人教版高中生物必修二3.1 DNA是主要的遗传物质 课件（共38张PPT）

3.1 DNA是主要的遗传物质
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？
讨论
1.你认为遗传物质可能具有什么特点？
(1)储存大量的遗传信息；
(2)可以准确地复制，并传递给下一代；
(3)结构比较稳定等。
2.你认为证明某一种物质是遗传物质的可行方法有哪些？
例如：将特定的遗传物质转移给其他生物，观察后代的性状表现。
一、对遗传物质的早期推测
1.20世纪20年代：
当时大多数科学家认为，蛋白质是生物体的遗传物质。
人们已经认识到蛋白质是由多种氨基酸转接而成的生物大分子，各种氨基酸可以按照不同的排列顺序，形成不同的蛋白质，即氨基酸多种多样的排列顺序，可能蕴含着遗传信息。
科学家本可以意识到DNA的重要性，但是，由于对DNA的结构没有清晰的了解，认为蛋白质是遗传物质的观点仍占主导地位。
一、对遗传物质的早期推测
2.20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。
二、肺炎链球菌的转化实验
1.肺炎链球菌的体内转化实验（格里菲思）
1928年，格里菲思用两种不同类型的肺炎链球菌去感染小鼠，做了肺炎链球菌的体内转化实验。
通过确凿的实验证据向遗传物质是蛋白质的观点提出挑战的，首先是美国生物学家艾佛里，而艾佛里的实验又是在英国微生物学家格里菲思的实验基础上进行的。
R型链球菌（rough）
S型链球菌（smooth）
二、肺炎链球菌的转化实验
1.肺炎链球菌的体内转化实验（格里菲思）
{69C7853C-536D-4A76-A0AE-DD22124D55A5}肺炎链球菌
菌落
荚膜
毒性
R型细菌菌落
S型细菌菌落
粗糙
光滑
无
有
无
有
是指细菌进入血液循环，并在其中生长繁殖、产生毒素而引起的全身性严重感染。以抗生素治疗为主，辅以其他治疗方法。预防措施为避免皮肤粘膜受损，防止细菌感染。
败血症：
R型链球菌
S型链球菌
荚膜：
是某些细菌的细胞壁外面包围的一层胶状物质。有荚膜的肺炎链球菌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。
二、肺炎链球菌的转化实验
1.肺炎链球菌的体内转化实验(格里菲思)
不死亡
注射R型
活细菌
说明R型细菌无毒
死亡
说明S型细菌有毒
注射S型
活细菌
不死亡
说明加热致死的S型细菌无毒
注射加热致死的S型细菌
死亡
说明R型细菌转化成了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
本实验遵循的原则：对照原则、单一变量原则。
二、肺炎链球菌的转化实验
格里菲斯推断：
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”。
多糖；脂质；蛋白质；
RNA；DNA。
加热杀死的S型菌体内含有多种物质，究竟谁是转化因子？
要确定“转化因子”是什么，关键思路是什么？
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。
1.肺炎链球菌的体内转化实验(格里菲思)
提出问题：
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
注意：由于S型细菌表面有荚膜，所以加热致死的R型细菌，无法将DNA注入到S型细菌内，完成转化
补充
1.肺炎链球菌的体内转化实验(格里菲思)
二、肺炎链球菌的转化实验
2.肺炎链球菌的体外转化实验(艾弗里)
艾弗里和他的同事将加热杀死的S细菌破碎后，设法去除绝大部分糖类、蛋白质和脂质，制成细胞提取物。再分别与R型活细菌混合培养，观察是否具有转化活性。
第五组
第二至第四组
第一组
二、肺炎链球菌的转化实验
2.肺炎链球菌的体外转化实验(艾弗里)
有R型细菌的培养基
S型细菌的细胞提取物
+
混合
R型细菌
S型细菌
有R型细菌的培养基
S型细菌的细胞提取物
+
混合
R型细菌
S型细菌
有R型细菌的培养基
S型细菌的细胞提取物
+
