第四章沉淀法
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( 3 )中和电荷,减少静电斥力, 中性盐加入蛋
盐析过程
当中性盐加入蛋白质分散体系时可能出现以下两 种情况: (1)“盐溶”现象(salt-in)—低盐浓度下,增加蛋 白质分子间静电斥力,蛋白质溶解度增大 。 (2)“盐析”现象(salt-out)—高盐浓度下,中和 电荷、破坏水化膜,蛋白质溶解度随之下降 。
1)盐析用盐的选择
盐析作用要强
盐析用盐需有较大的溶解度
盐析用盐必须是惰性的
来源丰富、经济
盐析用盐的选择
在相同离子强度下,盐的种类对蛋白质溶解度的影响有 一定差异,一般的规律为:半径小的高价离子的盐析作 用较强,半径大的低价离子作用较弱 阴离子盐析效果 : 柠檬酸>PO43- >SO42- >CH3COO-> Cl-> NO3->SCN阳离子盐析效果: NH4+ > K+>Na+ >高价阳离子 阴离子的影响大于阳离子
盐析的影响因素:3)蛋白质浓度
沉淀蛋白质盐的浓度范围并不是固定的,而是和起始 浓度有关。 高浓度蛋白溶液可以节约盐的用量,若蛋白浓度过高, 会发生严重共沉淀作用,除杂蛋白的效果会明显下降。 在低浓度蛋白质溶液中盐析,所用的盐量较多,共沉淀 作用比较少,但回收率会降低。 因此需要在两者之间进行适当选择。 分步分离提纯时,宁可选择稀一些的蛋白质溶液,多加 一点中性盐,使共沉淀作用减至最低限度。 一般认为2.5%-3.0%的蛋白质浓度比较适中。相当于25 mg/mL~30mg/mL。
盐析注意事项
硫酸铵的使用 硫酸铵中常含有少量的重金属离子,对蛋白质巯基有 敏感作用,使用前用H2S处理 高浓度的硫酸铵溶液一般呈酸性(PH=5.0左右),使 用前也需要用氨水调节至所需PH。 硫酸铵容易吸潮,计算饱和度需注意 盐析后一般放臵半小时至一小时,待沉淀完全后才过 滤或离心。过滤多用于高浓度硫酸铵溶液,因为此种 情况下,硫酸铵密度较大,若用离心法需要较高离心 速度和长时间的离心操作,耗时耗能。离心多用于较 低浓度硫酸铵溶液。
1. 什么是沉淀法? 2. 沉淀法纯化蛋白质的优点有哪些?
3. 常用的沉淀方法包括哪些?
4. 何谓盐析?其原理是什么? 6. 有机溶剂沉淀法的原理是什么? 7. 影响有机溶剂沉析的主要因素有哪些? 8. 等电点沉析的工作原理是什么?
5. 常用的盐是什么,影响盐析的主要因素有哪些?
概述
沉淀:利用沉析剂使生化物质在溶液中的溶解度降低 而形成无定形固体沉淀的过程。 沉淀法的目的: 通过沉淀达到浓缩的目的; 沉淀方法可有选择地沉淀杂质或有选择地沉淀所需 成分,初步纯化 ; 将已纯化的产品由液态变成固态,加以保存或进一 步处理。 沉淀法是最古老的分离和纯化生物物质的方法,但目 前仍广泛应用在工业上和实验室中。
pH值
lgS β
8 OA-卵清蛋白 COHb-碳氧血红蛋白 OA 7 6 5 4 3 COHb 3 4 5 6 7 8 PH 以磷酸盐沉淀COHb和以硫酸铵 沉淀OA时,β随 pH的变化
两种蛋白质的相对溶解 度会随pH而变化很大;
β随pH 变化 (1)对数关系 (2) 等电点附近有极小值
盐析影响因素:2)温度的影响
盐析用盐的选择
盐析中常用的盐:硫酸铵、硫酸钠、磷酸钾、磷酸钠 硫酸铵是最常用的蛋白质盐析沉淀剂
(1) 价廉 ; (2) 溶解度大,温度系数小,许多蛋白质可以盐析出来;
(3) 硫酸铵分段盐析效果也比其他盐好,
(4) 不易引起蛋白质变性。
缺点: n(1)水解变酸; n(2)高pH 释氨,腐蚀; n(3)残留产品有影响。
等电点沉淀法
在低的离子强度下,调 pH至等电点,使蛋白质 所带净电荷为零,降低 了静电斥力,而疏水力 能使分子间相互吸引, 形成沉淀的操作称为等 电点沉淀 不同的两性电解质具有 不同的等电点,以此为 基础可进行分离。 生产胰岛素时,在粗提 液中先调PH8.0去除碱性 蛋白质,再调PH3.0去除 酸性蛋白质。
生物分离过程的一般流程
原料液 细胞分离(离心,过滤) 细胞-胞内产物 路线一B 包含体 溶解(加盐酸胍、脲) 细胞破碎 碎片分离 路线一 路线二 清液-胞外产物
路线一A
粗分离(沉淀/超过滤/萃取)
纯化(层析、离子交换、吸附)
