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第3章 基因的本质
第1节
DNA是主要的遗传物质
作为遗传物质所必须具备的特点:
①能够准确地复制自己，传递给下一代；
②结构比较稳定；
③能贮存大量的遗传信息；
④能够指导蛋白质的合成，从而控制生物的性状和代谢。
DNA分子
蛋白质
染色质
染色体
染色体＝DNA＋蛋白质
DNA

蛋白质
20世纪30年代：
DNA是由许多脱氧核苷酸聚合而成的生物大分子。
但由于对DNA分子的结构没有清晰的了解，人们认为蛋白质是遗传物质的观点仍占主导地位。
20世纪20年代：
蛋白质是由多种氨基酸连接而成的大分子。
一、对遗传物质的早期推测
DNA是遗传物质的探究历程
噬菌体侵染细菌的实验
格里菲思的肺炎链球菌体内转化实验
艾弗里确定转化因子的实验
格里菲思
艾弗里
赫尔希
蔡斯
有两个经典实验可证明
遗传物质是DNA还是蛋白质呢？设计实验证明它的实验设计思路是？
把DNA和蛋白质分开，单独地、直接地观察它们的作用
肺炎链球菌的转化实验
格里菲思的肺炎双球菌体内转化实验
艾弗里确定转化因子的体外转化实验
噬菌体侵染细菌的实验
一、对遗传物质的早期推测
二、肺炎链球菌的转化实验
菌落 荚膜 致病性
S型菌
R型菌
1.实验者：
2.实验材料：
格里菲思
小鼠、两种肺炎链球菌
光滑
粗糙
有
无
有致病性，
（使人和小鼠患肺炎，
小鼠并发败血症死亡）
无致病性
（一）格里菲思的肺炎链球菌（体内）转化实验
课本P43
3.肺炎链球菌（体内）转化实验过程
R型活细菌不会使小鼠死亡，S型活细菌使小鼠死亡
（1）对比一、二组的实验现象，说明了什么？
R型活菌
S型活菌
加热致死的S型菌
R型活菌与加热致死的S型菌
小鼠
不死亡
小鼠死亡，体内分离出S型活菌
小鼠死亡，体内分离出S型活菌
小鼠
不死亡
3.肺炎链球菌（体内）转化实验过程
R型活菌
S型活菌
加热致死的S型菌
R型活菌与加热致死的S型菌
小鼠
不死亡
小鼠死亡，体内分离出S型活菌
小鼠死亡，体内分离出S型活菌
小鼠
不死亡
加热致死的S型细菌失去了活性，无致病性
（2）对比二、三组的实验现象，说明了什么？
3.肺炎链球菌（体内）转化实验过程
R型活菌
S型活菌
加热致死的S型菌
R型活菌与加热致死的S型菌
小鼠
不死亡
小鼠死亡，体内分离出S型活菌
小鼠死亡，体内分离出S型活菌
小鼠
不死亡
已加热致死的S型细菌，含有某种促使R型活细菌转化为S型活细菌的活性物质——转化因子；
（3）对比三、四组的实验现象，说明了什么？
3.肺炎链球菌（体内）转化实验过程
R型活菌
S型活菌
加热致死的S型菌
R型活菌与加热致死的S型菌
小鼠
不死亡
小鼠死亡，体内分离出S型活菌
小鼠死亡，体内分离出S型活菌
小鼠
不死亡
1.格里菲思的实验并没有证明转化因子的化学本质是什么；
注意：
2.第四组实验中也能分离出R型菌，转化的只是小部分，R型菌依然存在且大部分为R型菌；
多糖
脂质 蛋白质
RNA DNA……
多糖
蛋白质
RNA
DNA
脂质
S型细菌
要确定“转化因子”是什么，关键思路是什么？
必须将蛋白质、其他物质与DNA分开，单独、直接地观察它们的作用，才能确定究竟谁是遗传物质；
但是当时的技术有限，并不能彻底提纯这些物质，因此，可以通过酶解法，将物质一个个的排除，通过观察剩余提取物的转化活性来寻找转化因子。
（二）艾弗里的肺炎链球菌（体外）转化实验
1.实验者：
2.实验材料：
艾弗里和其他同事
有R型活细菌的培养基、
S型细菌的细胞提取物、
蛋白酶、RNA酶、酯酶、DNA酶
如何获得细胞提取物？提取物中含有什么？
将加热致死的S型细菌破碎；
