第3章 基因的本质
第1节 DNA是主要的遗传物质
1．肺炎双球菌类型
无毒
有毒
2．格里菲思的肺炎双球菌的体内转化实验
不死亡
死亡
死亡
不死亡
已经被加热杀死的S型细菌中，必然含有“转化因子”，这种转化因子将无毒性的R型活细菌转化为有毒性的S型活细菌
3．艾弗里的肺炎双球菌的体外转化实验
答案：R型菌和S型菌 R型菌 R型菌 R型菌 R型菌 R型菌
DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质
4．噬菌体侵染细菌的实验
（1）T2噬菌体: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__________构成的，头部内含有__________。
（2）噬菌体侵染细菌的过程

（3）赫尔希和蔡斯实验过程
蛋白质
DNA
吸附
注入
合成
组装
释放
第一步：噬菌体分别被35S或32P标记；
第二步：用被标记的噬菌体侵染未标记的细菌；
第三步：在搅拌器中搅拌，使吸附在细菌上的噬菌体与细菌分离；
第四步：离心后，检测上清液和沉淀物中的放射性物质。
答案：细菌体内无放射性T2噬菌体增殖
蛋白质外壳留在细菌细胞外，不起作用
细菌体内有放射性T2噬菌体增殖
DNA进入细菌细胞内，指导T2噬菌体的增殖
结论：DNA是真正的遗传物质
（4）结果分析
肺炎双球菌的转化实验和噬菌体侵染细菌的实验比较
1．实验思路相同：设法将DNA与其他物质分开，单独地直接地研究它们各自的作用。
2．实验设计原则相同：都遵循对照原则。
3．处理方式的区别
（1）艾弗里的实验：直接将S型细菌的DNA、多糖、蛋白质等分开，分别与R型细菌混合培养。
（2）赫尔希和蔡斯的实验：分别用放射性同位素35S 、32P标记噬菌体的蛋白质和DNA，分别让其侵染大肠杆菌。
（3）实验结论
①肺炎双球菌转化实验的结论：DNA是遗传物质，蛋白质不是遗传物质。
②噬菌体侵染细菌实验的结论：DNA是遗传物质，但不能证明蛋白质不是遗传物质，因为蛋白质没有进入细菌体内。
③两实验都不能证明DNA是主要的遗传物质。
1． （2009年广东卷）艾弗里等人的肺炎双球菌转化实验和赫尔希与蔡斯的噬菌体侵染细菌实验都证明了DNA是遗传物质。这两个实验在设计思路上的共同点是（ ）
A．重组DNA片段，研究其表型效应
B．诱发DNA突变，研究其表型效应
C．设法把DNA与蛋白质分开，研究各自的效应
D．应用同位素示踪技术，研究DNA在亲代与子代之间的传递
解析：肺炎双球菌转化实验没有用到同位素示踪技术，两实验都没有突变和重组。
答案： C
2. （2009年江门二模）1952年，科学家赫尔希和蔡斯利用大肠杆菌、T2噬菌体为实验材料，证明了T2噬菌体的遗传物质为DNA。他们首先用含有35S和35P的培养基来培养大肠杆菌，然后用该大肠杆菌来培养T2噬菌体，再用上述T2噬菌体去感染未标记的大肠杆菌(如图甲)，并经过保温、搅拌器搅拌、离心等步骤进一步开展实验(如图乙)。请据图回答：
(1)在赫尔希和蔡斯的噬菌体侵染细菌实验中，用35P标记噬菌体的DNA所体现的实验方法是 。
(2)与格里菲斯肺炎双球菌转化实验相比，本实验更具有说服力，原因是  。
(3)用培养过的大肠杆菌来培养T2噬菌体的目的是  。
