第三章

基因的本質第1節DNA是主要的遺傳物質噬菌體大腸桿菌S型細菌R型細菌煙草花葉學習目標1、通過肺炎鏈球菌轉化實驗和噬菌體侵染等實驗認同DNA是遺傳物質。2、掌握肺炎鏈球菌體內和體外轉化實驗的過程和結論；體驗探究生物遺傳物質的實驗思路；分析比較本節三大實驗的實驗方法和實驗結論。3、認同人類對遺傳物質的認識是不斷深化、不斷完善的過程，認同實驗技術在證明DNA是遺傳物質中的作用。4、說明DNA是主要的遺傳物質。學習目標1891年1866年1909年1903年孟德爾發現遺傳定律科學家描述減數分裂全過程薩頓假說：基因和染色體存在平行關系摩爾根證明基因在染色體上20世紀中葉染色體主要由蛋白質和DNA組成遺傳物質

是

蛋白質？

DNA

?遺傳物質探究史問題探討

蛋白質和DNA這兩種物質中，究竟哪一種是遺傳物質呢？這個問題曾引起生物學界激烈的爭論。如果你是當時的一位科學家，你會支持哪種觀點呢？思考1：遺傳物質可能具有什么特點？思考2：證明某一種物質是遺傳物質的可行方法有哪些？遺傳物質應能夠儲存大量的遺傳信息；可以準確地復制，并傳遞給下一代；結構比較穩定等如：將特定的遺傳物質轉移給其他生物，觀察后代的性狀表現蛋白質是由多種氨基酸連接而成氨基酸多種多樣的排列順序，可能蘊含遺傳信息20世紀20年代20世紀30年代認識到DNA是由許多脫氧核苷酸聚合而成的生物大分子蛋白質是遺傳物質的觀點仍占主導地位蛋白質是遺傳物質對DNA結構沒有清晰的了解一、對遺傳物質的早期推測大多數科學家認為——蛋白質是遺傳物質肺炎鏈球菌體外轉化實驗噬菌體侵染細菌的實驗肺炎鏈球菌體內轉化實驗“我們表示懷疑！”艾弗里赫爾希蔡斯格里菲思問題聚焦1.肺炎鏈球菌的類型有幾種？有何特點？2.格里菲斯的實驗中，小鼠在什么情況下會死亡？實驗的結論是什么？

能否證明DNA和蛋白質誰是遺傳物質？3.艾弗里的實驗思路是什么？結論是什么？能否證明DNA是遺傳物質？4.赫爾希、蔡斯實驗選用了哪些材料？實驗思路是什么？二、肺炎鏈球菌的轉化實驗比較菌體特點菌落特點毒性S型細菌

R型細菌

1.肺炎鏈球菌的類型無致病性有致病性人和小鼠患肺炎小鼠并發敗血癥死亡無莢膜有莢膜光滑Smooth粗糙Rough相關信息莢膜是某些細菌的細胞壁外面包圍的一層膠狀物質。無莢膜的肺炎鏈球菌，感染人體或動物體后，容易被吞噬細胞吞噬并殺滅。有莢膜的肺炎鏈球菌可抵抗吞噬細胞的吞噬，有利于細菌在宿主體內生活并繁殖。課本P43第一組不死亡第二組死亡第三組不死亡第四組死亡注射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2.肺炎鏈球菌

體內

轉化實驗過程格里菲斯二、肺炎鏈球菌的轉化實驗1.對比第一、第二組的實驗現象，說明了什么？2.對比第二、第三組的實驗現象，說明了什么？思考：2.肺炎鏈球菌

體內

轉化實驗過程二、肺炎鏈球菌的轉化實驗3.

