蛋白质提取与制备蛋白质种类很多,性质上的差异很大,既或是同类蛋白质,因选用材料不同,使用方法差别也很大,且又处于不同的体系中,因此不可能有一个固定的程序适用各类蛋白质的分离.但多数分离工作中的关键部分基本手段还是共同的,大部分蛋白质均可溶于水、稀盐、稀酸或稀碱溶液中,少数与脂类结合的蛋白质溶于乙醇、丙酮及丁醇等有机溶剂中.因此可采用不同溶剂提取、分离及纯化蛋白质和酶.
蛋白质与酶在不同溶剂中溶解度的差异,主要取决于蛋白中非极性疏水基团与极性亲水基团的比例,其次取决于这些基团的排列和偶极矩.故结构性质是不同蛋白质溶解差异的内因.温度、pH、离子强度等是影响蛋白质溶解度的条件.提取蛋白质时常根据这些内外因素综合加以利用.将细胞内蛋白质提取出来.并与其它不需要的物质分开.但动物材料中的蛋白质有些可溶性的形式存在于体液(如血浆、消化硫等)中,可以不必经过提取直接进行分离.蛋白质中的角蛋白、胶原及丝蛋白等不溶性蛋白质,只需要适当的溶剂洗去可溶性的伴随物,如脂类、糖类以及其他可溶性蛋白质,最后剩下的就是不溶性蛋白质.这些蛋白质经细胞破碎后,用水、稀盐酸及缓冲液等适当溶剂,将蛋白质溶解出来,再用离心法除去不溶物,即得粗提取液.水适用于白蛋白类蛋白质的抽提.如果抽提物的pH 用适当缓冲液控制时,共稳定性及溶解度均能增加.如球蛋白类能溶于稀盐溶液中,脂蛋白可用稀的去垢剂溶液如十二烷基硫酸钠、洋地黄皂苷(Digitonin)溶液或有机溶剂来抽提.其它不溶于水的蛋白质通常用稀碱溶液抽提.
缀合蛋白(包括磷蛋白、粘蛋白、糖蛋白、核蛋白、脂蛋白、血红蛋白、金属蛋白、黄素蛋白和氮苯蛋白等): 此类蛋白质溶解性质随蛋白质与非蛋白质结合部分的不同而异,除脂蛋白外,一般可溶于稀酸、稀碱及盐溶液中,脂蛋白如脂肪部分露于外,则脂溶性占优势,如脂肪部分被包围于之中,则水溶性占优势.
蛋白质的制备是一项十分细致的工作.涉及物理学、化学和生物学的知识很广.近年来虽然有了不改进,但其主要原理仍不外乎两个方面：
一是利用混合物中几个组分分配率的差别,把它们分配于可用机械方法分离的两个或几个物相中,如盐析、有机溶剂提取、层析和结晶等;
二是将混合物置于单一物相中,通过物理力场的作用使各组分分配于不同区域而达到分离的目的,如电泳、超离心、超滤等.由于蛋白质不能溶化,也不能蒸发,所能分配的物相只限于固相和液相,并在这两相间互相交替进行分离纯化.
制备方法可按照大小、形状、带电性质及溶解度等主要因素进行分类.按大小和形态分为差速离心、超滤、筛及透析等方法;按溶解度分为盐析、溶剂抽提、分配层析、逆流分配及结晶等方法;按电荷差异分为电泳、电渗析、等电点沉淀、离子交换层析及吸附层析等;按生物功能性有亲合层析法等. 由于不同生物大结构及理化性质不同,分离方法也不一样.即同一类生物大由于选用材料不同,使用方法差别也很大.因此很难有一个统一标准的方法对任何蛋白质均可循用.因此实验前应进行充分调查研究,查阅有关文献资料,对欲分离提纯物质的物理、化学及生物学性质先有一定了解,然后再着手进行实验工作.对于一个未知结构及性质的试样进行创造性的分离提纯时,更需要经过各种方法比较和摸索,才能找到一些工作规律和获得预期结果.其次在分离提纯工作前,常须建立相应的分析鉴定方法,以正确指导整个分离纯化工作的顺利进行.高度提纯某一生物大,一般要经过多种方法、步骤及不断变换各种条件才能达到目的.因此,整个实验过程方法的优劣,选择条件效果的好坏,均须通过分析鉴定来判明.
