蛋白质提取与制备的原理和方法

1、白蛋白 和球蛋白 :被 50%饱和度硫酸铵析出。 真球蛋白 : 入少量的盐、酸、碱则可溶解。 拟球蛋白 :析出 醇溶蛋白 : 及无水乙醇 壳蛋白 : 稀盐酸，易溶于稀酸、稀碱溶液 精蛋白 :沉淀 组蛋白 : 沉淀 硬蛋白质 :蛋白质提取与制备的原理和方法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

2、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，主要取决于蛋白分子中非极性疏 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。 故分子结 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 度的外界条件。 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

3、， 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。蛋白质类别和溶解性质溶于水及稀盐、稀酸、稀碱溶液，可 一般在等电点时不溶于水，但加 溶于水，可为 50%饱和度硫酸铵 溶于7080聽醇中，不溶于水 在等电点不溶于水，也不溶于 溶于水

4、和稀酸，易在稀氨水中 溶于水和稀酸，易在稀氨水中 不溶于水、盐、稀酸及稀碱缀合蛋白 （ 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分子之中， 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

5、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。 制备方法可按照分子大小、 形状、 带电性质及溶解度等主要因素进行分类。 按分 子大小和形态分为差速离心、超滤、分子筛及透析等方法；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；按生物功能专一性有亲合层析法等。由于不同生物大分子结构及理化性质不同， 分离方法也不一样。

6、 即同一 类生物大分子由于选用材料不同， 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分子， 一般要经过多种方法、 步骤及不断变换 各种外界条件才能达到目的。 因此， 整个实验过程方法的

7、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，高分子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，因此限制了分离精制的方法。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

8、分离纯 化中需引起重视。纯化蝮蛇神经毒素时，当室温超过20C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完全抑制，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20C，仍能很好的得到 神经毒素。整个制备过程一般可分为 5 个阶段： 材料的选择和预处理 细胞的破碎（有时需进行细胞器的分离） 提取 纯化（包括盐析，有机溶剂沉淀，有机溶剂提取、吸附、层析、超离心及结晶等） 浓缩、干燥及保存。以上5个阶段不是要求每个方案都完整地具备，也不是每一阶段截然分开。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分子结构的完整 性。保存活性

9、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 性丧失。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。蛋白质提取与制备的注意事宜 :一、原料的选择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

10、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

11、和糖类相对减少），采收期及 产地等因素也要注意。二、前处理1、细胞的破碎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， 使其充分释放到溶液中。 不同生物体或 同一生物体不同的组织， 其细胞破坏难易不一， 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。机械方法主要通过机械切力的作用使组织细胞破坏。 常用器械有： 高速组织捣 碎机（转速可达lOOOOrpm,具高速转动的锋利的刀片），宜用于

12、动物内脏组织 的破碎；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， 机械切力对分子破坏较小。 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。 物理方法主要通过各种物理因素的作用，使组织细胞破碎的方法。I反复冻融法于冷藏库或干冰反复于零下1520 C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破坏。 由于渗透压的变化， 使结合水冻

13、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。U冷热变替法将材料投入沸水中，于90C左右维持数分钟，立即置于冰浴中使之迅 速冷却，绝大部分细胞被破坏。川超声波法暴露于910千周声波或10500千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。处理一些超声波敏感的蛋白质酶时宜慎重。W加压破碎法加一定气压或水压也可使细胞破碎。化学及生物化学方法I有机溶媒法粉碎后的新鲜材料在0C以下加入510倍量的丙酮，迅速搅拌均匀， 可破碎细胞膜， 破坏蛋白质与脂质的结合。 蛋白质一般不变性，

14、 被脱脂和脱水成 为干燥粉末。用少量乙醚洗，经滤纸干燥，如脱氢酶等可保存数月不失去活性。 U自溶法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 胞破坏，使细胞内含物释放出来。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30C左右较早溶化。自体融解过程中PH显著变化， 随时要调节pHo自溶温度选在04C,因自溶时间较长，不易控制，所以制备 活性蛋白质时较少用。川酶法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

