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1、常见的生化及分子生物学技术大串烧常见的生化及分子生物学技术大串烧南京大学南京大学 杨荣武杨荣武电泳电泳是指带电的颗粒或生物分子在外加电场作用下，向带相反电荷的电极作定向移动的现象。显然，带电粒子或分子的大小、形状、所带的净电荷多少等都会影响它们的电泳速度。待分离样品中各种分子带电性质以及分子本身大小、形状等存在的差异，使得带电分子的“泳动”速度不同，因而可以利用电泳技术对生物分子进行分离、鉴定或纯化。电泳技术有多种方式，但一般根据有无支持物将其分为无支持物的自由电泳和有支持物的区带电泳两大类。区带电泳包括以滤纸作为支持物的纸电泳、以醋酸纤维素等薄膜为支持物的薄层电泳，以及与凝胶（例如琼脂糖和聚
2、丙烯酰胺凝胶）为支持物的凝胶电泳。等电聚焦凝胶电泳、SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳、二维电泳、脉冲场凝胶电泳。电泳法分离三种不同的氨基酸电泳法分离三种不同的氨基酸透析和超滤透析和超滤 J透析是利用蛋白质等生物大分子不能透过半透膜，但小分子物质和离子能够通过而进行纯化的一种方法。这种方法经常被用于去除大分子溶液中的小分子物质。J超滤 对透析原理进行了改进，它利用具有一定大小孔径的微孔滤膜，在常压、加压或减压条件下对生物大分子溶液进行过滤，使大分子保留在超滤膜上面的溶液中，小分子物质及水过滤出去，从而达到脱盐、浓缩或更换缓冲液的目的。透析方法示意图透析方法示意图超滤方法示意图超滤方法示意图 沉淀与离心
3、沉淀与离心J沉淀是根据不同蛋白质在特定条件下溶解性不同而对它们进行选择性沉淀从而达到分离目的的一种粗纯化方法。它通常用于将目的蛋白从大体积的粗抽取物中沉淀出来。这种方法既能除去许多杂质，又有浓缩之效。J实现选择性沉淀的方法有改变pH 或改变离子强度或者加入特殊的化合物。无论是哪一种沉淀方法，产生的沉淀物都需要借助于离心的手段与上清分开。J离心方法是根据分子的特征密度来分离大分子。如果一种颗粒的密度大于其介质溶液的密度，那么这种颗粒有可能通过溶液发生沉降。颗粒沉降的速度与颗粒与介质溶液之间的密度之差成正比。任何一种颗粒在离心力作用下通过溶液发生沉降。J差速离心和密度梯度离心层析层析层析法又被称为
4、色谱。所有的层析系统都由两相组成：一个是固定相，它可以是固体物质，也可以是固定在固体物质上的成分；另一个是由可以流动的物质组成的流动相，如水和各种溶剂。当待分离样品随着流动相通过固定相时，各组份在理化性质上的差别使得各自与两相发生相互作用（如吸附、溶解或结合等）的能力不同，最终导致它们在两相中的分配不同，而且随着流动相向前移动，各组份会不断地在两相中进行再分配。与固定相相互作用力越弱的组份，随流动相移动时受到的阻力就越小，向前移动的速度越快；反之，与固定相相互作用越强的组份，向前移动速度越慢。经过分部收集流出液，可得到样品中所含的各单一组份，从而达到分离各组份的目的。表表1 1 主要的层析方法
5、及其原理主要的层析方法及其原理名称分离原理吸附层析各组份在作为固定相的固体吸附剂表面的吸附能力不同分配层析各组份在流动相和静止液相（固定相）中的分配系数不同离子交换层析固定相是离子交换树脂，各组份因所带电荷状况不同与离子交换树脂的亲和力不同凝胶层析固定相为多孔凝胶，各组份的分子大小不同，因而在通过凝胶时受阻滞的程度不同疏水层析固定相为带有强疏水基团的树脂，各组分的疏水性不同，导致其与树脂的结合能力不同亲和层析固定相只能与一种待分离组份专一结合，以此达到和无亲和力的其它组份分离的目的离子交换树脂分离氨基酸离子交换树脂分离氨基酸分子筛示意图分子筛示意图亲和层析示意图亲和层析示意图蛋白质研究方法蛋白
