分离纯化蛋白质的方法及原理

当蛋白质混合物加入填有亲和介质的层析柱时，待纯化的某一蛋白质则被吸附在含配体的琼脂糖颗粒表面上而其他的蛋白质因对该配体无特异的结合部位而不被吸附，他们通过洗涤即可除去，被特异结合的蛋白质可用含游离的相应配体溶液把它从柱上洗脱下来。
凝集素亲和层析、免疫亲和层析、金属螯合层析、染料配体层析和共价层析等属于亲和层析。
层析洗脱，采用保持洗脱液成分一直不变的方式洗脱，也可以采用改变洗脱的盐浓度或（和）pH的方式洗脱。后一种方式又分为：跳跃式洗脱和渐进式的连续改变。采取前一种方式洗脱称为分段洗脱，后一种方式为梯度洗脱。梯度洗脱一般分离效果好，分辨效率高，特别是使用交换容量小，对盐浓度敏感的离子交换机，多采用梯度洗脱。
有机溶剂引起蛋白质沉淀的主要原因之一是改变了介质的介电常数。有机溶剂的加入使水溶液的介ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ常数降低。介电常数的降低将增加两个相反电荷之间的吸引力。蛋白质分子表面可解离基团的离子化程度减弱，水化程度降低，因此促进了蛋白质分子的聚集和沉淀。
水溶性非离子聚合物如聚乙二醇与蛋白质亲水集团发生相互作用并在空间上阻碍了蛋白质与水相接近。蛋白质在聚乙二醇中的溶解度明显的依赖于聚乙二醇的分子量。
亲和层析：利用蛋白质分子对其配体分子进行特有的识别能力，也即生物学亲和力，建立起来的一种有效的纯化方法。只需要进行一步的处理即可将某种所需蛋白质从复杂的混合物中分离出来，并且纯度相当高。
基本原理：把待纯化的某一蛋白质的特意配体通过适当的化学反应共价地连接到像琼脂糖凝胶一类的载体表面的功能基上。一般在配体和多糖载体之间插入一段长度适当的连接臂或称间隔臂，使配体与凝胶之间保持足够的距离，不致因载体表面的位阻妨碍待分离的分子与配体结合。
盐析沉淀的蛋白质保持着他的天然构象，能再溶解。盐析的中性盐以硫酸铵为最佳，在水中的溶解度很高，而溶解度的温度系数较低。
3、有机溶剂分级分离法：与水互溶的有机溶剂（甲醇、乙醇和丙酮等）能使蛋白质在水中的溶解度显著降低。在室温下有机溶剂会引起蛋白质变性，如果预先将有机溶剂冷却到-40°C以下，然后在不断搅拌下逐滴加入有机溶剂，以防局部浓度过高，那么变性可以得到很大程度缓解。蛋白质在有机溶剂中的溶解度也随温度、pH和离子强度而变化。在一定温度、pH和离子强度条件下，引起蛋白质沉淀的有机溶剂的浓度不同，因此控制有机溶剂浓度也可以分离纯化蛋白质。
（六）高效液相层析和快速蛋白质液相层析
高效液相层析（HPLC）：载体的颗粒愈小，则分辨率愈高，但是洗脱液的流速也愈慢。
反相HPLC广泛用于分离非极性化合物。固定相是非极性的，而流动相是相对极性的。固定相与被分离物只可能有疏水作用，流动相组成的小小变化，例如加入盐、改变pH或有机溶剂量就能成功的影响分离特性。
4、等点聚焦（IEF）分离蛋白质混合物是在具有pH梯度的介质（如浓蔗糖溶液）中进行。在外电场作用下各种蛋白质将移向并聚焦在等于其等电点的梯度处，并形成一个很窄的区带。
pH梯度制作一般利用两性电解质，它是脂肪族多胺和多羧类的同系物，它们具有相近但不相同的解离常数和等电点。在外电场作用下，自然形成pH梯度。
（二）利用溶解度差别
影响蛋白质溶解度的外部因素有：1、溶液的pH；2、离子强度；3、介电常数；4、温度。但在同一的特定外部条件下，不同蛋白质具有不同的溶解度。
1、等电点沉淀：原理：蛋白质处于等电点时，其净电荷为零，由于相邻蛋白质分子之间没有静电斥力而趋于聚集沉淀。因此在其他条件相同时，他的溶解度达到最低点。在等电点之上或者之下时，蛋白质分子携带同种符号的净电荷而互相排斥，阻止了单个分子聚集成沉淀，因此溶解度较大。不同蛋白质具有不同的等电点，利用蛋白质在等电点时的溶解度最低的原理，可以把蛋白质混合物分开。当pH被调到蛋白质混合物中其中一种蛋白质的等电点时，这种蛋白质大部分和全部被沉淀下来，那些等电点高于或低于该pH的蛋白质则仍留在溶液中。这样沉淀出来的蛋白质保持着天然的构象，能重新溶解于适当的pH和一定浓度的盐溶液中。
