(共42张PPT)
第3章 基因的本质
生物
章末复习
学习目标
1.通过学习遗传物质的发现历程,学会探究遗传物质的方法和思路,理解DNA在生命的延续发展中的作用。(生命观念、科学思维)
2.通过讨论分析DNA的结构和复制,形成结构与功能观。(生命观念)
3.能运用图解法分析DNA分子中的碱基数量和DNA复制中碱基数量变化、计算脱氧核苷酸需求量,培养归纳与概括、逻辑分析和计算能力。(科学思维)
学习重难点
重点:
1.肺炎链球菌转化实验和噬菌体侵染细菌实验的过程、原理、方法及其拓展。
2.DNA分子的结构和DNA分子的复制。
难点:
DNA分子碱基数量和DNA复制的计算规律。
考点情境
2020年席卷世界的新型冠状病毒感染,导致数千万人染病,数十万人死亡。引起这种疾病的罪魁祸首是新型冠状病毒,研究表明该病毒有使小鼠患帕金森病的风险,体外可用小鼠的胚胎干细胞进行培养。
新冠病毒是否为RNA病毒我们已知答案。但试想,如果让你用高中生物知识进行验证,你会用哪种实验策略?你能结合DNA的结构、复制机制、经典实验设计出一套验证路径吗?今天我们通过三个任务,重新梳理“基因的本质”的核心知识,重构实验逻辑,完成这场跨时空的生物学“挑战”。
任务一、什么是遗传物质?
(一)格里菲思的体内转化实验
预习检测:请说出体内转化实验的过程、结果、结论。
请结合自主预习内容回答。
(1)实验1、2对比,说明: 。
(2)实验2、3对比,说明: 。
(3)实验2、3、4对比,说明: 。
——三大实验对比整合与误差分析
死亡
不死亡
死亡
3.现象分析:
(1)实验1、2对比,说明:
R型细菌无致病性,S型细菌有致病性。
(2)实验2、3对比,说明:
加热致死的S型细菌无致病性。
(3)实验2、3、4对比,说明:
R型细菌能转化成S型细菌。
加热致死的S型细菌中,必然含有某种“转化因子”,使无致病性的R型活细菌转化为有致病性的S型活细菌。
单一变量原则
蛋白质和核酸对于高温的耐受力是不同的。在80~100 ℃的温度范围内,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,但蛋白质不能恢复活性。
加热致死的作用原理:
1.实验过程:
2.结论:
(一)格里菲思的体内转化实验
(4)在格里菲思第④组实验中,小鼠体内S型细菌、R型细菌含量的变化情况如图所示,则:
①ab段R型细菌数量减少的原因是________
______________________________________。
②bc段R型细菌数量增多的原因是____________________
_______________________________________________
_。
③后期出现的大量S型细菌是由 而来的。
R 型细菌
不断被小鼠的免疫系统所清除
b点之前,已有少量
R型细菌转化为S型细菌,S型细菌能降低小鼠的免疫力,
造成R型细菌大量繁殖
R型细菌转化成的S型细菌繁殖
(一)格里菲思的体内转化实验
注意:(1)仅能证明S型细菌中含有某种“转化因子”,但转化因子的本质不清楚。
(2)一般情况下,转化率很低,形成的S型细菌很少,转化后形成的S型细菌可以快速繁殖形成大量的S型细菌,说明S型细菌的DNA是遗传物质。
(3)转化的实质是S型细菌的DNA片段整合到了R型细菌的DNA中,即实现了基因重组。
(二)艾弗里的体外转化实验
S型细菌的细胞提取物用蛋白酶、酯酶或RNA酶处理后仍然具有转化活性,即蛋白质、RNA、脂质都不是转化因子。
1、实验过程及结果:
(1)第①组实验表明:
(2)第②③④组实验表明:
减法原理
酶解法
3.结果分析
S型细菌的细胞提取物经DNA酶处理后失去转化活性,转化因子很可能是DNA。
S型细菌的细胞提取物可以促进R型细菌转化为S型细菌。
(3)第⑤组实验表明:
2.实验结论:
DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质,蛋白质不是。
分组 结果 结果分析 结论
含35S噬菌体 +细菌 上清液中放射性 ,沉淀物中放射性 没有进入细胞
含32P噬菌体 +细菌 上清液中放射性 ,沉淀物中放射性 。 进入了细胞 (三)噬菌体侵染细菌的实验
DNA
蛋白质外壳
高
DNA
是遗
传物
质
低
高
低
误差分析:
①用35S标记噬菌体侵染的实验中沉淀物中有放射性的原因。
②用32P标记噬菌体侵染的实验中上清液中有放射性的原因。
③如果用15N标记噬菌体侵染大肠杆菌,上清液和沉淀物放射性情况如何?
