第一節核酸是遺傳物質

斑馬身上有醒目的條紋，成群的斑馬會混淆敵害的視線；雄孔雀身披華麗的羽毛，“孔雀開屏”以吸引異性；曇花美麗清香，“曇花一現”以避開日曬和寒冷——人們很早就發現，這些家族成員的共同特征（性狀）能夠一代一代地傳遞下去。孟德爾根據豌豆雜交實驗，提出了遺傳因子的概念，成功地解釋了遺傳現象，并首先揭示了兩條遺傳定律。那么控制生物性狀世代傳遞的基因（遺傳因子）到底是什么物質？DNA和蛋白質在生物性狀遺傳的過程中各自發揮了什么作用？它們又是如何發揮作用的呢？我們在這一章將進一步探索遺傳的分子基礎，了解基因的本質及其發揮作用的原理。學習目標1.概述生物遺傳的物質基礎以及DNA作為遺傳物質的證據。2.說明DNA分子結構及其特點，闡明DNA分子復制過程、特點和意義。3.概述遺傳信息的傳遞和表達過程，闡明遺傳密碼及其在遺傳信息表達中的作用。4.說明中心法則及其發展。5.舉例說明表觀遺傳現象。本章學習應聚焦的關鍵能力1.通過噬菌體侵染細菌的實驗分析，嘗試尋找證據解釋現象，學會運用證據解釋現象的科學思維方法。2.認識建立物理模型是表征DNA分子結構的重要方法，通過嘗試制作DNA雙螺旋結構模型，學會構建物理模型的方法。3.通過探究DNA的復制過程，嘗試運用證據解釋現象，學會運用證據解釋原理的科學思維方法。

人們在了解了染色體是遺傳物質的載體這一事實后，希望能進一步弄清染色體的化學本質以及發揮作用的過程。從化學成分上講，染色體由DNA（脫氧核糖核酸）、蛋白質和少量RNA（核糖核酸）組成，其中蛋白質又分為組蛋白和非組蛋白。研究表明，雖然DNA和組蛋白都是染色體的主要成分，而且含量大致相等，在染色體行使功能過程中起著重要作用，但DNA更加具備作為遺傳物質的主要特性。有什么證據可以證明DNA是遺傳物質呢？

不同觀點：20世紀50年代之前，“遺傳物質可能是核酸”的觀點通常被認為是不正確的。此前人們普遍認為DNA是相當小的分子，相對分子質量約為1500，四種堿基在DNA分子中等量地存在，并簡單重復。人們考慮到生物體結構與功能的巧妙適應性，以及發育過程和途徑的極端復雜性，DNA這樣簡單的小分子不可能發揮出如此重要的控制作用。相比較而言，含有20種氨基酸的蛋白質大分子倒是能夠提供無限數量的排列組合。

那么，DNA是遺傳物質的證據又是如何逐步得到的呢蛋白質DNADNA是遺傳物質20世紀中葉，科學家發現染色體主要是由蛋白質和DNA組成的。在這兩種物質中，究竟哪一種是遺傳物質呢？這個問題曾引起生物學界激烈的爭論。①能夠儲存大量的遺傳信息；②可以準確地復制，并傳遞給下一代；③結構比較穩定等。討論：你認為遺傳物質應該具有什么特點？

在眾多的肺炎鏈球菌菌株中，光滑型（S）菌株是唯一能夠引起肺炎或敗血癥的類型。這種菌株在培養基上能長成光滑的菌落。S型細菌的菌體外面有多糖類的膠狀莢膜，使菌體不易受到宿主正常防護機制的破壞。另外一些菌株的外面沒有莢膜，不會引起病癥，長成粗糙型（R）菌落。DNA是遺傳物質的直接證據項目S型細菌R型細菌菌落有無莢膜有無毒性表面光滑（Smooth）表面粗糙（rough）多糖類的莢膜有無DNA是遺傳物質的直接證據肺炎鏈球菌肺炎胸片

莢膜是某些細菌的細胞壁外面包圍的一層膠狀物質。無莢膜的肺炎鏈球菌感染人體或動物體后，容易被吞噬細胞吞噬并殺滅。有莢膜的肺炎鏈球菌可抵抗吞噬細胞的吞噬，有利于細菌在宿主體內生活并繁殖。1928年格里菲斯：肺炎鏈球菌的體內轉化實驗1944年艾弗里：肺炎鏈球菌的體外轉化實驗基礎格里菲斯艾弗里