第四組小鼠為什么會死亡？體內分離出的S型細菌從哪里來？R型活菌

S型菌

轉化因子

S型菌

后代

加熱殺死的

S型菌R型細菌無致病性，S型細菌有致病性被加熱殺死的S型細菌無致病性問：該實驗能不能證明DNA是遺傳物質

？

不能，只能說明加熱殺死的S菌中有一種“轉化因子”，能使R菌轉化為S菌，使小鼠死亡2.肺炎鏈球菌

體內

轉化實驗過程二、肺炎鏈球菌的轉化實驗4.在格里菲思的肺炎雙球菌轉化實驗的第四組實驗中，從死亡小鼠體內是否只分離出S型活細菌？實驗結論：已經被加熱殺死的S型細菌，含有某種促使R型活細菌轉化為有毒性的S型活細菌的活性物質—“轉化因子”。注意：該實驗不能證明DNA是遺傳物質。不是，還有R型細菌。因為在肺炎雙球菌轉化時只有部分細菌轉化。【思考】1、第四組的R型細菌全部轉化為了S型細菌嗎？只有少部分R型菌轉化為了S型細菌（1）ab段R型細菌數量減少的原因是：小鼠體內形成大量的抗R型細菌的抗體，致使R型細菌數量減少。（2）bc段R型細菌數量增多的原因是：R型細菌轉化為S型細菌后，S型細菌增殖使小鼠患病，降低小鼠的免疫力，造成R型細菌大量繁殖。（3）后期出現的大量S型細菌的來源:R型細菌轉化成的S型細菌繁殖而來。轉化后的S型細菌可穩定遺傳。二、肺炎鏈球菌的轉化實驗

實驗結果R型菌S型菌

轉化S型菌

后代

加熱致死的S型細菌中的轉化因子是什么物質呢？思考：探究“轉化因子”究竟是什么？你有什么樣的設計思路，關鍵是什么？

如何設計實驗尋找S型肺炎鏈球菌的遺傳物質呢？二、肺炎鏈球菌的轉化實驗3.艾弗里的體外轉化實驗多糖脂類蛋白質RNA

DNA加熱殺死的S型細菌殺死的S型細菌中含有哪些物質呢？

究竟哪一個才是轉化因子呢？二、肺炎鏈球菌的轉化實驗關鍵：利用酶的專一性特異地去除某種物質，然后觀察在沒有這種物質的情況下，R型菌能不能發生轉化由于當時的技術有限，并不能徹底提純這些物質。因此艾弗里用酶解法，將物質單個排除，觀察剩余提取物的轉化活性來尋找轉化因子。①自變量：

。②因變量：

。不同處理的S型細菌的細胞提取物培養基中活細菌的種類③預處理：將加熱致死的S型細菌破碎后，設法去除絕大部分糖類、蛋白質和脂質，制成細胞提取物。④設計思路：利用減法原理，在S型細菌的提取物中，利用酶解法特異性地除去某種物質（用相應酶處理），然后分別加入有R型細菌的培養基中，觀察能否使R型細菌發生轉化艾弗里3.艾弗里的體外轉化實驗二、肺炎鏈球菌的轉化實驗有R型細菌的培養液加熱殺死的S型細菌的細胞提取液+S型細菌R型細菌有R型細菌的培養液加熱殺死的S型細菌的細胞提取液+S型細菌R型細菌混合混合有R型細菌的培養液加熱殺死的S型細菌的細胞提取液+混合只長R型細菌DNA酶蛋白酶（或RNA酶、酯酶）3.艾弗里的體外轉化實驗二、肺炎鏈球菌的轉化實驗(1)實驗過程：有R型細菌的培養液S型細菌的細胞提取物+混合S型細菌R型細菌第一組有R型細菌的培養液S型細菌的細胞提取物+混合S型細菌R型細菌第二至第四組蛋白酶(或RNA酶、酯酶)有R型細菌的培養液S型細菌的細胞提取物+混合只長R型細菌第五組DNA酶3.艾弗里的體外轉化實驗對照組實驗組(2)實驗分析：實驗二至四組分別說明

