导图社区 高中生物必修二人教版 第3章基因的本质
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第3章 基因的本质
第1节 DNA是主要的遗传物质
一、肺炎链球菌的转化实验
1.对遗传物质的早期推测
2.肺炎链球菌的类型
S型细菌
R型细菌
表面光滑
表面粗糙
有致病性
无致病性
3.格里菲斯的体内转化实验
(1)实验材料：S型细菌与R型细菌、小鼠。
(2)实验原理：S型细菌有致病性，可使小鼠患肺炎，并发败血症死亡；R型细菌无致病性，不会使小鼠患病死亡。
*败血症：是指致病菌或条件致病菌侵入血循环中生长繁殖，产生毒素和其他代谢产物所引起的急性全身性感染，临床上以寒战、高热、皮疹、关节痛及肝脾肿大为特征。
(3)实验过程、结果及分析 [遵循对照原则与单一变量原则，且全为实验组]
①注射R型活细菌→小鼠存活。
②注射S型活细菌→小鼠死亡，且从尸体中分离得到S型细菌。
③注射加热致死的S型细菌→小鼠存活。
④将R型活细菌与加热致死的S型细菌混合后注射→小鼠死亡，且从尸体中分离得到S型细菌。
*
①与②对照结论：活的R型细菌无致病性，不能引起死亡；活的S型细菌有致病性，能引起死亡。
②与③对照结论：活的S型细菌能导致小鼠死亡，加热至死的S型细菌不能导致小鼠死亡。
(4)实验结论
已经加热致死的S型细菌，含有某种促使R型活细菌转化为S型活细菌的活性物质——转化因子。
4.艾弗里及同事的体外转化实验[遵循对照原则与单一变量原则]
*只有少部分R型细菌转化为S型细菌。
(2)实验结论
实验表明，转化因子很可能是DNA。进一步分析细胞提取物的理化特性与DNA非常相似，提出DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质。
1.肺炎链球菌的转化实质
S型细菌的DNA片段整合到R型细菌的DNA中，使受体细胞获得了新的遗传信息，即发生了基因重组。
2.加热的作用原理
(1)加热会使蛋白质变性失活，这种失活是不可逆的。由于蛋白质失活，酶等生命体系失去其相应的功能，细菌死亡。
(2)加热时，DNA的结构会被破坏，但当温度降低到55℃左右时，DNA结构会恢复，进而恢复活性。
1.自变量控制中的"加法原理"
在对照实验中，与常态相比，人为增加某种影响因素的称为"加法原理"，例如，在"比较H2O2在不同条件下的分解"的实验中，与对照组相比，实验组分别作加热、滴加FeCl3溶液、滴加肝脏研磨液的处理，就利用了"加法原理"。
2.自变量控制中的"减法原理"
在对照实验中，与常态相比，认为去除某种影响因素的称为"减法原理"。例如，在艾弗里的肺炎链球菌的转化实验中，每个实验组特意地去除了一种物质，从而鉴定出DNA是遗传物质，就利用了"减法原理"。
二、噬菌体侵染细菌的实验
1.实验者：赫尔希和蔡斯
2.实验材料：T2噬菌体和大肠杆菌。
(1)T2噬菌体的模式图
T2噬菌体是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蛋白质构成的，头部含有DNA。
(2)T2噬菌体的增殖过程
过程：噬菌体吸附到细菌表面→噬菌体注入DNA→以噬菌体DNA为模版进行DNA复制，并指导蛋白质合成→DNA和蛋白质组装成子代噬菌体→细胞破裂，噬菌体释放。
特点：T2噬菌体侵染大肠杆菌后，救护自爱自身遗传物质的作用下，利用大肠杆菌体内的物质合成自身的组成成分，进行大量增殖。
3.实验方法：同位素标记法。
4.实验设计思路
在T2噬菌体的化学组成中，S是蛋白质的特征元素，P是DNA的特征元素，用不同放射性同位素³⁵S和³²P分别标记T2噬菌体的蛋白质和DNA 。直接单独研究它们的作用。
5.实验过程
(1)标记T2噬菌体
不能用培养基直接培养获得含放射性元素的T2噬菌体。
不能用³⁵S和³²P标记同一个T2噬菌体。
(2)T2噬菌体侵染普通大肠杆菌
保温的目的：使噬菌体侵染大肠杆菌。
搅拌的目的：使大肠杆菌与表面吸附的噬菌体外壳分离。
