3.1DNA是主要的遗传物质课件高一下学期生物人教版必修2

第3章

基因的本质3.1DNA是主要的遗传物质孟德尔通过豌豆杂交实验，揭示了遗传规律，提出遗传因子概念。1866年约翰逊1903年通过观察蝗虫细胞减数分裂提出假说：基因（遗传因子）位于染色体上。萨顿命名“遗传因子”为基因。1909年摩尔根1909-1933年通过果蝇杂交实验证明：基因位于染色体上。遗传物质的追寻记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，究竟哪一种是遗传物质呢？这个问题曾引起生物学界激烈的争论。1.你认为遗传物质可能具有什么特点？②可以准确地复制,并传递给下一代①储存大量的遗传信息③结构比较稳定,等等【问题探讨】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，究竟哪一种是遗传物质呢？这个问题曾引起生物学界激烈的争论。【问题探讨】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。蛋白质是生物体的遗传物质。蛋白质是由多种氨基酸连接而成的生物大分子，氨基酸的多种多样的排列顺序，可能蕴含着遗传信息。1、20世纪20年代：胰岛素的氨基酸排列顺序一、对遗传物质的早期推测DNA也具有遗传物质的特点，但蛋白质是遗传物质的观点仍占主流DNA是由许多脱氧核苷酸聚合而成的生物大分子，脱氧核苷酸的化学组成包括磷酸、碱基和脱氧核糖，脱氧核苷酸由4种，每一种有一个特定的碱基。2、20世纪30年代：五碳糖磷酸含N碱基A腺嘌呤T胸腺嘧啶C胞嘧啶G鸟嘌呤一、对遗传物质的早期推测是蛋白质！是DNA关于遗传物质的争论持续了很长时间，最终在一些确凿的、有说服力的实验论证下，这个争论终于尘埃落定，事实证明：DNA是主要的遗传物质。让我们一起走进漫漫历史长河，感受科学家探索遗传物质的历程，见证科学的迷人风采吧。Frederick

GriffithOswaldTheodoreAveryAlfredHersheyMathaChase一、对遗传物质的早期推测美.艾弗里观点:遗传物质是蛋白质英.格里菲斯20世纪40年代以后，科学家通过一系列实验，才以“确凿”的事实证明了生物体内遗传物质是DNA，而不是蛋白质。类型R型肺炎链球菌S型肺炎链球菌菌体无荚膜有荚膜菌落粗糙（rough）光滑（smooth）毒性不致病可致病，使人和小鼠患肺炎，小鼠并发败血症死亡1.实验材料：两种肺炎链球菌荚膜的化学本质是多糖二、肺炎链球菌体内转化实验格里菲思设置了4组实验：第一组注射R型活细菌第二组注射S型活细菌第三组注射加热致死的S型细菌第四组注射R型活细菌+加热致死的S型细菌小鼠不死亡小鼠死亡小鼠不死亡小鼠死亡结果二、肺炎链球菌体内转化实验2.实验方案：

