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第3章 基因的本质
第1节 DNA是主要的遗传物质
阐明DNA是主要的遗传物质的探索过程。
说明DNA是主要的遗传物质。
说明自变量控制中的“加法原理”和“减法原理”。
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。
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。在这两种给物质中，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。
你认为遗传物质可能具有什么特点？
你认为证明某一种物质是遗传物质的可行方法有哪些
DNA
蛋白质
染色质
染色体
问题探讨
能够储存大量遗传信息；
可以控制生物的性状；
结构比较稳定。
能够准确复制自己，传给下一代；
一、对遗传物质的早期推测
蛋白质
DNA
1．肺炎链球菌的类型
肺炎链球菌的转化实验
有
光滑
有
无
粗糙
无
有无荚膜 菌落特征 有无致病性
S型细菌 ________ 表_______ _______
R型细菌 _______ 表______ ________
2.肺炎链球菌转化实验的两个阶段
(1)格里菲思的体内转化实验
不死亡
不死亡
死亡，分离出S型活细菌
“转化因子”
死亡，分离出S型活细菌
任务一　根据教材P43图3－2回答下列问题：
1．第一组和第二组实验对照能得到什么结论？

2．第二组和第三组实验对照能得到什么结论？
3．从第四组的死亡小鼠中能分离出两种细菌吗？
4．四组实验中哪一组发生了细菌转化？对比之后，你能否得出DNA就是转化因子(遗传物质)的结论？
5．转化后的S型细菌与原来的S型细菌遗传物质完全相同吗？

提示：R型细菌无毒性，S型细菌有毒性。
提示：加热能使S型细菌失去毒性。
提示：能从死亡小鼠中分离出了S型活细菌和R型活细菌。
提示：第四组。不能，这只能得出“S型细菌含有能让R型细菌发生转化的转化因子”。
提示：不完全相同，转化后的S型细菌含有R型细菌和S型细菌双方的遗传物质。
(2)艾弗里的体外转化实验
R型细菌
DNA
任务二　请根据教材P44图3－3思考下列问题：
1．哪组发生了R型菌的转化？发生转化的原因是什么？

2．在艾弗里第一组(S型细菌DNA和R型活细菌混合培养)实验中，所有R型细菌全部都转化为S型细菌吗？
3．艾弗里在第五组实验中，设计了R型细菌与S型细菌提取物加DNA酶混合培养，分析设计该组实验的目的是什么？

提示：第一组到第四组；R型菌得到了S型菌的遗传物质。
提示：没有；大多数后代是R型细菌，因转化效率很低，只有少数R型细菌转化为S型细菌。
提示：DNA酶将DNA水解为脱氧核苷酸，水解后的产物不能使R型细菌转化为S型细菌，说明DNA必须保持完整性，才能完成其功能。同时证明了DNA是遗传物质。
4.从对照实验设计角度分析：
(1)艾弗里实验的单一变量是什么？
(2)将可能作为“转化因子”的各种物质，分别进行实验的设计意图是什么？