BCA法，BCA试剂在碱性溶液中与亚铜离子反应生成紫色复合物，该反应比Folin—酚试剂的反应更强。
紫外吸收法：280nm 芳香族化合物的光学效应
考马斯亮蓝结合法：灵敏度高，检测为微克
胶体金测定法：灵敏度最高，胶体金是一种带负电荷的疏水胶体，呈洋红色，遇蛋白质转变为蓝色，颜色改变与蛋白质有定量关系，因此可用于蛋白质的定量。
电泳迁移引起溶液中荷电分子向相反电荷的电极移动，虽然被分析样品因电泳迁移而分离，然而电渗作用使溶液向负极流动，而且电渗电流很强，其速度一般比样品的电泳速率答，因此所有的正、负离子和中性分子都被推向负极。对荷正电分子来说，电泳迁移和电渗流效果是一致的，而且移动最快，最先达到负极。随着被分离的分子接近负极，它们都将通过紫外检测器并把信号传递给记录仪。所得结果是被分离组分的紫外吸收对时间的峰谱。
由于疏水作用层析要求盐析化合物如硫酸铵的存在以促进蛋白质分子表面的疏水区暴露。为使吸附达到最大，可将蛋白质样品的pH调至等电点附近。洗脱方式包括：逐渐降低离子强度或增加pH的洗脱液，或使用对固定相的亲和力以对蛋白质更强的置换剂进行置换洗脱。但是某些洗脱条件可引起蛋白质变性。
（五）利用对配体的特异生物学亲和力的纯化方法
6、离子交换层析：
纤维素离子交换剂：适用于大分子的分离，具有松散的亲水性网状结构。有较大的表面积，大分子可以自由通过。洗脱条件温和，蛋白质回收率高
交联葡聚糖离子交换剂：即可以根据分子的净电荷数量，又可以根据分子的大小（分子筛效应）进行分离。
蛋白质对离子交换剂的结合力取决于彼此之间相反电荷基团的静电吸引，而这又和溶液的pH有关，因为pH决定离子交换剂和蛋白质的电离程度。盐浓度的微小变化就会直接影响它对蛋白质电荷吸附容量。因此蛋白质混合物的分离可以由改变溶液中的盐离子强度和pH完成，对离子交换剂结合力小的蛋白质先从层析柱中洗脱出来。
氨基酸混合物特别是寡聚核苷酸混合物一次电泳往往不能完全分开。这种情况可以将第一次电泳分开的斑点通过支持介质间的接触印迹转移到第二个支持介质上，旋转90°，进行第二次电泳。这种方法称为双向电泳。
2、聚丙烯酰胺凝胶电泳：以聚丙烯酰胺凝胶为支持物，一般制成凝胶柱或凝胶板，凝胶是由相连的两部分组成（小的部分是浓缩胶，大的部分为分离胶），这两部分凝胶的浓度、缓冲液组分和离子强度、pH以及电场强度都是不同的，即不连续性。电泳时样品首先在不连续的两相间积聚浓缩而成很薄的起始区带，然后再进行电泳分离。
8、离子交换层析：原理：氨基酸分离常用阳离子交换树脂，树脂被处理成钠型，将混合氨基酸上柱，氨基酸主要以阳离子形式存在，在树脂上与钠离子发生交换，而被挂在树脂上。
（四）利用选择性吸附剂的纯化方法
某些称为吸附剂的固体物质具有吸附能力，能够将其他种类的分子吸附在自己的表面，吸附力的强弱因被吸附物质的性质而异。吸附过程涉及范德华力相互作用和请见氢键非离子吸引。吸附层析就是利用待纯化的分子和杂质分子与吸附剂之间的吸附能力和解吸性质不同而达到分离目的的。典型的吸附剂有硅胶、氧化铝、活性炭等。硅胶适用于分离碱性物质，氧化铝适用于分离酸性物质，活性炭是一种非极性吸附剂。一般选择其极性与待分离的混合物中极性最大组分的极性相当的洗脱液。因此，如果待分离物含有羟基，则选择醇类，含羰基则选用丙酮或脂类。烃类如己烷、庚烷和甲苯则用于非极性物质的分离。吸附层析可采用薄层或柱方式进行。
5、层析聚焦：根据蛋白质的等电点差异分离蛋白质混合物的柱层析方法。
原理：当用特种缓冲液滴洗填充在柱中的特种多缓冲交换剂时，就会在层析柱中自上而下自动的建立起连续的pH梯度；同时加在柱上端的蛋白质样品也随多缓冲液的展开按各自的等电点聚焦在相应的pH区段。并在展开过程中随pH梯度下移，蛋白质混合物的各组分先后从柱中流出，达到分离纯化的目的。
1、羟磷灰石层析：用于分离蛋白质或核酸。最重要的用途之一就是吧单链DNA和双链DNA分开。羟磷灰石对双链DNA亲和力很大，一直用羟磷灰石层析能从含RNA和蛋白质的细胞提取液中选择性的出去DNA。
