3.1 DNA是主要的遗传物质—化身遗传咨询师（情境课件）生物人教版必修2

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 目录 生命观念 1.认同“DNA是主要的遗传物质”这一核心观念，并能解释“主要”二字的含义。 科学思维 1.能够分析并评价证明DNA是遗传物质的经典实验设计，理解对照、分离、标记等科学方法。 2.能够基于实验现象和结果，运用归纳、演绎、批判性思维进行逻辑推理。 社会责任 1.感悟科学发现的艰辛与继承性，认识技术手段对科学研究的推动作用。 素 养 目 标 情境启思 陪审团任务简报：寻找遗传物质的真身 各位陪审员，你们将共同审理一桩科学史上的关键悬案： 【核心争议】 染色体中的蛋白质与DNA，谁才是真正的遗传物质？ 【任务派发】 1. 审查三位关键证人提交的实验证据 2. 分析每项证据的逻辑链与证明力 3. 做出最终裁决并理解裁决的全部含义 【时间线】 1928 → 1944 → 1952 嫌犯优势陈述：氨基酸多种多样的排列顺序，可能蕴含着遗传信息 20世纪20年代 但没发现其他大分子，有类似的结构特点 嫌犯优势陈述：DNA是由许多脱氧核苷酸聚合而成的生物大分子 20世纪30年代 但对DNA结构没有清晰认识 认为蛋白质是生物体的遗传物质 蛋白质是遗传物质的观点仍占主导地位 情境启思 嫌犯档案—对遗传物质的早期推测 仅凭嫌犯的外表和说辞无法定案，我们需要决定性实验证据！ 情境启思 嫌犯档案—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 确凿的实验证据 挑战 （1877~1941） （1877~1955） 格里菲思 情境启思 嫌犯档案—对遗传物质的早期推测 情境启思 证据一：格里菲斯的“转化奇案 时间：1928 证人：格里菲斯 证据：肺炎链球菌转化实验（体内转化） 在20世纪初的英国暴发了一场肺炎，肺炎是由一种名肺 炎链球菌的病原体引发的，其在人体内引发肺炎，在小 鼠体内则会引发小鼠死亡。 格里菲思是一名医生、微 生物学家，他从患者的痰液中收集培养了肺炎链球菌， 并利用它来进行实验研究，试图研制细菌性肺炎的疫苗 ，结果有了意想不到的收获。 陪审团意见： 指出了凶手（转化因子）的存在，但尚未 确认其身份，需要更多证据。 Frederick Griffith (1877-1941) 1.实验材料 肺炎链球菌 类型　 菌落表面特点 菌体表面特点 致病性 S型细菌 R型细菌 有致病性 能使人患肺炎，使小鼠并发败血症死亡 无致病性 光滑 Smooth 粗糙 Rough 荚膜是一些细菌细胞壁外的一层胶状物质，主要成分是多糖。有荚膜的肺炎链球菌可抵抗小鼠体内吞噬细胞的吞噬，有利于细菌在小鼠体内生活并繁殖。 情境串讲 一：格里菲斯的肺炎链球菌转化实验（体内） 2.实验过程 情境串讲 一：格里菲斯的肺炎链球菌转化实验（体内） 注入活的S型细菌 注入活的R型细菌 注入加热杀死 的S型细菌 注入加热杀死的S型细菌＋活的R型细菌 小鼠死亡，从小鼠体内 分离出S型活细菌 小鼠死亡，从小鼠体内 分离出S型活细菌 小鼠不死亡 小鼠不死亡 3、实验过程 实验分析： 第1、2组对照，说明 R型细菌__________，S型细菌_________。 第2、3组说明，加热可以杀死S型细菌，使其_____________。 无毒性 有毒性 失去毒性 情境串讲 一：格里菲斯的肺炎链球菌转化实验（体内） 10 实验分析： 第4组小鼠为什么会死亡？_________________________________ 第4组小鼠体内分离出的S型细菌从何而来？ 由于体内有活的S型细菌的作用 起死回生？ 改头换面？ R型活菌 + S型死菌 S型活菌 转化 S型活菌 后代 这种转化产生的S型活细菌的后代也是有毒性的S型细菌，又说明了什么？ 转化的性状可以遗传（即遗传物质使其发生转化） 情境串讲 一：格里菲斯的肺炎链球菌转化实验（体内） 你能从该实验中学习到哪些实验方法？ 实验要控制单一变量和设置对照组。 