生物第一节 核酸是遗传物质学案设计

第一节　核酸是遗传物质

一、DNA是遗传物质

1．染色体的化学本质以及发挥作用的过程

(1)染色体由DNA(脱氧核糖核酸)、蛋白质和少量RNA(核糖核酸)组成，其中蛋白质又分为组蛋白和非组蛋白。

(2)研究表明，虽然DNA和组蛋白都是染色体的主要成分，而且含量大致相等，在染色体行使功能过程中起着重要作用，但DNA更加具备作为遗传物质的主要特性。

2．20世纪50年代之前的观点

此前人们普遍认为DNA是相当小的分子，四种碱基在DNA分子中等量地存在，并简单重复。人们考虑到生物体结构与功能的巧妙适应性，以及发育过程和途径的极端复杂性，DNA这样简单的小分子不可能发挥出如此重要的控制作用。相比较而言，含有20种氨基酸的蛋白质大分子倒是能够提供无限数量的排列组合。

二、DNA是遗传物质的直接证据

1．DNA是遗传物质被揭示思路

当把DNA和蛋白质分开研究时，DNA是遗传物质的确切证据就逐渐被揭示出来了。

2．肺炎链球菌的类型及其致病性

肺炎链球菌是人类肺炎和小鼠败血症的病原体，有几种类型，它们的毒性是不同的。

在众多的肺炎链球菌菌株中，光滑型(S)菌株是唯一能够引起肺炎或败血症的类型。这种菌株在培养基上能长成光滑的菌落。S型细菌的菌体外面有多糖类的胶状荚膜，使菌体不易受到宿主正常防护机制的破坏。另外一些菌株的外面没有荚膜，不会引起病症，长成粗糙型(R)菌落。

3．活体肺炎链球菌转化实验

(1)人物　 1928年，英国细菌学家格里菲思首先进行了活体肺炎链球菌转化实验。

(2)图示实验过程

(3)实验推测

在加热杀死的S型菌中，一定有一种物质能把某些R型菌转化为S型菌。换句话说，S型菌中的“转化因子”进入R型菌体内，引起R型菌稳定的遗传变异。这就是病死小鼠中有活的S型菌的根本原因。

4．离体肺炎链球菌转化实验

(1)人物　美国细菌学家艾弗里等人又进行了离体细菌转化实验。

(2)图示实验过程

(3)实验结论

DNA是遗传物质，DNA赋予了生物的遗传特性。

三、噬菌体侵染细菌的实验分析

1．实验目的

为了检验DNA是否为遗传物质，赫尔希和蔡斯运用同位素标记特定物质的方法，将噬菌体进行标记，使其侵染大肠杆菌，通过追踪物质的去向，进一步明确发挥遗传作用的物质究竟是DNA还是蛋白质。

2．T2噬菌体生活方式与结构组成

T2噬菌体是一种专门寄生在细菌体内的病毒，它的头部和尾部的外壳是由蛋白质构成的，在头部内含有一个DNA分子。

3．实验过程

(1)科学家先用含放射性同位素35S的培养基培养一部分大肠杆菌，同时，用含放射性同位素32P的培养基培养另一部分大肠杆菌。接着，将带标记的大肠杆菌分别用T2噬菌体感染。噬菌体侵染细菌后，利用细菌细胞内的物质合成自身的DNA和蛋白质进行增殖，导致细菌裂解，释放出大量子代噬菌体。其结果是，用放射性同位素35S标记了一部分噬菌体的蛋白质，用放射性同位素32P标记了另一部分噬菌体的DNA。

(2)将两种被标记的T2噬菌体分别加入液体培养的大肠杆菌中，去侵染未被标记的细菌。经过一定的时间，当T2噬菌体在细菌体内大量繁殖后，通过搅拌把细菌和留在细菌表面的噬菌体残留部分分开，并通过离心使细菌沉到试管底部，噬菌体残留部分位于上层，对标记物质进行检测。

4．实验结果

经过检测发现，用35S标记噬菌体时，放射性主要出现在上层培养液中，底层细菌几乎没有放射性；用32P标记噬菌体时，放射性主要出现在底层细菌中，上层培养液几乎没有放射性。

5．结果分析

结果表明，大多数35S标记的噬菌体在感染细菌时，放射性蛋白质附着在宿主细胞的外面；32P标记的噬菌体感染细菌时，放射性同位素主要进入宿主细胞内，并且能在子代噬菌体中检测到32P。由此证明了DNA是遗传物质。

