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第1節(jié) DNA是主要的遺傳物質(zhì)
第3章 基因的本質(zhì)
學(xué)習(xí)目標
1
闡述格里菲思、艾弗里的肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實驗的過程
闡述噬菌體侵染細菌實驗的方法和過程
2
說明自變量控制中的“加法原理”和“減法原理”
4
理解DNA是主要遺傳物質(zhì)的結(jié)論
3
認同人類對遺傳物質(zhì)認識是不斷深化、不斷完善的過程
5
認同實驗技術(shù)在證明DNA是遺傳物質(zhì)中的作用
6
對遺傳物質(zhì)的早期推測
生物的遺傳物質(zhì)
目錄
contents
01
03
04
噬菌體侵染細菌的實驗
肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實驗
02
20世紀中葉，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)染色體主要是由蛋白質(zhì)和DNA組成的，在這兩種物質(zhì)中，究竟哪一種物質(zhì)是遺傳物質(zhì)呢？這個問題成引起科學(xué)家激烈的競爭。
你認為遺傳物質(zhì)可能具有什么特點？
情境導(dǎo)入
▲能夠精確地自我復(fù)制，使得前后代具有一定的連續(xù)性
▲具有儲存大量遺傳信息的潛在能力
▲結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，等等
情境導(dǎo)入
對遺傳物質(zhì)的早期推測
蛋白質(zhì)是生物體的遺傳物質(zhì)
20世紀20年代
蛋白質(zhì)是由多種氨基酸連接而成的生物大分子
各種氨基酸可以按照不同的順序排列，形成不同的蛋白質(zhì)
氨基酸多種多樣的排列順序，可能蘊含著遺傳信息
當時對于其他生物大分子的研究，還沒有發(fā)現(xiàn)與此類似的結(jié)構(gòu)特點
對遺傳物質(zhì)的早期推測
20世紀30年代
A
O
脫氧核糖
P
腺嘌呤脫氧核苷酸
O
脫氧核糖
P
G
鳥嘌呤脫氧核苷酸
O
脫氧核糖
P
C
胞嘧啶脫氧核苷酸
O
脫氧核糖
P
T
胸腺嘧啶脫氧核苷酸
DNA是由許多脫氧核苷酸聚合而成的生物大分子
對DNA的結(jié)構(gòu)沒有清晰的了解
認為蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)的觀點仍占主導(dǎo)地位
使人們意識到DNA的重要性
肺炎鏈球菌的(體內(nèi))轉(zhuǎn)化實驗
1928年，格里菲思以小鼠為實驗材料，研究肺炎鏈球的致病情況
類型 S型細菌 R型細菌
菌落
菌體
有無致病性
表面光滑( smooth )
有
無
表面粗糙( rough )
沒有多糖類的莢膜
有多糖類的莢膜
肺炎鏈球菌的類型
小鼠不死亡
第一組
小鼠死亡,從小鼠體內(nèi)分離出S型活細菌
第二組
小鼠不死亡
第三組
小鼠死亡,從小鼠體內(nèi)分離出S型活細菌
第四組
肺炎鏈球菌的(體內(nèi))轉(zhuǎn)化實驗
注射
R型
活細菌
注射
S型
活細菌
注射加熱致死的S型細菌
將R型活細菌與加熱致死的S型細菌混合后注射
肺炎鏈球菌的(體內(nèi))轉(zhuǎn)化實驗
第一至三組為對照組
第四組為實驗組
注入的肺炎鏈球菌的類型和死活
▲該實驗的實驗組和對照組是哪組
▲該實驗的自變量是什么
思維訓(xùn)練
肺炎鏈球菌的(體內(nèi))轉(zhuǎn)化實驗
▲第四組小鼠為什么會死亡呢？
R型活細菌不會使小鼠死亡，而S型活細菌可使小鼠死亡
▲對比一、二組的實驗現(xiàn)象，這說明了什么？
體內(nèi)有活的S型細菌的作用
▲第四組活的S型細菌如何出現(xiàn)？
部分活的R型細菌轉(zhuǎn)變成了活的S型細菌
