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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。
科学家发现：染色体主要组成成分蛋白质和DNA。
染色体在遗传上的连续性和稳定性
孟德尔通过豌豆实验证明生物的性状由遗传因子控制
摩尔根通过果蝇实验证明基因位于染色体上
遗传物质的探索
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；
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
20世纪30年代后
——DNA才是遗传物质
对遗传物质的早期推测
脱氧核糖
磷酸
含氮碱基
DNA是遗传物质的证据
赫尔希和蔡斯噬菌体侵染细菌的实验
格里菲思的肺炎链球菌体内转化实验
艾弗里的肺炎链球菌体外转化实验
格里菲思
艾弗里
赫尔希
蔡斯
20世纪初，肺炎大爆发，美国每年有5万人因肺炎去世。而引发肺炎的罪魁祸首是肺炎链球菌。
肺炎链球菌能引起人的肺炎和呼吸系统的疾病。对小鼠也有极大的杀伤力，使小鼠患肺炎，并发败血症死亡。
肺炎链球菌
小鼠死亡
肺炎链球菌
S型
光滑Smooth
R型
粗糙
Rough
有荚膜
(主要为多糖）
（有致病性）
无荚膜
（无致病性）
肺炎链球菌的转化实验
格里菲斯的肺炎链球菌体内转化实验
R型
活细菌
S型
活细菌
小鼠不死亡
（第一组）
小鼠死亡
（第二组）
S型
活细菌
加热杀死的
S型细菌
小鼠不死亡
（第三组）
R型活细菌+加热
杀死的S型细菌
小鼠死亡
（第四组）
S型
活细菌
肺炎链球菌的转化实验——体内转化实验
加热杀死S型菌
R型活菌 S型活菌
转化
格里菲斯推断：
格里菲斯——肺炎链球菌体内转化实验
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”
多糖 脂类 蛋白质 RNA DNA
加热杀死的S型细菌
在杀死的S型细菌中含有哪些物质？
是哪一种物质在转化实验中起了关键作用？
如果是你会如何设计实验？可能会遇到哪些困难？
实验思路：
困难
设法把S型细菌的各种物质分开，单独、直接地观察它们的作用。
提纯技术条件限制，难以彻底提纯
含有R型细菌的培养基
S型细菌的细胞提取物
+
R型细菌
S型细菌
混合
肺炎链球菌的转化实验——体外转化实验
含有R型细菌的培养基
S型细菌的细胞提取物
+
R型细菌
S型细菌
混合
加入蛋白酶（或RNA酶、酯酶）
肺炎链球菌的转化实验——体外转化实验
含有R型细菌的培养基
S型细菌的细胞提取物
+
R型细菌
S型细菌
混合
加入蛋白酶（或RNA酶、酯酶）
a.第一组的作用是什么？
b.加蛋白酶的作用是什么？
c.同样加RNA酶、酯酶什么作用？
d.这些组实验说明什么问题
肺炎链球菌的转化实验——体外转化实验
含有R型细菌的培养基
S型细菌的细胞提取物
+
R型细菌
S型细菌
混合
加入蛋白酶（或RNA酶、酯酶）
含有R型细菌的培养基
S型细菌的细胞提取物
+
R型细菌
混合
加DNA酶
肺炎链球菌的转化实验——体外转化实验
含有R型细菌的培养基
S型细菌的细胞提取物
+
R型细菌
混合
加DNA酶
a.加DNA酶的作用是什么？
去除S型细菌的细胞提取物中的DNA
b.加DNA酶后只长R型菌说明什么问题？
说明细胞提取物中的转化因子很可能就是DNA。
艾弗里等人进一步分析了细胞提取物的理化特性，发现这些特性都与DNA的极为相似，于是得出结论：
肺炎链球菌的转化实验——体外转化实验
DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质。
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
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。
应用场景：对照实验
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”
应用场景：对照实验
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）
科学方法
自变量控制中的“加法原理”和“减法原理”
1、肺炎链球菌感染小鼠后，其合成蛋白质的场所是小鼠细胞的核糖体。
（ ）
2、将S型细菌的DNA与R型活细菌混合培养，一段时间后培养基中会有两种菌落。（ ）
3、艾弗里的实验结论是DNA是遗传物质，蛋白质不是遗传物质，理由是只有DNA才能使R型细菌转化为S型细菌。（ ）
4、加热杀死后的S型细菌的DNA已经全部断裂，失去活性。（ ）
5、如果把S型细菌的DNA提取出来直接注射小鼠体内，也能从小鼠体
内分离得到S型细菌。（ ）
[典例]艾弗里细菌转化实验中，为了弄明白什么是遗传物质，他设计了有关实验，下列选项所列的实验过程中，培养基中没有光滑菌落产生的是(　　)
A.有R型细菌的培养基＋S型细菌的细胞提取物＋RNA酶
B.有R型细菌的培养基＋S型细菌的细胞提取物＋蛋白酶
C.有R型细菌的培养基＋S型细菌的细胞提取物＋酯酶
D.有R型细菌的培养基＋S型细菌的细胞提取物＋DNA酶
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。