(三)噬菌体侵染细菌的实验
搅拌不充分,导致少量含35S的噬菌体蛋白质外壳还吸附在细菌表面,离心时随细菌到沉淀物中。
①保温时间过短,部分噬菌体还未侵染细菌;
②保温时间过长,部分子代噬菌体已经释放。
蛋白质外壳和DNA都含有氮元素,但15N没有放射性,所以上清液和沉淀物中都不能检测到放射性物质。
(三)噬菌体侵染细菌的实验
下列关于T2噬菌体的叙述,正确的是( )
A.T2噬菌体的核酸和蛋白质中含硫元素
B.T2噬菌体寄生于酵母菌和大肠杆菌中
C.RNA和DNA都是T2噬菌体的遗传物质
D.T2噬菌体可利用寄主体内的物质大量增殖
【考题引领1】
D
(三)噬菌体侵染细菌的实验
【总结提升】
(1)T2噬菌体的增殖
吸附
注入
合成
组装
把DNA注入到细菌细胞
释放
T2噬菌体
大肠杆菌
蛋白质外壳
DNA
S
P
(2)主要技术:
在实验中分别用35S和32P标记T2噬菌体的蛋白质和DNA,参照如图被标记的部位分别是______(填字母编号)。
能否同时用32P和35S标记噬菌体去侵染大肠杆菌?为什么?
(三)噬菌体侵染细菌的实验
不能,因为放射性检测时,只能检测到放射性的存在部位,不能区分是何种元素发生的放射性。
放射性同位素标记技术。
①②
(三)噬菌体侵染细菌的实验
“二看法”判断子代噬菌体标记情况
项目 体内转化实验 体外转化实验 噬菌体侵染细菌实验
实验对照 R型细菌与S型细菌的致病性对照 S型细菌各组成成分的作用进行对照
主要技术 细菌培养技术 细菌培养技术、物质分离与提纯技术 放射性同位素标记技术、噬菌体培养技术
巧妙构思 用加热致死的S型细菌和R型活细菌混合注入小鼠体内,与用加热致死的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 每个实验组用酶解法特异性地去除了一种物质,从而鉴定出DNA是遗传物质
实验结论 加热致死的S型细菌体内有某种“转化因子”促使R型活细菌转化为S型活细菌 S型细菌的DNA是遗传物质(DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质),蛋白质不是
肺炎链球菌转化实验和噬菌体侵染细菌实验的比较
设法将DNA与其他物质分开,单独、直接地研究各自的作用
用放射性同位素分别标记DNA和蛋白质
DNA是遗传物质
任务二、遗传信息如何稳定?
1.DNA的两条链按 方式盘旋成 结构;DNA分子的基本骨架是 ;碱基通过 连接成碱基对,并且遵循
原则。
2.右图中①是____________,②是_____(填化学键
名称)。解旋酶能破坏图中的 (填序号),
在DNA复制过程中与化学键①形成有关的酶
是 。
3. DNA初步水解产物和彻底水解产物分别是什么?
4.不同DNA中A+T与G+C的比值一定相等吗?由此可概括出什么结论?此值的大小体现了什么?