混合
只有R型细菌
蛋白酶(或RNA酶、酯酶)
DNA酶
二、肺炎链球菌的转化实验
2.肺炎链球菌的体外转化实验(艾弗里)
有R型细菌的培养基
S型细菌的细胞提取物
第一组
+
混合
R型细菌
S型细菌
1.本实验说明什么问题？
S型细菌的细胞提取物中含有该转化因子。
2.本实验起什么作用？
对照作用。
3.本实验能确定转化因子是哪种物质吗？
不能。
实验过程分析
有R型细菌的培养基
S型细菌的细胞提取物
第二至第四组
+
混合
R型细菌
S型细菌
蛋白酶(或RNA酶、酯酶)
二、肺炎链球菌的转化实验
2.肺炎链球菌的体外转化实验(艾弗里)
1.加蛋白酶的作用是什么？
去除S型细菌的细胞提取物中的蛋白质，其他物质都有。
2.加蛋白酶后R型菌还是被转化说明什么问题？
说明转化因子不是蛋白质。
实验过程分析
有R型细菌的培养基
S型细菌的细胞提取物
第二至第四组
+
混合
R型细菌
S型细菌
蛋白酶(或RNA酶、酯酶)
二、肺炎链球菌的转化实验
2.肺炎链球菌的体外转化实验(艾弗里)
3.同样加RNA酶、酯酶什么作用？
去除S型细菌的细胞提取物中的RNA或脂肪等物质。
4.这些组实验说明什么问题
说明蛋白质、RNA和脂肪等都不是转化因子。
实验过程分析
二、肺炎链球菌的转化实验
2.肺炎链球菌的体外转化实验(艾弗里)
实验过程分析
有R型细菌的培养基
S型细菌的细胞提取物
第五组
+
混合
只有R型细菌
DNA酶
1.加DNA酶的作用是什么？
去除S型细菌的细胞提取物中的DNA。
2.加DNA酶后只长R型菌说明什么问题？
说明细胞提取物中的转化因子很可能就是DNA。
3.艾弗里等人进一步分析了细胞提取物的理化特性，发现这些特性都与DNA的极为相似，于是得出结论：
DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质。
二、肺炎链球菌的转化实验
2.肺炎链球菌的体外转化实验(艾弗里)
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？
单一变量原则和对照原则。
运用“减法原理”。
如何彻底去除细胞中含有的某种物质（糖类、脂质、蛋白质等）
艾弗里的体外转化实验既证明了DNA是遗传物质，同时证明了蛋白质等不是遗传物质；
被转化的R型菌只是少量，在培养后既有R型细菌又有S型细菌的培养基中，R型菌的菌落占多数；
注意：
思考：
三、噬菌体侵染细菌实验
1952年，美国遗传学家赫尔希和他的助手蔡斯以T2噬菌体为实验材料，利用放射性同位素标记技术，完成了另一个有说服力的实验。
噬菌体结构模式图
1.噬菌体的结构
C、H、O、N、S。
C、H、O、N 、P。
DNA的组成元素：
蛋白质的组成元素：
T2噬菌体是一种专门寄生在大肠杆菌体内的病毒,它的头部和尾部的外壳都是由蛋白质构成的，头部含有DNA。
三、噬菌体侵染细菌实验
2.噬菌体侵染细菌的过程
噬菌体侵染大肠杆菌后，就会在自身遗传物质作用下，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，大肠杆菌裂解并释放出大量的噬菌体。
噬菌体侵染细菌
噬菌体借尾丝吸附在细菌表面。
把DNA注入到细菌细胞。
利用细菌的化学成分、酶系统和核糖体合成出噬菌体的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。
三、噬菌体侵染细菌实验
3.赫尔希和蔡斯的实验过程
思考问题：
问题1.怎么将DNA和蛋白质分开？能不能采用减法原理将DNA和蛋白质分别除去？
不能，这样会破坏噬菌体结构使其失去侵染能力。DNA和蛋白质在一起时可用放射性同位素分别标记DNA中的P元素和蛋白质中的S元素。
问题2.用35S和32P分别标记噬菌体的哪一种组分？为什么？
用35S标记蛋白质；用32P标记DNA，因为仅蛋白质分子中含有硫，磷几乎都存在于DNA分子中。
问题4.实验能否用32P和35S同时标记噬菌体？
不能，因为放射性检测时只能检测到放射部位，不能确定是哪种元素的放射性；若用32P和35S同时标记噬菌体，则上清液和沉淀物中均会具有放射性，无法判断噬菌体遗传物质的成分。