15、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110mg溶菌酶，pH6.27.01h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破坏细菌 及植物细胞用。表面活性剂处理较常用的有十二烷基磺酸钠、氯化十二烷基吡淀及去氧胆酸钠等。 此外一些细胞膜较脆弱的细胞， 可把它们置于水或低渗缓冲剂中透析将 细胞胀破。2、细胞器的分离制备某一种生物大分子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分子， 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

16、制备一些难度较大需求纯度较高的生物大分子是有利 的。尤其近年来分子生物学、分子遗传学、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 类核酸和特异性蛋白质已成为生物大分子制备工作重要内容之一。 各类生物大分 子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位置。 因此制备细胞器上的生物大分子 时，预先须对整个细胞结构和各类生物大分子在细胞内分布匹有所了解。 以肝细胞为例 , 蛋白质、酶及核酸在肝细胞内分布情况为 : 细胞核：精蛋白、组蛋白、核酸合成酶系RNA占总量10流

17、右DNA 几乎全部粒线体 : 电子传递、氯化磷酸化、三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸氧化、 脲合成等酶系 RNA占总量5流右DNA微量内质网（微粒体）：蛋白质合成酶系、羟化酶系RNA占总量50%左右溶酶体 :水解酶系 （包括核酸酶、 磷酸脂酶、 组织蛋白酶及糖苷及糖苷酶等）高尔基氏体 ： 糖苷转移酶、粘多糖及类固醇合成酶系细胞膜：载体与受体蛋白、特异抗蛋、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

18、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 -聚乙二醇等高分子溶液。1. 水溶液提取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。 盐浓度等渗盐溶液尤以0.020.05mol/L磷酸盐缓冲液和碳酸

19、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分子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。PH值蛋白质提取液的PH值首先应保证在蛋白质稳定的范围内，即选择在偏 离等电

20、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。 温度多数酶的提取温度在5C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3750C条件下提取，效果比低温提取更好。此外提取酶时加入底物或辅酶， 改变酶分子表面电荷分布， 也能促进提 取效果。2. 有机溶剂提取

21、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分子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（pHA 10，温度-2C至40C）。国内用该法曾成功地提

22、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 6070%的酸性乙醇提取效果最好，一方面可 抑制蛋白质水解酶对胰岛素的破坏，同时也达到大量除去杂蛋白的目的。3. 表面活性剂的利用对于某些与脂质结合的蛋白质和酶， 也有采用表面活性剂如胆酸盐及十 二烷基磺酸钠等处理。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 、 TirtonX-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

23、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，由于电荷再排斥作用使膜破裂。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。4. 对提取物的保护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35或更高些，因在较低PH条件下可降低蛋白质水解酶引 起的破坏程度。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。 加蛋白质水解酶的抑制剂也同样起保护作用， 如以丝氨酸 为活性中心的酶加二异丙基氟磷酸， 以巯

24、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。 提取时要注意保 护，不要使酸基丢失。蛋白质提取与制备的方法 :1. 分离纯化的原则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

25、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， 一般可用专一性 酶水解，有机溶剂抽取及选择性部分沉淀等方法处理。 小分子物质常在整个制备 过程中通过多次液相与固相转化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

26、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限制了某些方法的使用， 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理性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。 根据经验即或纯净的标准品， 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-B时

27、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 与低分子化合物不同，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 如分子形状、分子量大小、电离性质、溶解度、生物功能专一性等。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。杂质除去的方法有：A. 核酸沉淀法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4C保温3060min,可使DNA降解为足够小的碎片，以致不影响以

28、后的纯化。B. 醋酸铅沉淀法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。C. 调pH值或加热沉淀法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。D .选择性变性法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。E.

