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(共38张PPT)
第1节 DNA是主要的遗传物质
第3章 基因的本质
学习目标
1
阐述格里菲思、艾弗里的肺炎链球菌转化实验的过程
阐述噬菌体侵染细菌实验的方法和过程
2
说明自变量控制中的“加法原理”和“减法原理”
4
理解DNA是主要遗传物质的结论
3
认同人类对遗传物质认识是不断深化、不断完善的过程
5
认同实验技术在证明DNA是遗传物质中的作用
6
对遗传物质的早期推测
生物的遗传物质
目录
contents
01
03
04
噬菌体侵染细菌的实验
肺炎链球菌的转化实验
02
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，究竟哪一种物质是遗传物质呢？这个问题成引起科学家激烈的竞争。
你认为遗传物质可能具有什么特点？
情境导入
▲能够精确地自我复制，使得前后代具有一定的连续性
▲具有储存大量遗传信息的潜在能力
▲结构比较稳定，等等
情境导入
对遗传物质的早期推测
蛋白质是生物体的遗传物质
20世纪20年代
蛋白质是由多种氨基酸连接而成的生物大分子
各种氨基酸可以按照不同的顺序排列，形成不同的蛋白质
氨基酸多种多样的排列顺序，可能蕴含着遗传信息
当时对于其他生物大分子的研究，还没有发现与此类似的结构特点
对遗传物质的早期推测
20世纪30年代
A
O
脱氧核糖
P
腺嘌呤脱氧核苷酸
O
脱氧核糖
P
G
鸟嘌呤脱氧核苷酸
O
脱氧核糖
P
C
胞嘧啶脱氧核苷酸
O
脱氧核糖
P
T
胸腺嘧啶脱氧核苷酸
DNA是由许多脱氧核苷酸聚合而成的生物大分子
对DNA的结构没有清晰的了解
认为蛋白质是遗传物质的观点仍占主导地位
使人们意识到DNA的重要性
肺炎链球菌的(体内)转化实验
1928年，格里菲思以小鼠为实验材料，研究肺炎链球的致病情况
类型 S型细菌 R型细菌
菌落
菌体
有无致病性
表面光滑( smooth )
有
无
表面粗糙( rough )
没有多糖类的荚膜
有多糖类的荚膜
肺炎链球菌的类型
小鼠不死亡
第一组
小鼠死亡,从小鼠体内分离出S型活细菌
第二组
小鼠不死亡
第三组
小鼠死亡,从小鼠体内分离出S型活细菌
第四组
肺炎链球菌的(体内)转化实验
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
肺炎链球菌的(体内)转化实验
第一至三组为对照组
第四组为实验组
注入的肺炎链球菌的类型和死活
▲该实验的实验组和对照组是哪组
▲该实验的自变量是什么
思维训练
肺炎链球菌的(体内)转化实验
▲第四组小鼠为什么会死亡呢？
R型活细菌不会使小鼠死亡，而S型活细菌可使小鼠死亡
▲对比一、二组的实验现象，这说明了什么？
体内有活的S型细菌的作用
▲第四组活的S型细菌如何出现？
部分活的R型细菌转变成了活的S型细菌
▲对比二、三组的实验现象，这说明了什么？
加热致死的S型细菌不能使小鼠死亡
思维训练
肺炎链球菌的(体内)转化实验
▲什么使活R型细菌转变成活的S型细菌？
加热杀死的S型细菌中，含有某种促成这一转化的活性物质——“转化因子”，使活的R型细菌发生了转化
这种转化因子究竟是什么物质呢？
▲这种转化产生的S型活细菌的后代也是有致病性的S型细菌，这说明什么？
说明转化的性状可以遗传
思维训练
肺炎链球菌的(体外)转化实验
20世纪40年代，艾弗里和他的同事
消化糖的酶
破碎加热致死的S型细菌
有机试剂
去除部分蛋白质、脂类等
去除分解糖类的酶
有机试剂
分解糖类物质
▲实验的设计思路是什么？
用酶解法分别去除细胞提取物中各种成分后，观察能否将R型细菌转化
肺炎链球菌的(体外)转化实验
有R型细菌的培养液
S型细菌的细胞提取液
第一组
+
有R型细菌的培养液
S型细菌的细胞提取液
第二至四组
+
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
DNA酶
蛋白酶（或RNA酶、酯酶）
肺炎链球菌的(体外)转化实验
▲第一组的实验结果说明什么？
说明S型细菌的细胞提取物中含有转化因子
▲实验中加入的蛋白酶、RNA酶和酯酶的作用是什么？
分别除去S型细菌细胞提取物中的蛋白质、RNA和酯类物质，以明确这些物质是不是转化因子
只长R型细菌
S型细菌
R型细菌
S型细菌
R型细菌
肺炎链球菌的(体外)转化实验
▲第一至第四组的实验结果为什么既有R型细菌，又有S型细菌？
S型细菌中的转化因子只能使部分R型细菌发生转化
▲第五组用DNA酶处理S型细菌的细胞提取物之后再与R型活细菌混合培养，为什么培养皿中只有R型细菌？
