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(共46张PPT)
第3章 基因的本质
3.1DNA是主要的遗传物质
发现历史
19世纪中期，孟德尔通过豌豆实验证明了生物的性状是由 基因 控制的
2 0 世纪初期，摩尔根通过果蝇实验 证明了：基因位于 染色体 上。
20世纪中叶，科学家发现：染色体主要由 蛋白质和DNA （成分）组成。
问题探讨
20世纪中叶，科学家发现染色体主要是由蛋白质和DNA组成的。在这两种物质中，究竟哪一种是遗传物质呢？这个问题曾引起生物学界激烈的争论。
讨论
1.你认为遗传物质可能具有什么特点？
提示：遗传物质必须稳定，要能贮存大量的遗传信息，可以准确地复制出拷贝，传递给下一代等。
2.你认为证明某一种物质是遗传物质的可行方法有哪些？
提示：同位素标记法，分离提纯法等。
思维推导：遗传物质应该具有的特点是？
①在细胞生长和繁殖的过程中能够精确地复制自己；
②能够指导蛋白质合成从而控制生物的性状和新陈代谢；
③具有贮存巨大数量遗传信息的潜在能力；
④结构比较稳定，但在特殊情况下又能发生突变，而且突变以后还能继续复制，并能遗传给后代。
一、对遗传物质的早期推测
20世纪20年代，大多数科学家认为：蛋白质是生物体的遗传物质。
①蛋白质是由多种氨基酸连接而成的生物大分子；
②氨基酸多种多样的排列组合方式；
③可能蕴含着遗传信息。
20世纪30年代，科学家发现：
①DNA是由许多脱氧核苷酸聚合而成的生物大分子；
②组成DNA的脱氧核苷酸有4种；
③每种脱氧核苷酸都有特定的碱基。
由于对DNA分子的结构没有清晰了解，蛋白质是遗传物质的观点仍占主导地位。
二、肺炎链球菌的转化实验
1、肺炎链球菌
多糖荚膜 菌落表面特征 毒性
S型细菌
R型细菌
有
光滑
有
无
粗糙
无
菌落
败血症（septicemia）
是指细菌进入血液循环，并在其中生长繁殖、产生毒素而引起的全身性严重感染。
临床表现为发热、严重毒血症状、皮疹瘀点、肝脾肿大和白细胞数增高等。
分革兰阳性球菌败血症、革兰阴性杆菌败血症和脓毒败血症。
以抗生素治疗为主，辅以其他治疗方法。
预防措施为避免皮肤粘膜受损，防止细菌感染。
小资料
败血症
是病菌侵入血流循环而发生的全身性感染。细菌可在血中大量繁殖而引起全身中毒症状，致病菌可随血流到各器官组织造成迁徙性病灶。
（1）临床表现：寒战、高热、头痛、呕吐、呼吸加快、心率增速等；严重者出现神志改变或感染性休克；肝脾肿大，以瘀点为主的皮疹，大关节疼痛或红肿。病程长者常发生迁徙性病灶或脓肿，少数可有黄疸。
（2）实验室检查：血白细胞计中粒细胞比例增多，血培养有致病菌生长。
2、肺炎链球菌的转化实验（体内转化实验）
格里菲思（F.Griffith,英国）1928年
小鼠不死亡
小鼠死亡，
体内分离出S型活菌
小鼠不死亡
小鼠死亡，
体内分离出S型活菌
S型活菌
R型活菌
加热致死的S型菌
R型活菌与加热致死的S型菌
根据单一变量原则，4组实验中可以找出哪些对照？可以得到哪些结论？
分析实验对照：
第一组和第二组对照，说明 。
第二组和第三组对照，说明 。
第四组小鼠死亡是由于体内有S型活细菌，那么S型活细菌是怎么来的？
加热杀死的S型细菌
R型活细菌
S型活细菌
起死回生？
直接转化？
促使
转化
实验结论：
已经被加热杀死的S型细菌中，必然含有某种促成这一转化的活性物质——转化因子
“转化因子”是什么？
在证明DNA还是蛋白质或其他物质是遗传物质的实验中最关键的设计思路是什么？
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。
3、艾弗里（O.Avery,美国）20世纪40年代（体外转化实验）
这种转化因子究竟是什么物质呢？20世纪40年代，美国科学家艾弗里在格里菲斯的实验基础上继续进行实验。
通过确凿的实验证据向遗传物质是蛋白质的观点提出挑战。
将加热致死的S型菌破碎后，首先设法去除绝大部分糖类、蛋白质和脂质，制成细胞提取物，然后作用于R型细菌，观察它们的作用，才能确定DNA是不是遗传物质。
3、艾弗里（O.Avery,美国）20世纪40年代（体外转化实验）
实验结论：DNA是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质
2、艾弗里（O.Avery,美国）20世纪40年代（体外转化实验）
实验结论：
“转化因子”是DNA，DNA才是遗传物质，而蛋白质等其他物质不是遗传物质。
（纠正了一个生物界的错误的普遍共识）
这个实验结论足以让所有科学家信服吗？
自变量控制中的“加法原理” 和“减法原理”
在对照实验中控制自变量，可以采用“加法或减法原理”；