29、透析法小分子物质常在整个制备过程中多次液相与固相互转化中被分离， 或最 后用透析法除去。F. 利用溶解度不同的纯化方法2. 盐析法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）。这是由于蛋白质分子内和分子间的电荷的极性基团有静电引力。当水中加入少量盐时， 盐离子与水分子

30、对蛋白质分子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，水化膜被破坏， 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。盐的选择 如上所述，蛋白质在水中溶解度取决于蛋白质分子上离子基团周围的水 分子数目，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(25C时饱满和溶解度为4.1mol,即

31、767g/l;0 C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 E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4.55.5之间,市售的硫酸铵还常含

32、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.确定沉淀蛋白质所需硫酸铵浓度的方法将少量样品冷却到05C,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。 盐析时注意的几个问题 :(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

33、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 3350%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

34、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保护作用，盐析操作一般可在

35、室温下进行。至于某些对热特别敏感的酶， 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。(5) 脱盐 :蛋白质用盐析法分离沉淀后，常需脱盐才能获得纯品。脱盐方法最常用的是透析法。 透析法所需时间较长， 常在低温下进行并加入防腐剂避免微 生物污染。透析使用前必须处理，方法是将透析袋置于 0.5mol/LEDTA 溶液中煮 0.5h, 弃去溶液 , 用蒸镏水洗净 , 置 50%甘油中保存备用。也可用分子筛层析，常用SephadexG-25柱层析法，上样不要超过床体 积的 20%。此外，有些金属离子能和蛋白质形成较为专一的结合而使蛋白质沉淀。 这

36、虽不是典型的盐析，但在制备蛋白质中有许多成功的例子。锌离子在特定 pH 下与胰岛素结合形成沉淀就是这种例子。 蛋白质从悬浮液中沉淀出来的速度极慢，必须用强力离心来促进这个过程。3. 有机溶剂分离纯化法 有机溶剂能降低溶液的介电常数， 从而增加蛋白质分子上不同电荷的引 力，导致溶解度降低。 有机溶剂与水作用能破坏蛋白质的水化膜， 使蛋白质在一 定浓度的有机溶剂中沉淀析出。 常用的有机溶剂是乙醇和丙酮， 由于有机溶剂的 加入易引起变性失活，尤其乙醇和水混合释放热量，操作一般宜在低温下进行， 且在加入有机溶剂时注意搅拌均匀以免局部浓度过大。 用此法所析出的沉淀一般 比盐析法易过滤或离心沉降。 分离后

37、的蛋白质沉淀应立即用水或缓冲液溶解， 以 降低有机溶剂的浓度。操作时的 pH 值大多数控制在待沉淀蛋白质等电点附近。 有机溶剂在中性盐存在时能增加蛋白质的溶解度，减少变性和提高分离的效果。 一般在有机溶剂沉淀时添加中性盐的浓度在 0.05mol 左右, 过多不仅耗费有机溶 剂,而且可能导致沉淀不好 . 沉淀的条件一经确定 ,就必须严格控制 ,才能得到重 复性结果 .有机溶剂浓度通常以有机溶剂和水容积比或用百分浓度素示 . 故操作 条件比盐析法严格。许多有机溶剂，如碳链较长的醇，它溶于水，但有限度。其量大到一定 程度后则分成两相， 一相以水为主， 一相以有机溶剂为主。 某些第 3 组分的存在 可

38、以改变两相的比例和组成。 有许多蛋白质在两相中均能溶解， 形成分配。 在同 一个两相的溶剂系统中， 不同的蛋白质有不同的分配系数。 根据这一原理， 操作 全部机械化的有逆流分溶。 因要求实验室温度恒定且操作也繁杂， 虽一直有人在 用但很不普遍。 分配层析也是应用这一原理， 但在分离纯化蛋白质工作中用得不 多，主要是因为多数蛋白质在有机溶剂中， 特别是在易与水分相的溶剂中溶解度 小且易变性。4. 疏水层析 : 是近年发展的新方法。它利用蛋白质表面有一部分疏水 性，与带有疏水性的载体在高盐浓度时结合。 洗脱时将盐浓度逐渐降低， 蛋白质 因疏水性不同而逐个地先后被洗脱而纯化。 此法能分离其它一些方法

