DNA遗传物质导学案及典型练习

DNA遗传物质导学案及典型练习引言生命的延续与繁衍，离不开遗传信息的精准传递。在探索遗传奥秘的漫长历程中，DNA（脱氧核糖核酸）作为主要遗传物质的发现，无疑是里程碑式的突破。本导学案旨在引导同学们系统梳理DNA作为遗传物质的证据、DNA分子的精妙结构以及其复制机制，并通过典型练习深化理解，培养科学思维与探究能力。导学案一、学习目标1.知识与技能*简述人类对遗传物质的早期推测历程。*阐明肺炎双球菌转化实验和噬菌体侵染细菌实验的原理及过程，理解DNA是遗传物质的直接证据。*概述DNA分子的双螺旋结构特点，理解碱基互补配对原则的含义。*描述DNA分子复制的过程、特点及意义。2.过程与方法*通过分析经典实验，学习科学研究的思路和方法，体会实验设计的巧妙之处。*尝试构建DNA分子双螺旋结构模型，加深对其空间结构的理解。*通过讨论与合作，解决DNA复制过程中的相关问题。3.情感态度与价值观*认同科学结论的得出需要严谨的实验验证和逻辑推理。*赞赏DNA分子结构的精妙与其功能的适应性，感悟生命的神奇与和谐。*体会科学家在探索过程中的不懈努力和科学精神。二、学习重难点*重点：1.肺炎双球菌转化实验和噬菌体侵染细菌实验的分析与结论。2.DNA分子的双螺旋结构及其特点。3.DNA分子的复制过程和特点。*难点：1.理解肺炎双球菌转化实验中“转化因子”的探究过程。2.理解噬菌体侵染细菌实验中放射性同位素标记的巧妙运用。3.DNA半保留复制的实验证据及复制过程中的碱基计算。三、知识梳理（一）遗传物质的早期推测在20世纪早期，科学家们对于“什么是遗传物质”这一问题众说纷纭。由于蛋白质是由多种氨基酸连接而成，其结构和功能具有多样性，最初许多科学家认为蛋白质是遗传物质的有力候选者。而DNA由于其化学成分（脱氧核糖、磷酸和四种碱基）相对简单，其重要性一度被忽视。（二）DNA是主要的遗传物质的证据对DNA是遗传物质的认识，源于一系列经典的实验研究：1.肺炎双球菌的转化实验*格里菲思的体内转化实验：*实验材料：两种肺炎双球菌（S型：有荚膜，有毒性，菌落光滑；R型：无荚膜，无毒性，菌落粗糙）。*实验过程及现象：*将活的R型菌注入小鼠体内，小鼠不死亡。*将活的S型菌注入小鼠体内，小鼠死亡，从小鼠体内分离出活的S型菌。*将加热杀死的S型菌注入小鼠体内，小鼠不死亡。*将加热杀死的S型菌与活的R型菌混合后注入小鼠体内，小鼠死亡，并从小鼠体内分离出活的S型菌。*实验结论：加热杀死的S型菌中含有某种“转化因子”，能将无毒性的R型活细菌转化为有毒性的S型活细菌。*艾弗里的体外转化实验：*实验思路：将S型菌的各种成分（DNA、蛋白质、多糖等）分开，分别与R型菌混合培养，观察哪种成分能使R型菌转化为S型菌。*实验结果：只有加入S型菌的DNA才能使R型菌转化为S型菌；如果用DNA酶处理S型菌的DNA，使其水解，则失去转化能力。*实验结论：DNA是使R型菌产生稳定遗传变化的物质，即DNA是遗传物质。蛋白质等其他物质不是遗传物质。2.噬菌体侵染细菌的实验*实验材料：T2噬菌体（一种专门寄生在大肠杆菌体内的病毒，由蛋白质外壳和内部的DNA组成）和大肠杆菌。*实验方法：放射性同位素标记法。*用放射性同位素³⁵S标记噬菌体的蛋白质外壳。*用放射性同位素³²P标记噬菌体的DNA。*实验过程：*分别用上述两种被标记的噬菌体侵染未被标记的大肠杆菌。*搅拌、离心（目的是使吸附在细菌上的噬菌体与细菌分离）。*检测上清液（主要含噬菌体外壳）和沉淀物（主要含被侵染的细菌）中的放射性。*实验结果：*用³⁵S标记的噬菌体侵染细菌时，放射性主要分布在上清液中。*用³²P标记的噬菌体侵染细菌时，放射性主要分布在沉淀物中。