离心的目的：使质量较轻的噬菌体进入上清液，而被感染的细菌则形成沉淀。
*搅拌和离心必须保证是在噬菌体入侵菌体之后和在菌体裂解之前进行。
6.实验分析
(1)噬菌体侵染细菌时，DNA进入细菌的细胞中，而蛋白质外壳仍留在细胞外。
(2)子代噬菌体的各种性状是通过亲代的DNA遗传的。
7.实验结论：DNA是噬菌体的遗传物质。
1.³⁵S标记实验中沉淀物具有较弱的放射性的原因
搅拌不充分，具有放射性的蛋白质外壳仍留在大肠杆菌表面，随大肠杆菌沉淀到底部。
2.³²P标记实验中上清液具有较弱的放射性的原因
①保温时间过短，部分噬菌体未入侵细菌。
②保温时间过长，具有放射性的子代噬菌体被释放出来。
③噬菌体的化学成分中，99%的磷元素存在于DNA分子中，还有1%的磷元素存在于蛋白质分子中，可能是蛋白质中的磷元素使上清液显示出很弱的放射性。
以细菌或病毒作为实验材料具有的优点
(1)结构简单，含有的物质少，分析起来简便、快捷，容易得出结论。
(2)繁殖快。细菌20~30min就可以繁殖一代，病毒短时间内可大量繁殖。
三、生物的遗传物质
1.RNA是遗传物质的实验证据
(1)实验材料：烟草花叶病毒、烟草。
烟草花叶病毒是一种RNA病毒，它是由一个圆筒状的蛋白质外壳和内部的RNA分子组成，不含DNA。
(2)实验过程及现象
(3)实验结论：烟草花叶病毒的遗传物质是RNA。
2.DNA是主要的遗传物质
绝大多数生物的遗传物质是DNA，只有极少数生物的遗传物质是RNA。因此，DNA是主要的遗传物质。
核酸是一切生物的遗传物质，核酸包括DNA和RNA，绝大多数生物都是以DNA作为遗传物质的，因此DNA是主要的遗传物质。
仅凭噬菌体侵染等少数几个实验是无法证明DNA是主要的遗传物质。科学家是研究了许多生物的遗传物质才得出DNA是主要的遗传物质的结论。
*遗传物质必须具备的特点
(1)在生长和繁殖过程中能精确地复制自己。
(2)具有储蓄巨大数量信息的可能。
(3)分子结构相对稳定，但特殊情况下能产生变异。
(4)能指导蛋白质的合成从而控制生物的性状和新陈代谢。
第2节 DNA的结构
一、DNA双螺旋结构模型的构建
1.构建者
美国生物学家沃森和英国物理学家克里克。
2.构建过程
*DNA分子中含氮碱基的结构
DNA螺旋的直径是固定的，均为2nm。嘌呤应与嘧啶相连。
含氮碱基具有疏水性，磷酸和脱氧核糖具有亲水性。
二、DNA的结构
1.DNA的化学组成
组成元素：C、H、O、N、P。
组成化合物
磷酸
脱氧核糖
含氮碱基
A：腺嘌呤
T：胸腺嘧啶
G：鸟嘌呤
C：胞嘧啶
基本组成单位：脱氧核苷酸
腺嘌呤脱氧核苷酸
鸟嘌呤脱氧核苷酸
胞嘧啶脱氧核苷酸
胸腺嘧啶脱氧核苷酸
脱水缩合：构成脱氧核苷酸长链[有方向性，5'→3']
磷酸二酯键→本质：化学基团，包括磷酸及其两侧酯键。
2.DNA的结构
(1)反向平行：DNA是由两条链组成的，这两条链反向平行方式盘旋成双螺旋结构。
(2)DNA中的脱氧核糖和磷酸基团交替相接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基排列在内侧。
(3)碱基互补配对原则：两条链上的碱基由氢键连接成碱基对，A一定与T配对，G一定与C配对。
(4)A和T之间有两个氢键，G和C之间与三个氢键，所以一个DNA分子中含有G和C越多则越稳定。
3.DNA的结构特性
(1)多样性：碱基对多种多样的排列顺序。
(2)特异性：每种DNA分子都有特定的碱基对排列顺序，代表了特定的遗传信息。
(3)稳定性：规则的双螺旋结构。
*DNA碱基数目的相关计算规律
1.基本规律：A=T，G=C[仅指DNA双链]
→
A1=T2、T1=A2、G1=C2、C1=G2。
A1+A2=T1+T2、C1+C2=G1+G2。
A+C=T+G、A+G=T+C
嘌呤碱基的数目=嘧啶碱基的数目
2.几个重要结论
结论一：在同一DNA中，双链和单链中互补碱基和之比相等。
结论二：DNA两条链间非互补碱基和之比互为倒数。