推断：加热致死的S型细菌中含有“转化因子”，能将活的R型细菌转化成S型细菌。 陪审团疑惑： “转化因子”是什么？ 情境串讲 一：格里菲斯的肺炎链球菌转化实验（体内） 情境启思 证据二：艾弗里的”化学鉴定“ 时间：1944 证人：艾弗里 证据：肺炎链球菌转化实验（体外转化） 陪审团意见： 指出了凶手DNA，但当时（大法官） 科学界仍有疑虑，需要更多证据。 艾弗里（O.Avery，1877-1955） 要确定“转化因子”是什么，关键思路是什么？ 关键思路：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。 含R型细菌的培养基 分别加入 R型细菌？ S型细菌？ 观察菌落产生情况 加法原理 含R型细菌的培养基 提取液全部加入 R型细菌？ S型细菌？ 观察菌落产生情况 分别加入酶除去特定物质 减法原理 由于当时的技术有限，并不能彻底提纯这些物质。因此用酶解法，将物质单个排除，观察剩余提取物的转化活性来寻找转化因子。 情境串讲 二：艾弗里的肺炎链球菌转化实验（体外） 1、实验过程 （1）制备S型细菌的细胞提取物 S型细菌 死亡的S型细菌 加热致死 S型细菌的细胞提取物 破碎，除去绝大部分糖类、蛋白质、脂质等 情境串讲 二：艾弗里的肺炎链球菌转化实验（体外） 1、实验过程 （2）分组实验 实验分析： ① 第一组实验结果是培养皿中长出了S型活细菌。这说明什么？ S型细菌的细胞提取物中含有转化因子。 情境串讲 二：艾弗里的肺炎链球菌转化实验（体外） 1、实验过程 （2）分组实验 实验分析： ② 实验中加入的蛋白酶、RNA酶和酯酶的作用是什么？ 分别除去S型细菌细胞提取物中的蛋白质、RNA和酯类物质，以明确这些物质是不是转化因子。 情境串讲 二：艾弗里的肺炎链球菌转化实验（体外） 1、实验过程 （2）分组实验 实验分析： ③第一至四组的实验结果为什么既有R型细菌，又有S型细菌？ S型细菌中的转化因子使部分R型细菌发生转化。 S型细菌中的蛋白质、RNA、脂质等物质均不是转化因子。 情境串讲 二：艾弗里的肺炎链球菌转化实验（体外） 1、实验过程 （2）分组实验 实验分析： ④第五组，为什么培养皿中只有R型细菌？ DNA酶能水解DNA，从而破坏了DNA分子的结构，使其丧失转化功能。 DNA是转化因子。 情境串讲 二：艾弗里的肺炎链球菌转化实验（体外） 1、实验过程 （2）分组实验 实验分析： ⑤该实验的自变量和因变量是什么？ 自变量：是否加入酶及酶的种类； 因变量：培养基中是否有活的S菌。 空白对照 对照原则、单一变量原则 情境串讲 二：艾弗里的肺炎链球菌转化实验（体外） 鉴定分析表明：转化因子是DNA 3、实验结论： 加热杀死的S型细菌中DNA是转化因子。即 DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质。 （同时证明了蛋白质等不是遗传物质） 情境串讲 二：艾弗里的肺炎链球菌转化实验（体外） 加法原理 减法原理 含义：与常态比较，人为增加某种影响因 素的称为“加法原理”。 举例：“比较过氧化氢在不同条件下的 分解” 实验组 对照组 实验组 实验组 含义：与常态比较，人为去除某种影响因 素的称为“减法原理”。 举例：“艾弗里的肺炎链球菌转化实验” 每个实验组特异性去除了一种物质， 从而鉴定出DNA是遗传物质。 对照组 实验组 实验组 在对照实验中，控制自变量 情境串讲 二：艾弗里的肺炎链球菌转化实验（体外） 项目 格里菲思体内转化实验 艾弗里体外转化实验 培养细菌 体内培养 体外培养 巧妙构思 用加热杀死的 和 活细菌混合注入小鼠体内，与用加热杀死的S型细菌注射到小鼠体内作为对照实验，说明确实发生了转化 每个实验组用 特异性地去除S型细菌细胞提取物中的一种物质，然后培养R型活菌，看能否发生转化 观察指标 实验结论 已经被加热杀死的S型细菌体内含有某种促使R型活菌转化为S型活菌的活性物质——“ ” 是S型细菌的遗传物质 蛋白质等其他物质不是遗传物质 联系 ①所用材料相同，都是 ； ②体内转化实验是体外转化实验的基础，仅说明加热后杀死的S型细菌体内含有 ，体外转化实验进一步说明 ； ③实验设计都遵循 原则 小鼠 培养基 转化因子 DNA 某种“转化因子” “转化因子”是DNA R型和S型肺炎双球菌 对照原则、单一变量 S型细菌 R型 酶解法 小鼠是否死亡及体内是否有活的S菌 培养基中菌落类型 情境串讲 总结：肺炎链球菌转化实验（体内外） 能否将DNA和蛋白质彻底分开，单独地、直接地去观察它们各自的作用呢？ 