蛋白质分离纯化

蛋白质分离纯化 蛋白质的分离纯化 一 材料1 选材2 破碎3 混合物的分离 二 粗分级 三 细分级 四 结晶 样品的前处理 1 生物样品的选择和处理样品的选择 有效成分含量高 来源丰富 保持新鲜 实验条件恒定 取材工艺简单 有综合利用价值等 处理 包括去除脂肪 结缔组织等 2 细胞破碎 机械破碎法 物理学方法 化学法 酶学法3 抽提 extraction 是指在一定条件下 用适当的溶剂和方法 使有效成分充分溶解到溶剂的过程 蛋白质的分离方法 根据蛋白质的溶解度差异分离 沉淀技术根据蛋白质分子大小的差异分离根据蛋白质的荷电差异分离根据蛋白质与某些物质的吸附差异 吸附分离利用生物分子专一性结合的特性 亲和层析 根据蛋白质的溶解度差异分离 沉淀技术可逆沉淀 等电点沉淀 盐析法 有机溶剂沉淀不可逆沉淀 热变性沉淀 重金属盐沉淀 有机酸沉淀 1 根据溶解度不同 1 盐析 saltingout 1 定义 在稀盐溶液中 蛋白质的溶解度随盐浓度的增加而升高这种现象称为盐溶 saltingin 但当盐浓度增加到一定量时 其溶解度又逐渐下降 直到某一浓度时便从溶液中沉出 即为盐析 saltingout 2 原理Saltingin 蛋白质吸附某种离子 蛋白质彼此排斥 而蛋白质与水相互作用加强 溶解度提高 Saltingout 大量中性盐加入 破坏蛋白质分子表面的水活膜 降低水的活度 蛋白质表面的电荷被中和 蛋白质相互聚集而析出 3 盐析中最常用的盐是 NH4 2SO4 Na2SO4 MgSO4 尤其以 NH4 2SO4为最佳 原因 NH4 2SO4溶解度大而温度系数小 分离效果好 能保持蛋白质的天然构象 且价廉可得 这是蛋白质粗提纯的一种最常用方法 2 等电点沉淀法1 pH偏离pI时 蛋白质带相同符号的净电荷而互相排斥 蛋白质溶解度大 2 pH pI时 蛋白质的净电荷为0 蛋白质聚集沉淀3 等电点沉淀法的缺点 沉淀不完全 3 有机溶剂沉淀法1 原理 有机溶剂能降低溶液的电解常数 从而增加蛋白质分子上不同电荷的引力 导致溶解度的降低 另外 有机溶剂与水的作用 能破坏蛋白质的水化膜 2 注意 高浓度有机溶剂易引起蛋白质变性失活 操作必须在低温下进行 并在加入有机溶剂时注意搅拌均匀以避免局部浓度过大 2 根据分子大小不同 1 透析和超滤1 透析 Dialysis 就是利用蛋白质分子不能通过半透膜 Semipermeablemembrane 而小分子可以自由透过的性质 使蛋白质与小分子物质分开 作用 脱盐 无机离子和小分子物质等 透析膜 动物膜 羊皮纸 火棉胶 赛璐玢或其他材料等 透析 只用于除盐类和小分子杂质 透析 只用于除盐类和小分子杂质 2 超滤 ultrafiltration 是利用压力和离心力 借助于超滤膜将不同分子量的物质分离的技术 Ultrafiltration的功能 纯化和浓缩 同PEG 聚乙二醇 Ultrafiltration膜 丙烯氰 醋酸纤维素 硝酸纤维素和尼龙等 超过滤 除小分子杂质 分离 浓缩蛋白质 加压 蛋白质溶液 半透膜 支持膜的栅板 超滤液 2 凝胶层析 又叫分子筛层析 分子筛是具有三维空间网状结构的物质 有天然的 也可人工合成 根据网孔不同可制成不同规格 具备条件 1 惰性 2 水不溶性 3 能高度水化 常用分子筛 葡聚糖凝胶 Sephadex 型号 G200 G150 G100 