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。
T2噬菌体
T2噬菌体是一种专门寄生在大肠杆菌体内的病毒。
T2噬菌体侵染细菌实验
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
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？
实验方法：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 标记蛋白质
32P标记DNA
T2噬菌体侵染细菌实验
如何单独获得只有35S或32P标记的T2噬菌体？
35S标记的噬菌体
32P标记的噬菌体
T2噬菌体侵染细菌实验
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。
T2噬菌体侵染细菌实验
实验过程：
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：标记T2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
第一步：标记大肠杆菌
第三步：已标记噬菌体侵染未标记的大肠杆菌
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
上清液放射性很高，沉淀物放射性很低
35S标记的噬菌体侵染细菌
实验结果
蛋白质外壳没有进入大肠杆菌
原因分析
搅拌：使吸附在细菌上的噬菌体颗粒与细菌分离
离心：使亲子代噬菌体分离获得含有子代噬菌体的大肠杆菌
32P标记的噬菌体
T2噬菌体中的DNA进入了大肠杆菌
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
上清液放射性很低，沉淀物放射性很高
32P标记的噬菌体侵染细菌
实验结果
原因分析
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
有无放射性原因
蛋白质
很高
DNA
很低
蛋白质未进入细菌中
DNA进入细菌中
很高
很低
实验结论
子代噬菌体的各种性状是通过亲代的DNA遗传的，因此，DNA才是真正的遗传物质。
但不能证明蛋白质不是遗传物质
35S标记的一组，为什么沉淀中出现了放射性？
32P标记的一组，为什么上清液中出现了放射性？
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
有无放射性原因
蛋白质
很高
DNA
很低
蛋白质未进入细菌中
DNA进入细菌中
很高
很低
误差分析
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
①35S标记的一组，为什么沉淀中出现了放射性？
搅拌不充分导致部分蛋白质外壳吸附在细菌上，离心时随细菌到沉淀物中。
保温时间长
理论上
上清液
沉淀物
实际上
部分噬菌体未侵染
大肠杆菌
部分噬菌体释放出来
释放
实际上
保温时间短
②32P标记的一组，为什么上清液中出现了放射性？
艾弗里实验 噬菌体侵染细菌实验
处理方式
对照原则
实验结论
设计思路 直接分离
同位素标记法
S型细菌的分离物质分别与
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
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
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）
两个经典实验的比较
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
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。
思考·讨论
SARS病毒
艾滋病病毒（HIV）
COVID--19
流感病毒
埃博拉病毒
RNA可作为某些病毒的遗传物质
只有DNA是遗传物质吗？
遗传物质的现代发现
如果你是科学家，请设计实验证明烟草花叶病毒的遗传物质是什么？
遗传物质的现代发现
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
患病
不患病
得到病毒
不能得到病毒
：
RNA
蛋白质
遗传物质的现代发现
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，遗传物质只能是DNA或RNA。
DNA是主要的遗传物质
[典例]病毒甲、乙为两种不同的植物病毒，经重建形成杂种病毒丙(如图所示)，用病毒丙去感染植物细胞，在植物细胞内增殖后产生的新一代病毒是
[典例]某同学模拟赫尔希和蔡斯做了如图所示的实验，下列有关分析正确的是(　　)
A.35S标记的是DNA
B.图示实验过程并不能证明DNA是遗传物质
C.上清液a中放射性很低，沉淀物b中放射性很高
D.沉淀物b中含放射性的高低，与②过程中的搅拌程度无关
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

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