6、质研究方法假定你发现一种新的蛋白质：蛋白质假定你发现一种新的蛋白质：蛋白质X X1.如何得到这种蛋白质?蛋白质的分离、纯化技术2.这种蛋白质的大小？（SDS-PAGE）3.它的pI是多少？（等电聚焦）4.其他细胞或其他生物体内是否存在？（Western印迹）5.其一级结构如何？（序列分析）6.其三维结构又如何？X-射线衍射和核磁共振蛋白质纯化蛋白质纯化一、准备工作：要解决三个问题：（1）纯化蛋白质的目的；（2）目标蛋白的测活方法；（3）纯化蛋白质的原料。二、纯化步骤：（1）破碎细胞或组织（混合和匀浆）；（2）去除残渣（离心）；（3）沉淀/浓缩（硫酸铵或聚乙二醇）；（4）纯化（层析）；（5）鉴定
7、蛋白质和酶纯化的常见方法和方案设计分离纯化蛋白质的各种方法都是利用蛋白质的理化性质，例如溶解性、质量和形状、表面电荷、表面疏水性、与特定配体结合的性质等。常用的方法有：沉淀（溶解性）；离子交换（电荷）；聚焦层析（电荷）；凝胶过滤（大小和形状）；疏水作用层析（疏水性）；亲和层析（与特定配体的特异性结合）。蛋白质纯化的准备工作。在进行蛋白质纯化之前首先要解决三个问题：（1）纯化蛋白质的目的；（2）目标蛋白的测活方法；（3）纯化蛋白质的原料。一个典型的蛋白质纯化方案开始于完整的组织，一般经过四个阶段：（1）破碎细胞或组织（混合和匀浆）；（2）去除残渣（离心）；（3）沉淀/浓缩（硫酸铵或聚乙二醇）；（
8、4）纯化（层析）；（4）鉴定，包括纯度、大小或pI的测定。蛋白质纯度的鉴定（1）电泳法：如聚丙烯酰胺凝胶电泳、等电聚焦和毛细管电泳等，纯净的蛋白质电泳的结果应该是一条带。如果使用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳，则应该特别小心，因为SDS能够破坏蛋白质的四级结构，如果一种蛋白质由不同的亚基组成，则会出现几条带。此外，电泳法检测蛋白质的纯度时，应取分布在蛋白质等电点两侧的两个不同的pH 值分别进行检测，这样得出的结论才更可靠；（2）化学法：N-端测定，C-端测定。纯品蛋白质应该具有恒定的N-端或C-端组成。如果一种蛋白质只有一条链组成，则只会检测到一种N-端或C-端氨基酸；（3）仪器法：HPLC或质谱
9、。如果一种蛋白质样品在HPLC上只表现单一的峰，则可视为其为纯品；如果纯化的是一种已知蛋白，经质谱分析测定出来的相对分子量与实际的值一致，那么也可认为它是纯品。等电聚焦需要在凝胶中加入两性电解质，以在阳极和阴极之间建立递增的pH梯度，处在其中的蛋白质分子在电场的作用下迁移，最后各自移动到并聚焦于与其pI相当的pH位置上。于是通过等电聚焦，不仅可以实现pI不同的蛋白质之间的分离，而且还可以测定出各种蛋白质的pI蛋白质的双向电泳蛋白质的双向电泳蛋白质一级结构的测定蛋白质一级结构的测定直接测定法间接测定法：先得到某一种蛋白质基因的核苷酸序列，然后根据通用的遗传密码表间接推导出由其决定的氨基酸序列。表