(4)实验过程中，保温的时间不宜过长，原因是  。
(5)含35P的噬菌体侵染实验中，经过离心，沉淀物放射性很高，这说明 ；
上清液也有很低的放射性，原因可能是 。
答案：(1)同位素示踪法
(2)本实验把DNA与蛋白质分开，从而可以直接、单独地去观察DNA和蛋白质的作用
(3)使T2噬菌体带上放射性标记
(4)时间过长，会导致细菌裂解，影响实验结果的分析
(5)T2噬菌体在侵染细菌的过程中，DNA进入细菌
上清液中可能有未发生侵染的T2噬菌体(上清液中可能有侵染后释放出的子代噬菌体)
DNA：绝大多数生物，包括_________和大多数的病毒。
RNA：少数 __________，如烟草花叶病毒、SARS病毒、HIV等。
细胞生物
病毒
探究思考：
具有细胞结构的生物体内既有DNA也有RNA，两者都是遗传物质吗？
答案：不是，DNA和RNA同时存在时，DNA是遗传物质，而RNA不是。
原核生物：细菌、支原体、衣
原体、放线菌、蓝藻等
真核生物：真菌、原生生物及所有
的动植物
一、生物的遗传物质
细胞生物
非细胞生物
遗传物质是RNA
只含有RNA：如H1N1、流感病毒、
SARS病毒、烟草花叶
病毒、艾滋病病毒等
只含有DNA：如T2噬菌体、乙肝病
毒、天花病毒等
遗传物质是DNA
注 ：1.细胞内既有DNA，又有RNA，只有DNA是遗传物质。
2.病毒只能含有一种核酸，DNA或RNA。
3.对于整个生物界而言，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。
4.一切有细胞结构的生物，遗传物质都是DNA。
5.DNA是主要的遗传物质，是针对整个生物界而言，而不是针对某一个体。
6.蛋白质一般不作为遗传物质的原因
(1)不能进行自我复制，而且它在染色体中的含量往往不固定。(2)分子结构也不稳定（易变性）。
(3)不能遗传给后代。
(4)特例：因朊病毒只含蛋白质成分，不含核酸，尚在研究中。
1.（2009 年江苏卷）下列有关生物体遗传物质的叙述，正确的是（ ）
A．豌豆的遗传物质主要是DNA
B．酵母菌的遗传物质主要分布在染色体上
C．T2噬菌体的遗传物质含有硫元素
D．HIV的遗传物质初步水解产生4种脱氧核苷酸
解析： 解析：A中豌豆的遗传物质只有DNA;B中酵母菌的遗传物质DNA主要分布在染色体上，细胞质中也有；C中T2噬菌体的遗传物质是DNA，不含S元素；D中HIV的遗传物质是RNA，初步水解后产生4种核糖核苷酸。
答案： B

2. （2009年江苏卷）科学家从烟草花叶病毒(TMV)中分离出a、b两个不同品系，它们感染植物产生的病斑形态不同。下列4组实验(见下表)中，不可能出现的结果是（ ）
A．实验① B．实验②
C．实验③ D．实验④

解析：本题考查的是病毒遗传物质的特点。烟草花叶病毒的遗传物质是RNA，而蛋白质不是遗传物质，因此在③中，组合病毒的遗传物质是b型的，因此病斑类型是b型，病斑中分离出的病毒类型也应是b型。
答案： C
例. 如果用15N、35P、35S标记噬菌体，让其侵染细菌，产生的子代噬菌体与亲代噬菌体形态完全相同，而子代噬菌体的组成成分中，能够找到的放射性元素为（ ）
A．可在外壳中找到15N和35S
B．可在DNA中找到15N、35P
C．可在外壳中找到15N
