瓊脂糖

瓊脂糖Agarose，縮寫為AG，是瓊脂中不帶電荷的中性組成成份，也譯為瓊膠素或瓊膠糖。瓊膠糖化學結構是由1,3連結的β-D-半乳糖和1,4連結的3,6-內醚-L-半乳糖交替連接起來的長鏈構成。

來源於紅藻的多糖，其主要成分為多聚半乳糖，其中約70%為瓊脂糖，30%為支鏈瓊脂糖。瓊脂糖具線型結構，由D-半乳糖和3,6-脫水半乳糖通過β-1，4和α-1，3連接交替形成重複雙糖單位。支鏈瓊脂糖則從β-1，3鍵分出另一鏈。用熱水從海藻抽提的物質約含40%瓊脂。市售的瓊脂（俗稱洋菜）常呈片狀或疏鬆繩索狀，通常作食用膠質，藥物包裝劑或細菌培養基使用。純制的瓊脂糖常在生物化學實驗室中，作為電泳、層析等技術中的半固體支持物，用於生物大分子或小分子物質的分離和分析。

瓊脂，它的英文名為agar。這個詞來源於馬來語的agar-agar，意思是膠狀物。又名瓊膠、菜燕、凍粉，是一類從石花菜及其它紅藻類（Rhodophyceae）植物提取出來的藻膠（phycocottoid），在我國及日本已有三百多年（1658年）的歷史。中國人亦稱為洋菜或凍粉。日本人稱之為寒天（kanten），因為它在冬天收穫。台灣人叫它菜燕，和燕窩的質感差不多。韓國人的叫法是??（不知道啥意思）。

瓊脂作為一種獨特的食品在我國已經有悠久的歷史。它是從大型海洋藻類石花菜、紫菜、江籬等提取分離製成的，廣泛應用於食品和生化等行業。我們常吃的果凍、冰淇淋、糕點、軟糖、罐頭、八寶粥中都含有瓊脂。我國的山東、福建、廣東、海南等擁有優越的海洋資源和氣候條件，適宜大型海洋藻類的生長，是生產瓊脂的主要地區，產品遠銷世界各地。

瓊脂是由瓊脂糖（agarose）和瓊脂果膠（agaropectin）組成的。瓊脂糖是線性的多聚物，瓊脂果膠是由許多更小的分子組成的異質混合物。它們的結構相似，但帶硫酸根和羧基組分，凝膠能力差。

1.疏水參數計算參考值（XlogP）:無

2.氫鍵供體數量:0

3.氫鍵受體數量:1

4.可旋轉化學鍵數量:6

5.互變異構體數量:7

6.拓撲分子極性表面積17.1

7.重原子數量:15

8.表面電荷:0

9.複雜度:178

10.同位素原子數量:0

11.確定原子立構中心數量:0

12.不確定原子立構中心數量:0

13.確定化學鍵立構中心數量:0

14.不確定化學鍵立構中心數量:0

15.共價鍵單元數量:1

中文名稱：瓊脂糖

中文別名：瓊脂糖ME

英文名稱:Agarose

英文別名:Agarose, medium EEO, Molecular Biology Grade; agarose, mixture; Agaroseforelectrophoresisofmacromolecules;agarose for molecular biology; agarose 6 B for chromatography; Agarose LE; sepharose(R) 4B for chromatography;

CAS:9012-36-6;62610-50-8

EINECS:232-731-8

分子式:C24H38O19

分子量:630.5471

安全術語:S24/25:Avoid contact with skin and eyes.;

熔點:260-481.5℃

相對密度:1.81g/cm3

瓊脂糖在水中一般加熱到90℃以上溶解。質量較好的瓊脂糖強度通常在1200克/cm2以上（1%膠濃度）。瓊脂糖的凝膠性是由存在的氫鍵所致，凡是能破壞氫鍵的因素都能導致凝膠性的破壞。瓊脂糖具有親水性，並幾乎完全不存在帶電基團，對敏感的生物大分子極少引起變性和吸附，是理想的惰性載體。在瓊脂糖製備過程中需要把瓊脂果膠盡量去除，否則瓊脂糖有可能存在極微量硫酸根和丙酮酸取代電離基團，就會造成電內滲（EEO），電內滲對質點的移動產生影響。質量較好的瓊脂糖硫酸根含量比較低，通常在0.2%以下，電內滲比較小，通常在0.13以下。這也就是瓊脂糖比瓊脂貴那麼多的原因了。

1937年荒木第一次從瓊脂中分離出瓊脂糖，但直到1961年Hjertin首先發現了瓊脂糖優異的使用性能后才引起了越來越多的關注，並開始工業生產。瓊脂糖廣泛應用於臨床化驗、生化分析和生物大分子物質的分離等領域。

瓊脂、瓊脂糖因為有特殊的膠凝性質，尤其有顯著的穩固性、滯度和滯后性，並且易吸收水分，有特殊的穩定效應；已經廣泛使用於食用、醫藥、化工、紡織、國防等領域，據不完全統計，瓊脂、瓊脂糖的用途已有1000多種，被國際上稱為“新奇的東亞產品”。在食品工業中可用於生產：水晶軟糖、定型軟糖、水產品、肉類罐頭、果汁飲料、果肉飲料、米酒飲料、乳品飲料、精品、乳品蛋糕。

