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第三章 基因的本质
第 1节 DNA是主要的遗传物质
目标
01
02
03
掌握肺炎链球菌体内和体外转化实验的过程和结论；体验探究生物遗传物质的实验思路；分析比较本节三大实验的实验方法和实验结论。
（科学思维、科学探究）
认同人类对遗传物质的认识是不断深化、不断完善的过程，认同实验技术在证明DNA是遗传物质中的作用。（社会责任）
通过肺炎链球菌转化实验和噬菌体侵染等实验认同DNA是主要的遗传物质。（生命观念）
学习目标
1
提出“遗传因子”，并总结遗传规律
孟德尔
2
把“遗传因子”命名为基因
约翰逊
3
提出基因在染色体上的假说
萨 顿
4
实验证明基因位于染色体上
摩尔根
科学家发现：染色体的主要组成成分是DNA和蛋白质
5
遗传物质的探索之路
1
孟德尔
2
约翰逊
遗传物质是蛋白质还是DNA
染色体
蛋白质
DNA
20世纪中叶，人们对遗传物质的普遍认识是怎样的
在蛋白质和DNA中，当时人们认为哪一种是遗传物质
结合必修一内容想一想为什么会有这样的认识
阅读教材P42并思考问题
一、对遗传物质的早期推测
氨基酸之间脱水缩合形成肽链
20世纪20年代
——蛋白质是遗传物质
氨基酸的多种多样的排列顺序可能蕴含着遗传信息
一、对遗传物质的早期推测
腺嘌呤脱氧核苷酸
鸟嘌呤脱氧核苷酸
胞嘧啶脱氧核苷酸
胸腺嘧啶脱氧核苷酸
——DNA也可能是遗传物质
脱氧核苷的排列顺序可能蕴含着遗传信息
20世纪30年代
DNA大分子
脱氧核苷酸
脱氧核苷聚合
对遗传物质的早期推测
蛋白质
DNA
基本单位：常见的21种氨基酸
基本单位：4种脱氧核苷酸
20世纪20年代支持率很高
20世纪30年代,少数支持
一、对遗传物质的早期推测
首先向“遗传物质是蛋白质”提出挑战的科学家有哪些？
大多数科学家认为——蛋白质是遗传物质
“我们表示怀疑！”
艾弗里
赫尔希
格里菲思
蔡斯
一、对遗传物质的早期推测
必修1教材
第44页
寻找直接证据——实验
艾弗里
赫尔希
蔡斯
格里菲斯
二、肺炎链球菌的转化实验（体内转化实验）
请同学们自主阅读教材P43，作思考完成问题。
1.肺炎链球菌体内转化实验谁做的实验
2.所用实验材料有哪些？S型和R型细菌有什么区别？有何致病性？
3.实验流程是怎样的？对比一组和二组、三组和四组的实验现象，你能得到什么结论？
3.第四组活的S型细菌是如何出现的？
4.本实验能得出什么结论？
项目 S型细菌 R型细菌
菌落
菌体
有无毒性
表面光滑
表面粗糙
有
无
多糖类的荚膜
1.科学家：
1928年【英】 格里菲斯
2.实验材料：
肺炎链球菌
二、肺炎链球菌的转化实验（体内转化实验）
（原核生物）
S型菌使小鼠患败血症死亡，R型菌无毒性。
3.实验原理：
注意：S型细菌有致病性，可使人和小鼠患肺炎，小鼠并发败血症死亡。S型细菌使人和小鼠所患病症不同。
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;当温度降至55 C以下时，DNA双链能够重新恢复，但蛋白质不能恢复活性。
有荚膜的细菌为什么会导致小鼠患肺炎死亡？
加热可以致死的原理是什么？
思考:
荚膜是某些细菌的细胞壁外面包围的一层胶状物质。无荚膜的肺炎链球菌，感染人体或动物体后，容易被吞噬细胞吞噬并杀灭。有荚膜的肺炎链球菌可抵抗吞噬细胞的吞噬，有利于细菌在宿主体内生活并繁殖。
二、肺炎链球菌的转化实验（体内转化实验）
第一组
第二组
死亡
第三组
不死亡
第四组
注射R型
活细菌
注射S型
活细菌
注射加热致死的S型细菌
将R型活细菌与加热致死的S型细菌混合后注射
死亡
不死亡
死亡
不死亡
二、肺炎链球菌的转化实验（体内转化实验）
4.实验过程：