D．可在DNA中找到15N、35P、35S
解析：噬菌体由蛋白质外壳和DNA组成；噬菌体侵染细菌时只有DNA进入，蛋白质外壳留在外面，噬菌体的DNA利用细菌体内的物质作原料进行半保留复制；15N可标记噬菌体的蛋白质和DNA，但35S只能标记蛋白质，35P只能标记DNA，所以子代噬菌体中可存在15N、35P。
答案：B
名师点睛 ：1．若用35P和35S标记噬菌体而细菌未标记，相当于间接地将蛋白质和DNA分开，在子代噬菌体中只有DNA中有标记元素35P。
2．若用35P和35S标记细菌而噬菌体未标记，在子代噬菌体中蛋白质和DNA均可找到标记元素。
3．若用14C、3H、15N等标记噬菌体而细菌未标记，在子代噬菌体中，只有DNA中能找到标记元素。
4．若用14C、3H、15N等标记细菌而噬菌体未标记，在子代噬菌体中蛋白质和DNA均可找到标记元素。
1952年赫尔希和蔡斯用35S和35P分别标记T2噬菌体时，其做法是（ ）
A．分别用35S和35P的人工培养基培养T2噬菌体
B．分别将35S和35P注入鸡胚，再用T2噬菌体感染鸡胚
C．分别用35S和35P的培养基培养细菌，再分别用上述细菌培养T2噬菌体
D．分别用35S和35P的动物血清培养T2噬菌体
解析： T2噬菌体是专门感染细菌的病毒，不能独立生活，营寄生生活，所以要用35S和32P分别标记T2噬菌体时，必须先让其要感染的细菌分别用35S和32P进行培养，让细菌体内的S和P都是被用同位素标记过的，然后再用T2噬菌体感染，释放出来的子代T2噬菌体则被标记上特定的同位素。
答案： C
实验课题：DNA的粗提取和鉴定 
1.血细胞在蒸馏水中会因渗透吸水过度而导致细胞膜和细胞核膜的破裂，利用此特性可得到含有DNA的溶液。
2.DNA在氯化钠溶液中的溶解度，是随着氯化钠的浓度的变化而改变的。当氯化钠的物质的量浓度为0.14 mol／L时，DNA的溶解度最低。利用这一原理，可以使溶解在氯化钠溶液中的DNA析出。
3. DNA不溶于酒精溶液，但细胞中的某些物质则可以溶于酒精，利用这一原理，可以进一步提取出含杂质较少的DNA。
4.DNA遇二苯胺(沸水浴)会染成蓝色，因此，二苯胺可以作为鉴定DNA的试剂。
DNA+
冰醋酸
少量浓硫酸
+
100℃
蓝色物质
二苯胺
二、材料用具
1.材料
鸡血细胞液、预冷的95%的酒精溶液、蒸馏水、质量浓度为0.1 g／mL的柠檬酸钠溶液、物质的量浓度分别为2 mol/L和0.015 mol/L的氯化钠溶液、二苯胺试剂。
2.用具
铁架台、铁环、镊子、三角架、酒精灯、石棉网、载玻片、玻璃棒、滤纸、滴管、量筒、烧杯(不同大小)、试管、漏斗、试管夹、纱布。
三、知识归纳
1.(1)提取鸡血细胞的细胞核物质，应用低渗原理和机械搅拌得到最大量的DNA。
(2)析出含DNA的黏稠物，加蒸馏水时要慢慢，搅拌时要轻轻，否则实验会失败。
(3)沉淀DNA时必须用冷酒精。
2.DNA的提取，关键是对杂质的去除，由于上清液是血液中的血浆部分，不含DNA，所以要除去上清液(含有蛋白质)。
3.实验中出现的丝状物是肉眼可以观察到的，这种丝状物的直径要比DNA分子的直径2 nm大许多倍，所以实验中出现的丝状物的粗细并不表示一个DNA分子直径的大小。
实验结论:细胞中有DNA，DNA与二苯胺试剂在沸水浴中变蓝色。
四、思维拓展
