肺炎雙球菌轉化實驗的疑難解析

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認識肺炎雙球菌

肺炎球菌有時也叫肺炎雙球菌 ,它是早在 1881年發現的致病細菌 。根據菌落的特徵分為兩種類型 :光滑型 (S)和粗糙型 (R), S和 R分別是英語單詞 smooth(光滑 )和 rough(粗糙 )的第一個字母 。 S型細菌的菌體有莢膜 , R型細菌的菌體無莢膜 。

S型細菌能侵染和寄生在人體內 ,引起肺炎 ,也能侵染其他哺乳類動物如兔 、馬 ,還能侵染家鼠 , 能引起敗血症 。莢膜是某些細菌細胞壁外的一層較松厚而且較固定的粘液性物質 ,主要由水 、多糖或多肽組成 。

S型細菌的菌體有莢膜 , 進入吞噬細胞後 , 受莢膜的保護 ,能抵抗吞噬和消化作用 ,從而迅速繁殖 、擴散 ,能引起肌體發生疾病 ,嚴重時引起死亡 。這就是肺炎雙球菌轉化實驗中將有毒性的 S型活細菌注射到小鼠體內 ,小鼠患敗血症死亡的原因 。

R型細菌無莢膜 ,能被吞噬細胞吞噬 、消化 ,所以不能使肌體患病 。這也就是肺炎雙球菌轉化實驗中將無毒性的 R型活細菌注射到小鼠體內 ,小鼠不死亡的原因 。致病與否，關鍵是看有無莢膜 。

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了解敗血症

敗血症是一種嚴重的急性全身性感染 ,由於致病菌侵入並存留於血液循環中不斷繁殖 ,產生大量毒素而引起全身寒戰 、高熱 、噁心嘔吐 、大汗及頭痛頭暈等癥狀 ,甚至出現昏迷 。重者發生中毒性休克 。化驗血液可見白細胞計數增高 , 血液培養中可見細菌生長 。此症多繼發於全身或局部感染性疾病 , 如呼吸道 、膽道 、泌尿系統感染 ,還有嚴重創傷 ,如大面積燒傷 、開放性骨折等 ,以及蜂窩組織炎等外科軟組織化膿性感染等 。

引起人敗血症的常見致病菌主要是金黃色葡萄球菌和大腸桿菌等 。此症危險性較大 , 積極認真治療各種感染性疾患及防止外傷感染 ,是預防敗血症發生的關鍵 。

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人體典型性肺炎雙球菌肺炎的病理表現

典型的肺炎雙球菌肺炎的病理表現是起病急驟 ,先有寒戰 ,繼而高熱 ,體溫可達 39℃ ～ 41℃;早期有乾咳 ,不久有少量粘液痰 。膿性粘痰或典型的鐵鏽色痰 ,咯血少見 、一般病程 7 ～ 14天左右 ,體溫下降後情況很快改善 , 早期治療病程可縮短 , 癥狀也較輕 。

年老體弱 、營養不良等抵抗力減退者 ,由於抵抗力差而細菌毒力較強 ,可並發敗血症 , 也可並發細菌性腦膜炎 、心包炎 、膿胸 、中毒性肺炎 (休克型肺炎 )。

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加熱殺死後的 S型細菌中的 DNA是否具有遺傳效應 ?

我們都知道高溫會破壞蛋白質的空間結構個，使其變形失活，而且這種活性的喪失是不可逆的。加熱引起蛋白質變性是S型菌死亡的原因，DNA是由兩條鏈形成的雙螺旋結構，兩條鏈間鹼基通過氫鍵鏈接，高溫時氫鍵斷裂，DNA雙螺旋結構解開形成單鏈稱為變性。

加熱到 60℃時 , S型細菌解體 ,此時 S型細菌中的DNA鏈斷裂為 100個左右有活性的遊離片段 , 每個片段至少有 20個基因 ,在某一片段上含有控制莢膜形成的基因 。因此加熱殺死後的 S型細菌儘管細菌已經死亡 ,但加熱殺死後的 S型細菌中的 DNA卻具有能使 R型細菌轉化成 S型細菌的基因 ,該基因具有控制莢膜形成的遺傳效應 。

這也就是肺炎雙球菌轉化實驗中 ,將無毒性的 R型活細菌與加熱殺死後的 S型細菌混合後 ,注射到小鼠體內 ,小鼠患敗血症死亡的原因，但是當溫度慢慢降低時，DNA又可以恢復雙螺旋結構，稱為DNA復性。

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在轉化過程中 ,加熱殺死後的 S型細菌中的 DNA是否進入了 R型活細菌的細胞中 ?

