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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、对遗传物质的早期推测
二、肺炎链球菌的转化实验
1．肺炎链球菌的类型
项目 有无多糖类荚膜 菌落特征 有无毒性
S型细菌 有 表面光滑
R型细菌 表面粗糙 无
2．格里菲思的体内转化实验
3．(1)过程与现象
(1)实验①②对比说明 R 型细菌无毒， S 型细菌有毒 。
(2)实验②③对比说明 加热致死的 S 型细菌无毒 。
(3)实验②③④对比说明加热致死的S型细菌能使部分 R 型细菌转化为 S 型细菌 。
(4)综合以上实验得出的结论是 S 型细菌中含有一种 “ 转化因子 ” ，能使 R 型细菌转化
为 S 型细菌 。
3．艾弗里的体外转化实验
注：通过酶解法，将物质一个个的排除，通过观察剩余提取物的转化活性来寻找转化
因子，这就是实验设计的“减法原理”三、噬菌体侵染细菌的实验
1．实验材料：T2噬菌体。
(1)结构[填图]
(2)生活方式：寄生在大肠杆菌体内。
（3）噬菌体的侵染过程：A.噬菌体中DNA和蛋白质共有的元素组成是 C 、 H 、 O 、 N ，蛋白质特有的元素是，P几
乎全部存在于DNA中。
B.子代噬菌体物质合成所需要的原料来源于大肠杆菌，但合成的子代噬菌体与亲代噬菌
体几乎相同，原因是指导子代噬菌体合成的遗传物质来自亲代噬菌体。
C.T2噬菌体不能(填“能”或“不能”)在肺炎链球菌体内增殖，原因是 T2 噬菌体是一种
专门寄生在大肠杆菌体内的病毒。
2．实验方法：放射性同位素标记法。
3．实验过程和现象
标记噬菌体的方法演示：
噬菌体侵染大肠杆菌：
4．实验结论：DNA才是噬菌体的遗传物质。
【难点解析】
(1)本实验采用的是放射性同位素标记技术，为什么用35S和32P进行标记？
提示：S是噬菌体蛋白质特有的元素，P几乎都存在于DNA分子中，用放射性同位素
32P和35S分别标记噬菌体的DNA和蛋白质，可以单独地观察它们各自的作用。
(2)为什么不能直接用含35S和32P的普通培养基来培养T2噬菌体？
提示：因为T2噬菌体是细菌病毒，只有在细菌体内才能进行增殖，故应先培养细菌，
再用细菌培养T2噬菌体，而不能直接用培养基培养T2噬菌体。
(3)能否用14C和18O标记噬菌体？能否用32P和35S同时标记噬菌体？提示：不能， 因为DNA和蛋白质都含C和O元素。不能用32P和35S同时标记噬菌体，
因为放射性检测时只能检测到放射性存在的部位，不能确定是何种元素的放射性。
(4)图2中T2噬菌体侵染大肠杆菌实验中需经过短时间保温后，再进行⑦⑧过程。
⑦⑧分别代表搅拌和离心过程，其中⑦的目的是使吸附在细菌上的噬菌体(蛋白质外壳)与
细菌分离，⑧的目的是让上清液中析出质量较轻的T2噬菌体颗粒，而离心管的沉淀物中留
下被侵染的大肠杆菌。
(5) 35S标记的一组，为什么沉淀中出现了放射性？
提示：搅拌不充分，仍有少量含35S的噬菌体蛋白质外壳吸附在细菌表面
(6) 32P标记的一组，为什么上清液中出现了放射性？
提示：a. 保温时间过短，部分噬菌体DNA还未侵染到细菌细胞内；
b. 保温时间过长，噬菌体在大肠杆菌内增殖，后子代噬菌体释放出来；
四、DNA是主要的遗传物质
1．烟草花叶病毒侵染烟草的实验
(1)烟草花叶病毒的组成：只含有蛋白质和RNA。
(2)侵染实验
(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：因为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。
[师说重难]
1．肺炎链球菌体内与体外转化实验的比较
项目 体内转化实验 体外转化实验
科学家 格里菲思 艾弗里及其同事
细菌培养场所 小鼠体内 体外培养基
加热致死的S型细菌的细胞提取物及其
实验原则 R型细菌与S型细菌的毒性对照
经酶处理后的作用对照
加热致死的S型细菌能使R型细菌转化 S型细菌的DNA能使R型细菌转化为S
实验结果
为S型细菌 型细菌
实验结论 S型细菌体内有“转化因子” S型细菌的DNA是遗传物质
分别用不同的酶处理S型菌细胞提取物
用加热致死的S型细菌注射到小鼠体内
巧妙构思 的成分，再与R型菌混合培养，然后观
作为对照实验来说明确实发生了转化
察除去相关物质后细胞提取物的功能
①所用材料相同；②体内转化实验是体外转化实验的基础，体外转化实验是体内转
联系
