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第三章基因的本质
第1节DNA是主要的遗传物质
对遗传物质的早期推测
Part 01
20世纪中叶

对遗传物质的早期推测
1.你认为遗传物质可能具有什么特点？
遗传物质应能够储存大量的遗传信息，可以准确地复制，并传递给下一代，结构比较稳定等等。
2.你认为证明某一种物质是遗传物质的
可行方法有哪些?
例如，将待定的遗传物质转移给其他生物，观察后代的性状表现等等。
DNA

蛋白质
染色质

染色体




1

2

3

4

5
孟德尔通过豌豆实验证明
生物的性状由遗传因子控制
染色体在遗传上的
连续性和稳定性
摩尔根通过果蝇实验
证明基因位于染色体上
科学家发现：染色体主要
组成成分蛋白质和DNA
遗传物质是DNA
还是蛋白质？

对遗传物质的早期推测

对遗传物质的早期推测
氨基酸多种多样的排列顺序，可能蕴含着遗传信息。
人们认识到 DNA是由许多脱氧核苷酸聚合而成的生物大分子。
20世纪20年代
20世纪30年代
没发现其他大分子有类似的结构特点。
蛋白质是生物体的遗传物质。

意识到DNA的重性，但对DNA结构没有清晰认识。
蛋白质是遗传物质的观点占主导地位。
肺炎链球菌的转化实验
Part 02

肺炎链球菌的转化实验
实验材料：
R型、S型肺炎链球菌和小白鼠
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}项目
S型细菌
R型细菌
菌落
表面光滑
表面粗糙
菌体

有无致病性
有
无
荚膜的化学本质是多糖
多糖
荚膜


格里菲斯体内转化实验
R型菌
对照原则、单一变量原则
1.第一、第二、第三组实验分别说明什么?
2.第四组实验中的S型活菌是怎么产生的?
3.如果将S型细菌的DNA直接注入小鼠体内，会导致小鼠死亡吗?
4.已知在80～100 ℃温度范围内，蛋白质将失去活性，DNA的结构也会被破坏，但当温度降低到55 ℃左右时，DNA的结构会恢复，但蛋白质却不能恢复。由此我们可以推断：在格里菲思的实验中，加热杀死的S型细菌中的“转化因子”可能是哪种物质?
第一组实验说明R型细菌没有致病性;第二组实验说明S型细菌具有致病性;第三组实验说明加热致死的S型细菌不具有致病性。
由R型活菌转化而来。
不会。没有R型活细菌，S型细菌的DNA是不能转化为S型细菌的。
DNA。

格里菲斯体内转化实验
从第四组实验的小鼠尸体中分离出的有致病性的S型活细菌，其后代也是有致病性的S型细菌。由此可以判断：已经被加热杀死的S型细菌，含有某种促使R型活细菌转化为有毒性的S型活细菌的活性物质—“转化因子” 。
R型菌
S型菌
转化因子
S型菌
后代
“谁在转化实验中起作用”，“转化因子究竟是什么物质”

艾弗里体外转化实验
在杀死的S型细菌中含有哪些物质？
但究竟哪一个才是转化因子呢？
关键思路：
把S型细菌的各种物质分开，单独的、直接的观察它们的作用。

艾弗里体外转化实验


实验结论：DNA才是使R型菌产生稳定遗传变化的物质。
对照原则、单一变量原则
有R型细菌的培养液
S型细菌的细胞提取液
+
R型细菌
有R型细菌的培养液
S型细菌的细胞提取液
+
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
+
混合
只长R型细菌
DNA酶

蛋白酶（或RNA酶、酯酶）

S型细菌
1.艾弗里肺炎链球菌体外转化实验中应用了酶的什么特点?
2.艾弗里的体外转化实验中的自变量和因变量分别是什么?
3.艾弗里实验控制自变量的原理是什么?
4.艾弗里的肺炎链球菌转化的五组实验中，对照组和实验组分别是什么?
酶的专一性。
自变量是细胞提取物的不同处理，因变量是培养基中活细菌的种类。
在艾弗里的肺炎链球菌转化实验中，控制自变量的原理属于“减法原理”。
第一组为空白对照组，第二、第三、第四、第五组都是实验组。

艾弗里体外转化实验


基因重组
R型细菌转化为S型细菌的本质：
S型细菌
荚膜
控制荚膜形成的X基因
加热
杀死
被破坏的S型细菌
X基因吸附在R型细菌表面
X基因进入R型细菌
重组
R型细菌转化成S型细菌
注意：只是少数R型细菌转化为S型细菌

