第一讲核酸化学实验技术导学课件

l第一讲第一讲 核酸化学实验技术核酸化学实验技术l第二讲第二讲 蛋白质化学实验技术蛋白质化学实验技术l第三讲第三讲 酶学实验技术酶学实验技术l第四讲第四讲 糖类化学实验技术糖类化学实验技术l第五讲第五讲 脂类化学实验技术脂类化学实验技术l第六讲第六讲 维生素和辅酶化学实验技术维生素和辅酶化学实验技术实验授课内容实验授课内容课堂理论：课前辅导生化大分子基本性质、提取、分离纯化、含量检测等相关生化物质的分离分析技术。项目任务：设计案例，引导学生去解决案例问题的方式向学生布置项目任务、实验设计和实施要求。实验设计：学生分组查阅资料设计实验方案网上递交教师修改及审核大组讨论评价实验操作：各小组（2人）为单位进行实验试剂、器材的准备，按实验设计完成实验内容操作。实验论文：根据任务要求，每位学生独立完成课程论文。课堂讨论：大组为单位进行全班ppt形式交流汇报实验实施流程实验实施流程课程内容课程内容学时综合训练内容综合训练内容理论辅导与实验设计评价2实验设计要求，实验设计要求，DNA提取与鉴定提取与鉴定技术，案例引导，项目任务发布；技术，案例引导，项目任务发布；学生设计方案评价交流学生设计方案评价交流实验1 基因组DNA的提取与PCR鉴定16基因组基因组DNA提取提取DNA含量和纯度测定含量和纯度测定DNA琼脂糖凝胶电泳检测琼脂糖凝胶电泳检测PCR及产物检测及产物检测 课堂研讨2实验过程总结，实验成果、创新实验过程总结，实验成果、创新技术分享，教师点评和总结技术分享，教师点评和总结 第一讲第一讲 核酸化学实验技术核酸化学实验技术案例案例1l目前，人们的生活中充斥了越来越多的转基因产品，目前，人们的生活中充斥了越来越多的转基因产品，如转基因大豆、转基因棉花、转基因玉米、马铃薯、如转基因大豆、转基因棉花、转基因玉米、马铃薯、水稻等等。水稻等等。l转基因作为一种新兴的生物技术手段，它的不成熟和转基因作为一种新兴的生物技术手段，它的不成熟和不确定性，使得不确定性，使得转基因食品的安全性成为人们关注的转基因食品的安全性成为人们关注的焦点焦点。问题：如何检测转基因食品？问题：如何检测转基因食品？第一节第一节 实验项目发布与设计方案评价实验项目发布与设计方案评价什么是转基因食品？什么是转基因食品？l转基因食品：以转基因食品：以转基因生物转基因生物为直接食品或为原料加工为直接食品或为原料加工生产的食品。生产的食品。l转基因食品利用现代分子生物技术，将某些生物的转基因食品利用现代分子生物技术，将某些生物的基基因转移到其他物种因转移到其他物种中去，改造生物的遗传物质，使其中去，改造生物的遗传物质，使其在形状、营养品质、消费品质等方面向人们所需要的在形状、营养品质、消费品质等方面向人们所需要的目标转变。目标转变。转基因育种的程序？转基因育种的程序？标记基因标记基因 启动子启动子 外源目的基因外源目的基因 终止序列终止序列载体的构建载体的构建转基因食品的核酸检测技术转基因食品的核酸检测技术l检测对象检测对象：转基因的启动子、终止子、抗性筛选基：转基因的启动子、终止子、抗性筛选基因、目的基因等外源基因因、目的基因等外源基因l检测方法检测方法：普通定性：普通定性PCR、实时荧光定量、实时荧光定量PCR、基、基因芯片因芯片l其中以普通定性其中以普通定性PCR、实时荧光定量、实时荧光定量PCR最常用。最常用。核酸定性核酸定性PCR法检测转基因食品法检测转基因食品l样品基因组样品基因组DNA的提取的提取lDNA提取质量检测提取质量检测l特有序列的特有序列的PCRl琼脂糖凝胶电泳检测琼脂糖凝胶电泳检测PCR产物产物l进一步验证：测序、进一步验证：测序、PCR产物酶切鉴定、实时荧产物酶切鉴定、实时荧光定量光定量PCR方法等方法等一般步骤一般步骤核酸定性核酸定性PCR法检测转基因食品法检测转基因食品案例案例2l某实验人员从土壤中分离筛选出一株产植酸酶的菌株，某实验人员从土壤中分离筛选出一株产植酸酶的菌株，经形态学和生理生化特性初步鉴定为真菌。