3.1DNA是主要的遗传物质课件-2024-2025学年高一下学期生物人教版必修2

第3章 基因的本质 第1节 DNA是主要的遗传物质 学习目标： 1.科学家是怎样证明DNA是遗传物质的？ 2.为什么说DNA是主要的遗传物质 3.通过对科学家揭示DNA是遗传物质过程的分析，你对科学发现的过程和方法有哪些领悟？ 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 讨论 1.你认为遗传物质可能具有什么特点？ 遗传物质应能够储存大量的遗传信息；可以准确地复制，并传递给下一代；结构比较稳定，等等 2.你认为证明某一种物质是遗传物质的可行方法有哪些？ 将特定的遗传物质转移给其他生物，观察后代的性状表现 遗传物质之争：蛋白质还是DNA 探究点一：对遗传物质的早期推测 20世纪20年代 认识到蛋白质是由多种氨基酸连接而成的生物大分子 蛋白质是生物体的遗传物质 氨基酸多种多样的排列顺序，可能蕴含着遗传信息 20世纪30年代 认识到DNA是由脱氧核苷酸聚合而成的生物大分子 由于对DNA的结构没有清晰的了解 蛋白质依然是生物体的遗传物质 Ⅰ.肺炎链球菌转化实验 探究点二：对遗传物质的探索 1.肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae） 肺炎链球菌是一种革兰氏阳性菌，能引起人的肺炎和呼吸系统的其他疾病。1881年，美国的乔治·斯滕伯格和法国的微生物学家路易斯·巴斯德分别分离得到这种细菌，最初它被命名为Pneumococcus。1920年改称肺炎双球菌（Diplococcus pneumoniae）。因为它与链球菌非常相似，1974年被正式命名为肺炎链球菌。这种菌对小鼠也具有极大的杀伤力，会导致小鼠死亡。 1923年，英国的格里菲思发现肺炎链球菌的菌落有两种类型： S型 菌落呈光滑的圆顶形，形态较为规则，这种菌有荚膜，能引起小鼠死亡，被称为光滑型（Smooth），简称S型； R型 菌落为颗粒状、不规则，这种菌无荚膜，是减毒的，不会导致小鼠死亡，被称为粗糙型（Rough），简称R型。 4 Ⅰ.肺炎链球菌转化实验 探究点二：对遗传物质的探索 1928年，身为细菌学家的格里菲思在实验室里用肺炎链球菌来研制疫苗。 疫苗是减毒或降低活性了的生物制品，包括某些细菌，如能引起肺炎的肺炎双球菌，它进入动物机体后可以引起免疫反应从而抵御病菌的侵入。 2.弗雷德里克·格里菲思（Frederick Griffith，1879—1941） 格里菲思用了两种类型的肺炎双球菌，第一种是外面包有荚膜的S型菌。荚膜能有效的抵抗机体的防御，因此可以引起肺炎，严重的可以致死；另一种没有荚膜、没有毒性的R型菌。 为了解决“S菌为什么有毒性”以及“S菌的毒性是否为荚膜引起”这样的两个问题，格里菲思做了一系列实验。 Ⅰ.肺炎链球菌转化实验 探究点二：对遗传物质的探索 荚膜是某些细菌的细胞壁外面包围的一层胶状物质。无荚膜的肺炎链球菌，感染人体或动物体后，容易被吞噬细胞吞噬并杀灭。有英膜的可抵抗吞噬细胞的吞噬，有利于细菌在宿主体内生活并繁殖。 转化因子 转化 R型 S型 推论： 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” Ⅰ.肺炎链球菌转化实验 既然 R型菌与加热杀死的S型菌都无毒，格里菲思抱着无所谓的态度，将这两种组合混合后感染小白鼠，结果小白鼠死亡了。 这个结果与他原来所设想的大相径庭，却引起了他的极大兴趣。他检查了死鼠的血样，发现 R型菌已经有了荚膜，也就是说R型菌已变成了S型菌。 格里菲思的发现就是我们现在所说的 “转化 ”。 在当时的实验室技术条件下格里菲思无法知道 “转化因子”是什么!后来才有了艾弗里的分离实验，证实“转化因子”就是DNA。 本来格里菲思设计的一系列实验都是为了解决“S菌为什么有毒性”以及“S菌的毒性是否为荚膜引起”这样的两个问题的。按理说他得到否定的结论后实验应该告一阶段了，可他又进行了混合、感染的实验，做了看来可以不做的实验，甚至他可能没有这样的实验计划，只是一时兴起或灵感产生而信手就做了，结果却发现了惊人的结果。这正是体现了科学探究的魅力。 那么，转化因子到底是什么呢？ Ⅰ.肺炎链球菌转化实验 探究点二：对遗传物质的探索 3.奥斯瓦尔德·西奥多·艾弗里（Oswald Theodore Avery，1877—1955） 艾弗里，加拿大裔美国籍细菌学家。曾就读于科尔盖特大学和哥伦比亚大学内外科医学学院。