G75 G50 G25 G15分离大蛋白质 小蛋白质 除盐琼脂糖凝胶 瑞典Sepharose 美国Bio GelA 孔径大 用于分离大分子物质聚丙烯酰胺凝胶 Bio GelP 原理 1 分子量大的物质不能进入凝胶粒子内部 随洗脱液从凝胶粒子之间的空隙挤落下来 所以大分子物质迁移速度快 2 小分子物质要通过凝胶网孔进入凝胶粒子内部 所以小分子物质迁移速度慢 3 密度梯度离心 原理 不同颗粒之间存在沉降系数差时 在一定离心力作用下 颗粒各自以一定速度沉降 在密度梯度不同区域上形成区带的方法 密度梯度离心 3 根据带电性质不同 电泳法离子交换层析 1 电泳法 类型 1 区带电泳纸电泳 醋酸纤维素薄膜电泳 粉末电泳 细丝电泳 凝胶电泳 凝胶电泳包括 琼脂糖凝胶 淀粉凝胶 硅胶凝胶 聚丙烯酰胺凝胶 聚丙烯酰胺凝胶包括 垂直板电泳 盘状电泳 等电聚焦电泳 梯度电泳 免疫电泳 2 自由界面电泳 支持物为溶液 很少用 垂直板电泳 垂直板电泳 垂直板电泳 聚丙烯酰胺凝胶电泳 聚丙烯酰胺凝胶是由丙烯酰胺 简称Acr 单体和少量交联剂甲叉双丙烯酰胺 简称Bis 通过化学催化剂 过硫酸铵 四甲基乙二胺 TEMED 作为加速剂或光催化聚合作用形成的三维空间的高聚物 聚合后的聚丙烯酰胺凝胶形成网状结构 具有浓缩效应 电荷效应 分子筛效应 连续系统 电泳体系中缓冲液pH值及凝胶浓度相同 带电颗粒在电场作用下 主要靠电荷和分子筛效应 不连续系统 缓冲液离子成分 pH 凝胶浓度及电位梯度均不连续性 带电颗粒在电场中泳动不仅有电荷效应 分子筛效应 还具有浓缩效应 因而其分离条带清晰度及分辨率均较前者佳 在浓缩胶中的三个主要作用角色 浓缩效应 SDS 聚丙烯酰胺凝胶电泳 蛋白质在电场中的迁移率取决于它所带的净电荷以及分子大小和形状等因素 加入SDS 十二烷基磺酸钠 和少量巯基乙醇 则蛋白质分子的迁移率主要取决于它的分子量 而与原来所带电荷 分子形状无关 SDS是变性剂 它能破裂蛋白质分子中的氢键和疏水作用 巯基乙醇打开二硫键 因此使蛋白质分子处于伸展状态 此时SDS以其烃链与蛋白质分子的侧链结合成复合物 大约每两个氨基酸残基结合一个SDS分子 SDS 聚丙烯酰胺凝胶电泳 导致 1 由于SDS是阴离子 使多肽表面覆盖的负电荷远远超过蛋白质分子原有的电荷量 消除了原来的电荷差异 2 改变了蛋白质单体分子的构象 不同蛋白质的SDS复合物的短轴长度都相同 长轴长度随其分子量的大小成正比变化 SDS 聚丙烯酰胺凝胶电泳 由于不同蛋白质的SDS复合物具有相同的荷质比 并具有相似的构象 因而有如下公式 lgM K1 K2 R K1 K2为常数 R为相对迁移率 实际测定时 以几种标准单体蛋白质分子量的对数值对其 R作图 根据样品的 R值 从标准曲线上就可查出其分子量 SDS 聚丙烯酰胺凝胶电泳 等电聚焦 Isoelectricfocusing 1 以不同蛋白质的等电点的差异分离 2 凝胶中含有蛋白质样品和载体两性电解质 3 载体两性电解质 a是一系列物质的混合物 此混合物各组分的等电点要互不相同 但又不能相差太大 小数点后2位 最常用为3 0 10 0范围 还有3 0 7 0 5 0 10 0 b混合物中各物质在等电点时要有足够大的电导 以保证能顺序排列 c混合物中各物质在等电点时要有足够大的缓冲能力 构成组分为多氨基 多羧基的脂肪族化合物 d要求各组分分子量要小 