2023-2024学年高一生物人教版（2019）必修第二册 学案 3.1 DNA是主要的遗传物质

第1节　DNA是主要的遗传物质
【学习目标】
1.通过分析科学家对遗传物质推测的探索过程,明确遗传物质具备的特点。(生命观念、科学思维)
2.通过分析肺炎链球菌的转化实验和噬菌体侵染细菌的实验思路,明确实验过程和结论,领悟科学家实验的过程和方法。(科学思维、科学探究)
3.基于实验探究所得结论,分析实例,知道遗传物质还有RNA,理解“DNA是主要的遗传物质”的内涵。(生命观念、科学思维)
4.说明自变量控制中的“加法原理”和“减法原理”。(科学思维、科学探究)
【自主预习】
一、对遗传物质的早期推测
20世纪20年代,大多数科学家认为　蛋白质　是生物体的遗传物质。20世纪30年代,人们意识到　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。
二、肺炎链球菌的转化实验
1.肺炎链球菌的类型
类型 S型细菌 R型细菌
菌落 表面　光滑　 表面　粗糙　
荚膜 　有　 　无　
有无致病性 　有　 　无　
2.格里菲思的肺炎链球菌体内转化实验
实验过程 结果分析 结论
(1)R型活细菌小鼠　不死亡　 R型细菌　无　致病性 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型活细菌的活性物质——　转化因子　
(2)S型活细菌小鼠　死亡 S型活细菌 S型细菌　有　致病性
(3)加热致死的S型细菌小鼠　不死亡　 加热致死的S型细菌已失活
(4)R型活细菌与加热致死的S型细菌小鼠　死亡 　S型　活细菌 R型细菌转化为　S型　细菌,且性状可以遗传
3.艾弗里的肺炎链球菌体外转化实验
(1)实验过程及结果
(2)结论:　DNA　才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质。
三、噬菌体侵染细菌的实验
1.实验材料
(1)T2噬菌体结构:头部和尾部的外壳都是由　蛋白质　构成的,头部含有　DNA　。
(2)T2噬菌体增殖的特点:T2噬菌体是一种专门寄生在　大肠杆菌体内　的病毒,在侵染大肠杆菌后,就会在　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。当噬菌体增殖到一定数量后,大肠杆菌裂解,释放出大量的噬菌体。
2.实验过程及结果
实验过程 实验组别
一 二
设计思路 仅蛋白质分子中含有S,P几乎都存在于DNA分子中,用不同的放射性同位素分别标记蛋白质和DNA,直接、单独地观察它们的作用
标记 大肠杆菌 含35S的培养基+无标记的大肠杆菌→含35S的大肠杆菌 含32P的培养基+无标记的大肠杆菌→　含32P的大肠杆菌　
标记 噬菌体 无标记的噬菌体→侵染含35S的大肠杆菌→　含35S的噬菌体　 无标记的噬菌体→侵染含32P的大肠杆菌→含32P的噬菌体
噬菌体 侵染细菌 含35S的噬菌体+无标记的大肠杆菌→混合培养→搅拌后离心 含32P的噬菌体+无标记的大肠杆菌→混合培养→搅拌后离心
实验结果 上清液放射性　很高　,沉淀物放射性　很低　;在新形成的噬菌体中　没有检测到　35S 上清液放射性　很低　,沉淀物放射性　很高　;在新形成的部分噬菌体中　检测到　32P
实验分析 噬菌体侵染细菌时,含32P的噬菌体　DNA　进入细菌体内,而含35S的噬菌体　蛋白质外壳　并未进入细菌体内
3.结论:　DNA　才是噬菌体的遗传物质。
四、DNA是主要的遗传物质
1.RNA是遗传物质的实验证据
