第3章 基因的本质 知识总结-2025-2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第3章 基因的本质 第1节 DNA是主要的遗传物质 一、对遗传物质的早期推测 早期认识：人们认为蛋白质是生物的遗传物质。 原因：当时人们对蛋白质已有一定的研究，蛋白质中氨基酸的种类、数量和排列顺序是千变万化的，可能蕴含遗传信息。而那时对其他生物大分子的研究较少，特别是对DNA的研究。 提示：现代研究及观点：蛋白质不能作为遗传物质。理由：蛋白质不能自我复制。 二、肺炎链球菌的转化实验 （一）格里菲思的肺炎链球菌（体内）转化实验 1.实验材料：两种肺炎链球菌 类型 有无荚膜 菌落特征 有无毒性 R型 无 粗糙 无 S型 有 光滑 有 2.实验过程、结果及结论： 实验过程 现　象 结　论 结论 将R型活细菌注射到小鼠体内 小鼠不死亡 R型活细菌无毒 在第四组实验中，已经被加热杀死的S型菌中必然含有某种促成这一转化的物质―“转化因子”。 将S型活细菌注射到小鼠体内 小鼠患败血症死亡 S型活细菌有毒性 将加热杀死后的S型细菌注射到小鼠体内 小鼠不死亡 加热杀死后的S型细菌无毒性 将无毒性的R型细菌与加热杀死后的S型菌混合后注射到小鼠体内 小鼠患败血症死亡并分离出S型菌，且能遗传 加热杀死后的S型细菌能够使R型细菌转化成S型细菌。 [小资料]——R型细菌转化为S型细菌的现代解释： 1．从形态上区分：R型细菌与S型细菌的差别就在于R型细菌没有荚膜，而S型细菌有。 2．形态差别的根本原因在于S型细菌的DNA上具有控制荚膜形成的相关基因，而R型菌没有。 3．将S型菌加热杀死时，高温使细菌蛋白质变性，DNA断裂形成许多片段，其中有控制荚膜形成的片段因为某种原因而进入了R型细菌的细胞内，并得到了表达，使R型菌长出了荚膜，而转变为S型细菌。 4．细菌转化：一种细菌接受了另一种细菌的遗传物质，性状发生改变的过程。细菌转化是基因重组的结果。提示：不是因为基因突变，也不是因为染色体变异。 （二）艾弗里的肺炎链球菌的体外转化实验： 1.实验思路： 设法逐步去除S型细菌的各组分后分别与R型活细菌混合培养，观察是否具有转化活性。 2.方法、步骤和结果： 组别 S型细菌细胞提取物的处理方法 实验结果 1 组 不做处理 将细胞提取物加入有R型活细菌的培养基 R型+S型 2 组 蛋白酶 R型+S型 3 组 RNA酶 R型+S型 4 组 酯酶 R型+S型 5 组 DNA酶 R型 3.结论： DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质，即肺炎双球菌的遗传物质是DNA。（不是蛋白质、RNA。更不是糖类、脂类等其它物质，也不是DNA的水解物——脱氧核苷酸）。 ▼科学方法：自变量控制中的“加法定理”和“减法定理” 1.加法原理： ①与常态比较，人为增加某种影响因素的称为加法原理。 ②例如在必修一酶一节中“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中，与对照组相比，实验组分别做了加温、滴加FeCl3溶液、滴加肝脏研磨液的处理，利用了“加法原理”。 2.减数原理： ①与常态相比，人为去除某种影响因素的称为减法原理。 ②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，这利用了“减法原理”。 三、T2噬菌侵染细菌的实验： 1.实验方法：放射性同位素标记法。 2.实验材料：T2噬菌体： ①成分只有蛋白质和DNA；②专一性寄生在能在大肠杆菌体内；③繁殖时，仅将遗传物质DNA注入大肠杆菌，其他物质保留在体外。自身仅提供DNA，繁殖所需原料（ 核苷酸、氨基酸）、酶和能量等均由大肠杆菌提供。 3.实验步骤： (1)放射性同位素标记：用35S标记一部分噬菌体的蛋白质(第1组)；用32P标记另一部分噬菌体的DNA(第2组)。 (2)培养噬菌体——用标记的噬菌体分别去侵染大肠细菌； (3)培养一定时间(噬菌体大量繁殖)后，搅拌、离心。 (4)对上清液和沉淀物的放射性进行检测。 4.结果与结论： 5.有关问题： （1）为什么用35S标记蛋白质，32P标记DNA；而不能用15N或14C、3H、18O等？ 提示：因为硫仅存在于T2噬菌体的蛋白质组分中，而磷则主要（99%）存在于 DNA的组分中。用14C和18O等元素是不可行的，因为 T2噬菌体的蛋白质和DNA分子的组分中都含有这两种元素。 （2）为什么标记的不是同一部分噬菌体？提示：因为在噬菌体中，S只存在于蛋白质中，而99%的都P存在于DNA中。 如果标记同一部分的噬菌体，侵染细菌后，在细菌体内出现放射性，无法确定是35S-蛋白质，还是32P-DNA进入了细菌。 （3）从培养噬菌体到离心分离的时间不能过长，为什么？提示：如果培养噬菌体的时间过长，噬菌体在细菌内增殖后释放出来，经离心分离后分布于上清液中，会使上清液放射性升高。 （4）从理论上讲，第1组（35S标记组）的结果应该是放射性全都在上清液，而沉淀物没有放射性，而实验的实际结果是沉淀物有很低的放射性，最可能的原因是什么？ 第2组（32P标记组）的实验结果应该是放射性全都在沉淀中，上清液没有放射性，而实际结果上清液有很低的放射性？最可能的原因是什么？ 提示：35S标记的噬菌体吸附于细菌，因为搅拌、离心不充分而没有与细菌分离，随离心进入沉淀物中。 原因：部分32P标记的噬菌体没有侵染细菌，或部分标记的噬菌体在细菌体内增殖后释放出来，它们经离心后分布于上清液中。 （4）如何实现对噬菌体的标记？简要说明实验的设计方法和这样设计的理由。 ◇设计方法：（1）先分别将细菌在32P、35S的培养基上培养； （2）然后，用噬菌体去侵染分别被32P或35S标记的细菌。 ◇理由：因为噬菌体是营寄生生活，噬菌体DNA在细菌体内利用细菌的化学成分来指导合成自身的DNA和蛋白质外壳。 [知识拓展] 1. 噬菌体侵染细菌的大致过程——即噬菌体的增殖过程 吸附（借尾丝或刺突）→注入（注入的是DNA，蛋白质没有进入）→合成（DNA复制和蛋白质合成）→装配（组装形成子代噬菌体）→释放。 说明：在整个过程中，病毒只提供了自身的核酸，其增殖过程中所需的设备（如核糖体等），原料（如核苷酸、氨基酸等）、酶、能量等都是由宿主细胞提供。 2.细菌和病毒作为证明DNA是遗传物质的实验材料，其具有的优点是：①个体很小，结构简单，容易看出因遗传物质改变导致的结构和功能的变化。细菌是单细胞生物，病毒无细胞结构，只有核酸和蛋白质外壳。 ②繁殖快。细菌20～30 min就可繁殖一代，病毒短时间内可大量繁殖。 3.为什么不能在人工培养基上培养病毒呢？ 病毒是过寄生生活的，只能在宿主的活细胞内进行增殖，是不能在人工的培养基上生长繁殖的，因为其没有细胞结构，没有产能系统，没有酶系统，无独立的代谢能力。 4.作为遗传物质必须具备下列特点： ①分子结构具有相对稳定性。②能够自我复制，前后代保持一定的连续性。③能够指导蛋白质的合成，从而控制生物的性状。④能够引起可遗传的变异。 四、DNA是主要的遗传物质 1．因为绝大多数生物的遗传物质是DNA，而不是RNA，只有极少数病毒的遗传物质才是RNA。所以说DNA是主要的遗传物质。 绝大多数生物——所有真核生物、原核生物、DNA病毒（如噬菌体、乙肝病毒）。 极少数生物——极少数病毒（即RNA病毒）。 2．病毒的遗传物质是DNA或RNA。 举例：烟草花叶病毒、车前草病毒、HIV、流感病毒、SARS病毒等RNA病毒的遗传物质是RNA；而噬菌体、乙肝病毒等DNA病毒的遗传物质是DNA。 提示：原核生物和真核生物的遗传物质都是DNA，不是RNA。细胞质和细胞核的遗传物质都是DNA，而不是RNA。 3．核酸是一切生物的遗传物质。 