第六章 遗传和变异 第一节 遗传的物质基础 一、dna是主要的遗传物质教学目的 dna是主要的遗传物质（c：理解） 教学重点 1、肺炎双球菌的转化实验的原理和过程 2、噬菌体侵染细菌的实验原理和过程 教学难点 肺炎双球菌的转化实验的原理和过程 教学用具 肺炎双球菌的转化实验过程图、t2噬菌体结构的模式图、t2噬菌体侵染细菌的实验过程图 教学方法 讲授法、讨论法 课时安排 １课时教学过程俗话说，种瓜得瓜，种豆得豆；一母生九子，九子各不同。这些现象表明生物具有遗传和变异的特性。遗传是指亲代与子代在形态、结构和生理上表现为相似的现象。变异是指亲代与子代、子代与子代之间在形态、结构和生理上表现有差异的现象。 我们知道，生物体的性状之所以能够传给后代，后代之所以具有亲代的特征是由于在生物体内具有对遗传起决定性作用的物质，也就是遗传物质。那么，什么是生物的遗传物质呢？这就是这节课我们要学习的内容dna是主要的遗传物质。（一）遗传物质应具备的特点 1、遗传物质应具备的特点 （1）能复制，在前后代保持连续性，稳定性； （2）能控制物质性状和代谢过程； （3）有贮存巨大数量遗传信息的潜在能力； （4）能引起可遗传的变异。分子结构比较稳定，但在特殊情况下能够发生突变，而且突变后还能继续复制，并能够遗传给后代。 遗传和变异是生物在生殖、发育过程中表现的基本特征。因此寻找遗传物质应从生殖发育的过程去考虑。2、染色体在生物遗传中起着重要作用 19世纪末，生物学家通过对生殖发育中减数分裂、受精作用和有丝分裂等过程的研究，发现细胞中染色体在前后代能保持连续性和稳定性，认识到染色体在生物的遗传中起着重要作用。 染色体主要是由蛋白质和dna组成的。那么，它们中究竟哪一种具备遗传物质的4个特征，是遗传物质呢？ 因为蛋白质具有前面遗传物质的第（2）、（3）特点，所以曾有人认为蛋白质是遗传物质。但越来越多的科学实验证明，生物体内主要的遗传物质是dna，而不是蛋白质。（二）dna是遗传物质的间接证据1、dna分布在染色体内，是染色体的主要成分；而染色体是直接与遗传有关的。2、细胞核内dna的含量十分稳定，而且与染色体的数目存在着平行关系：在同一种生物的细胞中，体细胞（二倍体）中dna的含量是生殖细胞（单倍体）中dna含量的2倍；体细胞中染色体的含量也正好是生殖细胞的2倍。3、dna在代谢中较稳定，不受生物体的营养条件、年龄等因素的影响。4、作用于dna的一些物理和化学因素，如紫外线、x射线、氮芥等都可以引起生物体遗传特性的改变。下面我们介绍证明dna是遗传物质的两个著名的实验。（三）dna是遗传物质的直接证据 在生物体内dna与蛋白质往往同时存在，因此在证明dna是遗传物质的实验中关键的设计思路是设法将dna与蛋白质分开，单独地、直接地观察dna和蛋白质的作用。其关键技术是dna、蛋白质和多糖等的提取分离技术和其它有关技术（细菌、噬菌体的培养技术；同位素标记技术）。1、肺炎双球菌的转化实验 转化作用是指一种生物由于接受了另一种生物的遗传物质（dna或rna），而表现出后者的某些遗传性状，或发生遗传性状改变的现象。其实质是外源dna与受体细胞dna之间的重组，使受体细胞获得了新的遗传信息。转化率与供体细胞dna的纯度有关。dna越纯，转化率就越高。（1）格里菲思的实验（体内转化实验）1928年，英国科学家格里菲思用肺炎双球菌在小鼠身上进行转化实验。在实验中，他用了两种不同类型的肺炎双球菌。一种是s型细菌，它的菌落光滑，菌体有多糖类的荚膜，对肺炎双球菌有保护作用，使之不受被感染动物的正常免疫机制所杀死，是有毒性的球形菌，可以引起人患肺炎和使小鼠患败血症而死亡；另一种是r型细菌，它实际上是肺炎双球菌的突变型，它已丧失了合成具有保护作用的荚膜，因此它无毒性，菌落粗糙。 请同学们仔细观察课本p2—3，肺炎双球菌的转化实验的过程及现象。 ①无毒性的r型活细菌注射到鼠体内，鼠不死亡；②有毒性的s型活细菌注射到鼠体内，鼠死亡；③加热杀死的s型细菌注射到鼠体内，鼠不死亡； ④将无毒性的r型活细菌与加热杀死后的s细菌混合后，注射到鼠体内，鼠死亡，并且从鼠体内分离出有毒性的s型活细菌，其后代也有毒性。 从第④组实验鼠体内可分离出少部分有毒性的s型活细菌说明无毒性的r型活细菌与加热杀死的s型细菌混合后，有少部分r型活细菌可转化成有毒性的s型活细菌；这种s型活细菌的后代也是有毒性的s型细菌又说明这种转化的性状是可以遗传的。 格里菲思的实验结论是：已加热杀死的s型细菌中必然含有某种促成这一转化的活性物质——转化因子。这种转化因子是什么？格里菲思没有找到。 （2）艾弗里确定转化因子的实验（体外转化实验） 在确定转化因子的实验中，关键的设计思路是从活的s型细菌中提取、分离和鉴定出各种成分，分别与r型细菌混合培养，并观察其后代是否有s型细菌出现。 这个设计思路的实施需要依赖于dna、蛋白质和多糖等的分离提取技术和其它有关技术（细菌的培养技术）的掌握。因此，直至1944年，美国的科学家艾弗里和他的同事才进行了确定转化因子的实验，并获得了成功。 他们从s型活细菌中提取出了dna、蛋白质和多糖等物质，分别将它们加入培养r型细菌的培养基中，结果发现只有加入dna，才能在培养r型细菌的培养基中找到s型细菌。 有人怀疑是dna不纯，夹杂有蛋白质。为此他们又设计用dna酶（降解）处理dna，使其水解，结果在培养r型活细菌的培养基中没有发现s型细菌。 艾弗里实验表明：dna是转化因子，是（控制生物的性状）使r型细菌产生稳定的遗传变化的物质，即dna是遗传物质。 在整个肺炎双球菌的转化实验中，加热杀死s型肺炎双球菌后，其细胞中的dna是否变性呢？ 实验证明，把dna溶液加热到沸点，可使其氢键断裂，双螺旋解体；但如将其缓慢冷却，分离的单链就可部分地得以重聚，恢复其双螺旋结构。 s型细菌的dna又是怎样将它的核苷酸序列加在r型细菌上的呢？ 这是因为外源dna分子一旦找到它的内源同源体，这两个分子就可进行遗传交换了。交换的结果是使外源dna被整合，而使同源的内源dna分子从r型细菌的dna中排斥出去，从而产生由r型细菌变为s型细菌的遗传转化。 2、t2噬菌体侵染细菌的实验 （课本p3，t2噬菌体结构的模式图） 噬菌体是一种寄生在细菌体内的病毒。它的外壳是蛋白质，头部内含有dna（一个t2噬菌体只有一个双链、环状的dna分子）。它侵染细菌后，就会在自身遗传物质的作用下，利用细菌体内的物质来合成自身的组成成分，进行大量的增殖，产生一大批与亲代噬菌体一样的子代噬菌体。 （1）噬菌体的生活周期一个典型的噬菌体的生活周期可以分为三个阶段：感染阶段（吸附、注入）、增殖阶段（复制、合成和装配）和成熟阶段（释放）。 那么，它的遗传物质究竟是蛋白质还是dna呢？ （2）噬菌体的遗传物质是dna 由于dna中含有p元素，但多数蛋白质不含有p元素（99%的p都存在于dna分子中）；只有蛋白质中含有s元素，而dna中却不含有s元素。因此，在1952年赫尔希和沙斯设计了一个巧妙实验：用放射性同位素标记和测试。 请同学们仔细看课本p4的图6—3，t2噬菌体侵染细菌的实验过程。 ①用35p标记了一部分噬菌体的蛋白质，并用32p标记了另一部分噬菌体的 dna； ②用被标记的两种噬菌体分别去侵染细菌； ③当噬菌体在细菌体内大量增殖时，对被标记物质进行放射性测试。 测试的结果是：用35p标记蛋白质的噬菌体侵染后，细菌体内无放射性，即表明噬菌体的蛋白质没有进入细菌内部；而用32p标记dna的噬菌体侵染细菌后，细菌体内有放射性，即表明噬菌体的dna进入了细菌体内。 由此可知，噬菌体在细菌体内的增殖是在噬菌体dna的作用下完成的。其中，子代噬菌体的dna是通过自我复制形成的，子代噬菌体的蛋白质是在噬菌体dna的指导下利用细菌的氨基酸合成的。 此实验证明dna是遗传物质，但不能证明蛋白质不是遗传物质。同时，此实验也证明了dna具备遗传物质的一些特性：dna能自我复制，具有连续性；能指导蛋白质的合成。 因为s仅存在于t2噬菌体的蛋白质外壳中，而p主要存在于dna中。