1928年，英國細菌學家格里菲思首先進行了活體肺炎鏈球菌轉化實驗說明R型細菌無毒說明S型細菌有毒說明加熱致死的S型細菌無毒DNA是遺傳物質的直接證據加熱殺死S型菌加熱殺死的S型菌含有促成轉化的活性物質—“轉化因子”R型活菌S型活菌轉化DNA是遺傳物質的直接證據

把加熱殺死的S型菌和活的無毒R型菌混合后一起注射到小鼠體內，發現很多小鼠患敗血癥致死。令人驚奇的是，從患病致死的小鼠血液中竟然分離出活的S型菌。然而，無論是活的R型菌還是死的S型菌，分別注射到小鼠體內都不能使小鼠患敗血癥。由此推測，在加熱殺死的S型菌中，一定有一種物質能把某些R型菌轉化為S型菌。換句話說，S型菌中的“轉化因子”進入R型菌體內，引起R型菌穩定的遺傳變異。這就是病死小鼠中有活的S型菌的根本原因。DNA是遺傳物質的直接證據加熱致死的S型細菌多糖脂類蛋白質DNARNA“轉化因子”？艾弗里體外轉化關鍵思路：把S型細菌的各種物質分開，單獨的、直接的觀察它們的作用。

美國細菌學家艾弗里等人又進行了離體細菌轉化實驗，他們從活的S型菌中抽提DNA、蛋白質和莢膜物質，用離心的方法將它們分別分離，再分別與活的R型菌混合，放入培養液中進行懸浮培養。原來以為S型與R型的區別就在于莢膜的不同，可能是莢膜物質引起了轉化；后來又以為只有蛋白質具有特異性，可能蛋白質是轉化因子。可是實驗都沒有出現預期效果。實驗結果表明，只有其中的DNA組分能夠把R型菌轉化為S型菌。實驗結論：轉化因子很可能是DNA。DNA才是使R型細菌產生穩定遺傳變化的物質。因為當時的技術有限，并不能徹底提純這些物質。所以，艾弗里通過酶解法，將物質一個個的排除，通過觀察剩余提取物的轉化活性來尋找轉化因子，這就是實驗設計的“減法原理”。

減法原理：與常態比較，人為去除某種影響因素。加熱致死的S型細菌提取物除去脂類除去蛋白質除去DNA除去RNA蛋白酶酯酶RNA酶DNA酶（蛋白質、脂類、RNA、DNA）不處理R菌+S菌

進一步研究表明，用DNA酶處理DNA樣品，DNA被降解后就不能使R型菌發生轉化，而其他的酶（如蛋白酶等）對于DNA的轉化能力則沒有影響。可見，一種細菌的DNA摻入另一種細菌中，能夠引起穩定的遺傳變異。后來的研究不斷證實，DNA不僅可以引起細菌的轉化，而且純度越高，轉化效率就越高。DNA是遺傳物質的直接證據

肺炎鏈球菌轉化實驗是證實DNA是遺傳物質的最早證據來源。

對肺炎鏈球菌轉化實驗的研究證實了這樣的論斷：DNA是遺傳物質，DNA賦予了生物的遺傳特性。

由于“遺傳物質是蛋白質”的理論根深蒂固，再加上當時的DNA提純技術不夠精準，一些學者仍然深深懷疑“DNA是遺傳物質”，認為艾弗里實驗中的DNA由于混有少量的蛋白質，才引起細菌轉化。1952年，美國遺傳學家赫爾希與助手蔡斯進一步進行了實驗研究。

有沒有更好的材料、更好的方法能夠將DNA和蛋白質分開，單獨去觀察它們的作用呢？DNA是遺傳物質的直接證據

為了檢驗DNA是否為遺傳物質，赫爾希和蔡斯運用同位素標記特定物質的方法，將噬菌體進行標記，使其侵染大腸桿菌，通過追蹤物質的去向，進一步明確發揮遺傳作用的物質究竟是DNA還是蛋白質。噬菌體侵染細菌的實驗分析阿弗雷德·赫爾希瑪莎·蔡斯目的要求通過閱讀資料，分析實驗原理、過程，并得出結論。閱讀資料T2噬菌體是一種專門寄生在細菌體內的病毒，它的頭部和尾部的外殼是由蛋白質構成的，在頭部內含有一個DNA分子。那么，T2噬菌體的遺傳物質究竟是蛋白質還是DNA呢？活動·噬菌體侵染細菌的實驗分析蛋白質外殼DNA（C、H、O、N、S）（C、H、O、N、P）（35S）（32P）哪一種物質進入了大腸桿菌體內？DNA和蛋白質不能直接看到，怎么辦？放射性同位素分別標記DNA和蛋白質選擇什么元素進行放射性標記放射性同位素標記法怎樣標記噬菌體呢？能否在含放射性同位素的培養基中標記噬菌體？噬菌體是病毒，無法單獨在培養基上存活，應用含被標記的大腸桿菌培養基培養噬菌體。含放射性同位素35S培養基培養大腸桿菌大腸桿菌（含35S）T2噬菌體（含35S）培養噬菌體含放射性同位素32P培養基培養大腸桿菌大腸桿菌（含32P）T2噬菌體（含32P）培養噬菌體