四、有些病毒的遗传物质是RNA

1．烟草花叶病毒结构组成

烟草花叶病毒简称TMV，呈螺旋形杆状。这种病毒不含DNA，由一条RNA链和蛋白质外壳组成。

2．实验过程

首先，从TMV中分别提取占6%的RNA和占94%的蛋白质，然后用RNA和蛋白质分别去感染烟草。结果发现：单用病毒的RNA就可以使烟草叶片出现感染病毒的症状，说明病毒RNA进入叶子的细胞后，能繁殖出正常的子代病毒；病毒的蛋白质不能单独使烟草叶片感染；用RNA酶处理过的RNA，此时RNA被水解，没有感染效力。

3．烟草花叶病毒的重建实验

结果分析

图示表示分别来自不同病毒株系的RNA和蛋白质混合后感染烟草，所繁殖的病毒类型取决于提供RNA的株系，而不是提供蛋白质的株系。

4．实验结论

实验证明了在只有RNA而没有DNA的病毒中，RNA是遗传物质。

5．实例

除了冠状病毒之外，造成人类疾病的RNA病毒还有小儿麻痹病毒、脑炎病毒和流感病毒等，它们的遗传物质都是RNA。

6．总结

综上所述，大部分生物的遗传物质是DNA，而没有DNA只有RNA的生物，其遗传物质是RNA。

判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)

1．把加热杀死的S型菌和活的无毒R型菌混合后一起注射到小鼠体内，小鼠致死，致死的小鼠血液中只能分离出活的S型菌。

  (　　)

提示：×　致死的小鼠血液中也能分离出活的R型菌。

2．从活的S型菌中抽提DNA注射到小鼠体内会分离出活的S型菌。

  (　　)

提示：×　S型菌中抽提的DNA只有进入到R型细菌中才能使R型细菌转化。

3．S型菌DNA被降解后就不能使R型菌发生转化。 (　　)

提示：√

4．DNA不仅可以引起细菌的转化，而且纯度越高，转化效率就越高。

  (　　)

提示：√

5．用含35S的噬菌体侵染细菌，经离心后，可在沉淀物中发现大量的放射性物质。                            (　　)

提示：×　可在上层培养液中发现大量的放射性物质。

　肺炎链球菌的转化实验

1．格里菲思与艾弗里实验的三个不同

2．肺炎链球菌的转化实验四个易错点

(1)转化过程中并不是所有的R型细菌都被转化成S型细菌，而只是少部分R型细菌被转化成S型细菌。

(2)由于DNA的热稳定性比蛋白质要高，所以加热杀死S型细菌的过程中，其蛋白质永久变性失活，但其内部的DNA在加热结束后随温度的降低又逐渐恢复活性。

(3)艾弗里的肺炎链球菌体外转化实验中，每个实验组都通过添加特定的酶特异性地去除了一种物质，从而鉴定出DNA是遗传物质，利用了自变量控制中的“减法原理”。

(4)格里菲思的实验证明了S型细菌体内含有某种转化因子，但并没有证明转化因子是哪种物质。艾弗里的实验则证明了转化因子是S型细菌体内的DNA。

合作探究：1.已知在80～100 ℃温度范围内，蛋白质将失去活性，DNA的结构也会被破坏，但当温度降低到55 ℃左右时，DNA的结构会恢复，但蛋白质却不能恢复。由此我们可以推断：在格里菲思的实验中，加热杀死的S型细菌中的“转化因子”应该是哪种物质？

提示：是DNA。

2．研究表明，小鼠体内的两种细菌含量变化如图所示：

(1)S型活细菌是怎样产生的？

提示：加热杀死的S型细菌的DNA将R型细菌转化为S型活细菌。

(2)S型细菌是有毒性的，据此推测曲线bc段上升的原因是什么？

提示：有毒的S型细菌在小鼠体内增殖，导致小鼠的免疫力降低，R型细菌、S型细菌数量都增加。

1．(2020·7月浙江选考)下列关于“肺炎双球菌转化实验”的叙述，正确的是(　　)

A．活体转化实验中，R型菌转化成的S型菌不能稳定遗传

B．活体转化实验中，S型菌的荚膜物质使R型菌转化成有荚膜的S型菌

C．离体转化实验中，蛋白质也能使部分R型菌转化成S型菌且可实现稳定遗传

D．离体转化实验中，经DNA酶处理的S型菌提取物不能使R型菌转化成S型菌

D　[活体转化实验中，小鼠体内有大量 S型菌，说明R型菌转化成的S型菌能稳定遗传，A错误；活体转化实验中，无法说明是哪种物质使R型菌转化成有荚膜的S型菌，B错误；离体转化实验中，只有S型菌的DNA才能使部分R型菌转化成S型菌且可实现稳定遗传，C错误；离体转化实验中，经DNA酶处理的S型菌提取物，其DNA被水解，故不能使R型菌转化成 S型菌，D正确。]