因此，用s和p这两种同位素可以分别特异性地＂跟踪＂噬菌体中蛋白质和dna在噬菌体繁殖过程中所起的作用。这样，不用将二者分离，就能够＂单独地＂观察到谁能够在前后代保持连续性（从而证明谁是遗传物质）。 （四）dna是主要的遗传物质，rna也是遗传物质 现代科学研究证明，有些病毒只含有蛋白质和rna，如烟草花叶病病毒。从烟草花叶病病毒中提取出rna和蛋白质，分别侵染烟草，前者能使烟草感染病毒，而后者却不能。对于这些病毒来说，rna是它们的遗传物质。 每种病毒只有一种核酸（dna或rna），并以此作为遗传物质。 在生物界，绝大多数生物的遗传物质是dna（凡是有细胞结构的生物，无论是原核生物还是真核生物，它们的遗传物质都是dna；无细胞结构的生物，它们的遗传物质是dna或rna）；只有少数病毒的遗传物质是rna。因此说dna是主要的遗传物质。 （五）染色体是遗传物质的主要载体 1、从物种特征来看：每种生物的体细胞中都有一定形态和数量的染色体； 2、从生殖过程来看：染色体在生物的传种接代中保持一定的稳定性和连续性； 3、从染色体的组成来看：主要由dna和蛋白质组成，其中dna含量稳定，是主要的遗传物质； 4、从dna的分布来看：dna存在于细胞核中，与蛋白质构成染色体，约有98%的dna分布在染色体中，因此说染色体是遗传物质的主要载体；少量的dna分布在线粒体和叶绿体中，线粒体和叶绿体是遗传物质的次要载体。板 书 第六章 遗传和变异 第一节 遗传的物质基础 一 dna是主要的遗传物质性状：生物体的形态结构特征和生理功能特性的总称。其体现者是蛋白质。（一）遗传物质应具备的特点1、遗传物质应具备的特点 （1）能复制，在前后代保持连续性，稳定性 （2）能控制物质性状和代谢过程 （3）有贮存巨大数量遗传信息的潜在能力 （4）能引起可遗传的变异 2、染色体在生物遗传中起着重要作用染色体体的成分：dna和蛋白质（二）dna是遗传物质的间接证据1、dna分布在染色体内，是染色体的主要成分；而染色体是直接与遗传有关的。2、细胞核内dna的含量十分稳定，而且与染色体的数目存在着平行关系：在同一种生物的细胞中，体细胞（二倍体）中dna的含量是生殖细胞（单倍体）中dna含量的2倍；体细胞中染色体的含量也正好是生殖细胞的2倍。3、dna在代谢中较稳定，不受生物体的营养条件、年龄等因素的影响。4、作用于dna的一些物理和化学因素，如紫外线、x射线、氮芥等都可以引起生物体遗传特性的改变（三）dna是遗传物质的直接证据dna是遗传物质的证明实验关键是：设法把dna与蛋白质分开，单独地、直接地观察dna和蛋白质的作用；其关键技术是dna、蛋白质和多糖等的分离提取技术和其它有关技术1、肺炎双球菌的转化实验 （1）格里菲思的转化实验 结论：已被加热杀死的s型细菌中，必然含有某种促成细菌由r型转化成s型的活性物质，即转化因子 （2）艾弗里确定转化因子的实验 结论：dna是转化因子，是使r型细菌产生稳定的遗传变化的物质，即dna是遗传物质2、t2噬菌体侵染细菌的实验噬菌体：dna和蛋白质外壳 （1）噬菌体的生活周期一个典型的噬菌体的生活周期可以分为三个阶段：感染阶段（吸附、注入）、增殖阶段（复制、合成和装配）和成熟阶段（释放）。（2）噬菌体的遗传物质是dna 结论：在噬菌体中，亲代与子代之间具有连续性的是dna，而不是蛋白质。即dna是遗传物质（四）dna是主要的遗传物质，rna也是遗传物质（五）染色体是遗传物质的主要载体 1、从物种特征来看：每种生物的体细胞中都有一定形态和数量的染色体； 2、从生殖过程来看：染色体在生物的传种接代中保持一定的稳定性和连续性； 3、从染色体的组成来看：主要由dna和蛋白质组成，其中dna含量稳定，是主要的遗传物质； 4、从dna的分布来看：dna存在于细胞核中，与蛋白质构成染色体，约有98%的dna分布在染色体中，因此说染色体是遗传物质的主要载体；少量的dna分布在线粒体和叶绿体中，线粒体和叶绿体是遗传物质的次要载体