生物选修1专题5知识点汇总

课题一　ＤＮＡ的粗提取与鉴定

·提取DNA的溶解性原理包括哪些方面？

DNA在不同浓度NaCl溶液中溶解度不同；DNA不溶于酒精。

·DNA在不同浓度NaCl溶液中溶解度有何特点？要使DNA溶解，需要使用什么浓度？要使DNA析出，又需要使用什么浓度？

在0.14mol/L时溶解度最小；较高浓度可使DNA溶解；0.14mol/L可使DNA析出。

·在溶解细胞中的DNA时，人们通常选用2mol/LNaCl溶液；将DNA分子析出的方法是向溶有DNA的NaCl溶液中缓慢注入蒸馏水，以稀释NaCl溶液。酒精是一种常用有机溶剂，但DNA却不能溶于酒精（特别是95％冷却酒精），但细胞中蛋白质可溶于酒精。

从理论上分析，预冷的乙醇溶液具有以下优点。一是抑制核酸水解酶活性，防止DNA降解；二是降低分子运动，易于形成沉淀析出；三是低温有利于增加DNA分子柔韧性，减少断裂。

·采用DNA不溶于酒精的原理，可以达到什么目的？

将DNA和蛋白质进一步分离。

·提取DNA还可以利用DNA对酶、高温和洗涤剂的耐受性原理。利用该原理时，应选用怎样的酶和怎样的温度值？

蛋白酶，因为酶具有专一性，蛋白酶只水解蛋白质而不会对DNA产生影响。温度值为60～80℃，因为该温度值蛋白质变性沉淀，而DNA不会变性。

补充：DNA的变性是指DNA分子在高温下解螺旋，其温度在80℃以上，如在PCR技术中DNA变性温度在95℃。

·洗涤剂在提取DNA中有何作用？

洗涤剂将细胞膜上的蛋白质，从而瓦解细胞膜。

·当鉴定提取出的物质是否是DNA时，需要使用什么指示剂进行鉴定？

在沸水浴条件下，DNA遇二苯胺呈现蓝色。

原理总结：通过利用不同浓度NaCl溶液溶解或析出DNA，可以从细胞中提取和提纯DNA；再利用酒精进一步将DNA与蛋白质分离开来，达到提纯的目的；最后利用二苯胺试剂鉴定提取的物质是否是DNA。

实验材料的选取

不同生物的组织中DNA含量不同。在选取材料时，应本着DNA含量高、材料易得、便于提取的原则。

本实验用鸡血细胞做实验材料有两个原因。一是因为鸡血细胞核的DNA含量丰富，材料易得；二是鸡血细胞极易吸水胀破，而用动物肝脏细胞作实验材料常常需要匀浆和离心，对设备要求较高，操作繁琐，历时较长。

鸡血细胞破碎以后释放出的DNA，容易被玻璃容器吸附，所以在提取过程中为了减少DNA的损失，最好使用塑料的烧杯和试管盛放鸡血细胞液。

破碎细胞，获取含DNA的滤液

·若选用鸡血和洋葱作实验材料，则怎样获取含DNA的滤液？

在鸡血细胞液中加入一定量蒸馏水并用玻棒搅拌，过滤后收集滤液；切碎洋葱，加入一定量洗涤剂和食盐，搅拌研磨，过滤后收集滤液。

·为什么加入蒸馏水能使鸡血细胞破裂？

答：蒸馏水对于鸡血细胞来说是一种低渗液体，水分可以大量进入血细胞内，使血细胞胀裂，再加上搅拌的机械作用，就加速了鸡血细胞的破裂(细胞膜和核膜的破裂)，从而释放出DNA。

·在以上实验中，加入蒸馏水、洗涤剂和食盐的作用分别是什么？过滤时应当选用（滤纸、尼龙布）。血细胞在蒸馏水中大量吸水而张裂；洗涤剂瓦解细胞膜；食盐溶解DNA物质；选用尼龙布进行过滤。

