第三章 基因的本质
第一节 DNA是主要的遗传物质
一、DNA是遗传物质的证据
(一）．间接证据(早期推测)
1:蛋白质是遗传物质(20世纪20年代)
各种氨基酸可以按照不同的方式排列，形成不同的 。氨基酸多种多样的排列顺序，可能蕴含着 。
蛋白质
遗传信息
结论： 是遗传物质。
蛋白质
稳定
DNA
蛋白质
DNA
DNA
连续
2:DNA是遗传物质
遗传物质必须具备的特点
1、具有存储巨大数量信息的可能
2、在生长和繁殖过程中能精确的自我复制
3、能指导蛋白质的合成从而控制生物的性
状和新陈代谢
4、分子结构相对稳定（但特殊情况下能产
生变异）
问题：两种不同的推测如何求证呢？
一、DNA是遗传物质的证据
（二）．直接证据
1、肺炎双球菌转化实验
（1）格里菲思转化实验(体内转化)
两种菌落的比较
无毒
有毒
(1)格里菲思转化实验(体内转化)
①注入R型活细菌，小鼠不死亡。
②注入S型活细菌，小鼠死亡。
④R型活细菌和加热杀死的S型细菌混合后注入，小鼠死亡。
③注入加热杀死的S型细菌，小鼠不死亡。
(1) 格里菲思转化实验(体内转化)
(1)格里菲思转化实验(体内转化)
实验结论：
已经被加热杀死的S型细菌中，必然含有某种促成这一转化的活性物质——
实验结果：从第四组小鼠体内分离出了有毒性的S型活细菌
转化因子
特别强调：将S型菌杀死，实质上是使细菌的蛋白质变性，失去活性。蛋白质加热到一定程度，蛋白质分子的结构（空间结构）会被破坏，从而失去生物活性。但是细菌的DNA是不会失去活性的，因为DNA加热后变成单链，但只要冷却后就又会恢复双螺旋状态。
+
肺炎双球菌转化作用图解
转化的S型菌
特别说明：
转化作用的实质是外源DNA与受体之间的重组，使受体细胞获得了新的遗传信息。
其导致的变异类似于基因工程，故应界定为基因重组。
(1)格里菲思转化实验(体内转化)
本实验体现了一个完整的科学发现过程的一部分，即发现问题―→ 提出假说―→实验验证―→得出结论的前两步，后两步由艾弗里完成。
如果请你设计一个实验来确定转化因子，你的实验设计思路是什么?
（2）艾弗里转化实验(体外转化)
S型细菌
分别与R型活细菌培养
R型
R型
R型与S型
分 离
多糖
蛋白质
DNA
DNA酶
R型
（2）艾弗里转化实验(体外转化)
实验结果：①只有加入DNA才转化；
②DNA越纯，转化越有效；
③用DNA酶处理DNA，不再转化。
实验结论:转化因子是DNA，蛋白质、多糖及DNA的水解产物都不是。
艾弗里的实验有什么不足之处？
受技术限制DNA无法100%提纯，总含少量蛋白质。因此，仍有人对实验结论表示怀疑。
【例1】在肺炎双球菌的转化实验中,能够证明DNA是遗传物质的最关键的实验设计是( )
　　A.将无毒R型活细菌与有毒S型活菌混合后培养,发现R型菌转化为S型菌
　　B.将无毒R型菌与加热杀死的S型菌混合后培养,发现R型菌转化为S型菌
　　C.从加热杀死的S型菌中提取DNA,蛋白质和多糖等,加入培养R型菌的培养基中,发现R型菌转化为S型菌
　　D.从加热杀死的S型菌中提取DNA,蛋白质和多糖等,分别加入培养R型菌的培养基中,发现只有加入DNA,R型菌才转化为S型菌
D
例(08江苏)某研究人员模拟肺炎双球菌转化实验，进行了以下4个实验：
①S型菌的DNA＋DNA酶→加入R型菌→注射入小鼠
②R型菌的DNA＋DNA酶→加入S型菌→注射入小鼠
③R型菌＋DNA酶→高温加热后冷却→加入S型菌的DNA
→注射入小鼠
④S型菌＋DNA酶→高温加热后冷却→加入R型菌的DNA
→注射入小鼠
以上4个实验中小鼠存活的情况依次是 ( )
A．存活、存活、存活、死亡
B．存活、死亡、存活、死亡
C．死亡、死亡、存活、存活
D．存活、死亡、存活、存活
D
2、将加热杀死的S型细菌与R型细菌混合后，注射到小鼠体内，在小鼠体内S型、R型细菌的含量变化情况如图所示：
a、从免疫学角度解释：曲线ab段下降的原因是
R型菌被小鼠的免疫系统所消灭
b、曲线bc段上升的原因是