陪审团质疑：艾弗里实验中提取的DNA，纯度最高时也还有0.02%的蛋白质。 1.在格里菲思所做的肺炎链球菌转化实验中，无毒性的R型活细菌与被加热致死的S型细菌混合后注射到小鼠体内，从小鼠体内分离出了有毒性的S型活细菌。某同学根据上述实验，结合现有生物学知识所做的下列推测中，不合理的是( ) A. 与R型菌相比，S型菌的毒性可能与荚膜多糖有关 B. S型菌的DNA能够进入R型菌细胞影响蛋白质的合成 C. 加热杀死S型菌使其蛋白质功能丧失而DNA功能可能不受影响 D. 将S型菌的DNA经DNA酶处理后与R型菌混合，可以得到S型菌 D 即学即练 肺炎链球菌转化实验 即学即练 肺炎链球菌转化实验 B 2.某科研小组在格里菲思实验的基础上增加了相关实验，实验过程如图所示。下列有关叙述正确的是(　 　) A.活菌甲在培养基上形成的菌落表面光滑 B.加热致死菌乙中的某种物质能使活菌甲转化成活菌乙 C.通过实验②，鼠2的血液中只能分离出活菌乙 D.鼠5死亡的原因是死菌甲中的某种物质能使死菌甲转化成活菌乙 情境启思 证据三：赫尔希与蔡斯的“同位素追踪” 时间：1952 证人：赫尔希与蔡斯 证据：噬菌体侵染细菌的实验 陪审团意见： 铁证如山！ 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：噬菌体侵染细菌的实验。 赫尔希(右，A.D.Hershey，1908-1997)和蔡斯(左，M.C.Chase，1927-2003) 1 实验材料： T2噬菌体 ——专门寄生在大肠杆菌体内的病毒 T2噬菌体模式图 尾部 头部 DNA 蛋白质外壳 噬菌体增殖过程中： 噬菌体只提供自身的DNA为模板，合成新DNA和蛋白质所需的原料、能量、场所、酶均来自大肠杆菌 大肠杆菌 情境串讲 三、噬菌体侵染细菌的实验 28 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？ 设法将T2噬菌体蛋白质与DNA分开，单独、直接地观察它们的作用。 放射性同位素标记法 尾部 头部 DNA 蛋白质 T2噬菌体 C、H、O、N、P C、H、O、N、S 32P 35S 同时标记一组噬菌体还是分组标记? 2 实验方法 情境串讲 三、噬菌体侵染细菌的实验 噬菌体侵染大肠杆菌过程： 吸附-注入-合成-组装-释放 情境串讲 三、噬菌体侵染细菌的实验 吸附 注入 合成 组装 释放 噬菌体尾部吸附在大肠杆菌表面 把遗传物质注入到细菌细胞 利用大肠杆菌的脱氧核苷酸合成出噬菌体的DNA、利用大肠杆菌的氨基酸合成蛋白质 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 噬菌体增殖过程： 情境串讲 三、噬菌体侵染细菌的实验 1、能否直接用含35S、32P的培养基分别培养噬菌体？ 不可以，噬菌体是病毒，无法单独在培养基上存活，需要寄生在大肠杆菌细胞内，应用 培养噬菌体。 3 实验过程 2、如何获得被35S、32P标记的大肠杆菌？ + 培养 含32P的 _________ 大肠杆菌 含32P的细菌培养基 大肠杆菌 含35S的 _________ 大肠杆菌 含35S的细菌培养基 + 培养 大肠杆菌 + 培养 培养 35S标记的 _______ 32P标记的 _______ T2噬 菌 体 甲组 乙组 T2噬菌体 T2噬菌体 第一步：获得被标记的噬菌体： 被标记的大肠杆菌 情境串讲 三、噬菌体侵染细菌的实验 P是DNA特有的元素，S是蛋白质特有的元素，用32P和35S分别标记噬菌体的DNA和蛋白质，可以单独地观察它们各自的作用 32 标记细菌 标记 噬菌体 标记的噬菌体侵染未标记细菌 （短时间保温） 搅拌 离心 观察放射性的分布 “短时间”：促使噬菌体充分侵染细菌；同时避免大肠杆菌裂解释放子代噬菌体 搅拌：使吸附在细菌上的噬菌体与细菌分离 上清液 沉淀物 轻：T2噬菌体颗粒 重：被感染的大肠杆菌 3 实验过程 第二步：标记的噬菌体侵染细菌： “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 情境串讲 三、噬菌体侵染细菌的实验 带标记的T2噬菌体去侵染什么样的大肠杆菌呢？ 