·在处理植物组织时需要进行研磨，其目的是什么？研磨不充分产生什么结果？

破碎细胞壁，使核物质容易溶解在NaCl溶液中；研磨不充分会使DNA的提取量减少，影响实验结果，导致看不到丝状沉淀物、用二苯胺鉴定不显示蓝色等。

。具体做法。10mL鸡血＋20mL蒸馏水→同方向搅拌→3层尼龙布过滤→滤液

去除滤液中的杂质

为什么反复地溶解与析出DNA，能够去除杂质？

用高盐浓度的溶液溶解DNA，能除去在高盐中不能溶解的杂质；用低盐浓度使DNA析出，能除去溶解在低盐溶液中的杂质。因此，通过反复溶解与析出DNA，就能够除去与DNA溶解度不同的多种杂质。

最初获得的DNA滤液含有蛋白质、脂质等杂质，需要进一步提纯DNA。

方案一的原理是DNA在不同浓度NaCl溶液中溶解度不同；方案二的原理是蛋白酶分解蛋白质，不分解DNA；方案三的原理是蛋白质和DNA的变性温度不同。

方案二与方案三的原理有什么不同？

答：方案二是利用蛋白酶分解杂质蛋白，从而使提取的DNA与蛋白质分开；方案三利用的是DNA和蛋白质对高温耐受性的不同，从而使蛋白质变性，与DNA分离。

析出与鉴定

·在滤液中仍然含有一些杂质，怎样除去这些杂质呢？得到的DNA呈何颜色？

滤液与等体积的冷却酒精混合均匀，静置2～3分钟，析出的白色丝状物就是DNA。DNA呈白色。

·怎样鉴定析出的白色丝状物就是DNA呢？

具体做法。试管2支，编号甲乙→各加等量5mLNaCl溶液→甲中放入少量白色丝状物，使之溶解→各加4mL二苯胺，混合均匀→沸水浴5min→观察颜色变化

实验操作

制备鸡血细胞液…………加柠檬酸钠，静置或离心

↓

破碎细胞，释放DNA… 加蒸馏水，同一方向快速通方向搅拌

↓→过滤，除去细胞壁、细胞膜等。

溶解核内DNA………… 加入NaCl至2mol/L，同一方向缓慢搅拌

↓

DNA析出……………… 加蒸馏水至0.14mol/L，过滤，在溶解到2mol/L溶液中

↓→除去细胞质中的大部分物质。

DNA初步纯化………… 与等体积95％冷却酒精混合，析出白色丝状物

↓→除去核蛋白、RNA、多糖等。

DNA鉴定……………… 二苯胺，沸水浴，呈现蓝色

注意事项：在鸡血中加入柠檬酸钠防止凝固；鸡血静置或离心以提高细胞悬液浓度；使用塑料烧杯；使用尼龙布过滤；玻棒沿同一方向搅拌；玻棒搅拌要缓慢（细胞破裂快速搅拌）；玻棒不要碰到烧杯壁；二苯胺试剂要现用现配等。

课题2 多聚酶链式反应扩增DNA片段

一、PCR技术的原理

1．PCR扩增方向

(1)3′端和5′端：为了明确地表示DNA的方向，通常将DNA的羟基(—OH)末端称为________，而含____________的末端称为________；一个双链DNA分子中含两个3′端和两个5′端，如果一条链的方向是________，则另一条链的方向就是________，这就是反向平行的含义。

(2)DNA分子中相邻两个脱氧核苷酸残基通过________________相连，该化学键是由一分子脱氧核苷酸中3号碳原子上的羟基(—OH)，与相邻的另一分子脱氧核苷酸中5号碳原子上的磷酸基团脱水聚合而成。所以DNA的合成方向总是从子链的________向________延伸。