1.实验材料除鸡血细胞外，从理论上讲只要有细胞核的生物组织均可，如菜花、动物肝脏等，只是操作较复杂，有兴趣的同学也可以试一试。
2.缩短实验操作时间的建议
(1)在实验中有三次用放有纱布的漏斗过滤(分别是单层、多层和两层纱布)，改用直接将纱布覆盖在烧杯口过滤。
(2)在鉴定DNA时，可用二苯胺试剂直接滴在玻棒上的丝状物上，呈现蓝绿色，即证明DNA的存在。
3.DNA遇二苯胺试剂呈蓝色，遇甲基绿呈绿色，都是特异性显色反应，故二苯胺和甲基绿均可用于鉴定DNA。
1．材料制备
0.1 g/mL柠檬酸钠100 mL
活鸡血180 mL
500 mL烧杯→玻璃棒搅拌→1000 r/min离心2 min→吸去上清液→
即得鸡血细胞液（也可将上述烧杯置于冰箱中，静置一天使鸡血细胞自行沉淀）
2．方法步骤
（1）提取血细胞核物质
取血细胞液5~10 mL＋20 mL蒸馏
水，玻璃棒沿一个方向快速搅
拌，纱布过滤，滤液中含DNA
和其他核物质，如蛋白质
原理：血细胞的细胞膜、核膜吸水
涨破，玻璃棒快速搅拌，
机械加速血细胞破裂
（2）溶解核内DNA：滤液＋2 mol/L NaCl溶液40 mL，玻璃棒沿一个方向搅拌
（3）析出含DNA的粘稠物：
向上述溶液中缓缓加入蒸馏水，并轻轻地沿一个方向搅拌，出现丝状物，当丝状物不再增加时，停止加水（此时NaCl溶液相当于稀释到0．14 mol/L）
（4）滤取含DNA的粘稠物：
用多层纱布过滤，含DNA的粘稠物留在纱布上
（5）DNA粘稠物再溶解
20 mL 2 mol/L NaCl溶液上述粘稠物
50 mL烧杯，缓慢搅拌3 min
（6）过滤含DNA的2 mol/L NaCl溶液：
用2层纱布过滤，滤液中含DNA
（7）提取含杂质较少的DNA：
上述溶液＋95%酒精，缓慢搅拌，出现乳白色丝状物，用玻璃棒将丝装物卷起
（8）DNA鉴定
3.图解过程
Ⅰ.提取血细胞(柠檬酸钠、离心)
Ⅱ.提取核物质(蒸馏水、过滤)
Ⅲ.用NaCl提取DNA(NaCl、过滤)
Ⅳ.用酒精提取DNA(酒精、过滤)
Ⅴ.用二苯胺鉴定DNA(二苯胺试剂)
整个实验共“三次过滤，两次析出，五次搅拌”。
1.血细胞液加水后，必须充分搅拌(不少于5 min)，否则血细胞核就不会充分破碎，溶解出的DNA就会减少。过滤时采用单层纱布。
2.当NaCl溶液加入至血细胞滤液中之后，必须充分晃动烧杯，使二者混合均匀。这样才能使DNA充分溶解于浓NaCl溶液中。
3.所用酒精必须是充分预冷(在冰箱中5 ℃以下冷却24 h以上)才能使用。冷酒精与含DNA的NaCl溶液的体积比是2∶1。提取DNA丝状物的方法是缓缓旋转玻棒。
4.做步骤Ⅲ时加入蒸馏水的量应充足
由于被稀释的原液体积仅为60 mL左右，学生担心蒸馏水会加过量，于是他们往往加至烧杯的一大半时就终止了。
预防措施有二:(1)布置学生计算出需加的蒸馏水量(V×014=2×0.04， 解得V=0.571 L=571 mL) ；(2)使用有 500 mL 刻度的烧杯。
5.盛放鸡血细胞液的容器和实验中的烧杯及试管最好也是塑料制的，因为玻璃制品表面带电荷，而DNA中的磷酸基带与之相反的电荷，所以DNA会被吸附于玻璃表面，从而减少DNA含量。
6.加入氯化钠时的注意事项
(1)溶解细胞核内的DNA:用2 mol/L的氯化钠溶液。
