不同的電泳法有不同的原理,下面是其不同的方法和原理。
(一)一般是通過生化方法吧蛋白提取出來,蛋白質(zhì)帶有電荷么,是將混合樣品中的蛋白質(zhì),其原理是第一向基于蛋白質(zhì) PI 不同用等電聚焦,電泳時(shí)的正極與負(fù)極都會(huì)發(fā)生電解反應(yīng),向著與其電性相反的電極移動(dòng)的現(xiàn)象稱為電泳。
(二)利用溶解度差別
影響蛋白質(zhì)溶解度的外部因素有:1、溶液的pH;2、離子強(qiáng)度;3、介電常數(shù);4、溫度。但在同一的特定外部條件下,不同蛋白質(zhì)具有不同的溶解度。
1、等電點(diǎn)沉淀:原理:蛋白質(zhì)處于等電點(diǎn)時(shí),其凈電荷為零,由于相鄰蛋白質(zhì)分子之間沒有靜電斥力而趨于聚集沉淀。因此在其他條件相同時(shí),他的溶解度達(dá)到最低點(diǎn)。在等電點(diǎn)之上或者之下時(shí),蛋白質(zhì)分子攜帶同種符號(hào)的凈電荷而互相排斥,阻止了單個(gè)分子聚集成沉淀,因此溶解度較大。不同蛋白質(zhì)具有不同的等電點(diǎn),利用蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)時(shí)的溶解度最低的原理,可以把蛋白質(zhì)混合物分開。當(dāng)pH被調(diào)到蛋白質(zhì)混合物中其中一種蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)時(shí),這種蛋白質(zhì)大部分和全部被沉淀下來,那些等電點(diǎn)高于或低于該pH的蛋白質(zhì)則仍留在溶液中。這樣沉淀出來的蛋白質(zhì)保持著天然的構(gòu)象,能重新溶解于適當(dāng)?shù)膒H和一定濃度的鹽溶液中。
5、鹽析與鹽溶 :原理:低濃度時(shí),中性鹽可以增加蛋白質(zhì)溶解度這種現(xiàn)象稱為鹽溶.鹽溶作用主要是由于蛋白質(zhì)分子吸附某種鹽類離子后,帶電層使蛋白質(zhì)分子彼此排斥,而蛋白質(zhì)與水分子之間的相互作用卻加強(qiáng),因而溶解度增高。球蛋白溶液在透析過程中往往沉淀析出,這就是因?yàn)橥肝龀チ他}類離子,使蛋白質(zhì)分子之間的相互吸引增加,引起蛋白質(zhì)分子的凝集并沉淀。當(dāng)溶液的離子強(qiáng)度增加到一定程度時(shí),蛋白質(zhì)溶解程度開始下降。當(dāng)離子強(qiáng)度增加到足夠高時(shí),例如飽和或半飽和程度,很多蛋白質(zhì)可以從水中沉淀出來,這種現(xiàn)象稱為鹽析。鹽析作用主要是由于大量中性鹽的加入使水的活度降低,原來溶液中的大部分甚至全部的自由水轉(zhuǎn)變?yōu)辂}離子的水化水。此時(shí)那些被迫與蛋白質(zhì)表面的疏水集團(tuán)接觸并掩蓋他們的水分子成為下一步最自由的可利用的水分子,因此被移去以溶劑化鹽離子,留下暴露出來的疏水基團(tuán)。蛋白質(zhì)疏水表面進(jìn)一步暴露,由于疏水作用蛋白質(zhì)聚集而沉淀。
鹽析沉淀的蛋白質(zhì)保持著他的天然構(gòu)象,能再溶解。鹽析的中性鹽以硫酸銨為最佳,在水中的溶解度很高,而溶解度的溫度系數(shù)較低。
3、有機(jī)溶劑分級(jí)分離法:與水互溶的有機(jī)溶劑(甲醇、乙醇和丙酮等)能使蛋白質(zhì)在水中的溶解度顯著降低。在室溫下有機(jī)溶劑會(huì)引起蛋白質(zhì)變性,如果預(yù)先將有機(jī)溶劑冷卻到-40°C以下,然后在不斷攪拌下逐滴加入有機(jī)溶劑,以防局部濃度過高,那么變性可以得到很大程度緩解。蛋白質(zhì)在有機(jī)溶劑中的溶解度也隨溫度、pH和離子強(qiáng)度而變化。在一定溫度、pH和離子強(qiáng)度條件下,引起蛋白質(zhì)沉淀的有機(jī)溶劑的濃度不同,因此控制有機(jī)溶劑濃度也可以分離純化蛋白質(zhì)。