(1)实验材料:烟草花叶病毒(只含有　蛋白质　和　RNA　)、烟草。
(2)实验过程
(3)结论:烟草花叶病毒的遗传物质是　RNA　,不是　蛋白质　。
2.DNA是主要的遗传物质的原因:绝大多数生物的遗传物质是　DNA　,只有极少数生物的遗传物质是　RNA　。
【合作探究】
任务1　对遗传物质的早期推测及肺炎链球菌的转化实验
活动1　阅读课本P42~43,根据对格里菲思的肺炎链球菌体内转化实验的理解,结合材料回答以下问题
　　蛋白质和核酸对于高温的耐受力是不同的。在80~100 ℃,蛋白质失活,DNA双链解开;当温度降至55 ℃以下时,DNA双链能够重新恢复,但蛋白质的活性不能恢复。
1.S型细菌有致病性,R型细菌无致病性的原因是什么
提示　S型细菌的荚膜使其进入小鼠体内后能够抵抗吞噬细胞的吞噬,有利于细菌在宿主体内生活并繁殖。而R型细菌无荚膜,感染人体或动物体后,容易被吞噬细胞吞噬并杀死。
2.对照分析四组实验并根据实验结果推出实验结论。
第一组、第二组对照,说明R型细菌　。
第二组、第三组对照,说明　。
第三组、第四组对照,说明 　。
提示　无致病性,S型细菌有致病性　加热致死的S型细菌无致病性　R型细菌转化为S型细菌,且性状可以遗传
3.从格里菲思的实验中,你学习了哪些实验方法 能得出哪些结论
提示　实验中要控制单一变量和设置对照组。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型活细菌的活性物质——转化因子。
4.结合材料分析,转化因子可能是什么物质
提示　加热致死的S型细菌中蛋白质已经失去活性,DNA还能恢复活性,故转化因子可能是DNA。
例1　格里菲思用肺炎链球菌感染小鼠,进行了著名的转化实验,关于实验的结论错误的是(　　)。
A.说明了肺炎链球菌的遗传物质是DNA
B.说明了R型活细菌在一定条件下能够转化为S型活细菌
C.说明了R型活细菌不具有致病性,S型活细菌具有致病性
D.说明了加热致死的S型细菌不具有致病性
【答案】　A
【解析】　格里菲思的肺炎链球菌转化实验能够说明加热致死的S型细菌体内存在某种促使R型活细菌转化为S型活细菌的转化因子,但不能说明DNA是遗传物质,A错误,B正确;将R型活细菌单独注射到小鼠体内,小鼠存活,说明R型活细菌没有致病性,将S型活细菌单独注射到小鼠体内,小鼠死亡,说明S型活细菌有致病性,C正确;将加热致死的S型细菌注射到小鼠体内,小鼠能够存活,说明加热致死的S型细菌不具有致病性,D正确。
对点练1　(2023·泰安校考)某科研小组在格里菲思实验的基础上利用相同实验材料增加了相关实验,实验过程如图所示,下列叙述正确的是(　　)。
A.活菌甲是S型细菌,活菌乙是R型细菌
B.该实验证明了DNA是遗传物质,蛋白质不是遗传物质
C.从鼠2血液中分离出来的活菌都能使小鼠死亡
D.从鼠5体内分离出的活菌在培养基上培养,都会产生光滑菌落
【答案】　D
【解析】　R型细菌无致病性,不会导致小鼠死亡,而S型细菌有致病性,会导致小鼠死亡,且S型细菌的DNA会使R型活细菌转化为S型活细菌,因此图中活菌甲为R型细菌,活菌乙为S型细菌,A错误;格里菲思的实验证明S型细菌中存在某种转化因子,它能将R型活细菌转化为S型活细菌,但没有证明DNA是遗传物质,蛋白质不是遗传物质,B错误;加热致死的菌乙(S型细菌)的DNA使少数活菌甲(R型细菌)发生转化而成为S型细菌,大多数R型细菌未转化,故从鼠2血液中分离出来的活菌有S型细菌和R型细菌,R型细菌不能使小鼠死亡,C错误;从鼠5体内分离出的活菌均为S型细菌,因此其在培养基上培养,都会产生光滑菌落,D正确。