5．第五组和第一组相对照，为什么能更有力地说明DNA是遗传物质？
任务三　请分析格里菲思的肺炎链球菌转化实验和艾弗里转化实验的关系。
提示：向R型细菌培养基中加入的S型细菌提取物及不同的酶。
提示：进行相互对照，可对实验结果进行对比分析，得出结论，同时可避免其他物质的干扰。
提示：第五组中的DNA酶将DNA水解，与第一组对照，能说明DNA是遗传物质。
提示：格里菲思肺炎链球菌体内转化实验是艾弗里体外转化实验的基础，艾弗里体外转化实验是格里菲思体内转化实验的延伸。
加热的作用原理:
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。
特别提醒:
(1)这两个实验都不能说明DNA是主要的遗传物质。
(2)艾弗里实验的关键之处是在不同实验组中设置不同酶处理，将S型细菌提取物中的相应物质水解，从而排除该物质的作用。
(3)在格里菲思的实验中，导致小鼠死亡的真正原因是S型活细菌，而不是其DNA。
深度思考
基因重组
R型细菌转化为S型细菌的本质：
只是少数R型细菌转化为S型细菌
加法原理：与常态比较，人为增加某种影响因素。（eg. 比较过氧化氢在不同条件下的分解实验）
科学方法
自变量控制中的“加法原理”和“减法原理”
减法原理：与常态比较，人为去除某种影响因素。 （eg. 艾弗里的肺炎链球菌转化实验）
3.肺炎链球菌体内转化实验与体外转化实验的比较
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型细菌各成分的作用进行对照
巧妙构思 将加热致死的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 用“酶解法”将细胞提取物中的某一物质分解、去掉、直接、单独地观察该种物质在实验中是否起作用
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)两个实验都遵循对照原则、单一变量原则
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？
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技术，完成了另一个有说服力的实验。
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。
三、噬菌体侵染细菌的实验
1．噬菌体的结构与代谢
蛋白质
DNA
寄生
吸附
注入
合成
组装
释放
噬菌体借尾丝吸附在细菌表面
把DNA注入到细菌细胞
利用细菌的化学成分、酶系统和核糖体合成出噬菌体的DNA、蛋白质
新合成的DNA、蛋白质组装成很多噬菌体
细菌解体，释放出噬菌体
2．实验方法：________________。
3．实验过程和现象
放射性同位素标记法
35S
32P
35S
32P
高
低
低
高
蛋白质:
DNA：
C、H、O、N、S
C、H、O、N、P
35S 标记蛋白质
32P标记DNA
如何将噬菌体中的蛋白质标记上35S和DNA标记上32P？可不可以直接将T2噬菌体放在培养基中培养？
不可以，因为T2噬菌体营寄生生活，无法独立生存。
故应先培养细菌，再用细菌培养噬菌体。
搅拌不充分，导致少量含35S的噬菌体蛋白质外壳还吸附在细菌表面，离心时随细菌到沉淀物中
保温时间过短，部分噬菌体还未侵染细菌
保温时间过长，部分子代噬菌体已经释放
4．实验结果及结论
亲代噬菌体 寄主细胞内 子代噬菌体 实验结论
32P标记DNA ①____ ②____ ⑤____是遗传物质
35S标记蛋白质 ③____ ④____
有
有
无
无
DNA
任务一　请你根据教材P45图3－6回答下列有关处理方法的问题：
1．两个实验中，为什么要分别用35S和32P标记噬菌体？为什么不能用14C或18O或3H进行标记？
2．搅拌和离心的目的分别是什么？


3．请根据噬菌体的代谢特点，分析能否直接利用分别含放射性同位素35S和32P的培养基培养噬菌体。

提示：35S和32P可以分别标记噬菌体的蛋白质外壳和DNA，用不同的放射性同位素标记噬菌体，可以探究是何种成分侵染大肠杆菌。因为噬菌体的蛋白质和DNA中都含有C、H、O，结果无法区分，所以不能用这三种元素进行标记。
提示：搅拌的目的是使吸附在细菌表面的噬菌体与细菌分离。离心的目的是让上清液中析出重量较轻的T2噬菌体外壳，而离心管的沉淀物中留下被感染的大肠杆菌。
提示：不能。因为病毒无细胞结构，其体内缺少完整的独立生活的酶系统，专营活细胞内寄生生活，病毒在普通培养基上无法生存。
任务二　请你根据教材P45图3－6回答下列有关实验结果分析的问题：
1．两个分组实验的结果中，对放射性分布的描述是放射性“有、无”还是“高、低”？