反向平行
双螺旋
脱氧核糖和磷酸交替连接
氢键
碱基互补配对
磷酸二酯键
氢键
②
DNA聚合酶
初步水解产物:脱氧核苷酸(4种)。
彻底水解产物:磷酸、脱氧核糖和含氮碱基(6种)。
不一定,不同DNA分子中的互补碱基之和的比值不一定相同。
体现了DNA分子的特异性。
—DNA结构与复制的协同保障机制
(一)DNA的结构
(一)DNA的结构
【考题引领2】 某双链DNA分子中含有200个碱基,一条链上A∶T∶G∶C=1∶2∶3∶4,则该DNA分子( )
A.四种含氮碱基A∶T∶G∶C=4∶4∶7∶7
B.若该DNA中A为p个,占全部碱基的n/m(m>2n),则G的个数为pm/2n-p
C.碱基排列方式共有4200种
D.含有4个游离的磷酸基团
【总结提升】DNA分子中的碱基数量的计算规律
B
(1)在双链DNA中,A=T,C=G,嘌呤之和=嘧啶之和=50%碱基总数。
(2)互补碱基之和所占比例在任意一条链及整个DNA分子中都相等,简记为“补则等”。
(3)非互补碱基之和的比值在两条互补链中互为倒数,简记为“不补则倒”。
(一)DNA的结构
三步解决DNA分子中有关碱基比例的计算
第一步
第二步
第三步
搞清题中已知的和所求的碱基比例是占整个DNA分子碱基的比例,还是占DNA分子一条链上碱基的比例。
画一个DNA分子模式图,并在图中标出已知的和所求的碱基。
根据碱基互补配对原则及其规律进行计算。
(二)DNA的复制
研究发现,小鼠DNA在复制时会出现多个复制泡,每个复制泡的两端有2个复制叉,复制叉的延伸方向如图所示。
(1)以上过程发生的主要场所是 ,时期是 。
(2)该过程能够精确地进行依赖于 ,
需要的条件有 。
(3)已知复制时DNA聚合酶只能沿模板链的3′→5′方向移动,子链的延伸方向与复制叉的推进方向 (填“是”或“否”)完全相同;延伸的子链紧跟着解旋酶,这说明DNA分子复制是_____________的。
细胞核
细胞分裂前的间期
DNA分子的双螺旋结构提供精确的模板以及碱基互补配对原则保证复制准确进行
亲代DNA的两条链(模板)、四种脱氧核苷酸(原料)、能量(ATP)、酶(解旋酶、DNA聚合酶)、适宜的温度、PH等
否
边解旋边复制
(二)DNA的复制
(4)复制泡大小不一,说明 ;复制泡3的DNA复制 (填“早”“晚”或“同时”)于复制泡1;一个DNA分子中有多个复制泡,其意义是 。
(5)一个双链均被32P标记的DNA由5 000个碱基对组成,其中腺嘌呤占20%,将其置于只含31P的环境中复制3次。则第3次复制需要
个游离的胞嘧啶脱氧核苷酸,子代DNA分子中含32P的单链与含31P的单链之比为 。
多个复制起点并非同时启动,有先有后进行边解旋边复制
早
加快了DNA复制的速率,为细胞分裂做好准备
1.2×104
1:7
(二)DNA的复制
DNA聚合酶
DNA解旋酶
复制分叉
子链
DNA模板链
DNA聚合酶
DNA模板链
子链
DNA
氢键
4种脱氧核苷酸
1.DNA复制的过程:
一条母链和一条子链螺旋成为一个新的DNA分子
解旋
合成子链
重新螺旋
DNA聚合酶
碱基互补配对原则
解开后的每一条母链
游离的4种脱氧核苷酸
③结果:
①能量:
②酶:
①模版:
②原料:
③酶:
④原则:
⑤方向:
5'端→3'端
细胞提供能量
解旋酶
DNA双螺旋两条链解开
磷酸二酯键
(二)DNA的复制
2. DNA半保留复制的实验证据
(1)实验方法: 。
(2)原理:
例:现将含15N的大肠杆菌转移到含14N的培养基中,再连续繁殖两代(Ⅰ和Ⅱ),用密度梯度离心法分离,不同相对分子质量的DNA将分布在试管中的不同位置上。请预测并绘出若DNA为下图所示复制方式时,连续繁殖两代(Ⅰ和Ⅱ)的实验结果中各带的分布图像(重带、中带和轻带)。
15N和14N是两种稳定同位素,相对原子质量不同,含15N的DNA比含14N的DNA密度大,利用离心技术可在试管中区分含有不同氮元素的DNA。
同位素标记技术和密度梯度离心技术。
①含14N的链数 条
②含15N的链数 条
(二)DNA的复制
含15N的DNA: 个
含14N的DNA数 个
只含15N的DNA数 个
只含14N的DNA数 个
(1)将含有15N的DNA放在含有14N的培养基中连续复制n次,则:
①子代DNA个数:
2n个
0个
2
2n-2
2n
2
2n+1-2
②脱氧核苷酸链数:
15N
14N
14N
15N
15N
15N
14N
14N
14N
14N
14N
14N
14N
15N
15N
2n+1条
3. “图解法”分析DNA复制相关计算
(二) DNA的复制
3. “图解法”分析DNA复制相关计算
15N
14N
14N
15N
15N
15N
14N
14N
14N
14N
14N
14N
14N
15N
15N
①复制n次,共需要消耗游离的该种脱氧核苷酸数 个
(2)亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个,则:
②第n次复制时,共需要消耗游离的该种脱氧核苷酸数?
