破译遗传的密码——DNA

DNA简介

DNA(Deoxyribo Nucleic Acid)，又称脱氧核糖核酸，是染色体的主要化学成分，同时也是基因组成的，有时被称为“遗传微粒”。DNA是一种分子，可组成遗传指令，以引导生物发育与生命机能运作。主要功能是长期性的资讯储存，可比喻为“蓝图”或“食谱”。其中包含的指令，是建构细胞内其他的化合物，如蛋白质与RNA所需。带有遗传讯息的DNA片段称为基因，其他的DNA序列，有些直接以自身构造发挥作用，有些则参与调控遗传讯息的表现。

DNA的发展历程

孟德尔的发现与遗传基因

孟德尔

1865年孟德尔根据前人的工作和他自己进行8年的豌豆杂交试验，发现了自然界中遗传与变异的奥秘，提出了遗传因子分离和重组的假设，为遗传学作为一门独立学科的出现揭开了序幕。

孟德尔被科学界发现后，遗传学迅速成为生物学家们的研究热点。科学界认为“遗传因子”概念使用不方便，“基因”这一名称更能反映出事物的本质，意思是最基本的因子。1909年丹麦植物学家和遗传学家威尔海姆·约翰森提出术语“基因”，将“gangenes”简化为“gene(基因)”。

1874年瑞士化学家米歇尔发现核酸，揭示了基因的本质，首次分离出DNA，现在，人们称米歇尔发现的物质为脱氧核糖核酸(DNA)，它作为染色体的一个组成部分而存在于细胞核内，是生物的遗传物质，携带着遗传信息。

弗莱明观察到细胞有丝分裂

弗莱明是世界上首位观察并系统描述正常的细胞分裂(有丝分裂)中细胞核内染色体行为的科学家，被誉为细胞遗传学的奠基人。19世纪70年代，细胞学家掌握了给细胞染色的技术，弗莱明就是这方面的先导者，他把不同阶段杀死的细胞用这些染料着色来制成一系列的切片，再用显微镜观察，就能清楚地看到细胞分裂时核内连续发生的变化。他证明了丝状物(后称染色体)有丝分裂为生长、更新提供新的细胞，因此对生命有着重要意义。

弗莱明

加罗德

英国医生加罗德观察到遗传性疾病，发现酶对基因有影响，然而，加罗德关于遗传物质控制体内特殊蛋白质的直接作用的研究直到20世纪50年代才被人们理解。鉴于他对科学的贡献，人们将加罗德尊为“化学遗传性之父”。

1911年美国生物学家摩尔根阐明关于基因的学说

摩尔根

摩尔根发现生物遗传基因的确在生殖细胞的染色体上，而且发现基因在每条染色体内是直线排列的。染色体可以自由组合，而排在一条染色体上的基因是不能自由组合的。染色体好比是链条，基因好比构成链条的链环，链环总跟着链条跑，也就是说，基因总是随着染色体走的。摩尔根把这种特点称为基因的“连锁”。由于同源染色体的断离与结合，而产生了基因的“交换”。连锁和交换定律，是摩尔根发现的遗传学第三定律，他因此创立了著名的基因学说，揭示了基因是组成染色体的遗传单位，它能控制遗传性状的发育，也是突变、重组、交换的基本单位。染色体好比传递基因的接力棒，它永不停息地从上一代传往下一代。

摩尔根是现代遗传学的奠基者，他通过著名的果蝇实验，证明并发展了孟德尔遗传学理论。他认为染色体是遗传性状传递机制的物质基础，而基因是组成染色体的遗传单位，基因的突变会导致生物体遗传特性发生变化。

1941年美国生物学家比德尔和塔特姆证明酶有控制基因的作用，认为一个基因的功能相当于一个特定的蛋白质(酶)，基因和酶的特性是同一序列的，每一基因突变都影响着酶的活性，于是在1946年提出了“一个基因一个酶”的假说，奠定了基因和酶之间控制关系的概念，开创了现代生物化学遗传学。建立DNA双螺旋结构模型，克里克和沃森完成了一个划时代的创举。

20世纪40年代末，关于核酸的结构和功能的研究日益引起学术界的重视，有多种学科的科学家投入到对DNA结构和功能的探索之中，形成了生化学派、信息学派和结构学派等不同研究方向。