细胞提取物中去除大部分糖类、蛋白质和脂质，主要含有少量蛋白质、脂质和RNA、DNA；
课本P44
有R型细菌的培养基
S型细菌的细胞提取物
第一组
+
S型细菌
R型细菌
有R型细菌的培养液
S型细菌的细胞提取液
第二至四组
+
S型细菌
R型细菌
混合
混合
有R型细菌的培养液
S型细菌的细胞提取液
第五组
+
混合
只长R型细菌
DNA酶
蛋白酶（或RNA酶、酯酶）
可推测转化因子不是糖、蛋白质和脂质
可推测转化因子不是蛋白质、RNA和脂质
说明DNA就是转化因子
3.肺炎链球菌（体外）转化实验过程
艾弗里肺炎链球菌（体外）转化实验过程
注意：
1.艾弗里的体外转化实验既证明了DNA是遗传物质，同时证明了蛋白质、RNA、脂质等不是遗传物质；
2.被转化的R型菌只是少量，在培养后既有R型细菌又有S型细菌的培养基中，R型菌的菌落占多数；
“加法原理”：与常态比较，人为增加某种影响因素。
“减法原理”：与常态比较，人为去除某种影响因素。
自变量控制中的“加法原理”和“减法原理”
思考：有没有更好的材料、更好的方法能够将DNA和蛋白质分开，单独去观察它们的作用呢？
请大家预习噬菌体侵染细菌的实验
三、噬菌体侵染细菌的实验
（一）T2噬菌体简介
头部和尾部外壳都是由蛋白质构成，头部内部含有DNA；T2噬菌体的化学组成中，60%是蛋白质，40%是DNA
T2噬菌体的宿主为大肠杆菌，用培养基和其他非宿主细胞无法培养T2噬菌体
无细胞结构，是一种DNA病毒
噬菌体必须寄生在活的宿主细胞中才能进行增殖
*噬菌体增殖过程中需要的原料（氨基酸、脱氧核苷酸等）、酶、蛋白质合成场所（核糖体），均由宿主大肠杆菌提供，噬菌体自身仅提供最初的遗传物质
（二）噬菌体侵染细菌的过程
释放
吸附
注入
合成
组装
包括DNA的复制和蛋白质的合成
最初噬菌体的蛋白质外壳始终留在外面
C、H、O、N、P
1.实验者： 实验材料：
研究方法：
赫尔希、蔡斯
T2噬菌体、大肠杆菌
同位素标记法
2.实验设计思路：
用放射性同位素分别标记DNA和蛋白质，直接地、单独地去观察它们的作用
DNA
蛋白质
C、H、O、N、S
该方法是为了区分DNA和蛋白质；
①不能标记共有元素：C、H、O、N；
②同一个噬菌体不能同时标记P和S
磷酸基团
R基
三、噬菌体侵染细菌的实验
3、实验过程
在搅拌器中搅拌、离心，检测上清液和沉淀物中的放射性物质
用标记的噬菌体侵染未标记的细菌
噬菌体被
35S标记
在新形成的噬菌体中没有检测到35S
细菌裂解
沉淀物的放射性很低
上清液的放射性很高
离心后
搅拌后离心
35S标记的噬菌体与细菌混合
35S标记的噬菌体
在新形成的部分
噬菌体中检测到32P
细菌裂解
沉淀物的放射性很高
上清液的放射性很低
离心后
搅拌后离心
32P标记的噬菌体与细菌混合
32P标记的噬菌体
在搅拌器中搅拌、离心，检测上清液和沉淀物中的放射性物质
用标记的噬菌体侵染未标记的细菌
噬菌体被
32P标记
3、实验过程
亲代噬菌体 上清液(主要是噬菌体外壳) 沉淀物(主要是被侵染的大肠杆菌) 细菌裂解释放出的子代噬菌体有无放射性
35S-蛋白质
32P-DNA
放射性高
放射性低
没有检测到35S
放射性低
放射性高
检测到32P
4.实验结果分析
A. 35S标记的一组，为什么沉淀中出现了放射性？
B. 32P标记的一组，为什么上清液中出现了放射性？
搅拌不充分，仍有少量含35S的噬菌体蛋白质外壳吸附在细菌表面
a. 保温时间过短，部分噬菌体DNA还未侵染到细菌细胞内；
b. 保温时间过长，大肠杆菌裂解，子代噬菌体被释放出来；
培养大肠杆菌
培养T2噬菌体
噬菌体-蛋白质（ 35S）
32P
35S
培养大肠杆菌
培养T2噬菌体
大肠杆菌（32P）