▲對比二、三組的實驗現(xiàn)象，這說明了什么？
加熱致死的S型細菌不能使小鼠死亡
思維訓(xùn)練
肺炎鏈球菌的(體內(nèi))轉(zhuǎn)化實驗
▲什么使活R型細菌轉(zhuǎn)變成活的S型細菌？
加熱殺死的S型細菌中，含有某種促成這一轉(zhuǎn)化的活性物質(zhì)——“轉(zhuǎn)化因子”，使活的R型細菌發(fā)生了轉(zhuǎn)化
這種轉(zhuǎn)化因子究竟是什么物質(zhì)呢？
▲這種轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的S型活細菌的后代也是有致病性的S型細菌，這說明什么？
說明轉(zhuǎn)化的性狀可以遺傳
思維訓(xùn)練
肺炎鏈球菌的(體外)轉(zhuǎn)化實驗
20世紀40年代，艾弗里和他的同事
消化糖的酶
破碎加熱致死的S型細菌
有機試劑
去除部分蛋白質(zhì)、脂類等
去除分解糖類的酶
有機試劑
分解糖類物質(zhì)
▲實驗的設(shè)計思路是什么？
用酶解法分別去除細胞提取物中各種成分后，觀察能否將R型細菌轉(zhuǎn)化
肺炎鏈球菌的(體外)轉(zhuǎn)化實驗
有R型細菌的培養(yǎng)液
S型細菌的細胞提取液
第一組
+
有R型細菌的培養(yǎng)液
S型細菌的細胞提取液
第二至四組
+
混合
混合
有R型細菌的培養(yǎng)液
S型細菌的細胞提取液
第五組
+
混合
DNA酶
蛋白酶（或RNA酶、酯酶）
肺炎鏈球菌的(體外)轉(zhuǎn)化實驗
▲第一組的實驗結(jié)果說明什么？
說明S型細菌的細胞提取物中含有轉(zhuǎn)化因子
▲實驗中加入的蛋白酶、RNA酶和酯酶的作用是什么？
分別除去S型細菌細胞提取物中的蛋白質(zhì)、RNA和酯類物質(zhì)，以明確這些物質(zhì)是不是轉(zhuǎn)化因子
只長R型細菌
S型細菌
R型細菌
S型細菌
R型細菌
肺炎鏈球菌的(體外)轉(zhuǎn)化實驗
▲第一至第四組的實驗結(jié)果為什么既有R型細菌，又有S型細菌？
S型細菌中的轉(zhuǎn)化因子只能使部分R型細菌發(fā)生轉(zhuǎn)化
▲第五組用DNA酶處理S型細菌的細胞提取物之后再與R型活細菌混合培養(yǎng)，為什么培養(yǎng)皿中只有R型細菌？
DNA酶能水解DNA，從而破壞了DNA分子的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使其喪失轉(zhuǎn)化功能
有R型細菌的培養(yǎng)液
S型細菌的細胞提取液
第一組
+
有R型細菌的培養(yǎng)液
S型細菌的細胞提取液
第二至四組
+
混合
混合
有R型細菌的培養(yǎng)液
S型細菌的細胞提取液
第五組
+
混合
DNA酶
蛋白酶（或RNA酶、酯酶）
只長R型細菌
S型細菌
R型細菌
S型細菌
R型細菌
肺炎鏈球菌的(體外)轉(zhuǎn)化實驗
據(jù)此分析艾弗里的體外轉(zhuǎn)化實驗的結(jié)論是什么？
DNA才是使R型細菌產(chǎn)生穩(wěn)定遺傳變化的物質(zhì)
有R型細菌的培養(yǎng)液
S型細菌的細胞提取液
第一組
+
有R型細菌的培養(yǎng)液
S型細菌的細胞提取液
第二至四組
+
混合
混合
有R型細菌的培養(yǎng)液
S型細菌的細胞提取液
第五組
+
混合
DNA酶
蛋白酶（或RNA酶、酯酶）
只長R型細菌
S型細菌
R型細菌
S型細菌
R型細菌
肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實驗
核心探究
轉(zhuǎn)化實質(zhì)：肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化的實質(zhì)是S型細菌的DNA片段整合到R型細菌的DNA中，使受體細胞獲得了新的遺傳信息，即發(fā)生了基因重組，從而使R型細菌轉(zhuǎn)化為S型細菌。
