高一下学期生物人教版必修2 备课素材:如何理解抗药性越来越强“是若干个突变累加一起的产物”

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高一下学期生物人教版必修2 备课素材:如何理解抗药性越来越强“是若干个突变累加一起的产物”

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如何理解抗药性越来越强“是若干个突变累加一起的产物”?
青霉素使用之前,细菌对青霉素的抗药性存在着变异,有的抗药性强,有的抗药性弱。患者使用青霉素后,体内绝大多数细菌被杀死,这叫不适者被淘汰;极少数抗药性强的细菌却能留下来并繁殖后代,这叫适者生存。活下来的抗药性强的细菌,繁殖的后代有的抗药性强,有的抗药性弱,再次使用青霉素时,又把抗药性弱的细菌杀死,抗药性强的细菌活下来。这样经过若干代的反复选择,最终活下来的细菌大多是抗药性强的细菌,在使用同等剂量的青霉素时,就不能起到很好的抑制杀菌作用,导致青霉素的治疗效果越来越差,因此青霉素的使用对细菌的进化起了选择作用。
由于青霉素的反复使用,就会使细菌的抗药性状逐代积累而加强,从这个过程中可以看出,虽然生物的变异是不定向的,但是自然选择是定向的。
高中生物学新教材必修2第134页
如何理解青霉素抗药性越来越强 “是若干个突变累加一起的产物”,如何累加?
1.抗药性金黄色葡萄球菌简介
抗药性金黄色葡萄球菌是一类皮肤天然菌群,同时存在于30%-50%人群的外粘膜层中,这种寄生方式不会引发明显的疾病,但在特定情况下会造成皮肤损伤、心内膜炎、急性肺炎、骨髓炎以及脓毒症。
金黄色葡萄球菌
抗药性金黄色葡萄球菌(MRSA)的一个独特菌株,能抵抗所有青霉素,包括甲氧西林及其他抗β内醘胺酶的青霉素。
抗药性金黄色葡萄球菌首次发现于1961年的英国,现时已广泛散播,在医院中它更被称为超级细菌。
细菌对青霉素的耐药性分为固有性耐药和获得性耐药,固有耐药是指某一病原微生物对某种抗微生物药物的天然耐药性,编码这种耐药性的基因位于病原微生物的染色体上,且这种耐药性可以代代相传,如绿脓杆菌、不动杆菌属、结核杆菌、鼠疫杆菌等多种细菌就对青霉素存在固有耐药。
还有一种耐药性,则是由于细菌与青霉素接触后,由质粒介导,通过改变自身的代谢途径,使其不被青霉素杀灭而体现出的耐药性,称为获得性耐药。
2.抗菌药物产生耐药性的分子生物学机制
抗菌药物产生耐药性,为人类战胜病原菌提出了一个严峻的挑战。细菌耐药的机制非常复杂,通常认为涉及以下几个方面:
(1)产生灭活酶和钝化酶
细菌能产生可破坏抗生素或使之失去抗菌作用的酶,使药物在作用于菌体前即被破坏或失效。
例如,有些细菌生产的青霉素酶可以破坏青霉素结构中的β-内酰胺环,使其失效,产生青霉素酶是细菌对青霉素产生耐药性最常见,也是最重要的一种途径。
(2)抗菌药物渗透障碍
细菌外层的细胞膜和细胞壁结构对阻碍抗生素进入菌体有着重要作用。膜上有亲水性的药物通过蛋白,称外膜蛋白,主要有2种:分子较大的为OmpF和分子较小的为OmpC;最近又发现了第三种蛋白PhoE。
外膜蛋白的缺失可导致细菌耐药性的发生,在某些细菌的外膜上还有特殊的药物泵出系统,使菌体内的药物浓度不足以发挥抗菌作用而导致耐药。
(3)药物使用靶位的改变
菌体内有许多抗生素结合的靶位,细菌可通过靶位的改变使抗生素不易结合,是耐药发生的重要机制。