第2节 DNA分子的结构 一、DNA双螺旋结构模型的构建 1.主要构建者：沃森和克里克 2.资料1：当时，科学界对DNA的认识（发展）：DNA分子是以脱氧核苷酸为单位连接而成的长链，这4种脱氧核苷酸分别含有A、T、C、G四种碱基。 资料2：威尔金斯和其同事富兰克林提供的DNA衍射图谱。——推算出DNA呈螺旋结构。 3.资料3：腺嘌呤（A）的量总是等于胸腺嘧啶（T）的量，鸟嘌呤（G）的量总是等于胞嘧啶（C）的量。 ——提出DNA是有规则的双螺旋结构。 4.1953年撰写论文发表，1962年获诺贝尔奖。 二、DNA分子的结构 DNA双螺旋结构模型的基本观点主要有： 1．DNA分子是由两条脱氧核苷酸长链组成，这两条链按反向平行方式盘旋而成有规则的双螺旋结构。 2．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。 3．DNA分子中两条链上的碱基通过氢键按照碱基配对原则连接成碱基对。 碱基互补配对原则：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。 DNA双螺旋结构表解： 主链（骨架） 碱基对 构成方式 1.脱氧核糖与磷酸交替排列； 2.两条主链呈反向平行； 3.盘绕成规则的双螺旋。 主链上对应碱基以氢键连结成对； 碱基互补配对原则：（A—T，G—C）； 位置 双螺旋外侧 双螺旋内侧 [知识拓展] 1．两条链上的碱基为什么不是嘌呤与嘌呤，嘧啶与嘧啶之间配对呢？ 其原因是，两条链之间的空间一定，两条链之间距离不变，其距离是2nm（20Ǻ），如果是嘌呤与嘌呤配对，则所占空间太大，容纳不下，若两条链上嘧啶与嘧啶相配对，则相距太远，无法形成氢键。 提示：嘌呤是双环化合物，而嘧啶是单环化合物。4种碱基的结构简式见下图： 2．互补碱基对A和T之间形成两个氢键，而C和G之间形成三个氢键。所以含C—G碱基对多的DNA稳定性相对较高、较耐热等。 3．在一个DNA分子中，一条链上的上下两个脱氧核苷酸是通过3，5磷酸二酯键连接的，两条链对应位置上的两个脱氧核苷酸是通过氢键相连的。 三、DNA分子的特点 1．稳定性——指DNA分子双螺旋结构的相对稳定性 原因在于：①磷酸与五碳糖交替排列，稳定不变；②内侧碱基对通过氢键形成碱基对，使两条脱氧核苷酸长链稳固在连在一起；③碱基堆积力。 2．多样性：虽然组成DNA只有四种碱基（A、T、C、G），并且碱基配对有严格的规律性，配对方式只有两种（A－T，G－C），但碱基对的数量成千上万，特别是碱基对的排列顺序是千变万化的，这种千变万化的碱基对的排列顺序构成了DNA的多样性。 规律性：有n个碱基对的DNA，其碱基对的排列顺序可能的种类有4n。有n个碱基的DNA分子，其碱基对排列顺序可能的种类有2n。 不同DNA分子中脱氧核苷酸的数目不同，参与构成的每种脱氧核苷酸数目也不同。不同生物的DNA的不同主要是指脱氧核苷酸（即碱基对）排列顺序的变化。 ▼提示：蛋白质的多样性决定于组成每种蛋白质的氨基酸的种类、数量和排列顺序不同；空间结构不同。 DNA分子中碱基对排列顺序的千变万化决定了DNA分子结构的多样性 DNA分子结构的多样性决定了蛋白质分子结构的多样性，从而决定了生物种类的多样性。这样从分子水平上说明了生物的多样性和特异性。 3．特异性：每一个特定DNA分子都有特定的碱基对排列顺序，蕴含了特定的遗传信息。这种特定的碱基排列顺序就构成了DNA分子的特异性。 不同种的生物DNA分子不同，同一种生物不同的生物个体DNA也不同。 第3节 DNA分子的复制 一、对DNA分子复制的推测 1.半保留复制——沃森和克里克的推测： 在复制过程中，原来双螺旋的两条链并没有被破坏，它们分成单独的链，每一条旧链作为模板再合成一条新链，这样在新合成的两个双螺旋分子中，一条链是旧的而另外一条链是新的，因此这种复制方式被称为半保留复制。 2.