*实验结论：噬菌体侵染细菌时，DNA进入到细菌细胞中，而蛋白质外壳留在外面。子代噬菌体的各种性状是通过亲代的DNA遗传的，因此，DNA是遗传物质。3.RNA也是遗传物质的证据：*有些病毒（如烟草花叶病毒、HIV等）只含有RNA和蛋白质，它们的遗传物质是RNA。*结论：绝大多数生物的遗传物质是DNA，少数病毒的遗传物质是RNA。因此，DNA是主要的遗传物质。（三）DNA分子的结构1.构建者：美国生物学家沃森和英国物理学家克里克。2.结构特点：*DNA分子是由两条链组成的，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。*DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基排列在内侧。*两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，并且碱基配对有一定的规律：A（腺嘌呤）一定与T（胸腺嘧啶）配对，G（鸟嘌呤）一定与C（胞嘧啶）配对。这就是碱基互补配对原则。3.结构特性：*稳定性：DNA分子双螺旋结构的相对稳定性。*多样性：构成DNA分子的碱基对的排列顺序千变万化（n对碱基可形成4ⁿ种排列顺序）。*特异性：每个DNA分子都有特定的碱基对排列顺序，代表了特定的遗传信息。（四）DNA的复制1.概念：以亲代DNA分子为模板合成子代DNA分子的过程。2.时间：细胞有丝分裂的间期和减数第一次分裂前的间期。3.场所：主要在细胞核中（原核生物在拟核区，线粒体和叶绿体中也可进行）。4.过程：*解旋：在解旋酶的作用下，DNA分子两条链的氢键断裂，双螺旋结构解开，成为两条单链（模板链）。*合成子链：以解开的每一条母链为模板，在DNA聚合酶等酶的作用下，利用细胞中游离的4种脱氧核苷酸为原料，按照碱基互补配对原则，各自合成与母链互补的一条子链。*形成子代DNA：每条子链与其对应的母链盘旋成双螺旋结构，从而形成两个与亲代DNA分子完全相同的子代DNA分子。5.特点：*半保留复制：新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链（母链）。*边解旋边复制。6.条件：*模板：亲代DNA分子的两条链。*原料：游离的4种脱氧核苷酸。*能量：ATP。*酶：解旋酶、DNA聚合酶等。7.意义：DNA分子通过复制，将遗传信息从亲代传给子代，从而保持了遗传信息的连续性和稳定性，保证了物种的稳定繁衍。四、学习过程中的思考与讨论1.在艾弗里的实验中，为什么要设置“用DNA酶处理S型菌DNA”的对照组？2.噬菌体侵染细菌的实验中，搅拌和离心的目的分别是什么？如果搅拌不充分或离心速度不够，会对实验结果产生什么影响？3.DNA分子的双螺旋结构为其复制提供了什么便利条件？碱基互补配对原则在DNA复制过程中起到了什么关键作用？4.你如何理解“DNA是主要的遗传物质”这一结论？典型练习一、选择题1.格里菲思的肺炎双球菌转化实验证明了（）A.DNA是遗传物质B.RNA是遗传物质C.蛋白质不是遗传物质D.加热杀死的S型菌中存在转化因子2.在艾弗里及其同事进行的肺炎双球菌转化实验中，能够证明DNA是遗传物质的最关键的实验设计是（）A.将无毒R型菌与有毒S型菌混合后培养，发现R型菌转化为S型菌B.将S型菌的各种成分分离并分别加入到各培养基中培养R型菌，观察是否发生转化C.从被转化的R型菌中提取DNA、蛋白质等成分，证明转化因子是DNAD.用DNA酶处理S型菌的DNA后，再与R型菌混合培养，发现R型菌不发生转化3.噬菌体侵染细菌的实验中，用³⁵S标记噬菌体的蛋白质外壳，侵染后，放射性主要分布于（）A.