一般情況下，轉(zhuǎn)化率很低，只有極少數(shù)R型細菌被S型細菌的DNA侵入并發(fā)生轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)基中(或小鼠體內(nèi))的大量S型細菌大多是由轉(zhuǎn)化后的S型細菌繁殖而來的。
▲轉(zhuǎn)化實質(zhì)是什么？培養(yǎng)基中(或小鼠體內(nèi))的S型細菌都是由R型細菌轉(zhuǎn)化而來嗎？
▲艾弗里的體外轉(zhuǎn)化實驗中導(dǎo)致R型細菌轉(zhuǎn)化為S型細菌的遺傳物質(zhì)、原料、能量分別由哪方提供？
實現(xiàn)轉(zhuǎn)化時遺傳物質(zhì)來自S型細菌，原料和能量均來自R型細菌。轉(zhuǎn)化實質(zhì)為基因重組。
肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實驗
核心探究
▲加熱會使蛋白質(zhì)變性失活，這種失活是不可逆的。由于蛋白質(zhì)失活，酶等生命體系失去其相應(yīng)功能，細菌死亡。
▲加熱時，DNA的結(jié)構(gòu)也會被破壞，但當溫度降低到55 ℃左右時，DNA的結(jié)構(gòu)會恢復(fù)，進而恢復(fù)活性。
格里菲思的體內(nèi)轉(zhuǎn)化實驗中“加熱”是否已導(dǎo)致DNA和蛋白質(zhì)變性？請說明理由。
自變量控制中的"加法原理”和“減法原理”
▲與常態(tài)比較，人為增加某種影響因素的稱為“加法原理”
▲與常態(tài)比較，人為去除某種影響因素的稱為“減法原理”
▲例如：
艾弗里的肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實驗
▲例如:
"比較過氧化氫在不同條件下的分解"的實驗
與對照組相比，實驗組分別作加溫、滴加FeCl3;溶液、滴加肝臟研磨液的處理，就利用了“加法原理"
每個實驗組特異性地去除了一
種物質(zhì)，從而鑒定出DNA是遺傳物質(zhì)，就利用了“減法原理”
科學(xué)方法
肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實驗
一些科學(xué)家質(zhì)疑的主要是轉(zhuǎn)化因子究竟是DNA還是和DNA混在一起的少量蛋白質(zhì)。他們選擇質(zhì)疑，既與“細胞提取物不夠純”的實際情況有關(guān)。
還與當時科學(xué)界深信蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)密不可分。
艾弗里的結(jié)論一經(jīng)發(fā)表就引發(fā)質(zhì)疑
有沒有更好的材料、更好的方法能夠?qū)NA和蛋白質(zhì)分開，單獨去觀察它們的作用呢？
噬菌體侵染細菌的實驗
▲實驗材料：
▲實驗者：
T2噬菌體和大腸桿菌
赫爾希和蔡斯
▲ 生活方式：
一種專門寄生在大腸桿菌體內(nèi)
T2噬菌體
▲ 增殖特點：
T2噬菌體侵染大腸桿菌后，就會在自身遺傳物質(zhì)的作用下，利用大腸桿菌體內(nèi)的物質(zhì)來合成自身的組成成分，進行大量增殖。當噬菌體增殖到一定數(shù)量后，大腸桿菌裂解，釋放出大量的噬菌體。
T2噬菌體的結(jié)構(gòu)模式圖
DNA
蛋白質(zhì)
頭部
尾部
噬菌體侵染細菌的實驗
哪一種物質(zhì)進入了大腸桿菌體內(nèi)
DNA和蛋白質(zhì)不能直接看到，怎么辦
在T2噬菌體的化學(xué)組成中, 60%是蛋白質(zhì),40%是DNA。對蛋白質(zhì)和DNA的進一步分析表明:
硫僅存在于蛋白質(zhì)分子中
磷僅存在于DNA分子中
▲實驗方法：
放射性同位素標記技術(shù)
C、H、O、N、P
C、H、O、N、S等
32P
35S
能否用14C和3H標記噬菌體
噬菌體侵染細菌的實驗