33 上清液 沉淀物 子代噬菌体 放射性很高 无放射性 4 实验结果 放射性很低 35S（蛋白质）标记的噬菌体 上清液 沉淀物 子代噬菌体 32P（DNA）标记的噬菌体 35S标记的蛋白质没有进入到大肠杆菌内 32P标记的DNA进入到大肠杆菌内 蛋白质不是噬菌体的遗传物质 DNA是噬菌体的遗传物质 放射性很高 部分有放射性 放射性很低 情境串讲 三、噬菌体侵染细菌的实验 34 【误差分析1】用35S标记的噬菌体侵染大肠杆菌，沉淀物中有少量放射性的原因： 搅拌不充分 理论上 上 清 液 沉 淀 物 其中一个 大肠杆菌 实际上 原因分析： 由于搅拌不充分，有少量含35S的噬菌体吸附在细菌表面， 随细菌离心到沉淀物中。 情境串讲 三、噬菌体侵染细菌的实验 【误差分析2】用32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌，上清液中含少量放射性的原因: 保温时间 长 部分噬菌体未侵染 大肠杆菌 部分细菌裂解，噬菌体释放出来 实际上 理论上 上 清 液 沉 淀 物 释放 实际上 保温时间 短 原因分析：①保温时间过短，有一部分噬菌体还没有侵染到大肠杆菌细胞内，经离心后分布于上清液中，上清液中出现放射性。 ②保温时间过长，部分大肠杆菌裂解，子代噬菌体释放，经离心后分布于上清液，也会使上清液中出现放射性。 情境串讲 三、噬菌体侵染细菌的实验 即学即练 噬菌体侵染细菌的实验 1.赫尔希和蔡斯的噬菌体侵染细菌的实验表明（ ） A.DNA是遗传物质 B.遗传物质包括蛋白质和DNA C.病毒中有DNA，但没有蛋白质 D.细菌中有DNA，但没有蛋白质 A 即学即练 噬菌体侵染细菌的实验 2.T2噬菌体侵染大肠杆菌时，只有噬菌体的DNA进入细菌的细胞中，噬菌体的蛋白质外壳留在细胞外。大肠杆菌裂解后，释放出的大量噬菌体却同原来的噬菌体一样具有蛋白质外壳。请分析子代噬菌体的蛋白质外壳的来源。 实验表明噬菌体在侵染大肠杆菌时，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。 情境启思 证据四：重要补充！烟草花叶病毒遗传物质 陪审团结论： 经上述的证人呈现的证据可知DNA是噬菌 体的遗传物质。 陪审团疑问： 所有生物的遗传物质都是DNA吗？ 证据：烟草花叶病毒感染烟草的实验 陪审团意见： 是上述所有证据的重要补充！ 烟草花叶病毒的示意图(右上) 和电镜照片(左) RNA 蛋白质外壳 烟草花叶病毒的示意图(右上) 和电镜照片(左) RNA 蛋白质外壳 所有生物的遗传物质都是DNA吗？ 有些病毒不含DNA，只含有蛋白质和RNA，如烟草花叶病毒。 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？ 情境串讲 四、烟草花叶病毒感染实验 思路一：成分分离对照 提取 RNA 蛋白质外壳 RNA 蛋白质 提取 分离 感染 感染 患病 不患病 实验结论： 烟草花叶病毒的遗传物质是RNA 情境串讲 四、烟草花叶病毒感染实验 TMV 2 RNA 2 蛋白质 2 蛋白质 1+RNA 2 TMV 2 TMV 1 RNA 1 蛋白质 1 蛋白质 2+RNA 1 TMV 1 ： 思路二：病毒重组法 实验结论： 烟草花叶病毒的遗传物质是RNA 情境串讲 四、烟草花叶病毒感染实验 格里菲斯的 体内转化实验 艾弗里的 体外转化实验 “转化因子”是什么 加热杀死的 S型细菌中 含有“转化因子” 肺炎链球菌的转化实验 T2噬菌体侵染大肠杆菌实验 DNA是肺炎链球菌、T2噬菌体的遗传物质 DNA是细胞结构的生物和 DNA病毒的遗传物质 更多实验证据 RNA是TMV的遗传物质 RNA是RNA病毒的 遗传物质 更多实验证据 DNA是主要的遗传物质 提示：具体某种或某一类生物的遗传物质是DNA或RNA，不能加“主要”二字。 