蛋白質結構複雜，實驗人員是如何區分，分離純化這些蛋白質的呢？蛋白質純化有哪些方法？機理是怎麼樣的？跟小析姐一起來get新知識吧。
能從成千上萬種蛋白質混合物中純化出一種蛋白質的原因,是不同的蛋白質在它們的許多物理、化學和生物學性質有著極大的不同,這些性質是由於蛋白質的胺基酸的序列和數目不同造成的,連接在多肽主鏈上胺基酸殘基可是荷正電的、荷負電的、極性的或非極性的、親水的或疏水的,此外多肽可摺疊成非常確定的二級結構(α螺旋、β摺疊和各種轉角)、三級結構和四級結構,形成獨特的大小、形狀和殘基在蛋白質表面的分布狀況,利用待分離的蛋白質與其他蛋白質之間在性質的差異,即能設計出一組合理的分級分離步驟。可依據蛋白質不同性質與之相對應的方法將蛋白質混合物分離。
不同種類的蛋白質在分子大小方面有一定的差別,可用一些簡便的方法,使蛋白質混合物得到分離。
透析在純化中極為常用,可去除鹽類(脫鹽及置換緩衝液)、有機溶劑、低分子量抑制劑等。超濾一般用於濃縮和脫色。許多酶富集於某一細胞器內,勻漿後離心得到某一亞細胞成分,使酶富集10-20倍,再對特定的酶進行純化
。差速離心,解析度較低,僅適用於粗提或濃縮。速率區帶法,如離心時間太長所有的物質都會沉澱下來,故需選擇最佳分離時間,可得到相當純的亞細胞成分用於進一步純化,避免了差速離心中大小組分一起沉澱的問題,但容量較小,只能用於少量製備。
等密度梯度離心常用的介質有蔗糖、聚蔗糖、氯化銫、溴化鉀、碘化鈉等。這是根據分子大小分離蛋白質混合物最有效的方法之一,注意使要分離的蛋白質分子量落在凝膠的工作範圍內。選擇不同的分子量凝膠可用於脫鹽、置換緩衝液及利用分子量的差異除去熱源。蛋白質在離心通過溶液運動時,或通過膜、凝膠過濾填料顆粒或電泳凝膠中的小孔運動時,都會受到形狀的影響。對兩種相同質量的蛋白質而言,球狀蛋白質具有較小的有效半徑(斯託克半徑),通過溶液沉降時遇到的摩擦力小,沉降較快而顯得比其它形狀的蛋白質大;反之,在體積排阻色譜時,斯託克半徑較小的球狀蛋白質更容易擴散進入凝膠過濾填料顆粒內部,較遲洗脫出來,因而顯得比其它形狀的蛋白質要小。
利用蛋白質的溶解度的差別分離各種蛋白質常用的方法。影響蛋白質溶解度的外界因素很多,其中主要有:溶液的pH、離子強度、介電常數和溫度,但在同一的特定外界條件下,不同的蛋白質具有不同的溶解度。適當改變外界條件,控制蛋白質混合物中某一成分的溶解度。蛋白質在不同的溶劑中的溶解度有很大不同,從基本不溶(<10ug/ml)直至極易溶解(>300mg/ml)不等。引起蛋白質沉澱的有機溶劑的濃度不同,故控制有機溶劑的濃度可分離蛋白質。水溶性非離子聚合物如聚乙二醇也能引起蛋白質的沉澱。不同的蛋白質在不同的溫度具有不同的溶解度和活性。大多數蛋白質在低溫下比較穩定,故分離操作一般在0℃或更低溫度下進行。蛋白質淨電荷取決於胺基酸殘基所帶的正負電荷的總和,如中性溶液中帶淨負電荷則稱為酸性蛋白質。
不僅是分離蛋白質混合物和鑑定蛋白質純度的重要手段,而且也是研究蛋白質性質很有用的方法。等電聚焦解析度很高,pI有0.02pH的差異就能分開。2D-PAGE分離蛋白質解析度已經發展到100000個蛋白點。
改變蛋白質混合物溶液中的鹽離子強度、pH和(陰、陽)離子交換填料,不同蛋白質對不同的離子交換填料的吸附容量不同,蛋白質因吸附容量不同或不被吸附而分離。洗脫可採用保持洗脫劑成分一直不變,也可採用改變洗脫劑的鹽度或pH的方法洗脫,後一種可分為分段洗脫和梯度洗脫。梯度洗脫一般效果較好,解析度高,特別是交換容量小,對鹽濃度敏感的離子交換劑,多用梯度洗脫。控制洗脫劑的體積(與柱床體積相比)、鹽濃度和pH,樣品組分能從離子交換柱上分別洗脫下來。多數疏水性的胺基酸殘基藏在蛋白質的內部,但也有一些在表面。
蛋白質表面的疏水性胺基酸殘基的數目和空間分布決定了該蛋白質是否具有與疏水柱填料結合從而利用它來進行分離的能力。因其廉價和純化後的蛋白質具有生物活性,是一種通用性的分離和純化蛋白質的工具。高濃度鹽水溶液中蛋白質在柱上保留,在低鹽或水溶液中蛋白質從柱上被洗脫,故特別適用於濃硫酸銨溶液沉澱分離後的母液以及該沉澱用鹽溶解後的含有目標產品的溶液直接進樣到柱上,當然也適用7mol/L鹽酸胍或8mol/L脲的大腸桿菌的治療蛋白質提取液直接進樣到柱上,在分離的同時也進行了復性。結合效率高,分離速度快的特點。配基可以是酶的底物、抑制劑、輔因子、特異性的抗體。吸附後可改變緩衝液的離子強度和pH的方法,洗脫下來,也可用更高濃度的同一配體溶液或親和力更強的配體溶液洗脫。按配基的不同可分為:
過渡金屬離子Cu2+、Zn2+和Ni2+等以亞胺絡合物的形式鍵合到固定相上,由於這些金屬離子與色氨酸、組氨酸和半胱氨酸之間形成了配價鍵,從而形成了亞胺金屬-蛋白螯合物,使含有這些胺基酸的蛋白被這種金屬螯合親和色譜的固定相吸附。螯合物的穩定性受單個組氨酸和半胱氨酸解離常數所控制,從而亦受流動相的pH和溫度的影響,控制條件可以使不同蛋白質相互分離。配體有精氨酸、苯甲醯胺、鈣調因子、明膠、肝素和賴氨酸等等。即免疫親和層析,配體有重組蛋白質A和重組蛋白G,但蛋白A比蛋白G專一,蛋白G能結合更多不同源的IgG。
染料層析的效果主要取決於染料配基與酶的親和力大小外,還與洗脫緩衝液的種類、離子強度、pH值及待分離樣品的純度有關。配體有Cibacron Blue和Procion Red兩種。在一定的條件下,固定化的染料能起陽離子交換劑的作用,為了避免此現象的發生,最好要離子強度小於0.1和pH大於7時操作。配體有刀豆球蛋白、扁豆外源凝集素和麥芽外源凝集素,固相外源凝集素能和數種糖類殘基發生可逆反應,適合純化多糖、糖蛋白。大多數蛋白質加熱到95℃時會解摺疊或沉澱,利用這一性質,可容易地將一種經這樣加熱後仍保持其可溶性活性的蛋白質從大部分其他細胞蛋白質中分離開。用蛋白酶處理上清液,消化雜蛋白,留下抗蛋白酶解抗性蛋白質。(內容來源:每日生物評論 由小析姐整理編輯)