39、不易纯化的 蛋白质。利用分子形状和大小不同的分离方法 蛋白质形状有细长的如纤维， 有密实的如圆球， 形状很不相同。 蛋白质 的分子量从 6000 左右开始， 有各种大小， 大的可以大到几百万。 利用这些差别， 有几种方法可用来分离蛋白质。5. 凝胶层析属最常用的蛋白质分离方法。 系混合物随流动相流经装有凝胶作为固定 相的层析柱时， 混合物中各物质因分子大小不同而被分离的技术。 所指凝胶从广 义上说是一类具有三维空间多孔网状结构的物质， 如天然物质中的马铃薯淀粉及 琼脂糖凝胶， 人工合成品的葡聚糖凝胶及带离子交换基团的葡聚糖凝胶等。 把适 当的凝胶颗粒装填到玻璃管中制成层析柱， 于柱内加入欲分离

40、的混合物， 然后用 大量蒸镏水或其它稀溶液洗柱， 由于混合物中各物质的分子大小和形状不同， 在 洗柱过程中，分子量最大的物质不能进入凝胶网孔而沿凝胶颗 粒间的空隙最先 流出柱外。 分子量最小的物质因能进入凝胶网孔而受阻滞， 流速缓慢， 致使最后 流出柱外。整个过程和过滤相似，故又名凝胶过滤、凝胶渗透过滤、分子筛过滤 等。由于物质在分离过程中的阻滞减速现象， 有人也称之为阻滞扩散层析、 排阻 层析等。凝胶过滤是分子筛的一种， 在介绍凝胶过滤法之前， 首先介绍分子筛的 由来。McBain(1928)提出了分子筛的概念。后来发现这一现象在许多地方都存在。 Synge与Tiselins ( 1950)

41、在解释凝胶层中的电泳和电渗现象时引用了分子筛的 概念。此后发现在柱层析中也有这种现象， 于是许多工作者尝试了一系列适用于 生物高分子分离纯化用的分子筛。至 1959年Porath与Flodim找到部分水解的 葡聚糖凝胶将其交联，得到了商品名为交联葡聚糖(SephadeM的分子筛。该分 子筛具有许多良好的性能，在蛋白质的分离分析中已被广泛采用。Lathe与Ruthven(1956)曾利用分子筛效应测定过分子大小与分子量。Flodin与Granath( 1961)发现不同分子量的葡聚糖级分， 其凝胶过滤行为与分 子量大小有关。Andrew( 1962)发现蛋白质中也有类似的性质此后经过不少人 的实

42、际应用，完善了这一方法，形成一个可靠的测定高分子分子量的方法。凝胶层析是 60 年代初发展起来的一种快速而又简便的分离技术。由于 设备简单、操作方便和不需要有机溶剂，以及对高分子物质有很高的分离效果， 所以目前它已被生物化学、 分子生物学、 生物工程学及医药学等有关领域广泛应 用。A. PH 值与沉淀蛋白质或酶原理相同，结晶的溶液 PH值一般选择在被结晶的蛋 白质或酶的等电点附近，以利于晶体的析出。B. 温度除少数情况外， 通常选择低温条件进行。 低温条件对蛋白质和酶不仅溶 解度低且不易变性。在中性盐溶液中结晶时，温度可在 0C至室温范围内选择， 在有机溶剂中结晶一般要求温度较低。C. 晶种不

43、易结晶蛋白质和酶如糜蛋白酶， 往往加入微量的糜蛋白酶结晶可导致 大量结晶的形成。 有时用玻璃轻轻摩擦容器壁也可达到此目的。 需加晶种才能形 成结晶的蛋白质或酶，大多数结晶收率都不高。D. 金属离子有些蛋白质和酶结晶时还需加入金属离子， 如铁蛋白在硫酸铵溶液中结 晶时，加入少量镉离子才形成菱状结晶，烯醇化酶也常加入汞盐后形成结晶。E. 结晶时间在结晶条件比较适合的情况下， 在几小时甚至几分名即可获得结晶。 但 有些情况需数天甚至数月才能结晶完全，视各种蛋白质和酶的具体情况不同而 定。蛋白质和酶的结晶大多数是针状、棒状、片状，有的为八面体或立方体的菱 状结晶。结晶的大小与结晶时间及条件有关。6.