与常态比较，人为增加某种影响因素的称为加法原理。例如在必修一酶一节中“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中，与对照组相比，实验组分别做了加温、滴加FeCl3溶液、滴加肝脏研磨液的处理，利用了“加法原理”；
与常态相比，人为去除某种影响因素的称为减法原理。例如在艾弗里的肺炎链球菌转化实验中，每个实验组特异性地去除了一种物质，从而鉴定出DNA是遗传物质，这利用了“减法原理”。
(1)所用材料相同
(2)体内转化实验是体外转化实验的基础，体外转化实验是体内转化实验的延伸
(3)两实验都遵循对照原则、单一变量原则
联系
S型细菌的DNA是转化因子，即遗传物质
S型细菌体内有“转化因子”
实验结论
将物质提纯分离后，直接地、单独地观察某种物质在实验中所起的作用
用加热杀死的S型细菌注射到小鼠体内作为对照实验来说明确实发生了转化
巧妙构思
体外转化实验
体内转化实验
项目
想一想
在肺炎双球菌的转化实验中，将R型活细菌与加热后杀死的S型细菌混合后注射到小鼠体内，小鼠死亡，则此过程中小鼠体内S型、R型细菌含量变化情况最可能是下图哪个选项(　　)
S型菌
荚膜
控制荚膜形成的X基因
加热
杀死
被破坏的S型菌
X基因吸附在R型菌表面
X基因进入R型菌
重组
R型菌转化成S型菌
蛋白质和核酸对于高温的耐受力是不同的。
在80-100 ℃的温度范围内，蛋白质失活，DNA双链解开；
当温度恢复至室温后，DNA双链能够重新恢复，但蛋白质的活性无法恢复。
知识拓展
艾弗里的实验引起了人们的注意，但是，由于艾弗里实验中提取出的DNA，纯度最高时也还有0.02%的蛋白质，因此，仍有人对实验结论表示怀疑。
有没有比细菌更为简单的实验材料？
1952年，赫尔希和蔡斯以T2噬菌体为实验材料，利用放射性同位素标记的新技术，完成了另一个更具有说服力的实验.他们因此获得了诺贝尔奖！
思维碰撞
二、噬菌体侵染细菌的实验
1952年，美国遗传学家赫尔希（A.D.Hershey）和蔡斯（M.C.Chase）以T2噬菌体为实验材料，利用放射性同位素标记技术进行实验。
赫尔希
蔡斯
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？
T2噬菌体侵染大肠杆菌
噬菌体的蛋白质外壳
大肠杆菌
注入的噬菌体DNA
DNA(占40%，含C、H、O、N、P)
蛋白质(占60%，含C、H、O、N、S)
T2噬菌体的模式图
（一）噬菌体
⑴个体很小，结构简单，容易看出因遗传物质改变导致的结构和功能的变化。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。
⑵繁殖快。细菌20~30min就可繁殖一代，病毒短时间内可大量繁殖。
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？
设法将DNA与其他物质分开，单独、直接研究它们各自不同的遗传功能。最大的困难是如何彻底分离DNA与蛋白质。
释放
吸附
注入
合成
组装
3.赫尔希及助手采用了什么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？
主要技术手段：噬菌体培养技术、放射性同位素标记技术、物质的分离和提纯技术等。
启示：科学成果的取得必须有技术手段作保证，技术的发展需要以科学原理为基础，因此，科学与技术是相互支持、相互促进的。
35S标记的噬菌体与细菌混合
35S标记的噬菌体
搅拌后离心
离心后
上清液的
放射性很高
沉淀物的
放射性很低
细菌裂解
在新形成的噬菌体中没有检测到35S
思考1：怎么标记噬菌体？
思考2：你能得出什么结论？
32P标记的噬菌体与细菌混合
32P标记的噬菌体
搅拌后离心
离心后
上清液的
放射性很低
沉淀物的
放射性很高
细菌裂解
在新形成的部分噬菌体中检测到32P
教材P45第二段第一句。
DNA是噬菌体的遗传物质。
（二）噬菌体侵染细菌的实验
放射性同位素标记法（同位素示踪法）
将DNA和蛋白质分开，直接地单独地去观察它们各自的作用。
1、实验思路
2、实验方法
32P标记的噬菌体
主要组成元素
C、H、O、N、P
35S标记的噬菌体
主要组成元素
C、H、O、N、S
用什么标记蛋白质和核酸？
用32P标记核酸
用35S标记蛋白质
如何标记T2噬菌体？
在分别含有放射性同位素32p 和35s的培养基中培养细菌。
分别用上述细菌培养T2噬菌体，制备含32p 的噬菌体和含35s的噬菌体。
分别用含32p 的噬菌体和含35s的噬菌体去感染未被标记的大肠杆菌。
① 培养带标记的噬菌体：
3、实验过程
含放射性同位素35S
培养大肠杆菌
大肠杆菌35S
T2噬菌体35S
培养噬菌体
含放射性同位素32P
