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蛋白质纯化技术

  研究的最后还是要看基因表达产物,无论是用于检测还是用于棉衣保护,都需要将表达出的蛋白质分离和纯化,然而蛋白质性质各异,故纯化方法不同,现共享一些基本的纯化方法,以飨读者:
蛋白质的一级、二级、三级和四级结构决定了它的物理、化学、生物化学、物理化学和生物学性质,综述了不同蛋白质之间的性质存在差异或者改变条件是使之具有差异,利用一种同时多种性质差异,在兼顾收率和纯度的情况下,选择蛋白质提纯的方法。
蛋白质在组织或细胞中一般都是以复杂的混合物形式存在,每种类型的细胞都含有成千种不同的蛋白质。蛋白质的分离和提纯工作是一项艰巨而繁重的任务,到目前为止,还没有一个单独的或一套现成的方法能把任何一种蛋白质从复杂的混合物中提取出来,但对任何一种蛋白质都有可能选择一套适当的分离提纯程序来获取高纯度的制品。
蛋白质提纯的总目标是设法增加制品纯度或比活性,对纯化的要求是以合理的效率、速度、收率和纯度,将需要蛋白质从细胞的全部其他成分特别是不想要的杂蛋白中分离出来,同时仍保留有这种多肽的生物学活性和化学完整性。
能从成千上万种蛋白质混合物中纯化出一种蛋白质的原因,是不同的蛋白质在它们的许多物理、化学、物理化学和生物学性质有着极大的不同,这些性质是由于蛋白质的氨基酸的序列和数目不同造成的,连接在多肽主链上氨基酸残基可是荷正电的、荷负电的、极性的或非极性的、亲水的或疏水的,此外多肽可折叠成非常确定的二级结构(α螺旋、β折叠和各种转角)、三级结构和四级结构,形成独特的大小、形状和残基在蛋白质表面的分布状况,利用待分离的蛋白质与其它蛋白质之间在性质的差异,即能设计出一组合理的分级分离步骤。
可依据蛋白质不同性质与之相对应的方法将蛋白质混合物分离:
1.分子大小
不同种类的蛋白质在分子大小方面有一定的差别,可用一些简便的方法,使蛋白质混合物得到初步分离。
1.1透析和超滤
透析在纯化中极为常用,可除去盐类(脱盐及置换缓冲液)、有机溶剂、低分子量的抑制剂等。透析膜的截留分子量为5000左右,如分子量小于10000的酶液就有泄露的危险,在纯化中极为常用,可除去盐类、有机溶剂、低分子量的抑制剂等。超滤一般用于浓缩和脱色
1.2离心分离置换缓冲液
许多酶富集于某一细胞器内,匀浆后离心得得到某一亚细胞成分,使酶富集10~20倍,再对特定的酶进行纯化。差速离心,分辨率较低,仅适用于粗提或浓缩。速率区带法,如离心时间太长所有的物质都会沉淀下来,故需选择最佳分离时间,可得到相当纯的亚细胞成分用于进一步纯化,避免了差速离心中大小组分一起沉淀的问题,但容量较小,只能用于少量制备。等密度梯度离心常用的离主介质有蔗糖、聚蔗糖、氯化铯、溴化钾、碘化钠等等
1.3凝胶过滤
这是根据分子大小分离蛋白质混合物最有效的方法之一,注意使要离的蛋白质分子量落在凝胶的工作范围内。选择不同的分子量凝胶可用于脱盐、置换缓冲液及利用分子量的差异除去热源。
2.形状
蛋白质在离心通过溶液运动时,或通过膜、凝胶过滤填料颗粒或电泳凝胶中的小孔运动时,都会受到形状的影响:对两种相同质量的蛋白质而言,球状蛋白质具有较小的有效半径(斯托克半径),通过溶液沉降时遇到的摩擦力小,沉降较快而显得比其它形状的蛋白质大;反之,在体积排阻色谱时,斯托克半径较小的球状蛋白质更容易扩散进入凝胶过滤填料颗粒内部,较迟洗脱出来,因而显得比其它形状的蛋白质要小。