经形态学和生理生化特性初步鉴定为真菌。l真菌种类繁多，地球上大约存在真菌种类繁多，地球上大约存在150150万种真菌，已经被万种真菌，已经被发现和运用的大约有发现和运用的大约有6900069000种。种。生物遗传物质携带了物种的特异信息，在属种间具有生物遗传物质携带了物种的特异信息，在属种间具有高度的保守性。因此，可应用分子生物学鉴定手段对真菌高度的保守性。因此，可应用分子生物学鉴定手段对真菌进行种类鉴定和系统分类。进行种类鉴定和系统分类。问题：如何准确鉴定其种属问题：如何准确鉴定其种属？图图1 1 真菌真菌rDNArDNA转录区和相关引物转录区和相关引物l真核生物基因组中编码核糖体的基因包括真核生物基因组中编码核糖体的基因包括28S、5S、18S和和5.8S rDNA 4种，在染色体上头尾相连，串联排列，种，在染色体上头尾相连，串联排列，相互间由间隔区分隔。相互间由间隔区分隔。l18S、5.8S和和28S rDNA基因组成一个转录单元（图基因组成一个转录单元（图1），），三者高度保守，适合较高等级水平生物群体间的系统分三者高度保守，适合较高等级水平生物群体间的系统分析。析。l其间的间隔区为内转录间隔区（其间的间隔区为内转录间隔区（Internal Transcribed Spacer，ITS），包括），包括ITS1和和ITS2，进化相对迅速，具，进化相对迅速，具有多态性，适合较低等级水平的系统学研究。有多态性，适合较低等级水平的系统学研究。18S rDNA5.8S rDNA28S rDNA53ITS1ITS2ITS1 primerITS2 primerITS3 primerITS4 primerl设计特定引物对该真菌菌株中的基因组中的设计特定引物对该真菌菌株中的基因组中的rDNA转转录区的特定核苷酸片段进行录区的特定核苷酸片段进行PCR扩增，通过对所获扩增，通过对所获得的得的PCR产物进行测序分析，与已知真菌序列比对产物进行测序分析，与已知真菌序列比对即可确定该菌株在系统分类学上的位置。即可确定该菌株在系统分类学上的位置。基于基于rDNA-ITS序列在真菌分子鉴定中的应用，你如何序列在真菌分子鉴定中的应用，你如何获得高质量的基因组获得高质量的基因组DNA并鉴定菌株的目的基因序列？并鉴定菌株的目的基因序列？PrimerSequence（5-3）Length(bp)ITS1TCCGTAGGTGAACCTGCGG19ITS2GCTGCGTTCTTCATCGATGC20ITS3GCATCGATGAAGAACGCAGC20ITS4TCCTCCGCTTATTGATATGC20表表1 真菌真菌rDNA-ITS通用扩增引物通用扩增引物18S rDNA5.8S rDNA28S rDNA53ITS1ITS2ITS1 primerITS2 primerITS3 primerITS4 primer图图1 1 真菌真菌rDNArDNA转录区和相关引物转录区和相关引物真菌真菌rDNA-ITS通用引物通用引物实验设计要求：实验设计要求：根据案例提交一个具体解决基因组提取及分离鉴定的实根据案例提交一个具体解决基因组提取及分离鉴定的实验设计方案，包括从提供的不同材料中提取、分离得到基验设计方案，包括从提供的不同材料中提取、分离得到基因组因组DNA，测定所得，测定所得DNA的含量、纯度及分子大小，并利的含量、纯度及分子大小，并利用已知引物进行用已知引物进行PCR扩增，分析扩增，分析PCR检测的结果。检测的结果。实验题目：实验题目：基因组基因组DNA的提取与的提取与PCR鉴定鉴定实验项目与任务布置实验项目与任务布置分组题目分组题目l项目项目1：定性：定性PCR法检测转基因食品法检测转基因食品l项目项目2：rDNA-ITS扩增法鉴定真菌种类扩增法鉴定真菌种类全班分成4大组，各选一个题目。