2．某研究人员模拟肺炎链球菌转化实验，进行了以下4个实验。下列有关叙述错误的是(　　)

①加入加热杀死的S型细菌，体外培养R型细菌　②加入S型细菌的抽提物，体外培养R型细菌　③加入蛋白酶处理的S型细菌的抽提物，体外培养R型细菌　④加入DNA酶处理的S型细菌的抽提物，体外培养R型细菌

A．该实验的观察指标是固体培养基表面菌落的生成情况

B．实验④表面光滑的菌落数较粗糙的菌落数多

C．实验①和②对照可证明S型细菌是R型活细菌转化产生

D．实验③和④对照可证明DNA是肺炎链球菌的遗传物质

B　[主要观察指标是培养基表面菌落的生长情况，A正确；实验④处理后培养基中只有R型细菌，R型细菌菌落表面粗糙，B错误；实验①和②对照可证明S型细菌是R型活细菌转化产生，C正确；实验③和④对照可证明DNA是肺炎链球菌的遗传物质，D正确。]

　噬菌体侵染细菌的实验

1．噬菌体侵染细菌实验中上清液和沉淀物放射性分析

(1)32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌

(2)35S标记的噬菌体侵染大肠杆菌

2．肺炎链球菌体外转化实验和噬菌体侵染细菌实验的比较

合作探究：1952年“噬菌体小组”的赫尔希和蔡斯研究了噬菌体的蛋白质和DNA在侵染细菌过程中的功能，搅拌离心后的实验如图所示，请分析回答下列问题：

(1)图中被侵染的细菌的存活率基本保持在100%，本组数据的意义是什么？

提示：作为对照组，以证明细菌未裂解。

(2)细胞外的32P含量有30%，原因是什么？

提示：有部分标记的噬菌体还没有侵染细菌。

1．在噬菌体侵染细菌实验中，不用氧的同位素18O标记噬菌体蛋白质和核酸的理由是(　　)

A．蛋白质含O，核酸不含

B．核酸含O，蛋白质不含

C．蛋白质和核酸都不含O

D．蛋白质和核酸都含O

D　[在噬菌体侵染细菌实验中，需要通过放射性检测DNA和蛋白质的存在部位，因此需要分别用DNA和蛋白质的标志性元素来做标记进行检测，即标记DNA中的P元素，标记蛋白质中的S元素，而O元素是DNA和蛋白质的共有元素，因此不用氧的同位素18O标记噬菌体蛋白质和核酸，D符合题意。]

2．关于赫尔希和蔡斯的T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验，下列分析正确的是(　　)

A．用分别含有35S和32P的培养基培养T2噬菌体

B．35S标记组：培养时间过长，沉淀物的放射性增高

C．32P标记组：培养时间过长，上清液的放射性增高

D．该实验证明DNA是主要的遗传物质

C　[T2噬菌体属于病毒，没有细胞结构，不能在培养基中直接培养，A错误；35S标记的是噬菌体的蛋白质外壳，噬菌体侵染细菌实验中，噬菌体的蛋白质外壳留在外面，分离后，放射性主要存在于上清液中，培养时间过长，沉淀物中放射性不会增高，B错误；32P标记的是噬菌体的DNA，噬菌体侵染细菌时，能够进入细菌体内，因此培养时间过长，噬菌体大量繁殖后，大肠杆菌裂解释放出子代噬菌体，导致上清液的放射性增高，C正确；该实验证明DNA是遗传物质，不能证明DNA是主要的遗传物质，D错误。]

[课堂小结]

1．在艾弗里及其同事利用肺炎链球菌证明遗传物质是DNA的实验中，用DNA酶处理从S型细菌中提取的DNA，再与R型活细菌混合培养，结果发现培养基上仅有R型肺炎链球菌生长。设置本实验步骤的目的是(　　)

A．证明R型细菌生长不需要DNA

B．补充R型细菌生长所需要的营养物质

C．作“以S型细菌的DNA与R型细菌混合培养”的实验对照

D．直接证明S型细菌的DNA不是促进R型细菌转化的因素

C　[用DNA酶处理从S型细菌中提取的DNA，再与R型活细菌混合培养，能与“以S型细菌的DNA与R型细菌混合培养”实验形成对照，以证明是S型细菌的DNA，而不是其他物质使R型细菌发生转化，故选C。]

