3.1 DNA是主要的遗传物质课件-2023-2024学年高一下学期生物人教版（2019）必修2

第三章 基因的本质 第 1节 DNA是主要的遗传物质 1 1 提出“遗传因子”，并总结遗传规律 孟德尔 2 把“遗传因子”命名为基因 约翰逊 3 提出基因在染色体上的假说 萨 顿 4 实验证明基因位于染色体上 摩尔根 科学家发现：染色体的主要组成成分是DNA和蛋白质 5 遗传物质的探索 遗传物质是蛋白质还是DNA? 染色体 蛋白质 DNA 氨基酸多种多样的排列顺序，可能蕴含着遗传信息。 没发现其他大分子有类似的结构特点。 20世纪20年代 蛋白质是生物体的 遗传物质。 20世纪30年代 人们认识到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、脱氧核糖。意识到DNA的重要性，但对DNA结构没有清晰认识。 蛋白质是遗传物质的观点占主导地位。 一、对遗传物质的早期推测（阅读课本P42） 核酸的基本知识 核酸 脱氧核糖核酸 （DNA） 核糖核酸 （RNA） 基本组成单位 主要在细胞核的染色体上，少数在线粒体和叶绿体 主要在细胞质中 基本组成单位 脱氧核糖核苷酸 核糖核苷酸 五碳糖：脱氧核糖 碱基： 磷酸 A、G、C 、T 脱氧 核糖 碱基 磷酸 A 腺嘌呤 G 鸟嘌呤 脱氧核糖核苷酸 C 胞嘧啶 T 胸腺嘧啶 五碳糖：核糖 碱基： 磷酸 A、 G、C 、 U 核糖 碱基 磷酸 A 腺嘌呤 G 鸟嘌呤 核糖核苷酸 C 胞嘧啶 U 尿嘧啶 依据已有知识分析推理——谁是遗传物质？ 蛋白质 DNA 支持的材料 否定的材料 一、对遗传物质的早期推测 一、对遗传物质的早期推测 1.亲子代之间联系的桥梁是生殖细胞。生殖细胞形成过程中，染色体和DNA的数量存在规律性的变化。 2.人们推测，既然基因能够控制那么多、那么复杂的生物性状，那么构成基因的遗传物质也一定是一种非常复杂、非常多样的化学物质，才能承担做为基因的艰巨任务。蛋白质恰好是结构最复杂、最多样的分子。 3.组成蛋白质的主要氨基酸约有21种。 4.组成DNA的核苷酸有4种。 5.蛋白质中氨基酸的不同排列组合可以贮存大量信息。 6.蛋白质是生命活动的承担者，与生物的性状密切相关。 7.蛋白质有复杂的空间结构，但在高温下空间结构会被破坏，容易变性。 8.DNA结构稳定，耐高温。 9.蛋白质不能进行自我复制，而且它在染色体中的含量往往是不固定的。 10.DNA能自我复制、并且在复制的过程中有多种机制保证准确性。 11. 一般情况下，同一种生物在不同发育时期或不同组织的细胞中，DNA的含量基本相等，而生殖细胞中的DNA含量恰好是体细胞中的一半。 12.同一生物的不同组织细胞中，蛋白质的种类和质量差异较大。 一、对遗传物质的早期推测 分析推理——谁是遗传物质？ 蛋白质 DNA 支持的材料 2、3、5、6 1、8、10、11 否定的材料 7、9、12 4 1. 亲子代之间联系的桥梁是生殖细胞。生殖细胞形成过程中，染色体和DNA的数量存在规律性的变化。 9. 蛋白质不能进行自我复制，而且它在染色体中的含量往往是不固定的。 10. DNA能自我复制、并且在复制的过程中有多种机制保证准确性。 遗传物质应在亲子代间有连续性 一、对遗传物质的早期推测 2. 人们推测，既然基因能够控制那么多、那么复杂的生物性状，那么构成基因的遗传物质也一定是一种非常复杂、非常多样的化学物质，才能承担做为基因的艰巨任务。蛋白质恰好是结构最复杂、最多样的分子。 3. 组成蛋白质的主要氨基酸约有21种。 4. 组成DNA的核苷酸有4种。 5. 蛋白质中氨基酸的不同排列组合可以贮存大量信息。 遗传物质应具有：多样性 7. 蛋白质有复杂的空间结构，但在高温下空间结构会被破坏，容易变性。 DNA结构稳定，耐高温。 11. 一般情况下，同一种生物在不同发育时期或不同组织的细胞中，DNA的含量基本相等，而生殖细胞中的DNA含量恰好是体细胞中的一半。 12. 同一生物的不同组织细胞中，蛋白质的种类和质量差异较大。 一、对遗传物质的早期推测 遗传物质应具有：稳定性 小结：遗传物质应该具有的特点 （1）多样性。具有贮存巨大数量遗传信息的潜在能力。 （2）连续性。能够精确地复制自己，保证在亲子代之间的传递。 （3）稳定性。