为什么说“DNA是主要的遗传物质”？ 情境串讲 四、烟草花叶病毒感染实验 43 不同生物的遗传物质 生物类型 核酸种类 遗传物质 代表生物 有细胞结构的生物 无细胞结构的生物 真核生物 原核生物 DNA和RNA DNA和RNA DNA DNA 细菌，放线菌，蓝细菌等 高等植物、 动物和人等 DNA病毒 RNA病毒 DNA RNA DNA RNA T2噬菌体 烟草花叶病毒、HIV病毒、SARS病毒、禽流感病毒等 因为绝大多数生物的遗传物质是DNA， 所以说DNA主要的遗传物质 情境串讲 四、烟草花叶病毒感染实验 44 即学即练 烟草花叶病毒感染实验 D 1．下列有关遗传物质的叙述，正确的是(　　) A．DNA是所有生物的遗传物质 B．酵母菌的遗传物质主要是DNA C．艾滋病病毒的遗传物质是DNA或RNA D．病毒的遗传物质是DNA或RNA 探究遗传物质是什么 ①格里菲斯-肺炎链球菌转化实验（体内转化实验） ②艾弗里-肺炎链球菌转化实验（体外转化实验） ③赫尔希+蔡斯-噬菌体侵染实验 ④烟草花叶病毒感染烟草实验 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型细菌的活性物质——转化因子 DNA才是使R型菌产生稳定遗传变化的物质 DNA是噬菌体的遗传物质 RNA是烟草花叶病毒的遗传物质 课堂小结 DNA是主要的遗传物质 46 1.(检测目标1)某研究人员模拟肺炎双球菌转化实验，进行了以下4个实验： ①S型菌的DNA + DNA酶 → 加入R型菌 → 注射入小鼠 ②R型菌的DNA + DNA酶 → 加入S型菌 → 注射入小鼠 ③R型菌+DNA酶 → 高温加热后冷却 → 加入S型菌的DNA → 注射入小鼠 ④S型菌+DNA酶 → 高温加热后冷却 → 加入R型菌的DNA → 注射入小鼠 以上4个实验中小鼠存活的情况依次是（ ） A．存活，存活，存活，死亡 B．存活，死亡，存活，死亡 C．死亡，死亡，存活，存活 D．存活，死亡，存活，存活 D 课堂练习 能力提升 2.（检测目标1）下列关于“肺炎链球菌转化实验”的叙述，正确的是 (　　) A.格里菲思的肺炎链球菌转化实验中，R型细菌转化成的S型细菌不能稳定遗传 B.格里菲思的肺炎链球菌转化实验中，S型细菌的荚膜物质使R型细菌转化成有荚膜的S型细菌 C.艾弗里的肺炎链球菌转化实验中，蛋白质也能使部分R型细菌转化成S型细菌且可实现稳定遗传 D.艾弗里的肺炎链球菌转化实验中，经DNA酶处理的S型细菌提取物不能使R型细菌转化成S型细菌 D 课堂练习 能力提升 3.（检测目标1、2）为研究使肺炎链球菌发生转化的物质，某学习小组进行了肺炎链球菌体外转化实验，其基本过程如图所示。下列叙述错误的是(　　) A.该实验的假设是“使肺炎链球菌发生转化的物质是蛋白质或DNA” B.甲组实验作对照，培养皿中应当有两种菌落 C.该实验控制自变量用到了“加法原理” D.若乙组培养皿中有两种菌落，丙组培养皿中有一种菌落，则说明使肺炎链球菌发生转化的物质是DNA C 课堂练习 能力提升 4．（检测目标4）某同学对格里菲思的实验进行了改良，将R型菌、S型菌、加热杀死的S型菌、加热杀死的S型菌和R型活菌的混合物分别接种到甲、乙、丙、丁四组相同的培养基上，在适宜无菌的条件下进行培养，一段时间后，菌落的生长情况如图所示。下列有关叙述正确的是(　　) A．若培养前在甲组培养基中加入S型菌的DNA，得到的菌落类型与丁不同 B．甲、乙两组作为丁组的对照组，丙组培养基无菌落产生，可以不必设置 C．丁组的实验结果说明了使R型菌发生转化的物质是S型菌的DNA D．该实验中的无关变量有培养基的成分、培养条件、培养时间等 D 课堂练习 能力提升 人教版必修2 感谢观看！ $