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1、电子课文第五章 遗传和变异遗传和变异是生物界普遍存在的生命现象。我国民间有这样的说法：“种瓜得瓜，种豆得豆。”这句话反映了亲代与子代之间，在形态、结构和生理功能上常常相似，这就是遗传现象。我国民间还有这样的说法：“一猪生九仔，连母十个样。”这句话形象地描述了亲代与子代之间，子代的个体之间，总是或多或少地存在着差异，这就是变异现象。生物的遗传特性，使生物界的物种能够保持相对稳定。生物的变异特性，使生物个体能够产生新的性状，以至形成新的物种。第一节 生物的遗传生物遗传的问题很早就受到人们的重视和研究。但是，直到 19 世纪，奥国人孟德尔选用豌豆作遗传研究的材料，并用科学的方法做实验，才发现了遗传的
2、两个基本规律，给遗传学奠定了科学的基础。后来，经过许多学者的努力，遗传学的研究不断地获得进展，现在已经进入到分子水平。下面我们首先从分子水平上来讲述生物的遗传问题。一 遗传的物质基础生物的各项生命活动都有它的物质基础，生物的遗传和变异也是这样。根据现代细胞学和遗传学的研究得知，控制生物性状遗传的主要物质是脱氧核糖核酸（DNA）。（一）DNA 是主要的遗传物质遗传物质的主要载体是染色体 生命之所以能够一代一代地延续下去，主要是由于遗传物质绵延不断地向后代传递，从而使后代具有与前代同样的性状。通过对细胞有丝分裂、减数分裂和受精过程的研究，人们了解到染色体在生物的传种接代过程中，能够保持一定的稳定性
3、和连续性。因此，人们认为染色体在遗传上起着主要作用。染色体为什么能够在遗传上起主要作用呢？通过对染色体化学成分的分析，得以知道染色体主要是由 DNA 和蛋白质组成的，其中的 DNA 在染色体里含量稳定，是主要的遗传物质。由于细胞里的 DNA 大部分在染色体上，所以说，遗传物质的主要载体是染色体。除了细胞核中的染色体上含有遗传物质以外，细胞质中也有遗传物质（在线粒体和叶绿体内）。受细胞核内遗传物质控制的遗传现象，叫做细胞核遗传。受细胞质内遗传物质控制的遗传现象，叫做细胞质遗传。由此可见，生物的遗传是细胞核和细胞质共同作用的结果。DNA 是遗传物质的证据 作为遗传物质，必须具有这样的特点：（1）分
4、子结构具有相对的稳定性；（2）能够自我复制，使前后代保持一定的连续性；（3）能够指导蛋白质的合成，从而控制新陈代谢过程和性状；（4）能够产生可遗传的变异。目前，科学上积累了许多关于 DNA 是遗传物质的证据，噬菌体侵染细菌的实验就是有力的证据之一。噬菌体是一种专门寄生在细菌体内的病毒。它的头、尾的外部都有由蛋白质组成的外壳（头膜和尾鞘），头的内部含有 DNA（图 46）。噬菌体侵染细菌的过程可以分为以下五个步骤（图 47）：（1）噬菌体用尾部的末端（基片、尾丝）吸附在细菌（图 47，1）的表面（图 47，2）；（2）噬菌体通过尾轴把 DNA 全部注入到细菌的细胞中，噬菌体的蛋白质外壳则留在细胞
5、的外面，不起作用（图 47，3）；（3）噬菌体的 DNA 在细菌体内，利用细菌的化学成分合成出噬菌体自身的DNA 和蛋白质（图 47，4）；（4）新合成的 DNA 与蛋白质外壳，组装出很多个与亲代一模一样的子代噬菌体（图 47，5）；（5）子代噬菌体由于细菌的解体而被释放出来，再去侵染其他的细菌（图47，6）。这些子代噬菌体在大小、形状等方面，都保持着原来亲代噬菌体的特点。由此可见，噬菌体的各种性状是通过 DNA 传递给后代的，这种情况证明了 DNA是遗传物质。病毒 病毒是一类没有细胞结构的微小生物，它的个体比细菌小得多，只有在电子显微镜下才能观察到。病毒是由蛋白质和核酸（DNA 或 RNA）
