“转化实验”疑难解析

【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DN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。所以加热杀死的S型肺炎双球菌的DNA仍然具有遗传功能，能使R型细菌发生转化。

三、加热杀死的S型菌中的DNA是如何将R型细菌转化为S型细菌的

研究发现许多细菌属中的某些种类或某些特殊的菌株有自然转化能力。自然转化的第一步是受体细胞处于感受态，即能从周围环境中吸取DNA的一种生理状态，然后是DNA在细胞表面的结合和进入，并整合宿主的染色体DNA，获得遗传特性的表达。当R型细菌生长到一定阶段时，就会分泌一种小分子的蛋白质，称为感受态因子。这种因子又与细胞表面受体相互作用，诱导感受态特异蛋白质（如自溶素）的表达，使细胞表面的DNA结合蛋白及核酸酶出来，使DNA结合蛋白具有与DNA结合的活性。处于感受态的细菌细胞膜表面有30～80个“感受态因子”位点。加热灭活的S型细菌遗留下了细菌的DNA，其中包括控制荚膜形成的基因，即S基因。这一片段从S细菌中释放出来，并在后继培养中被一些R型细菌所摄取，S基因的DNA以双链的形式在R型细菌细胞的几个位点上结合并被切割。此后，核酸内切酶首先切断DNA双链中的一条链，被切割的链在核酸酶的作用下降解，成为寡核苷酸链释放到培养基中，另一条链进入细胞与R型DNA上的同源区段配对，切除并替换相应的单链片段，形成一个杂种DNA区段（它们间不一定互补，而是呈杂合状态，见下图）。随着杂种细菌的分裂增殖，后代会出现R型和S型两种细菌。实质上，R型细菌转化成S型细菌属于基因重组。

四、将S型菌中的DNA注入小鼠身体内，在小鼠体内是否会有生物活性

不会。因为和细菌相比，小鼠要高等得多，它由真核细胞组成，身体具有复杂的自主代谢、调节和免疫机制。虽然S型DNA进入了机体组织，却无法通过正常途径穿过细胞膜进入细胞并被运送到细胞核。因为在进入细胞前，外源DNA就被组织内的各种核酸酶水解和破坏了。即使DNA通过了细胞膜，细胞内还会有大量的核酸酶随时准备降解外来的核酸。因此，外源DNA进入小鼠体内后会因裂解而失去生物活性。

五、体外培养实验为什么还要增加一个用DNA酶处理的对照组

从19世纪中叶到20世纪初，科学家都认为遗传物质是蛋白质。1944年，艾弗里等发表了“诱导肺炎球菌类型转化的物质的化学特性研究”这篇划时代的成果，第一个证实遗传物质是DNA。当时有人提出质疑：DNA的提取可能带有少量的蛋白质，有可能正是这些少量的蛋白质使肺炎双球菌发生了转化。针对这个问题，艾弗里等又增加了一组对照实验，即在加入DNA的同时加入DNA酶，结果这一组并不能发生转化。这不仅说明了促使细菌转化的物质的确是DNA，并且起到了条件对照的作用，使实验更严密，更有说明力。直到1949年，蛋白质杂质已降到0.02%，这种高纯度的DNA不仅可引起转化，并且纯度越高转化效率也愈高。

六、转化只能在肺炎双球菌中进行吗

转化是细菌中较为普遍的一种现象，除肺炎双球菌外，目前还发现大肠杆菌、根瘤菌等也存在着转化现象。转化与两种细菌的亲缘关系有关，亲缘关系越近，转化就越容易，反之则不能转化。转化还受受体菌状态的影响，只有处于感受态的受体菌才能进行转化。

【参考文献】

[1]朱正威.等.普通高中课程标准实验教科书生物必修2遗传与进化[M].北京:人民教育出版社,2004

（作者单位：江苏省连云港市新海高级中学）