易于与蛋白质分离 等电聚焦 Isoelectricfocusing 通电后 在介质中由于H 与OH 的相向移动 形成了从3 0 10 0的一系列pH梯度 当载体两性电解质移动到各自的等电点时 就停止移动 不带电荷 并维持pH梯度 电导 缓冲能力 即 pH梯度由H 与OH 建立 而由载体两性电解质来维持 当蛋白质移动到相应的pH值处 结束 注意事项 1 时间相对长对分离有利 2 也可用来测定蛋白质的等电点 等电聚焦 Isoelectricfocusing 等电聚焦 Isoelectricfocusing 2 离子交换层析 以离子交换剂为固定相 依据流动相中的组分离子与交换剂上的平衡离子进行可逆交换时的结合力大小的差别而进行分离的一种层析方法 基本原理 离子交换层析是依据各种离子或离子化合物与离子交换剂的结合力不同而进行分离纯化的 离子交换层析的固定相是离子交换剂 它是由一类不溶于水的惰性高分子聚合物基质通过一定的化学反应共价结合上某种电荷基团形成的 离子交换剂可以分为三部分 高分子聚合物基质 电荷基团和平衡离子 电荷基团与高分子聚合物共价结合 形成一个带电的可进行离子交换的基团 平衡离子是结合于电荷基团上的相反离子 它能与溶液中其它的离子基团发生可逆的交换反应 平衡离子带正电的离子交换剂能与带正电的离子基团发生交换作用 称为阳离子交换剂 平衡离子带负电的离子交换剂与带负电的离子基团发生交换作用 称为阴离子交换剂 当蛋白质处于不同的pH条件下 其带电状况也不同 离子交换层析 离子交换层析 吸附本质 非共价连接常用吸附剂 结晶磷酸钙 硅胶脱附方式 1 改变蛋白质带电状态 2 改变环境溶液的pH 离子强度等 4 根据配体特异性不同 亲和层析 AffinityChromatography 是利用生物分子间专一的亲和力而进行分离的一种层析技术 亲和层析是分离纯化蛋白质 酶等生物大分子最为特异而有效的层析技术 分离过程简单 快速 具有很高的分辨率 在生物分离中有广泛的应用 亲和层析的基本原理 生物分子间存在很多特异性的相互作用 如我们熟悉的抗原 抗体 酶 底物或抑制剂 激素 受体等等 它们之间都能够专一而可逆的结合 这种结合力就称为亲和力 亲和层析的分离原理简单的说就是通过将具有亲和力的两个分子中一个固定在不溶性基质上 利用分子间亲和力的特异性和可逆性 对另一个分子进行分离纯化 被固定在基质上的分子称为配体 配体和基质是共价结合的 构成亲和层析的固定相 称为亲和吸附剂 亲和层析时首先选择与待分离的生物大分子有亲和力的物质作为配体 例如分离酶可以选择其底物类似物或竞争性抑制剂为配体 分离抗体可以选择抗原作为配体等等 并将配体共价结合在适当的不溶性基质上 如常用的Sepharose 4B等 将制备的亲和吸附剂装柱平衡 当样品溶液通过亲和层析柱的时候 待分离的生物分子就与配体发生特异性的结合 从而留在固定相上 而其它杂质不能与配体结合 仍在流动相中 并随洗脱液流出 这样层析柱中就只有待分离的生物分子 通过适当的洗脱液将其从配体上洗脱下来 就得到了纯化的待分离物质 小结 粗分级一般采用盐析 等电点沉淀 有机溶剂分级等方法 细分级一般采用层析法 包括凝胶层析 离子交换层析 吸附层析 亲和层析等方法 必要时 还可采用电泳法 包括等电聚焦等作为蛋白质的提纯步骤 蛋白质分子中氨基酸序列的确定 蛋白质测序 主要指的是蛋白质的一级结构的测定 