m(2n-1)
m·2n-1个
请你讲解上述公式的由来
复制n次所需脱氧核苷酸 = 初始数量 ×(2n 1)
第n次复制所需脱氧核苷酸 = 初始数量 ×2n-1
(二)DNA的复制
(1)注意碱基的单位是“对”还是“个”。
(2)切记在DNA复制过程中,无论复制了几次,含有亲代脱氧核苷酸单链的DNA分子都只有两个。
(3)看清试题中问的是“DNA分子数”还是“链数”,“含”还是“只含”等关键词,以免掉进陷阱。
(4)注意“DNA复制了n次”和“第n次复制”的区别,前者包括所有的复制,但后者只包括第n次的复制。
特别提醒:“DNA复制”相关题目的4点“注意”
3. “图解法”分析DNA复制相关计算
具有 N个碱基对的一个 DNA分子片段中,含有 m个腺嘌呤脱氧核苷酸,该片段完成 n次复制需要______个游离的胞嘧啶脱氧核苷酸;该片段完成第 n次复制需要______个游离的胞嘧啶脱氧核苷酸。(填选项)
练习:
A
B
请说出证明新冠病毒的遗传物质是RNA的方法。
3. 同位素标记法 :分别标记病毒组成物质——核酸、蛋白质中的特有元素;再将病毒的化学物质分开,单独、直接地观察它们各自的作用 。
1. 利用酶的专一性:如分别加入RNA酶、蛋白酶,将RNA和蛋白质水解,分别和小鼠的胚胎干细胞进行混合培养,看是否感染。
2.分离提纯法:提纯核酸和蛋白质,分别和小鼠的胚胎干细胞进行混合培养,看是否感染。
任务三、如何设计实验验证新冠病毒的遗传物质?
—整合知识应用与实验迁移
探索“遗传物质”的思路和方法
(1)探究思路:
①若探究哪种物质是遗传物质,设法将物质分开,单独研究其作用。
②若探究未知病毒的遗传物质是DNA还是RNA,利用酶的专一性。
病毒重组法
酶解法
将一种病毒的核酸与另一种病毒的蛋白质外壳重新组合,得到杂种病毒,再用杂种病毒感染寄主细胞
利用酶的专一性,如加入 DNA 水解酶,将DNA水解,观察起控制作用的物质是否还有控制作用,若“是”其遗传物质不是 DNA,若“否”其遗传物质可能是 DNA
(2)四种方法:
方法
原理
任务三、如何设计实验验证新冠病毒的遗传物质?