10、表2 各种印迹技术各种印迹技术印迹类型 转移到膜上的分子探针获得的信息Southern DNA片段 放射性标记的互补RNA或DNA 基因结构等 Northern RNA放射性标记的互补RNA或DNA特定RNA的大小、分布和含量Western 蛋白质 一级抗体和与酶偶联的二级抗体 特定蛋白质的大小、分布和含量WesternWestern印迹印迹基因芯片基因芯片4基因芯片是随着“人类基因组计划”和其它模式生物基因组计划的进展而发展起来一门新技术，也叫DNA芯片、DNA微阵列或寡核苷酸阵列，它采用原位合成或显微打印手段，将数以万计的DNA探针固定在支持物表面上，产生二维DNA探针阵列，然后，与标记的
11、样品分子进行杂交，通过检测杂交信号的强弱，对生物样品进行快速、并行和高效地检测或医学诊断，由于常用硅芯片作为固相支持物，且在制备过程运用了计算机芯片的制备技术，所以称之为基因芯片技术。基因芯片以其无可比拟的信息量、高通量、快速和准确地分析基因的本领，在基因组功能研究、临床诊断及新药开发等方面显示出巨大的威力，已成为人类研究和维护生命的一大利器，因此，被誉为是基因功能研究领域最伟大的发明之一。4一般说来应用基因芯片分5步进行：（1）生物学问题的提出和芯片设计与制备；（2）样品制备；（3）生物杂交反应；（4）结果探测；（5）数据处理和建模。使用基因芯片对正常细胞使用基因芯片对正常细胞和癌细胞进行基
12、因表达分析比较和癌细胞进行基因表达分析比较RNA干扰（干扰（RNAi）4RNA干扰是由双链引发的转录后基因沉默机制4miRNA是指微RNA，其长度通常为21nt25 nt，由内源基因编码，前体含有不完善的发夹结构，能够识别多个目标，通常与目标mRNA的3-UTR结合，从而阻止它们的翻译，但并不导致目标mRNA的水解。4siRNA是指短干扰RNA，长度也在21nt25 nt之间，但多数来自外源的双链RNA，作用方式通常为高度特异性的，与目标mRNA结合后，导致它们的降解。4RNAi的作用机制4RNAi的生物学意义目前普遍认为，它在植物和昆虫体内相当于一种免疫系统，起着保卫基因组的作用，它能够防止
13、外来的有害基因或病毒基因整合到植物基因组中，此外，它还参与基因表达的调控。4RNA干扰技术的应用miRNA的产生和作用机制的产生和作用机制siRNAsiRNA的产生和作用机制的产生和作用机制哺乳动物成熟的红细胞内还有哪些代谢途径？4哺乳动物成熟的红细胞已经丧失了各种细胞器，因此，那些发生在特定细胞器内的或部分反应发生在特定细胞器内的代谢途径也就不复存在。例如，发生在线粒体内的TCA循环、氧化磷酸化和脂肪酸氧化，发生在细胞核内的DNA复制、DNA转录及其后加工，部分反应发生在内质网的糖异生、发生在内质网上的磷脂合成。被保留的代谢途径主要是对红细胞的功能所必需的两条代谢途径：一条是糖酵解，另外一条
14、是PPP。糖酵解是它获取ATP的唯一手段，通过乳酸发酵维持NAD+的再生，而产生的乳酸通过乳酸循环在肝细胞内重新转变成葡萄糖。PPP是维持其细胞膜的完整性和血红蛋白的血红素铁处于二价态所必需的。如何计算ATP的得失？4细胞内许多代谢途径伴随着ATP的消耗或合成。计算一种物质在特殊的条件下的合成或分解能产生或消耗多少ATP已成为许多考试的焦点（例如1分子葡萄糖在破伤风杆菌氧化最多能产生多少ATP或1分子葡萄糖在含有大量的砷酸的红细胞内产生多少ATP？）。遇到这样的问题，实际上只要全面考虑就行了，需要考虑以下几点：（1）有没有或有多少消耗ATP或其他能量货币的反应？注意其他能量货币与ATP是等价的