比德尔和塔特姆的“一个基因一个酶”的假说，50年代初，英国科学家威尔金斯等用X射线衍射技术研究DNA结构，意识到DNA是一种螺旋结构;女物理学家富兰克林在1951年底拍到了一张十分清晰的DNA的X射线衍射照片。

沃森和克里克

1952年英国剑桥卡文迪什实验室的生物化学家克里克，与美国青年生物学家詹姆斯·沃森，合作研究DNA结构，试图揭示和阐明遗传信息的结构基础。1953年他们宣布研究发现:DNA是由两条核苷酸链组成的双螺旋结构。他们在实验室中搭建了一个DNA双螺旋模型，正确地反应出DNA的分子结构。从此，遗传学的历史和生物学的历史都从细胞阶段进入了分子阶段。DNA双螺旋结构完美地说明了遗传物质的遗传、生化和结构的主要特征。

科学家详细描述了DNA的复制过程，生命的遗传之谜已经被破解。

生命是一个不断复制和进化的过程，这个过程起始于DNA的复制，它已被科学家所掌握。DNA在复制时，首先双螺旋逐渐解开，借助特殊的酶，以每条母链为模板，合成一条与它互补的子链。这就如同仿造楼梯一样，先把两扶手拆开作模板，用原料按模板原样各造一条扶手，然后配成两条双扶手螺旋形楼梯。DNA就是按照这种方式一份一份地复制，从而保证了父辈的密码像拷贝一样准确无误地传给子孙。至此，千百年来一直困扰人们的遗传之谜被解开了。

DNA的简易提取法

人体DNA的简易提取法

★所需的材料:①一茶匙盐，放进一杯水(自来水即可，绝对不能有杂质)里完全溶解;②一个干净的小玻璃杯;③一些洗涤液(去超市买正规的);④一根滴管(可在化学品试剂店买);⑤酒精度在50°以上的冰镇烈性酒。

★制取方法:在干净的小玻璃杯里放入一茶匙洗涤液并用三茶匙水稀释。用盐水在嘴里用力漱洗30秒钟左右，然后吐进稀释的洗涤液之中。用力搅拌混合物几分钟，然后非常小心地把两茶匙冰镇烈酒顺着玻璃杯的侧壁倒进去。如果你的手不能拿稳，可以使用滴管，把杯子稍微倾斜一下会对此有所帮助。这个步骤要求注意力非常集中，而且是非常关键的一步，必须要形成一个泾渭分明的水和酒之间的界限。如果你做到了细心谨慎，就将在盐和漱口水混合液的顶部形成单独的一层;等几分钟之后，你就会看到在酒之中开始形成纺锤形、白色、线状的团块样物质。这就是你的DNA。接下来如果有条件的话，可用1280倍的显微镜观察。

★注意事项:在开始提取之前，一定要保证你的口腔是干净的。如果刚吃完东西，要等4个多小时后才能提取，以确保提取的精度。

动物DNA的简易提取法

★所需的材料:①鸡血细胞液5～10毫升(后面有鸡血细胞液的制作方法);②铁架台;③铁环;④镊子;⑤三角架;⑥酒精灯;⑦石棉网;⑧载玻片(可在化学品试剂店买);⑨玻璃棒;⑩滤纸;〇11滴管(化学品试剂店买);〇12量筒(100ml一个);〇13烧杯(100ml一个，50ml和500ml各2个);〇14试管(20ml2个);〇15漏斗(建议买3个);〇16试管夹(建议买4个);〇17纱布(建议买4个);〇18体积分数为95%的酒精溶液(就是浓度为95%的酒精，实验前置于冰箱内冷却24小时，建议冷藏室的温度调节在4℃～6℃之间最好);〇19蒸馏水(不少于500毫升);〇20质量浓度为0.1%克/ml(毫升)的柠檬酸钠溶液;〇21物质的量浓度为2mol(摩尔)/L(升)和0.015mol/L的氯化钠溶液;〇22二苯胺试剂(本试剂是成瓶的)。