另一方面,蛋白质常以与其他生物体物质结合形式存在,因此也易与这些物质结合,这给分离精制带来了困难.如极微量的金属和糖对巨大蛋白质的稳定性起决定作用,若被除去则不稳定的蛋白质结晶化的难度也随之增加.如高峰淀粉酶A的Ca2+,胰岛素Zn2+等.此外,高蛋白质具有一定的立体构象,相当不稳定,如前所述极易变性、变构,因此了分离精制的方法.通常是根据具体对象联用各种方法.为得到天然状态的蛋白质,尽量采用温和的手段,如中性、低温、避免起泡等,并还要注意防腐.
注意共存成分的影响.如蝮蛇粗毒的蛋白质水解酶活性很高,在分离纯化中需引起重视.纯化蝮蛇神经毒素时,当室温超过20℃时,几乎得不到神经毒素.蝮蛇毒中的蛋白水解酶能被0.1mol/L EDTA完全,因此在进行柱层析前先将粗毒素0.1mol/LEDTA溶液处理,即使在室温高于20℃,仍能很好的得到神经毒素.
不论是哪一阶段使用哪一种方法,均必须在操作中保存生物大结构的完整性.保存活性防止变性及降解现象的发生.因空间结构主要依靠氢键、盐键和范德华力的存在,遇酸、遇碱、高温、剧烈的机械作用及强烈的辐射等均可导致活性.因此选择的条件应为十分温和.同时应注意防止系统中重金属离子、细胞自身酶系及其他有毒物质的污染.
早年为了研究的方便,尽量寻找含某种蛋白质丰富的器官从中提取蛋白质.但至目前经常遇到的多是含量低的器官或组织且量也很小,如下丘脑、松果体、细胞膜或内膜等原材料,因而对提取要求更复杂一些.
原料的选择主要依据实验目的定.从工业生产角度考虑,注意选含量高、来源丰富及成本低的原料.尽量要新鲜原料.但有时这几方面不同时具备.含量丰富但来源困难,或含量来源均理想,但分离纯化操作繁琐,反而不如含量略低些易于获得纯品者.一般要注意种属的关系,如鲣的心肌细胞色素C较马的易结晶,马的血红蛋白 较牛的易结晶.要事前调查制备的难易情况.若利用蛋白质的活性,对原料的种属应几乎无影响.如利用胰蛋白酶水解蛋白质的活性,用猪或牛胰脏均可.但若研究蛋白质自身的性质及结构时,原料的来源种属必须一定.研究由于病态引起的特殊蛋白质(本斯.琼斯氏蛋白、贫血血红蛋白)时,不但使用种属一定的原料,而且要取自同一个体的原料.可能时尽量用全年均可采到的原料.对动物生理状态间的差异(如饥饿时脂肪和糖类相对减少),采收期及产地等因素也要注意.二、前处理
材料选定通常要进行处理.要剔除结缔组织及脂肪组织.如不能立即进行实验,则应冷冻保存.除了提取及胞细外成分,对细胞内及多细胞生物组织中的蛋白质的分离提取均须先将细胞破碎,使其充分到溶液中.不同生物体或同一生物体不同的组织,其细胞难易不一,使用方法也不完全相同.如动物胰、肝、脑组织一般较柔软,作普通匀浆器磨研即可,肌肉及心组织较韧,需预先绞碎再制成匀桨.
主要通过机械切力的作用使组织细胞.常用器械有：①高速组织捣碎机(转速可达10000rpm,具高速转动的锋利的刀片),宜用于动物内脏组织的破碎;②玻璃匀浆器(用两个磨砂面相互摩擦,将细胞磨碎),适用于少量材料,也可用不锈钢或硬质塑料等,两面间隔只有十分之几毫米,对细胞破碎程度较高速捣碎机高,机械切力对较小.小量的也可用乳钵与适当的缓冲剂磨碎提取,也可加氧化铝、石英砂及玻璃粉磨细.但在磨细时局部往往生热导致变性或 pH显著变化,尤其用玻璃粉和氧化铝时.磨细剂的吸附也可导致损失.