15、，另外还要注意ATP是怎样被消耗的，即ATP变成ADP，还是变成AMP？如果是后者，要当成消耗2个ATP才行；（2）有多少产生ATP或其他能量货币的反应？注意ATP合成有底物水平的磷酸化和氧化磷酸化。在考虑氧化磷酸化的时候，要记住线粒体内的1分子NADH或FADH2进入呼吸链分别产生2.5个和1.5个ATP。至于细胞液内产生的NADH如何进入呼吸链取决于它通过何种穿梭系统进入？如果是甘油-3-磷酸脱氢酶穿梭系统，是产生1.5个ATP，否则是产生2.5个ATP；（3）反应系统之中有无干扰ATP产生的化学试剂，例如有无解偶联剂（砷酸或DNP）或呼吸链的抑制剂；（4）反应系统有氧还是无氧？如果有氧要
16、考虑氧化磷酸化，无氧只要考虑底物水平的磷酸化。4对于1分子葡萄糖在破伤风杆菌氧化最多能产生多少ATP的问题，首先需要想到破伤风杆菌是一种厌氧菌，它只能通过糖酵解产生ATP，因此产生的ATP数目是2个。至于1分子葡萄糖在含有大量的砷酸的红细胞内产生多少ATP的问题要考虑到红细胞没有线粒体，故只能通过糖酵解产生ATP，其次要考虑到砷酸在糖酵解那一步由甘油醛-3-磷酸脱氢酶催化的反应中代替无机磷酸以后，形成的甘油酸-1-砷酸-3-磷酸很容易自发水解，而导致后面的底物水平磷酸化不能进行，因此最后产生的ATP数目是为0。实例实例生物大分子生物合成的极性4DNA、RNA、蛋白质、多糖和脂肪酸的生物合成都有
17、一定的方向性，这就是所谓的极性问题。为方便记忆，可以放在一起比较。DNA和RNA合成的方向都是从53，而蛋白质生物合成的方向总是从N端C端，阅读mRNA模板的方向也总是从53，多糖的合成以糖原为例，总是从还原端向非还原端，而脂肪酸的合成从甲基端向羧基端。在书写DNA、RNA和蛋白质的一级结构的时候，正好按照它们生物合成的方向来写。然而，人工合成核酸和蛋白质的方向正好与生物合成的方向相反，这一点需要注意。DNA复制、转录和翻译的校对机制4校对的目的是维持各自的忠实性。DNA复制是通过DNA聚合酶内在的3-外切酶活性来校对；RNA聚合酶本身无任何外切酶活性，但通过特殊的蛋白质也可以进行校对；氨酰-
18、tRNA合成酶具有校对中心，将误载的氨基酸切除。如何理解“信号学说”？4“信号学说”是用来解释细胞内的蛋白质如何各得其所、各就各位的。其基本内容是：各种蛋白质在细胞中的最终定位由多肽链本身所具有的特定氨基酸序列决定。这些特殊的氨基酸序列起着一种信号向导的作用，因此被称为信号序列。在某种意义上，一个蛋白质分子上的信号序列相当于它特有的“分子邮政编码”。如果一个蛋白质缺乏任何一种信号序列，则会留在其“默认”的位置细胞液，如参与糖酵解和磷酸戊糖途径的酶。4注意有两类指导蛋白质分捡的信号，需要将它们区分开来：一类称为信号肽，其本质是一段在一级结构上连续的氨基酸序列，通常有1560个氨基酸残基，它们有的在N端，有的在C端，有的在多肽链的内部。还有的蛋白质不止一种信号序列。这类信号肽序列通常在蛋白质分拣完成以后被信号肽酶切除。引导蛋白质从细胞液进入内质网、高尔基体、胞外、细胞核、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的分拣信号属于信号肽序列；另一类为信号斑。存在于已折叠的蛋白质中，是蛋白质在完成折叠以后，在其表面形成的由来自不同区域的氨基酸序列组合在一起的三维分拣信号。例如，引导蛋白质定向运输到溶酶体的就是信号斑，它是溶酶体酸性水解酶被高尔基体选择性糖基化的标识。组与组学4基因组与基因组学4蛋白质组与蛋白质组学4转录组与转录组学4代谢组与代谢组学