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第17章 遗传的物质基础(一)(1)

【教学目标】

一、知识目标

1.知道肺炎双球菌转化实验和“同位素标记法”研究噬菌体侵染细菌所采用的方法,是目前自然科学研究的主要方法。

2.理解DNA是主要的遗传物质。

二、能力目标

1.通过肺炎双球菌的转化实验,能够证明DNA是遗传物质的最关键的实验设计思路,训练学生逻辑思维的能力。

2.用“同位素标记法”来研究噬菌体浸染细菌的实验,说明DNA是遗传物质,蛋白质不是遗传物质,训练学生由特殊到一般的归纳思维的能力。

三、情感目标

遗传的物质主要是DNA,也有RNA,这就从遗传和变异的角度,强调了生命的物质性,有利于辩证唯物主义世界观的树立。

【教学建议】

关于“DNA是主要的遗传物质”的教材分析

《DNA是主要的遗传物质》主要讲述DNA是遗传物质的直接证据——“肺炎双球菌的转化实验”和“噬菌体侵染细菌的实验”。教材首先交代了科学家们对实验的设计思想,即把组成染色体的主要成分——DNA和蛋白质分开,单独地、直接地去观察DNA的作用,然后再讲述实验过程,这样有利于学生科学思维方法的培养。为了使学生更全面地理解DNA是遗传物质这一结论,教材在教学内容上增加了“肺炎双球菌的转化实验”的内容;在讲述“噬菌体侵染细菌的实验”时,利用“同位素标记”的研究方法来进行说明。这样既符合科学的研究过程,又可以很自然地使学生导出DNA是遗传物质的结论,并且能使学生受到科学方法的教育。

《DNA是主要的遗传物质》这一小节在第六章中占有重要位置,学生只有真正理解这部分内容.才能在生物性状遗传和变异的复杂现象中,从根本上懂得生物遗传和变异的实质和规律。而证明DNA是遗传物质的直接证据,则是“肺炎双球菌的转化实验”和“噬菌体侵染细菌”这两个经典实验,因此这两个实验的原理和过程是本小节的重点。

“探究科学发现过程来学习科学研究方法”是本节内容的难点。生物教学大纲中规定,通过生物学基础知识的学习,初步掌握基本的生物科学研究方法。因此在生物教学过程中对学生进行科学方法教育的渗透,成为当前生物教学改革的一个重点,而学生科学素养的形成是一个渐进的过程。在本节的教学过程中,要注重实验过程的探究与科学方法的学习相结合,充分发挥学生主体作用,使学生在探索学习中,得到科学研究方法的训练。

关于“DNA是主要的遗传物质”的证据的分析

1.证据之一:肺炎双球菌的转化实验

(1)实验目的:研究DNA和蛋白质谁是遗传物质?

(2)实验材料:两种肺炎双球菌

S型细胞R型细胞

菌落光滑粗糙

菌体有多糖类的荚膜无多糖类的荚膜

毒性有毒性,可致死无毒性

(3)实验原理:

S型肺炎球菌能使人患肺炎和小鼠患败血症;R型肺炎球菌对人和动物基本无影响。

(4)实验过程及结果:

a.将无毒性的R型活细菌注射到小鼠体内,小鼠正常。

b.将有毒性的S型活细菌注射到小鼠体内,小鼠死亡。

c.将加热杀死后的S型细菌注射到小鼠体内,小鼠正常。

d.将无毒性的R型活细菌与加热杀死后的S型细菌混合后,注射到小鼠体内,小鼠死亡。

(5)关于实验结果的分析

实验分析:第1组实验注射的R型活细菌和第3组实验注射的杀死后的S型细菌均对小鼠无影响;第2组实验注射的S型细菌将导致小鼠患败血症而死亡;第4组实验注射R型活细菌和加热杀死后的S型细菌,最终导致小鼠患败血症死亡的事实说明:无毒性的R型活细菌与被加热杀死的S型细菌混合后,转化成了有毒的S型活细菌。并且格里菲斯从小鼠尸体上分离出了有毒性的S型活细菌,还进一步证实了这些转化成的S型细菌的后代也是有毒性的S型活细菌,即是可以遗传的。

(6)结论:格里菲思认为,在第4组实验中,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——“转化因子”。

(7)“转化因子”的本质是什么?

1944年,美国科学家艾弗里和他的同事,应用分子生物学技术,从S型活细菌中提取出了DNA、蛋白质和多糖等物质,然后将它们分别加入培养R型细菌的培养基中,结果发现只有加入DNA,R型细菌才能转化为S型细菌,DNA的纯度越高,转化的效果就越显著。由此可见,转化因子就是DNA。DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质,也就是说DNA是遗传物质。

2.证据之二:噬菌体侵染细菌的实验

(1)实验目的:研究噬菌体内DNA和蛋白质谁是遗传物质?