35S
32P
35S
第一步：分別標記大腸桿菌
大腸桿菌＋含35S的培養(yǎng)基→ 含35S的大腸桿菌
大腸桿菌＋含32P的培養(yǎng)基→ 含32P的大腸桿菌
第二步：分別標記噬菌體
噬菌體＋含35S的大腸桿菌→ 含35S的噬菌體
噬菌體＋含32P的大腸桿菌→ 含32P的噬菌體
32P
如何標記噬菌體
噬菌體侵染細菌的實驗
噬菌體侵染細菌的實驗
▲離心的目的是讓上清液中析出質(zhì)量較輕的T2噬菌體顆粒，而離心管的沉淀物中留下被侵染的大腸桿菌。
▲用標記的噬菌體侵染大腸桿菌時，需要短時間保溫，然后攪拌、離心。
▲攪拌的目的是使吸附在細菌上的噬菌體與細菌分離。
攪拌的目的是什么
離心的目的是什么
噬菌體侵染細菌的實驗
▲放射性同位素在試管中的分布情況表明：
▲子代噬菌體的標記情況表明：
噬菌體侵染細菌時，DNA進入細菌的細胞中，而蛋白質(zhì)外殼仍留在細胞外。
▲實驗結(jié)論：
子代噬菌體的各種性狀，是通過親代的DNA遺傳的。
DNA才是噬菌體的遺傳物質(zhì)。
噬菌體侵染細菌的實驗
攪拌不充分，有少量含35S的噬菌體蛋白質(zhì)外殼吸附在細菌表面，隨細菌離心到沉淀物中。
用35S標記的噬菌體侵染大腸桿菌時，發(fā)現(xiàn)沉淀物中也有少量放射性，可能是什么原因造成的？
用32P標記的噬菌體侵染大腸桿菌時，發(fā)現(xiàn)上清液中放射性也較高，可能是什么原因造成的？
▲保溫時間過短，部分噬菌體沒有侵染到大腸桿菌細胞內(nèi)，經(jīng)離心后分布于上清液中。
▲保溫時間過長，噬菌體在大腸桿菌內(nèi)增殖后釋放出子代，經(jīng)離心后分布于上清液中。
噬菌體侵染細菌的實驗
比較肺炎鏈球菌體外轉(zhuǎn)化實驗和噬菌體侵染細菌實驗
歸納總結(jié)
項目 肺炎鏈球菌體外轉(zhuǎn)化實驗 噬菌體侵染細菌實驗
設(shè)計思路
處理方法
檢測方式
結(jié)論
酶解法：將細胞提取物分別用蛋白酶、酯酶、DNA酶、RNA酶等處理后再與R型細菌混合培養(yǎng)
同位素標記法：分別用同位素35S、32P標記噬菌體蛋白質(zhì)和DNA
觀察菌落類型
檢測放射性同位素存在位置
設(shè)法將DNA與其他物質(zhì)分開，單獨、直接地研究它們各自不同的遺傳功能
證明DNA是遺傳物質(zhì)，而蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)
證明DNA是遺傳物質(zhì)，但不能直接證明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)
作為遺傳物質(zhì)必須具備的特點
▲噬菌體侵染細菌的實驗中,在細菌細胞內(nèi)合成子代噬菌體的蛋白質(zhì)外殼
DNA分子結(jié)構(gòu)具有相對穩(wěn)定性
▲肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗中,對S菌加熱處理,蛋白質(zhì)失活，DNA仍具有生物活性
▲肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗中, R型細菌可以轉(zhuǎn)化生成S型細菌
DNA能夠產(chǎn)生可遺傳的變異
▲噬菌體侵染細菌的實驗中,在細菌細胞內(nèi)合成子代噬菌體的DNA分子
DNA能夠自我復(fù)制，使親子代保持一定的連續(xù)性
DNA能夠指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成 ,進而控制生物的性狀
證明DNA是遺傳物質(zhì)的實驗
1.艾弗里與赫爾希等人選用細菌或病毒作為實驗材料，以細菌或病毒作為實驗材科具有哪些優(yōu)點
思考討論