;實驗一、五組說明

有轉化作用。

（3）實驗結論：______才是使R型細菌產生穩定遺傳變化的物質。蛋白質、RNA、脂質沒有轉化作用DNADNA蛋白質不是遺傳物質含義：與常態比較，人為增加某種影響因素的稱為“加法原理”。舉例：在“比較過氧化氫在不同條件下的分解”的實驗中，與對照組相比，實驗組分別作加溫、滴加FeC13溶液、滴加肝臟研磨液的處理，就利用了“加法原理”。加法原理含義：與常態比較，人為去除某種影響因素的稱為“減法原理”。舉例：在艾弗里的肺炎鏈球菌轉化實驗中，每個實驗組特異性地去除了一種物質，從而鑒定出DNA是遺傳物質，就利用了“減法原理”。減法原理對照組實驗組實驗組實驗組對照組實驗組實驗組【拓展1】在對照實驗中控制自變量，可以采用“加法或減法原理”。p46S型菌莢膜控制莢膜形成的X基因加熱殺死被破壞的S型菌X基因吸附在R型菌表面X基因進入R型菌重組R型菌轉化成S型菌蛋白質和核酸對于高溫的耐受力是不同的。1、在80-100℃的溫度范圍內，蛋白質失活，DNA雙鏈解開；R型細菌轉化為S型細菌的本質：基因重組注意：只是少數R型細菌轉化為S型細菌2、當溫度恢復至室溫后，DNA雙鏈能夠重新恢復，但蛋白質的活性無法恢復。為什么格里菲斯第4組實驗中加熱殺死的S菌的DNA還具有轉化能力？?【拓展2】兩組肺炎鏈球菌轉化實驗得比較項目體內轉化實驗體外轉化實驗科學家培養場所實驗原理實驗原則實驗構思結果觀察實驗結論聯系格里菲思艾弗里及其同事小鼠體內培養基(體外)S型細菌有致病性，可使人和小鼠患肺炎，小鼠并發敗血癥死亡“減法原理”R型細菌與S型細菌的致病性對照S型細菌各成分進行對照加熱致死的S型細菌注射到小鼠作為對照來說明確實發生了轉化每個實驗組特異性地去除了一種物質小鼠是否死亡培養基中菌落類型S型細菌體內有轉化因子DNA才是使R型細菌產生穩定遺傳變化的物質體內轉化實驗是體外轉化實驗的基礎

有沒有更好的材料、更好的方法能夠將DNA和蛋白質分開，單獨去觀察它們的作用呢？1952年，赫爾希和蔡斯以T2噬菌體為實驗材料，完成了另一個更具有說服力的實驗說明DNA是遺傳物質艾弗里的實驗引起了人們的注意。但是，由于艾弗里實驗中無法真正提取出純DNA來進一步驗證遺傳物質就是DNA。因此，仍有人對實驗結論表示懷疑。他們因此獲得了諾貝爾獎！（一）實驗材料T2噬菌體和大腸桿菌增殖過程：合成組裝釋放吸附注入1.T2噬菌體三、噬菌體侵染細菌的實驗赫爾希與蔡斯噬菌體蛋白質DNA頭部尾部是一種專門寄生在大腸桿菌體內的病毒；頭部和尾部的外殼都是由蛋白質構成的，頭部含有DNA。（化學組成中，60%是蛋白質，40%DNA）思考：噬菌體是如何侵染大腸桿菌的？1.T2噬菌體增殖需要的條件內容模板的DNA合成T2噬菌體DNA原料提供的4種脫氧核苷酸合成T2噬菌體蛋白質原料_________________場所_________________噬菌體大腸桿菌大腸桿菌的大腸桿菌的核糖體三、噬菌體侵染細菌的實驗赫爾希與蔡斯T2噬菌體侵染大腸桿菌后，就會在自身遺傳物質的作用下，利用大腸桿菌體內的物質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量后，大腸桿菌裂解，釋放出大量的噬菌體。氨基酸三、噬菌體侵染細菌的實驗DNA蛋白質大腸桿菌假設1：噬菌體的蛋白質外殼進入細菌，DNA未進入假設2：噬菌體的DNA進入細菌，蛋白質外殼未進入假設3：噬菌體的DNA和蛋白質外殼都進入了細菌思考：如何才能知道噬菌體的DNA和蛋白質外殼有沒有進入細菌？赫爾希與蔡斯噬菌體侵染大腸桿菌時，哪一種物質進入了大腸桿菌體內？放射性同位素標記法選擇什么元素對DNA和蛋白質進行放射性標記？哪一種物質進入了大腸桿菌體內？DNA和蛋白質不能直接看到，怎么辦？放射性分別標記DNA和蛋白質選擇什么元素進行放射性標記三、噬菌體侵染細菌的實驗赫爾希與蔡斯實驗思路：將DNA和蛋白質分開，單獨觀察它們的作用(二）實驗方法：C、H、O、N、SC、H、O、N、P蛋白質的組成元素：C、H、O、N、SDNA的組成元素：C、H、O、N、P（標記32P）（標記35S）1、能不能用14C、3H和15N同位素來標記噬菌體？2、能不能用35S和32P標記同一個噬菌體？3、能否用含放射性物質的培養基直接來培養噬菌體？不能，因為噬菌體是病毒，無法單獨在培養基上存活，只有寄生在大腸桿菌內才能代謝、增殖。不能，因為放射性檢測只能檢測到是否具有放射性，不能確定是何種放射性元素。不能，因為C、H、N這些元素是蛋白質和DNA共有的元素，不能把DNA和蛋白質分開。思考：三、噬菌體侵染細菌的實驗感染感染未標記的T2噬菌體在含35S的培養基中培養大腸桿菌在含32P的培養基中培養大腸桿菌得到得到蛋白質被35S標記的噬菌體DNA被32P標記的噬菌體標記T2噬菌體思考：如何讓T2噬菌體帶上標記？

