【摘 要】在學(xué)習(xí)普通高中課程標(biāo)準實驗教科書生物必修2遺傳與進化中的“肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗”時，學(xué)生常會生成很多新的問題。該文就其中的6個疑難問題作一解析。

【關(guān)鍵詞】高中生物；轉(zhuǎn)化實驗；疑難問題；解析

肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗是證明DNA是遺傳物質(zhì)的經(jīng)典實驗之一，其中涉及許多微生物遺傳和生物化學(xué)的知識。在教學(xué)過程中，很多同學(xué)對轉(zhuǎn)化實驗中諸如為什么已被加熱殺死的S型細菌與R型活菌混合后，如何轉(zhuǎn)化為有毒性的S型活細菌等相關(guān)知識感到不解，下面就幾個典型問題作一解析。

一、為什么S型肺炎雙球菌可使小鼠患病死亡而R型細菌不能

R型和S型肺炎雙球菌的區(qū)別是前者沒有莢膜（菌落表面粗糙），后者有莢膜（菌落表面光滑）。R型實際上是S型肺炎雙球菌的突變類型，二者屬于同一個物種。莢膜具有保護作用，除了具有抗干燥等功能外，還使細菌能抵抗吞噬作用和體液中的殺菌物質(zhì)。但R型肺炎雙球菌由于不具備莢膜，故在小鼠體內(nèi)很容易被吞噬細胞吞噬或者被殺菌物質(zhì)殺死，所以在小鼠體內(nèi)不能存活。因此，相對而言，S型肺炎雙球菌更容易在小鼠體內(nèi)存活并繁殖，從而使小鼠患敗血癥死亡。

二、在肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗中，加熱為何能殺死細菌？已經(jīng)加熱殺死的S型肺炎雙球菌的DNA為什么還能使R型細菌轉(zhuǎn)化

對S型細菌加熱到一定程度(60℃～100℃)，其蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)會受到破壞而喪失生物活性，加熱引起的蛋白質(zhì)變性是導(dǎo)致S型細菌死亡的原因。被加熱殺死的S型細菌通過自溶過程，釋放出部分DNA片斷。DNA加熱到90℃～95℃時（根據(jù)DNA含有GC堿基對的比例，比例高則變性溫度高，反之則低。因為GC堿基對間有3個氫鍵，而AT堿基對間只有2個氫鍵），DNA雙螺旋間的氫鍵會打開，從而解開雙鏈，稱為DNA的變性。變性只是使DNA的氫鍵斷開、雙螺旋解體，而不會引起DNA分子的降解和一級結(jié)構(gòu)的破壞。DNA的高溫變性與蛋白質(zhì)的高溫變性不同，這種變性是可逆的，當(dāng)溫度降低到65 ℃以下時，由于堿基互補作用，分離的DNA單鏈會重新聚合、雙螺旋結(jié)構(gòu)又重新恢復(fù)，叫做DNA的復(fù)性，此時DNA的遺傳功能沒有變化。所以加熱殺死的S型肺炎雙球菌的DNA仍然具有遺傳功能，能使R型細菌發(fā)生轉(zhuǎn)化。