每个大组3个小组，2名同学一个小组。以大组为单位进行实验准备和讨论。以小组为单位进行实验设计和操作。实验目标实验目标l学习从各种材料（动物、植物组织、微生物）中提取和学习从各种材料（动物、植物组织、微生物）中提取和纯化纯化DNADNA的原理和操作技术。的原理和操作技术。l学习水平式琼脂糖凝胶电泳及紫外检测，确定学习水平式琼脂糖凝胶电泳及紫外检测，确定DNADNA的纯的纯度、含量与分子大小。度、含量与分子大小。l学习学习PCRPCR的基本原理和操作方法。的基本原理和操作方法。l掌握高速冷冻离心机、微量移液枪、水平电泳仪、掌握高速冷冻离心机、微量移液枪、水平电泳仪、PCRPCR仪等仪器设备的使用。仪等仪器设备的使用。实验设计需包含的主要技术内容实验设计需包含的主要技术内容l基因组基因组DNA提取提取：可选用浓盐法、阴离子去污剂法、：可选用浓盐法、阴离子去污剂法、苯酚抽提法、水抽提法、试剂盒法等苯酚抽提法、水抽提法、试剂盒法等lDNA含量测定含量测定：可选用二苯胺法、紫外分光光度法等：可选用二苯胺法、紫外分光光度法等lDNA纯度测定纯度测定：紫外分光光度法：紫外分光光度法lDNA分子大小测定分子大小测定：琼脂糖凝胶电泳：琼脂糖凝胶电泳lPCR技术技术实验结果要求实验结果要求l各标准曲线l基因组DNA产品得率（mg/100g)l基因组DNA产品纯度l基因组DNA琼脂糖凝胶电泳图lPCR产物琼脂糖凝胶电泳图lPCR产物分子大小（bp）l检测结论l基因组基因组DNA提取提取 4学时学时lDNA的含量与纯度测定的含量与纯度测定 4学时学时lDNA的琼脂糖凝胶电泳的琼脂糖凝胶电泳 4学时学时lPCR及产物检测及产物检测 4学时学时实验时间安排实验时间安排课后研讨题课后研讨题l1.DNA提取的方法主要有哪些？并说明各方法的原理。提取的方法主要有哪些？并说明各方法的原理。l2.结合本人实验操作的体会，试述在提取过程中应如何结合本人实验操作的体会，试述在提取过程中应如何避免大分子避免大分子DNA的降解和断裂？的降解和断裂？l3.查阅资料，说明提取的基因组查阅资料，说明提取的基因组DNA有哪些方面的用途有哪些方面的用途？l4.查阅资料，举例说明查阅资料，举例说明DNA琼脂糖凝胶电泳的应用和发琼脂糖凝胶电泳的应用和发展。展。l5.琼脂糖凝胶电泳所用琼脂糖凝胶电泳所用DNA染料染料EB具有潜在的致癌性，具有潜在的致癌性，查阅资料，查找可替代查阅资料，查找可替代EB的染料并说明优缺点的染料并说明优缺点。课后研讨题课后研讨题l6.结合本次实验，说明结合本次实验，说明PCR技术的主要用途和发展。技术的主要用途和发展。l7.通过本次实验，谈谈你对转基因食品安全性的认识。通过本次实验，谈谈你对转基因食品安全性的认识。l8.查阅资料，说明转基因食品检测的常规方法。查阅资料，说明转基因食品检测的常规方法。l9.查阅资料，综述常用的物种分子鉴定技术。查阅资料，综述常用的物种分子鉴定技术。l10.案例分析：在美国海豹突击队击毙本拉登几个小时后，案例分析：在美国海豹突击队击毙本拉登几个小时后，美国总统奥巴马向全世界宣布拉登已被成功击毙，死者美国总统奥巴马向全世界宣布拉登已被成功击毙，死者确定为本拉登的可能性是确定为本拉登的可能性是99.9%。查阅资料，根据所学。查阅资料，根据所学核酸分子鉴定技术，分析如何对其进行法医鉴定。核酸分子鉴定技术，分析如何对其进行法医鉴定。相关事项相关事项l实验习惯 药品配制与保存l实验记录l实验交流l实验论文材料名称材料名称份份 数数分值分值实验设计方案实验设计方案115%实验记录实验记录110%实验论文实验论文250%课后研讨题课后研讨题210%汇报汇报ppt115%小组上交材料论文格式模板论文格式模板研讨课要求研讨课要求l以大组为单位课后总结结果，讨论，制作一份以大组为单位课后总结结果，讨论，制作一份ppt，课内讨论汇报。