噬菌体-DNA（ 32P）
大肠杆菌（35S）
思考：如何获得含35S标记的噬菌体？（高考题考查过）
先用含有35S的培养基培养大肠杆菌，再用该大肠杆菌培养T2噬菌体
思考：如何获得含32P标记的噬菌体？（高考题考查过）
先用含有32P的培养基培养大肠杆菌，再用该大肠杆菌培养T2噬菌体
相同点
不同点 方法 和结论 不同 肺炎链球菌体外转化实验
噬菌体侵染细菌实验　
噬菌体侵染细菌的实验与肺炎链球菌体外转化实验的比较：
①设计思路相同：均设法使DNA和蛋白质分开，单独处理，观察它们各自的作用
②都遵循了对照原则；
③都能证明DNA是遗传物质
用酶解法特异性分别去除一种物质与R型菌混合培养鉴定（人为）
既证明了DNA是遗传物质，又证明了蛋白质不是遗传物质
用同位素标记法分别标记DNA和蛋白质的特征元素（32P和35S）
只证明了DNA是遗传物质，没有证明蛋白质不是遗传物质
思考·讨论
1、艾弗里与赫尔希等人选用细菌或病毒作为实验材料，以细菌或病毒作为实验材料具有哪些优点？
个体小，结构简单，细菌是单细胞生物，病毒无细胞结构，只有核酸和蛋白质外壳，易于观察因遗传物质改变导致的结构和功能的变化，繁殖快。
2、从控制自变量的角度，艾弗里实验的基本思路是什么？在实际操作过程中最大的困难是什么？
每个实验组中特异性地去除了一种物质，然后观察在没有这种物质的情况下，实验结果会有什么变化。最大的困难是，如何彻底去除细胞中含有的某种物质（如糖类、脂质、蛋白质等）
3、艾弗里和赫尔希等人都分别采用了哪些技术手段来实现他们的实验设计？这对于你认识科学与技术之间的相互关系有什么启示？
艾弗里采用的主要技术手段：细菌的培养技术、物质的提纯和鉴定技术等。赫尔希采用的主要技术手段：噬菌体培养技术、同位素标记技术、物质的提纯和分离技术等。
只有DNA是遗传物质吗 ？
烟草花叶病毒
下面这些生物的遗传物质是什么？
SARS病毒
新型冠状病毒
HIV病毒
如果你是科学家，请设计实验探究烟草花叶病毒的遗传物质是什么？
背景知识：烟草花叶病毒TMV是由RNA和蛋白质组成的，在感染烟草时，会出现致病斑
［课堂延伸］
感染
烟草
感染
烟草
出现病斑
不出现病斑
实验结论：烟草花叶病毒（RNA病毒）的遗传物质是RNA
蛋白质
RNA
分
离
烟草花叶病毒
（RNA和蛋白质）
烟草花叶病毒侵染实验
RNA
+RNA酶
感染烟草
不出现病斑
烟草花叶病毒实验拓展--重建实验
TMV 2
RNA 2
蛋白质 2
蛋白质 1+RNA 2
TMV 2
TMV 1
RNA 1
蛋白质 1
蛋白质 2+RNA 1
TMV 1
烟草花叶病毒的遗传物质是RNA
：
DNA是主要的遗传物质
DNA是主要的遗传物质
生物类型 细胞生物 病毒
原核生物 真核生物 DNA病毒 RNA病毒
核酸类型
遗传物质
绝大多数生物（细胞生物和DNA病毒）遗传物质为DNA，只有少数RNA病毒遗传物质为RNA，故DNA为主要遗传物质。
DNA和RNA
DNA和RNA
DNA
RNA
DNA
DNA
DNA
RNA
D
A
二、拓展应用
1、【提示】实验表明，噬菌体在侵染大肠杆菌时，进入大肠杆菌内的主要是DNA，而大多数蛋白质却留在大肠杆菌外面。因此，大肠杆菌裂解后，释放出的子代噬菌体是利用亲代噬菌体的遗传信息，以大肠杆菌的氨基酸为原料来合成蛋白质外壳的。
2、【提示】肺炎链球菌的转化实验和噬菌体侵染大肠杆菌的实验证明，作为遗传物质至少要具备以下几个特点：能够精确地自我复制；能够指导蛋白质的合成，从而控制生物体的性状和新陈代谢的过程；具有储存遗传信息的能力；结构比较稳定，等等。

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