1、蛋白质研究技术,一、蛋白质的理化性质,蛋白质的胶体性质蛋白质的两性电离,蛋白质分子颗粒大小1100nm之间,属胶体颗粒范围,蛋白质的胶体原因：,表面形成水化层,表面同种电荷的斥力,蛋白质的胶体性质,在溶液中能形成稳定的胶体,当破坏了维持蛋白质胶体稳定的因素甚至蛋白质的构象时，蛋白质就会从溶液中析出，这种现象称为蛋白质的沉淀,(一) 蛋白质的沉淀,概念:,应用:,(1) 蛋白质分离纯化,(2) 解毒,(3) 临床检验,蛋白质胶体性质与蛋白质沉淀,1、高浓度中性盐（盐析、盐溶）； 2、酸碱（等电点沉淀）； 3、有机溶剂沉淀； 4、重金属盐类沉淀；5、生物碱试剂沉淀6、加热变性沉淀,(1) 盐析法(
2、 salting out),常用的中性盐：硫酸铵、硫酸钠、氯化钠等,使蛋白质沉淀的方法,概念：向蛋白质溶液中加入大量中性盐使蛋白质沉 淀称为盐析,特点：不破坏蛋白质的构象，蛋白质不发生变性,作用原理: 盐离子与水亲和力极强，夺去蛋白质的 水化层，减少分子间静电斥力,(2) 有机溶剂沉淀法,注意事项: 必须在低温下操作 尽量缩短处理的时间 及时将蛋白质中残存的有机溶剂除去,缺点：常会使蛋白质变性常会使蛋白质变性,原理: 使蛋白质脱去水化层,又能降低溶液的介电 常数使蛋白质表面电荷减少，导致蛋白质分 子聚集而沉淀,常用有机溶剂：甲醇、乙醇、丙酮,(3) 重金属盐沉淀法,若溶液pH大于蛋白质的pI，
3、沉淀更易发生,缺点：此法常使蛋白质变性失活,原理: 重金属离子如Cu2+、Hg2+、Ag+、Pb2+ 等带有正电荷，能与蛋白质分子中带负 电的基团结合，生成不溶性的重金属蛋 白盐而沉淀,(4) 生物碱试剂和某些酸类沉淀法,缺点：常引起蛋白质变性,原理: 生物碱试剂(如鞣酸、苦味酸、钨酸等)，某 些酸类(主要是指三氯醋酸、磺酰水杨酸和 硝酸等)，与带正电的蛋白质 结合生成不溶 性的盐而沉淀,注意事项: 反应溶液的pHpI，确保蛋白质以阳离子 形式存在,等电点沉淀：pH=pI时引起蛋白质的沉淀,(二) 蛋白质的凝固,概念：变性蛋白质互相凝聚或互相穿插在一起的 现象称蛋白质的凝固，凝固作用本质上是
4、蛋白质变性后进一步发展的不可逆结果,如加热可使蛋白质变为不能再溶解的凝块,超滤：利用压力或离心力强行使水和小分子杂质通 过超滤膜(一种半透膜)除去，而蛋白质留在 膜上，称为超过滤,透析：将蛋白质溶液放在半透膜的袋内，置于流 动的适当的缓冲液（如纯水）中，小分子 杂质（如硫酸铵、氧化钠等）从袋中透出， 而蛋白质保留于袋中从而将蛋白质纯化,（三）透析和超滤,透析工作图,半透膜原理,超滤工作图,(四) 电 泳,概念：带电颗粒在电场中向着所带电荷相反方向 移动的现象,原理：不同的蛋白质的因结构、形状和带电量的 不同而有不同的泳动速度，从而达到分析 和分离蛋白质的目的,应用：电泳技术是生化常用分析技术之
5、一,(四) 电 泳,分类：自由界面电泳：蛋白质溶于缓冲液中进行电泳区带电泳：将蛋白质溶液点在浸了缓冲液的支持物上进 行电泳，不同组分形成带状区域 - 纸电泳：用滤纸作为支持物 - 凝胶电泳：用凝胶（淀粉、琼脂糖、聚丙烯酰胺）作 支持物 圆盘电泳：玻璃管中进行的凝胶电泳 平板电泳：在铺有凝胶的玻板上进行的电泳,圆盘电泳,平板电泳,(四) 电 泳,电泳的应用：蛋白质分子量的测定：SDS-PAGE, Native-PAGE蛋白质等电点的测定： Isoelectric Focusing 蛋白质组学研究：双向电泳,样品处理,染色,电泳,蛋白质分子量的测定（ SDS-PAGE ）,(四) 电 泳,(四)
6、电 泳,蛋白质等电点的测定,等电聚焦,第二相电泳,染色, 主要用于蛋白质组学研究,蛋白质双向电泳(2D-PAGE),(四) 电 泳,(五) 层 析,原理：溶质在互不相溶的两相之间分配行为存在差 别，从而导致移动速度的不同 离子交换色谱 (ion exchange chromatography) 疏水作用色谱 (hydrophobic chromatography) 凝胶过滤色谱(gel filtration chromatography) 亲和色谱 (affinity chromatography) 金属螯和色谱 (metal chelating chromatography),离子交换色谱,