格里菲思的肺炎双球菌转化实验
思考 讨论
二、肺炎链球菌的转化实验（体内转化实验）
(1)格里菲思实验自变量是什么 因变量是什么？
自变量：给小鼠注射的细菌种类及是否有活性；
因变量：小鼠是否能存活及体内是否有活的S菌。
(2)该实验遵循了什么原则？
对照原则、单一变量原则
（3）1.2组实验对照，说明了什么？
R型细菌无致病性，无毒。S型细菌有致病性，能使小鼠死亡。
（4）2.3组的实验，说明了什么？
加热杀死的S型细菌无致病性。
(5)第4组中的小鼠为什么死亡了？
由于体内有活的S型细菌的作用
(6)第4组活的S型细菌如何出现？
活的R型细菌转变成了活的S型细菌。
(7)什么使活R型细菌转变成活的S型细菌？
加热杀死S型细菌使活R型细菌发生了转化。
R型活菌 S型活菌
转化
格里菲斯推断：
加热杀死的S型菌含有某种促使R型活细菌转化为S型活细菌的活性物质——“转化因子”
加热杀死S型菌
格里菲思的肺炎双球菌转化实验
思考 讨论
二、肺炎链球菌的转化实验（体内转化实验）
三、肺炎链球菌的转化实验（体外转化实验）
“转化因子”究竟是什么？
你有什么样的设计思路，关键是什么？
多糖
加热杀死
的S型细菌
脂类
蛋白质
RNA
DNA
加热杀死的S型菌体内含有多种物质，究竟谁是转化因子？
1.谁做的实验？实验目的是什么？实验变量？实验方法是什么？
2.
3.该实验的设计遵循哪些原理 其巧妙之处是什么
4.本实验的结论是什么？
组别 S型细菌细胞提取物的处理方法 实验结果
第一组
第二组 第三组 第四组 第五组
加人有R型活细菌的培养基中
S型细菌细胞提取物
阅读教材并思考问题：
三、肺炎链球菌的转化实验（体外转化实验）
三、肺炎链球菌的转化实验（体外转化实验）
艾弗里肺炎双球菌的转化实验
思考 讨论
组别 S型细菌细胞提取物的处理方法 实验结果
第一组
第二组 第三组 第四组 第五组
不作处理
蛋白酶
RNA酶
脂酶
DNA酶
加人有R型活细菌的培养基中
S型细菌细胞提取物
R型细菌
S型细菌
R型细菌
三、肺炎链球菌的转化实验（体外转化实验）
思考：
1.分析实验变量？
自变量：是否加入酶及酶的种类；
因变量：培养基中是否有活得S菌。
三、肺炎链球菌的转化实验（体外转化实验）
2.对照实验如何进行的？
第一组为空白对照组。第二至五组为实验组。
每组特异性的去除一种物质，观察S菌的活性。
3.该实验的设计遵循哪些原理
运用“减法原理”，人为去除某个影响因素后，观察实验结果的变化。
遵循单一变量原则和对照原则。
4.其巧妙之处是什么
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”。
加法原理
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“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中，与对照组相比，实验组分别作加温、滴加FeCl3溶液、滴加肝脏研磨液的处理，利用了“加法原理”；
减法原理
S型细胞提取物
去掉蛋白质
去掉RNA
去DNA
①常温放置
H2O2溶液
②90℃加热
③加2滴FeCl3溶液
④加2滴H2O2酶
科学方法——自变量控制中的“加法原理”和“减法原理”
三、肺炎链球菌的转化实验（体外转化实验）
艾弗里肺炎双球菌的转化实验
思考 讨论
组别 S型细菌细胞提取物的处理方法 实验结果
第一组
第二组 第三组 第四组 第五组
不作处理
蛋白酶
RNA酶
脂酶
DNA酶
加人有R型活细菌的培养基中
S型细菌细胞提取物
S型细菌
R型细菌
R型细菌
5.实验结论是什么
DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质。