(2)实验材料:噬菌体细菌

(3)实验原理:

噬菌体是专门寄生在活细菌体内的一类病毒,最终导致细菌细胞瓦解。噬菌体主要由头部(含DNA)和尾部(含蛋白质)组成。一般来说,蛋白质含S不含P,而DNA含P不含S。因而可将噬菌体内的S和P分别作同位素标记,来分析DNA和蛋白质在噬菌体生命活动过程中所起的作用。

(4)实验过程及方法:

分别用(上图)(下图)标记的噬菌体感染细菌,通过搅拌和离心得到上清液(噬菌体体外壳)和沉淀物(细菌及进入细胞内的噬菌体DNA),并检测放射性,上清液具的放射性(上图),沉淀物具的放射性(下图)。

(5)结果分析:

上述实验结果表明,噬菌体的蛋白质外壳并未进入细菌内部,而是留在细菌的外部,噬菌体的DNA却进入了细菌体内。可见噬菌体在细菌体内的增殖是在亲代噬菌体DNA的作用下完成的。

(6)结论:

子代噬菌体的各种性状,是通过亲代的DNA的遗传而来的,亲代与子代之间保持有连续性的物质是DNA而不是蛋白质,因此,DNA才是噬菌体真正的遗传物质。

遗传物质是核酸还是蛋白质?

真核生物染色体的主要成分是核酸和蛋白质,其大致比例如下:

那么,遗传物质究竟是蛋白质还是核酸呢?

经研究发现,作为遗传物质至少要具备以下4个条件:

1.在细胞生长和繁殖的过程中能够精确地复制自己;

2.能够指导蛋白质合成从而控制生物的性状和新陈代谢;

3.具有贮存巨大数量遗传信息的潜在能力;

4.结构比较稳定,但在特殊情况下又能发生突变,而且突变以后还能继续复制,并能遗传给后代。

蛋白质有可能是遗传物质吗?我们知道,组成蛋白质的主要的氨基酸约有四种。由于氨基酸的种类和数量不同,排列顺序不同,可以组成无数种蛋白质,这一点符合上述的第三个条件。蛋白质(特别是酶)能够控制生物的性状和代谢,这一点符合第二个条件。但是蛋白质不能进行自我复制,而且它在染色体中的含量往往是不固定的,分子结构也不稳定,它也不能遗传给后代,所以蛋白质不可能是遗传物质。

科学研究已经充分证明,核酸具备上述4个条件,所以核酸才是生物的遗传物质。核酸又分为脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。绝大多数生物体的遗传物质是DNA,有些病毒的遗传物质是RNA。

20世纪中期关于遗传研究的两个经典实验

细胞亚显微结构的研究和分子生物学的分析表明,染色体主要由DNA和蛋白质组成。为了确定DNA和蛋白质对遗传的决定作用,人们首先把DNA和蛋白质从生物体内分离并提纯出来,并证明把DNA放入另一生物体内时,第一个生物体的性状在第二个生物体中出现,且这种性状还能遗传给第二个生物体的后代,蛋白质则没有这种作用。目前为止,从高等动植物体内分离提纯DNA进行这种实验的例子还很少,但有关某些细菌(1928年格里菲思和l944年艾弗里的肺炎双球菌转化实验)和病毒(1952年赫尔希的噬菌体侵染细菌)的实验足以证明DNA和蛋白质在遗传中的作用了,这些实验被称为20世纪中期的经典实验。下面对这两个实验作简单介绍:(附对实验进行总结的表格)

1.噬菌体侵染细菌的实验

噬菌体又叫细菌病毒。我们知道病毒有三种:植物病毒、动物病毒、细菌病毒。病毒寄生的对象具有专一性,细菌病毒只能寄生在细菌体内,并可导致细菌解体死亡,故称噬菌体。

1952年美国科学家赫尔希和蔡斯做了著名的噬菌体侵染细菌(大肠杆菌)实验。他们根据DNA结构中含有P但不含有S,组成蛋白质的氨基酸含有S而不含有P的事实,先用放射性标记DNA,标记蛋白质,然后再让这种作了标记的噬菌体去感染细菌。噬菌体侵染细菌的过程是:吸附→注入→合成→组装→释放。整个过程约需40分钟,最终就可释放出100~300个子代噬菌体。实验证明了只有噬菌体的DNA进入了寄主细胞,蛋白质的外壳则留在外边,从而证明了DNA在前后代中具有连续性,蛋白质不具备连续性;又因为实验结果,释放出与亲代保持相同的子代噬菌体(包括DNA和蛋白质外壳),说明了DNA能指导蛋白质合成。所以该实验是经典实验,是证明DNA是遗传物质的直接证据,由此得出结论:DNA是遗传物质。

2.肺炎双球菌转化实验

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