于冷藏库或干冰反复于零下15～20℃使之冻固,然后缓慢地融解,如此反复操作,使大部分细胞及细胞内颗粒.由于渗透压的变化,使结合水冻结产生组织的变性,冰片将细胞膜破碎,使蛋白质可溶化,成为粘稠的浓溶液,但脂蛋白 冻结变性.
于9～10千周声波或10～500千周超声波所产生的机械振动,只要有设备该法方便且效果也好,但一次处理量较小.应用超声波处理时应注意避免溶液中气泡的存在.处理一些超声波的蛋白质酶时宜慎重.
粉碎后的新鲜材料在0℃以下加入5～10倍量的丙酮,迅速搅拌均匀,可破碎细胞膜,蛋白质与脂质的结合.蛋白质一般不变性,被脱脂和脱水成为干燥粉末.用少量洗,经滤纸干燥,如脱氢酶等可保存数月不失去活性.
将待破碎的鲜材料在一定pH和适当的温度下,利用自身的蛋白酶将细胞,使细胞内含物出来.比较稳定,变性较难,蛋白质不被分解而可溶化.利用该法可从胰脏制取羧肽酶.自体融解时需要时间,需加少量甲苯、氯仿等.应防止细菌污染.于温室30℃左右较早溶化.自体融解过程中PH显著变化,随时要调节pH.自溶温度选在0～4℃,因自溶时间较长,不易控制,所以制备活性蛋白质时较少用.
与前述的自体融法同理,用胰蛋白酶等蛋白酶除去变性蛋白质.但值得提出的是溶菌酶处理时,它能水解构成枯草菌等菌体膜的多糖类.能溶解菌的酶分布很广.尤其卵白中含量高,而多易结晶化.1g菌体加1～10mg溶菌酶,pH6.2～7.01h内完全溶菌.于生理食盐水或0.2mol蔗糖溶液中溶菌,虽失去细胞膜,但原形质没有脱出.除溶菌酶外,蜗牛酶及纤维素酶也常被选为细菌及植物细胞用.
制备某一种生物大需要采用细胞中某一部分的材料,或者为了纯化某一特定细胞器上的生物大,防止其他细胞组分的干扰,细胞破碎后常将细胞内各组分先行分离,对于制备一些难度较大需求纯度较高的生物大是有利的.尤其近年来生物学、遗传学、遗传工程等学科和技术的发展,对分布在各种细胞器上的核酸和蛋白质的研究工作日益增多,分离各种细胞器上的各类核酸和性蛋白质已成为生物大制备工作重要内容之一.各类生物大在细胞内的分布是不同的.DNA几乎全部集中在细胞核内.RNA则大部分分布于细胞质.各种酶在细胞内分布也有一定.因此制备细胞器上的生物大时,预先须对整个细胞结构和各类生物大在细胞内分布匹有所了解.
细胞膜：载体与受体蛋白、抗蛋、ATP酶、环化腺苷酶、5’-核苷酸酶、琥珀酸脱
氢酶、葡萄糖-6-磷酸酶等 ,细胞液 嘧啶和嘌呤代谢、氨基酸合成酶系、可溶性蛋白类 RNA(主要为tRNA)占总量30%.
细胞器的分离一般采用差速离心法.细胞经过破碎后,在适当介质中进行差速离心.利用细胞各组分质量大小不同,沉降于离心管内不同区域,分离后即得所需组分.细胞器的分离制备、介质的选择十分重要.最早使用的介质是生理盐水.因它容易使亚细胞颗粒发生聚集作用结成块状,沉淀分离效果不理想,现一般改用蔗糖、Ficoll(一种蔗糖多聚物)或葡萄糖-聚乙二醇等高溶液.
大部分蛋白质均溶于水、稀盐、稀碱或稀酸溶液中.因此蛋白质的提取一般以水为主.稀盐溶液和缓冲溶液对蛋白质稳定性好、溶度大,也是提取蛋白质的最常用溶剂.以盐溶液及缓冲液提取蛋白质经常注意下面几个因素.