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。
R型细菌转化为S型细菌的本质：
基因重组
注意：只是少数R型细菌转化为S型细菌
拓展延伸
项目 体内转化实验 体外转化实验
培养细菌 在小鼠体内 体外培养基
实验对照 R型细菌与S型细菌的致病性对照 S型细菌各组成成分的作用进行对照
巧妙构思 用加热杀死的S型细菌和R型活细菌混合注入小鼠体内，与用加热杀死的S型细菌注射到小鼠体内作为对照实验，说明确实发生了转化 每个实验组用酶解法特异性地去除了一种物质，从而鉴定出DNA是遗传物质
实验结论 S型细菌体内有“转化因子” S型细菌的DNA是遗传物质
联系 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 肺炎链球菌体内转化实验和体外转化实验的比较
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。
思维碰撞
艾弗里的实验引起了人们的注意。但是，由于艾弗里实验中无法真正提取出纯DNA来进一步验证遗传物质就是DNA，因此，仍有人对实验结论表示怀疑
赫尔希 蔡斯
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？
四、T2噬菌体侵染细菌实验
1.谁做的实验？
2.选用的实验材料是什么？噬菌体的生活方式是什么？噬菌体的结构成分？噬菌体侵染细菌的过程？
3.噬菌体侵染细菌的实验思路是什么？研究方法是什么？如何标记噬菌体？
4.能够表述35S标记的噬菌体侵染细菌的实验过程， 32P标记的噬菌体侵染
细菌的实验过程？谁进入宿主细胞谁没进入宿主细胞？
5.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
6.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
7.实验结论是什么？
8.本实验中搅拌的目的？离心的目的？ 35S(标记蛋白质)和32P(标记DNA) 能否同时标记在同一个噬菌体上？本实验能否标记C、H、O、N？噬菌体能否用培养基直接培养？
阅读教材并思考问题：
（一）科学家：
赫尔希
蔡斯
1952年
噬菌体
利用放射性同位素标记技术，另一个有说服力的实验
四、T2噬菌体侵染细菌实验
（二）实验材料：
T2噬菌体
尾部
头部
DNA
蛋白质
（1）优点：
①
是一种专门寄生在大肠杆菌体内的病毒。
②
③
④
头部和尾部的外壳是由蛋白质构成，头部内含有DNA。
在自身遗传物质的指导下进行繁殖,原料来自大肠杆菌
子代噬菌体从宿主细胞裂解释放。
四、T2噬菌体侵染细菌实验
（二）实验材料：
T2噬菌体
吸附
合成
组装
释放
注入
T2噬菌体哪一种物质进入了大肠杆菌体内？（是DNA还是蛋白质）
四、T2噬菌体侵染细菌实验
（三）科学方法：
放射性同位素标记法
DNA和蛋白质哪一种物质进入了大肠杆菌体内？
DNA和蛋白质不能直接看到，怎么办？
放射性分别标记DNA和蛋白质
选择什么元素进行放射性标记
（C、H、O、N、S）
——用32P标记
——用35S标记
尾部
头部
DNA
蛋白质
（C、H、O、N、P）
能不能标记C、H、O、N？
四、T2噬菌体侵染细菌实验
（四）实验过程：
怎样标记噬菌体呢？能否在含放射性同位素的培养基中标记噬菌体？
不可以，噬菌体是病毒，无法单独在培养基上存活，应用含被标记的大肠杆菌培养基培养噬菌体。
第一步：培养带标记的噬菌体：
含放射性同位素35S培养基
培养大肠杆菌
大肠杆菌（含35S）
T2噬菌体（含35S）
培养噬菌体
含放射性同位素32P培养基
培养大肠杆菌
大肠杆菌（含32P）
T2噬菌体（含32P）