结构稳定，保证遗传信息的准确，同时又具有可变化的机制。 （4）能够控制蛋白质的合成，从而控制生物的性状和新陈代谢。 必修1教材 第44页 寻找直接证据——实验 艾弗里 赫尔希 蔡斯 格里菲斯 二、肺炎链球菌的转化实验（体内转化实验） 1928年.英国.格里菲思 1.实验材料： 肺炎链球菌 （原核生物） S型细菌 R型细菌 菌落 菌体 毒性 光滑Smooth 粗糙Rough 有多糖类的荚膜 无多糖类的荚膜 有毒性，可致死 无毒性 S型菌使小鼠患败血症死亡，R型菌无毒性。 2.实验原理： 注意：S型细菌有致病性，可使人和小鼠患肺炎，小鼠并发败血症死亡。S型细菌使人和小鼠所患病症不同。 阅读课本43页的第二段，勾画课本中表格的相应内容 肺炎链球菌 R型菌 （菌落粗糙） S型菌 （菌落光滑） 第一组 不死亡 第二组 死亡 第三组 不死亡 第四组 死亡 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 1.自变量是什么? 因变量是什么？ 2.第一、二两组实验在整个实验中起什么作用？ 3.实验过程 4.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？ ①R型菌以某种方式使加热杀死的S型菌“复活”。 ②Ｓ型死菌刺激小鼠体内产生免疫物质，后者刺激Ｒ型菌突变成了Ｓ型菌。 ③S型菌的某种物质进入R型菌，合成了S型菌的荚膜。 3.对比第二、三组实验，说明什么？ 材料1:1931年，道森和西亚成功地在体外进行了转化实验:只在培养皿中使R型菌转化成S型菌，不需要以小鼠为媒介。 材料2:1933年，阿洛维将R型菌和S型菌的无细胞提取液（所有完整细胞、细胞碎片、荚膜分子都通过离心和过滤从提取物中去掉）混合，培养皿上仍长出了S型菌。 结论：已经加热致死的S型细菌，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” R型菌 S型菌 转化因子 S型菌 后代 “转化因子究竟是什么物质？” 可以控制生物的性状，可以复制，并能传递给下一代。 即遗传物质 设计实验 要解决的问题 —— 转化因子是什么物质？ 已有背景知识 —— 构成肺炎链球菌的主要物质有蛋白质、核酸、酯类、荚膜多糖等 如何设计实验？ 思路1：将加热致死S型菌各种物质分离提纯后与R型混合，观察是否发生转化。 思路2：用酶解法分别去除细胞提取液中各种成分后，观察能否将R型菌转化。 1.实验的自变量、因变量是什么？ 2.实验的对照组和实验组分别是什么？ 3.实验的方法有哪些？ 自变量：是否加入酶及酶的种类； 因变量：培养基中是否有活得S菌。 第一组为对照组，第二至第五组为实验组。 酶解法、细菌培养技术、对照实验等。 4.如何区分R型细菌和S型细菌？ 5.本实验能得出什么结论？ 观察菌落的形态。 （1）蛋白质、RNA、脂质不是S型细菌的遗传物质。（2）DNA是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质。（3）DNA只有保持分子结构稳定才能行使遗传功能 20 肺炎链球菌转发实验 1928年，格里菲斯肺炎链球菌小鼠体内转化实验 体内转化实验 加热杀死的S型细菌有某种转化因子促使R型活细菌转化为S型活细菌 20世纪40年代，艾佛里 DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质。 体外转化实验 S型菌 荚膜 控制荚膜形成的X基因 加热 杀死 被破坏的S型菌 X基因吸附在R型菌表面 X基因进入R型菌 重组 R型菌转化成S型菌 蛋白质和核酸对于高温的耐受力是不同的。在80-100 ℃的温度范围内，蛋白质失活，DNA双链解开；当温度恢复至室温后，DNA双链能够重新恢复，但蛋白质的活性无法恢复。 注意： 注意：只是少数R型细菌转化为S型细菌 基因重组 R型细菌转化为S型细菌的本质： 22 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？ 遵循单一变量原则和对照原则。 其巧妙之处在于：运用“减法原理”，即在每个实验组人为去除某个影响因素后，观察实验结果的变化。 