部分R型细菌转化
为有毒S型细菌后在小鼠体内增殖，导致小鼠
的免疫力下降
0
含量
时间
a
b
c
R型细菌
S型细菌
练习：
肺炎双球菌转化实验
1.体内和体外转化实验的比较
格里菲思
艾弗里及其同事
在小鼠体内
体外培养基
R型细菌与S型细菌的毒性对照
S型细菌各成分的作用进行对照
加热杀死的S型细菌能使R型细菌转化为S型细菌
S型细菌的DNA 能使R型细菌转化为S型细菌
S型细菌体内有“转化因子”
S型细菌的DNA 是遗传物质
用加热杀死的S型细菌注射到小鼠体内作为对照实验来说明确实发生了转化
将物质提纯分离后,直接地、单独地观察某种物质在实验中所起的作用
(1)所用材料相同;
(2)体内转化实验是体外转化实验的基础,
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.肺炎双球菌转化实验中的相互对照
相互对照时每组均既是实验组又是对照组，每个实验组除要探究的因素各不相同外，其他条件均相同，最终结论必须由几组实验结果对比得出。
（三）、噬菌体侵染细菌的实验
研究材料：噬菌体
1952，赫尔希和蔡斯
① 营寄生生活
② 在自身遗传物质的指导下进行繁殖
③ 繁殖原料来自大肠杆菌
④ 子代噬菌体从宿主细胞裂解释放。
噬菌体的结构
噬菌体的繁殖
1.实验方法：
同位素示踪法
蛋白质的组成元素：

DNA的组成元素：
C、H、O、N、S
C、H、O、N 、P
（标记32P）
（标记35S ）
标记细菌：在分别含有放射性同位素32P 和35S的培养基中培养细菌
2.实验过程
噬菌体侵染细菌
检测放射性
标记噬菌体：分别用上述细菌培养T2噬菌体，获得含32P的噬菌体和含35S的噬菌体
含35S的噬菌体
含32P的噬菌体
同位素标记噬菌体
含35S
含32P
蛋白质
DNA
离心
离心
离心
32P
离心
32P
32P标记DNA
35S标记蛋白质
有32P标记DNA
无35S标记蛋白质
DNA有32P标记及31P
衣壳蛋白无35S标记
在亲子代之间具有连续性的物质是DNA，即DNA是遗传物质。
3.实验结论：
标记细菌
标记噬菌体
标记噬菌体侵染未标记细菌
搅拌离心测定放射性
结果分析
4.上清液和沉淀物放射性分析
(1)用32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌，上清液中含放射性的原因：
①保温时间过短，有一部分噬菌体还没有侵染到大肠杆菌细胞内，经离心后分布于上清液中，上清液中出现放射性。
②保温时间过长，噬菌体在大肠杆菌内增殖后释放子代，经离心后分布于上清液，也会使上清液中出现放射性。
(2)用35S标记的噬菌体侵染大肠杆菌，沉淀物中有放射性的原因：由于搅拌不充分，有少量含35S的噬菌体吸附在细菌表面，随细菌离心到沉淀物中。
【高考警示钟】
1.噬菌体侵染细菌实验中的标记误区
(1)该实验不能标记C、H、O、N这些DNA和蛋白质共有的元素，否则无法将DNA和蛋白质区分开。
(2)35S(标记蛋白质)和32P(标记DNA)不能同时标记在同一噬菌体上，因为放射性检测时只能检测到存在部位，不能确定是何种元素的放射性。
2.噬菌体侵染细菌实验与艾弗里的肺炎双球菌转化实验的方法不同
(1)前者采用放射性同位素标记法，即分别标记DNA和蛋白质的特征元素(32P和35S)；
(2)后者则采用直接分离法，即分离S型细菌的DNA、多糖、蛋白质等，分别与R型细菌混合培养。
〖例〗针对耐药菌日益增多的情况，利用噬菌体作为一种新的抗菌治疗手段的研究备受关注，下列有关噬菌体的叙述，正确的是（ ）
A.利用宿主菌的氨基酸合成子代噬菌体的蛋白质
B.以宿主菌DNA为模板合成子代噬菌体的核酸
C.外壳抑制了宿主菌的蛋白质合成，使该细菌死亡
D.能在宿主菌内以二分裂方式增殖，使该细菌裂解
A
二.RNA是遗传物质的证据——烟草花叶病毒(TMV)对烟草的感染与重建
烟草花叶病毒(简称TMV)，其基本成分是蛋白质和RNA，体内无DNA。为查明其遗传物质，1957年格勒和施拉姆进行了如下实验：