培养噬菌体
四、T2噬菌体侵染细菌实验
（四）实验过程：
第二步：标记的噬菌体侵染细菌：
35S标记噬菌体组
35S标记的噬菌体
用35S标记的噬菌体与普通大肠杆菌混合
经短时间保温后用搅拌器搅拌
离心检测上清液和
沉淀物中的放射性物质
细菌裂解后检测子代噬菌体的放射性
上清液放射性很高
沉淀物放射性很低
子代噬菌体中无35S
不能证明蛋白质不是遗传物质。
四、T2噬菌体侵染细菌实验
用标记的噬菌体侵染未标记的细菌菌
混合：
搅拌：
使吸附在细菌上的噬菌体与细菌分离
让上清液中析出重量较轻的噬菌体颗粒，沉淀物中留下被侵染的大肠杆菌。
离心:
蛋白质外壳没有进入宿主细胞，蛋白质不是联系亲代和子代噬菌体的物质。
（四）实验过程：
第二步：标记的噬菌体侵染细菌：
32P标记噬菌体组
32P标记的噬菌体
子代噬菌体中含32P
用32P标记的噬菌体与普通大肠杆菌混合
经短时间保温后用搅拌器搅拌
离心检测上清液和
沉淀物中的放射性物质
细菌裂解后检测子代噬菌体的放射性
上清液放射性很低
沉淀物放射性很高
说明DNA是真正的遗传物质
四、T2噬菌体侵染细菌实验
噬菌体侵染细菌时，DNA进入宿主细胞中，子代噬菌体的各种性状，是通过亲代DNA遗传的，DNA才是噬菌体的遗传物质
（五）实验结论：
35S标记的噬菌体 32P标记的噬菌体
上清液
沉淀物
子代噬菌体
结论 放射性高
放射性低
无放射性
放射性高
放射性低
有放射性
◇蛋白质没有进入细菌细胞
◇DNA进入到细菌的细胞中
◇DNA才是噬菌体的遗传物质
不能证明蛋白质不是遗传物质
四、T2噬菌体侵染细菌实验
搅拌不充分
理论上
上清液
沉淀物
其中一个
大肠杆菌
实际上
35S标记的一组，沉淀物中出现少量放射性的原因
实验误差分析：
(1)35S标记的噬菌体侵染细菌：
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
四、T2噬菌体侵染细菌实验
保温时间长
理论上
上清液
沉淀物
若该大肠杆菌有一个噬菌体侵入
实际上
部分释放出来
释放
未来得及侵染
实际上
保温时间短
32P标记的一组，上清液中出现少量放射性的原因
实验误差分析：
(2)32P标记的噬菌体侵染细菌：
b. 保温时间过长，噬菌体在大肠杆菌内增殖，后子代噬菌体释放出来；
a. 保温时间过短，部分噬菌体DNA还未侵染到细菌细胞内；
四、T2噬菌体侵染细菌实验
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。
思考·讨论
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。
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。
四、T2噬菌体侵染细菌实验
某人进行了以下4个实验：
①用未标记的噬菌体侵染35S标记的细菌；
②用32P标记的噬菌体侵染未标记的细菌；
③用未标记的噬菌体侵染3H标记的细菌；
④用15N标记的噬菌体侵染未标记的细菌，
经过一段时间后离心，以上4个实验中放射性的主要位置依次是：
____________________________________________________________________
沉淀物、沉淀物、沉淀物、沉淀物和上清液
四、T2噬菌体侵染细菌实验
【思考】以下噬菌体侵染细菌实验中,子代的标记情况？
①若用32P和35S标记病毒而细菌未被标记，
只在子代病毒的DNA中有32P标记。
②若用32P和35S标记细菌而病毒未被标记，
在子代病毒的DNA和蛋白质外壳中均有标记元素。
③若用C、H、O、N标记病毒而细菌未被标记，
只在子代病毒的DNA中有标记元素。
④若用C、H、O、N标记细菌而病毒未被标记，