等渗盐溶液尤以0.02～0.05mol/L磷酸盐缓冲液和碳酸盐缓冲液常用.0.15mol/L氯化钠溶液应用也较多.如6-磷酸葡萄糖脱氢酶用 0.1mol/L碳酸氢钠液提取等.有时为了螯合某些金属离子和解离酶与其他杂质的静电结合,也常使用枸橼酸钠缓冲液和焦磷酸钠缓冲液.有些蛋白质在低盐浓度下浓度低,如脱氧核糖核蛋白质需用1mol/L以上氯化钠液提取.总之,只要能溶解在水溶液中而与细胞颗粒结合不太紧密的蛋白质和酶,细胞破碎后选择适当的盐浓度及PH,一般是不难提取的.只有某些与细胞颗粒上的脂类物质结合较紧的,需采用有机溶剂或加入表面活性剂处理等方法提取.
蛋白质提取液的PH值首先应在蛋白质稳定的范围内,即选择在偏离等电点两侧.如碱性蛋白质则选在偏酸一侧,酸性蛋白质选择偏碱一侧,以增大蛋白质的溶解度,提高提取效果.如细胞色素C属碱性蛋白质,常用稀酸提取,肌肉甘油醛-3-磷酸脱氢酶属酸性蛋白质,用稀碱提取.某些蛋白质或酶与其分物质结合常以离子键形式存在,选择pH3～6范围对于分离提取是有利的.
多数酶的提取温度在5℃以下.少数对温度耐受性较高的蛋白质和酶,可适当提高温度,使杂蛋白变性分离且也有利于提取和进一步纯化.如胃蛋白酶等及许多多肽激素类,选择37～50℃条件下提取,效果比低温提取更好.
有机溶剂提取用于提取蛋白质的实例至今是不多的.但一些和脂结合较牢或中非极性侧链较多的蛋白质,不溶于水、稀盐或稀碱液中,可用不同比例的有机溶剂提取.从一些粒线体(Mitochondria)及微粒体(Microsome)等含多量脂质物质中提取蛋白质时,采用Morton的丁醇法效果较好.因丁醇使蛋白质的变性较少,亲脂性强,易透入细胞内部,与水也能溶解10%,因此具有脂质与水之间的表面活性作用,可占据蛋白质与脂质的结合点,也阻碍蛋白质与脂质的再结合,使蛋白质在水中溶解能力大大增加.丁醇提取法的pH及温度选择范围较广(pH3～10,温度-2℃至40℃).国内用该法曾成功地提取了琥珀酸脱氢酶.丁醇法对提取碱性磷酸脂酶效果也是十分显著的.胰岛素既能溶于稀酸、稀碱又能溶于酸性乙醇或酸性丙酮中.以60―70%的酸性乙醇提取效果最好,一方面可蛋白质水解酶对胰岛素的,同时也达到大量除去杂蛋白的目的.3.表面活性剂的利用
表面活性剂有阴离子型(如脂肪酸盐、烷基苯磺酸盐及胆酸盐等),阳离子型(如氧化苄烷基二甲基铵等)及非离子型(Triton X-100 、Tirton X-114、吐温60及吐温80)等.非离子型表面活性剂比离子型温和,不易引起酶失活,使用较多.对于膜结构上的脂蛋白和结构,己广泛采用胆酸盐处理,两者形成复合物,并带上净电荷,由于电荷再作用使膜破裂.近年来研究膜蛋白使用表面活性剂的稀溶液提取时,较喜欢用非离子型表面活性剂.
在各种细胞中普遍存在着蛋白水解酶,提取时要注意防止由它引起的水解.前面所讲的降低提取温度其目的之一也是防止蛋白水解酶的水解.多数蛋白水解酶的最适PH在3～5或更高些,因在较低PH条件下可降低蛋白质水解酶引起的程度.低pH可使许多酶的酶原在提取过程中不致激活而保留在酶原状态,不表现水解活力.加蛋白质水解酶的剂也同样起作用,如以丝氨酸为活性中心的酶加二异丙基氟磷酸,以巯基为中心的酶加对氯汞苯甲酸等.提取溶液中加有机溶剂时也能产生相类似的作用.蛋白水解酶的性质变化很大,上述条件均视具体对象而变化.
有一些蛋白含巯基,这些巯基可能是活性所必需.在提取这种蛋白不要带入金属离子和氧化剂.前者可往提取液中加金属螯合剂如EDTA,后者可加入还原剂如抗坏血酸.有某些蛋白质带一些非共价键结合的配基.提取时要注意,不要使酸基丢失.