1944年艾弗里与他的合作者提出报告，指出引起转化现象的是细胞内的脱氧核糖核酸分子，而不是当时人们普遍认为的蛋白质，却与诺贝尔奖失之交臂。艾弗里的发现因此开启了研究分子遗传学的大门，并为免疫化学的发展做出了贡献。此外，艾弗里还是分子生物学的先驱之一。 为了纪念艾弗里对科学的突出贡献，1976年国际天文联合会将月球上的一座环形山命名为艾弗里环形山。 有的人获得诺贝尔奖，是为自己增辉； 有的人获奖却是为诺贝尔奖增辉。 艾弗里没有获得诺贝尔奖，是诺贝尔奖的遗憾，不是艾弗里的遗憾。 如若我们在艾弗里的团队里，我们该如何探究“转化因子”的化学本质呢？ Ⅰ.肺炎链球菌转化实验 探究点二：对遗传物质的探索 R型活菌 S型菌提取液 R型活菌 S型菌提取液 R型活菌 S型菌提取液 R型活菌 S型菌提取液 R型活菌 S型菌提取液 混合 混合 混合 混合 混合 蛋白酶 酯酶 RNA酶 DNA酶 ① ⑤ ② ③ ④ 5组实验，分别说明了什么？最终得到的结论是什么？ 在肺炎球菌转化过程中，外部的DNA片段是怎么进 入Ｒ型 菌 的 呢?这其实是一个细菌的自然转化过程———具备自然转化能力的细胞可以自发地从外界获取DNA，其中具备摄取外源DNA能力的细胞被称为感受态细胞。这个转化的过程大致分为三步:首先，Ｒ型菌成为感受态细胞，接着感受态细胞摄取外源DNA，最后外源DNA在该细胞中进行同源重组 9 Ⅰ.肺炎链球菌转化实验 探究点二：对遗传物质的探索 S型 荚膜 控制荚膜形成的X基因 加热 杀死 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 4.R型细菌转化成S型细菌的原因 被破坏的S型细菌 R型 R型 S型 注意：只是少数R型细菌转化为S型细菌 转化的实质：基因重组 Ⅰ.肺炎链球菌转化实验 探究点二：对遗传物质的探索 严谨的艾弗里： ①细胞提取物中含有转化因子，而转化因子很可能是DNA ②进一步分析细胞提取物的理化性质，发现与DNA的极为相似 实验推论： ①DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质 ②蛋白质等其他物质不是遗传物质 由于艾弗里提纯所得到的DNA纯度并非100%，由于蛋白质杂质的存在，这一划时代的研究成果在当时并未很快被科学家所接受。 不过，对DNA作用的怀疑主要还是来自于“DNA无法承担携带复杂的遗传信息的任务”这一根深蒂固的认识。当时生物化学界的权威列文由于受到计量精度的限制，很难理解DNA能承载复杂的遗传信息；20世纪50年代前，大家都倾向于蛋白质是遗传物质。所以，艾弗里团队“DNA就是转化因子”的结论在当时很难被接受。 Ⅱ.噬菌体侵染细菌的实验 探究点二：对遗传物质的探索 1.赫尔希(Alfred Hershey 1908—1997)和助手玛莎·蔡斯（女）(Martha Chase 1927—2003) 一个实验能否成功，首先在于其实验材料的选择是否合理。 赫尔希和蔡斯根据已掌握的知识，选择了T2噬菌体作为实验材料由于他们的工作，获得了1969年诺贝尔生理学奖或医学奖 获奖理由：因为他们发现了病毒的复制机制和遗传结构 ①T2噬菌体只由DNA和蛋白质两种化学成分组成；②T2噬菌体能够在自身遗传物质的作用下，借助大肠杆菌，完成增殖过程；③组成T2噬菌体的蛋白质分子含有S元素，而P元素几乎都存在于DNA分子中；④T2噬菌体是一种专门寄生于大肠杆菌体内的病毒；⑤T2噬菌体能够特异性地吸附在大肠杆菌的表面；⑥相比较而言，T2噬菌体的密度小，大肠杆菌的密度大；⑦T2噬菌体借助于大肠杆菌增殖一代所用的时间等 "for their discoveries concerning the replication mechanism and the genetic structure of viruses.“ 众所周知，一个实验能否成功，首先在于其实验材料的选择是否合理。本实验用噬菌体和细菌作为实验材料是因为两者具有以下优点:①个体很小，结构简单，容易看出因遗传物质改变而导致的结构和功能的变化。噬菌体无细胞结构，仅由DNA和蛋白质组成，而细菌是单细胞生物。②繁殖快。噬菌体短时间内可大量繁殖(T2噬菌体在37°C下只需40 min就可以产生100 ～300个子代噬菌体［1］)，细菌20 ～30 min就可繁殖一代 12 a.能不能用酶解法将DNA和蛋白质分别除去？ 不能，这样会破噬菌体结构使其失去侵染能力。 