子代病毒的DNA和蛋白质外壳中均有标记元素。
肺炎链球菌 体内转化实验 肺炎链球菌 体外转化实验 噬菌体侵
染细菌实验
实验者
思 路 分离方式
结 论
设法将DNA与蛋白质等分开，单独地研究它们遗传功能。
证明DNA是遗传物质，蛋白质不是。
酶解法:
分别加入到R型菌中
同位素标记法：
标记DNA和蛋白质
DNA是遗传物质,但不能证明蛋白质不是遗传物质
格里菲思
艾弗里
赫尔希和蔡斯
加热杀死的S型菌体内有“转化因子”
三个经典实验比较
目前，已有充分的科学研究资料证明，绝大多数生物都是以DNA作为遗传物质的。
思考： 只有DNA是遗传物质吗？下面这些生物的遗传物质是什？
流感病毒
（HIV）
SARS病毒
RNA
蛋白质
分别侵染健康烟草植株
患病
不患病
（一）实验材料：
烟草花叶病毒、烟草
（二）实验过程：
得到全新病毒
不能得到病毒
结论：RNA是烟草花叶病毒的遗传物质
五、RNA是遗传物质的证明实验
蛋白质1
TMV2
RNA2
蛋白质2
蛋白质1+RNA2
TMV2
TMV1
RNA
蛋白质2+RNA1
TMV1
烟草花叶病毒重建实验示意图
烟草花叶病毒的遗传物质是RNA
拓展延伸
项目 核酸 遗传物质 类型 核苷酸种类 碱基 种类 类型 核苷酸种类 碱基
种类
细胞 生物 真核细胞 DNA和RNA ____ ___ DNA 4 4
原核生物 DNA和RNA 8 5 _____ ___ ___
非细胞生物 (病毒) DNA病毒 DNA 4 4 _____ ___ ___
RNA病毒 RNA ___ ___ RNA 4 4
8
5
DNA
4
4
DNA
4
4
4
4
绝大多数生物的遗传物质是 ，只有少数生物的遗传物质是 。所以说DNA是主要的遗传物质。
DNA
RNA
真核生物、原核生物及病毒的核酸类型
DNA是肺炎链球菌、T2噬菌体的遗传物质
RNA是TMV的遗传物质
DNA是细胞结构的生物和DNA病毒的遗传物质
RNA是RNA病毒的遗传物质
更多实验证据
更多实验证据
DNA是主要的遗传物质
加热杀死的S型细菌中含有转化因子
肺炎链球菌的转化实验
T2噬菌体侵染大肠杆菌实验
格里菲斯的体内转化实验
艾弗里的体外转化实验
转化因子是什么
课堂小结
课后习题·概念检测
1. 枯草杆菌具有不同类型，其中一种类型能合成组氨酸。将从这种菌中提取的某种物质,加入培养基中，培养不能合成组氨酸的枯草杆菌,结果获得了活的能合成组氨酸的枯草杆菌。这种物质可能是( )
A.多肽 B.多糖
C.组氨酸 D. DNA
D
课后习题·概念检测
2.赫尔希和蔡斯的噬菌体侵染细菌的实验表明( )
A. DNA是遗传物质
B.遗传物质包括蛋白质和DNA
C.病毒中有DNA,但没有蛋白质
D.细菌中有DNA,但没有蛋白质
A
课后习题·拓展应用
1. T 噬菌体侵染大肠杆菌时，只有噬菌体的DNA进入细菌的细胞中，噬菌体的蛋白质外壳留在细胞外。大肠杆菌裂解后，释放出的大量噬菌休却同原来的噬菌休一样具有蛋白质外壳。请分析子代噬菌休的蛋白质外壳的来源。
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。
提示:
课后习题·拓展应用
2.结合肺炎链球菌的转化实验和噬菌体侵染细菌的实验，分析DNA作为遗传物质所具备的特点。
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:
①能够精确地自我复制;
②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;
③具有储存遗传信息的能力;结构比较稳定，等等。
提示:

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