，课内讨论汇报。lppt内容包括：实验背景和目的，实验主要原内容包括：实验背景和目的，实验主要原理，实验条件的选择，各小组实验结果和分析，理，实验条件的选择，各小组实验结果和分析，课后研讨题，实验体会等。课后研讨题，实验体会等。l基因组是指细胞内遗传信息的携带者DNA的总体。l为了研究DNA分子在生命代谢中的作用，常常需要从不同的生物材料中提取DNA。由于DNA分子在生物体内的分布及含量不同，要选择适当的材料提取DNA。l 从各种材料中提取DNA方法不同，分离提取的难易程度也不同。真核生物的DNA主要存在于细胞核中，与蛋白质结合构成染色体，原核生物的DNA不与任何蛋白质结合。理论介绍理论介绍一、内容提要一、内容提要l保持基因组保持基因组DNA结构相对完整结构相对完整：防止各种因素引：防止各种因素引起的降解。起的降解。l纯度高纯度高：尽量排除其他大分子成分的污染（蛋白：尽量排除其他大分子成分的污染（蛋白质、多糖和质、多糖和RNA等）。等）。l得率好得率好：选用合适的方法获得足够量的：选用合适的方法获得足够量的DNA。二、分离纯化核酸的总原则二、分离纯化核酸的总原则三、基因组三、基因组DNADNA提取的原理和方法提取的原理和方法裂解细胞，释放裂解细胞，释放DNADNA核酸分离纯化核酸分离纯化沉淀并吸附核酸沉淀并吸附核酸核酸溶解（缓冲液）核酸溶解（缓冲液）准备适宜的材料准备适宜的材料去除蛋白质、去除蛋白质、RNA等杂质等杂质细胞破碎细胞破碎l细菌溶菌酶（降解细胞壁），EDTA（抑制DNA酶，防止DNA降解），去垢剂SDS（破坏细胞膜）l酵母破壁酶或液氮研磨l植物材料液氮研磨（使细胞冻结，用研钵碾制成粉状）l动物组织匀浆或液氮研磨 化学法、机械法、生物法DNA与蛋白质的分离lSDS：真核生物的DNA与组蛋白结合形成DNP，SDS能够破坏DNA与蛋白质之间的静电引力或配位键，可使DNA与蛋白质解聚，释放出DNA。lCTAB：是一种阳离子去污剂，可溶解细胞膜，能与核酸形成复合物，在高盐溶液（NaCl0.7M）中是可溶的，当NaCl降低到0.3M 时，可沉淀CTAB-核酸复合物。l苯酚-氯仿-异戊醇：苯酚、氯仿能变性蛋白质，离心分层，DNA溶于上层水相，变性蛋白质位于水相和有机相之间。异戊醇可减少抽提过程的泡沫产生。1.DNP中DNA与蛋白质的分离2.蛋白质的去除核酸分离纯化核酸分离纯化RNA的去除l用不含DNA酶的RNase处理，使RNA降解。l添加RNase处理后，可再用等量的苯酚/氯仿抽提，离心除去蛋白质及寡核苷酸。核酸分离纯化核酸分离纯化l含DNA的水相可用1倍体积的异丙醇或2倍体积的无水乙醇沉淀。l基因组的大分子DNA沉淀形成纤维状絮团漂浮其中，可用吸头将其挑出，而小分子DNA则只形成颗粒状沉淀附在壁上及底部。l如果DNA沉淀量少或无法捞出，可离心获取沉淀。l沉淀DNA前，为提高沉淀效果，可加入NaAC、乙酸铵等盐类促进沉淀。l获取的沉淀需再用70%乙醇洗涤除去残留的有机物、无机盐等。沉淀并吸附核酸沉淀并吸附核酸基因组基因组DNADNA提取注意事项提取注意事项l使用新鲜、幼嫩的材料；材料应适量，过少造成核酸提取量少，过多影响裂解，导致DNA量少。（推荐0.2-5g）。l简化操作步骤，缩短提取过程，避免物理、化学和生物的因素对核酸的降解，如机械剪切力、高温和DNase等酶，防止过酸、过碱，避免剧烈振荡和混合。l采用酚-氯仿抽提时应采用上下颠倒的方法充分混匀，但动作要轻柔，离心分离两相时，应保证一定的转速和时间。l沉淀DNA用的异戊醇、乙醇事先放入-20冰箱，待用时取出。特别注意特别注意l液氮研磨时为防止冻伤，需戴棉线手套操作，研磨越细越好。l苯酚腐蚀性极强，并可引起严重灼伤，操作时应戴手套。l一定要搞清提取原理，知道每一步操作DNA所在的位置，防止出错。