活动2　阅读课本P44,请根据对艾弗里体外转化实验的理解,结合下图回答以下问题
1.加入蛋白酶的作用是什么 设置该组的目的是什么 该组属于对照组还是实验组
提示　蛋白酶的作用是水解细胞提取物中的蛋白质。设置该组的目的是观察蛋白质的作用。该组属于实验组。
2.该实验的自变量是什么 控制自变量的方法是什么
提示　自变量是经不同酶处理的S型细菌的细胞提取物。控制自变量采用了“减法原理”。
3.五组实验的对照分析及结论分别是什么
提示　第一组是加入细胞提取物的组,属于对照组,结论为细胞提取物中含有转化因子。其余四组均属于实验组,实验结论分别为蛋白质、RNA、脂质等物质不是转化因子,DNA是转化因子。
4.能发生转化的组,培养基上生长的菌落情况是怎样的
提示　生长有R型细菌菌落和S型细菌菌落,但S型细菌菌落较少,说明R型细菌转化率是很低的。
认知生成
1.肺炎链球菌体内转化实验和体外转化实验的比较
项目 体内转化实验 体外转化实验
培养细菌 在小鼠体内 用培养基(体外)
实验对照 R型细菌与S型细菌的致病性对照 S型细菌体内各成分的相互对照
巧妙构思 将加热致死的S型细菌注射到小鼠体内作为对照,来说明确实发生了转化 观察利用酶解法去除某物质后,细胞提取物是否还具有转化效应
实验结论 加热致死的S型细菌体内有转化因子 转化因子为DNA
(续表)
项目 体内转化实验 体外转化实验
两实验 的联系 ①所用材料相同,都是R型和S型肺炎链球菌 ②体内转化实验是基础,而体外转化实验是体内转化实验的延伸 ③两实验都遵循对照原则、单一变量原则
2.艾弗里的肺炎链球菌转化实验分析
在转化过程中并不是所有的R型细菌均转化成S型细菌,而是只有少部分R型细菌转化成S型细菌,因为转化受DNA的纯度、两种细菌的亲缘关系、R型菌的状态等因素的影响。
例2　(不定项)艾弗里和其同事用R型和S型肺炎链球菌进行实验,结果如下表。从表中内容可知(　　)。
实验组号 接种菌型 经不同处理的S型 细菌的细胞提取物 培养皿 长菌情况
① R 不作处理 R型、S型
② R 加蛋白酶
③ R 加RNA酶 R型、S型
④ R 加酯酶 R型、S型
⑤ R 加DNA酶 R型
A.②培养皿中只出现R型细菌
B.该实验不能证明蛋白质不是遗传物质
C.该实验说明S型细菌的DNA很可能是转化因子
D.①~⑤组的结果说明DNA是主要的遗传物质
【答案】　C
【解析】　实验的自变量是经不同处理的S型细菌的细胞提取物,因变量是培养皿中的活细菌种类。②培养皿中会出现R型细菌和S型细菌,A错误;该实验可以证明蛋白质不是遗传物质,B错误;①②、①③、①④、①⑤两两对比,说明转化因子很可能是DNA,C正确;①~⑤组的结果说明DNA可能是遗传物质,但不能说明DNA是主要的遗传物质,D错误。
对点练2　下列关于艾弗里肺炎链球菌的转化实验的叙述,错误的是(　　)。
A.该实验是在格里菲思实验的基础上进行的
B.该实验过程中需要进行细菌的培养
C.该实验运用了酶解法和同位素标记法
D.实验过程中,可通过观察菌落的特征来判断是否发生了转化
【答案】　C
【解析】　艾弗里肺炎链球菌的转化实验运用了酶解法,但没有运用同位素标记法,C错误;R型细菌在培养基上形成的菌落表面粗糙,S型细菌在培养基上形成的菌落表面光滑,二者的菌落特征不同,故实验过程中可通过观察菌落的特征来判断是否发生了转化,D正确。
素能提升　自变量控制中的“加法原理”和“减法原理”(科学探究能力)
