肺炎双球菌转化实验难点剖析

甘肃 张仲林

肺炎双球菌转化实验难点剖析

甘肃 张仲林

肺炎双球菌转化实验是现行人教版高中生物必修2教材中证明DNA是遗传物质的证据的经典实验，也是高考命题的热点之一。教材中简练的文字、图解及深奥的转化理论，给学生留下了一些难点。为了帮助学生更好地理解这个实验，现对这些难点作一些探讨。

一、荚膜的成分及作用

荚膜是某些细菌细胞壁外的一层较松厚而且较固定的黏液性物质，主要由水、多糖或多肽组成。荚膜的作用有：

（1）防止细菌变干。这是由于荚膜中含有水分。

（2）吸附阳离子。有些荚膜含有羧基基团，能吸附阳离子。

（3）防止噬菌体的侵袭。

（4）防止被吞噬细胞吞噬和消化。

（5）许多细菌通过荚膜相互连接，形成体积较大的菌胶团，这在防止被吞噬细胞吞噬中起着重要作用。

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，引起败血症。

S型细菌的菌体有荚膜，进入机体后，受荚膜的保护，能抵抗吞噬细胞的吞噬和消化作用，从而迅速繁殖、扩散，能引起机体发生疾病，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，所以不能使机体患病。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，关键是看细菌有无荚膜。

二、转化的概念及条件

转化是受体菌直接吸收供体菌的DNA片段而获得供体菌部分遗传性状的现象。

S型肺炎球菌和小鼠不是同种。自然条件下肺炎球菌和小鼠的细胞间遗传物质是不会转移的。这就是肺炎双球菌转化实验中将加热杀死后的S型细菌注射到小鼠体内，小鼠不死亡的原因。

并非任意两株R型菌和S型菌之间的接触都能发生转化。研究发现，凡能发生转化的R型菌必须处于感受态。感受态是指受体细胞最易接受外源DNA片段并能实现转化的生理状态。它虽受遗传控制，但表现却差别很大。外界环境因子如环腺苷酸（cAMP）和Ca2＋对感受态有重要影响。如cAMP可使嗜血杆菌属的细菌感受态水平提高1万倍。

处于感受态的R型细菌分泌感受态因子，其中有细胞壁自溶素，使R型细菌的局部细胞壁溶解掉，从而使其细胞膜表面的膜连DNA结合蛋白和核酸酶暴露出来。

转化因子是离体的DNA片段。一般原核生物的拟核是由一个大型的环状DNA分子反复折叠盘绕而成的。但不管在自然条件或人为条件下，都极易断裂成碎片。由于每个细胞表面能与转化因子相结合的位点有限，所以转化的频率极低，通常为0.1%～1%。

三、加热杀死的S型细菌中的DNA是否具有遗传效应？

S型细菌加热到一定程度（60～100℃），其蛋白质的分子结构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片段。有些DNA片段中含有控制荚膜合成的基因。但60～100℃的温度只能使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。由于碱基互补配对作用，当温度逐渐降低后，分离的DNA单链会重新聚合、双螺旋结构重新恢复。因此，在一定温度范围内，加热杀死的S型细菌中的DNA是具有遗传效应的。

基因工程中采用PCR技术扩增目的基因时，模板DNA经加热至90～95℃一定时间后，使模板双链DNA解离，成为单链；模板DNA与引物退火（复性）：模板DNA经加热变性成单链后，温度降至37～60℃，引物与模板DNA单链的互补序列结合也利用了加热这一原理。

四、加热杀死后的S型细菌中的DNA是否进入了R型活细菌的细胞中？

1928年，英国科学家格里菲思将加热杀死后的S型细菌和R型活细菌混合后注射到小鼠体内，结果不仅有许多小鼠死于败血症，而且从死鼠血液中还发现了活的S型细菌。

1944年，美国科学家艾弗里发现，只有S型细菌的DNA组分能够把R型细菌转化成S型细菌，而且DNA的纯度越高转化的效率也越高。这说明，一种基因型细胞的DNA进入了另一种基因型的细胞后，可引起稳定的遗传变异，DNA赋有特定的遗传特性。

加热杀死的S型菌的含有控制荚膜形成基因的DNA片段，与感受态受体菌R型细菌表面的膜连DNA结合蛋白相结合，其中一条DNA单链被核酸酶水解掉，另一条DNA单链进入R型细菌细胞中，与R型细菌核区环状DNA的同源区段配对重组，形成一小段杂合的DNA片段。

随着杂合R型细菌的分裂增殖，后代会出现S型细菌和R型细菌两种细菌。这些转化成的S型细菌的后代也是有毒性的S型细菌，可见这种性状的转化是可以遗传的。实质上，R型细菌转化成S型细菌属于基因的重组。

通过转化最初形成的S型细菌数量极少，但S型细菌在小鼠细胞中大量繁殖、扩散，使小鼠患败血症死亡。

五、肺炎双球菌转化实验证明了什么？

肺炎双球菌转化实验是一个直接证据，证明性状本身是不遗传的。在肺炎双球菌转化实验中，多糖类是不遗传的，而遗传物质才是遗传的。在当时的实验室技术条件下，做了肺炎双球菌转化实验的格里菲思无法知道“转化因子”是什么。后来才有了艾弗里的分离实验，证实“转化因子”就是DNA。