三、DNA是主要遗传物质
（一）RNA是遗传物质的实验依据
烟草花叶病毒
感染烟草
提取蛋白质
感染烟草
提取RNA
感染烟草
结论：RNA是烟草花叶病毒的遗传物质，
蛋白质不是烟草花叶病毒的遗传物质 。
三、对“DNA是主要的遗传物质”的理解
(1)一切生物的遗传物质是核酸(DNA或RNA)。
(2)凡细胞生物(不论是真核生物还是原核生物)，其遗传物质都是DNA，其细胞中的RNA只是遗传信息表达的媒介。
(3)DNA病毒(如噬菌体)的遗传物质是DNA；只有极少数RNA病毒的遗传物质是RNA。
结论：绝大多数生物的遗传物质是DNA，即DNA是主要的遗传物质。
例：人类对遗传物质本质的探索经历了漫长的过程，下列有关叙述正确的是（ ）
　A. 孟德尔发现遗传因子并证实了其传递规律和化学本质
　B. 噬菌体侵染细菌实验比肺炎双球菌体外转化实验更具说服力
　C. 沃森和克里克提出在 DNA 双螺旋结构中嘧啶数不等于嘌呤数
　D. 烟草花叶病毒感染烟草实验说明所有病毒的遗传物质是 RNA
B
一、DNA是遗传物质的证据
1．间接证据(早期推测)
2．直接证据
(1)肺炎双球菌转化实验
①格里菲思转化实验(体内转化)
②艾弗里转化实验(体外转化)
(2)噬菌体侵染细菌实验
二、DNA是主要的遗传物质
小结：
生物的遗传物质
无细胞结构
真核生物和原核生物
一切生物的遗传物质是核酸，DNA是主要的遗传物质
有细胞结构
病毒
DNA
RNA 或 DNA
三、结论：
1.肺炎双球菌的转化实验
(1) 加热杀死的S型细菌能使R型活细菌发生转化的原因：①加热到一定温度，蛋白质的分子结构(空间结构)会被破坏而变性，从而丧失生物活性。因此，加热引起蛋白质变性是导致S型细菌死亡的原因。
②S型细菌体内的DNA热稳定性较高，把DNA溶液加热至沸点，可使其氢键断裂，双螺旋解体，但若将其缓慢冷却，分离的单链又可部分地得以重聚，恢复其双螺旋结构。因此，在一定温度范围内，加热不会导致DNA变性。
③当与R型细菌混合培养时，S型细菌DNA进入R型细菌体内，这叫DNA的转化。
1.肺炎双球菌的转化实验
2．噬菌体侵染细菌的实验
(1)用放射性元素无法直接标记无自主代谢能力的噬菌体，只有用相关元素标记其宿主，再让噬菌体侵染宿主，才能使其增殖，子代被标记。
(2)噬菌体在宿主细胞中的增殖过程包括：吸附―→注入―→合成―→装配―→释放。
(3)从组成化合物的元素可知，S只存在于某些蛋白质中，P主要分布于DNA(核酸)中，故可用其同位素标记两种成分。
(4)虽然细菌转化实验和噬菌体侵染细菌的实验方法不同(前者为直接分离培养法，后者为放射性同位素示踪法)，但思路基本一致且都遵循了对照原则。
(5)两个实验的结论都是DNA是遗传物质，而蛋白质不是遗传物质。
2．噬菌体侵染细菌的实验
实验过程中排除干扰因素的常用方法
①将各种物质分开来分别实验。
②用同位素进行示踪(如在噬菌体侵染细菌的实验中用32P和35S分别标记DNA和蛋白质)。
③利用酶的专一性除去某些干扰物质(如在肺炎双球菌的转化实验中选用DNA酶降解DNA作对照实验)。
(1)放射性同位素示踪法的应用
①噬菌体侵染细菌的实验，分别用32P标记DNA，用35S标记蛋白质，观察DNA和蛋白质到底是谁进入细菌细胞体内发挥作用。
②标记光合作用和呼吸作用过程中各种原子的转移，如分别标记水中的O和二氧化碳中的O，用来探究光合作用释放的氧气的来源；标记二氧化碳中的C，用来探究C在植物体内是如何合成有机物的；标记氧气中的O，用来探究呼吸作用产物水和二氧化碳中O的来源。
③标记矿质元素，可以用来探究矿质元素的运输途径和利用过程。
④分别用H标记胸腺嘧啶和尿嘧啶，可以用来探究DNA和RNA的复制、RNA的逆转录、基因的表达(转录和翻译)等。
(2)同位素的选择标准
①特征性元素——如噬菌体侵染细菌的实验。
②所要研究的元素——如光合作用中C、O的标记等。
(1)放射性同位素示踪法的应用