三、噬菌体侵染细菌实验
3.赫尔希和蔡斯的实验过程
思考问题：
问题3.用14C和18O等同位素可行吗？为什么？
不能，因为C和O这两种元素在DNA和蛋白质中都存在，不能把二者分开。
问题5.如何培养含放射性35S和32P的T2噬菌体？能否直接用含35S、32P的普通培养基来培养？
不能。因为T2噬菌体营寄生生活，无法独立生存。故应先培养细菌，再用细菌培养噬菌体。
先培养细菌
含35S的大肠杆菌
含32P的大肠杆菌
再培养噬菌体
含35S T2的噬菌体
含32P T2的噬菌体
含35S的培养基+大肠杆菌
+T2噬菌体
含32P的培养基+大肠杆菌
+T2噬菌体
三、噬菌体侵染细菌实验
3.赫尔希和蔡斯的实验过程
思考问题：
三、噬菌体侵染细菌实验
3.赫尔希和蔡斯的实验过程
三、噬菌体侵染细菌实验
3.赫尔希和蔡斯的实验过程
标记细菌　　　
分别用含35S(或含32P)的培养基培养大肠杆菌。
标记噬菌体
分别用噬菌体侵染用35S(或含32P)标记的大肠杆菌。
（短时间保温）
标记的噬菌体
侵染未标记的细菌
分别用35S(或含32P)标记的噬菌体侵染末标记的大肠杆菌。
一组用32P标记DNA，
一组用35S标记蛋白质。　　　
“短时间”：保证子代噬菌体的DNA和蛋白质在大肠杆菌中正处于合成阶段，子代噬菌体还没有组装好，或虽已经组装但并未使细菌发生裂解。
“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。
三、噬菌体侵染细菌实验
3.赫尔希和蔡斯的实验过程
搅拌离心　　　
搅拌的目的：使吸附在细菌上的噬菌体颗粒与细菌分离。
离心的目的：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而末裂解的大肠杆菌。
观察放射性的分布
噬菌体(外壳)
/未侵染的/释放的
上清液：
沉淀物：
被侵染的且末裂解的大肠杆菌
三、噬菌体侵染细菌实验
4.实验现象及结论
:
35S标记的实验
32P标记的实验
标记部位
放射性情况
上清液
沉淀物
实验表明
结论
蛋白质
DNA
有放射性（很高）
无（很低）
无（很低）
有放射性（很高）
T2噬菌体中的蛋白质
没有进入大肠杆菌
T2噬菌体中的DNA
进入了大肠杆菌
DNA进入到细菌的细胞中，蛋白质没有进入细菌细胞；
子代噬菌体的各种性状，是通过亲代的DNA遗传的；
DNA才是噬菌体的遗传物质；
不能证明蛋白质不是遗传物质。
(新形成的噬菌体中没有检测到35S)
(新形成的噬菌体中检测到32P)
三、噬菌体侵染细菌实验
4.实验现象及结论
问题探讨：
搅拌不充分，有少量含35S的噬菌体蛋白质外壳吸附在细菌表面，随细菌离心到沉淀物中。
问题2.用32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌时，发现上清液中放射性也较高，可能是什么原因造成的？
问题1.用35S标记的噬菌体侵染大肠杆菌时，发现沉淀物中也有少量放射性，可能是什么原因造成的？
保温时间过短，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；保温时间过长，噬菌体在大肠杆菌内增殖后释放出子代，经离心后分布于上清液中。
证明DNA是遗传物质的实验
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？
个体小，结构简单，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，易于观察因遗传物质改变导致的结构和功能的变化。繁殖快，细菌20-30分钟就可繁殖一代，病毒短时间内可大量繁殖。
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？
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。
最大的困难是：如何彻底去除细胞中含有的某种物质（如糖类、脂质、蛋白质等）。
证明DNA是遗传物质的实验