培养大肠杆菌
大肠杆菌32P
T2噬菌体32P
培养噬菌体
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
② 35S标记的噬菌体侵染细菌：
③ 35P标记的噬菌体侵染细菌：
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
35P标记
在新形成的噬菌体中检测到35P
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
35P标记的噬菌体与细菌混合
35P标记的噬菌体
噬菌体比大肠杆菌轻
4、噬菌体侵染细菌实验的检测结果：
上清液：
沉淀物：
噬菌体
细菌
(外壳)
(被注入的DNA)
35S标记的实验 32P标记的实验
标记部位
放射性情况 上清液
沉淀物
蛋白质
DNA
有放射性
无
无
有放射性
　上清液“放射性很高” 沉淀物“放射性很高”？
沉淀物也有放射性
上清液也有放射性
——分离不完全
(噬菌体蛋白质外壳)
——释放出来的、未侵染的噬菌体
/释放的/未侵染的)
很高 很低
很低 很高
实验误差原因分析
（1）用35S标记的噬菌体侵染大肠杆菌，沉淀物中有放射性的原因
由于搅拌不充分，有少量含35S的噬菌体蛋白质外壳吸附在细菌表面，随细菌离心到沉淀物中。
（2）用32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌，上清液中含放射性的原因
①保温时间过短，有一部分噬菌体还没有侵染到大肠杆菌细胞内，经离心后分布于上清液中。
②保温时间过长，噬菌体在大肠杆菌内增殖后释放子代，经离心后分布于上清液。
总结
1928年 格里菲思 ——体内转化实验
1944年 艾弗里——体外转化实验
1952年 赫尔希、蔡斯——噬菌体侵染细菌实验
DNA是遗传物质
流感病毒
SARS病毒
烟草花叶病毒
下面这些生物的遗传物质是什么？
只有DNA是遗传物质吗？
后来的研究证明，遗传物质除DNA外，还有RNA。有些病毒不含有DNA，只含有蛋白质和RNA，如烟草花叶病毒。
如果你是科学家，如何设计实验证明烟草花叶病毒的遗传物质是什么？
背景资料：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。
思路：设法将TMV的RNA和蛋白质分离制成混合物。用“减法原理”的方法分别看RNA和蛋白质的感染结果。
烟草花叶病毒
左：正常烟叶 右：病叶
1、烟草花叶病毒侵染实验
RNA是遗传物质的实验证据
蛋白质
RNA
分别侵染健康烟草植株
患病
不患病
得到全新病毒
不能得到病毒
：
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
2、烟草花叶病毒重建实验
：
3、实验结论：烟草花叶病毒的遗传物质是RNA
细胞生物
（真核、原核） 非细胞生物
（病毒） 核酸
遗传物质
DNA和RNA
DNA
DNA
RNA
DNA
RNA
因为绝大多数生物的遗传物质是DNA，所以DNA是主要的遗传物质。
总结：
生
物
界
细
胞
生
物
非
细
胞
生
物
RNA病毒:艾滋病病毒(HIV逆转录)、
流感病毒（如禽流感，猪流感，现称甲型H1N1病毒）、
SARA病毒、登革热病毒、
甲肝病毒、烟草花叶病毒及类病毒等
DNA病毒：噬菌体、乙肝病毒、天花病毒等
原核生物:细菌、支原体、衣原体、
蓝藻、放线菌等
真核生物:植物、动物、原生生物、真菌
遗传物质是RNA
遗传物质是DNA
总结：不同生物遗传物质的判断
DNA是主要的遗传物质
1.判断有关肺炎双球菌转化实验叙述的正误
（1）加热杀死后的S型细菌的DNA已经全部断裂，失去活性（）
（2）在艾弗里的实验中，DNA酶将S型细菌的DNA分解为脱氧核苷酸，因此不能使R型细菌发生转化（）
（3）肺炎双球菌转化实验说明DNA是主要的遗传物质（）
（4）格里菲思的体内转化实验证明了DNA是遗传物质（）
（5）肺炎双球菌转化实验最关键的设计思路是将DNA和蛋白质分开，分别观察其作用（）
（6）在转化过程中，加热杀死后的S型细菌的DNA没有进入R型活细菌的细胞中（）
2.判断有关生物遗传物质叙述的正误
（1）生物遗传物质的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸或核糖核苷酸（）
（2）所有生物的遗传物质都是DNA（）
（3）细胞核内的遗传物质是DNA，细胞质内的遗传物质是RNA（）
（4）小麦的遗传物质主要是DNA（）
（5）乳酸菌的遗传物质主要分布在染色体上（）

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