四、基因组四、基因组DNA的检测的检测1、二苯胺显色法测定DNA浓度 二苯胺法定量测定DNA的原理为：在强酸、加热条件下，可以使DNA中的嘌呤碱基与脱氧核糖间的糖苷键断裂，产生嘌呤碱基、脱氧核糖与嘧啶核苷酸。其中，2-脱氧核糖在酸性环境中成为w-羟基-r-酮基戊醛，此物与二苯胺反应生成蓝色化合物，在595nm处有最大吸收。DNA在40-400ug范围内光吸收值与DNA含量成正比。详见教材：实验二十二 二苯胺显色法测定DNA浓度2、紫外分光光度法测定DNA含量 核酸、核苷酸及其衍生物都具有共轭双键，具有紫外吸收。DNA的紫外吸收峰为260nm。一般在260nm波长下，在pH7.0时每毫升含1g DNA溶液的光吸收值约为0.020。故测定待测DNA溶液260nm的光吸收值即可计算出其中核酸的含量。此法操作简便，迅速。详见实验课件：核酸定量测定3、紫外分光光度法测定DNA纯度 当DNA样品中含有蛋白质、酚或其他小分子污染物时，会影响DNA吸光度的准确测定。DNA纯度的判断根据OD260/OD280值判断，符合要求、纯度高的纯化DNA其比值为1.8。如果样品中污染有蛋白质或酚，其OD260/OD280将明显低于此值。此时无法对样品中的核酸进行精确定量。4、琼脂糖凝胶电泳法测定DNA分子大小 电泳电泳是荷电溶质或粒子在电场作用下发生定向泳动的现象。核酸的分离和鉴定通常采用琼脂糖凝胶电泳琼脂糖凝胶电泳。不同大小大小、不同形状形状和不同构象构象的DNA 分子在相同的电泳条件下（如凝胶浓度、电流、电压、缓冲液等），有不同的迁移率，所以可通过电泳使其分离。琼脂糖凝胶电泳分离后的DNA可用溴化乙啶溴化乙啶（EB）染色。详见实验课件：DNA的琼脂糖凝胶电泳五、五、PCR检测技术检测技术l聚合酶链式反应聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction,PCR），是一种选择性的体外扩增），是一种选择性的体外扩增DNA或或RNA的分的分子生物学技术。子生物学技术。lPCR技术的基本原理类似于技术的基本原理类似于DNA的天然复制过程，的天然复制过程，其特异性依赖于与靶序列两端互补的寡核苷酸引物。其特异性依赖于与靶序列两端互补的寡核苷酸引物。PCR由变性、退火、延伸三个基本反应步骤构成：由变性、退火、延伸三个基本反应步骤构成：l模板模板DNADNA的变性的变性：模板：模板DNADNA经加热至经加热至9494左右一定时间后，左右一定时间后，使模板使模板DNADNA双链或经双链或经PCRPCR扩增形成的双链扩增形成的双链DNADNA解离，成为解离，成为单链，以便它与引物结合，为下轮反应作准备；单链，以便它与引物结合，为下轮反应作准备；l模板模板DNADNA与引物的退火与引物的退火：模板：模板DNADNA经加热变性成单链后，经加热变性成单链后，温度降至温度降至5050左右，引物与模板左右，引物与模板DNADNA单链的互补序列配单链的互补序列配对结合；对结合；l引物的延伸引物的延伸：DNADNA模板引物结合物在模板引物结合物在TaqDNATaqDNA聚合酶的聚合酶的作用下，以作用下，以dNTPdNTP为反应原料，靶序列为模板，按碱基互为反应原料，靶序列为模板，按碱基互补配对与半保留复制原理，合成一条新的与模板补配对与半保留复制原理，合成一条新的与模板DNADNA链链互补的半保留复制链。互补的半保留复制链。PCR反应示意图反应示意图l重复循环：变性退火延伸这三个过程就可获得重复循环：变性退火延伸这三个过程就可获得更多的更多的“半保留复制链半保留复制链”，而且这种新链又可成为下，而且这种新链又可成为下次循环的模板。次循环的模板。l每完成一个循环需每完成一个循环需24分钟，分钟，23小时就能将待扩小时就能将待扩增目的基因扩增放大几百万倍。增目的基因扩增放大几百万倍。PCR动画演示动画演示谢谢！