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？
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。
艾弗里采用的主要技术手段：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：噬菌体培养技术、同位素标记技术、物质的提纯和分离技术等。
三个经典实验对比
{616DA210-FB5B-4158-B5E0-FEB733F419BA}
肺炎双球菌
体内转化实验
肺炎双球菌
体外转化实验
噬菌体侵
染细菌实验
实验者
思路
分离方式
对照原则
结论
设法将DNA与蛋白质等分开，单独地研究它们遗传功能。
证明DNA是遗传物质，
蛋白质不是。
酶解法:
分别加入到R型菌中
放射性同位素标记法：
分别标记DNA和蛋白质
更有力地说明DNA是遗传物质,但不能证明蛋白质不是遗传物质
格里菲思
艾弗里
赫尔希和蔡斯
加热杀死的S型菌体内有“转化因子”。
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
能否说明DNA是自然界所有生物的遗传物质？
四、RNA也可作为遗传物质
目前，已有充分的科学研究资料证明，绝大多数生物都是以DNA作为遗传物质的。
烟草花叶病毒示意图和电镜照片
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？
四、RNA也可作为遗传物质
设计实验证明烟草花叶病毒的遗传物质是RNA。
RNA
分别侵染健康烟草植株
患病
得到病毒
RNA
蛋白质
蛋白质
不患病
不能得到
病毒
RNA是烟草花叶病毒的遗传物质。
结论：
分离出RNA和蛋白质
四、RNA也可作为遗传物质
其它常见RNA病毒：
新冠病毒
SARS病毒
艾滋病病毒
埃博拉病毒
流感病毒
自变量控制中的“加法原理”和“减法原理”(P46)
在对照实验中控制自变量，可以采用“加法或减法原理”；
①与常态比较，人为增加某种影响因素的称为“加法原理”。
例如在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中，与对照组相比，实验组分别作加温、滴加FeCl3溶液、滴加肝脏研磨液的处理，利用了“加法原理”。
②与常态相比，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，这利用了“减法原理”。
课堂总结
细胞结构生物
原核生物
真核生物
遗传物质是DNA
非细胞结构生物
遗传物质是RNA
含DNA的病毒：
含RNA的病毒：
生物
一切生物的遗传物质是核酸。
凡是具有细胞结构的生物，既有DNA，又有RNA，遗传物质是DNA。
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。
由于大多数生物的遗传物质是DNA，所以说DNA是主要的遗传物质。但肺炎双球菌的转化实验和噬菌体侵染细菌的实验只能证明DNA是遗传物质。
1.枯草杆菌具有不同类型，其中一种类型能合成组氨酸。将从这种菌中提取的某种物质，加入培养基中，培养不能合成组氨酸的枯草杆菌结果获得了活的能合成组氨酸的枯草杆菌。这种物质可能是（ ）
A.多肽
B.多糖
C.组氨酸
D.DNA
D
练习与应用
一、概念检测
A
2.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
练习与应用
一、概念检测
练习与应用
二、拓展应用
1.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。
练习与应用
二、拓展应用
2.结合肺炎链球菌的转化实验和噬菌体侵染细菌的实验，分析DNA作为遗传物质所具备的特点。
肺炎链球菌的转化实验和噬菌体侵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特点：能够精确的自我复制；能够指导蛋白合成，从而控制生物的性状和新陈代谢的过程，具有储存遗传信息的能力，结构比较稳定，等等。