包括组成蛋白质的多肽链数目 多肽链的氨基酸种类 数目及排列顺序 测序要求 1样品必须纯 97 以上 2知道蛋白质的分子量 3知道蛋白质由几条肽链组成 4测定蛋白质的氨基酸组成 并根据分子量计算每种氨基酸的个数 5测定水解液中的氨量 计算酰胺的含量 蛋白质分子量的测定 最小分子量测定法如Mb含Fe为0 335 则M 55 8 0 335 16700 这就是最小分子量 其实 真实分子量是最小分子量的n倍 n指Fe的数目 Mb的n 1 所以M 16700 而Hb用其他方法测得分子量为68000 则说Hb含4个Fe原子 蛋白质分子量的测定 渗透压法 M CRT 蛋白质分子量的测定 超离心法 沉降平衡法 样品溶液在分析池中经低速长时间离心 分析池内样品浓度分布达到热力学平衡时 根据分析池内样品的浓度分布可以求算分子量 蛋白质分子量的测定 凝胶过滤法经验公式 lgM K1 K2Ve K1 K2为常数 用几种已知蛋白质 测其Ve 再对lgM作图得标准曲线 再测定未知蛋白质的Ve 可得M 蛋白质分子量的测定 SDS 聚丙烯酰胺凝胶电泳lgM K1 K2 R K1 K2为常数 R为相对迁移率 氨基酸平均分子量为128 测得某蛋白质分子量约为5646 由此推断该蛋白质含有的肽链条数和氨基酸个数依次是 氨基酸脱水缩合形成肽链 再形成蛋白质 每两个氨基酸脱掉一个水分子 就像5个手指头 有4个手指缝一样 倘若一个肽链 则有X个氨基酸 就会脱掉 X 1 个水 若两个肽链 则有X个氨基酸 就会脱掉 X 2 个水 依此类推假设 氨基酸个数为X个 肽链有y条 则 脱掉水分子个数为 X y 个列式 128x 18 x y 5646110 x 18y 5646110 x 5646 18y因为肽链个数都有限 所以 y的数字从1开始试着带进去 看什么时候 x能得到整数解 因为无论氨基酸还是水都不可能是小数个 例如 当y 1时 x 51 16 现实中不可能 所以 结果排出再试着带入y 2时 x 51 整数解 符合实际情况 所以 答案应为2和51 测定步骤1多肽链的拆分 由多条多肽链组成的蛋白质分子 必须先进行拆分 几条多肽链借助非共价键连接在一起 称为寡聚蛋白质 如 血红蛋白为四聚体 烯醇化酶为二聚体 可用8mol L尿素或6mol L盐酸胍处理 即可分开多肽链 亚基 2测定蛋白质分子中多肽链的数目 通过测定末端氨基酸残基的摩尔数与蛋白质分子量之间的关系 即可确定多肽链的数目 3二硫键的断裂 几条多肽链通过二硫键交联在一起 可在8mol L尿素或6mol L盐酸胍存在下 用过量的巯基乙醇处理 使二硫键还原为巯基 然后用烷基化试剂保护生成的巯基 以防止它重新被氧化 4测定每条多肽链的氨基酸组成 并计算出氨基酸成分的分子比或各种残基的数目用6mol L的盐酸或4mol L的硫酸在105 110 条件下进行水解 反应时间约20小时 色氨酸被沸酸完全破坏 含有羟基的氨基酸如丝氨酸或苏氨酸有一小部分被分解 天冬酰胺和谷氨酰胺侧链的酰胺基被水解成了羧基 用5mol L氢氧化钠煮沸10 20小时 色氨酸在水解中不受破坏 其它氨基酸都受到不同程度的破坏 5分析多肽链的N 末端和C 末端N末端分析法 Sanger法 Edman法 DNS Cl 氨肽酶法 C末端分析法 肼解法 羧肽酶法 硼氢化锂法 在肽链氨基酸顺序分析中 最重要的是N 端氨基酸分析法 