2、疏水作用层析：根据蛋白质表面的疏水性差别发展起来的一种纯化技术。这种差别也用于盐分级分离。连在支持介质上的疏水集团与蛋白质表面暴露出来的集团结合。
5、盐析与盐溶 ：原理：低浓度时，中性盐可以增加蛋白质溶解度这种现象称为盐溶.盐溶作用主要是由于蛋白质分子吸附某种盐类离子后，带电层使蛋白质分子彼此排斥，而蛋白质与水分子之间的相互作用却加强，因而溶解度增高。球蛋白溶液在透析过程中往往沉淀析出，这就是因为透析除去了盐类离子，使蛋白质分子之间的相互吸引增加，引起蛋白质分子的凝集并沉淀。当溶液的离子强度增加到一定程度时，蛋白质溶解程度开始下降。当离子强度增加到足够高时，例如饱和或半饱和程度，很多蛋白质可以从水中沉淀出来，这种现象称为盐析。盐析作用主要是由于大量中性盐的加入使水的活度降低，原来溶液中的大部分甚至全部的自由水转变为盐离子的水化水。此时那些被迫与蛋白质表面的疏水集团接触并掩盖他们的水分子成为下一步最自由的可利用的水分子，因此被移去以溶剂化盐离子，留下暴露出来的疏水基团。蛋白质疏水表面进一步暴露，由于疏水作用蛋白质聚集而沉淀。
快速蛋白质液相层析（FPLC）专门用于蛋白质分离，是基于反相、亲和、排阻、疏水作用、离子交换和等点聚焦层析，能用于分离微量样品。
蛋白质含量的测定：凯氏定氮法、双缩脲法、Folin—酚试剂法、紫外吸收法、染料结合法和胶体金测定法。
Folin—酚试剂能定量的与亚铜离子反应，亚铜离子是由蛋白质的易氧化成分还原铜离子而产生的。
测定蛋白质混合物中某一特定蛋白质的含量通常要用具有高度特异性的生物学方法。具有酶或激素性质的蛋白质可以利用他们的酶活性或激素活性来测定含量。
大多数蛋白质在注入适当动物的血流中时，会产生抗体。利用抗体抗原反应，也可以测定某一特定蛋白质的含量。
蛋白质纯度检测：电泳、沉降、HPLC和溶解度分析
电泳有三种物理效应：1、样品的浓度效应；2、凝胶对被分离分子的筛选效应；3、一般电泳分离的电荷效应。
3、毛细管电泳：高效毛细管电泳、毛细管区带电泳、自由溶液毛细管电泳、毛细管电泳，可分离氨基酸、肽、蛋白质、DNA片段和核酸以及多种小分子，也可用于手性化合物的分离。
毛细管减少了由于热效应产生的许多问题，可以提高热散失，有助于消除由于热引起的扩散增加而造成的对流和区带变宽，因此管中不需要加入稳定介质即可进行自由流动电泳。
洗脱时，必须控制洗脱体积（与柱床体积相比）和洗脱液的盐离子浓度和pH。洗脱液体积和盐浓度变化形式（梯度形式）直接影响层析的分辨率。
通常采用的梯度形式有线性（形），凸形，凹形和复合型四种。
7、SDS-PAGE 全称 十二烷基硫酸钠—聚丙烯酰胺凝胶电泳
原理：通过加热和SDS可以使蛋白质变性，多亚基的蛋白质也解离为单亚基，处理后的样品中肽链是处于无二硫键连接的，分离的状态。电泳时SDS-蛋白质复合物在凝胶中的迁移率不再受蛋白质原有电荷和形状的影响，而主要取决于蛋白质分子量。所以SDS-PAGE常用来分析蛋白质的纯度和大致测定蛋白质的分子量。
1、电泳：在外电场的作用下，带点颗粒将向着与其电性相反的电极移动，这种现象称为电泳。电泳技术可用于氨基酸、肽、蛋白质和核苷酸等生物分子的分析分离和制备。
区带电泳是由于在支持物上电泳蛋白质混合物被分离为若干区带。
电泳前用缓冲液浸润薄膜或滤纸等支持物或用缓冲液直接配置成凝胶，将待分离的蛋白质样品加在它的一端或中央，支持物的两端与电极连接，通电电泳。电泳完毕，各个组分分布在不同的区域，用显色剂（蛋白质可用考马斯亮蓝或氨基黑等染色）显色后可以显示出各个组分。
4、温度对蛋白质溶解度的影响：在一定温度范围内，约0~40℃之间，大部分球状蛋白的溶解度随温度升高而增加，在40~50℃以上，大部分蛋白质变得不稳定并开始变性，一般在中性pH介质中即失去溶解力。大多数蛋白质在低温下比较稳定，因此蛋白质的分级分离操作一般都在0℃或更低的温度下进行。
（三）根据电荷不同
根据蛋白质的电荷不同即酸碱性质不同分离蛋白质混合物的方法有电泳和离子交换层析两类。