2．PCR技术原理

(1)PCR原理：DNA分子在一定条件下可以进行半保留复制。

(2)DNA的热变性原理：在________的温度范围内，DNA的双螺旋结构将解体，双链分开，这个过程称为________；当温度缓慢下降后，两条被分离的DNA链又会重新结合成双链，这个过程称为________。

3．生物体内DNA复制与PCR反应的区别

	体内复制	PCR反应
解旋	在______作用下，细胞提供能量，部分解开	加热至______，双链全部解开，不需解旋酶
引物	一小段RNA	可以是RNA或单链DNA分子片段
合成子链	在引物基础上，一条链连续合成，另一条链不连续合成	分别从两条链的______开始，都是连续合成，控制温度______
特点	____________，半保留复制	体外迅速扩增
Taq DNA聚合酶	______	____
循环次数	受生物体自身控制	30多次
相同点	生物体内的DNA复制和PCR体外DNA扩增都需要____、____________作原料、____，子链延伸的方向都是从______到______，且都需要在一定的缓冲溶液中进行

二、PCR的反应过程

1．反应条件

(1)稳定的缓冲液环境。

(2)DNA模板。

(3)分别与模板DNA两条模板链相结合的两种引物。

(4)A、T、G、C四种脱氧核苷酸。

(5)耐高温的DNA聚合酶，一般用Taq DNA聚合酶。

(6)能严格控制温度变化的温控设备。

2．过程

(1)________(90～95℃)：双链DNA模板在热作用下，氢键断裂，形成单链DNA。

(2)________(55℃左右)：两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合，形成局部双链。

(3)________(72℃左右)：在Taq DNA聚合酶的作用下，以四种脱氧核苷酸为原料，根据碱基互补配对原则，从引物的5′端→3′端延伸合成与模板互补的DNA链。

3．结果

(1)PCR的每一轮循环包括变性、复性和延伸三步，从第二轮循环开始，每次循环的产物也做模板参与反应，并且由引物Ⅰ延伸而成的DNA单链会与引物Ⅱ结合，进行DNA的延伸。这样，DNA聚合酶只能特异地复制处于两个引物之间的DNA序列，使这段固定长度的DNA序列呈____________。