六、细菌的遗传转化只见于肺炎双球菌吗？

遗传转化是指同源或异源的游离DNA分子（质粒和染色体DNA）被自然或人工感受态细胞摄取，并得到表达的水平方向的基因转移过程。

自然转化现象首先是在肺炎双球菌中发现的，70多年来已经发现许多细菌属中的某些种或某些株有自然转化的能力。近十多年来的研究已表明，通过自然转化进行的基因转移过程已不只是一种“实验室现象”，而是广泛存在于自然界，可能是自然界进行基因交换的重要途径。环境中（土壤、水体、沙粒等）是否发生自然转化，主要取决于环境中是否存在具有转化活性的DNA分子及可吸收DNA的感受态细胞。

研究表明，几乎所有的生活细菌都可向环境中主动分泌或因细胞死亡裂解而释放DNA，这些DNA分子可与固型物（土粒、沙粒子）结合而得到保护，免受降解，从而能长时间存留于环境中并具有转化活性，另一方面，自然感受态作为许多细菌应付不利生活条件的一种调节机制，在自然环境中的存在具有普遍性。

目前发现的具有转化现象的细菌除肺炎双球菌外，还有枯草杆菌、葡萄球菌、根瘤菌、奈瑟氏菌、嗜血杆菌等细菌以及少数真菌。

转化与两种细菌的亲缘关系有关，转化一般只发生在同一物种或近缘物种之间。

在人工条件下的遗传转化，为许多不具有自然转化能力的细菌（如大肠杆菌）提供了一条获取外源DNA的途径，也是基因工程的基础技术之一。

【例1】肺炎双球菌中的S型具有多糖类荚膜，R型则不具有。下列叙述错误的是 （ ）

A.培养R型活细菌时加S型细菌的多糖类物质，能产生一些具荚膜的细菌

B.培养R型活细菌时加S型细菌DNA的完全水解产物，不能产生具荚膜的细菌

C.培养R型活细菌时加S型细菌的DNA，能产生具荚膜的细菌

D.培养R型活细菌时加S型细菌的蛋白质，不能产生具荚膜的细菌

【解析】荚膜的形成是受基因控制的。培养R型活细菌时加S型细菌的多糖类物质，没有控制荚膜形成的基因，所以不能产生一些具荚膜的细菌，故A错。S型细菌DNA的完全水解产物中也无控制荚膜形成的基因，不能产生具荚膜的细菌，故B对。培养R型活细菌时加S型细菌的蛋白质，因蛋白质不是遗传物质，不能控制荚膜的形成，故D对。

【答案】A

【例2】肺炎双球菌转化实验中，能够证明DNA是遗传物质的实验设计是 （ ）

A.将无毒R型活细菌与有毒S型活细菌混合后培养，发现R型细菌转化成S型细菌

B.将无毒R型活细菌与加热杀死的S型细菌混合后培养，发现R型细菌转化成S型细菌

C.从加热杀死的S型细菌中提取DNA、蛋白质、多糖，分别加入培养R型细菌的培养基中，发现R型细菌转化成S型细菌

D.从S型活细菌中提取DNA、蛋白质、多糖，分别加入培养R型细菌的培养基中，发现只有加入DNA，R型细菌才转化成S型细菌

【解析】在当时的实验室技术条件下，做了肺炎双球菌转化实验的格里菲思无法知道“转化因子”是什么。后来才有了艾弗里的探究实验，艾弗里从加热杀死的S型细菌中提取DNA、蛋白质、多糖，分别加入培养R型细菌的培养基中，发现R型细菌转化成S型细菌的分离实验，证实“转化因子”就是DNA。

【答案】D

【例3】1944年美国科学家艾弗里（Avery）和他的同事从S型活细菌中提取出了DNA、蛋白质和多糖等物质，然后将它们分别加入已培养了R型细菌的培养基中，结果发现：只有加入了DNA，R型细菌才能转化为S型细菌，而加入蛋白质和多糖的培养基中，R型细菌不能发生这种变化。这一现象说明了：①S型细菌的性状是由DNA决定的；②在转化过程中，S型细菌的DNA进入到了R型活细菌细胞中；③S型细菌的DNA是遗传物质；④R型细菌的DNA不是遗传物质；⑤蛋白质和多糖不是遗传物质；⑥蛋白质和多糖在该实验中起对照作用 （ ）

A.①②④⑥ B.①②③④

C.①②③⑤⑥ D.①②③④⑤⑥

【解析】艾弗里（Avery）和他的同事从S型活细菌中提取出了DNA、蛋白质和多糖等物质，然后将它们分别加入已培养了R型细菌的培养基中，观察R型细菌的变化。并没有提取出R型细菌DNA，所以不能得出R型细菌的DNA不是遗传物质的结论。

【答案】C

（作者单位：甘肃省渭源县第三高级中学）