浅析“凝胶电泳图谱”典型高考试题

李 萍

(天津外国语大学附属滨海外国语学校 300467)

凝胶电泳是分离、鉴定核酸及蛋白质大分子的生化实验技术，目前在分子生物学、遗传学、生物化学研究中广泛应用。虽然电泳的概念、原理在人教版高中生物学教材选修1 《生物技术实践》中有简要介绍，但这部分知识对于高中生来说还是相当抽象的，学生在理解应用上有一定困难。此外，高考命题突出能力考查，注重在新情境中考查学生从文字、图表等形式中获取信息以及运用所学知识解决问题的能力，试题形式往往灵活多变。因此，很多学生遇到凝胶电泳图谱与遗传、基因工程等教材知识相结合的试题时，往往感觉无从下手。本文对凝胶电泳图谱类高考试题进行整理解析。

1 凝胶电泳的基本原理

许多重要的生物大分子如蛋白质、核酸等具有可解离的基团，在一定的pH下，这些基团会带上正电或负电。在电场的作用下这些带电分子会向着与其所带电荷相反的电极移动。电泳利用了待分离样品中各种分子带电性质的差异以及分子本身的大小、形状的不同，使带电分子在通过凝胶介质时产生不同的迁移速度，从而实现样品中各种分子的分离。

凝胶电泳主要分为琼脂糖凝胶电泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳两种类型，前者一般用于核酸的分离，后者主要用于蛋白质鉴别。电泳中样品分子移动的本质确实是其所携带的电荷，但由于各分子的电荷/分子量比达到恒定，所以区分样品分子迁移速率，可以直接用分子量而无需使用电荷数。以DNA分子为例，它在电泳中的移动是靠其骨架中磷酸所携带的负电荷来实现的，而这个磷酸分子又是每一个核苷酸中都有的，所以DNA分子所携带的负电荷数是由其核苷酸总数决定的，这样，DNA分子中负电荷的量就可以用DNA的分子量来代替。与之类似的蛋白质电泳中，由于蛋白质所携带的电荷与蛋白分子量也成了一定比例，同样使得电泳的迁移速率完全取决于分子的大小。

2 高考试题分析

近年来，以遗传、基因工程知识为背景，以DNA电泳图谱为情境的高考试题较为常见，另外也出现了对蛋白质电泳图谱的考查。

例1 (2015年高考福建卷节选) GDNF是一种神经营养因子，对损伤的神经细胞具有营养和保护作用，研究人员构建了GDNF基因的表达载体(图1)，并导入到大鼠神经干细胞中，用于细胞基因治疗的研究，请回答：

图1 GDNF基因表达载体的构建过程

(注：bp表示碱基对；载体和基因片段上的小箭头表示相关限制酶的酶切位点)

(1)构建含GDNF基因的表达载体时，需选择图1中的________限制酶进行酶切。

(2)经酶切后的载体和GDNF基因进行连接，连接产物经筛选得到的载体主要有3种：单个载体自连、GDNF基因与载体正向连接、GDNF基因与载体反向连接(图1)。为鉴定这3种连接方式，选择HpaⅠ酶和BamHⅠ酶对筛选得到的载体进行双酶切，并对酶切后的DNA片段进行电泳分析，结果如图2所示，图中第________泳道显示所鉴定的载体是正向连接的。

图2 载体酶切电泳分析图谱

命题立意：本题考查基因工程的相关知识，要求考生识记基因工程的原理、操作工具及操作步骤等，掌握各步骤中的相关细节，能结合所学知识做出准确判断，其中电泳结果的推理较灵活，难度中等。

