格里菲斯實驗：遺傳物質

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遺傳物質簡介

孟德爾的豌豆實驗是遺傳學的基礎。他知道某些“因子”負責生物體中觀察到的特徵，這些特徵從父母雙方傳遞給後代。當時，他並不知道這個“因子”是什麼。

然而，有一點是肯定的：**遺傳物質是可以表達和遺傳的。**在對遺傳物質的分子性質進行持續的推測後，一些開創性的實驗，包括**弗雷德里克·格里菲斯（1928年）**、艾弗裡、麥克萊奧德和麥卡蒂（1944年）以及赫爾希和蔡斯（1952年）的實驗，提供了確鑿的證據，幫助確定遺傳物質確實是DNA，而不是RNA或蛋白質，它是遺傳的基礎。

遺傳物質的特徵

• 遺傳物質不僅應該**可遺傳**，而且還必須能夠**表達**其中編碼的所有資訊。這是遺傳物質的決定性特徵。

• 遺傳物質必須**可複製**，以便能夠傳遞給後代。

• 遺傳物質必須在所有生命形式中**普遍存在**。

• 遺傳物質必須在化學和物理上**穩定**。

• 遺傳物質的表達**控制著細胞的所有活動**，以及細胞的複製。

• 遺傳物質易於發生**突變**，因此，解釋了生物體之間的**變異**。

格里菲斯實驗

1928年，弗雷德里克·格里菲斯進行了一些**轉化實驗**，試圖確定生物體中遺傳物質的本質。

• 該實驗涉及兩種菌株的肺炎鏈球菌，一種是**致病菌株（IIIS 血清型）**，在瓊脂平板上產生光滑菌落，另一種是**非致病菌株（IIR 血清型）**，在瓊脂平板上產生粗糙菌落。致病菌株具有多糖莢膜，充當毒力因子。非致病菌株缺乏這種莢膜，容易被吞噬細胞吞噬。

• 格里菲斯將這兩種不同的細菌菌株注射到小鼠體內。正如預期的那樣，致病菌株殺死了小鼠，而非致病菌株則沒有。

• 在另一個實驗中，他將致病菌株加熱，殺死細菌細胞。這種加熱殺死的菌株被注射到小鼠體內。格里菲斯觀察到小鼠存活並且沒有患肺炎。

• 第三個實驗產生了一個非常有趣的觀察結果。他將加熱殺死的致病菌株與活的非致病菌株混合，並將混合物注射到小鼠體內。現在，這兩種菌株單獨注射時不會殺死小鼠。然而，這兩種菌株的混合物導致小鼠患肺炎並死亡。

死亡小鼠的組織含有活細菌，培養後產生了光滑菌落，就像 III-S 菌株一樣。這種菌株繼續感染並殺死其他小鼠多代。

從這些觀察結果中，格里菲斯得出結論，加熱殺死的 IIIS 菌株能夠以某種方式“轉化”非致病 IIR 菌株為致病菌株，從而殺死小鼠。他稱之為**轉化**，並將從死亡的 IIIS 細胞傳遞到活的 IIR 細胞的遺傳資訊稱為**轉化因子**。

當時，格里菲斯推測轉化因子可能是多糖或參與莢膜合成的某種化合物。

然而，這種轉化因子後來被證實是脫氧核糖核酸 (DNA)，正如 1952 年赫爾希-蔡斯實驗所確立的那樣。

DNA 作為遺傳物質

脫氧核糖核酸 (DNA) 是一種**自我複製**的雙鏈螺旋分子，是生命連續性的基礎。每個 DNA 分子都是稱為**核苷酸**的單個單元的聚合物。每個核苷酸單體包含

• **含氮鹼基**，可能是嘌呤（腺嘌呤或鳥嘌呤）或嘧啶（胸腺嘧啶或胞嘧啶）的衍生物。

• **脫氧核糖**。

• **磷酸**基團。

• DNA 包含**遺傳指令**，這些指令指揮所有生命形式甚至大多數病毒的生物發育。

• 資訊以**基因**的形式存在，這些基因由後代從其父母那裡**遺傳**。每個基因編碼個體的**特定特徵**。

• 根據遺傳的特定基因（即等位基因）的變體，個體之間該特徵的表型性狀會有所不同。

• 基因的核苷酸序列在其內部編碼構成特定**蛋白質**的氨基酸序列。

雖然 DNA 是所有生物體的可遺傳遺傳物質，但有一些病毒攜帶 RNA 作為其遺傳物質。

為什麼蛋白質不是遺傳物質？

最初，蛋白質被認為是遺傳物質的有力候選者，考慮到它們的多樣性（由 20 種不同的氨基酸組成，形成各種各樣的蛋白質）以及在生物體中的功能能力。然而，蛋白質並非遺傳的基礎。這是因為 -

• 蛋白質不是遺傳資訊的載體。它們只是從核酸翻譯而來。即使參與核酸複製、包裝、轉錄和翻譯的蛋白質也是在核酸中編碼的！

• 蛋白質不能自我複製。

• 蛋白質本身不會發生任何突變。突變發生在編碼蛋白質的核苷酸序列中。

艾弗裡、麥克萊奧德和麥卡蒂（1944 年）以及赫爾希和蔡斯（1952 年）的實驗最終證實，正是 DNA 而不是蛋白質是生物體遺傳物質。

結論

• 格里菲斯進行的實驗表明，細菌可以透過從死亡的細菌細胞中獲取轉化因子，從而改變其功能，並進行轉化。

• 轉化因子的分子性質後來被確定為 DNA。

• 理想的遺傳物質不僅應該儲存和表達遺傳資訊，還應該可以遺傳、自我複製、易於發生突變和變異，並且穩定。DNA 符合所有這些特徵。

• 蛋白質雖然種類繁多，功能強大，但不符合遺傳物質的條件，因為它既不可遺傳，也不能自我複製。

常見問題

Q1. 為什麼不能從格里菲斯的實驗中得出結論，即 R 菌株只是吸收了被殺死的 S 菌株的致病莢膜？

A. 這種結論被證明是錯誤的，因為在第一個實驗中從小鼠血液樣本中分離出的活 S 細胞能夠繁殖並形成更多 S 細胞。這意味著多糖莢膜性狀是可遺傳的和永久的，而不僅僅是在感染宿主後被“丟棄”。

Q2. 遺傳資訊是如何翻譯成蛋白質的？

A. 基因中的遺傳資訊以核苷酸的三聯體密碼的形式“讀取”，每個三聯體翻譯成特定的氨基酸。

Q3. 整個 DNA 分子是否都編碼蛋白質？

A. 否。真核生物基因組的 98% 以上是非編碼的。只有大約 1.5% 的基因組編碼蛋白質。

Q4. 什麼是 RNA 世界假說？

A. RNA 世界假說提出 RNA 是地球上第一個遺傳物質和第一個生命形式，其能夠儲存、傳遞和複製遺傳資訊，以及能夠充當催化劑，支援了這一假說。