P45三、噬菌體侵染細菌的實驗赫爾希與蔡斯應用含被標記的大腸桿菌培養基培養噬菌體。1.先標記大腸桿菌大腸桿菌+含35S的培養基→含35S的大腸桿菌大腸桿菌+含32P的培養基→含32P的大腸桿菌2.第二步：標記T2噬菌體T2噬菌體+含35S的大腸桿菌→含35S的T2噬菌體T2噬菌體+含32P的大腸桿菌→含32P的T2噬菌體（三）實驗過程三、噬菌體侵染細菌的實驗赫爾希與蔡斯3.第三步：標記的噬菌體侵染未標記大腸桿菌短時間保溫后攪拌離心攪拌使吸附在細菌上的T2噬菌體與細菌分離。保溫時間過短，部分噬菌體還未侵染大腸桿菌；保溫時間過長，部分子代噬菌體已經釋放。離心使上清液中析出重量較輕的T2噬菌體顆粒，而離心管的沉淀物中留下被感染的大腸桿菌。上清液：T2噬菌體外殼沉淀物：被侵染的大腸桿菌和噬菌體標記的噬菌體侵染細菌（三）實驗過程三、噬菌體侵染細菌的實驗赫爾希與蔡斯離心后攪拌后離心離心后攪拌后離心被標記的物質具有放射性如果被標記的物質是遺傳物質，便會進入大腸桿菌進入了大腸桿菌，那么大腸桿菌便具有放射性大腸桿菌存在于沉淀中，那么沉淀便會具有放射性35S標記的噬菌體35S標記的噬菌體與細菌混合32P標記的噬菌體32P標記的噬菌體與細菌混合（三）實驗過程3.第三步：標記的噬菌體侵染細菌3.第三步：標記的噬菌體侵染細菌35S標記的噬菌體用35S標記的噬菌體與大腸桿菌混合經短時間保溫后用攪拌器攪拌離心檢測上清液和沉淀物中的放射性物質上清液放射性很高說明T2噬菌體中的蛋白質沒有進入大腸桿菌。沉淀物放射性很低攪拌不充分，有少量含35S的噬菌體蛋白質外殼吸附在細菌上，隨細菌離心到沉淀物中。（三）實驗過程噬菌體不是整個進入大腸桿菌體內。研究表明：空殼噬菌體能吸附但不能產生子代噬菌體，因此空殼噬菌體不含遺傳物質，遺傳物質在侵染時注入了大腸桿菌體內。在新形成的噬菌體中沒有檢測到35S細菌裂解?上清液為噬菌體外殼上清液的放射性很高沉淀物的放射性很低用35S標記的噬菌體侵染大腸桿菌理論上上清液(35S標記的蛋白質外殼）沉淀物無放射性沉淀物少量放射性實際上攪拌不充分攪拌不充分，導致少量含35S的噬菌體蛋白質外殼還吸附在細菌表面，離心時隨細菌到沉淀物中誤差分析32P標記的噬菌體說明T2噬菌體中的DNA進入了大腸桿菌。說明DNA是真正的遺傳物質用32P標記的噬菌體與大腸桿菌混合經短時間保溫后用攪拌器攪拌離心檢測上清液和沉淀物中的放射性物質沉淀物放射性很高上清液放射性很低培養（保溫）時間過短，部分噬菌體還未侵染細菌；培養（保溫）時間過長，部分子代噬菌體已經釋放。3.第三步：標記的噬菌體侵染細菌（三）實驗過程沉淀物的放射性很高上清液的放射性很低在新形成的部分噬菌體中檢測到32P細菌裂解?上清液為噬菌體外殼?沉淀物主要為包含噬菌體DNA的大腸桿菌用32P標記的噬菌體侵染大腸桿菌理論上沉淀物(32P標記的DNA）上清液無放射性實際上上清液少量放射性上清液少量放射性部分子代噬菌體已被釋放出來保溫時間過長保溫時間過短部分噬菌體還未侵染大腸桿菌誤差分析（四）實驗結論35S標記組：32P標記組：說明：T2噬菌體侵染細菌時，將