由於其良好的生物相容性又廣泛用於生物分離介質的生產。

簡單地說，把瓊脂中的瓊脂果膠去掉，剩下的部分，就是瓊脂糖。

天然瓊脂（agar）是一種多聚糖，主要由瓊脂糖（agarose，約佔80%）及瓊脂膠（agaropectin）組成。瓊脂糖是由半乳糖及其衍生物構成的中性物質，不帶電荷，而瓊脂膠是一種含硫酸根和羧基的強酸性多糖，由於這些基團帶有電荷，在電場作用下能產生較強的電滲現象，加之硫酸根可與某些蛋白質作用而影響電泳速度及分離效果。因此，目前多用瓊脂糖為電泳支持物進行平板電泳，其優點如下。

（1）瓊脂糖凝膠電泳操作簡單，電泳速度快，樣品不需事先處理就可以進行電泳。

（2）瓊脂糖凝膠結構均勻，含水量大（約佔98%~99%），近似自由電泳，樣品擴散較自由電流，對樣品吸附極微，因此電泳圖譜清晰，解析度高，重複性好。

（3）瓊脂糖透明無紫外吸收，電泳過程和結果可直接用紫外光燈檢測及定量測定。

（4）電泳後區帶易染色，樣品極易洗脫，便於定量測定。製成干膜可長期保存。

目前，常用瓊脂糖作為電泳支持物，分離蛋白質和同工酶。將瓊脂糖電泳與免疫化學相結合，發展成免疫電泳技術，能鑒別其他方法不能鑒別的複雜體系，由於建立了超微量技術，0.1ug蛋白質就可檢出。

瓊脂糖凝膠電泳也常用於分離、鑒定核酸，如DNA鑒定，DNA限制性內切核酸酶圖譜製作等。由於這種方法操作方便，設備簡單，需樣品量少，分辨能力高，已成為基因工程研究中常用實驗方法之一。

瓊脂糖凝膠電泳對核酸的分離作用主要是依據它們的相對分子量質量及分子構型，同時與凝膠的濃度也有密切關係。

1．核酸分子大小與瓊脂糖濃度的關係

（1）DNA分子的大小 在凝膠中，DNA片段遷移距離（遷移率）與鹼基對的對數成反比，因此通過已知大小的標準物移動的距離與未知片段的移動距離時行比較，便可測出未知片段的大小。但是當DNA分子大小超過20kb時，普通瓊脂糖凝膠就很難將它們分開。此時電泳的遷移率不再依賴於分子大小，因此，就用瓊脂糖凝膠電泳分離DNA時，分子大小不宜超過此值。

（2）瓊脂脂糖的濃度 如下表所示，不同大小的DNA需要用不同濃度的瓊脂糖凝膠進行電泳分離。

表 瓊脂糖濃度與DNA分離範圍

瓊脂糖濃度 /% 0.3 0.6 0.7 0.9 1.2 1.5 2.0

線狀DNA大小/kb60-520-110-0.87-0.56-0.44-0.23-0.1

2．核酸構型與瓊脂糖凝膠電泳分離的關係

不同構型DNA的移動速度次序為：供價閉環 DNA（covalently closed circular，cccDNA）>直線DNA>開環的雙鏈環狀DNA。當瓊脂糖濃度太高時，環狀DNA（一般為球形）不能進入膠中，相對遷移率為0（Rm=0），而同等大小的直線雙鏈DNA（剛性棒狀）則可以長軸方向前進（Rm>0），由此可見，這三種構型的相對遷移率主要取決於凝膠濃度，但同時，也受到電流強度、緩衝液離子強度等的影響。

3．電泳方法

（1）凝膠類型

用於分離核酸的瓊脂糖凝膠電泳可分為垂直型及水平型（平板型）。水平型電泳時，凝膠板完全浸泡在電極緩衝液下1-2mm，故又稱為潛水式。目前更多用的是後者，因為它制膠和加樣比較方便，電泳槽簡單，易於製作，又可以根據需要製備不同規格的凝膠板，節約凝膠，因而較受歡迎。

（2）緩衝液系統

缺少離子時，電流太小，DNA遷移慢；相反，高離子強度的緩衝液由於電流太大會大量產熱，嚴重時，會造成膠熔化和DNA的變性。

常用的電泳緩衝液有EDTA（pH8.0）和Tris-乙酸（TAE），Tris-硼酸（TBE）或Tris-磷酸（TPE）等，濃度約為50mmol/L(pH7.5~7.8)。電泳緩衝液一般都配製成濃的貯備液，臨用時稀釋到所需倍數。

TAE緩衝能力較低，后兩者有足夠高的緩衝能力，因此更常用。TBE濃溶液長期貯存會出現沉澱，為避免此缺點，室溫下貯存5×溶液，用時稀釋10倍0.5×工作溶液即能提供足夠緩衝能力。