　　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”,人为去除某种影响因素的称为“减法原理”。在实验中常运用“加法原理”或“减法原理”进行处理,以减小或排除无关变量所造成的实验误差,确保结果准确。
1.在艾弗里的肺炎链球菌转化实验中,实验的设计遵循了哪些原理和原则 其巧妙之处是什么
提示　遵循了“减法原理”、单一变量原则和对照原则。其巧妙之处在于运用“减法原理”,人为去除某种影响因素后,观察实验结果的变化。
2.想一想之前的实验中,还有哪些实验采用了“加法原理”或“减法原理”
提示　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,就利用了“加法原理”。
例3　在对照实验中,控制自变量可以采用“加法原理”或“减法原理”。下列实验设计中采用了“加法原理”的是(　　)。
A.“验证Mg是植物生活的必需元素”实验中,完全培养液作为对照,实验组是缺Mg培养液
B.“验证光是光合作用的条件”实验中,对照组在光下进行实验,实验组作遮光处理
C.格里菲思将R型活细菌和加热致死的S型细菌混合后注射到小鼠体内,观察小鼠是否存活
D.在艾弗里的肺炎链球菌转化实验中,几个实验组分别添加蛋白酶、酯酶或DNA酶等
【答案】　C
【解析】　“验证Mg是植物生活的必需元素”实验中,完全培养液作为对照,实验组是缺Mg培养液,采用的是“减法原理”,A不符合题意;“验证光是光合作用的条件”实验中,对照组在光下进行,实验组作遮光处理,采用的是“减法原理”,B不符合题意;在肺炎链球菌的转化实验中,格里菲思向小鼠体内单独注射R型活细菌、S型活细菌及加热致死的S型细菌,作为对照组,然后将R型活细菌和加热致死的S型细菌混合后注射到小鼠体内,作为实验组,增加了实验的影响因素,属于“加法原理”的运用,C符合题意;在艾弗里的肺炎链球菌转化实验中,几个实验组分别添加蛋白酶、酯酶或DNA酶等的目的是除去相应的成分,采用的是“减法原理”,D不符合题意。
对点练3　某研究小组为了研究不同的酶抑制剂(可以抑制酶活性的一类物质)对酶活性的影响进行了相关实验,其结果如图所示。 回答下列问题:
(1)研究发现,竞争性抑制剂与酶结合后,底物不能再与酶结合;而非竞争性抑制剂与酶结合后,底物仍能与酶结合。据此推测,非竞争性抑制剂与酶结合的位点和底物与酶结合的位点　　　　(填“相同”或“不同”)。
(2)为验证物质X属于酶抑制剂,某研究小组将浓度为m的底物均分为甲、乙两组,甲组中加酶,乙组中加入酶和物质X。若甲组反应速率　　　　(填“大于”或“小于”)乙组,则可验证。在该实验基础上,若要进一步探究物质X是竞争性抑制剂还是非竞争性抑制剂,请设计实验(写出实验设计思路)。
【答案】　(1)不同　(2)大于　实验思路:在该实验基础上添加丙组,底物浓度大于m,加入酶和物质X,测定反应速率。
【解析】　(1)酶需要与底物结合后才能发挥作用,据题干信息“非竞争性抑制剂与酶结合后,底物仍能与酶结合”可知,非竞争性抑制剂与酶结合的位点和底物与酶结合的位点不同,故不占据酶的结合位点。(2)根据题意分析,若物质X属于酶抑制剂,则与加酶组相比,加入酶和物质X后反应速率会减慢,故甲组加酶、乙组中加入酶和物质X,甲组的反应速度大于乙组的。若要进一步探究物质X是竞争性抑制剂还是非竞争性抑制剂,则可在该实验基础上添加丙组,底物浓度大于m,加入酶和物质X,测定反应速率。据题图信息分析,若为竞争性抑制剂,则丙组反应速率应大于乙组;若为非竞争性抑制剂,则丙组反应速率与乙组相同。
任务2　噬菌体侵染细菌的实验