DNA酶能水解DNA，从而破坏了DNA分子的结构稳定，使其丧失转化功能
有R型细菌的培养液
S型细菌的细胞提取液
第一组
+
有R型细菌的培养液
S型细菌的细胞提取液
第二至四组
+
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
DNA酶
蛋白酶（或RNA酶、酯酶）
只长R型细菌
S型细菌
R型细菌
S型细菌
R型细菌
肺炎链球菌的(体外)转化实验
据此分析艾弗里的体外转化实验的结论是什么？
DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质
有R型细菌的培养液
S型细菌的细胞提取液
第一组
+
有R型细菌的培养液
S型细菌的细胞提取液
第二至四组
+
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
DNA酶
蛋白酶（或RNA酶、酯酶）
只长R型细菌
S型细菌
R型细菌
S型细菌
R型细菌
肺炎链球菌的转化实验
核心探究
转化实质：肺炎链球菌转化的实质是S型细菌的DNA片段整合到R型细菌的DNA中，使受体细胞获得了新的遗传信息，即发生了基因重组，从而使R型细菌转化为S型细菌。
一般情况下，转化率很低，只有极少数R型细菌被S型细菌的DNA侵入并发生转化，培养基中(或小鼠体内)的大量S型细菌大多是由转化后的S型细菌繁殖而来的。
▲转化实质是什么？培养基中(或小鼠体内)的S型细菌都是由R型细菌转化而来吗？
▲艾弗里的体外转化实验中导致R型细菌转化为S型细菌的遗传物质、原料、能量分别由哪方提供？
实现转化时遗传物质来自S型细菌，原料和能量均来自R型细菌。转化实质为基因重组。
肺炎链球菌的转化实验
核心探究
▲加热会使蛋白质变性失活，这种失活是不可逆的。由于蛋白质失活，酶等生命体系失去其相应功能，细菌死亡。
▲加热时，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，进而恢复活性。
格里菲思的体内转化实验中“加热”是否已导致DNA和蛋白质变性？请说明理由。
自变量控制中的"加法原理”和“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”
▲与常态比较，人为去除某种影响因素的称为“减法原理”
▲例如：
艾弗里的肺炎链球菌转化实验
▲例如:
"比较过氧化氢在不同条件下的分解"的实验
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，就利用了“加法原理"
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，就利用了“减法原理”
科学方法
肺炎链球菌的转化实验
一些科学家质疑的主要是转化因子究竟是DNA还是和DNA混在一起的少量蛋白质。他们选择质疑，既与“细胞提取物不够纯”的实际情况有关。
还与当时科学界深信蛋白质是遗传物质密不可分。
艾弗里的结论一经发表就引发质疑
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？
噬菌体侵染细菌的实验
▲实验材料：
▲实验者：
T2噬菌体和大肠杆菌
赫尔希和蔡斯
▲ 生活方式：
一种专门寄生在大肠杆菌体内
T2噬菌体
▲ 增殖特点：
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。当噬菌体增殖到一定数量后，大肠杆菌裂解，释放出大量的噬菌体。
T2噬菌体的结构模式图
DNA
蛋白质
头部
尾部
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
在T2噬菌体的化学组成中, 60%是蛋白质,40%是DNA。对蛋白质和DNA的进一步分析表明:
硫仅存在于蛋白质分子中
磷仅存在于DNA分子中
▲实验方法：
放射性同位素标记技术
C、H、O、N、P
C、H、O、N、S等
32P
35S
能否用14C和3H标记噬菌体
噬菌体侵染细菌的实验
35S
32P
35S
第一步：分别标记大肠杆菌
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
第二步：分别标记噬菌体
噬菌体＋含35S的大肠杆菌→ 含35S的噬菌体
噬菌体＋含32P的大肠杆菌→ 含32P的噬菌体
32P
如何标记噬菌体
噬菌体侵染细菌的实验
噬菌体侵染细菌的实验
▲离心的目的是让上清液中析出质量较轻的T2噬菌体颗粒，而离心管的沉淀物中留下被侵染的大肠杆菌。
▲用标记的噬菌体侵染大肠杆菌时，需要短时间保温，然后搅拌、离心。