7、原理：根据离子交换树脂对各种离子的亲和力不同 而达到分离的目的，大分子因与树脂亲和力 不同，以不同牢度被吸附于离子交换剂，通 过改变离子强度或(和)pH使大分子从树脂上 先后被洗脱 分为：阴离子交换基：DEAE（二乙胺乙基） QAE（季铵乙基） 阳离子交换基： CM（羧甲基） P（磷酸基） SP（磺丙基）,实验条件的选择,2,4,6,8,10,12,14,等电点,-,体系 pH,蛋白质带负电荷,+,蛋白质带正电荷, 根据蛋白的性质选择适宜的pH值和缓冲体系,0,实验条件的选择,P+,P0,P-,P2-,P3-,P3-,P2-,P-,P+,P0,P3-,P2-,P-,P+,P0, 根据蛋白的性质
8、选择合适的洗脱条件,疏水作用色谱,原理：根据蛋白质与吸附剂之间的弱疏水性 作用的差别进行蛋白质的分步洗脱各种凝胶过滤介质经偶联疏水性配基后均可用作疏水性吸附剂常用的疏水性配基： 苯基、短链烷基C3C8）、 烷氨基、聚乙二醇和聚醚疏水吸附作用与配基的疏水性（疏水链长度）和配基密度成正比，故配基修饰密度应根据配基的疏水性而异，过小则疏水性吸附作用不足，过大则洗脱困难,疏水作用色谱的洗脱一般采用降低缓冲液中的盐浓度来 洗脱蛋白也可以采用加入少量的有机溶剂来洗脱，如反相色谱,疏水作用色谱,Fraction,凝胶过滤色谱,概念： 当生物大分子通过装有凝胶颗粒的层析柱时，根据 它们分子大小不同而进行分离的
9、技术，又可称作排 阻色谱或者分子筛色谱原理： 凝胶颗粒内部具有多孔网状结构，被分离的混合物 流过层析柱时，比凝胶孔径大的分子不能进入凝胶 孔内，在凝胶颗粒之间的空隙向下移动，并最先被 洗脱出来；比网孔小的分子能不同程度的自由出入 凝胶孔内外，在柱内经过的路程较长移动速度较 慢，最后被洗脱出来常用凝胶：交联葡聚糖凝胶（Sephadex) 、聚丙烯酰胺凝胶、 琼脂糖凝胶（ Sepharose）,凝胶过滤色谱的洗脱,凝胶过滤色谱的应用,生物大分子的分离纯化分子量的测定分级分离溶液浓缩平衡常数的测定细胞及颗粒的分离,亲和色谱,原理：利用化学方法将可与待分离物质可逆性特异 结合的化合物（称配体）连接到固
10、相载体 上，当待提纯的生物大分子通过此层析柱 时，可以与载体上的配体特异的结合而留在 柱上，其他物质则不能结合，然后用适当方 法使生物大分子从配体上洗脱下来，从而达 到分离提纯的目的 特点：纯化效率高，提纯度可达几千倍,配体,蛋白质,蛋白质和配体复合物,洗脱,结合,耦联,作用机理,亲和色谱的洗脱,亲和色谱的应用,抗原和抗体 激素和受体蛋白 凝集素和多糖(糖蛋白) 酶与辅酶(或产物、抑制剂) 核酸与互补链（或核酸多聚酶、结合蛋白） 细胞与细胞表面特异蛋白（或凝集素）,金属螯合色谱,原理：利用固定相载体上偶联的亚胺基乙二酸为配 基与二价金属离子发生螯合作用，结合在固 定相上，二价金属离子可以与流动
11、相中含有 的半胱氨酸、组氨酸、咪唑及其类似物发生 特异螯合作用而进行分离,特点：体系复杂: 含量低、组分多、干扰大水溶液体系： 接近生理状态，尽量避免 使用有机溶剂低温操作： 防止蛋白变性和失活必要的添加剂： 蛋白酶抑制剂、还原剂专业的仪器设备：制备型,蛋白质分离、纯化和鉴定,蛋白质分离、纯化和鉴定,蛋白质分离提纯的原则： 纯度、活性和产量蛋白质分离提纯的一般步骤： 破碎细胞 蛋白提取 粗细分级 鉴定分离纯化技术 综合运用各种方法和技术,蛋白质分离纯化方法,按蛋白质性质分类 溶解度： 沉淀(盐析、有机溶剂、等电点) 分子大小、形状：离心、超滤、透析、 凝胶过滤层析 分子大小、电荷：电泳、离子交
12、换层析 分子间作用力： 亲和层析、金属鳌合层析、 疏水作用层析,蛋白质分离纯化方法,按纯化方法分类 沉淀：盐析、有机溶剂、等电点 电泳：凝胶电泳、等电聚焦 离心：常规、密度梯度 过滤：超滤、透析 层析：离子交换、凝胶过滤、亲和层析、 疏水作用,蛋白分离纯化的目的,活力的生化分析 蛋白的翻译后修饰（Post-translational modifications) 相互作用和蛋白的装配 (Interactions and assembly) 三维结构 (3-dimensional structure) 生物功能分析 (Analysis of biological function) 药物开发 (