从破碎材料或细胞器提出的蛋白质是不纯的,需进一步纯化.纯化包括将蛋白质与非蛋白质分开,将各种不同的蛋白质分开.选择提取条件时,就要考虑尽量除去非蛋白质.一般总是有其它物质伴随混入提取液中.但有些杂质(如脂肪)以事先除去为宜.先除去便于以后操作.常用有机溶剂提取除去.
对于异类物质,提纯蛋白质和酶时常混有核酸或多糖,一般可用性酶水解,有机溶剂抽取及选择性部分沉淀等方法处理.小物质常在整个制备过程中通过多次液相与固相中被分离或最后用透析法除去.而对同类物质如酶与杂蛋白、RNA、DNA以及不同结构的蛋白质、酶、核酸之间产分离,情况则复杂得多.主要采用的方法有盐析法、有机溶剂沉淀法,等电点沉淀法、吸附法、结晶法、电泳法、超离心法及柱层析法等.其中盐析法、等电点法及结晶法用于蛋白质和酶的提纯较多,有机溶剂抽提和沉淀用于核提纯较多,柱层析法、梯度离心法对蛋白质和核酸的提纯应用十分广泛.如前所述,蛋白质的分离纯化较难,而且其本身的性质又了某些方法的使用,因此要研究目的物的微细特征,巧妙的联用各种方法并进行严密的操作,同时有必要了解精制各过程的精制程度和回收率.具有活性的蛋白质可利用吸收光谱等物质或以相当于单位氮活性增加为尺度进行追踪.其他蛋白质可用电泳、超离心、层析、扩散及溶解等测定纯度.如结晶核糖核酸酶经层析分为两个成分.可见对确定蛋白质结晶纯度尚无最终的尺度.根据经验即或的标准品,有极微量的不纯物时,也会给实验带来较大的影响.不稳定的蛋白质,如分离SH-酶时使用试剂及缓冲液等,要确认不含重金属离子(特级试剂也需检定).蛋白质纯化的操作如脱盐、浓缩干燥等均与低化合物不同,必须经过独特的繁琐操作.
蛋白质和蛋白质相互分离主要利用它们之间的各种性质的微小差别.诸如形状、量大小、电离性质、溶解度、生物功能性等.蛋白质提取液中,除包含所需要的蛋白质(或酶)外,还含有其它蛋白质、多糖、脂类、核酸及肽类等杂质.
该法可用核酸沉淀剂和氯化锰、硫酸鱼精蛋白或链霉素等.必要时也可用脱氧核糖核酸酶除去核酸.即在粗匀浆中加入少量DNase,于4℃保温30～60min,可使DNA降解为足够小的碎片,以致不影响以后的纯化.
利用醋酸铅沉淀剂除去杂蛋白.因这些沉淀剂也常常使需要的酶(或蛋白质)缓缓变性而失去活性,所以用这类试剂时应迅速进行盐析,使样品与这类试剂脱离接触.
利用蛋白质酸碱变性性质的差异除去杂蛋白.利用蛋白质的热变性的温度系数差异,可在一定的PH下将蛋白提取液加热到一定的温度,使对热不稳定的杂蛋白性沉淀而除去.
利用各种蛋白质稳定性的不同,可用选择性变性法来除去杂蛋白 .例如胰蛋白 酶及细胞色素C等少数特别稳定的酶,甚至可用2.5%三氯醋酸处理,此时其它杂蛋白 均变性而沉淀,而胰蛋白 酶和细胞色素C则仍留在溶液中.
盐析法对于许多非电解质的分离纯化均适合.对蛋白质和酶的提纯应用也最早.至今还广泛使用,一般粗抽提物经常利用盐析法进行粗分.也有反复用盐析法得到纯的蛋白质的例子.其原理是蛋白质在低盐浓度下的溶解度随盐液浓度升高而增加(盐溶,与离子强度10～1间成比例增加).球蛋白当盐浓度不断上升时,蛋白质的溶解度又以不同程度下降并先后析出(盐析)(离子强度I2～10).这是由于蛋白质内和间的电荷的极性基团有静电引力.当水中加入少量盐时,盐离子与水对蛋白质一的极性基团的影响,使蛋白质在水中溶解度增大.但盐浓度增加一定程度时,水的活度降低,蛋白质表面的电荷大量被中和,水化膜被,于是蛋白质相互聚集而沉淀析出.盐析法是根据不同蛋白质在一定浓度盐溶液中溶解度降低程度不同达到彼此分离的方法.