探索“遗传物质”的思路和方法
分离提纯法
艾弗里及其同事做的肺炎链球菌的体外转化
实验,缺点是物质纯度不能保证 100%
同位素
标记法
确认是DNA还是RNA
确认是DNA还是蛋白质
标记 DNA、RNA 特有碱基,依据其是否被消耗确认该病毒遗传物质——耗“T”为DNA,耗“U”为 RNA
分别标记病毒组成物质——核酸、蛋白质中的特有元素;再将病毒的化学物质分开,单独、直接地观察它们各自的作用
当堂训练
1.下列关于探索DNA是遗传物质的实验的叙述,正确的是( )
A.格里菲思实验证明DNA可以改变生物体的遗传性状
B.艾弗里实验证明从S型肺炎链球菌中提取的DNA可以使小鼠死亡
C.赫尔希和蔡斯实验中离心后细菌主要存在于沉淀物中
D.艾弗里分别提取S型细菌的DNA、蛋白质、多糖等物质,通过R型细菌的体外培养证明了DNA是主要的遗传物质
C
【解析】格里菲思实验证明S型细菌中存在某种转化因子,能将S型细菌转化为R型细菌,A错误。艾弗里实验证明从S型肺炎链球菌中提取的DNA可以使R型细菌转化为S型细菌,而不是S型细菌的DNA能使小鼠死亡,B错误。赫尔希和蔡斯实验中离心后细菌主要存在于沉淀物中,C正确。艾弗里在S型细菌的细胞提取物中分别加入蛋白酶、酯酶、RNA酶、DNA酶,证明DNA是遗传物质,蛋白质不是,D错误。
当堂训练
2.如图为某DNA分子的部分结构示意图,下列有关说法错误的是( )
A.图示虚线圈中部分不能表示胞嘧啶脱氧核苷酸
B.DNA分子单链上相邻碱基间通过氢键进行连接
C.DNA分子结构的稳定性与碱基G、C的含量成正相关
D.碱基排列顺序的多样性构成了DNA分子的多样性
B
当堂训练
【解析】图示虚线圈中部分虽然包括一分子磷酸、一分子脱氧核糖和一分子含氮碱基,但不能表示胞嘧啶脱氧核苷酸,A正确。DNA分子单链上相邻碱基间通过“-脱氧核糖-磷酸-脱氧核糖-”进行连接,B错误。由于C-G之间有3个氢键,A-T之间有2个氢键,因此DNA分子结构的稳定性与碱基G、C的含量成正相关,C正确。DNA分子具有多样性的原因是DNA分子中碱基排列顺序千变万化,D正确。
3.(不定项) “探究DNA的复制过程”实验中,科学家设计了以NH4Cl为氮源培养大肠杆菌的同位素示踪实验。下列叙述正确的是( )
A.可先将大肠杆菌放入以15NH4Cl为唯一氮源的培养液中培养
B.15N/15N DNA、15N/14N DNA、14N/14N DNA的密度各不相同
C.可对每一代大肠杆菌直接做密度梯度离心,无需破碎细胞处理
D.分析子一代与子二代的离心结果可得出DNA分子的复制方式
ABD
当堂训练
【解析】DNA分子的元素组成包括C、H、O、N、P,可将大肠杆菌放入以15NH4Cl为唯一氮源的培养液中获得双链被15N标记的DNA分子,A正确。离心后15N/15N DNA为重密度带、15N/14N DNA为中密度带、14N/14N DNA为轻密度带,故三者的密度各不相同,B正确。需要将每一代大肠杆菌破碎,释放出DNA分子进行密度梯度离心,会出现密度带,C错误。子一代均为中密度带,子二代1/2中密度带、1/2轻密度带,说明DNA分子的复制方式是半保留复制,D正确。
当堂训练
当堂训练
4.某个DNA片段由100个碱基对组成,A+T占碱基总数的30%,该DNA片段第3次复制需游离的胞嘧啶脱氧核苷酸分子个数为( )
A.200 B.280 C.360 D.150
B
【解析】该DNA片段中A+T占碱基总数的30%,则C+G占碱基总数的70%,C=G=35%×200=70(个),该DNA片段第3次复制需游离的胞嘧啶脱氧核苷酸分子数是70×23-1=280(个)。
当堂训练
5. 科学家分析了多种生物DNA的碱基组成,不同生物或生物体不同器官(细胞)的DNA分子中有关碱基比例的一部分实验数据如表所示。请回答下列问题。
生物或器官 (细胞) 小麦 人 猪 牛 肝 胰 脾 肾 胃 肺 精子
(A+T)/ (G+C) 1.21 1.52 1.43 1.42 1.43 1.29 1.30 1.29 1.30
(1)DNA具有多样性和特异性,________________构成了DNA的多样性,而_________________又构成了每个DNA分子的特异性。不同生物的DNA中4种脱氧核苷酸的比例不同,这说明DNA具有_______性。
