斯把不产荚膜的无毒的粗糙型肺炎双球菌和加热杀死后的产荚膜的有毒的光滑型肺炎双球菌混合注射小鼠,发觉小鼠被感染致死,从小鼠的血液中分离出活的产荚膜的S型肺炎双球菌,而且是与加热杀死的S 型细菌相同的Ⅲ-S型,因此这些S型细菌不可能是通过这些特定的R型细菌突变而来的。
R型细菌之因此能产生S型的性状,是发生了“转化”,简单说,转化确实是R型细菌接收了S型细菌的DNA,把它的DNA整合到了自己的
DNA上面,获得了S型细菌的形状,长出荚膜。
而要注意的是,在那个过程中,不可能生成S型细菌,因为S型细菌也是一个独立的菌种,有自己的特异的染色体、细胞质等,它的染色体只可能被吸取,部分整合到R型细菌的染色体上,导致R型细菌的染色体不可能完全表达,因此产生S型细菌的性状,而不是确实转变成S型细菌。
关于问题(3)的说明是:许多因素能够阻碍转化效率。
第一,受体细菌和供体细菌的亲缘关系会产生阻碍。
当亲缘关系愈远,转化效率愈低,这要紧是受吸附位点专一性和染色体的同源程度的阻碍。
DNA 分子的联会是供体DNA整合到受体DNA上的先决条件,联会一样只发生在同源染色体之间,而亲缘关系愈远则同源性愈低,因此转化效率也愈低。
因此对比起来,S型和R型细菌之间DNA的差异相对小鼠来讲要小得多,在转化过程中因此是R型细菌具有优先性,因此一样以R型细菌的细胞作为受体细胞。
其次,任何细胞都有自己的爱护系统,没有爱护的DNA进入外源细胞就会被降解,而可不能表达。
小鼠细胞,更能识别S型细菌的DNA是外源DNA。
再者,加热杀死的S型细菌就算用小鼠体内的细胞当宿主细胞增殖,它本身无荚膜,无毒性,会被小鼠免疫系统杀死。
还有,真核细胞和原核细胞的表达系统也有差别,真核细胞的核糖体是8 0S(包括60S与40S的大小亚单位),而原核细胞是70S(包括50S与30S的大小亚单位),因此S型细菌表达出来的基因在真核细胞里面不一定能顺利地进行表达。
通过教师对相关问题的详细说明,能够让学生深刻地明白得教科书的知识点,并体会到科学研究的严谨,在教学过程中能逐步提高他们的科学素养
和培养他们严谨的逻辑思维,让自己跟学生一起快速成长。