化实验的延伸；③两实验都遵循对照原则、单一变量原则
2．实验拓展分析(1)在加热致死S型细菌的过程中，其蛋白质变性失活，但是其内部的DNA在加热结
束后随温度的降低又逐渐恢复活性。
(2)转化后形成的S型细菌的性状可以遗传下去，说明S型细菌的DNA是遗传物质。
3．肺炎链球菌体外转化实验和噬菌体侵染细菌实验的比较
肺炎链球菌体外转化实验 噬菌体侵染细菌实验
分别用除去蛋白质、RNA、脂质、DNA等
分别用同位素 35S、32P标记噬菌体的蛋白质和
处理方法 成分的S型菌的细胞提取物与R型菌混合
DNA
培养
①证明DNA是遗传物质，但不能证明蛋白质不是
①证明DNA是遗传物质，而蛋白质等不是
遗传物质；
结论 遗传物质；
②说明DNA能控制蛋白质的合成；
②说明了遗传物质可发生可遗传的变异
③说明DNA能自我复制
4．病毒重建及其对烟草叶细胞的感染
(1)实验过程及现象
(2)结果分析与结论：重组病毒所繁殖的病毒类型取决于提供RNA的株系。
5．不同生物的遗传物质
细胞生物 非细胞生物
真核生物 原核生物 多数病毒 少数病毒
核酸种类 DNA和RNA DNA和RNA DNA RNA
遗传物质 DNA DNA DNA RNA
结果 绝大多数生物的遗传物质是DNA，只有少部分病毒的遗传物质是RNA
结论 DNA是主要的遗传物质
易错提醒
肺炎链球菌转化实验的两个常见认识误区
(1)并非所有的R型细菌都被转化。由于转化受到DNA的纯度、两种细菌的亲缘关系、
受体菌的状态等因素的影响，因此转化过程中并不是所有的 R型细菌都被转化成S型细菌，而只是少部分R型细菌被转化成S型细菌。
(2)转化的实质并不是基因发生突变，而是S型细菌的DNA片段整合到了R型细菌的
DNA中，即实现了基因重组。
第2节 DNA的结构
一、DNA双螺旋结构：
1．构建者：美国生物学家沃森和英国物理学家克里克。
2．元素组成：C、H、O、N、P
3．基本结构单位：脱氧核糖核苷酸
4．DNA的结构模式图
(1)写出图中相应序号表示的物质或结构：
①胸腺嘧啶；②脱氧核糖；③磷酸；④胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸；
⑤胞嘧啶；⑥腺嘌呤_；⑦鸟嘌呤；⑧胞嘧啶。
(2)脱氧核糖中的1′C是指与碱基相连的碳，5′C是指与磷酸基团相连的碳。
(3)从图中看出DNA两条链是反向平行的依据是：从双链的一端起始，一条单链是从
5 ′ 端到 3 ′ 端的，另一条单链则是从 3 ′ 端到 5 ′ 端的 。
（4）DNA的结构特点
项目 特点
整体结构 由两条脱氧核苷酸链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构
基本骨架 由脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架
两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，排列在内侧并且遵循碱基互补配对原则：
碱基配对
A与T 配对、G 与C配对
（5）在沃森和克里克在构建模型的过程中，借鉴利用了他人的哪些经验和成果？
提示：①当时科学界已发现的证据；②英国生物物理学家威尔金斯和富兰克林提供的DNA衍射图谱；③奥地利生物化学家查哥夫的研究成果：腺嘌呤(A)的量总是等于胸腺嘧
啶(T)的量，鸟嘌呤(G)的量总是等于胞嘧啶(C)的量。
[师说重难]
1．DNA分子的结构及特点
(1)由图1得到以下信息：
①数量关系
②位置关系
③化学键
④DNA初步水解的产物是脱氧核苷酸，彻底水解的产物是磷酸、脱氧核糖和含氮碱
基。
(2)图2是图1的简化形式，其中①是磷酸二酯键，②是氢键。
2．DNA分子的结构特性
(1)稳定性：DNA中脱氧核糖和磷酸交替连接的方式不变，两条链间碱基互补配对的方
式不变。
(2)多样性：DNA分子中碱基对(脱氧核苷酸对)的排列顺序多种多样，构成了DNA的
多样性→遗传信息的多样性→生物多样性。
(3)特异性：每种DNA都具有不同于其他DNA的特定的碱基排列顺序。
易错提醒
[典例1] (2019·山东学考)图中圆形、五边形和长方形分别代表磷酸、脱氧核糖和含氮
碱基。下列脱氧核苷酸链的模型构建正确的是( B )
[解析] 一个脱氧核苷酸的磷酸应该与上一个脱氧核苷酸的脱氧核糖相连。
【方法规律】DNA分子中有关碱基数量的计算
1．碱基互补配对原则
在双链DNA分子中，A＝T，G＝C，A＝T，T＝A，G＝C ，C ＝G。如图：