1928年 ,英國科學家格里菲思將加熱殺死後的 S型細菌和 R型活細菌混合後注射到小鼠體內 , 結果不僅有許多小鼠死於敗血症 ,而且從死鼠血液中還發現了活的 S型細菌 。

1944年 ,美國科學家艾弗里發現 ,只有 S型細菌的 DNA組分能夠把 R型細菌轉化成 S型細菌 ,而且 DNA的純度越高轉化的效率也越高 。這說明 ,一種基因型細胞的 DNA進入了另一種基因型的細胞後 , 可引起穩定的遺傳變異 , DNA賦有特定的遺傳特性 。

也就是說 ,加熱殺死後的 S型細菌中的 DNA進入了 R型活細菌的細胞中 ,引起 R型細菌發生了穩定的遺傳變異 。

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艾弗里的實驗中 ,為什麼從 S型活細菌提取的 DNA用 DNA酶處理後 ,就不能使 R型細菌發生轉化呢 ？

如果用 DNA酶處理從 S型細菌中提取的 DNA,使DNA分解為遊離的脫氧核苷酸 , 則不存在控制莢膜形成的基因 ,當然就不能使 R型細菌發生轉化了 。

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加熱殺死後的 S型細菌能使小鼠的體細胞發生轉化嗎 ?

轉化是細菌中較為普遍的現象 。轉化與兩種細菌的親緣關係有關 。

轉化一般只發生在同一物種或近緣物種之間 。親緣關係越近 ,轉化就越容易 , 反之則不能轉化 。肺炎雙球菌的轉化實驗 , 是指同種細菌的不同品系 (S型細菌 、R型細菌 )能夠交換遺傳物質 ,導致遺傳物質從一個品系 (S型細菌 )轉移到另一個品系 (R型細菌 ),從而使品系的類型發生了轉變 。

但 S型肺炎球菌和小鼠不是同種 , 所以自然條件下彼此的細胞間遺傳物質是不會轉移的 。這就是肺炎雙球菌轉化實驗中將加熱殺死後的 S型細菌注射到小鼠體內 , 小鼠不死亡的原因 。

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S型細菌中的 DNA是怎樣在 R型活細菌中實現表達的呢?

1944年美國科學家艾弗里的實驗進一步證明 ,加熱殺死後的 S型細菌中含有的能使 R型活細菌發生轉化的 「轉化因子 」是 S型細菌中的 DNA。

現代遺傳學認為 :轉化是遊離 DNA片段的轉移和重組 。遊離的DNA片段稱為轉化因子 。提供遊離 DNA片段的細菌稱為供體菌 ,如 S型細菌 ;接受 DNA片段的細菌稱為受體菌 ,如 R型細菌 。當 S型細菌中的含有控制莢膜形成基因的 DNA片段進入 R型細菌後 ,與 R型細菌的DNA在同源區進行交換 ,這樣被轉化的 S型細菌中控制莢膜形成的基因才能穩定的存在於 R型細菌中 。S型細菌中控制莢膜形成的基因才能在 R型細菌體內轉錄和翻譯 ,從而控制了莢膜的形成或出現 ,使 R型細菌轉化成 S型細菌 。

這些轉化成的 S型細菌的後代也是有毒性的 S型細菌 , 可見這種性狀的轉化是可以遺傳的 。

轉化作用的實質是外源 DNA與受體細胞 DNA之間的重組 ,使受體細胞獲得了新的遺傳信息 。通過轉化最初形成的 S型細菌數量極少 ,但它在動物和人體細胞中大量繁殖 、擴散 ,使之患病 ,甚至死亡 。

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肺炎雙球菌轉化實驗證明了什麼 ?

肺炎雙球菌轉化實驗是一個直接證據 ,證明性狀本身是不遺傳的 。

在肺炎雙球菌轉化實驗中 ,多糖類是不遺傳的 ,而遺傳物質才是遺傳的 。在當時的實驗室技術條件下 , 做了肺炎雙球菌轉化實驗的格里菲思無法知道 「轉化因子 」是什麼 ! 後來才有了艾弗里的分離實驗 ,證實 「轉化因子 」就是 DNA。

高中生物學習幫∣志 強 不 息

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