最大的困难是：如何彻底去除细胞中含有的某种物质（糖类、脂质、蛋白质等） 科学方法：自变量控制中的“加法原理”和“减法原理” 与常态相比，人为去除某种影响因素的称为“减法原理”。 加法原理 与常态比较，人为增加某种影响因素的称为“加法原理”。 减法原理 S型细胞提取物 去掉蛋白质 去掉RNA 去DNA ①常温放置 H2O2溶液 ②90℃加热 ③加2滴FeCl3溶液 ④加2滴H2O2酶 艾弗里实验引发的思考 ——理应万众瞩目，缘何备受冷落？！ “四核苷酸假说”DNA不可能作为遗传物质？ 提取的DNA分子和DNA酶纯度不够？ DNA只是对荚膜的形成有直接效应，而非遗传物质？ 1948年 1949年 1950年 体内转化实验 体外转化实验 实验者 自变量 实验原理 实验方法 实验结果 实验结论 联 系 格里菲思 艾弗里及同事 加入培养基的S型菌的成分 S型细菌使人患肺炎或使小鼠患败血症 对S型细菌中的物质进行提取分离，分别单独地观察各种物质的作用 注射法 加热杀死的S型细菌能使R型细菌转化为S型细菌 S型细菌的DNA使R型细菌转化为S型细菌 S型细菌体内有“转化因子” S型细菌的DNA是遗传物质 ①所用材料相同，都是肺炎双球菌(R型和S型) ②体内转化实验是基础，仅说明S型细菌体内有“转化因子”，体外转化实验进一步证明“转化因子”是DNA ③两个转化实验都遵循对照原则、单一变量原则 注射的肺炎链球菌的类型、死活 酶解法、细菌培养技术 有没有比细菌更为简单的实验材料？ 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新技术，完成了另一个更具有说服力的实验。 思维碰撞 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 赫尔希 蔡斯 三、T2噬菌体侵染细菌实验 资料： T2噬菌体是一种专门寄生在大肠杆菌内的病毒。在T2噬菌体的化学组分中，60%是蛋白质，40%是DNA。 DNA的元素组成： 蛋白质的元素组成： C. H. O. N. P C. H. O. N.（S） 1.实验材料：噬菌体 增殖特点：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。 成分与染色体相似的生物 同位素示踪法 28 噬菌体侵染细菌过程 吸附 注入 合成 组装 释放 噬菌体吸附在细菌表面 把遗传物质注入到细菌细胞 利用细菌的化学成分和酶系统合成出噬菌体的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 1.进入大肠杆菌体内的是遗传物质 2.如何证明进入的是DNA还是蛋白质？ 同位素标记法 实验方法：放射性同位素标记法 DNA： C、H、O、N、P 蛋白质： C、H、O、N、S 35S 32P 35S标记的噬菌体 32P标记的噬菌体 对这两种物质的分析表明：仅蛋白质分子中含有硫，磷几乎都存在于DNA分子中。 思考：标记哪一种元素可以把DNA和蛋白质分开？为什么？ 设法把DNA与蛋白质分开，单独地、直接地观察它们的作用。 标记噬菌体方法： 在分别含有放射性同位素32P 和35S的培养基中培养细菌 分别用上述细菌培养T2噬菌体，制备含32P的噬菌体和含35S的噬菌体 1.先培养细菌 2.再培养噬菌体 直接用含有放射性同位素的培养基来培养噬菌体。 × 制备含有放射性标记噬菌体过程示意图 离 心 含35S培养基 含35S细菌 噬菌体侵染含35S细菌 含35S噬菌体 含32P培养基 含32P细菌 噬菌体侵染含32P细菌 含32P噬菌体 （1）噬菌体与大肠杆菌混合后为何要短时间保温？ （2）搅拌的目的是？ （3）离心的目的是？ （4）理论上，上清液和沉淀物中分别是什么？ 使噬菌体充分侵染大肠杆菌 33 上清液： 沉淀物： 未进入的物质 大肠杆菌和其体内新合成的噬菌体 （4）理论上，上清液和沉淀物中分别是什么？ 34 （5）噬菌体与大肠杆菌混合后要短时间保温 （6）搅拌不充分有什么影响？ 搅拌不充分有少量含35S的蛋白质外壳吸附在细菌表面，随细菌离心到沉淀物中。 