浅析凝胶电泳在高中生物中的考察

浅析凝胶电泳在高中生物中的考察

周情龙

昆明市第三中学空港实验学校   650000

摘要：近些年，凝胶电泳在高中生物考试中经常出现，而很多学生找不到解题方法，基于此情况，笔者通过本文来浅析此类题的解题方法。

关键字：凝胶电泳 高中生物 解题

引言

DNA分子提取得到以后，需要通过电泳技术来检测其数量和质量。而通常采用的方法就是凝胶电泳技术，它能够用于分离、鉴定和纯化DNA片段。该技术操作简单而迅速，已经成为许多通用的分子生物学研究方法，如DNA重组、DNA核苷酸序列分析、DNA限制性内切酶分析及限制性酶切作图等的技术基础。我们要掌握这类题的解法，首先要掌握什么是凝胶电泳。

1.  凝胶电泳技术的基本原理

    1.1 电泳的迁移率

当一种分子被放置在电场当中时，它们就会以一定的速度移向适当的电极，这种电泳分子在电场作用下的迁移速度，叫做电泳的迁移率。它同电场的强度和电泳分子本身所携带的净电荷数成正比。即：电场强度越大、电泳分子所携带的净电荷数量越多，其迁移的速度也就越快，反之则较慢。

1.2 支持介质

在电泳中需要使用无反应活性的稳定的支持物质，这种物质就是支持介质。常用的有：琼脂糖凝胶和聚丙烯酰胺胶等。在介质中会降低其迁移率，电泳的迁移率同分子的摩擦系数成反比。

1.3 多聚阴离子

在生理条件下，核酸分子的糖-磷酸骨架中的磷酸基团呈离子状态，因此DNA和RNA多核苷酸链可叫做多聚阴离子。由于异性相吸，当核酸分子放置在电场中时就会向正电极的方向迁移。

1.4 核酸分子的移动

糖-磷酸骨架结构上的重复性质，相同的双链DNA几乎具有等量的净电荷，因而它们能以同样的速度向正电极方向迁移。不同的核酸分子电离子大小、形态及电荷量的不同而有差异，分子量较小的核酸分子比分子量较大的核酸分子迁移要快些，从而将不同的核酸分子分离，得到不同的电泳带。

2.  凝胶电泳的分类
   1. 琼脂糖凝胶电泳

琼脂糖是一种线性多糖聚合物，是从红色海藻产物琼脂中提取而来的。当琼脂糖溶液加热到沸点后冷却凝固便会形成良好的电泳介质，其密度是由琼脂糖的浓度决定的。经过化学修饰的低熔点(LMP)的琼脂糖，在结构上比较脆弱，因此在较低的温度下便会熔化，可用于DNA片段的制备电泳。琼脂糖凝胶电泳是分子生物学实验室中分离鉴定核酸的常规方法。核酸是两性电解质，其等电点为pH2-2.5，在常规的电泳缓冲液中(pH约8.5)，核酸分子带负电荷，在电场中向正极移动。线状双链DNA分子在一定浓度琼脂糖凝胶中的迁移速率与DNA分子量对数成反比，分子越大则所受阻力越大，也越难于在凝胶孔隙中移动，因而迁移得越慢。这也是高中生物凝胶电泳常出题的地方。

2.2聚丙烯酰胺凝胶电泳

聚丙烯酰胺凝胶主要有两种方式:一是用于分离和纯化双链DNA片段的非变性聚丙烯酰胺凝胶。在未变凝胶中分离DNA的缺点是DNA的迁移率受碱基组成和序列的影响。由于无法得知未知DNA的迁移是否反常，故不能用未变性的聚丙烯酰胺凝胶电泳确定双链DNA的大小。二是用于分离及纯化单链DNA片段的变性聚丙烯酰胺凝胶。这类聚丙烯酰胺凝胶是在核苷酸碱基配对抑制剂(尿素或甲酰胺)的存在下聚合而成，变性DNA的移动速度同其碱基组成及序列几乎完全无关，故可用于分离及纯化单链DNA片段和DNA测序等。

2.3脉冲电场凝胶电泳

脉冲电场凝胶电泳技术，通常用来分离整条染色体这样的超大分子量的DNA分子。

3.  凝胶电泳在高中生物的常见考法与题目

3.1 用PCR方法检测转基因植株是否成功导入目的基因时，得到以下电泳图谱，其中1号为DNA标准样（Marker），2~10号为PCR产物；其中2号的模板为野生型植株DNA，3~9号模板为转基因植株的DNA，10号使用蒸馏水代替模板DNA。PCR时加入的模板DNA如图注所示。据此做出分析不合理的是