1.第一、二两组实验在整个实验中起什么作用？

第一组和第二组实验起相互对比的作用，通过这两组实验的结果可知：R型细菌不会导致小鼠死亡，S型细菌会导致小鼠死亡。2.对比第二、三组实验，说明什么？

第二组和第三组实验起相互对比的作用，通过这两组实验的结果可知：S型活细菌会导致小鼠死亡，加热致死的S型细菌不会导致小鼠死亡。二、肺炎链球菌体内转化实验3.第四组小鼠为何死亡？死亡小鼠体内能分离出S型活菌，说明什么？推测导致小鼠死亡的S型活菌是从哪里来的？根据实验结果知道，第四组死亡小鼠体内分离出了S型活细菌，说明小鼠死亡原因是S型细菌致死。这说明S型死细菌与R型活菌混合可以产生S型活细菌。二、肺炎链球菌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：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”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”。多糖；脂质；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？要确定“转化因子”是什么，关键思路是什么？提出问题：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。三、肺炎链球菌的体外转化实验艾弗里和他的同事将加热杀死的S细菌破碎后，设法去除绝大部分糖类、蛋白质和脂质，制成细胞提取物。再分别与R型活细菌混合培养，观察是否具有转化活性。三、肺炎链球菌的体外转化实验第五组第二至第四组第一组有R型细菌的培养基S型细菌的细胞提取物+混合R型细菌S型细菌有R型细菌的培养基S型细菌的细胞提取物+混合R型细菌S型细菌有R型细菌的培养基S型细菌的细胞提取物+混合只有R型细菌蛋白酶(或RNA酶、酯酶)DNA酶三、肺炎链球菌的体外转化实验有R型细菌的培养基S型细菌的细胞提取物第一组+混合R型细菌S型细菌1.本实验说明什么问题？S型细菌的细胞提取物中含有该转化因子。2.本实验起什么作用？对照作用。3.本实验能确定转化因子是哪种物质吗？不能。三、肺炎链球菌的体外转化实验实验过程分析：有R型细菌的培养基S型细菌的细胞提取物第二至第四组+混合R型细菌S型细菌蛋白酶(或RNA酶、酯酶)1.加蛋白酶的作用是什么？去除S型细菌的细胞提取物中的蛋白质，其他物质都有。2.加蛋白酶后R型菌还是被转化说明什么问题？说明转化因子不是蛋白质。实验过程分析：三、肺炎链球菌的体外转化实验有R型细菌的培养基S型细菌的细胞提取物第二至第四组+混合R型细菌S型细菌蛋白酶(或RNA酶、酯酶)3.同样加RNA酶、酯酶什么作用？去除S型细菌的细胞提取物中的RNA或脂肪等物质。4.这些组实验说明什么问题说明蛋白质、RNA和脂肪等都不是转化因子。实验过程分析：三、肺炎链球菌的体外转化实验有R型细菌的培养基S型细菌的细胞提取物第五组+混合只有R型细菌DNA酶1.加DNA酶的作用是什么？去除S型细菌的细胞提取物中的DNA。2.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。3.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：DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质。实验过程分析：三、肺炎链球菌的体外转化实验该实验的设计遵循哪些原理？其巧妙之处是什么？在实际操作过程中最大的困难是什么？单一变量原则和对照原则。

运用“减法原理”。如何彻底去除细胞中含有的某种物质（糖类、脂质、蛋白质等）艾弗里的体外转化实验既证明了DNA是遗传物质，同时证明了蛋白质等不是遗传物质；被转化的R型菌只是少量，在培养后既有R型细菌又有S型细菌的培养基中，R型菌的菌落占多数；注意：思考：三、肺炎链球菌的体外转化实验自变量控制中的“加法原理”和“减法原理”(P46)在对照实验中控制自变量，可以采用“加法或减法原理”；①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”。②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”。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技术，完成了另一个有说服力的实验。

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？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四、噬菌体侵染细菌实验

1952年，美国遗传学家赫尔希和他的助手蔡斯以T2噬菌体为实验材料，利用放射性同位素标记技术，完成了另一个有说服力的实验。噬菌体结构模式图1.噬菌体的结构C、H、O、N、S。C、H、O、N、P。

DNA的组成元素：蛋白质的组成元素：

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，头部含有DNA。三、噬菌体侵染细菌实验2.噬菌体侵染细菌的过程噬菌体侵染大肠杆菌后，就会在自身遗传物质作用下，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，大肠杆菌裂解并释放出大量的噬菌体。噬菌体侵染细菌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。噬菌体侵染细菌实验噬菌体侵染细菌的过程在T2噬菌体的化学组成中，60%是蛋白质，40%是DNA。要证明T2噬菌体的遗传物质究竟是DNA还是蛋白质，实验中最关键的设计思路是什么？想办法将蛋白质与DNA分开，单独、直接地观察它们的作用。如何将蛋白质和DNA分开？3.赫尔希和蔡斯的实验过程四、噬菌体侵染细菌实验思考问题：问题1.怎么将DNA和蛋白质分开？能不能采用减法原理将DNA和蛋白质分别除去？不能，这样会破坏噬菌体结构使其失去侵染能力。DNA和蛋白质在一起时可用放射性同位素分别标记DNA中的P元素和蛋白质中的S元素。问题2.用35S和32P分别标记噬菌体的哪一种组分？为什么？用35S标记蛋白质；用32P标记DNA，因为仅蛋白质分子中含有硫，磷几乎都存在于DNA分子中。四、噬菌体侵染细菌实验3.赫尔希和蔡斯的实验过程问题4.实验能否用32P和35S同时标记噬菌体？不能，因为放射性检测时只能检测到放射部位，不能确定是哪种元素的放射性；若用32P和35S同时标记噬菌体，则上清液和沉淀物中均会具有放射性，无法判断噬菌体遗传物质的成分。3.赫尔希和蔡斯的实验过程思考问题：问题3.用14C和18O等同位素可行吗？为什么？不能，因为C和O这两种元素在DNA和蛋白质中都存在，不能把二者分开。四、噬菌体侵染细菌实验问题5.如何培养含放射性35S和32P的T2噬菌体？能否直接用含35S、32P的普通培养基来培养？不能。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。先培养细菌含35S的大肠杆菌含32P的大肠杆菌再培养噬菌体含35ST2的噬菌体含32PT2的噬菌体含35S的培养基+大肠杆菌+T2噬菌体含32P的培养基+大肠杆菌+T2噬菌体3.赫尔希和蔡斯的实验过程思考问题：四、噬菌体侵染细菌实验3.赫尔希和蔡斯的实验过程四、噬菌体侵染细菌实验第二步：标记的噬菌体侵染未被标记的大肠杆菌；第一步：获得标记的噬菌体；2．标记噬菌体1．标记宿主细胞：