b.DNA和蛋白质在一起时有什么办法区分呢？ 放射性同位素标记法。用32P和35S分别标记DNA和蛋白质 c. 如何用32P(或35S)给T2噬菌体做标记？ 用含有放射性同位素32P (或35S)的培养基培养大肠杆菌，再用上述大肠杆菌培养噬菌体，就可以得到DNA被32P (或蛋白质被35S)标记的T2噬菌体。 Ⅱ.噬菌体侵染细菌的实验 探究点二：对遗传物质的探索 T2噬菌体是一种专门寄生在大肠杆菌体内的病毒。T2噬菌体侵染细菌后，会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。 在T2噬菌体的化学组成中，60%是蛋白质，40%是DNA。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 DNA 蛋白质外壳 13 Ⅱ.噬菌体侵染细菌的实验 探究点二：对遗传物质的探索 14 Ⅱ.噬菌体侵染细菌的实验 探究点二：对遗传物质的探索 15 用35S标记的T2噬菌体侵染大肠杆菌 离心后，上清液的放射性很高，沉淀物的放射性很低，说明了什么？ 蛋白质没有进入细菌细胞内，不能确定DNA是否进入细菌内。 细菌裂解后，在新形成的噬菌体内没有检测到35S，又说明了什么？ 蛋白质不能控制噬菌体的性状，不能作为遗传物质。但不能确定DNA是否为遗传物质。 Ⅱ.噬菌体侵染细菌的实验 探究点二：对遗传物质的探索 用32P标记的T2噬菌体侵染大肠杆菌 离心后，上清液的放射性很低，沉淀物的放射性很高，说明了什么？ DNA进入到细菌细胞内，不能确定蛋白质是否进入细菌内。 细菌裂解后，在新形成的噬菌体内检测到32P,又说明了什么？ DNA控制噬菌体的性状，可以作为遗传物质。但不能确定蛋白质是否为遗传物质。 噬菌体侵染细菌时，DNA进入到细菌的细胞中，而蛋白质外壳仍留在外面。因此，子代噬菌体的各种性状，是通过亲代的DNA遗传的。DNA才是真正的遗传物质，蛋白质不是。 Ⅱ.噬菌体侵染细菌的实验 探究点二：对遗传物质的探索 2.噬菌体侵染细菌的过程 吸附 噬菌体借尾丝吸附在细菌表面 注入 把DNA注入到细菌的细胞中 合成组装 合成DNA和蛋白质，组装成新的噬菌体 裂解释放 细菌解体，释放出子代噬菌体 17 Ⅱ.噬菌体侵染细菌的实验 探究点二：对遗传物质的探索 1.为什么要保温？ 保证噬菌体充分侵染大肠杆菌；为噬菌体培养提供适宜的恒定的温度，以保证酶的活性。 2.为什么要搅拌？ 使吸附在细菌上的噬菌体颗粒与细菌分离。 3.为什么要离心？ 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大肠杆菌。 误差分析： 1.用35S标记的噬菌体侵染大肠杆菌时，为什么沉淀物还有放射性？ 搅拌不充分，部分吸附在细菌表面的蛋白质外壳与细菌没有分离，随细菌沉淀物中。 2.用32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌时，为什么上清液还有放射性？ ①噬菌体和大肠杆菌混合培养的时间过长，噬菌体在大肠杆菌细胞内增殖后释放出来，经离心后分布于上清液； ②混合培养的时间过短，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，使上清液出现放射性 。 1.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? ①个体很小，结构简单，易于观察因遗传物质改变导致的结构和功能的变化；②繁殖快 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? 从控制自变量的角度，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。（减法原理） 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? 艾弗里采用的主要技术手段有细菌的培养技术、物质的提纯和鉴定技术等。 赫尔希采用的主要技术手段有噬菌体的培养技术、放射性同位素标记技术，以及物质的提取和分离技术等 Ⅲ.证明DNA是遗传物质的实验 探究点二：对遗传物质的探索 Ⅲ.证明DNA是遗传物质的实验 探究点二：对遗传物质的探索   肺炎链球菌的转化实验 T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验 体内转化 体外转化 实验者 格里菲思 艾弗里 1952 赫尔希和蔡斯 实验材料 小鼠、肺炎链球菌 肺炎链球菌 T2噬菌体、大肠杆菌 实验过程 a.