2．噬菌体侵染大肠杆菌实验，除了能证明DNA是遗传物质外，还能得出哪些结论？
提示：高、低。
提示：本实验还能间接证明DNA是遗传物质的两个特点：①DNA使前后代保持一定的连续性(即DNA复制)；②DNA能够指导蛋白质的合成，从而控制生物的新陈代谢过程和性状。
同位素标记法在噬菌体侵染细菌的实验中的应用分析
(1)用哪种标记元素。若用32P和35S，则分别标记了DNA和蛋白质，若用C、H、O等，则同时标记了DNA和蛋白质，无法将二者区分开。
(2)注意标记对象是噬菌体还是细菌，标记对象不同则结果不同，具体见下表：
噬菌体 细菌 子代噬菌体
DNA 32P 31P 32P(少数)、31P(全部)
蛋白质 35S 32S 32S
DNA和蛋白质 14C、3H、18O、15N 12C、1H、 16O、14N C、H、O、N的两种同位素都有
深度思考
标记T2噬菌体的三个“不能”
(1)不能用培养基直接培养来获得含放射性同位素标记的T2噬菌体，因为病毒只能在宿主活细胞中进行代谢、增殖，故应先通过培养获得含放射性同位素标记的大肠杆菌，再用这些大肠杆菌来培养T2噬菌体。
(2)不能用35S和32P标记同一T2噬菌体，因为放射性检测时只能检测到是否具有放射性，不能确定是何种元素的放射性。
深度思考
噬菌体侵染细菌实验过程、现象及结论
项目 实验组别
一 二
实 验 过 程 ①标记大肠杆菌 含35S标记的培养基＋无标记的大肠杆菌→含35S标记的大肠杆菌 含32P标记的培养基＋无标记的大肠杆菌→含32P标记的大肠杆菌
②标记噬菌体 无标记的T2噬菌体→侵染含35S标记的大肠杆菌→含35S标记的T2噬菌体 无标记的T2噬菌体→侵染含32P标记的大肠杆菌→含32P标记的T2噬菌体
③噬菌体侵染细菌 含35S标记的T2噬菌体＋无标记的大肠杆菌→混合培养(搅拌后离心) 含32P标记的T2噬菌体＋无标记的大肠杆菌→混合培养(搅拌后离心)
深度思考
实验结果 上清液放射性很高，沉淀物放射性很低 上清液放射性很低，沉淀物放射性很高
实验分析 T2噬菌体侵染大肠杆菌时，含32P标记的T2噬菌体DNA进入了大肠杆菌体内，而含35S标记的T2噬菌体蛋白质外壳并未进入大肠杆菌体内
结论 直接证明：DNA是T2噬菌体的遗传物质 间接证明：①DNA能够自我复制，使生物体前后代保持一定的连续性，维持遗传性状的稳定性；②DNA能控制蛋白质的生物合成，从而控制生物体的代谢和性状
(2)两个关键环节——“保温”与“搅拌”
①保温时间要合适——T2噬菌体被32P标记的一组实验中，保温时间过短或过长都会使上清液中放射性偏高：a.保温时间过短，含32P标记的T2噬菌体DNA没有进入大肠杆菌；b.保温时间过长，大肠杆菌裂解，释放出了组装好的子代T2噬菌体，离心后子代T2噬菌体分布于上清液中。
②搅拌要充分——搅拌的目的是使吸附在大肠杆菌上的T2噬菌体、蛋白质外壳与大肠杆菌分离，搅拌不充分，35S标记的T2噬菌体及蛋白质外壳没有和大肠杆菌分离而随大肠杆菌到了沉淀物中，这样会造成沉淀物放射性偏高。
深度思考
四、DNA是主要的遗传物质
1．RNA是遗传物质的实验证据
(1)烟草花叶病毒的组成
(2)侵染实验
(3)结论：烟草花叶病毒的遗传物质是________。
RNA
蛋白质
不感染病毒
感染病毒
RNA
流感病毒
①绝大多数生物以DNA为遗传物质
凡是有DNA的生物
凡是细胞结构的生物
②极少数生物没有DNA，只有RNA一种核酸，则RNA是遗传物质，如烟草花叶病毒、艾滋病病毒HIV、大多数流感病毒等
就整个生物界来说，绝大多数生物是以DNA作为遗传物质的，所以DNA是主要的遗传物质；但对某些生物体来说（主要指病毒），遗传物质只能是DNA或RNA。
DNA作为遗传物质的特点：
①具有稳定性；
②在细胞的生长和繁殖过程中能够精确地复制自己，使得前后代保持一定的连续性；
③能够指导蛋白质的合成，从而控制生物的性状和新陈代谢；
④具有贮存大量遗传信息的能力。
一、连线
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
1．高温处理过的S型细菌的蛋白质因变性而不能与双缩脲试剂发生紫色反应。(　　)
2．格里菲思和艾弗里分别用不同的方法证明DNA是遗传物质。(　　)
3．艾弗里实验中S型菌的DNA加入R型菌的培养基上，最后生存的细菌都是S型菌。(　　)
提示：×　蛋白质高温变性的原因是空间结构遭到破坏，肽键依然存在，而双缩脲试剂与蛋白质发生紫色反应的实质是与肽键反应。
提示：×　格里菲思没有证明DNA是遗传物质，只证明了加热杀死的S型菌中含有某种转化因子。
提示：×　艾弗里实验中S型菌的DNA＋R型菌的培养基上生存的细菌不都是S型菌，大多数仍为R型菌。
课堂总结
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
一、概念检测
练习与应用 P47
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

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