（3）凝膠的製備

以稀釋的電極緩衝液為溶劑，用沸水浴或微波爐配製一定濃度的溶膠，灌入水平膠框或垂直膠膜，插入梳子，自然冷卻。

（4）樣品配製與加樣

DNA 樣品用適量Tris-EDTA緩衝液溶解，緩衝液內含有0.25%溴酚藍或其他指示染料，含有10%-15%蔗糖或5%~10%甘油，以增加其比重，使樣品集中。為避免蔗糖或甘油可能使電泳結果產生U形條帶，可改用2.5%Ficoll（聚蔗糖）代替蔗糖或甘油。

（5）電泳

瓊脂糖凝膠分離大分子DNA實驗條件的研究結果表明，在低濃度、低電壓下，分離效果較好。在低電壓條件下，線性DNA分子的電泳遷移率與所用的電壓呈正比。但是，在電場強度增加時，較大的DNA片段遷移率的增加相對較小。因此隨著電壓的增高，電泳解析度反而下降，為了獲得電泳分離DNA片段的最大解析度，電場強度不宜高於5V/cm。

電泳系統的溫度對於DNA在瓊脂糖凝膠中的電泳行為沒有顯著的影響。通常在室溫下進行電泳，只有當凝膠濃度低於0.5%時，為增加凝膠硬度，可在4℃進行電泳。

（6）染色和拍照

常用熒光染料溴乙錠（EB）染色，在紫外光下觀察DNA條帶，用紫外分析儀拍照，或用凝膠成像系統輸出照片，並進行有關的數據分析。

生物化學與分子生物學的研究工作經常需要對電泳分離后的DNA進行分子雜交，但瓊脂糖不適合於進行雜交操作，1975年，Southren創造了將DNA區帶原位轉移到硝酸基纖維素膜（NC膜）上，再進行雜交的方法，被稱為Southren印跡法。隨後，Alwine等將類似方法用於RNA印跡，被戲稱為Northern印跡，1979年Towbin等設計了將蛋白質從凝膠轉移到硝酸纖維素膜的裝置，將蛋白質轉移到膜上，再與相應的抗體等配體反應，被戲稱為Western印跡，這種裝置將膜和凝膠、濾紙等製成夾心餅乾狀，用低電壓高電流電泳完成轉移。1982年Reinhart等用電轉移法將等電聚焦后的蛋白質區帶從凝膠轉移到特定膜上，稱Eastern印跡。

目前國內外有多種核酸、蛋白質印跡轉移的電泳裝置出售，使印跡轉移速度快效率高、重複性好，應用更加廣泛。聚丙烯醯胺凝膠也可用於印跡轉移電泳，但轉移蛋白質時，凝膠中不可含有SDS、尿素等變性劑。用於轉移電泳的支持膜亦有多種選擇，近些年用尼龍膜較多，因為尼龍膜機械性能好，烘烤不變脆，使用時比硝酸纖維素膜更方便。

進行印跡轉移電泳時，要注意緩衝液的離子強度要低，pH要遠離pI，使蛋白質帶有較多電荷，一般用穩定性較好的Tris-緩衝體系。還要注意凝膠與支持膜之間有能有氣泡。適當提高電壓或電流可以提高轉移速度，但亦會增加熱效應，故電壓或電流不可過高。

一般瓊脂糖凝膠電泳只能分離小於20kb的DNA。這是因為在瓊脂糖凝膠中，DNA分子的有效直徑超過凝膠孔徑時，在電場作用下，迫使DNA變形擠過篩孔，而沿著泳動方向伸直，因而分子大小對遷移率影響不大。如此時改變電場方向，則DNA分子必須改變其構象，沿新的泳動方面伸直，而轉向時間與DNA分子大小關係極為密切。1983年Schwartz等人根據DNA分子彈性弛豫時間（外推為0的滯留時間）與DNA分子大小有關的特性，設計了脈衝電場梯度凝膠，交替採用兩個垂直方向的不均勻電場，使DNA分子在凝膠中不斷改變方向，從而使DNA按分子大小分開。後來Carle等改進了電泳技術，並發現周期性的反轉換電場(periodic inversion of the electric field)亦能使大分子DNA通過電泳分開。電泳系統是由一水平式電泳槽和兩組獨立、彼此垂直的電極組成，一組電極負極為N，正極為S；另一組負極為W，正極為E。一塊正方形瓊脂糖凝膠板（10cm*10cm或20cm*20cm）呈45度放中央。電場在N-S和W-E之間交替建立。電場交替改變的時間長短與欲分離的DNA分子大小有關。

電泳時，DNA分子處在連續間隔交替的電場中。首先向S極移動，然後改向E極。在每次電場方向改變時，DNA分子就要有一定的時間鬆弛，改變形狀和遷移方向。只有當DNA分子達到一定構型后，才能繼續前時。DNA分子凈移動方向與加樣線垂直，使樣品中各組分沿同一泳道形成各自的區帶。交變脈衝電泳可有效分離數百萬鹼基對的大分子DNA。較新式的儀器電極間的角度和脈衝時間均可調，使用更加方便。

此外，瓊脂糖平板常用於免疫擴散技術的電泳技術相結合的多種免疫電泳。