6、构成的。病毒全部营寄生生活，只有在特定的寄主细胞里，才能繁殖。根据寄主生物的不同，病毒大致可以分为三类；寄生在人或动物细胞里的病毒，叫做动物病毒；寄生在植物细胞里的病毒，叫做植物病毒；寄生在细菌细胞里的病毒，叫做细菌病毒，又叫噬菌体。上面所举的实验，只是表明 DNA 是遗传物质的一个证据，其他证据就不再一一列举了。应该说明的是：遗传物质除了 DNA 以外，还有核糖核酸（RNA）。例如，有些病毒（如烟草花叶病毒），它们不含有 DNA，只含有 RNA。在这种情况下，RNA 就起遗传物质的作用。目前，已有充分的科学研究资料证明，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
7、质。复习题一、填充题1染色体主要是由_和_组成的。其中的_在染色体里含量稳定，是主要的_。由于细胞里的 DNA 大部分在_上，因此遗传物质的主要载体是_。2遗传物质的特点是：（1）_；（2）_；（3）_ ；（4）_。二、绘图题在下列（2）（5）图中，绘出噬菌体侵染细菌的过程：（二）DNA 的结构和复制我们已经知道 DNA 是遗传物质，通过它能够使上一代的性状在下一代表现出来。那么，DNA 为什么能起遗传作用呢？这与它的分子结构是有密切关系的。DNA 的结构 沃森和克里克于 1953 年提出了著名的 DNA 双螺旋模型，为合理地解释遗传物质的各种功能奠定了基础。为了便于说明 DNA 的结构，我们
8、需要先说明一下 DNA 的化学组成。DNA 的化学组成 DNA 又称脱氧核糖核酸，它是一种高分子化合物，组成它的基本单位是脱氧核苷酸。每个脱氧核苷酸是由一分子磷酸、一分子脱氧核糖和一分子含氮碱基组成的（图 48）。组成脱氧核苷酸的含氮碱基有四种，它们是腺嘌呤 A、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶 C和胸腺嘧啶（T）。因此，脱氧核苷酸分别称为腺嘌呤脱氧核苷酸、鸟嘌呤脱氧核苷酸、胞嘧啶脱氧核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸。很多个脱氧核苷酸聚合成为脱氧核苷酸链。DNA 的双螺旋结构 DNA 不仅具有一定的化学组成，还具有特殊的空间结构，也就是具有规则的双螺旋结构（图 49，彩图八）。这一结构的主要特点是：（1） DN
9、A 分子是由两条平行的脱氧核苷酸长链盘旋而成的。（2）DNA 分子中的脱氧核糖和磷酸交替连结，排列在外侧，构成基本骨架；碱基排列在内侧。（3）两条链上的碱基通过氢键连结起来，形成碱基对。碱基对的组成有一定的规律，这就是嘌呤与嘧啶配对（嘌呤之间或嘧啶之间不能配对），而且腺嘌呤A一定与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）一定与胞嘧啶 C配对。例如，一条链上某一碱基是 A，则另一条链上与它配对的碱基必定是 T；一条链上某一碱基是 C，则另一条链上与它配对的碱基必定是 G。反过来说，与 T 配对的必定是A，与 G 配对的必定是 C。碱基之间的这种一一对应的关系叫做碱基互补配对原则。DNA 分子的碱基互补配
10、对情况，可以用下面的图解来表示：从 DNA 的分子结构中，我们可以明显地看出：两条长链上的脱氧核糖与磷酸交替排列的顺序是稳定不变的，而长链中的碱基对的排列顺序是千变万化的。组成 DNA 分子的碱基虽然只有四种，而且这四种碱基的配对方式只有两种（即A 与 T 配对，C 与 G 配对），但是，由于碱基对具有多种不同的排列顺序，因而就构成了 DNA 分子的多样性。例如，一个 DNA 分子中的一条多核苷酸链有 100个四种不同的碱基，它们的可能排列方式就是一个非常巨大的数字。实际上，每条多核苷酸链中的碱基不只有 100 个，而是成千上万个，由此可以想象，它们的排列方式几乎是无限的。正因为每个特定的 D