三、加熱殺死的S型菌中的DNA是如何將R型細菌轉(zhuǎn)化為S型細菌的

研究發(fā)現(xiàn)許多細菌屬中的某些種類或某些特殊的菌株有自然轉(zhuǎn)化能力。自然轉(zhuǎn)化的第一步是受體細胞處于感受態(tài)，即能從周圍環(huán)境中吸取DNA的一種生理狀態(tài)，然后是DNA在細胞表面的結(jié)合和進入，并整合宿主的染色體DNA，獲得遺傳特性的表達。當(dāng)R型細菌生長到一定階段時，就會分泌一種小分子的蛋白質(zhì)，稱為感受態(tài)因子。這種因子又與細胞表面受體相互作用，誘導(dǎo)感受態(tài)特異蛋白質(zhì)（如自溶素）的表達，使細胞表面的DNA結(jié)合蛋白及核酸酶裸露出來，使DNA結(jié)合蛋白具有與DNA結(jié)合的活性。處于感受態(tài)的細菌細胞膜表面有30～80個“感受態(tài)因子”位點。加熱滅活的S型細菌遺留下了細菌的DNA，其中包括控制莢膜形成的基因，即S基因。這一片段從S細菌中釋放出來，并在后繼培養(yǎng)中被一些R型細菌所攝取，S基因的DNA以雙鏈的形式在R型細菌細胞的幾個位點上結(jié)合并被切割。此后，核酸內(nèi)切酶首先切斷DNA雙鏈中的一條鏈，被切割的鏈在核酸酶的作用下降解，成為寡核苷酸鏈釋放到培養(yǎng)基中，另一條鏈進入細胞與R型DNA上的同源區(qū)段配對，切除并替換相應(yīng)的單鏈片段，形成一個雜種DNA區(qū)段（它們間不一定互補，而是呈雜合狀態(tài)，見下圖）。隨著雜種細菌的分裂增殖，后代會出現(xiàn)R型和S型兩種細菌。實質(zhì)上，R型細菌轉(zhuǎn)化成S型細菌屬于基因重組。

四、將S型菌中的DNA注入小鼠身體內(nèi)，在小鼠體內(nèi)是否會有生物活性

不會。因為和細菌相比，小鼠要高等得多，它由真核細胞組成，身體具有復(fù)雜的自主代謝、調(diào)節(jié)和免疫機制。雖然S型DNA進入了機體組織，卻無法通過正常途徑穿過細胞膜進入細胞并被運送到細胞核。因為在進入細胞前，外源DNA就被組織內(nèi)的各種核酸酶水解和破壞了。即使DNA通過了細胞膜，細胞內(nèi)還會有大量的核酸酶隨時準備降解外來的核酸。因此，外源DNA進入小鼠體內(nèi)后會因裂解而失去生物活性。

五、體外培養(yǎng)實驗為什么還要增加一個用DNA酶處理的對照組

從19世紀中葉到20世紀初，科學(xué)家都認為遺傳物質(zhì)是蛋白質(zhì)。1944年，艾弗里等發(fā)表了“誘導(dǎo)肺炎球菌類型轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的化學(xué)特性研究”這篇劃時代的成果，第一個證實遺傳物質(zhì)是DNA。當(dāng)時有人提出質(zhì)疑：DNA的提取可能帶有少量的蛋白質(zhì)，有可能正是這些少量的蛋白質(zhì)使肺炎雙球菌發(fā)生了轉(zhuǎn)化。針對這個問題，艾弗里等又增加了一組對照實驗，即在加入DNA的同時加入DNA酶，結(jié)果這一組并不能發(fā)生轉(zhuǎn)化。這不僅說明了促使細菌轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的確是DNA，并且起到了條件對照的作用，使實驗更嚴密，更有說明力。直到1949年，蛋白質(zhì)雜質(zhì)已降到0.02%，這種高純度的DNA不僅可引起轉(zhuǎn)化，并且純度越高轉(zhuǎn)化效率也愈高。

六、轉(zhuǎn)化只能在肺炎雙球菌中進行嗎

轉(zhuǎn)化是細菌中較為普遍的一種現(xiàn)象，除肺炎雙球菌外，目前還發(fā)現(xiàn)大腸桿菌、根瘤菌等也存在著轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。轉(zhuǎn)化與兩種細菌的親緣關(guān)系有關(guān)，親緣關(guān)系越近，轉(zhuǎn)化就越容易，反之則不能轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化還受受體菌狀態(tài)的影響，只有處于感受態(tài)的受體菌才能進行轉(zhuǎn)化。

【參考文獻】

[1]朱正威.等.普通高中課程標(biāo)準實驗教科書生物必修2遺傳與進化[M].北京:人民教育出版社，2004

（作者單位：江蘇省連云港市新海高級中學(xué)）