A．PCR产物的分子大小在250至500bp之间

B.3号样品为不含目的基因的载体DNA

C．9号样品对应植株不是所需的转基因植株

D．10号的电泳结果能确定反应体系等对实验结果没有干扰

解析：PCR过程中，可以通过设计特定的引物来扩增特定的DNA片段。4~9号是转基因植株，理论上应包含目的基因。9号PCR结果不包含250~500bp片段，所以不是所需转基因植株。

A.PCR过程中，可以通过设计特定的引物来扩增特定的DNA片段。4~9号是转基因植株，理论上应包含目的基因，结合2号野生型和10号蒸馏水组的结果，推测包含目的基因的片段大小应为250~500bp，A正确。

B.3号PCR结果包含250~500bp片段，应包含目的基因，B错误。

C.9号PCR结果不包含250~500bp片段，所以不是所需转基因植株，C正确。

D、10号放入蒸馏水，可排除反应体系等对结果的干扰，D正确。

故选B。

3.2 现有一长度为3000碱基对（bp）的线性DNA分子，用限制性核酸内切酶酶切后，进行凝胶电泳，使降解产物分开，用酶H单独酶切，结果如图1。用酶B单独酶切，结果如图2。用酶H和酶B同时酶切，结果如图3。该DNA分子的结构及其酶切图谱是

解析：

酶H单独酶切得到两个片段：2000 bp和1000 bp，说明酶H在该线性DNA分子上有1个酶切位点；D选项排除。酶B单独酶切得到三个片段：2000bp、600bp和400bp，说明酶B该线性DNA分子上有2个酶切位点；

选项A，但看酶B切割，片段长度为：400bp、2000bp和600bp；符合图示。

选项B，但看酶B切割，片段长度为：600bp、1000bp和1400bp；不符合图示。

选项C，但看酶B切割，片段长度为：400bp、1200bp和1400bp；不符合图示。

故选A 。

3.3 图甲表示某种单基因遗传病的系谱图，图乙表示基因检测过程中用限制酶1处理各家庭成员的相关基因得到不同大小的片段后进行电泳的结果。电泳结果中的条带表示检出的特定长度的酶切片段，数字表示碱基对的数目。下列叙述正确的是

A. 该病为常染色体显性遗传病或伴X染色体显性遗传病

B. 该病最可能是由于正常基因发生碱基对的增添导致

C. 该病致病基因碱基序列可被限制酶1识别

D. II3号与正常男性婚配，后代必患该病

解析：

A、分析图甲可知，Ⅰ1和Ⅰ2患病，Ⅱ4的不患病，这该病为显性病，分析图乙可知，Ⅱ4有两条条带，即图乙有两种基因，故该病是常染色体显性遗传病，A错误；

B、分析图乙可知，Ⅰ1、Ⅰ2和Ⅱ3患病，都有长900bp的条带，Ⅱ4的不患病，没有长900bp的条带，由此推测该病最可能是由于正常基因发生碱基对的增添导致，B错误；

C、根据题图信息不可得出该病的致病基因碱基序列可被限制酶1识别，C错误；

D、分析题图可知，Ⅱ3只有1条条带，说明Ⅱ3是显性纯合子，故II3号与正常男性婚配，后代必患该病，D正确。

故选D。

3.4  DNA指纹技术可用于进行身份鉴定，法医部门对在一次事故中死亡的某男子进行了DNA指纹分析。随后对4对该男子可能的父母做了DNA分析。与这名男子的DNA指纹相匹配的一对父母是

解析：

应用DNA指纹技术，首先需要用合适的酶将待检测的样品DNA切成片段，然后用电泳的方法将这些片段按大小分开，再经过一系列步骤，最后形成DNA指纹图。子代的DNA是亲代DNA复制一份传来的，故子代与亲代的DNA相同。分析图中的条带，对比题表中DNA指纹图，从条带的大小和位置可以判断，男子的条带一半与B组母亲相同，另一半与B组父亲相同，故与这名男子的DNA指纹相匹配的是B组父母，即B正确，ACD错误。

故选B。

参考文献

[1] 罗云波．食品生物技术导论 第3版：中国农业大学出版社，2016.08：第27页

[2] 江苏省镇江市镇江中学2020-2021年高三上半期期中教学质量检测，第20题

[3] 昆明市2022～2023学年高二期末质量检测,第9题

[4] 江苏省泰州市2020-2021学年高三上学期期末调研测试生物测试，第9题