结论三：在同一DNA分子中，双链和单链中互补碱基和与碱基总数之比相等。
结论四：某碱基占双链DNA碱基总数的百分比等于相应碱基占相应单链比值和的一半
三、制作DNA双螺旋结构模型
1.材料用具
曲别针泡沫塑料、纸片、扭扭棒、牙签、橡皮泥、铁丝等。
2.制作过程
第4节 基因通常是有遗传效应的DNA片段
一、说明基因与DNA关系的实例
材料1和3说明基因中的碱基数目只是DNA分子碱基总数的一部分，可推测每个DNA分子由许多个基因，只有部分碱基参与基因的组成，结论是基因是特定的DNA片段。
资料2中绿色荧光与基因有关，且基因具有一定的独立性，可推测基因能控制生物体的性状，结构是基因具有特定的遗传效应。
*基因通常是有遗传效应的DNA片段。
二、DNA片段中的遗传信息
1.遗传信息：遗传信息是指基因中的脱氧核苷酸的排列顺序。不同基因的脱氧核苷酸的排列顺序不同，含有的遗传信息不同。
2.DNA分子的多样性和特异性
(1)多样性：DNA分子中共有4种类型的碱基，但是碱基对的数目却可以成千上万，形成的碱基对的排列顺序也可以千变万化。
(2)特异性：每个特定的DNA分子都有特定的碱基排列顺序，构成DNA分子的特异性。
3.生物体多样性和特异性与DNA的关系
DNA的多样性和特异性是生物体多样性和特异性的物质基础。
4.基因的本质
基因通常是具有遗传效应的DNA片段。
(1)基因可以是一段DNA，但一段DNA不一定是基因。
(2)对于DNA病毒来说，基因是具有遗传效应的DNA片段。
三、基因与脱氧核苷酸、DNA、染色体之间的关系。
←
基因
①每个基因中含有许多个脱氧核苷酸；
②脱氧核苷酸的排列顺序代表遗传信息。
DNA
①每个DNA分子上含有许多个基因；
②基因通常是具有遗传效应的DNA片段。
染色体
①染色体是DNA的主要载体。
②一条染色体上含有一个或两个DNA分子。
(1)有些病毒的遗传物质是RNA，其遗传信息储存在RNA片段中。
(2)对于真核细胞来说，染色体是基因的主要载体，线粒体和叶绿体中也含有基因。
(3)对于原核细胞来说，拟核中的DNA分子或者质粒DNA是裸露的，没有与蛋白质结合形成染色体。
第3节 DNA的复制
一、对DNA复制的推测——DNA半保留复制假说
1.提出者
2.内容
(1)解旋：DNA复制时，DNA双螺旋解开，互补的碱基之间的氢键断裂。
(2)复制：解开的两条单链作为复制的模版，游离的脱氧核苷酸根据碱基互补配对原则，通过形成氢键，结合到作为模版的单链上。
3.特点
新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链，是半保留复制。
*早期推测DNA复制的三种方式
全保留复制：复制完成后，母链全保留，子代DNA的双链都是新合成的。
半保留复制：复制完成后，每个子代DNA中，都保留了亲代DNA中的一条链。
分散复制：复制完成后，亲代DNA会分散进入子代复制品的每条链中。
二、DNA半保留复制的实验证据
1.实验者：美国生物学家梅塞尔森和斯塔尔。
2.研究方法：假说——演绎法。
3.实验材料：大肠杆菌。
4.实验技术：同位素标记技术和密度梯度离心技术。
放射性同位素：³H、¹⁴C、³⁵S、³²P。
稳定同位素：¹⁸O、¹⁵N。
5.实验原理
只含¹⁵N的双链DNA密度大、只含¹⁴N的双链DNA密度小，一条链上含¹⁴N、另一条链上含¹⁵N的双链DNA密度居中。
6.实验假设
DNA以半保留的方式复制。
7.实验过程
(1)让大肠杆菌在含¹⁵NH4Cl的培养液中繁殖若干代，使其DNA双链充分被¹⁵N标记。
唯一氮源
(2)将部分¹⁵N标记的大肠杆菌转移到含¹⁴N的普通培养液中培养。
(3)在不同时刻收集大肠杆菌并提取DNA。
(4)将提取的DNA进行密度梯度离心，记录离心后试管中的位置。
8.实验预期——离心后应出现3种类型的DNA带
(1)重带(密度最大)：L两条链都被¹⁵N标记的亲代双链DNA(¹⁵N/¹⁵N—DNA)。
