琼脂糖：一种多功能的生物实验材料

琼脂糖

琼脂糖，这一源自自然界的有机化合物，以其独特的物理化学性质和广泛的应用领域，在生物化学、分子生物学以及食品工业中扮演着举足轻重的角色。本文将详细介绍琼脂糖的基本信息、计算化学数据、凝胶性能、用途，特别是在电泳技术中的应用，以期为读者提供一个全面而深入的了解。

一、基本信息

琼脂糖（Agarose），缩写为AG，是琼脂中不带电荷的中性组成成分，也译为琼胶素或琼胶糖。其化学式为C24H38O19，分子量为630.5471，CAS登录号为9012-36-6，EINECS登录号为232-731-8。琼脂糖是一种白色或黄色珠状凝胶颗粒或粉末，其基本结构是由1,3连结的β-D-半乳糖和1,4连结的3,6-内醚-L-半乳糖交替连接起来的长链构成。这种线性的多聚物结构赋予了琼脂糖独特的凝胶性能。

琼脂糖主要来源于红藻的多糖，其中约70%为琼脂糖，30%为支链琼脂糖。支链琼脂糖则从β-1，3键分出另一链。用热水从海藻抽提的物质约含40%琼脂，市售的琼脂（俗称洋菜）常呈片状或疏松绳索状，通常作为食用胶质、药物包装剂或细菌培养基使用。而纯制的琼脂糖则在生物化学实验室中发挥着重要作用，作为电泳、层析等技术中的半固体支持物，用于生物大分子或小分子物质的分离和分析。

琼脂作为一种独特的食品，在我国已经有悠久的历史。它是从大型海洋藻类石花菜、紫菜、江篱等提取分离制成的，广泛应用于食品和生化等行业。我们常吃的果冻、冰淇淋、糕点、软糖、罐头、八宝粥中都含有琼脂。我国的山东、福建、广东、海南等地拥有优越的海洋资源和气候条件，适宜大型海洋藻类的生长，是生产琼脂的主要地区，产品远销世界各地。

琼脂是由琼脂糖和琼脂果胶组成的。琼脂果胶是由许多更小的分子组成的异质混合物，其结构与琼脂糖相似，但带有硫酸根和羧基组分，凝胶能力差。因此，在琼脂糖的制备过程中，需要尽量去除琼脂果胶，以提高琼脂糖的凝胶性能。

二、计算化学数据

琼脂糖的计算化学数据为其性质和应用提供了理论基础。以下是一些关键的计算化学数据：

疏水参数计算参考值（XlogP）：无
氢键供体数量：0
氢键受体数量：1
可旋转化学键数量：6
互变异构体数量：7
拓扑分子极性表面积：17.1
重原子数量：15
表面电荷：0
复杂度：178
同位素原子数量：0
确定原子立构中心数量：0
不确定原子立构中心数量：0
确定化学键立构中心数量：0
不确定化学键立构中心数量：0
共价键单元数量：1

这些数据为琼脂糖的化学性质、反应活性以及与其他分子的相互作用提供了重要的参考信息。

三、凝胶性能

琼脂糖的凝胶性能是其最为突出的特性之一。在水中，琼脂糖一般加热到90℃以上溶解，温度下降到35-40℃时形成良好的半固体状的凝胶。这种凝胶性能是琼脂糖具有多种用途的主要特征和基础。

琼脂糖凝胶性能通常用凝胶强度表示，强度越高，凝胶性能越好。质量较好的琼脂糖强度通常在1200克/cm²以上（1%胶浓度）。琼脂糖的凝胶性是由存在的氢键所致，凡是能破坏氢键的因素都能导致凝胶性的破坏。

琼脂糖具有亲水性，并几乎完全不存在带电基团，对敏感的生物大分子极少引起变性和吸附，是理想的惰性载体。在琼脂糖制备过程中，如果把琼脂果胶去除不彻底，琼脂糖中可能存在极微量硫酸根和丙酮酸取代电离基团，就会造成电内渗（EEO），电内渗对质点的移动产生影响。因此，质量较好的琼脂糖硫酸根含量比较低，通常在0.2%以下，电内渗比较小，通常在0.13以下。

四、用途

琼脂糖因其特殊的胶凝性质、稳固性、滞度和滞后性，以及易吸收水分的特性，在多个领域有着广泛的应用。

在食品工业中，琼脂糖可用于生产水晶软糖、定型软糖、水产品、肉类罐头、果汁饮料、果肉饮料、米酒饮料、乳品饮料、精品、乳品蛋糕等。其良好的凝胶性能和稳定性使得这些食品在加工和储存过程中能够保持良好的形态和口感。

在生物化学和分子生物学领域，琼脂糖因其良好的生物相容性和惰性载体特性，被广泛用于生物分离介质的生产。例如，在电泳技术中，琼脂糖作为电泳支持物，能够分离和分析蛋白质、核酸等生物大分子。