脱盐(凝胶过滤、超滤) 浓缩(超滤) 精制(结晶、干燥)
复性
通过本章学习应掌握以下内容
性不强
沉淀法的分类
根据所加入的沉淀剂的不同,沉淀法可以分为: (1) 盐析法; (2)等电点沉淀法; (3)有机溶剂沉淀法; (4)非离子型聚合物沉淀法; (5)聚电解质沉淀法; (6)复合盐沉淀法等 (7)亲和沉淀法 (8)选择性沉淀法。
4.1 蛋白质的溶解特性
n
n
n
n
蛋白质是两性高分子电解质(amphoteric polymer),主要由疏水性各不相同的 20 种氨基 酸组成。 在水溶液中,多肽链中的疏水性氨基酸残基具有向 内部折叠的趋势,即便如此,一般仍有部分疏水性 氨基酸残基暴露在外表面,形成疏水区。疏水性氨 基酸含量高的蛋白质的疏水区大,疏水性强。 亲水性氨基酸残基基本分布在蛋白质立体结构的外 表面。 因此,蛋白质表面由不均匀分布的荷电基团形成荷 电区、亲水区和疏水区构成。
对起始浓度为 30g/L的COMb溶液,大部分蛋白质在硫
酸铵饱和度为 58-65%之间沉淀出来; 但对稀释10倍的 COMb溶液,饱和度达到66%时才开始 沉淀,而相应的沉淀范围为66-73%饱和度。
盐析注意事项
选择适宜饱和度 采用分步盐析 盐析的成败决定于溶液的pH值与离子强度,稳定pH 用磷酸
概述
沉淀法的原理: 生物分子在水中形成稳定的溶液是有条件的, 这些就是溶液的各种理化参数。任何能够影响 这些条件的因素都会破坏溶液的稳定性。 沉淀法基本原理就是采用适当的措施改变溶液 的理化参数,控制溶液的各种成分的溶解度, 根据不同物质在溶剂中的溶解度不同而达到分 离的目的。 溶剂组分的改变或加入某些沉淀剂以及改变溶 液的pH值、离子强度和极性都会使溶质的溶解 度产生明显的改变。
在低离子强度或纯水中,蛋白
质溶解度在一定范围内随温度 增加而增加。 但在高浓度下,蛋白质、酶和 多肽类物质的溶解度随温度上 升而下降。 在一般情况下,蛋白质对盐析 温度无特殊要求,可在室温下 进行,只有某些对温度比较敏 感的酶要求在0-4℃进行。 β随温度升高减小,热促失水 膜 Ks不随温度而变
Cohn经验式
蛋白质溶解度与盐浓度的关系
㏒ S=β-KsI
S—蛋白质的溶解度,g/L; I-离子强度, I=1/2∑mizi2 mi—离子 i的摩尔浓度; Zi—所带电荷 β—常数,图中截距 Ks—盐析常数,图中直线斜率
β和Ks的物理意义
β—β代表截距,即当离子强度为零,也就是纯水中的 假想溶解度的对数。与蛋白质种类、温度、pH值有关, 与盐无关; Ks—盐析常数,代表图中直线的斜率; 从一些实验结果表明,Ks与温度和pH无关,但和蛋白质 与盐的种类有关。但这种变化不是很大,例如以硫酸 铵作为沉淀剂时,Ks值对不同的蛋白质来说,其变化 不会超过1倍。
pH=pI
等电点沉淀法
1.0
未沉淀Biblioteka Baidu白质的分率
0.8 0.6 0.4 0.2 1 2 3 4 5 6 7 8 pH 对大豆蛋白质 溶解度的影响
图16-10表示大豆蛋白的溶解度随pH的变化情况。
盐加到蛋白质溶液中,高浓度的盐离子有很强的水化 力,于是蛋白质分子周围的水化膜层减弱乃至消失, 使蛋白质分子因热运动碰撞聚集。
( 2 )破坏水化膜,暴露出憎水区域, 由于憎水
区域间作用使蛋白质聚集而沉淀,憎水区域越多,越 易沉淀。 白质溶液后,蛋白质表面电荷大量被中和,静电斥力 降低,导致蛋白溶解度降低,使蛋白质分子之间聚集 而沉淀。
总蛋白
目标蛋白质
40
60
80
100
硫酸铵盐析过程 最适饱和度是30%,55%
盐析的影响因素:1)pH值
一般来说,蛋白质所带净电荷越多溶解度越大,
净电荷越少溶解度越小,在等电点时蛋白质溶解 度最小。 为提高盐析效率,多将溶液pH值调到目的蛋白的 等电点处。 注意在水中或稀盐液中的蛋白质等电点与高盐浓 度下所测的结果是不同的,需根据实际情况调整 溶液PH值,以达到最好的盐析效果。
沉淀完全后,让初生成的沉淀与母液一起放置一段时间,这个过程 称为“陈化”。
概述
沉淀法不仅用于实验室中,因其不需专门设备, 且易于放大,也广泛用于生产的制备过程, 是分离纯化生物大分子,特别是制备蛋白质和酶 时最常用的方法。
优点:操作简单、经济、浓缩倍数高 缺点:针对复杂体系而言,分离度不高、选择
盐析法特点:
1. 2.