例如,青霉素结合蛋白(PBPs)是青霉素对细菌的作用靶位,青霉素可与其结合,抑制细菌细胞壁的合成而起杀菌作用,而细菌也可以改变PBPs的性质,使其与青霉素的亲和力下降,而对青霉素表现出高度的耐药性。
(4)代谢途径的改变
绝大多数细菌不能利用已有的叶酸及其衍生物,必须自行合成四氢叶酸。肠球菌属等某些营养缺陷型细菌能利用外源性胸苷或胸腺嘧啶,表现出对磺胺和甲氧嘧啶等药物的耐药。
从分子生物学角度认识细菌的耐药机制,过去主要集中在基因突变的研究中,认为基因突变的积累是细菌产生耐药性的重要机制。也就是教材中的观点。
但近年来研究发现,没有接触过抗生素的病原菌,对抗生素也具有抗性,耐药性具有转移的特点,也不是可以通过多个突变基因的重组。
例1、野生型金黄色葡萄球菌对青霉素是敏感的,将它接种到青霉素浓度为0.1单位/cm3的培养基里,绝大多数细菌死亡,但有个别细菌能存活下来,并能进行繁殖。据研究,能够存活的葡萄球菌是一种突变型,具有抗青霉素的突变基因。再让这种突变型细菌生活在青霉素浓度为0.2单位/cm3的培养基里,同样是绝大多数个体死亡,只有个别细菌存活下来。逐渐提高培养基中青霉素的含量,可以得到一个能生长在250单位青霉素/cm3的培养基里的品系。下列叙述正确的是( )
A.抗青霉素的突变型细菌可能是染色体畸变的结果
B.野生型金黄色葡萄球菌种群中存在多种抗青霉素突变体
C.抗青霉素的突变型细菌比例增大是抗性个体繁殖的结果
D.两个地区的金黄色葡萄球菌种群之间如果因某些原因发生基因双向迁移,则两个地区的金黄色葡萄球菌间遗传差异和种群的变异量会减少
解析:现代生物进化理论认为,变异是不定向的,可遗传变异为生物进化提供原材料,自然选择通过定向改变种群的基因频率而使生物朝着一定的方向进化,生物进化的实质是种群基因频率的改变。
细菌是原核生物,没有染色体,抗青霉素的突变型细菌不可能是染色体畸变的结果,A错误;变异是不定向的,野生型金黄色葡萄球菌种群中存在多种抗青霉素突变体,B正确;抗青霉素的突变型细菌比例增大是青霉素的选择作用,不是繁殖的结果,C错误;两个地区的金黄色葡萄球菌种群之间如果因某些原因发生基因双向迁移,则两个地区的金黄色葡萄球菌间遗传差异减小,但基因迁移不会影响种群的变异量,D错误。故答案为B。
例2、野生型金黄色葡萄球菌对青霉素敏感,将它接种到青霉素浓度为0.1单位/cm3的培养基上,大多数菌株死亡,极少数菌株能存活下来。存活下来的菌株经过不断选育,最后可以获得能生长在青霉素浓度为250单位/cm3的培养基上的细菌品系。据此分析,下列有关说法正确的是( )
A.抗青霉素的金黄色葡萄球菌增殖过程中能将抗青霉素的性状直接传递给后代
B.在此过程中,青霉素起到了定向诱导金黄色葡萄球菌变异的作用
C.在此过程中,金黄色葡萄球菌种群的基因频率发生了定向改变
D.能在含青霉素的培养基上生长的细菌品系发生的变异是染色体变异
解析:在生物的繁殖过程中,个体并不是把性状直接传递给后代,而是通过基因传递给后代,A错误;变异是不定向的,在此过程中青霉素起定向选择作用,B错误;在青霉素的选择作用下,具有抗青霉素基因的个体有更多的机会生存并繁殖后代,不具有抗青霉素基因的个体逐渐被淘汰,因此青霉素使葡萄球菌的抗青霉素基因的基因频率逐渐升高,C正确;葡萄球菌是原核生物,细胞内没有染色体,故葡萄球菌没有染色体变异的发生,D错误。故答案为C

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