3.溶解度
利用蛋白质的溶解度的差别来分别各种蛋白质常用的方法。影响蛋白质溶解度的外界因素很多,其中主要有:溶液的pH、离子强度、介电常数和温度,但在同一的特定外界条件下,不同的蛋白质具有不同的溶解度。适当改变外界条件,控制蛋白质混合物中某一成分的溶解度
3.1pH控制和等电点沉淀
蛋白质在其等电点一般较不易溶解。
3.2蛋白质的盐溶和盐析
3.3有机溶剂分级法
蛋白质在不同的溶剂中的溶解度有很大不同,从基本不溶(<10μg/ml)直至极易溶解(>300mg/ml)不等。影响蛋白质溶解度的可变因素包括温度、pH、溶剂的极性、离子性质和离子强度。引起蛋白质沉淀的有机溶剂的浓度不同,故控制有机溶剂的浓度可分离蛋白质。
水溶性非离子聚合物如聚乙二醇也能引起蛋白质的沉淀。
3.4温度
不同的蛋白质在不同的温度具有不同的溶解度和活性。大多数蛋白质在低温下比较稳定,故分离操作一般在0℃或更低温度下进行。 
4.电荷
蛋白质净电荷取决于氨基酸残基所带的正负电荷的总和,如中性溶液中带净负电荷则称为酸性蛋白质,
4.1电泳
不仅是分离蛋白质混合物和鉴定蛋白质纯度的重要手段,而且也是研究蛋白质性质很有用的方法。
等电聚焦分辨率很高,pI有0.02pH的差异就能分开。
2D-PAGE分离蛋白质分辨率已经发展到100000个蛋白点。
4.2离子交换层析
改变蛋白质混合物溶液中的盐离子强度、pH和(阴、阳)离子交换填料,不同蛋白质对不同的离子交换填料的吸附容量不同,蛋白质因吸附容量不同或不被吸附而分离。
洗脱可采用保持洗脱剂成分一直不变,也可采用改变洗脱剂的盐度或pH的方法洗脱,后一种可分分段洗脱和梯度洗脱。梯度洗脱一般效果好,分辨率高,特别是使用交换容量小,对盐浓度敏感的离子交换剂,多用梯度洗脱。控制洗脱剂的体积(与柱床体体积相比)、盐浓度和pH,样品组分能从离子交换柱上分别洗脱下来。
蛋白分子暴露在外表面的侧链基团的种类和数量不同,故在一定的PH值和离子强度的缓冲液的所带的电荷不同
5.电荷分布
电荷的氨基酸残基可均匀地分布于蛋白质的表面,既可以适当的强度与阳离子交换柱结合也能以适当强度与阴离子结合,因多数蛋白质都有不能在单一的溶剂条件下同时与两种类型的离子交换柱结合,故可得用此性质纯化;电荷的氨基酸残基亦可成簇分布,使某一区域带强正电荷而另一区域带强负电荷,呈强酸性或强碱性,只能在极端pH与阳离子交换树脂或阴离子交换树脂结合,如钙调蛋白只能在pH2时与阳离子交换树脂结合。
6.疏水性
多数疏水性的氨基酸残基藏在蛋白质的内部,但也有一些在表面。蛋白质表面的疏水性氨基酸残基的数目和空间分布决定了该蛋白质是否具有与疏水柱填料结合从而利用它来进行分离的能力。
因其廉价和纯化后的蛋白质具有生物活性,是一种通用性的分离和纯化蛋白质的工具。高浓度盐水溶液中蛋白质在柱上保留,在低盐或水溶液中蛋白质从柱上被洗脱,故特别适用于浓硫酸铵溶液沉淀分离后的母液以及该沉淀用盐溶解后的含有目标产品的溶液直接进样到柱上,当然也适用7mol/盐酸胍或8mol/L脲的大肠杆菌的治疗蛋白质提取液直接进样到柱上,在分离的同时也进行了复性。
7.密度
多数蛋白质的密度在1.3~1.4g/cm3之间,分级分离蛋白质时一般不常用此性质,不过对含有大量磷酸盐或脂质的蛋白质与一般蛋白质在密度上明显不同,可用密度梯度法离心与大部分蛋白质分离。
相关参考
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