科學家先用含放射性同位素35S的培養基培養一部分大腸桿菌，同時，用含放射性同位素32P的培養基培養另一部分大腸桿菌。接著，將帶標記的大腸桿菌分別用T2噬菌體感染。噬菌體侵染細菌后，利用細菌細胞內的物質合成自身的DNA和蛋白質進行增殖，導致細菌裂解，釋放出大量子代噬菌體。其結果是，用放射性同位素35S標記了一部分噬菌體的蛋白質，用放射性同位素32P標記了另一部分噬菌體的DNA。活動·噬菌體侵染細菌的實驗分析

然后，將兩種被標記的T2噬菌體分別加入液體培養的大腸桿菌中，去侵染未被標記的細菌。經過一定的時間，當T2噬菌體在細菌體內大量繁殖后，通過攪拌把細菌和留在細菌表面的噬菌體殘留部分分開，并通過離心使細菌沉到試管底部，噬菌體殘留部分位于上層，對標記物質進行檢測。活動·噬菌體侵染細菌的實驗分析活動·噬菌體侵染細菌的實驗分析

經過檢測發現，用35S標記噬菌體時，放射性主要出現在上層培養液中，底層細菌幾乎沒有放射性；用32P標記噬菌體時，放射性主要出現在底層細菌中，上層培養液幾乎沒有放射性。

結果表明，大多數35S標記的噬菌體在感染細菌時，放射性蛋白質附著在宿主細胞的外面；32P標記的噬菌體感染細菌時，放射性同位素主要進入宿主細胞內，并且能在子代噬菌體中檢測到32P。35S標記的噬菌體32P標記的噬菌體上清液沉淀物子代噬菌體結論放射性高無放射性無放射性放射性高放射性低有放射性DNA進入到細菌中指導子代合成，蛋白質沒有進入；DNA分子具有連續性，DNA才是噬菌體的遺傳物質。噬菌體侵染過程討論1.為什么噬菌體先要在含有放射性同位素的細菌培養基中培養？2.經過檢測，放射性同位素35S出現在試管的什么位置，說明什么？放射性同位素32P出現在試管的什么位置，說明什么？3.為什么能用噬菌體侵染細菌的實驗來證明DNA是遺傳物質？活動·噬菌體侵染細菌的實驗分析煙草花葉病毒只有DNA能作為遺傳物質嗎？美國生物化學家康拉特利用煙草花葉病毒（TMV）做了一系列實驗，表明在RNA病毒中RNA才是遺傳物質。

隨著對病毒研究的逐漸深入，科學家發現許多病毒中含有RNA，卻沒有DNA。為了弄清RNA病毒的遺傳機制，進行了煙草花葉病毒的感染和重建實驗。煙草花葉病毒簡稱TMV，為tobaccomosaicvirus的縮寫，呈螺旋形桿狀。這種病毒不含DNA，由一條RNA鏈和蛋白質外殼組成。那么，在這種病毒中遺傳物質是蛋白質還是RNA呢？有些病毒的遺傳物質是RNA如果你是科學家，請設計實驗證明煙草花葉病毒的遺傳物質是什么？蛋白質RNA分別侵染健康煙草患病不患病得到全新病毒不能得到病毒結論：RNA是煙草花葉病毒的遺傳物質。

實驗是這樣進行的：首先，從TMV中分別提取占6%的RNA和占94%的蛋白質，然后用RNA和蛋白質分別去感染煙草。結果發現：單用病毒的RNA就可以使煙草葉片出現感染病毒的癥狀，說明病毒RNA進入葉子的細胞后，能繁殖出正常的子代病毒；病毒的蛋白質不能單獨使煙草葉片感染；用RNA酶處理過的RNA，此時RNA被水解，沒有感染效力。有些病毒的遺傳物質是RNA