活动3　阅读课本P44~46,下图2表示T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验过程,根据图示回答下列问题
1.选用T2噬菌体作实验材料,有何优点
提示　T2噬菌体的DNA和蛋白质能自然完全分离,实验结果更可靠。
2.怎样才能让噬菌体的蛋白质或DNA被相应的同位素标记
提示　先用含放射性同位素的培养基培养细菌,得到带有标记的细菌;再用带有标记的细菌培养噬菌体,分别使噬菌体的蛋白质或DNA带上标记。
3.本实验采用的是放射性同位素标记技术,为什么用35S和32P进行标记 35S和32P应分别标记图1中的哪个部分
提示　S是噬菌体蛋白质特有的元素,P几乎都存在于DNA分子中,用放射性同位素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。35S标记图1中的④,32P标记图1中的①。
4.能否用14C和3H标记噬菌体 能否用32P和35S同时标记噬菌体
提示　不能,因为DNA和蛋白质中都含C和H,无法确认被标记的是何种物质。不能,因为若用32P和35S同时标记噬菌体,则上清液和沉淀物中均会出现放射性,无法判断是何种元素的放射性。
5.用32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌,上清液中有少量放射性的原因是什么
提示　(1)保温时间过短,部分噬菌体没有侵染到大肠杆菌体内,经离心后分布于上清液中;(2)保温时间过长,部分噬菌体在大肠杆菌体内增殖后释放出子代,子代经离心后分布于上清液中。
6.用35S标记的T2噬菌体侵染大肠杆菌,沉淀物中也有少量放射性的原因是什么
提示　搅拌不充分,有少量含35S的噬菌体蛋白质外壳吸附在大肠杆菌表面,随大肠杆菌离心到沉淀物中。
7.子代噬菌体的蛋白质外壳和DNA是如何合成的
提示　子代噬菌体的蛋白质外壳:由宿主细胞提供原料氨基酸,在宿主细胞的核糖体上合成,与亲代噬菌体的蛋白质外壳无关。子代噬菌体的DNA:由亲代噬菌体提供模板,利用宿主细胞提供的脱氧核苷酸合成子代噬菌体的DNA。
认知生成
噬菌体侵染细菌实验中上清液和沉淀物放射性分析
1.32P标记的T2噬菌体侵染大肠杆菌
2.35S标记的T2噬菌体侵染大肠杆菌
例4　某校生物研究性学习小组模拟赫尔希和蔡斯的噬菌体侵染细菌的实验,实验过程如图所示。下列有关分析正确的是(　　)。
A.理论上b和c中不应具有放射性
B.实验中b含有少量放射性与①过程中培养时间过长或过短有关
C.实验中c含有放射性与④过程中搅拌不充分有关
D.该实验证明了DNA是遗传物质,蛋白质不是遗传物质
【答案】　A
【解析】　35S标记的是T2噬菌体的蛋白质外壳,32P标记的是T2噬菌体的DNA,所以离心后,理论上b和c中不应具有放射性,A正确;35S标记的是T2噬菌体的蛋白质外壳,T2噬菌体侵染细菌时,蛋白质外壳留在外面,经搅拌后与细菌分开,所以若b中含有放射性,说明搅拌不充分,B错误;实验中c含有放射性与③过程中培养时间过长或过短有关,C错误;该实验只证明了DNA是遗传物质,没有证明蛋白质不是遗传物质,D错误。
【技巧归纳】　　“二看法”判断子代噬菌体标记情况
对点练4　如果用3H、15N、32P、35S标记噬菌体后,让其侵染未被标记的细菌,在产生的子代噬菌体的组成成分中,能够找到的标记元素为(　　)。
A.可在外壳中找到3H、15N和35S
B.可在DNA中找到3H、15N和32P
C.可在外壳中找到15N、35S
D.可在DNA中找到15N、32P、35S
【答案】　B