大肠杆菌第三步：经过短时间的保温后，用搅拌器搅拌、离心；第四步：离心后检查上清液和沉淀物的放射性。3.赫尔希和蔡斯的实验过程标记细菌分别用含35S(或含32P)的培养基培养大肠杆菌。标记噬菌体分别用噬菌体侵染用35S(或含32P)标记的大肠杆菌。（短时间保温）标记的噬菌体侵染未标记的细菌分别用35S(或含32P)标记的噬菌体侵染末标记的大肠杆菌。一组用32P标记DNA，一组用35S标记蛋白质。

“短时间”：保证子代噬菌体的DNA和蛋白质在大肠杆菌中正处于合成阶段，子代噬菌体还没有组装好，或虽已经组装但并未使细菌发生裂解。“保温”：为噬菌体培养提供适宜的恒定的温度，以保证酶的活性。四、噬菌体侵染细菌实验3.赫尔希和蔡斯的实验过程搅拌离心

搅拌的目的：使吸附在细菌上的噬菌体颗粒与细菌分离。离心的目的：让上清液中析出重量较轻的噬菌体颗粒，而离心管的沉淀物中留下被感染的而末裂解的大肠杆菌。观察放射性的分布噬菌体(外壳)/未侵染的/释放的上清液：沉淀物：被侵染的且末裂解的大肠杆菌四、噬菌体侵染细菌实验这说明了什么？说明噬菌体侵染细菌时，DNA进入了宿主细胞，而蛋白质外壳留在了外面。噬菌体侵染细菌实验进一步观察发现：在细菌裂解释放出的噬菌体中，可以检测到32P标记DNA，但不能检测到35S标记蛋白质。这又说明了什么？说明亲代噬菌体和子代噬菌体之间传递的物质是DNA。DNA才是噬菌体的遗传物质！1953年，赫尔希-蔡斯的实验与DNA双螺旋结构模型同时在冷泉港的学术会议上展示，自此，科学家才普遍接受了DNA是遗传物质。4.实验现象及结论: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实验表明结论蛋白质DNA有放射性（很高）无（很低）无（很低）有放射性（很高）T2噬菌体中的蛋白质没有进入大肠杆菌T2噬菌体中的DNA进入了大肠杆菌DNA进入到细菌的细胞中，蛋白质没有进入细菌细胞；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；不能证明蛋白质不是遗传物质。(新形成的噬菌体中没有检测到35S)(新形成的噬菌体中检测到32P)四、噬菌体侵染细菌实验4.实验现象及结论问题探讨：

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。问题2.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？问题1.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？

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。四、噬菌体侵染细菌实验思考•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。容易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20～30min就可繁殖一代，病毒短时间内可大量繁殖。1.艾弗里与赫尔希等人的实验选用了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？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？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。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。三个经典实验对比肺炎双球菌体内转化实验肺炎双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对照原则结论设法将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型菌中放射性同位素标记法：分别标记DNA和蛋白质更有力地说明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”。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能否说明DNA是自然界所有生物的遗传物质？五、RNA也可作为遗传物质目前，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。烟草花叶病毒示意图和电镜照片如果你是科学家，请设计实验证明烟草花叶病毒的遗传物质是什么？设计实验证明烟草花叶病毒的遗传物质是RNA。RNA分别侵染健康烟草植株患病得到病毒RNA蛋白质蛋白质不患病不能得到病毒RNA是烟草花叶病毒的遗传物质。结论：分离出RNA和蛋白质五、RNA也可作为遗传物质其它常见RNA病毒：新冠病毒SARS病毒艾滋病病毒埃博拉病毒流感病毒五、RNA也可作为遗传物质课堂总结细胞结构生物原核生物真核生物遗传物质是DNA非细胞结构生物遗传物质是RNA含DNA的病毒：含RNA的病毒：生物一切生物的遗传