如上所述,蛋白质在水中溶解度取决于蛋白质上离子基团周围的水数目,即取决于蛋白质的水合程度.因此,控制水合程度,也就是控制蛋白质的溶解度.控制方法最常用的是加入中性盐.主要有硫酸铵、硫酸镁、硫酸钠、氯化钠、磷酸钠等.其中应用最广的是硫酸铵,它的优点是温度系数小而溶解度大(25℃时饱满和溶解度为4.1mol,即767g/l;0℃时饱满和溶解度为3.9mol,即676g/l).在这一溶解度范围内,许多蛋白质均可盐析出来,且硫酸铵价廉易得,分段效果较其它盐好,不易引起蛋白质变性.应用硫酸铵时对蛋白 氮的测定有干扰,另外缓冲能力较差,故有时也应用硫酸钠,如盐析免疫球蛋白,用硫酸钠的效果也不错,硫酸钠的缺点是30℃以下溶解度太低.其它的中性盐如磷酸钠的盐析作用比硫酸铵好,但也由于溶解度太低,受温度影响大,故应用不广.氯化钠的溶解度不如硫酸铵,但在不同温度下它的溶解度变化不大,这是方便之处.它也是便宜不易纯化的试剂.
硫酸铵浓溶液的PH常在4.5～5.5之间,市售的硫酸铵还常含有少量游离硫酸,PH值往往降至4.5以下,当用其他PH值进行盐析时,需用硫酸或氨水调节.
将少量样品冷却到0～5℃,然后搅拌加入固体硫酸铵粉末,见蛋白质产生沉淀时,离心除去沉淀,分析上清液确定所要蛋白质的浓度,如它仍在溶液中则弃去沉淀,再加更多的硫酸铵于上清液中,直到产生蛋白质沉淀时止.以所要提取的蛋白质在溶液中的浓度对硫酸铵浓度作图,得沉淀曲线,找出蛋白质开始沉淀的浓度.如不考虑收率,饱和度区间可取得窄一些,使纯度高一些.
(1)盐的饱和度: 不同蛋白质盐析时要求盐的饱和度不同.分离几个混合组成的蛋白质时,盐的饱和度常由稀到浓渐次增加.每出现一种蛋白质沉淀进行离心或过滤分离后,再继续增加盐的饱和度,使第2种蛋白质沉淀.例如用硫酸铵盐析分离血浆中的蛋白质饱和度达20%时,纤维蛋白原首先析出;饱和增至28～33%时,优球蛋白析出;饱和度再增至33～50%时,拟球蛋白 析出;饱和度大于50%以上时清蛋白析出.用硫酸铵不同饱和度分段盐析法,可从牛胰酸性提取液中分离得到9种以上蛋白质及酶.
(2)PH值: pH值在等电点时蛋白质溶解度最小易沉淀析出.因此盐析时除个别特殊情况外,pH值常选择在被分离的蛋白质等电点附近.由于硫酸铵有弱酸性,它的饱和溶液的pH值低于7,如所要蛋白质遇酸易变性则应在适当缓冲液中进行.
(3)蛋白质浓度: 在相同盐析条件下蛋白质浓度愈高愈易沉淀.使用盐的饱和度的极限也愈低.如血清球蛋白的浓度从0.5%增至3.0%时,需用中性盐的饱和度的最低极限从29%递减至24%.某一蛋白质欲进行两次盐析时,第1次由于浓度较稀,盐析分段范围较宽,第2次则逐渐变窄.例如胆碱酯酶用硫酸铵盐析进时,第1次硫酸铵饱和度为35%至60%,第2次为40%至60%.蛋白质浓度高些虽然对沉淀有利,但浓度过高也易引起杂蛋白的共沉作用.因此,必须选择适当浓度尽可能避免共沉作用的干扰.
(4)温度: 由于浓盐液对蛋白质有一定作用,盐析操作一般可在室温下进行.至于某些对热特别的酶,则宜维持低温条件.通常蛋白质盐析时对温度要求不太严格.但在中性盐中结晶纯化时,温度影响则比较明显.
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