(2)中带(密度居中)：一条链被¹⁵N标记，另一条链含N的子代双链DNA(¹⁵N/¹⁴N—DNA)。
(3)轻带(密度最小)：两条链都含¹⁴N的子代双链DNA(¹⁴N/¹⁴N—DNA)。
9.实验结果——与预期相符
(1)¹⁵N充分标记后取出，提取DNA→离心→全部重带(¹⁵N/¹⁵N—DNA)。
(2)大肠杆菌分裂一次后取出，提取DNA→离心→全部中带(¹⁵N/¹⁴N—DNA)。
(3)大肠杆菌分裂两次后取出，提取DNA→离心→1/2轻带(¹⁴N/¹⁴N—DNA)、1/2中带(¹⁵N/¹⁴N—DNA)。
10.实验结论
实验结果与预期结果一致，说明了DNA的复制是以半保留方式进行的。
三、DNA复制过程
1.概念
以亲代DNA为模版合成子代DNA的过程。DNA的复制实质上是遗传信息的复制。
2.时间
在真核生物中，DNA的复制在细胞分裂前的间期，随着染色体的复制而完成。
3.场所
主要在真核生物的细胞核中。
*在真核生物中，DNA的复制主要在细胞核中，也能发生在线粒体或叶绿体中；在原核生物中，DNA复制主要在拟核中，也可以发生在细胞质(质粒DNA)中。
4.过程
I 解旋
①需要细胞提供能量。
②需要RNA解旋酶的作用。
③结果：将DNA双螺旋的两条链解开。
II 合成子链
①模版：解开后的每一条母链。
②原料：游离的4种脱氧核苷酸。
③酶：DNA聚合酶(用来合成3',5'-磷酸二酯键)、DNA解旋酶(用来断裂氢键)、DNA连接酶(连接脱氧核苷酸片段→冈崎片段)等。
④原则：碱基互补配对原则。
⑤方向：5'→3'[指子链]
III 重新螺旋
每条新链与其对应的模板链盘绕成双螺旋结构。
5.结果
一个DNA分子形成两个完全相同的DNA分子。
6.DNA复制的特点
(1)半保留复制
(2)边解旋边复制
7.DNA分子准确复制的原因
(1)DNA独特的双螺旋结构，为复制提供了精确的复制模版。
(2)DNA通过碱基互补配对，保证了复制能够准确的进行。
8.意义
DNA通过复制，将遗传信息从亲代细胞传递给子代细胞，从而保证了遗传信息的连续性。
*DNA复制的相关计算规律
假设将一个全部被¹⁵N标记两链的DNA分子(亲代)转移到含¹⁴N的培养液中培养n代，结果如下：
(1)第n代DNA分子数
①子代DNA父子总数为2ⁿ个。
②含¹⁵N的DNA分子数为2个。
③含¹⁴N的DNA分子数为2ⁿ个。
④只含¹⁵N的DNA分子数为0个。
⑤只含¹⁴N的DNA分子数为(2ⁿ-2)个。
(2)第n代中脱氧核苷酸链数
①子代DNA中脱氧核苷酸链数=2*2ⁿ条。
②亲代脱氧核苷酸链数=2条。
③新合成的脱氧核苷酸链数=(2*2ⁿ-2)条。
(3)消耗某脱氧核苷酸数
①若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，经过n次复制需消耗游离的该脱氧核苷酸数为m*(2ⁿ-1)个。
②若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，在第n次复制时，需消耗游离的该脱氧核苷酸数为(m*2ⁿ/2)个。
DNA复制的起点和方向
1.原核生物：单起点双向复制。
2.真核生物：多起点双向复制。
四、有丝分裂中染色体的标记情况
用¹⁵N标记细胞的DNA分子，然后将其放到¹⁴N的培养液中进行两次有丝分裂，情况如图所示(以一对同源染色体为例)：
第一次有丝分裂形成的两个子细胞中所有的DNA分子都为¹⁵N/¹⁴N—DNA；第二次有丝分裂形成的子细胞有多种可能性，可能子细胞的所有染色体都含¹⁵N，也可能子细胞的所有染色体都不含¹⁵N。即子细胞含有¹⁵N的染色体为0~2n条。(体细胞染色体为2n条)。
五、减数分裂种染色体的标记情况
用¹⁵N标记细胞的DNA分子，然后将其放到含¹⁴N的培养液中进行减数分裂，情况如图所示(以一条同源染色体为例)：
在减数分裂过程中细胞连续分裂两次，DNA只复制一次，所以四个子细胞中所有的DNA分子都为¹⁵N/¹⁴N—DNA，子细胞的所有染色体都含¹⁵N。