(1)個體很小，結(jié)構(gòu)簡單，細菌是單細胞生物，病毒無細胞結(jié)構(gòu)，只有核酸和蛋白質(zhì)外殼。易于觀察因遺傳物質(zhì)改變導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)和功能的變化。
(2)繁殖快,細菌20~30 min就可繁殖一代，病毒短時間內(nèi)可大量繁殖。
2.從控制自變量的角度，艾弗里實驗的基本思路是什么 在實際操作過程中最大的困難是什么
從控制自變量的角度，艾弗里在每個實驗組中特異性地去除了一-種物質(zhì)，然后觀察在沒有這種物質(zhì)的情況下，實驗結(jié)果會有什么變化。最大的困難是，如何徹底去除細胞中含有的某種物質(zhì)(如糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等)。
證明DNA是遺傳物質(zhì)的實驗
3.艾弗里和赫爾希等人都分別采用了哪些技術(shù)手段來實現(xiàn)他們的實驗設(shè)計 這對于你認識科學(xué)與技術(shù)之間的相互關(guān)系有什么啟示
思考討論
艾弗里采用的主要技術(shù)手段有細菌的培養(yǎng)技術(shù)、物質(zhì)的提純和鑒定技術(shù)等。赫爾希采用的主要技術(shù)手段有噬菌體的培養(yǎng)技術(shù)、同位素標記技術(shù)，以及物質(zhì)的提取和分離技術(shù)等。科學(xué)成果的取得必須有技術(shù)手段作保證,技術(shù)的發(fā)展需要以科學(xué)原理為基礎(chǔ)，因此，科學(xué)與技術(shù)是相互支持、相互促進的。
肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實驗和噬菌體侵染大腸桿菌的實驗證明，作為遺傳物質(zhì)至少要具備以下幾個特點：
能夠精確地自我復(fù)制；
能夠指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，從而控制生物體的性狀和新陳代謝的過程；
具有儲存遺傳信息的能力；
結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，等等。
生物的遺傳物質(zhì)
只有DNA是遺傳物質(zhì)嗎
有些病毒不含有DNA，只含有蛋白質(zhì)和RNA。
如煙草花葉病毒
蛋白質(zhì)
RNA
煙草花葉病毒的示意圖(上)和電鏡照片(下)
生物的遺傳物質(zhì)
請設(shè)計實驗探究煙草花葉病毒的遺傳物質(zhì)？
分離
感染
煙草
感染
煙草
實驗
結(jié)果
出現(xiàn)病斑
不出現(xiàn)病斑
實驗
結(jié)果
蛋白質(zhì)
從煙草花葉病毒中提取的蛋白質(zhì)，不能使煙草感染病毒，但是，從這些病毒中提取的RNA,卻能使煙草感染病毒
實驗結(jié)論：
煙草花葉病毒的遺傳物質(zhì)是RNA
RNA
生物的遺傳物質(zhì)
因為絕大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)是DNA，所以說DNA是主要的遺傳物質(zhì)
生物類型 所含核酸 遺傳物質(zhì) 舉例
細胞生物 真核生物 DNA和RNA DNA 動物、植物、真菌
原核生物 DNA 細菌
非細胞生物 DNA病毒 僅有DNA DNA T2噬菌體、乙肝病毒
RNA病毒 僅有RNA RNA 煙草花葉病毒、HIV病毒
學(xué)習(xí)小結(jié)
肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實驗
早期推測
DNA是主要的遺傳物質(zhì)
艾弗里
噬菌體侵染細菌的實驗
格里菲思
蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)的觀點占主導(dǎo)地位
赫爾希和蔡斯

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