【解析】　噬菌体是由DNA和蛋白质组成的,DNA中含有C、H、O、N、P,而蛋白质中含有C、H、O、N、S等元素。用3H、15N、32P、35S共同标记噬菌体,其DNA中含有3H、15N、32P,蛋白质中含有3H、15N、35S。在噬菌体侵染细菌的过程中,蛋白质外壳留在外面,没有进入细菌内,只有DNA进入细菌内,所以在子代噬菌体的DNA中能够找到的标记元素为3H、15N、32P,而外壳中没有标记元素。
活动4　根据课本P46对烟草花叶病毒的介绍,认同DNA是主要的遗传物质
1.只有DNA是遗传物质吗
提示　不是,绝大多数生物的遗传物质是DNA,少部分病毒的遗传物质是RNA。
2.若要证明只含有RNA和蛋白质的某病毒的遗传物质是RNA,基本实验思路是什么
提示　设法将其RNA和蛋白质分离,然后单独、直接地观察它们各自的作用。
3.对于某一生物(如人、T2噬菌体、酵母菌等),能不能说它的遗传物质主要是DNA 如何理解DNA是主要的遗传物质
提示　不能,某种生物的遗传物质只能是DNA(如人、T2噬菌体、酵母菌等)或RNA(如人类免疫缺陷病毒等)。DNA是主要的遗传物质是相对所有生物来说的,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。
认知生成
不同生物的遗传物质
1.细胞生物
2.非细胞生物
例5　(2023·南通校考)下图表示科研人员探究“烟草花叶病毒(TMV)遗传物质”的实验过程,由此可以判断(　　)。
A.水和苯酚的作用是分离病毒的蛋白质和RNA
B.TMV的蛋白质不能进入烟草细胞中
C.侵入烟草细胞的RNA与烟草的蛋白质组装成新的病毒
D.RNA是TMV的主要遗传物质
【答案】　A
【解析】　由图可知,TMV放在水和苯酚中振荡后,分别得到了RNA和蛋白质,可见水和苯酚具有分离病毒的蛋白质和RNA的作用,A正确;从图中不能判断出TMV的蛋白质能否进入烟草细胞中,B错误;图中只显示出病毒的RNA和蛋白质分别接种到正常烟草后的现象,不能体现侵入烟草细胞的RNA与烟草的蛋白质组装成新的病毒,C错误;由图可知,接种了TMV的RNA后正常烟草感染病毒,而接种了蛋白质的正常烟草未感染病毒,故实验可证明RNA是TMV的遗传物质,D错误。
对点练5　(2023·延安期末)下列关于遗传物质的叙述,正确的是(　　)。
A.烟草花叶病毒的遗传物质是DNA
B.细胞生物的遗传物质一定是DNA
C.原核生物的遗传物质有些是RNA
D.新型冠状病毒的遗传物质是DNA或RNA
【答案】　B
【解析】　烟草花叶病毒、新型冠状病毒是RNA病毒,其遗传物质是RNA,A、D错误;有细胞结构的生物(原核生物、真核生物)含有DNA和RNA两种核酸,但其遗传物质一定是DNA,B正确,C错误。
【随堂检测】
课堂小结 课堂小测
判断正误。 (1)艾弗里的肺炎链球菌体外转化实验证明了DNA是主要的遗传物质。 (×) (2)分别用含有放射性同位素35S和放射性同位素32P的培养基培养噬菌体。 (×) (3)细胞生物遗传物质的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸或核糖核苷酸。 (×) (4)T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验中,32P标记组为实验组,35S标记组为对照组。 (×) (5)生物细胞核内的遗传物质为DNA,细胞质内的遗传物质为RNA。 (×)
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