1 2 1 2 1 2 1 2
2．DNA分子中碱基数量关系的规律(1)规律一：在双链DNA分子中，嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数，各占全部碱基数
的一半，或“不互补碱基之和相等，比值为1” 。即：
A＋G＝T＋C＝A＋C＝G＋T
(A＋G)/(T＋C)＝(A＋C)/(G＋T)＝1
(2)规律二：在双链DNA分子中，互补碱基之和的比值在两条链中和整个DNA分子中
相等。即：
若(A ＋T)/(G＋C )＝m，则(A ＋T)/(G ＋C )＝(A＋T)/(G＋C)＝m。
1 1 1 1 2 2 2 2
(3)规律三：在双链DNA分子中，不互补碱基之和的比值在两条链中互为倒数，在整
个DNA分子中为 1 。 即：
若(A ＋G)/(T ＋C )＝n，则(A ＋G)/(T ＋C )＝1/n，双链DNA分子中(A＋G)/(T＋C)
1 1 1 1 2 2 2 2
＝1。
注意：规律二和规律三可巧记为“补则等，不补则倒”。
[典例2] (2020·宿州期末)在一个DNA分子中，腺嘌呤与胸腺嘧啶之和占全部碱基总
数的54%。若其中一条链的胞嘧啶占该链碱基总数的22%，胸腺嘧啶占28%，则另一条链
上，胞嘧啶、胸腺嘧啶分别占该链碱基总数的( A )
A．24%、26% B．22%、28%
C．27%、23% D．20%、30%
[解析] 已知双链DNA分子中，腺嘌呤与胸腺嘧啶之和占全部碱基的 54%，即A＋T
＝54%，则A＝T＝27%，C＝G＝50%－27%＝23%。又已知一条链上的胞嘧啶占该链碱基
总数的22%、胸腺嘧啶占28%，即C ＝22%，T ＝28%，根据碱基互补配对原则，C＝(C
1 1 1
＋C )÷2，所以C ＝24%，同理T＝26%。
2 2 2
演示图：注意双链所占比例与单链所占比例的区别：单链中总碱基数×2=双链中总碱
基数
54%（双） 46% 200×54% 200×46%
（双）
假设数值， 100
按比例计算 200
100
100×28% 100×22%
28% 22%
[典例 4]
（单） （单）第3节 DNA的复制
一、DNA的复制
1．对DNA复制的推测
(1)提出者：沃森和克里克。
(2)假说内容：
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
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，因此，这
种复制方式称作半保留复制。
2．DNA半保留复制的实验证据
(1)实验材料：大肠杆菌。
(2)实验方法：运用同位素标记技术。
(3)实验过程演示：
(4)实验预期
①亲代DNA分子中两条链均含15N，DNA分子密度高。
②复制一次产生的DNA分子中，一条链含 14N，另一条链含 15N，DNA分子密度居中。
③复制两次产生的DNA分子中，有两个DNA分子双链均含 14 N ，DNA分子密度较低；
另两个DNA分子中一条链含 15N，另一条链含 14N。
探究及拓展：若为全保留复制[典例]．细菌在含15N的培养液中繁殖数代后，细菌DNA的含氮碱基皆含有15N，然后
再将其移入含14N的培养液中培养，抽取亲代及子代的DNA离心分离，如图①～⑤为可能
的结果。下列叙述错误的是( )
A．子一代DNA应为② B．子二代DNA应为①
C．子三代DNA应为④ D．亲代DNA应为⑤
解析：选C 亲代DNA只含15N标记，应为⑤；复制一次后，DNA一条链含15N，一
条链含14N，应为②；复制两次后形成4个DNA，其中2个DNA只含14N标记，2个DNA
的一条链含15N，一条链含 14N，应为①；复制三次后形成8个DNA，其中6个DNA只含
14N标记，2个DNA的一条链含 14N，一条链含15N，应为③。
3．DNA复制的过程
(1)相关知识归纳总结
概念 以亲代DNA 为模板合成子代DNA的过程
时间 有丝分裂间期和减数分裂Ⅰ前的间期
场所 主要是细胞核
条件 模板、原料、能量、酶等
特点 半保留复制、边解旋边复制
意义 通过复制将遗传信息从亲代细胞传递给子代细胞，从而保持了遗传信息的连续性
(2)复制的过程演示(1)DNA复制时，解旋酶的作用是 将 DNA 双螺旋的两条链解开 。
(2)DNA聚合酶的作用是连接相邻的两个脱氧核苷酸形成与母链互补的子链。
(3)在DNA复制过程中，两条子链延伸的方向相反的原因是 DNA 中两条母链是反向平
行的。
(4)真核生物的核DNA复制通常发生在细胞分裂的间期。