(2)PCR一般要经历三十多次循环，处于两引物间固定长度的序列数目约为________。

三、PCR反应的实验操作流程

1．操作步骤

________：按照PCR反应体系的配方将所需试剂摆放于实验桌上

________：用微量移液器按照配方在微量离心管中依次加入各组成成分

________：盖严离心管口的盖子，用手指轻轻弹击管壁

________：将微量离心管放在离心机上，离心约10 s。目的是使反应液集中在离心管底部

________：将离心管放入PCR仪中，设置程序进行反应

2．操作提示

(1)避免外源DNA污染：所用仪器、缓冲液、蒸馏水等使用前必须进行____________。

(2)缓冲液和酶分装成小份，并在________储存。

(3)每添加一种反应成分，更换一个________的枪头。

(4)混匀后离心处理，使反应液集中在________底部。

3．实验中DNA含量的测定

理论上DNA扩增呈指数增长，即一条DNA片段循环n次后的数目为2ⁿ，但实际可能会有诸多因素影响DNA含量，所以需要对DNA含量进行测定。

(1)原理

DNA在260 nm的紫外线波段有一强烈的吸收峰。峰值的大小与DNA的含量有关。可以利用DNA这一特点进行DNA含量的测定。

(2)过程

①稀释：2 μL PCR反应液，加入98 μL蒸馏水，即将样品进行50倍稀释。

②对照调零：以蒸馏水作为空白对照，在波长260 nm处，将紫外分光光度计的读数调节至零。

③测定：取DNA稀释液100 μL至比色杯中，测定260 nm处的光吸收值。

④计算：DNA含量(μg/mL)＝50×(260 nm的读数)×稀释倍数。

知识清单

一、1.(1)3′端　磷酸基团　5′端　3′→5′　5′→3′

(2)3′­5′磷酸二酯键　5′端　3′端

2．(2)80～100℃　变性　复性

3．解旋酶　95℃　引物端　72℃　边解旋边复制　不需要　需要　模板　四种脱氧核苷酸　酶　5′端　3′端

二、2.(1)变性　(2)复性　(3)延伸

3．(1)指数扩增　(2)2³⁰

三、1.准备　移液　混合　离心　反应

2．(1)高压灭菌　(2)－20℃　(3)移液器　(4)离心管

［PCR原理］

DNA的半保留复制是生物进化和传代的重要途径。双链DNA在多种酶的作用下可以变性解链成单链，在DNA聚合酶与启动子的参与下，根据碱基互补配对原则复制成同样的两分子挎贝。在实验中发现，DNA在高温时也可以发生变性解链，当温度降低后又可以复性成为双链。因此，通过温度变化控制DNA的变性和复性，并设计引物做启动子，加入DNA聚合酶、dNTP就可以完成特定基因的体外复制。

　　但是，DNA聚合酶在高温时会失活，因此，每次循环都得加入新的DNA聚合酶，不仅操作烦琐，而且价格昂贵，制约了PCR技术的应用和发展。

　　发现耐热DNA聚合同酶--Taq酶对于PCR的应用有里程碑的意义，该酶可以耐受90℃以上的高温而不失活，不需要每个循环加酶，使PCR技术变得非常简捷、同时也大大降低了成本，PCR技术得以大量应用，并逐步应用于临床。

　　［PCR步骤］

　　标准的PCR过程分为三步：

1.DNA变性（90℃-96℃）：双链DNA模板在热作用下，氢键断裂，形成单链DNA

2.退火（25℃-65℃）：系统温度降低，引物与DNA模板结合，形成局部双链。

3.延伸（70℃-75℃）：在Taq酶（在72℃左右最佳的活性）的作用下，以dNTP为原料，从引物的5′端→3′端延伸，合成与模板互补的DNA链。

　　每一循环经过变性、退火和延伸，DNA含量既增加一倍。如图所示：

PCR技术扩增DNA的过程，与细胞内DNA复制过程类似：

细胞内DNA复制条件分析：

条件	组分	作用
模板	DNA的两条单链	提供复制的模板
原料	四种脱氧核苷酸	合成DNA子链的原料
酶	DNA聚合酶	催化合成DNA子链
能量	ATP	为解螺旋和合成子链供能
引物	一小段单链DNA或RNA	为DNA聚合酶提供合成的3’端起点

PCR的反应过程

PCR利用了DNA的热变性原理，通过控制温度来控制双链的解聚与结合，现在使用的PCR仪实质上也是一台能够自动调控温度的仪器。

PCR一般经历三十多次循环，每次循环可以分为三个基本步骤──变性、复性和延伸。

1.变性（模板DNA解旋）

模板DNA经加热至90℃以上。一定时间后，使模板DNA双链解离，使成为单链，以便于它与引物结合，为下轮反应作准备。

2.复性（退火）

模板DNA经加热变性成单链后，温度降到50℃左右，引物与模板DNA单链的互补序列配对结合。

3.延伸

DNA模板－引物结合物在TaqDNA聚合酶的作用下以脱氧核苷酸为原料，以母链为模板，按碱基互补配对的原则与半保留复制的原理，合成一条新的DNA链。

循环数	变性	复性	延伸
第一次	94°C，10min	－	－
30次	94℃，30s	55℃，30s	72℃，1min
最后一次			72℃，10min

PCR产物的检测

教材中用分光光度计检测DNA含量，个人认为不如电泳检测法。因为分光光度计检测法，只能说明DNA含量增加了，没有电泳检测法形象、直观、经济。

琼脂糖凝胶电泳步骤如下：

（1）用蒸馏水将电泳槽和梳子冲洗干净，放在水平桌面上，并架好梳子。

（2）配制浓度为1%（1 g/100 mL）的琼脂糖凝胶。在锥形瓶中，称取一定量的琼脂糖粉，加入适量蒸馏水，在微波炉内加热，使琼脂糖粉熔化，然后冷却至60 ℃，倒入电泳槽中，待其凝固。

