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人工方法形成感受态

 教学问题：浙科版教材中没有感受态知识，人教版有这方面知识，最近的试题中出现了感受态情境题，那么什么是感受态？S型肺炎双球菌能不能变成R型菌？人工方法如何让细菌产生感受态？

 细胞能够从周围环境中摄取DNA分子，并且不易被细胞内的限制性核酸内切酶分解时所处的一种特殊生理状态称感受态。

 细菌的感受态有两种类型：一种是自然感受态，自然感受态细菌可以自由地吸收DNA，通过它来进行遗传转化；另一种是人工感受态，在这种转化中，细菌发生改变使得它们能摄入外源DNA。枯草芽孢杆菌属于能够发展为自然感受态的细胞，大肠杆菌就属于需要人工处理的细胞。

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转化示意图

 1．自然感受态—R型活菌

 R型肺炎双球菌存在控制荚膜不能形成的基因，S型肺炎双球菌存在控制荚膜合成的基因。将加热杀死的S型菌与R型活菌混合后，注入小鼠体内，发生了R型菌向S型菌的转化。并非任意两株R型菌与S型菌之间的接触都可发生转化。据研究，凡能发生转化的，其R型菌必须处于感受态。

（1）R型菌的特点

 据资料,作为受体菌的R型活肺炎双球菌在其生长后期，即对数期后期大约40分钟内处于“感受态”。

 R型活肺炎双球菌细胞膜表面有30-80个“感受态因子”位点。感受态因子是一种胞外蛋白，可诱导与感受态有关蛋白的表达，其中包括自溶素，它使细胞表面的DNA结合蛋白和核酸酶裸露出来。正是因为感受态因子的作用，使得R菌在对数期后期吸收外源DNA的能力比其他时期大1000倍。

（2）R型活菌转化成S型活菌的实质过程

 由于加热后的S型肺炎双球菌的蛋白质外壳结构被破坏，从有秩序而紧密的构造，变为无秩序而松散的构造，导致出现外壳自溶现象，释放出自身的DNA片段（双链结构尚存在，分子量小于1×10⁷，约含15个基因），称为“转化因子”。

 ① 当“转化因子”遇到处于感受态的R型肺炎双球菌时，就有10个左右这样的双链片段被R型肺炎双球菌细胞膜表面的“感受态因子”位点结合。

 ② 在位点上进一步发生酶促分解，形成平均分子量为4-5×10⁶的DNA片段，然后双链拆开，其中一条降解，另一条单链逐步进入细胞。

 ③ 进入细胞的单链DNA片段与R型肺炎双球菌DNA的同源区段配对，并使受体DNA的相应单链片段被切除，从而将其替换，于是形成一个杂种DNA区段（它们间不一定互补，故可呈杂合状态）。

 ④ 随着R型肺炎双球菌的分裂生殖，DNA进行复制，杂合区段分离成两个，其中之一类似供体菌（S型肺炎双球菌），另一类似受体菌（R型肺炎双球菌）。当细胞分裂后，此DNA发生分离，于是就由R型肺炎双球菌产生出了S型肺炎双球菌的后代。这个过程称为原核生物的转化，其实质是基因重组。 

如图所示：

（3）R型活菌转化成S型活菌的相关解释

 ① 因为R型与S型的DNA可以同源区段配对，形成杂合细菌，通过分裂生殖形成R型和S型两种后代，不是R型直接变成S型。

 ② 无荚膜的R型有非常重要的感受态和感受态时期，保证了S型的DNA在特定的时期可以进入R型菌中。

 ③ S型有荚膜，无感受态，因此不能作为受体菌，如果人为除去荚膜，培养出无荚膜的后代，它就同时丧失了毒性，变成R型，同样会有感受态。自然状态下两者可以通过基因突变来完成相互转变，人工方法是利用理化方法诱发突变完成相互转变。

 ④ 发生转化需要有亲缘关系，转化本身只发生在同种菌株间或近缘菌株间。真核生物的细胞膜表面结构与原核生物的大不相同，不会发生转化。

  2．人工感受态—大肠杆菌

 野生型大肠杆菌并不容易转化，这是由于DNA无法进入野生型大肠杆菌的细胞。经过多年的努力，科学家们发现了一种方法可以增加细胞吸收外源DNA的效率。那就是用化学方法处理细胞，使其改变膜对DNA的通透性。这种细胞就称为感受态细胞，即细胞处于能摄入核酸分子时的生理状态。

 大肠杆菌需要诱导才能变成感受态细胞，而有些细菌细胞则在自然条件下，或是在改变培养基和其他培养条件下就可变成感受态细胞。

 大肠杆菌的转化常用化学法（CaCl₂法），该法最先是由Cohen于1972年发现的。其原理是细菌处于0℃，CaCl₂的低渗溶液中，菌细胞膨胀成球形，转化混合物中的DNA形成抗DNase的羟基-钙磷酸复合物粘附于细胞表面，经42℃短时间热冲击处理，促使细胞吸收DNA复合物，在丰富培养基上生长数小时后，球状细胞复原并分裂增值，被转化的细菌中，重组子中基因得到表达，在选择性培养基平板上，可选出所需的转化子。 

 目前CaCl₂转化方法的机制尚不清楚，可能是细胞壁被打了一些孔，DNA分子从这些孔洞中进入细胞，而这些孔洞随后又可以被宿主细胞修复。可以接受DNA的细胞称为感受态细胞。

 另外，CaCl₂化学试剂处理细菌后，是增加细胞膜的通透性还是细胞壁的通透性，不同的教材有不同的观点，浙科版认为增加细胞壁通透性。