五、电泳技术

电泳技术是琼脂糖在生物化学和分子生物学中应用最为广泛的领域之一。以下将详细介绍琼脂糖在电泳技术中的特点、DNA电泳、转移电泳以及凝胶电泳等方面的应用。

特点

天然琼脂是一种多聚糖，主要由琼脂糖及琼脂胶组成。琼脂糖是由半乳糖及其衍生物构成的中性物质，不带电荷；而琼脂胶是一种含硫酸根和羧基的强酸性多糖，由于这些基团带有电荷，在电场作用下能产生较强的电渗现象，加之硫酸根可与某些蛋白质作用而影响电泳速度及分离效果。因此，多用琼脂糖为电泳支持物进行平板电泳。

琼脂糖凝胶电泳具有操作简单、电泳速度快、样品不需事先处理即可进行电泳等优点。同时，琼脂糖凝胶结构均匀、含水量大（约占98%-99%）、近似自由电泳、样品扩散较自由电流、对样品吸附极微，因此电泳图谱清晰、分辨率高、重复性好。此外，琼脂糖透明无紫外吸收，电泳过程和结果可直接用紫外光灯检测及定量测定；电泳后区带易染色、样品极易洗脱，便于定量测定；制成干膜可长期保存。

DNA电泳

琼脂糖凝胶电泳对核酸的分离作用主要是依据它们的相对分子质量及分子构型，同时与凝胶的浓度也有密切关系。

核酸分子大小与琼脂糖浓度的关系：不同大小的DNA需要用不同浓度的琼脂糖凝胶进行电泳分离。一般来说，DNA片段迁移距离（迁移率）与碱基对的对数成反比。但是，当DNA分子大小超过20kb时，普通琼脂糖凝胶就很难将它们分开。此时，电泳的迁移率不再依赖于分子大小。
核酸构型与琼脂糖凝胶电泳分离的关系：不同构型DNA的移动速度次序为供价闭环DNA（cccDNA）＞直线DNA＞开环的双链环状DNA。当琼脂糖浓度太高时，环状DNA（一般为球形）不能进入胶中，相对迁移率为0；而同等大小的直线双链DNA（刚性棒状）则可以长轴方向前进。

在进行DNA电泳时，还需要注意凝胶类型、缓冲液系统、凝胶的制备、样品配制与加样、电泳条件以及染色和拍照等方面的细节问题。例如，常用的电泳缓冲液有EDTA（pH8.0）和Tris-乙酸（TAE）、Tris-硼酸（TBE）或Tris-磷酸（TPE）等；电泳时通常在室温下进行，只有当凝胶浓度低于0.5%时，为增加凝胶硬度，可在4℃进行电泳。

转移电泳

在生物化学与分子生物学的研究工作中，经常需要对电泳分离后的DNA进行分子杂交。然而，琼脂糖并不适合于进行杂交操作。因此，Southern创造了将DNA区带原位转移到硝酸基纤维素膜（NC膜）上再进行杂交的方法，被称为Southern印迹法。随后，Alwine等将类似方法用于RNA印迹（Northern印迹）；Towbin等设计了将蛋白质从凝胶转移到硝酸纤维素膜的装置（Western印迹）；Reinhart等用电转移法将等电聚焦后的蛋白质区带从凝胶转移到特定膜上（Eastern印迹）。

进行印迹转移电泳时，要注意缓冲液的离子强度和pH值、凝胶与支持膜之间不能有气泡、电压或电流不可过高等问题。同时，聚丙烯酰胺凝胶也可用于印迹转移电泳，但转移蛋白质时凝胶中不可含有SDS、尿素等变性剂。

凝胶电泳

一般琼脂糖凝胶电泳只能分离小于20kb的DNA。为了分离更大分子的DNA，可以采用脉冲电场梯度凝胶电泳或交变脉冲电泳等技术。这些技术利用DNA分子在电场中的弹性弛豫时间和构象变化等特性，实现了大分子DNA的有效分离。

脉冲电场梯度凝胶电泳是由Schwartz等人设计的，它交替采用两个垂直方向的不均匀电场，使DNA分子在凝胶中不断改变方向，从而使DNA按分子大小分开。交变脉冲电泳则是由Carle等改进的，它发现周期性的反转换电场亦能使大分子DNA通过电泳分开。这些新型的电泳技术为生物大分子的分离和分析提供了更为强大的工具。

综上所述，琼脂糖作为一种多功能的生物实验材料，在生物化学、分子生物学以及食品工业中发挥着重要作用。其独特的凝胶性能和广泛的应用领域使得琼脂糖成为科研人员和工业生产者不可或缺的实验材料之一。随着科学技术的不断进步和发展，相信琼脂糖在未来的应用中将会展现出更加广阔的前景和潜力。

名称	货号	规格
琼脂糖（高强度）	abs44056210-100g	100g
琼脂糖（低熔点）	abs44056213-50g	50g
琼脂糖（低电渗）	abs42144711-100g	100g
琼脂糖（电泳级）	abs44056207-1Kg	1Kg