注入細菌的細胞內，蛋白質外殼留在仍留在外面。DNADNA才是噬菌體的遺傳物質三、噬菌體侵染細菌的實驗赫爾希與蔡斯親代噬菌體上清液(主要是噬菌體外殼)沉淀物(主要是被侵染的大腸桿菌)細菌裂解釋放出的子代噬菌體有無放射性35S-蛋白質32P-DNA放射性高放射性低蛋白質外殼未檢測到35S放射性低放射性高DNA中檢測到32P拓展：填表比較噬菌體侵染細菌實驗和肺炎雙球菌體外轉化實驗比較項目噬菌體侵染細菌實驗肺炎雙球菌體外轉化實驗設計思路設法將

和

分開,單獨研究它們各自不同的功能處理方法放射性同位素標記法:分別標記

和

的特殊元素直接分離法:分離S型細菌的

,分別與R型細菌混合培養檢測結果的方式檢測

。觀察

.結論DNA是遺傳物質DNA是遺傳物質,蛋白質等不是遺傳物質DNA其他物質DNA蛋白質多種組成物質放射性位置菌落的類型問題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料具有哪些優點？

個體小，結構簡單，細菌是單細胞生物，病毒無細胞結構，只有核酸和蛋白質外殼，易于觀察因遺傳物質改變導致的結構和功能的變化。繁殖快，細菌20-30min就可繁殖一代，病毒短時間內可大量繁殖。問題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？

艾弗里在每個實驗組中特異性地去除了一種物質，然后觀察在沒有這種物質的情況下，實驗結果會有什么變化。最大的困難是，如何徹底去除細胞中含有的某種物質（如糖類、脂質、蛋白質等）思考討論P46問題3：艾弗里和赫爾希等人都分別采用了哪些技術手段來實現他們的實驗設計？這對于你認識科學與技術之間的相互關系有什么啟示？（1）艾弗里采用的主要技術手段：細菌的培養技術、物質的提純和鑒定技術等。（2）赫爾希采用的主要技術手段：噬菌體培養技術、同位素標記技術、物質的提純和分離技術等。（3）啟示：科學成果的取得必須有技術手段作保證，技術的發展需要以科學原理為基礎，因此，科學與技術是相互支持、相互促進的。思考討論P461.易錯辨析(1)赫爾希和蔡斯用對比實驗證明DNA是遺傳物質。(2022·廣東卷)()(2)需用同時含有32P和35S的噬菌體侵染大腸桿菌。(2022·浙江6月選考)()

提示需單獨標記。(3)噬菌體在自身RNA聚合酶作用下轉錄出RNA。(2022·湖南卷)()

提示在大腸桿菌RNA聚合酶作用下轉錄。√××課堂小練(4)赫爾希和蔡斯的T2噬菌體侵染大腸桿菌實驗中可用15N代替32P標記DNA。(2019·江蘇卷)()提示蛋白質和DNA中都有N。(5)T2噬菌體可感染肺炎鏈球菌導致其裂解。(2018·全國卷Ⅱ)()提示T2噬菌體是一種專門寄生在大腸桿菌內的病毒。(6)赫爾希和蔡斯實驗中離心后細菌主要存在于沉淀中。(2017·江蘇卷)()(7)赫爾希和蔡斯實驗中細菌裂解后得到的噬菌體都帶有32P標記。(2017·江蘇卷)()提示只有含有母鏈DNA的才有32P標記。××√×課堂小練2.(2023·河南頂級名校聯考)在噬菌體侵染細菌的實驗中，下列敘述錯誤的是(

)A.子代噬菌體DNA中的部分元素來自親代噬菌體B.子代噬菌體蛋白質合成所需的氨基酸全部來自大腸桿菌C.子代噬菌體DNA的合成過程所需要的能量部分由線粒體提供D.指導子代噬菌體蛋白質合成的相關信息完全來自親代噬菌體C課堂小練3.(2024·遼寧師大附中月考)如表為T2噬菌體侵染大腸桿菌的實驗設計方案，下列敘述正確的是(

)組別大腸桿菌材料T2噬菌體材料結果檢測甲35S標記的大腸桿菌未被標記的T2噬菌體培養一段時間后，攪拌、離心，檢測子代T2噬菌體的放射性乙未被標記的大腸桿菌32P標記的T2噬菌體DA.甲組的子代T2噬菌體部分含放射性B.乙組的子代T2噬菌體全部含放射性C.該實驗能證明只有DNA才是T2噬菌體的遺傳物質D.乙組含放射