（3）配制1倍的TAE电泳缓冲液100 mL。

（4）向电泳槽中缓缓倒入配制好的电泳缓冲液，以没过胶面2 mm为宜。小心移去梳子，注意不要破坏加样孔。如果样品孔内有气泡，应设法除去。

（5）在DNA样品中加入相当于样品0.2倍体积的载样缓冲液（10×baffer），混匀后，加入样品孔内。

（6）接通电源。一般红色代表正极，黑色代表负极。DNA样品是由负极向正极移动，因此要保证靠近加样孔一端的电极为负极。电压为1～50 V/cm(长度以两个电极之间的距离计算)。

（7）当指示剂移动到凝胶中间时，断开电源，终止电泳。一般200～400个核苷酸长度的PCR产物，在50V电压下，电泳20～40 min即可。

（8）将凝胶放入溴化乙锭溶液（EB）中染色后，在紫外仪上观察电泳带及其位置，判断扩增产物的情况。

课题3    血红蛋白的提取和分离

一、实验原理

蛋白质的物化理性质：形状、大小、电荷性质和多少、溶解度、吸附性质、亲和力等千差万别，由此提取和分离各种蛋白质。

1．凝胶色谱法（分配色谱法）：

（1）原理：分子量大的分子通过多孔凝胶颗粒的间隙，路程短，流动快；分子量小的分子穿过多孔凝胶颗粒内部，路程长，流动慢。

（2）凝胶材料：多孔性，多糖类化合物，如葡聚糖、琼脂糖。

（3）分离过程：

混合物上柱→洗脱→大分子流动快、小分子流动慢→收集大分子→收集小分子

＊  洗脱：从色谱柱上端不断注入缓冲液，促使蛋白质分子的差速流动。

（4）作用： 分离蛋白质，测定生物大分子分子量，蛋白质的脱盐等。

2．缓冲溶液

（1）原理：由弱酸和相应的强碱弱酸盐组成（如H₂CO₃－NaHCO₃， NaH₂PO4/Na₂HPO₄等），调节酸和盐的用量，可配制不同pH的缓冲液。

（2）缓冲液作用：抵制外界酸、碱对溶液pH的干扰而保持pH稳定。

3．凝胶电泳法：

（1）原理：不同蛋白质的带电性质、电量、形状和大小不同，在电场中受到的作用力大小、方向、阻力不同，导致不同蛋白质在电场中的运动方向和运动速度不同。

（2）分离方法：琼脂糖凝胶电泳、聚丙烯酰胺凝胶电泳等。

（3）分离过程：在一定pH下，使蛋白质基团带上正电或负电；加入带负电荷多的SDS，形成“蛋白质－SDS复合物”，使蛋白质迁移速率仅取决于分子大小。

二、实验步骤

1．样品处理

① 红细胞的洗涤

洗涤红细胞的目的是去除杂蛋白，采集的血样要及时采用低速短时间离心分离红细胞，然后用胶头吸管吸出上层透明的黄色血浆，将下层暗红色的红细胞液体倒入烧杯，再加入五倍体积的生理盐水，缓慢搅拌10min，低速短时间离心，如此重复洗涤三次，直至上清液中没有黄色，表明红细胞已洗涤干净。

②血红蛋白的释放  

在蒸馏水和甲苯作用下，红细胞破裂释放出血红蛋白。

注：加入蒸馏水后红细胞液体积与原血液体积要相同。加入甲苯的目的是溶解细胞膜，有利于血红蛋白的释放和分离。

2．粗分离

①分离血红蛋白溶液   

将搅拌好的混合溶液离心后，试管中的溶液分为4层。第一层为无色透明的甲苯层，第2层为白色薄层固体，是脂溶性物质的沉淀层，第3层是红色透明液体，这是血红蛋白的水溶液，第4层是其他杂质的暗红色沉淀物。将试管中的液体用滤纸过滤，除去之溶性沉淀层，于分液漏斗中静置片刻后，分出下层的红色透明液体。

