肺炎双球菌转化实验的疑难解析

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 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 。

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 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 。

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 人体典型性肺炎双球菌肺炎的病理表现

典型的肺炎双球菌肺炎的病理表现是起病急骤 ,先有寒战 ,继而高热 ,体温可达 39℃ ～ 41℃;早期有干咳 ,不久有少量粘液痰 。脓性粘痰或典型的铁锈色痰 ,咯血少见 、一般病程 7 ～ 14天左右 ,体温下降后情况很快改善 , 早期治疗病程可缩短 , 症状也较轻 。

年老体弱 、营养不良等抵抗力减退者 ,由于抵抗力差而细菌毒力较强 ,可并发败血症 , 也可并发细菌性脑膜炎 、心包炎 、脓胸 、中毒性肺炎 (休克型肺炎 )。

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　加热杀死后的 S型细菌中的 DNA是否具有遗传效应 ?

我们都知道高温会破坏蛋白质的空间结构个，使其变形失活，而且这种活性的丧失是不可逆的。加热引起蛋白质变性是S型菌死亡的原因，DNA是由两条链形成的双螺旋结构，两条链间碱基通过氢键链接，高温时氢键断裂，DNA双螺旋结构解开形成单链称为变性。

 加热到 60℃时 , S型细菌解体 ,此时 S型细菌中的DNA链断裂为 100个左右有活性的游离片段 , 每个片段至少有 20个基因 ,在某一片段上含有控制荚膜形成的基因 。因此加热杀死后的 S型细菌尽管细菌已经死亡 ,但加热杀死后的 S型细菌中的 DNA却具有能使 R型细菌转化成 S型细菌的基因 ,该基因具有控制荚膜形成的遗传效应 。

这也就是肺炎双球菌转化实验中 ,将无毒性的 R型活细菌与加热杀死后的 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，但是当温度慢慢降低时，DNA又可以恢复双螺旋结构，称为DNA复性。

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 在转化过程中 ,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 。

也就是说 ,加热杀死后的 S型细菌中的 DNA进入了 R型活细菌的细胞中 ,引起 R型细菌发生了稳定的遗传变异 。

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　 艾弗里的实验中 ,为什么从 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 ？

如果用 DNA酶处理从 S型细菌中提取的 DNA,使DNA分解为游离的脱氧核苷酸 , 则不存在控制荚膜形成的基因 ,当然就不能使 R型细菌发生转化了 。

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加热杀死后的 S型细菌能使小鼠的体细胞发生转化吗 ?

转化是细菌中较为普遍的现象 。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 。亲缘关系越近 ,转化就越容易 , 反之则不能转化 。肺炎双球菌的转化实验 , 是指同种细菌的不同品系 (S型细菌 、R型细菌 )能够交换遗传物质 ,导致遗传物质从一个品系 (S型细菌 )转移到另一个品系 (R型细菌 ),从而使品系的类型发生了转变 。

但 S型肺炎球菌和小鼠不是同种 , 所以自然条件下彼此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 。

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S型细菌中的 DNA是怎样在 R型活细菌中实现表达的呢 ?

1944年美国科学家艾弗里的实验进一步证明 ,加热杀死后的 S型细菌中含有的能使 R型活细菌发生转化的 “转化因子 ”是 S型细菌中的 DNA。

现代遗传学认为 :转化是游离 DNA片段的转移和重组 。游离的DNA片段称为转化因子 。提供游离 DNA片段的细菌称为供体菌 ,如 S型细菌 ;接受 DNA片段的细菌称为受体菌 ,如 R型细菌 。当 S型细菌中的含有控制荚膜形成基因的 DNA片段进入 R型细菌后 ,与 R型细菌的DNA在同源区进行交换 ,这样被转化的 S型细菌中控制荚膜形成的基因才能稳定的存在于 R型细菌中 。 S型细菌中控制荚膜形成的基因才能在 R型细菌体内转录和翻译 ,从而控制了荚膜的形成或出现 ,使 R型细菌转化成 S型细菌 。

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 。

转化作用的实质是外源 DNA与受体细胞 DNA之间的重组 ,使受体细胞获得了新的遗传信息 。通过转化最初形成的 S型细菌数量极少 ,但它在动物和人体细胞中大量繁殖 、扩散 ,使之患病 ,甚至死亡 。

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 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。