氨肽酶 能催化多肽链的游离N端 氨基末端 由外向里 把肽链的氨基酸逐个切下 较常用的氨肽酶是亮氨酸氨肽酶 特殊的氨肽酶有仅作用于N末端为脯氨酸的脯氨酸亚氨肽酶以及只作用于三肽的氨基三肽酶等 Sanger法 N末端分析 Edman降解法 DNS Cl法 C末端分析肼解法 测定C 末端最常用的方法 将多肽溶于无水肼中 100 下进行反应 结果羧基末端氨基酸以游离氨基酸状释放 而其余肽链部分与肼生成氨基酸肼 如果羧基末端氨基酸侧链是带有酰胺如天冬酰胺和谷氨酰胺 则肼解时不能产生游离的羧基末端氨基酸 羧肽酶水解法 羧肽酶可以专一性地水解羧基末端氨基酸 羧肽酶A可以切割C端除了Lys Arg Pro的氨基酸 羧肽酶B可以切割C端的Lys或Arg 但如果倒数第二个氨基酸为Pro两种羧肽酶均不能作用 6多肽链断裂成多个肽段 采用两种或多种不同的断裂方法将多肽样品断裂成两套或多套肽段或肽碎片 并将其分离开来 主要有化学法和酶解法两类 1 化学法 1 溴化氰法是最理想的化学方法 能选择性断裂甲硫氨酸所在的肽键 2 羟胺法羟胺在pH9下能专一性地裂解Asn Gly的肽键 弱酸性条件下裂解Asn Leu Asn Ala肽键 2 酶解法用蛋白水解酶进行水解 具有较高专一性 而且水解产率较高 所以可以选择各种不同专一性的酶进行专一性的断裂 7测定每个肽段的氨基酸顺序Edman降解法 目前用于顺序分析的最主要的方法 8确定肽段在多肽链中的次序 利用两套或多套肽段的氨基酸顺序彼此间的交错重叠 拼凑出整条多肽链的氨基酸顺序 糜蛋白酶水解 Ala Phe Gly Lys Asn Tyr Arg Trp His Val胰蛋白酶水解 Ala Phe Gly Lys Asa Tyr Arg Trp His Val 9确定原多肽链中二硫键的位置一般采用胃蛋白酶处理没有断开二硫键的多肽链 再进行对角线电泳 某一多肽 1 经完全水解后得Gly Ala Val2 Leu2 Ile Cys4 Asp2 Glu4 Ser2 Tyr2 2 FDNB处理后用酸水解得到DNP Gly 3 C 未端分析得到Asp 4 部分水解得到下列小肽 a Cys Cys Ala Ser b Glu Asp Tyr c Glu Glu Cys d Glu Leu Glu e Cys Asp f Tyr Cys g Ala Ser Val Cys h Glu Cys Cys i Val Cys Ser Leu Tyr j Leu Tyr Glu k Gly Ile Val Glu Glu 请写出这条多肽的氨基酸排列顺序 Gly Ile Val Glu Glu Cys Cys Ala Ser Val Cys Ser Leu Tyr Glu Leu Glu Asp Tyr Cys Asp思路 k c h a g i j连续下来 都是两个重叠 一般排序时 有两个重叠就比较确定了 后面d b f e都只重叠一个残基 不太好确定 好在剩下的氨基酸已经不多 又知道e在最后 算一算 试几次就行了 蛋白质的纯度鉴定 各种细分级的方法都可以用于纯度鉴定常用各种电泳法 比较权威的有 等速电泳 梯度电泳 等电聚焦电泳 聚丙烯酰胺凝胶电泳 沉降分析和扩散分析测定沉降系数和扩散系数 溶解度恒定法加入样品量为横坐标 样品溶解量为纵坐标 作图 如只有一个拐点则说明样品纯 蛋白质含量的测定 凯氏定氮法Foli