保温时间过短： 保温时间过长： 部分噬菌体还没有侵染大肠杆菌， 大肠杆菌已裂解释放出子代噬菌体 上清液中出现放射性 上清液中出现放射性 上清液： 沉淀物： 实际： 实际： 理论：未进入的物质 理论：大肠杆菌和其体内新合成的噬菌体 未吸附的噬菌体、未进入的物质、已经释放的噬菌体 大肠杆菌和其体内新合成的噬菌体、吸附着大肠杆菌的噬菌体或物质 请对进入大肠杆菌的遗传物质是什么作出假设 36 组别 第一组实验 （35S标记蛋白质） 第二组实验 （32P标记DNA） 假设1：蛋白质进入，DNA未进入 上清液放射性_______ 沉淀物放射性_______ 上清液放射性_______ 沉淀物放射性_______ 假设2：DNA进入， 蛋白质未进入 上清液放射性_______ 沉淀物放射性_______ 上清液放射性_______ 沉淀物放射性_______ 假设3：DNA和蛋白质都进入 上清液放射性_______ 沉淀物放射性_______ 上清液放射性_______ 沉淀物放射性_______ 较低 较高 较高 较低 较高 较低 较低 较高 较低 较高 较低 较高 结论：DNA进入，蛋白质未进入。即DNA是遗传物质 37 亲代噬菌体 上清液(主要是噬菌体外壳) 沉淀物(主要是被侵染的大肠杆菌) 细菌裂解释放出的子代噬菌体有无放射性 35S-蛋白质 32P-DNA 实验结果 放射性高 放射性低 没有检测到35S 放射性低 放射性高 检测到32P 1. 35S标记的一组，为什么沉淀中出现了放射性？ 2. 32P标记的一组，为什么上清液中出现了放射性？ 搅拌不充分，仍有少量含35S的噬菌体蛋白质外壳吸附在细菌表面 a. 保温时间过短，部分噬菌体DNA还未侵染到细菌细胞内； b. 保温时间过长，噬菌体在大肠杆菌内增殖，后子代噬菌体释放出来； 【思考】以下噬菌体侵染细菌实验中,子代的标记情况？ ①若用32P和35S标记病毒而细菌未被标记， 只在子代病毒的DNA中有32P标记。 ②若用32P和35S标记细菌而病毒未被标记， 在子代病毒的DNA和蛋白质外壳中均有标记元素。 ③若用C、H、O、N标记病毒而细菌未被标记， 只在子代病毒的DNA中有标记元素。 ④若用C、H、O、N标记细菌而病毒未被标记， 子代病毒的DNA和蛋白质外壳中均有标记元素。 两个经典实验比较 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 放射性同位素标记法 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） 1.个体很小，结构简单，易于观察由遗传物质改变导致的结构和功能的变化；繁殖快，细菌20-30min就可以繁殖一代，病毒可在短时间内大量繁殖。 P46思考讨论： 2.巧妙运用减法原理，最大的困难是如何彻底去除细胞中含有的某种物质（糖类、脂质、蛋白质等）。 3.艾弗里：细胞培养技术、物质的提纯和鉴定技术等； 赫尔希：噬菌体的培养技术、同位素标记法、物质的提取和分离等技术 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。 DNA是唯一的遗传物质吗？ 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？ 背景知识：烟草花叶病毒TMV是由RNA和蛋白质组成的，在感染烟草时，会出现致病斑。 正常叶片 感染烟草花叶病素的叶片 （1）烟草花叶病毒，感染烟草→ （2）提取烟草花叶病毒的RNA，感染烟草→ （3）提取烟草花叶病毒的蛋白质，感染烟草→ 烟叶无病斑 烟叶出现病斑，并提取出烟草花叶病毒 烟叶出现病斑 RNA 蛋白质 RNA 分 离 感染 烟草 感染 烟草 出现病斑 不出现病斑 烟草花叶病毒（RNA和蛋白质） TMV蛋白质 +HRV的RNA HRV HRV蛋白质 +TMV的RNA TMV 烟草花叶病毒重建实验 实验结论：烟草花叶病毒的遗传物质是RNA，蛋白质不是遗传物质 车前草病毒HRV 烟草花叶病毒TMV RNA 蛋白质 蛋白质 RNA + + 项目 核酸 遗传物质 类型 核苷酸种类 碱基 种类 类型 核苷酸种类 碱基 种类 细胞 生物 真核细胞 DNA和RNA 8 5 DNA 4 4 原核生物 DNA和RNA ____ ___ _____ ___ ___ 非细胞生物 (病毒) DNA病毒 DNA 4 4 _____ ___ ___ RNA病毒 RNA ___ ___ ____ ____ ____ 8 5 DNA 4 4 DNA 4 4 4 4 真核生物、原核生物及病毒的核酸类型 绝大多数生物的遗传物质是 ，只有少数生物的遗传物质是 。