解析：(1)根据图1分析可知，由于GDNF基因两边都有XhoⅠ限制酶识别序列，所以构建含GDNF基因的表达载体时，需选择XhoⅠ限制酶进行酶切。(2)选择HpaⅠ酶和BamHⅠ酶对构建的表达载体进行酶切鉴定，因酶切片段链的长短不同，经凝胶电泳分离后，会显示不同的带谱。对三种连接方式分别分析可得图3：单个载体自连，经双酶切后仅能形成一条带，为质粒本身长度，电泳结果为泳道①；目的基因与载体反向连接，双酶切会产生两个大小不同的DNA片段，一段是质粒上HpaⅠ酶与XhoⅠ之间的100bp加上目的基因上XhoⅠ与BamHⅠ之间的100bp，共200bp，另一段是原有质粒的5900bp加上目的基因上剩余的BamHⅠ与XhoⅠ之间600bp，共6500bp，由于片段大的泳动慢，位于上方，片段小的泳动快位于下方，故电泳结果应为泳道③；如果是正向连接，则经双酶切后同样会产生两个片段，一段是质粒上HpaⅠ酶与XhoⅠ之间的100bp加上目的基因上XhoⅠ与BamHⅠ之间的600bp，共700bp，另一段是原有质粒的5900bp加上目的基因上剩余的100bp，共6000bp，故会出现泳道②所示的电泳结果。总之，对于基因工程中酶切片段的电泳图谱分析类问题，首先应将题干信息转化为图像信息，再根据酶切产生的DNA片段大小分析对应的电泳条带。参考答案 (1)XhoⅠ (2)②。

图3 三种连接方式获得的表达载体

例2 (2015年高考江苏卷节选)由苯丙氨酸羟化酶基因突变引起的苯丙氨酸代谢障碍，是一种严重的单基因遗传病,称为苯丙酮尿症(PKU)，正常人群中每70人有1人是该致病基因的携带者(显、隐性基因分别用A、a表示)。图4是某患者的家族系谱图,其中Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3及胎儿Ⅲ1(羊水细胞)的DNA经限制酶Msp消化，产生不同的片段(kb表示千碱基对)，经电泳后用苯丙氨酸羟化酶cDNA探针杂交，结果见图5。请回答下列问题：

图4 某患者家族系谱图

(1)Ⅰ1、Ⅱ1的基因型分别为__________。

(2)依据cDNA探针杂交结果，胎儿Ⅲ1的基因型是________。Ⅲ1长大后，若与正常异性婚配，生一个正常孩子的概率为__________。

图5 酶切、电泳及DNA探针检验结果

(3)若Ⅱ2和Ⅱ3生的第2个孩子表型正常，长大后与正常异性婚配,生下PKU患者的概率是正常人群中男女婚配生下PKU患者的__________倍。

命题立意：本题综合考查了遗传学的相关知识，意在考查考生分析题图提取有效信息的能力、运用所学知识综合分析问题和解决问题的能力。本题的一大特点是基因工程、遗传系谱图、凝胶电泳图等知识的结合，综合性较强。

解析：(1)由图4可见，Ⅱ1为患病女孩，而其父母正常，说明苯丙酮尿症属于常染色体隐性遗传病，所以其基因型为aa。由于Ⅰ1正常，故其基因型为Aa。(2)由图5可见，用Msp酶对四位家族成员的DNA进行酶切，由于A、a基因酶切片段大小不同，经凝胶电泳分离后，再用cDNA探针进行杂交，便可显示不同的两种条带，其中A基因酶切片段较大，23kb，故泳动距离小，距离点样孔较近，而a基因酶切片段为19kb的小片段，故泳动距离较大，距离点样孔较远。因此，由图5可以判断Ⅱ2同时含有A与a基因，其基因型为Aa，同理可以推理出Ⅱ1、Ⅱ3、Ⅲ1的基因型分别为aa、Aa、Aa。Ⅲ1长大后，若与正常异性婚配，由于正常人群中每70人有1人是该致病基因的携带者，所以生一个正常孩子的概率为1﹣1/70×1/4=279/280。若Ⅱ2和Ⅱ3生的第2个孩子表现型正常，其基因型为AA或Aa，长大后与正常异性婚配，生下PKU患者的概率是2/3×1/70×1/4，又正常人群中男女婚配生下PKU患者的概率是1/70×1/70×1/4。因此，前者是后者的46.67倍。总之，本题的突破口在于通过分析凝胶电泳图谱，推理出Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅲ1的基因型，只有确定了相应成员基因型，才能继续运用所学的遗传病概率计算知识解决遗传学问题。参考答案 (1)Aa、aa (2)Aa 279/280 (3)46.67。