圖3-4C表示分別來自不同病毒株系的RNA和蛋白質混合后感染煙草，所繁殖的病毒類型取決于提供RNA的株系，而不是提供蛋白質的株系。有些病毒的遺傳物質是RNARNA病毒的遺傳物質是RNA。SARS病毒COVID--19HIV病毒

實驗證明了在只有RNA而沒有DNA的病毒中，RNA是遺傳物質。

從2002年年底到2003年的春夏之交，在我國廣東、香港、北京等地出現了大面積傳染性非典型性肺炎（SARS）的感染事件。引起這種疾病的病原體是一種冠狀病毒，該病毒就屬于RNA病毒。除了冠狀病毒之外，造成人類疾病的RNA病毒還有小兒麻痹病毒、腦炎病毒和流感病毒等，它們的遺傳物質都是RNA。

綜上所述，大部分生物的遺傳物質是DNA，而沒有DNA只有RNA的生物，其遺傳物質是RNA。有些病毒的遺傳物質是RNA生物類型核酸種類遺傳物質實例有細胞結構的生物真核生物原核生物無細胞結構的生物DNA病毒RNA病毒DNARNADNARNA玉米、小麥、人乳酸菌、藍藻T2噬菌體煙草花葉病毒、流感病毒、HIV、SARSDNADNARNA結論：DNA是主要的遺傳物質。【歸納】不同生物體內遺傳物質

現在我們可以輕松地說，核酸是一類重要的生物大分子，承擔了生命信息存儲和傳遞的任務。而核酸在遺傳上的重要地位的確立，又凝結了幾代科學家與傳統觀念徹底決裂所付出的努力。

1868年，瑞士青年科學家米歇爾在德國帝賓根的一家醫院工作，他收集了外科繃帶上的膿細胞，通過酒精脫脂、胰酶消化、酸堿沉淀等處理，從膿細胞核中分離到了一種含磷量很高的物質，并將它命名為核素。這就是歷史上第一份核酸粗制品。課外讀·核酸的發現和研究

1872年，米歇爾移居瑞士的巴塞爾后，發現萊茵鮭魚精子中富含他所潛心研究的核素，并進一步發現核素是一種酸性化合物，且內部結合有含氮的堿性化合物。后來證實，他所得到的核素實際上是核蛋白（核酸與蛋白質結合在一起的物質）。1889年，第一份不含蛋白質的核素制品由埃爾特曼制備成功，“核酸”這一名詞也由此誕生。課外讀·核酸的發現和研究

1900年，哈莫斯坦證明核酸（DNA）中含有戊糖。隨后，人們認識到組成核酸的基本單位核苷酸是核苷（A、G、C、T4種含氮堿基之一與戊糖組成的結構單位）上戊糖羥基的磷酸酯。1944年，托德通過化學方法合成了核苷酸。

事情并不一帆風順。DNA合成成功之后的數年里，人們潛心研究了核酸分子中核苷酸的連接方式，并提出“四核苷酸假說”，認為核酸分子由4種等量的核苷酸單體組成。但是，按照這種假說，核酸的結構不可能具備多樣性，因而也不會有特別重要的生理功能。這一假說所形成的認知上的定式，阻礙了核酸結構和功能研究的深入。課外讀·核酸的發現和研究

由于聚合的高分子很容易降解，人們改進了DNA的提取方法，用更精細溫和的方法取代了有機化學中十分劇烈的方法，得到了完全不同的產物。以前測得的DNA相對分子質量為1500，人們在采用了超速離心、過濾、光吸收等新方法之后，得到的是相對分子質量為50萬到100萬的DNA分子，實際上比蛋白質分子還要大。這些新發現進一步證明了DNA是遺傳信息的載體。課外讀·核酸的發現和研究

1943年，卡伽夫利用紙層析和紫外分光光度技術研究了核酸分子中核苷酸的組成，發現4種核苷酸的比例并不相等；盡管不同生物的DNA中總是（A＋G）＝（C＋T），即嘌呤核苷酸總量等于嘧啶核苷酸總量，但（G＋C）≠（A＋T）。這個結果有力地否定了“四核苷酸假說“，真可謂云開霧散。

1944年，艾弗里通過肺炎鏈球菌轉化實驗揭示了轉化因子的本質是DNA，從此，DNA的遺傳學特性逐漸被揭開。課外讀·核酸的發現