体内转化实验和体外转化实验的区别
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}
体内转化实验
体外转化实验
培养场所
小鼠体内
培养基
巧妙构思
将R型与加热杀死的S型注入小鼠体内作为对照来说明确实发生转化
将物质分离提纯后，直接、单独的观察各物质的作用
实验结论
存在某种转化因子让R型菌→S型菌
DNA才是使R型菌
产生稳定遗传变化的物质
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
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“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”；
T2噬菌体侵染细菌的实验
Part 03

T2噬菌体侵染细菌的实验
T2噬菌体是一种专门寄生在大肠杆菌体内的病毒，它的头部和尾部的外壳都是由蛋白质构成的，头部内含有DNA。T2噬菌体侵染大肠杆菌后，就会在自身遗传物质的作用下，利用大肠杆菌体内的物质来合成自身的组成成分，进行大量增殖。
T2噬菌体结构
生活方式
结构特点

T2噬菌体侵染细菌的过程
侵入别的细菌
合成
组装
释放
吸附
侵入
吸附，注入，合成，装配，释放

T2噬菌体侵染细菌的实验
噬菌体不是整个进入大肠杆菌体内。研究表明：空壳噬菌体能吸附但不能产生子代噬菌体，因此空壳噬菌体不含遗传物质，遗传物质在侵染时注入了大肠杆菌体内。

T2噬菌体侵染细菌的实验
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？
放射性同位素标记
组成元素
蛋白质:
DNA：
C、H、O、N、S
C、H、O、N、P
35S
32P
可以直接标记噬菌体吗？
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

T2噬菌体侵染细菌的实验
实验过程
1.先标记大肠杆菌
大肠杆菌 + 含35S的培养基→含35S的大肠杆菌
大肠杆菌 + 含32P的培养基→含32P的大肠杆菌
2.再标记T2噬菌体
T2噬菌体+含35S的大肠杆菌→含35S的T2噬菌体
T2噬菌体+含32P的大肠杆菌→含32P的T2噬菌体
赫尔希和蔡斯

T2噬菌体侵染细菌的实验
标记的噬菌体
侵染大肠杆菌
短时间保温后搅拌
离心
搅拌使吸附在细菌上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噬菌体颗粒，而离心管的沉淀物中留下被感染的大肠杆菌。
3.标记的噬菌体
侵染大肠杆菌

T2噬菌体侵染细菌的实验
35S标记的噬菌体
用35S标记的噬菌体与大肠杆菌混合
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。
上清液放射性很高
说明T2噬菌体中的蛋白质没有进入大肠杆菌。
沉淀物放射性很低
搅拌不充分，有少量含35S的噬菌体蛋白质外壳吸附在细菌上，随细菌离心到沉淀物中。

T2噬菌体侵染细菌的实验
32P标记的噬菌体
说明T2噬菌体中的DNA进入了大肠杆菌。
说明DNA是真正的遗传物质



子代噬菌体中含32P
用32P标记的噬菌体与大肠杆菌混合
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
沉淀物放射性很高
上清液放射性很低
培养（保温）时间过短，部分噬菌体还未侵染细菌；
培养（保温）时间过长，部分子代噬菌体已经释放。

T2噬菌体侵染细菌的实验
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}
35S标记的噬菌体
32P标记的噬菌体
上清液
放射性高
放射性低
沉淀物
放射性低
放射性高
子代噬菌体
无放射性
有放射性
结论

◇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

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，细菌20-30min就可繁殖一代，病毒短时间内可大量繁殖。

思考·讨论
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？
艾弗里在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）

思考·讨论
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。
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。

两个经典实验的比较
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}
艾弗里实验
噬菌体侵染细菌实验
处理方式
直接分离
同位素标记法
对照原则
S型细菌的分离物质分与
R型细菌混合培养相互对照
分别标记噬菌体DNA和蛋白质的两组实验相互对照
实验结论
证明DNA是遗传物质，蛋白质不是遗传物质
证明DNA是遗传物质，但不能有效证明蛋白质不是遗传物质（蛋白质没有进入细菌体内）
设计思路
设法将DNA与其他物质分开，
单独地直接研究各自不同的遗传功能

RNA是遗传物质的实验证明
结论：RNA是烟草花叶病毒的遗传物质
蛋白质
RNA
分别侵染健康烟草植株
得到全新病毒
不能得到病毒
：
RNA
蛋白质
烟草花叶病毒（TMV）只含蛋白质和RNA





患病





不患病










DNA是主要的遗传物质

小结
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
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
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

DNA是主要的遗传物质
+细胞生物

拓展应用
T2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，释放出的大量噬菌体却同原来的噬菌体一样具有蛋白质外壳。 试分析子代噬菌体的蛋白质外壳的来源。
实验表明，噬菌体在感染大肠杆菌时，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的外面。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。

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