(5)有丝分裂或减数分裂的细胞进行DNA的复制；蛙的红细胞进行无丝分裂，进行
DNA的复制；哺乳动物成熟的红细胞，不会进行DNA的复制。(均填“会”或“不会”)
（6）DNA解旋后的每一条脱氧核苷酸链是否都可以作为DNA复制的模板？新合成的
子链与模板链的碱基序列有何关系？结合下面DNA复制的模式图回答。
提示：DNA解旋后的每条脱氧核苷酸链都可以作为复制的模板。新合成的子链与模板
链中的碱基遵循互补配对原则，a链的碱基序列和c链相同，d链的碱基序列和b链相同。
(3)准确复制的原因
①DNA分子独特的双螺旋结构，为复制提供了精确的模板。
②通过碱基互补配对，保证了复制能够准确地进行。
方法规律：DNA复制的相关计算
过程演示：
两个子代核DNA的位置及分开时间：复制产生的两个子代核DNA分子位于一对姐妹
染色单体上，由着丝粒连在一起，在有丝分裂后期或减数分裂Ⅱ后期着丝粒分裂时分开，
分别进入两个子细胞中，如下图所示：说明：有丝分裂与减数分裂都只复制一次，有丝分裂分 裂
一次，减数分裂分裂两次，分裂完成时细胞中染色体或
DNA分子的数目不同，但，对于单个染色体或 DNA 结
果相同，即，每条染色单体被标记，着丝粒分离后，每 条
染色体被标记；每个DNA分子均有一条单链被标记。若复制2次，对于对于单个染色体或
DNA 结果相同，即，每条染色体被标记，着丝粒分离后，一半染色体被标记；一半的
DNA分子有一条单链被标记。
在判断分裂方式时，可依据染色体的标记情况判断。注，减数分裂后，细胞内的染色
体数要减半。
将含有15N的DNA分子放在含有14N的培养基上培养，复制n次，则：
(1)DNA分子数
①子代DNA分子数＝2n个。
②含有亲代DNA链的子代DNA分子数＝2个。
③不含亲代链的子代DNA分子数＝(2n－2)个。
(2)脱氧核苷酸链数
①子代DNA分子中脱氧核苷酸链数＝2n＋1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＝(2n＋1－2)条。
(3)消耗的脱氧核苷酸数：若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，经过n次复
制需要消耗该脱氧核苷酸m×(2n－1)个；第n次复制，消耗该脱氧核苷酸数为m×2n－1。
[典例2] (2020·银川一中期末)已知某DNA分子含有500个碱基对，其中一条链上
A∶G∶T∶C＝1∶2∶3∶4。该DNA分子连续复制数次后，消耗周围环境中含G的脱氧核
苷酸2 100个，则该DNA分子已经复制了( A )
A．3次 B．4次
C．5次 D．6次
[解析] 根据 DNA 分子含有 500 个碱基对，而一条单链上碱基 A∶G∶T∶C＝
1∶2∶3∶4，则该链中A、G、T、C分别是50、100、150、200(个)，另一条单链上依次是
150、200、50、100(个)。因此，该DNA分子中含有鸟嘌呤的脱氧核苷酸为100＋200＝300(个)。复制数次后，所有DNA中的鸟嘌呤脱氧核苷酸的数量是2 100＋300＝2 400(个)，
设该DNA分子复制了n次，则有关系式：2n ×300＝2 400，解得n＝3。
第4节 基因通常是有遗传效应的DNA片段
一、基因与DNA、染色体的关系
1．基因与DNA关系的实例
2.基因与染色体的关系：
(1)据图1可知，基因与染色体的关系是基因在染色体上呈线性排列。
(2)若图2为染色体组成的概念模型，则图2中的字母分别表示：
a．染色体，b.DNA，c.基因，d.脱氧核苷酸。
(3)染色体主要由DNA和蛋白质构成，一个DNA上有许多个基因，构成基因的碱基数
小于(填“大于”“小于”或“等于”)DNA分子的碱基总数。
3.基因、DNA、染色体的关系
二．DNA片段中的遗传信息
1.遗传信息：蕴藏在 4 种碱基 的排列顺序之中。
全方位理解“基因”
(1)本质上，基因通常是有遗传效应的DNA片段。
(2)结构上，基因是含有特定遗传信息的脱氧核苷酸序列。
(3)功能上，基因是遗传物质的结构和功能的基本单位。
(4)位置上，基因在染色体上呈线性排列。
2.特点
①多样性：碱基排列顺序的千变万化。②特异性：每一个DNA分子有特定的碱基排列顺序。
③稳定性：DNA分子的结构较稳定。
3.与生物体多样性和特异性的关系
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.基因的延伸：对于遗传物质是RNA的生物，基因就是 有遗传效应的 RNA 片段