13、Drug development) ,从有机体中获得纯的蛋白要尽可能的用较少 的步骤，尽可能少的丢失活力,分离纯化策略,细胞与组织(材料来源有限，但是蛋白是天然的 状态) 折叠均一, 可溶（主要指非膜蛋白） 可通过差速离心分离细胞组份 纯化可用色谱方法（chromatography）,从哪儿开始 ？,cDNA克隆（为目前蛋白来源的主要方法，但是蛋白易形成包涵体（inclusion body） 重组蛋白基因在大肠杆菌、昆虫细胞、 哺 乳动物细胞或植物细胞中表达 也用差速离心及色谱方法纯化 在重组的蛋白中可以添加Tags以便于纯化,从哪儿开始 ？,破碎细胞,上 清,沉淀(丢弃),离心,细胞裂解,细
14、胞裂解物,蛋白 核酸及小分子,多步纯化(包括盐析、过滤、层析等),不需要的分子,纯蛋白,从组织细胞中进行蛋白分离流程图,蛋白质粗分离 I：从组织细胞 - 提 取, 哪个物种合适？ 丰度及活力特点 大小，成本及物种的可获得状况 哪个组织合适 ? 对于特定的细胞哪个组织丰富 组织中哪种细胞中有这类蛋白 纯化过程中的作为应该与特定的方案相关 非常有益的信息 大小、组成,影响组织提取的因素,缓冲液（ Buffer ） 离子强度（ Inoic strength ） 金属离子螯合剂（ Metal ion chelators） 还原剂（ Reducing agents ） 蛋白酶抑制剂（ Protease
15、inhibitors ） 温度（ Temperature ） 组织的破碎方式（ Tissue disruption ）,组织破碎(Tissue disruption),除去不要的组织 搅碎 匀浆（homogenization） 研磨 (vessel for extraction),细胞破碎(Cell Disruption),化学破碎: 碱、有机溶剂、去污剂 酶学手段: 溶菌酶、葡聚糖酶、几丁质酶 (常适用于含细胞壁的细菌及植物细胞) 物理方法: 渗透压震荡、冻溶 机械方法: 超声、匀浆、湿磨、压力,初步纯化 - 热变性, 不同的蛋白有 不同的热稳定 性，且有些蛋 白可以在热变 性以后再复性 钙
16、调蛋白是能 通过热变性而 获得纯化的一 个很好例子,天然结构(%),一般蛋白,0 () 100,钙调蛋白,初步纯化 - 沉淀,盐析：减少蛋白质表面的水化层 硫酸铵、尿素等电点沉淀：降低蛋白质分子的荷电状态 改变体系pH值至pI附近有机溶剂沉淀：减少蛋白表面水化层，增加疏水性 降低水的介电常数，降低蛋白溶解性 甲醇、乙醇、丙酮、聚乙二醇,蛋白质粗分离 II：表达蛋白, 重组基因的表达 可获得大量的蛋白 可进行突变 - structure/activity studies 可引入具有光谱特性的物质 可引入稳定同位素 15N 、 2H 、 13C (for NMR) 蛋白融合体 便于纯化及免疫学研究
17、,菌体,细胞破碎,总蛋白,纯蛋白,性质分析,培养介质,细胞碎片,非目的蛋白,离心、过滤,物理、化学、酶学方法,多步纯化步骤,重组蛋白分离纯化,蛋白质的精细纯化,基本策略： 综合运用各种层析技术，尤其是特异性比较高的方法，如亲和层析，可以大大减少纯化的步骤和工作量，提高产品的纯度,蛋白质的鉴定,定性分析： 分子量: 凝胶电泳、质谱 (可同时鉴定分子量和纯度) 活性: 根据蛋白质的功能选用不同的活 性检测方法,SDS-PAGE测定蛋白质的分子量和纯度,MALDI-TOF-MS测定蛋白质的分子量和纯度,蛋白质的鉴定,定量分析：, Folin-酚试剂法（Lowry法）： A500nm 灵敏度高、是常用
18、的方法, 考马斯亮蓝染色法（Bradford法）：A595nm 简单迅速、干扰少、灵敏度高(1g), 紫外检测法：浓度(mg/mL)= 1.45A280nm-0.74A260nm 简单快速、不破坏样品、准确度低,常用仪器,FPLC,层析冷柜,超声波破碎,蛋白电泳,冷冻干燥,高速冷冻离心,匀浆,超滤浓缩,电泳脱色,作业题： 已知某蛋白的分子量约为17 kDa，等电点3.94.1，它能耐一定的高温，在90 C加热34 min后仍然能够保持80%的活性。该蛋白含有较多的疏水性残基，与Ca2+结合后可以暴露它的疏水基团。该蛋白的作用是作为生物体内酶的激活剂。请设计一个从脑组织中提取和分离纯化该蛋白的实验方案，要求写出具体的步骤和理由，以及检测方法。,