②透析   

取1mL的血红蛋白溶液装入透析袋中，将透析袋放入盛有300mL的物质的量的浓度为20mmol/L的磷酸缓冲液中，透析12h。透析可以去除样品中分子量较小的杂质，或用于更换样品的缓冲液。

3．纯化

调节缓冲液面：打开色谱柱下端的流出口，使柱内凝胶面上的缓冲液缓慢下降到与凝

↓        胶面平齐，关闭出口。

加入蛋白质样品：用吸管将透析后的样品沿管壁环绕移动加到色谱柱的顶端。加样后，

∣         打开下端出口，使样品渗入凝胶床内，等样品完全渗入凝胶层后，

↓         关闭出口。

调节缓冲液面：加入20mmol/L的磷酸缓冲液到适当高度

↓

洗脱：连接缓冲液洗脱瓶，打开下端出口，进行洗脱。

↓

收集分装蛋白质：待红色的蛋白质接近色谱柱底端时，用试管收集。

4.纯度鉴定------SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳（选做）

三、注意事项

1. 电泳技术

电泳技术就是在电场的作用下，利用待分离样品中各种分子带电性质以及分子本身大小、形状等性质的差异，使带电分子产生不同的迁移速度，从而达到对样品进行分离、鉴定或提纯的目的。

2.  红细胞的洗涤

如果分层不明显，可能是洗涤次数少、未能除去血浆蛋白的原因。此外，离心速度过高和时间过长，会使白细胞和淋巴细胞一同沉淀，也得不到纯净的红细胞，影响后续血红蛋白的提取纯度。

3．如何检测凝胶色谱柱的装填是否成功

由于凝胶是一种半透明的介质，因此可以在凝胶柱旁放一支与凝胶柱垂直的日光灯，检查凝胶是否装填得均匀。

此外，还可以加入大分子的有色物质，观察色带移动的情况。如果色带均匀、狭窄、平整，说明凝胶色谱柱的性能良好。如果色谱柱出现纹路或是气泡，轻轻敲打柱体以消除气泡，消除不了时要重新装柱。

4．为什么凝胶的装填要紧密、均匀？

如果凝胶装填得不够紧密、均匀，就会在色谱柱内形成无效的空隙，使本该进入凝胶内部的样品分子从这些空隙中通过，搅乱洗脱液的流动次序，影响分离的效果。

5．沸水浴处理加入洗脱液的湿凝胶的目的

不但节约时间，还能除去凝胶中可能带有的微生物和排除凝胶内的空气。

6．G-75

“G”代表凝胶的交联程度，膨胀程度及分离范围，75表示凝胶得水值，即每克凝胶膨胀时吸水7.5g。

7．装填完后，立即用洗脱液洗脱的目的：使凝胶装填紧密

8．加入柠檬酸钠有何目的？为什么要低速、短时离心？为什么要缓慢搅拌？

防止血液凝固；防止白细胞沉淀；防止红细胞破裂释放出血红蛋白。

9．与其他真核细胞相比，红细胞的特点及这一特点对进行蛋白质的分离的意义

哺乳动物及人的成熟的红细胞是双面凹圆饼状，没有细胞核和细胞器。其含有的血红蛋白是有色蛋白，因此在凝胶色谱分离时可以通过观察颜色来判断什么时候应该收集脱液。这使血红蛋白的分离过程非常直观，大大简化了实验操作。

10．如何检测血红蛋白的分离是否成功

如果凝胶色谱柱装填得很成功、分离操作也正确的话，能清楚地看到血红蛋白的红色区带均匀、狭窄、平整，随着洗脱液缓慢流出；如果红色区带歪曲、散乱、变宽，说明分离的效果不好，这与凝胶色谱柱的装填有关。