(2)析出含DNA的黏稠物并过滤。这又是一个关键步骤，教师亲自指导:
①要慢慢注入蒸馏水，防止加入过量而使DNA重新溶解(即把握浓度达到0.14 mol／L)。
②轻轻沿一方向搅拌，有利于DNA的析出、附着、缠绕。
③再溶解DNA的黏稠物并过滤。用浓度为2 mol/L的氯化钠溶液。
7.提取含杂质较少的DNA时，用预冷的95%的酒精的原因
(1)可抑制核酸水解酶活性，防止DNA降解。
(2)降低分子运动，易于形成沉淀析出。
(3)低温有利于增加DNA分子柔韧性，减少断裂。
8.学生在操作中常常出现不能形成粘稠物的情况，制取的DNA粗制品有红色(血红蛋白的颜色)或由于加入溶液和搅拌过程不科学导致实验现象不明显等现象，所以在关键步骤中教师要亲自指导。
1．以下是有关DNA的粗提取实验的阅读材料： 
a．核酸极不稳定，在较为剧烈的化学、物理因素和酶的作用下很容易降解。在制备DNA时要加入DNA酶（水解DNA的酶）的抑制剂柠檬酸钠，以除去Mg，防止DNA酶的激活。
b．核酸中的DNA和RNA在生物体内均以核蛋白（由核酸和蛋白质组成）的形式存在，DNA核蛋白在1 mol/L NaCl 溶液中溶解度很大，但在0.14 mol/L NaCl 溶液中溶解度很低；而RNA核蛋白溶于0.14 mol/L NaCl 溶液。
c．用苯酚处理，可使蛋白质变性，且留在苯酚层内；在DNA溶液中加入25倍体积、浓度为95%的酒精，可将DNA分离出来。此时DNA十分粘稠，可用玻璃棒搅成团取出。
d．DNA在强酸性环境下，水解产生脱氧核糖等小分子物质，它与二苯胺酸性溶液反应，能生成蓝色化合物。
e．实验材料与器械：柠檬酸钠溶液、石英砂、0.14 mol/L NaCl 溶液、1 mol/L NaCl 溶液、苯酚、95%的酒精、二苯胺试剂、浓硫酸、花椰菜、研钵、烧杯、漏斗、玻璃棒、量筒、石棉网、酒精灯、吸管、试管等。
以下是DNA粗提取实验的步骤，请根据以上阅读材料回答有关问题：
（1）研磨：取10克花椰菜加适量的__________、__________和石英砂，研磨成匀浆。
（2）过滤。
（3）将滤液稀释6倍，其目的是 。
（4）离心处理，产生沉淀。
（5）取沉淀物，置于2毫升1 mol/L NaCl 溶液中，使DNA核蛋白再次溶解，再加2毫升苯酚充分震荡后静止，待其分层后弃其上层苯酚。这一步的目的是除去 。
（6）如何将剩余溶液中的DNA提取出来？ 
（7）如何证明提取物质确实是DNA分子？
（7）如何证明提取物质确实是DNA分子？ 。其实验过程的要点是向放有DNA的试管中加入适量该试剂，混合均匀后，将试管置于 中5 min，待试管__________后，观察试管中的颜色变化。这个实验也说明DNA耐 温，前次温度有利于 ，后次温度则有利于DNA 。
答案：（1）柠檬酸钠溶液 1 mol/L NaCl 溶液
（3）使DNA核蛋白溶解度降低而析出
（5）（DNA核蛋白中的）蛋白质
（6）向下层溶液中加25倍体积、浓度为95%的酒精，此时用玻璃棒搅动，玻璃棒上成团的物质即是DNA
（7）用适量浓硫酸处理提取物，再滴加二苯胺酸性溶液数滴，如有蓝色物质出现即可证明提取物为DNA 沸水浴冷却高 加快染色反应的速度析出
2．“DNA的粗提取与鉴定”实验中，A、B、C、D、E五个小组除下表中所列处理方法不同外，其他操作步骤均相同且正确，但实验结果却不同。