所以说DNA是主要的遗传物质。 DNA RNA RNA 4 4 ①真核生物和原核生物的遗传物质一定是 DNA ②病毒的遗传物质要么为 DNA，要么为 RNA ③对于任何一种生物，其遗传物质只能是 DNA，或只能是 RNA，不会有“主要是 DNA”之说——只有面对“所有生物”综合描述时，才会有“主要是 DNA”之说。 3、在只含RNA的少数病毒（烟草花叶病毒、HIV、SARS、流感、禽流感）中，RNA才作为遗传物质。 2、凡是具有细胞结构的生物，既有DNA，又有RNA，遗传物质是DNA 1、一切生物的遗传物质是核酸 思考: 1、动物和人体的遗传物质是什么？ DNA 2、烟草的遗传物质是什么？ DNA 3、烟草花叶病毒的遗传物质是什么？ RNA 4、细菌的遗传物质是什么？ DNA 5、一切生物的遗传物质是什么？ 核酸 6、病毒的遗传物质是什么？ DNA或RNA 4、植物细胞中DNA的载体：染色体、叶绿体、线粒体，动物细胞中DNA的载体：染色体、线粒体，所以说，染色体是DNA的主要载体。原核细胞和病毒没有染色体。 设法将DNA与蛋白质分开，单独地.直接地去观察它们的作用。 以上成功之处，把几中成分分离后独立 1．科学的结论来自于科学的实验，同样也来自于对实验结果的正确说明。 提出问题——讲述研究的过程和方法——得出结论——提出新问题——讲述新的研究过程和方法——得出新结论” 任何一项科学成就，都是一个“实践、认识、再实践、再认识”的过程 T2噬菌体侵染细菌实验 肺炎链球菌转化实验 体外转化实验 体内转化实验 实验方法 放射性同位素标记法： 32P标记DNA 35S标记蛋白质 实验结论 DNA是T2噬菌体的遗传物质 实验过程 标记噬菌体 用含32P或35S的培养基培养大肠杆菌，再用大肠杆菌培养T2噬菌体。 噬菌体侵染细菌 用含32P或35S的T2噬菌体与细菌混合培养，然后搅拌、离心检测放射性 实验过程 实验结论 实验过程 实验结论 1.R型活细菌+小鼠→不死亡 2.S型活细菌+小鼠→死亡 3.加热致死的S型细菌+小鼠→不死亡 4.加热杀死的S型细菌+R型活细菌+小鼠→死亡 加热致死的S型细菌中含有使R型细菌转化为S型细菌的转化因子 1.S型细菌提取液+R型活细菌→R、S 2.S型细菌提取液+蛋白酶/RNA酶/酯酶+R型活细菌→R、S 3.S型细菌提取液+DNA酶+R型活细菌→R DNA是使R型细菌产生稳定性遗传变化的物质 T2噬菌体侵染细菌实验 肺炎链球菌转化实验 体外转化实验 体内转化实验 实验方法 放射性同位素标记法： 32P标记DNA 35S标记蛋白质 实验结论 DNA是T2噬菌体的遗传物质 实验过程 标记噬菌体 用含32P或35S的培养基培养大肠杆菌，再用大肠杆菌培养T2噬菌体。 噬菌体侵染细菌 用含32P或35S的T2噬菌体与细菌混合培养，然后搅拌、离心检测放射性 实验过程 实验结论 实验过程 实验结论 1.R型活细菌+小鼠→不死亡 2.S型活细菌+小鼠→死亡 3.加热致死的S型细菌+小鼠→不死亡 4.加热杀死的S型细菌+R型活细菌+小鼠→死亡 加热致死的S型细菌中含有使R型细菌转化为S型细菌的转化因子 1.S型细菌提取液+R型活细菌→R、S 2.S型细菌提取液+蛋白酶/RNA酶/酯酶+R型活细菌→R、S 3.S型细菌提取液+DNA酶+R型活细菌→R DNA是使R型细菌产生稳定性遗传变化的物质 课后练习 基础题 1.（1）（×）;(2)（×）。 2.C。3.D。 拓展题 1.实验表明，噬菌体在感染大肠杆菌时，进入大肠杆菌内的主要是DNA，而大多数蛋白质却留在大肠杆菌的外面。因此，大肠杆菌裂解后，释放出的子代噬菌体是利用亲代噬菌体的遗传信息，以大肠杆菌的氨基酸为原料来合成蛋白质外壳的。 2.肺炎双球菌转化实验和噬菌体感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条件：能够精确地复制自己；能够指导蛋白质合成，从而控制生物的性状和新陈代谢；具有贮存遗传信息的能力；结构比较稳定等。 $$