★制取方法:①制备鸡血细胞→取刚杀过的鸡血(要干净，不能有杂质)50毫升左右，加入柠檬酸钠防止凝血;除去上面的清液，因为DNA主要存在于细胞核中。②提取核物质→加蒸馏水(一般是鸡血细胞的2倍半)并用玻璃棒搅拌不少于5分钟，使血细胞破裂，释放出的DNA往往和蛋白质结合在一起。③溶解核内DNA→DNA在高浓度的氯化钠溶液中溶解度很高，用2mol/L的氯化钠溶液可以加速核蛋白解聚，游离出DNA。④析出含DNA的黏稠物→加蒸馏水降低氯化钠溶液的浓度至0.14mol/L，此时DNA的溶解度下降，蛋白质的溶解度增高，从而使DNA和蛋白质分离，析出DNA(注意:此步骤要精确浓度)。⑤滤出含DNA的黏稠物→用纱布过滤得到丝状DNA的黏稠物。⑥DNA黏稠物再溶解→加入2mol/L的氯化钠溶液后，充分搅拌，使DNA溶解。⑦过滤含DNA的氯化钠溶液→用新纱布过滤。⑧提取较纯净的DNA→加入冷却的浓度为95%的酒精，使DNA沉淀、浓缩、形成含杂质较少的白色丝状物。⑨DNA的鉴定→DNA的鉴定可用二苯胺法，DNA遇到二苯胺变为蓝色;还可以用“甲基绿”法，“甲基绿”使DNA变为蓝绿色。

★注意事项:①盛放鸡血细胞的容器，最好是塑料容器。鸡血细胞破碎后，DNA容易被玻璃容器吸附。因此，实验中最好使用塑料的烧杯和试管，可以减少提取过程中DNA的损失。②实验中搅拌含有悬浮物的溶液时，玻璃棒不要直插烧杯底部，同时搅拌要轻慢。③用“甲基绿”法鉴别DNA时，可将“甲基绿”直接滴到玻璃棒的丝状物上后，要用水充分冲洗掉浮色后再观察。

植物DNA的简易提取法

(提取时千万要注意里面的步骤!!!)

★所需的材料:①新鲜菜花(或蒜黄、菠菜);②塑料烧杯一个;③量筒(规格和数量同上);④玻璃棒一个;⑤尼龙纱布(数量同上);⑥陶瓷研钵一个(最好用陶瓷的);⑦试管(数量同上，没标明数量的要同时准备两个，以备用);⑧试管架(数量同上);⑨试管夹(数量同上);⑩漏斗(数量同上);〇11酒精灯一个;〇12石棉网(数量同上);〇13三角架;〇14火柴一把(小火柴);〇15刀片一把(小刀即可);〇16天平;〇17研磨液(可在化学品试剂店买);〇18体积为95%的酒精溶液(体积就是浓度);〇19二苯胺试剂一瓶;〇20蒸馏水(不少于500毫升);〇21塑料离心机一台(也可用食品加工机代替)。

★制取方法:①准备材料→将新鲜菜花和浓度为95%的酒精溶液放入冰箱冷冻室内，至少24个小时，建议48个小时，冷冻室的温度要调成－18°以下。②取材→称取30克菜花，去梗取花，切碎。③研磨→将碎菜花放入研钵内，倒入10毫升研磨液，充分研磨10分钟，建议15分钟。④过滤→在漏斗中垫上尼龙纱布，将菜花研磨液滤入烧杯中在4°的冷藏室中放置5～6分钟后，再取上面的清澈液体。⑤加冷酒精→将一倍体积的清澈液体倒入两倍体积浓度为95%的冷酒精中，并用玻璃棒缓缓地轻轻地搅拌溶液(玻璃棒不要插入烧杯底部)。沉淀3～5分钟后，可见白色的DNA絮状物出现。用玻璃棒缓缓旋转，絮状物会缠在玻璃棒上。⑥配制二苯胺试剂→取0.1毫升B液，滴入到10毫升A液中，混匀。⑦鉴定→取4毫升DNA提取液放入试管中，加入4毫升二苯胺试剂，混匀后观察溶液颜色(不变蓝)。用沸水浴(100°)加热10分钟。在加热过程中，随时注意试管中溶液颜色的变化(逐渐出现浅蓝色)。

★注意事项:①一定的冷冻时间是绝对要掌握好的，因为植物的DNA提取不易。②研磨的时间也要掌握好，理由同前。③要想好一切步骤，一气呵成，就是要抓紧时间，理由同前。