注射R型活细菌，小鼠存活。 b.注射S型活细菌，小鼠死亡。 c.注射S型死细菌，小鼠存活。 d.注射R型活细菌＋S型死细菌，小鼠死亡。 a.R型活菌＋S型菌提取液，出现了少量S型活菌。 b.R型活菌＋S型菌提取液＋蛋白酶，出现了少量S型活菌。 c.R型活菌＋S型菌提取液＋RNA酶，出现了少量S型活菌。 d.R型活菌＋S型菌提取液＋酯酶，出现了少量S型活菌。 e.R型活菌＋S型菌提取液＋DNA酶，出现了少量S型活菌 a.用放射性同位素标记大肠杆菌。 b.用放射性同位素标记噬菌体。 c.用被标记的T2噬菌体侵染未被标记的大肠杆菌，检测放射性出现的位置。 实验结论 已加热杀死的S型细菌体内含有 “转化因子”，促使无毒的R型细 菌转化为有毒的S型细菌，而且这种性状是可以遗传的。 只有S型细菌体内的DNA才是“转化因子”，即DNA才是遗传物质蛋白质不是遗传物质。 DNA是遗传物质。 设计思路 略 设法将S型细菌所含的物质分开，单独直接研究其作用。 设法将蛋白质和DNA分开，单独直接研究它们的作用。 实验方法 略 酶解法 、化学提纯法 放射性同位素标记法、离心 局限性 略 提纯的DNA中，含有0.02% 的蛋白质杂质。 过程复杂，操作麻烦 蛋白质 分别侵染健康烟草植株 患病 不能得到病毒 实验结论：烟草花叶病毒(TMV)的遗传物质是RNA Ⅳ.烟草花叶病毒组分单独侵染烟草实验 探究点二：对遗传物质的探索 RNA 不患病 得到全新病毒 Ⅴ.重组烟草花叶病毒侵染烟草实验 探究点二：对遗传物质的探索 蛋白质① RNA① 蛋白质② RNA② TMV① TMV② TMV② TMV① 蛋白①＋ RNA② 蛋白②＋ RNA① 实验结论：烟草花叶病毒(TMV)的遗传物质是RNA 重组病毒 重组病毒 侵染 侵染 分离 分离 Ⅵ.遗传物质的功能及化学本质 探究点二：对遗传物质的探索 PS:所有的生物都有自己的遗传物质 对细胞生物而言，细胞内同时存在DNA和RNA，其遗传物质却是DNA； 对病毒而言，因其仅有DNA或RNA， 故而其物质是DNA(如T2噬菌体、天花病毒等) 或是RNA(如HIV病毒、SARS病毒、烟草花叶病毒、COVID-19等)。 核酸是细胞内携带遗传信息的物质，在生物体的遗传、变异和蛋白质的生物合成中具有极其重要的作用。 生物体的遗传信息，就储存在4种核苷酸的排列顺序之中，而且每个个体的核酸分子，其核苷酸的排列顺序又各有特点。可以说，核酸分子是储存、传递遗传信息的生物大分子。 因为绝大多数生物的遗传物质是DNA，所以说，DNA是主要的遗传物质。 Ⅵ.科学方法 探究点二：对遗传物质的探索 在对照实验中，控制自变量可以采用“加法原理”或“减法原理”。 与常态比较，人为增加某种影响因素的称为“加法原理”。 例如，在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”的实验中，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，就利用了“加法原理"。 与常态比较，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，就利用了“减法原理”。 【2017年山东】根据遗传物质的化学组成，可将病毒分为RNA病毒和DNA病毒两种类型，有些病毒对人类健康会造成很大危害，通常，一种新病毒出现后需要确定该病毒的类型。 假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换，请利用放射性同位素标记的方法，以体外培养的宿主细胞等为材料，设计实验以确定一种新病毒的类型，简要写出： （1）实验思路 （2）预期实验结果及结论即可。(要求：实验包含可相互印证的甲、乙两个组) (1)思路 甲组：将宿主细胞培养在含有放射性标记尿嘧啶的培养基中，之后接种新病毒。培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。 乙组：将宿主细胞培养在含有放射性标记胸腺嘧啶的培养基中，之后接种新病毒。培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。 (2)结果及结论 若甲组收集的病毒有放射性，乙组无，即为RNA病毒；反之为DNA病毒。 $$