(2)同种生物不同器官细胞的DNA中脱氧核苷酸的比例基本相同,这说明同种生物的DNA碱基组成具有__________(填“一致性”或“特异性”)。牛的肾和肺的DNA碱基比例相同,原因是__________________________________________;但精子与肾和肺的DNA碱基比例稍有差异,原因是_____________________________________________。
碱基排列顺序的千变万化
碱基特定的排列顺序
多样
一致性
它们是由同一受精卵经有丝分裂产生的体细胞构成的
精子仅含X或Y染色体,X、Y染色体上的DNA分子有差异
当堂训练
(3)据表可知,小麦和人的DNA的碱基比例不同,________(填“能”或“不能”)据此初步判断小麦和人的DNA的热稳定性不同,原因是_____________________________________。
能
A—T碱基对之间有2个氢键,G—C碱基对之间有3个氢键,小麦和人的DNA分子中G—C碱基对所占比例不同,可初步判断二者的DNA的热稳定性不同。
【解析】(1)DNA具有多样性和特异性,碱基排列顺序的千变万化构成了DNA的多样性,而碱基特定的排列顺序又构成了每个DNA分子的特异性。不同生物的DNA中4种脱氧核苷酸的比例不同,这说明DNA具有多样性。(2)同种生物不同器官细胞的DNA中脱氧核苷酸的比例基本相同,这说明同种生物的DNA碱基组成具有一致性。牛的肾和肺的DNA碱基比例相同,这是因为这些组织细胞是由同一受精卵经有丝分裂产生的体细胞构成的,这些细胞中的遗传物质是相同的;精子与肾和肺的DNA碱基比例稍有差异,是因为牛的精子是由减数分裂形成的,精子只含X或Y染色体,X、Y染色体上的DNA分子有差异。(3)在DNA的双螺旋结构中,A—T碱基对之间有2个氢键,G—C碱基对之间有3个氢键,因此DNA分子中G—C碱基对所占比例越高,DNA分子越稳定,故可根据小麦和人的DNA的碱基比例不同,初步判断小麦和人的DNA的热稳定性不同。
当堂训练
6.科学家推测DNA可能有如图A所示的三种复制方式。1958年,美国生物学家梅塞尔森和斯塔尔用同位素标记技术和密度梯度离心的方法,追踪由15N标记的DNA亲本链的去向,实验过程:在氮源为14NH4Cl的培养基上生长的大肠杆菌,其DNA分子均为14N/14N-DNA(对照);在氮源为15NH4Cl的培养基上生长的大肠杆菌,其DNA均为15N/15N-DNA(亲代)。将亲代大肠杆菌转移到含14NH4Cl的培养基上,再连续繁殖两代(子代Ⅰ和子代Ⅱ)后,离心得到图B所示的结果。请依据上述材料回答问题。
当堂训练
(1)DNA复制的意义是______________________________________________
_______________________________________________________________。
将遗传信息从亲代细胞传递给子代细胞,从而保持了遗传信息的连续性,也为细胞分裂提供了物质基础。
(2)与对照相比,如果子代Ⅰ离心后能分离出轻和重两条密度带,则说明DNA分子的复制方式是____________________。如果子代Ⅰ离心后只有1条中密度带,则可以排除DNA分子以____________________的方式进行复制。如果子代Ⅰ离心后只有1条中密度带,再继续做子代Ⅱ的DNA密度鉴定:①若子代Ⅱ离心后________________________________,则可以确定DNA分子的复制方式是半保留复制;②若子代Ⅱ离心后不能分出中、轻两条密度带,则可以推测DNA分子的复制方式是________________。
(3)根据图B所示结果可推知DNA分子的复制方式是________________。
全保留复制
全保留复制
可以分出中、轻两条密度带
分散复制
半保留复制
【解析】(2)若子代Ⅰ离心后能分离出轻(两条链均被14N标记)和重(两条链均被15N标记)两条密度带,则DNA分子的复制方式是全保留复制。如果子代Ⅰ离心后只有1条中密度带,则肯定不可能是全保留复制,可能是半保留复制或分散复制(没有全轻和全重)。若是半保留复制,子代Ⅱ离心后能分出中、轻两条密度带,且各占1/2;若是分散复制,子代DNA离心后不能分出中、轻两条密度带。(3)分析图B,子代Ⅰ都是中密度带,子代Ⅱ中的中、轻密度带各占1/2,这与半保留复制的特点相吻合。
课堂小结
谢谢大家