▲搅拌的目的是使吸附在细菌上的噬菌体与细菌分离。
搅拌的目的是什么
离心的目的是什么
噬菌体侵染细菌的实验
▲放射性同位素在试管中的分布情况表明：
▲子代噬菌体的标记情况表明：
噬菌体侵染细菌时，DNA进入细菌的细胞中，而蛋白质外壳仍留在细胞外。
▲实验结论：
子代噬菌体的各种性状，是通过亲代的DNA遗传的。
DNA才是噬菌体的遗传物质。
噬菌体侵染细菌的实验
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。
用35S标记的噬菌体侵染大肠杆菌时，发现沉淀物中也有少量放射性，可能是什么原因造成的？
用32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌时，发现上清液中放射性也较高，可能是什么原因造成的？
▲保温时间过短，部分噬菌体没有侵染到大肠杆菌细胞内，经离心后分布于上清液中。
▲保温时间过长，噬菌体在大肠杆菌内增殖后释放出子代，经离心后分布于上清液中。
噬菌体侵染细菌的实验
比较肺炎链球菌体外转化实验和噬菌体侵染细菌实验
归纳总结
项目 肺炎链球菌体外转化实验 噬菌体侵染细菌实验
设计思路
处理方法
检测方式
结论
酶解法：将细胞提取物分别用蛋白酶、酯酶、DNA酶、RNA酶等处理后再与R型细菌混合培养
同位素标记法：分别用同位素35S、32P标记噬菌体蛋白质和DNA
观察菌落类型
检测放射性同位素存在位置
设法将DNA与其他物质分开，单独、直接地研究它们各自不同的遗传功能
证明DNA是遗传物质，而蛋白质不是遗传物质
证明DNA是遗传物质，但不能直接证明蛋白质不是遗传物质
作为遗传物质必须具备的特点
▲噬菌体侵染细菌的实验中,在细菌细胞内合成子代噬菌体的蛋白质外壳
DNA分子结构具有相对稳定性
▲肺炎双球菌转化实验中,对S菌加热处理,蛋白质失活，DNA仍具有生物活性
▲肺炎双球菌转化实验中, R型细菌可以转化生成S型细菌
DNA能够产生可遗传的变异
▲噬菌体侵染细菌的实验中,在细菌细胞内合成子代噬菌体的DNA分子
DNA能够自我复制，使亲子代保持一定的连续性
DNA能够指导蛋白质的合成 ,进而控制生物的性状
证明DNA是遗传物质的实验
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科具有哪些优点
思考讨论
(1)个体很小，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。
(2)繁殖快,细菌20~30 min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
从控制自变量的角度，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)。
证明DNA是遗传物质的实验
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
思考讨论
艾弗里采用的主要技术手段有细菌的培养技术、物质的提纯和鉴定技术等。赫尔希采用的主要技术手段有噬菌体的培养技术、同位素标记技术，以及物质的提取和分离技术等。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。
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。
生物的遗传物质
只有DNA是遗传物质吗
有些病毒不含有DNA，只含有蛋白质和RNA。
如烟草花叶病毒
蛋白质
RNA
烟草花叶病毒的示意图(上)和电镜照片(下)
生物的遗传物质
请设计实验探究烟草花叶病毒的遗传物质？
分离
感染
烟草
感染
烟草
实验
结果
出现病斑
不出现病斑
实验
结果
蛋白质
从烟草花叶病毒中提取的蛋白质，不能使烟草感染病毒，但是，从这些病毒中提取的RNA,却能使烟草感染病毒
实验结论：
烟草花叶病毒的遗传物质是RNA
RNA
生物的遗传物质
因为绝大多数生物的遗传物质是DNA，所以说DNA是主要的遗传物质
生物类型 所含核酸 遗传物质 举例
细胞生物 真核生物 DNA和RNA DNA 动物、植物、真菌
原核生物 DNA 细菌
非细胞生物 DNA病毒 仅有DNA DNA T2噬菌体、乙肝病毒
RNA病毒 仅有RNA RNA 烟草花叶病毒、HIV病毒
学习小结
肺炎链球菌的转化实验
早期推测
DNA是主要的遗传物质
艾弗里
噬菌体侵染细菌的实验
格里菲思
蛋白质是遗传物质的观点占主导地位
赫尔希和蔡斯

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