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噬菌体(phage)也称细菌病毒。侵染细菌,放线菌,使其细胞裂解死亡的一类病毒。基本形态为蝌蚪状、微球状和丝状。结构类型可概括为以下6种:
在含细菌的固体培养基上,噬菌体使细菌细胞裂解而形成的空斑,称为噬菌斑。一般认为,每个空斑都是由一个噬菌体颗粒一再侵染、增殖、裂解所形成的,故可用于进行噬菌体的计数。噬菌斑的形态多样,有的形成晕圈,有的呈多量同心圆,也有的近似圆形,大小不一。根据噬菌体与宿主细胞的关系,可将其分为烈性噬菌体和温和噬菌体。侵染宿主细胞后使细胞裂解的,称为烈性噬菌体;不裂解寄主细胞,并随寄主细胞*而传递其DNA的,称温和噬菌体。噬菌体在自然界分布很广,从土壤、污水、粪便中均可分离到。但各种噬菌体的感染作用有严格的专一性。一种噬菌体往往只侵染一种细菌,或只侵染某一菌株。
噬菌体是寄生在细菌细胞中的病毒。一个典型的噬菌体的生活周期,可以分为三个阶段:感染阶段、增殖阶段和成熟阶段。
感染阶段 噬菌体侵染寄主细胞的第一步是“吸附”(图6-2,1),即噬菌体的尾部附着在细菌的细胞壁上,然后进行“侵入”。先通过溶菌酶的作用在细菌的细胞壁上打开一个缺口,尾鞘像肌动球蛋白的作用一样收缩,露出尾轴,伸入细胞壁内,如同注射器的注射动作,噬菌体只把头部的DNA注入细菌的细胞内,其蛋白质外壳留在壁外,不参与增殖过程。
增殖阶段 噬菌体DNA进入细菌细胞后,会引起一系列的变化(图6-2,2):细菌的DNA合成停止,酶的合成也受到阻抑,噬菌体逐渐控制了细胞的代谢。噬菌体巧妙地利用寄主(细菌)细胞的“机器”,大量地复制子代噬菌体的DNA和蛋白质,并形成完整的噬菌体颗粒。噬菌体的形成是借助于细菌细胞的代谢机构,由本身的核酸物质操纵的。据观察,当噬菌体侵入细菌细胞后,细菌的细胞质里很快便充满了DNA细丝,十分左右开始出现完整的多角形头部结构。噬菌体成熟时,这些DNA高分子聚缩成多角体,头部蛋白质通过排列和结晶过程,把多角形DNA聚缩体包围,然后头部和尾部相互吻合,组装成一个完整的子代噬菌体。
成熟阶段 噬菌体成熟后,在潜伏后期,溶解寄主细胞壁的溶菌酶逐渐增加,促使细胞裂解,从而释放出子代噬菌体(图6-2,3)。在光学显微镜下观察培养的感染细胞,可以直接看到细胞的裂解现象。T2噬菌体在37 ℃下大约只需四十分就可以产生100~300个子代噬菌体。子代噬菌体释放出来后,又去侵染邻近的细菌细胞,产生子二代噬菌体。
怎样知道噬菌体注入细菌内部的物质只是DNA呢?这主要是通过同位素的标记实验知道的。1952年赫尔希(Hershey)和沙斯(Chase)把宿主细菌分别培养在含有35S和32P的培养基中,宿主细菌在生长过程中,就分别被35S和32P所标记。然后,赫尔希(Hershey)等人用T2噬菌体分别去侵染被35S和32P标记的细菌。噬菌体在细菌细胞内增殖,裂解后释放出很多子代噬菌体,在这些子代噬菌体中,前者被35S所标记,后者被32P所标记。
同位素标记实验的第二步,是用被35S和32P标记的噬菌体分别去侵染未标记的细菌,然后测定宿主细胞的同位素标记:当用35S标记的噬菌体侵染细菌时,测定结果显示,宿主细胞内很少有同位素标记,而大多数35S标记的噬菌体蛋白质附着在宿主细胞的外面;当用32P标记的噬菌体感染细菌时,测定结果显示宿主细胞的外面的噬菌体外壳中很少有放射性同位素32P,而大多数放射性同位素32P在宿主细胞内。以上实验表明,噬菌体在侵染细菌时,进入细菌内的主要是DNA,而大多数蛋白质在细菌的外面。可见,在噬菌体的生活史中,只有DNA是在亲代和子代之间具有连续性的物质。因此,DNA是遗传物质。
参考资料:http://www.pep.com.cn/200410/ca605205.htm
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噬菌体是专性侵染和寄生在细菌细胞和其他微生物里的病毒,繁殖迅速,并能很快地裂解细菌或其他微生物细胞,所以常用来做研究分子遗传的材料。
噬菌体结构简单,包括核酸芯子和蛋白质外壳两部分。如侵染大肠杆菌的噬菌体呈蝌蚪形,有头部和尾部。头部里面是DNA,头部和尾部的外壳由蛋白质组成,尾部由中空管状的尾管和尾鞘构成,尾鞘末端有六边形的基片和六根尾丝。
噬菌体侵染大肠杆菌时,用尾部末端六根尾丝吸附在大肠杆菌表面,再放出溶菌酶,促使大肠杆菌细胞壁裂开一个孔,接着把噬菌体头部的DNA通过尾管注入大肠杆菌细胞中,蛋白质外壳仍留在大肠杆菌外面。如果用放射性同位素32P标记噬菌体的DNA,发现细菌细胞里有放射性。如果用放射性的35S标记噬菌体的蛋白质外壳,细菌细胞里就没有放射性。证明噬菌体侵染时进入细菌细胞的只是DNA,而不是蛋白质。
噬菌体虽然只有DNA进入细菌体内,却能利用大肠杆菌的原料复制出许多噬菌体DNA,合成许多噬菌体蛋白质,组装成完整的子代噬菌体。约经20分钟后,细菌的细胞壁破裂,放出几十个到300个噬菌体。新的噬菌体跟原来的噬菌体的形状、大小、结构完全一样。由此证明,在侵染和繁殖过程中,DNA是连续的,蛋白质是不连续的,遗传物质不是蛋白质,而是DNA。