3.
4.
成本低,不需要特别昂贵的设备。 操作简单、安全。 不会引起蛋白质变性,经透析去盐后,能得 到保持生物活性的纯化蛋白质。 分离效果不理想,通常只是作为初步的分离 纯化,还需要结合其它的纯化方法。
4.3等电点沉淀法
isoelectric point precipitation
蛋白质的溶解特性
n
n
n
蛋白质的溶解行为由其组成、构象以及 分子周围溶液性质所决定。 蛋白质在自然环境中通常是可溶的,所 以其大部分是亲水的,但其内部大部分 是疏水的。 一般而言,小分子蛋白质比起在化学上 类似的大分子蛋白质更易溶解。
防止蛋白质凝聚沉淀的屏障
⑴蛋白质周围的水化层(hydration shell),
n
虽然Cohn公式能够描述盐析状态下蛋白 质的溶解度,但它不能体现低盐浓度 (盐溶状态)下蛋白质的溶解度。
分段盐析(fractional salting out)
由于不同的蛋白质溶解度 不同,沉淀时所需的离子 上 强度也不相同, 清 如果需要先除去些杂蛋白, 液 然后在较高的饱和度下, 蛋 沉淀目标蛋白质,则可采 白 用分段盐析 浓 改变盐的浓度,可将混合 度 液中的蛋白质分批盐析分 开。 如半饱和硫酸铵可沉淀血 浆球蛋白,饱和硫酸铵则 0 20 可沉淀包括血浆清蛋白。
概述
n
n
沉淀操作常在发酵液经过过滤和离心(除去不 溶性杂质及细胞碎片)以后进行,得到的沉析 物可直接干燥制得成品或经进一步提纯,如透 析、超滤、层析或结晶制得高纯度生化产品。 操作方式可分连续法或间歇法两种,规模较小 时,常采用间歇法。不管哪一种方式操作步骤 通常按三步进行:
概述
沉淀法操作步骤 : ①首先加入沉淀剂, ②沉淀剂的陈化,促进粒子生长; ③离心或过滤,收集沉淀物。 加沉淀剂的方式和陈化条件对产物的纯度、收 率和沉淀物的形状都有很大影响。
n
2)盐浓度对盐析效果的影响
一般说来,离子强度越大,蛋白质的溶解度越
低。 在进行分离的时候,一般从低离子强度到高离 子强度顺次进行。 每一组分被盐析出来后,经过过滤或冷冻离心 收集,再在溶液中逐渐提高中性盐的饱和度, 使另一种蛋白质组分盐析出来。 组成相近的蛋白质,分子量越大,沉淀所需盐 的量越少;蛋白质分子不对称性越大,也越易 沉淀。
盐析
概念:在高浓度的中性盐存在下,蛋白质(酶)等 生物大分子物质在水溶液中的溶解度降低,产生沉 淀的过程。 盐析是可逆的,而变性是不可逆的
早在1859年,中性盐盐析法就被用于从血液中分离 蛋白质,随后又在尿蛋白、血浆蛋白等的分离和分 级中使用,得到了比较满意的结果。
盐析法机理
(1)破坏水化膜,分子间易碰撞聚集, 将大量
缓冲液 在加入盐时应该缓慢均匀,搅拌也要缓慢,越到后来速度应 该更注意缓慢,如果出现一些未溶解的盐,应该等其完全溶 解后再加盐,以免引起局部的盐浓度过高,导致酶失活。 盐析后最好缓慢搅拌一个小时而且再在冰浴中放臵一段时间。 为了避免盐对酶的影响,一般脱盐处理后再测酶活性。 盐析后的蛋白质最好尽快脱盐处理,以免变性,透析较慢, 一般可用超滤
保护了蛋白质粒子,避免了相互碰撞,使蛋白 质形成稳定的胶体溶液。 ⑵蛋白质两性电解质,分子间静电排斥作用。 (存在双电层)蛋白质粒子在水溶液中是带电 的,带电的原因主要是吸附溶液中的离子或自 身基团的电离。蛋白质表面的电荷与溶液中反 离子的电荷构成双电层。
4.2盐析
Salt induced precipitation