例3 (2016年高考天津卷)鲤鱼和鲫鱼体内的葡萄糖磷酸异构酶(GPI)是同工酶(结构不同、功能相同的酶)，由两条肽链构成。编码肽链的等位基因在鲤鱼中是a1和a2，在鲫鱼中是a3和a4，这四个基因编码的肽链P1、P2、P3、P4可两两组合成GPI。以杂合体鲫鱼(a1a2)为例，其GPI基因、多肽链、GPI的电泳(蛋白分离方法)图谱见图6。

图6 GPI基因、多肽链及GPI的电泳图谱

(1)若一尾鲫鱼为纯合二倍体，则其体内GPI类型是__________。

(2)若鲤鱼与鲫鱼均为杂合二倍体，则鲤鲫杂交的子一代中，基因型为a2a4个体的比例为________。在其杂交子一代中取一尾鱼的组织进行GPI电泳分析，图谱中会出现__________条带。

(3)鲤鲫杂交育种过程中获得了四倍体鱼。四倍体鱼与二倍体鲤鱼杂交，对产生的三倍体子代的组织进行GPI电泳分析，每尾鱼的图谱均一致，如图7所示。据图分析，三倍体的基因型为__________，二倍体鲤鱼亲本为纯合体的概率是__________。

图7 电泳分析图谱

命题立意：不同于上面两道例题的DNA凝胶电泳图谱分析，本题呈现的是蛋白质凝胶电泳图，考查了基因型和表现型的相互推导和概率分析。解题关键是理解蛋白质电泳图谱和基因组成的关系。

解析：(1)由图6可知，鲤鱼中基因a1和a2分别编码P1、P2肽链，则鲫鱼基因a3、a4分别编码P3、P4肽链，所以纯和鲫鱼(基因型为a3a3或a4a4)体内的GPI类型是P3P3或P4P4。(2)由图6分析可知，基因型为a1a2的鲤鱼，编码出的P1、P2两种肽链可两两随机组合成3种GPI类型：P1P1、P1P2、P2P2，3种GPI蛋白由于分子大小的不同，在凝胶中泳动的距离不同，因而呈现出3条条带。鲤鱼与鲫鱼的杂合二倍体基因型分别为a1a2、a3a4，杂交后代的基因型是a1a3∶a1a4∶a2a3∶a2a4=1∶1∶1∶1，基因型为a2a4个体的比例为25%。由于杂交后代都是杂合子，因此杂交子一代中取一尾鱼的组织进行GPI电泳分析，应与图6类似，图谱中会出现3条不同大小的蛋白质条带。(3)对产生的三倍体子代的组织进行GPI电泳分析，结果如图7，每一尾鱼的图谱中都含有P1、P2、P3(可组合成6种GPI)，因此三倍体同时含有a1、a2、a3基因，三倍体的基因型均为a1a2a3。由此推知，三倍体的双亲均为纯合体。本题的易错点是最后一空，错因在于未能根据三倍体的电泳图谱、基因组成均相同，推测双亲均应为纯合体。参考答案： (1)P3P3或P4P4(2)25% 3 (3)a1a2a3100%。

3 小结

随着新课程改革的进一步深化，高考在命题上越来越关注教材知识在新情境中的应用。凝胶电泳技术虽未在教材中详细介绍，但从近几年的高考试题来看，凝胶电泳图谱常常作为基因工程、遗传学知识等的情境材料来考查学生的学科核心素养。所以，在高考复习中，教师应该让学生了解电泳技术的简单知识和原理，学会分析电泳图谱，从中获取相关的生物学信息，并能运用这些信息结合所学知识解决相关的生物学问题。