沉淀物中B.上清液中C.细菌体内D.子代噬菌体中4.DNA分子的基本骨架是（）A.磷脂双分子层B.规则的双螺旋结构C.脱氧核糖和磷酸交替连接而成的长链D.碱基对5.一个DNA分子复制完毕后，新形成的DNA子链（）A.是DNA母链的片段B.和DNA母链之一完全相同C.和DNA母链相同，但T被U取代D.和DNA的两条母链都相同二、填空题1.DNA分子两条链上的碱基通过_______连接成碱基对，并且碱基配对有一定的规律：A（腺嘌呤）一定与_______配对，G（鸟嘌呤）一定与_______配对。这种一一对应的关系，叫做_______原则。2.DNA复制是一个_______的过程，复制需要模板、原料、_______和_______等基本条件。DNA的复制方式被称为_______，其意义是保证了遗传信息在亲子代之间的_______。三、简答题1.简述噬菌体侵染细菌实验的主要步骤，并说明该实验是如何证明DNA是遗传物质的。2.下图是DNA分子结构模式图（片段），请据图回答：（示意图说明：此处应有一个简单的DNA双链片段示意图，标注出磷酸、脱氧核糖、碱基A、T、C、G，以及氢键）（1）图中1表示_______，2表示_______，1、2、3共同组成了_______。（2）图中3有_______种，中文名称分别是_______。（3）如果5是腺嘌呤（A），则6是_______；如果5是鸟嘌呤（G），则6是_______。（4）DNA分子的这种结构称为_______。参考答案与解析一、选择题1.D解析：格里菲思的实验只能证明加热杀死的S型菌中存在某种“转化因子”，能使R型菌转化为S型菌，但并未证明该转化因子是DNA。A选项是艾弗里实验的结论。2.D解析：用DNA酶处理S型菌的DNA后，DNA被水解，失去了转化能力，这从反面证明了DNA是遗传物质，是最关键的设计。3.B解析：³⁵S标记的是噬菌体的蛋白质外壳，噬菌体侵染细菌时，蛋白质外壳留在细菌外面，搅拌离心后，上清液中主要是噬菌体外壳，故放射性主要分布在上清液中。4.C解析：DNA分子的基本骨架是由脱氧核糖和磷酸交替连接而成的长链，排列在外侧。磷脂双分子层是细胞膜的基本骨架。5.B解析：DNA复制以亲代DNA的两条链为模板，遵循碱基互补配对原则，所以新形成的子链和其对应的母链完全互补，与另一条母链相同。二、填空题1.氢键，T（胸腺嘧啶），C（胞嘧啶），碱基互补配对。2.边解旋边复制，能量，酶，半保留复制，连续性（或稳定性）。三、简答题1.噬菌体侵染细菌实验的主要步骤及结论证明：*步骤：1.标记噬菌体：用含³⁵S的培养基培养大肠杆菌，再用此大肠杆菌培养T2噬菌体，得到蛋白质被³⁵S标记的噬菌体；用含³²P的培养基培养大肠杆菌，再用此大肠杆菌培养T2噬菌体，得到DNA被³²P标记的噬菌体。2.侵染细菌：将上述两种标记的噬菌体分别与未被标记的大肠杆菌混合培养，让噬菌体侵染细菌。3.搅拌与离心：搅拌使吸附在细菌上的噬菌体外壳与细菌分离；离心使上清液中析出重量较轻的噬菌体外壳，沉淀物中留下被感染的细菌。4.检测放射性：分别检测上清液和沉淀物中的放射性。*证明DNA是遗传物质：用³⁵S标记的噬菌体侵染细菌时，放射性主要出现在上清液（噬菌体外壳）中，说明蛋白质外壳未进入细菌。用³²P标记的噬菌体侵染细菌时，放射性主要出现在沉淀物（被侵染的细菌）中，且子代噬菌体中可检测到³²P。这表明噬菌体侵染细菌时，DNA进入细菌细胞内，而蛋白质外壳留在外面，子代噬菌体的性状是由亲代噬菌体的DNA控制的，从而证明DNA是遗传物质。2.（示意图相关简答题答案，需结合实际图示，此处为通用解答）（1）磷酸，脱氧核糖，脱氧核苷酸（或核苷酸）