赫尔希-蔡斯实验证明了蛋白质不是遗传物质吗?

1、遗传物质的必备属性

遗传物质必须具备两个基本的属性:①控制生物性状;②可遗传或叫做世代相传,即具有亲子代间的传递性。在肺炎双球茵体外转化实验中,Avery 使用酶解法将蛋白质与DNA分开研究,证明DNA是转化因子。

原核生物的结构

但人们存有以下疑惑:①在化学分离的过程中是否会影响到各组分的功能呢?也许蛋白质才是真正的转化因子,只是实验的过程破坏了它作为转化因子的功能。②Avery 的实验虽能证明DNA对荚膜的形成有某种直接的化学效应,即具备作为遗传物质的属性之一:控制生物性状。那么能控制生物性状就是遗传物质吗?例如RNA可以指导蛋白质合成,但其只是传递遗传信息的中间分子, DNA会不会也只是这样的中间分子呢?可见,仅证明能控制生物性状的属性是不够的。然而转化因子是否具有亲子代间的传递性,Avery 不得而知。

赫尔希-蔡斯实验的高明之处在于可以解决上述两个疑感。噬菌体的结构远没有细菌复杂,仅由蛋白质外壳与DNA分子组成。他们用放射性同位素S(A组)和“"P(B组)分别标记蛋白质和DNA,在不影响两者化学性质的基础上研究各自的功能,并且通过跟踪亲子代间的传递性来确定遗传物质。

2、噬菌体的蛋白质和DNA在侵染大肠杆菌过程中的行为

在噬菌体侵染细菌的过程中,蛋白质与DNA的行为有何不同呢?研究者测定了搅拌前后35S和32P在细菌外的含量,发现A组的上清液和B组的沉淀物分别具有80%和70%的强放射性。为什么A组的沉淀物中有20%的放射性呢?原因在于噬菌体与细茵的吸附是表面受体的特异性结合,具有不可逆性,搅拌不能将两者完全分离。为什么B组的上清液中也有30%的放射性呢?原因在于细菌裂解释放出部分噬菌体。

由此可知,DNA在侵染过程中进入细菌内部而蛋白质则留在外面。不同的行为是否意味不同的功能呢?研究者将噬茵体与细菌的碎片混合,发现含35S的蛋白质外壳始终与细胞碎片结合在一起,而含32P的DNA则出现在溶液中,可以想象,噬菌体与细菌碎片结合后试图将DNA注入,只不过另一端不是细菌而是溶液。如果蛋白质与噬菌体增殖有关,如何解释其不进入细菌的现象呢?换句话说,蛋白质连细菌都进不去,难道还有资格作为遗传物质吗?对于这样的实验现象,最合适的解释就是蛋白质只是作为噬茵体DNA的保护性外套兼具注射功能而已,与噬茵体增殖无关(The sulfur-containing protein ofresting phage particles is confined to a protetive coat that is responsible for the adsorption to bacteria, and functions as an instrument for the injection of the phage DNA into the cell This protein probably has no function in the growth of intracellular phage. The DNA has some function)。这也许正是生物演化的结果,是自然条件下蛋白质与DNA由于功能的不同而分开各司其职的最直接的实验证据,显然比人工手段将两者分开研究更有说服力,这也恰恰证明蛋白质不是遗传物质。

亲子代间有何联系呢?在A组中,子代噬茵体中几乎不含放射性(仅检测到少于1%)。在B组中,子代噬茵体却具有很强的放射性,这些放射性来自于亲代噬菌体中的P即DNA,说明噬菌体DNA将遗传信息带进细菌内,控制噬菌体蛋白质的合成。由此可知,DNA不仅具有亲子代间的传递性,而且能控制生物性状,这表明遗传物质是DNA而非蛋白质。

从以上分析可知,赫尔希-蔡斯实验的两个实验组是通过相互印证从而形成完整证据链的。

1952年,Hershey和Chase公布了噬茵体侵染细茵的实验结果,以致所有生物学家都承认遣传物质的化学本质是DNA,放弃了蛋白质是遗传物质的观点,四核苷酸假说也被彻底

推翻了。受到上述实验结果的启发,沃森与克里克建立了DNA分子的双螺旋结构模型。

3、国内外不同版本教科书的论述

国内使用的6个版本的高中生物学教材,其中较新的中图版(2007年)、苏教版(2013年)和北师大版(2014年)在介绍该实验时明确提出:赫尔希-蔡斯实验证明了DNA是遗传物质,而蛋白质不是。国外较权威的生物学教材,如Raven &t Johnson的《Biology(Sixth Edition)》、 Mader 的《Biology(Eighth Edition)》、 Sadava等的《LIFE: The Science of BiologyQNinth Edition)》 也认为:赫尔希-蔡斯实验表明DNA是遗传物质而非蛋白质(The Hershey and Chase experimentshowed that DNA and not protein is the genetic material)。最新的人教版教材对这一实验的结论描述仍与旧版一致:”......DNA才是真正的遗传物质”。

4、结论

综上所述,可以形成如下结论:①赫尔希-蔡斯实验表明DNA是遗传物质而非蛋白质;②赫尔希-蔡斯实验分为两个实验组,仅通过A组不能证明蛋白质不是遗传物质,仅通过B组也不能证明DNA是遗传物质,只有通过两个实验组的相互对照才能得出完整的结论“DNA是遗传物质而非蛋白质”。

5、高考题

因此,仅根据其中的一组而“分别”得出蛋白质或DNA在噬菌体增殖中各自独立的功能是不正确的。可见,2011年江苏高考第12题的D选项错在“分别”二字,而不是错在“赫尔希-蔡斯实验不能证明蛋白质不是遗传物质”。

……本文摘自《生物学教学》作者余骥