(1)实验材料选择错误的组别是__________。其原因是 。
(2)实验步骤(不包括实验材料)均正确，但得不到DNA的组别是__________。
(3)沸水浴中试管颜色变蓝的组别是__________；蓝色较淡的是__________，其原因是  。
(4)B组实验不成功的最主要原因是  。
答案：(1)C、D 人的血浆中没有细胞结构，成熟的红细胞中没有细胞核，选用这些材料得不到DNA或得到的DNA很少
(2)C
(3)A、E A 冷却的酒精对DNA的凝集效果较佳，该组使用的是25 ℃的酒精
(4)菜花细胞在蒸馏水中不能被破坏，得不到DNA(应采用研磨的方法)。
1.噬菌体侵染大肠杆菌的实验不能说明的是（ ）
A.DNA能产生可遗传的变异
B.DNA能自我复制
C.DNA是遗传物质
D.DNA能控制蛋白质的合成
解析：考查噬菌体侵染细菌的实验及得出的结论，能力要求属中等。噬菌体侵染细菌的实验中，侵入细胞体内的噬菌体DNA不但能够复制，而且能指导蛋白质的合成，从而形成子代噬菌体的蛋白质外壳。这证明DNA是遗传物质，而在整个过程中，则不能证明DNA能产生可遗传的变异。
答案：A
7．噬菌体侵染细菌的过程中，能说明DNA分子是遗传物质的关键步骤是（ ）
A.噬菌体将自己的DNA注入到细菌体内 
B.噬菌体的DNA利用细菌体内的成分复制出DNA合成蛋白质外壳 
C.新合成的DNA和蛋白质外壳组装成子代噬菌体 
D.释放子代噬菌体
解析：考查噬菌体侵染细菌的实验。噬菌体侵染细菌的实验的第一步注入、第四步释放出子代噬菌体是最关键的步骤。因为第一步注入的仅仅是噬菌体的DNA，而蛋白质外壳留在细菌的外面，而第四步却释放出了与亲代大小、形状等方面一样的子代噬菌体，这充分说明了噬菌体的各种性状是通过DNA传递给后代的，从而证明了DNA是遗传物质。
答案：AD
10.用32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌，在理论上，上清液中不含放射性，下层沉淀物中具有很高的放射性，而实验的实际最终结果显示：在离心上层液体中，也具有一定的放射性，而下层的放射性强度比理论值略低。
（1）在理论上，上层液放射性应该为0，其原因是  。
（2）由于实验数据和理论数据之间有较大的误差，由此对实验过程进行误差分析：
a.在实验中，从噬菌体和大肠杆菌混合培养，到用离心机分离，这一段时间如果过长，会使上层液的放射性含量 ，原因是 。
b.在实验中，如果有一部分噬菌体没有侵染到大肠杆菌细胞内，是否是误差的来源？ 。理由：  。
（3）请设计一个方法来大量制备用32P标记的噬菌体：  。
解析：（1）上清液不具有放射性，说明DNA已全部注入；（2）上清液具有放射性，说明部分亲代噬菌体未侵染大肠杆菌或部分子代噬菌体已释放出来；（3）病毒是一种专性寄生的生物。
答案：（1）噬菌体已将含32P的DNA全部注入到大肠杆菌体内
（2）a．升高 噬菌体在大肠杆菌内增殖后释放出来，经离心后分布于上清液中b．是 没有侵入大肠杆菌的噬菌体经离心后分布于上清液中，使上清液出现放射性
（3）先用32P标记大肠杆菌，再用噬菌体去感染被32P标记的大肠杆菌，从而获得大量被32P标记的噬菌体
祝
您
学业有成