全保留复制——母链DNA分开，分别复制形成两条子链DNA，此后两条母链DNA彼此结合，恢复原状，新合成的两条子链彼此互补结合形成一条新的双链DNA分子。 半保留复制图示： 全保留复制图示： 二、DNA半保留复制的实验证据 ——1958年，美国生物学家梅塞尔森和斯塔尔以大肠杆菌为实验材料的实验： 1.实验方法：同位素标记法和密度梯度离心法。 2.实验过程：以含15NH4Cl的培养液来培养大肠杆菌，让大肠杆菌繁殖几代。 再将大肠杆菌转移到14N的普通培养液中。 然后，在不同时刻收集大肠杆菌并提取DNA，进行密度梯度离心，记录不同质量的DNA在离心管中的位置及比例。 3.实验分析：如果是半保留复制， 那么离心后应该出现三条DNA带：重带（15N/15N）－在试管底部位置、中带（14N/15N）－在试管中部位置和轻带（14N/14N）－在试管上部位置。 如果是全保留复制，那么离心后应该出现两条DNA带：重带（15N/15N）和轻带（14N/14N）。 4、实验结果：在试管中出现了DNA的这三条带。 5．结论：DNA的复制是以半保留的方式进行的。 三、DNA分子复制的过程 1．概念：以亲代DNA分子为模板，合成子代DNA的过程。（即1个DNA→2DNA分子） 2．时期：有丝分裂前的间期或减数第一次分裂前的间期。 ▼提示：无丝分裂和二均分裂等任何类型的细胞分裂都有DNA分子的复制。 3．场所：主要在细胞核，其次在线粒体、叶绿体中也会发生。 4．大致过程： ①解旋：在细胞提供能量的驱动下，DNA解旋酶将DNA双螺旋的两条链解开(即碱基之间的氢键断裂)，形成两条单链。 ▼提示：解旋酶的作用对象：氢键；作用结果：氢键断裂，双螺旋解开。 ②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。随着模板链解旋过程的进行，新合成的子链也不断延伸。 ③形成子代DNA分子(复旋)：每条新链与其对应模板链盘绕成双螺旋结构。形成各含一条母链和一条子链的2个DNA分子。 结果，一个DNA分子形成两个完全相同的子代DNA分子。 ▼提示：形成的子代DNA与亲代DNA完全相同，指的是碱基对的排列顺序——包含的遗传信息完全相同。 5．条件：⑴模板：亲代DNA的两条脱氧核苷酸长链（母链）； ⑵原料：细胞核中四种游离的脱氧核苷酸； ⑶能量：来自细胞呼吸产生的能量（ATP）；（dATP、dGTP、dCTP、dTTP） ⑷有关酶：如解旋酶、DNA聚合酶、（DNA连接酶）等。 6．特点：⑴边解旋，边复制；⑵半保留复制；⑶多个复制起点且双向复制。 7．DNA能精确复制的原因： ⑴有规则的双螺旋结构——精确的模板。⑵碱基互补配对原则——使复制准确无误。 8．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。即通过复制能准确地传递遗传信息。 第4节 基因通常是有遗传效应的DNA片段 一、基因的概念(本质) 基因通常是有遗传效应的DNA片段。 1.基因与DNA的关系 (1)基因通常是有遗传效应的DNA片段。（注：无遗传效应的DNA片段不能称之为基因）。 (2)每个DNA分子包含许多个基因。 2.基因与染色体的关系 (1)基因在染色体上呈线性排列。 (2)染色体是基因的主要载体， 3.基因与性状的关系： (1)性状：是指生物体的形态、结构和生理特性等的总和； (2)基因是决定生物性状的基本单位。不同的性状由不同的基因控制的。 二、DNA片段中的遗传信息 1.遗传信息：指基因中4种脱氧核苷酸特定的排列顺序。 2.DNA分子的多样性：DNA分子中碱基对排列顺序的千变万化，构成了DNA分子的多样性。 3.DNA分子的特异性：每一个DNA具有特定的碱基对的排列顺序，构成了DNA的特异性。 ▼DNA分子具有多样性和特异性，这是生物体多样性和特异性的物质基础。 学科网（北京）股份有限公司 $