11、NA 分子都具有其特定的碱基排列顺序，所以这种特定的碱基排列顺序就构成了 DNA 分子的特异性。DNA 的复制 生物所以具有遗传现象，是与遗传物质 DNA 分子的复制有关系的。DNA 分子的复制是指以亲代 DNA 分子为模板来合成子代 DNA 的过程。DNA 分子是在什么时间进行复制的呢？体细胞的 DNA 分子的复制是在有丝分裂间期进行的。DNA 分子的复制过程是怎样的呢？ DNA 分子是边解旋边复制的（图 50）。首先，DNA 分子利用细胞提供的能量，在解旋酶的作用下，把两条扭成螺旋的双链解开，这个过程叫做解旋。然后，以解开的每段链（母链）为模板，以周围环境中游离的脱氧核苷酸为原料，在有关酶
12、的作用下，按照碱基互补配对原则，合成出与母链互补的子链。随着解旋过程的进行，新合成的子链不断地延伸，同时每条子链与其对应的母链互相盘绕成螺旋结构，形成一个新的 DNA 分子。这样，一个 DNA 分子就形成两个完全相同的 DNA 分子。由此可见，DNA 复制需要模板、原料、能量和酶等基本条件。从 DNA 分子的复制过程还可以看出，DNA 分子的独特的双螺旋结构为复制 DNA 提供了精确的模板；它的碱基互补配对能力保证了复制能够准确无误地完成。复制出的子代 DNA 分子，通过细胞有丝分裂分配到子细胞中。同样道理，在生殖细胞中也要进行 DNA 分子的复制，并且复制过程是在减数分裂的第一次分裂前的间期
13、完成的。正是由于 DNA 分子的这一复制过程，才使亲代的遗传信息传递给子代，从而使前后代保持了一定的连续性。为什么子女有许多性状像父母，就是因为父母把自己的 DNA 分子复制出一份，传给了子女的缘故。复习题一、填充题1DNA 分子是一种高分子化合物，组成它的基本单位是_，它的化学成分是_、_和_。由于组成脱氧核苷酸的碱基有四种：_A，_（G），_C，_（T），所以构成 DNA 分子的脱氧核苷酸也有四种：_，_，_，_。2从 DNA 分子的复制过程可以看出，DNA 分子的_结构能够为复制DNA 提供精确的模板；它的_保证了复制准确无误地进行。二、选择题1DNA 分子的复制发生在细胞有丝分裂的：A
14、分裂前期；B分裂中期；C分裂后期；D分裂间期。答 2某 DNA 分子的碱基中，鸟嘌呤的分子数占 22，那么胸腺嘧啶的分子数占：A11；B22；C28；D44。答 三、识图填充题下面是 DNA 的分子结构模式图，在图的下面用文字写出图中 110 的名称。1_2_3_4_5_6_7_8_9_10_（三）基因对性状的控制在上一节中，我们讲到子代与亲代在性状上相似，是由于子代获得了亲代复制的一份 DNA 的缘故。这就涉及一个问题：DNA 分子是怎样控制遗传性状的？现代遗传学的研究认为，生物的性状是由基因控制的。那么，基因与 DNA 有什么关系呢？下面讲述这方面的问题。基因是有遗传效应的 DNA 片段
15、每个染色体含有一个 DNA 分子，每个 DNA分子上有很多个基因。基因是什么？现代遗传学认为，基因是控制生物性状的遗传物质的功能单位和结构单位，是有遗传效应的 DNA 片段。基因在染色体上呈线性排列。每个基因中可以含有成百上千个脱氧核苷酸。四种脱氧核苷酸虽然在不同的基因中有不同的排列顺序，但是在每个基因中却有自己特定的排列顺序。如果我们把生物的具体性状用“信息”来表示，那么，基因的脱氧核苷酸排列顺序就代表遗传信息。因此说，生物的性状遗传主要是通过染色体上的基因传递给后代的，实际上就是通过脱氧核苷酸的排列顺序来传递遗传信息的。基因控制蛋白质的合成 DNA 是遗传物质，它的基本功能包括两个方面：一方面通过复制，在生物的传种接代中传递遗传信息；另一方面，在后代的个体发育中，能使遗传信息得以表达，从而使后代表现出与亲代相似的性状。我们知道，蛋白质是组成生物体的重要成分，生物体的性状主要