44、蛋白质的干燥干燥是将潮湿的固体、 半固体或浓缩液中的水分 （或溶剂） 蒸发除去的 过程。根据水分在固体中分布情况可分为表面水分、 毛细管水分和被膜所包围的 水分 3 种。表面水分附着于固体表面， 蒸发时完全暴露于外界空气中， 干燥最快、 最均匀。毛细管水分存在于固体极细孔隙的毛细管中， 水分子逸出比较困难， 蒸 发时慢并需较高温度。 膜包围的水分如细胞中被细胞质膜所包围的水分， 需经缓 慢扩散至膜外才能蒸发最难除去。 被干燥的物质其湿度与周围空气的湿度是一个 动态平衡关系， 暴露于大气中的物质是不会绝对干燥的。 若使被干燥的物质所含 水分低于周围空气中水分， 则必须放在严密封盖的容器中进行干燥

45、。 用这种方法 可得到含水量极低的干燥样品， 生物大分子制备得到所需的产品后， 为了防止变 质易于保存和运输， 常需要干燥处理， 最常用的方法是冷冻干燥和真空干燥， 某 些无活性核酸、 微生物酶制剂和酪蛋白等工业产品则较多地应用喷雾干燥、 气流 干燥等直接干燥法。（1）真空干燥 在相同温度下，被干燥物质所含水分或溶剂由于周围空气压力的降低蒸 发速度增加。真空度愈高，溶剂沸点愈低，蒸发愈快。其原理与真空浓缩（或称 减压浓缩）相同。真空干燥适用于不耐高温、易氧化物质的干燥和保存，整个装 置包括干燥器、 冷凝器、 及真空泵 3 部分。 干燥器顶部连接一带活塞的管道接通 冷凝器，气化后的蒸气由此管道通

46、过冷凝管凝聚， 冷凝器另一端连接真空泵， 干 燥器内常放一些干燥剂如五氧化二磷、无水氯化钙等，以便干燥保存样品。（2）冷冻真空干燥冷冻真空干燥除利用真空干燥原理外， 同时增加了温度因素。 在相同的 压力下，水蒸气压随温度的下降而下降。在低温下低压下冰很容易升华为气体。 操作时通常将等干燥的液体冷冻到冰点以下使之变成固体， 然后在低温低压下将 溶剂变成气体而除去。 干燥后的产品具有疏松、 溶解度好、保持天然结构等优点， 适用于各类生物大分子的干燥保存。 样品干燥时先在培养皿内铺成薄层 （厚度不 超过1cm的液体），置于低温冰箱内冻固。另在真空干燥器内用两个培养皿分别 放置固体氢氧化钠和五氧化二磷

47、， 真空干燥上端抽气通过五氧化二磷干燥管与真 空泵相连。当放进等待干燥的冻块后，立即封闭干燥器，开动真空泵，红510h 后得冷冻干燥品。也可将待干燥物质置于圆底容器中，然后浸入干冰- 乙醇混合而成的冷却剂中， 容器内液体迅速冻成固体， 抽真空后等干燥冻块的水分子升华 变成气体，经过冷凝器凝结为霜。 冰冻的样品逐渐失去水分变成疏松的干燥粉末。 上述操作关键在于真空泵的高真空度及管道的口径要合适。（3）喷雾干燥 喷雾干燥是将液体通过喷洒装置喷成雾滴后， 与干燥介质 （通常为热空 气）直接接触干燥的方法。由于液体分散为雾滴时，直径通常只有1200卩m大小，与热空气接触面大，水分蒸发很快。在 100C的热空气中只需不到1秒的 时间即可干燥。 因干燥时间短和水分蒸发时吸收热量， 使液滴及其附近的空气温 度较低，故工业上常用。7. 样品贮藏保存保存方法和生物大分子稳定性有很大关系， 生物大分子的贮藏保存可分 为干态和液态贮藏两种。 但不论是干态或液态贮藏均应避免长期暴露于空气中防 止微生物的污染。 温度对生物大分子的稳定性影响很大， 低温保存在大多数情况 下是有利的。(1) 干态贮藏干燥的制品一般比较稳定， 如制品含水量很低， 要低温情况