2．下列有关赫尔希和蔡斯的噬菌体侵染细菌的实验的叙述，不正确的是(　　)

A．该实验的设计思路是单独观察蛋白质和DNA的作用

B．检测离心后试管中上清液和沉淀物中放射性的强弱可推测侵入细菌中的物质

C．35S标记蛋白质的实验组，离心后的试管中上清液有较高的放射性

D．噬菌体侵染细菌的实验和格里菲思的肺炎链球菌的转化实验同时证明了DNA是遗传物质

D　[在噬菌体侵染细菌的实验中，实验设计思路为S是蛋白质的特征元素，P为DNA的特征元素，用放射性同位素32P和放射性同位素35S分别标记DNA和蛋白质，直接、单独地去观察它们的作用，A正确；离心后35S标记蛋白质的一组放射性主要集中在上清液中，32P标记DNA的一组放射性主要集中在沉淀物中，则可推测T2噬菌体侵入大肠杆菌中的物质是DNA，T2噬菌体的蛋白质外壳留在大肠杆菌的外面，B正确；35S标记蛋白质的实验组，由于蛋白质外壳没有进入大肠杆菌体内，所以离心后的试管中上清液有较高的放射性，C正确；格里菲思的肺炎链球菌转化实验证明了存在转化因子，但没有证明DNA是转化因子，D错误。]

3．如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的蛋白质没有进入烟草细胞中

C．侵入烟草细胞的RNA由A、T、G、C四种核苷酸组成

D．RNA是TMV的主要遗传物质

A　[水和苯酚的作用是将TMV的RNA与蛋白质分离开，A正确；能将TMV的蛋白质接种到正常烟草叶片细胞内，即TMV的蛋白质进入了烟草细胞中，B错误；RNA由A、U、G、C四种核苷酸组成，C错误；本实验证明RNA是TMV的遗传物质，而不能证明RNA是TMV的主要遗传物质，D错误。]

4．下列生物的遗传物质都是DNA的是(　　)

A．酵母菌、大肠杆菌和肺炎链球菌

B．禽流感病毒、SARS病毒

C．HIV、蓝细菌、绿藻和黑藻

D．烟草、烟草花叶病毒

A　[所有细胞生物(包括原核生物和真核生物)的遗传物质都是DNA，绝大多数病毒的遗传物质是DNA，只有极少数病毒的遗传物质是RNA，如烟草花叶病毒、HIV、SARS病毒和禽流感病毒等，故选A。]

5．为证明蛋白质和DNA究竟哪一种是遗传物质，赫尔希和蔡斯做了“噬菌体侵染大肠杆菌”的实验。下图中亲代噬菌体已用32P标记，A、C中的方框代表大肠杆菌。请回答下列问题：

(1)图中锥形瓶内的主要实验成分应为______________，②过程搅拌振荡的目的是_____________________________。

(2)图中实验预期B和C中出现放射性的是________。

(3)若要达到实验目的，还需再设计一组用________________的实验组，其余设置与图示过程都相同。

(4)该实验表明进入大肠杆菌的是噬菌体的DNA，蛋白质外壳留在了细胞外，但合成的子代噬菌体却具有与亲代相同的蛋白质外壳。请分析子代噬菌体蛋白质外壳的来源___________________。

解析：(1)图中锥形瓶中的培养液是用来培养大肠杆菌的，主要实验成分应为未标记的大肠杆菌，②过程搅拌振荡的目的是让吸附在大肠杆菌外的噬菌体的蛋白质外壳与大肠杆菌分离。

(2)图中B中含有噬菌体的蛋白质外壳，未被标记，C中含有大肠杆菌以及侵染进入大肠杆菌的噬菌体DNA，已被32P标记，故出现放射性的是C。

(3)若要探究证明蛋白质和DNA究竟哪一种是遗传物质，还需再设计一组用35S标记的噬菌体的实验组，以验证噬菌体的蛋白质未进入大肠杆菌。

(4)子代噬菌体蛋白质外壳是以亲代噬菌体的DNA为指导，以大肠杆菌的氨基酸为原料合成的，所以合成的子代噬菌体具有与亲代相同的蛋白质外壳。

答案：(1)未标记的大肠杆菌　让噬菌体的蛋白质外壳与大肠杆菌分离　(2)C　(3)35S标记的噬菌体　(4)以亲代噬菌体的DNA为指导(利用亲代噬菌体的遗传信息)，以大肠杆菌的氨基酸为原料合成的