有機(jī)溶劑引起蛋白質(zhì)沉淀的主要原因之一是改變了介質(zhì)的介電常數(shù)。有機(jī)溶劑的加入使水溶液的介電常數(shù)降低。介電常數(shù)的降低將增加兩個(gè)相反電荷之間的吸引力。蛋白質(zhì)分子表面可解離基團(tuán)的離子化程度減弱,水化程度降低,因此促進(jìn)了蛋白質(zhì)分子的聚集和沉淀。
水溶性非離子聚合物如聚乙二醇與蛋白質(zhì)親水集團(tuán)發(fā)生相互作用并在空間上阻礙了蛋白質(zhì)與水相接近。蛋白質(zhì)在聚乙二醇中的溶解度明顯的依賴于聚乙二醇的分子量。
4、溫度對(duì)蛋白質(zhì)溶解度的影響:在一定溫度范圍內(nèi),約0~40℃之間,大部分球狀蛋白的溶解度隨溫度升高而增加,在40~50℃以上,大部分蛋白質(zhì)變得不穩(wěn)定并開始變性,一般在中性pH介質(zhì)中即失去溶解力。大多數(shù)蛋白質(zhì)在低溫下比較穩(wěn)定,因此蛋白質(zhì)的分級(jí)分離操作一般都在0℃或更低的溫度下進(jìn)行。
(三)根據(jù)電荷不同
根據(jù)蛋白質(zhì)的電荷不同即酸堿性質(zhì)不同分離蛋白質(zhì)混合物的方法有電泳和離子交換層析兩類。
1、電泳:在外電場的作用下,帶點(diǎn)顆粒將向著與其電性相反的電極移動(dòng),這種現(xiàn)象稱為電泳。電泳技術(shù)可用于氨基酸、肽、蛋白質(zhì)和核苷酸等生物分子的分析分離和制備。
區(qū)帶電泳是由于在支持物上電泳蛋白質(zhì)混合物被分離為若干區(qū)帶。
電泳前用緩沖液浸潤薄膜或?yàn)V紙等支持物或用緩沖液直接配置成凝膠,將待分離的蛋白質(zhì)樣品加在它的一端或中央,支持物的兩端與電極連接,通電電泳。電泳完畢,各個(gè)組分分布在不同的區(qū)域,用顯色劑(蛋白質(zhì)可用考馬斯亮藍(lán)或氨基黑等染色)顯色后可以顯示出各個(gè)組分。
氨基酸混合物特別是寡聚核苷酸混合物一次電泳往往不能完全分開。這種情況可以將第一次電泳分開的斑點(diǎn)通過支持介質(zhì)間的接觸印跡轉(zhuǎn)移到第二個(gè)支持介質(zhì)上,旋轉(zhuǎn)90°,進(jìn)行第二次電泳。這種方法稱為雙向電泳。
2、聚丙烯酰胺凝膠電泳:以聚丙烯酰胺凝膠為支持物,一般制成凝膠柱或凝膠板,凝膠是由相連的兩部分組成(小的部分是濃縮膠,大的部分為分離膠),這兩部分凝膠的濃度、緩沖液組分和離子強(qiáng)度、pH以及電場強(qiáng)度都是不同的,即不連續(xù)性。電泳時(shí)樣品首先在不連續(xù)的兩相間積聚濃縮而成很薄的起始區(qū)帶,然后再進(jìn)行電泳分離。
電泳有三種物理效應(yīng):1、樣品的濃度效應(yīng);2、凝膠對(duì)被分離分子的篩選效應(yīng);3、一般電泳分離的電荷效應(yīng)。
3、毛細(xì)管電泳:高效毛細(xì)管電泳、毛細(xì)管區(qū)帶電泳、自由溶液毛細(xì)管電泳、毛細(xì)管電泳,可分離氨基酸、肽、蛋白質(zhì)、DNA片段和核酸以及多種小分子,也可用于手性化合物的分離。
毛細(xì)管減少了由于熱效應(yīng)產(chǎn)生的許多問題,可以提高熱散失,有助于消除由于熱引起的擴(kuò)散增加而造成的對(duì)流和區(qū)帶變寬,因此管中不需要加入穩(wěn)定介質(zhì)即可進(jìn)行自由流動(dòng)電泳。
電泳遷移引起溶液中荷電分子向相反電荷的電極移動(dòng),雖然被分析樣品因電泳遷移而分離,然而電滲作用使溶液向負(fù)極流動(dòng),而且電滲電流很強(qiáng),其速度一般比樣品的電泳速率答,因此所有的正、負(fù)離子和中性分子都被推向負(fù)極。對(duì)荷正電分子來說,電泳遷移和電滲流效果是一致的,而且移動(dòng)最快,最先達(dá)到負(fù)極。隨著被分離的分子接近負(fù)極,它們都將通過紫外檢測器并把信號(hào)傳遞給記錄儀。所得結(jié)果是被分離組分的紫外吸收對(duì)時(shí)間的峰譜。
4、等點(diǎn)聚焦(IEF)分離蛋白質(zhì)混合物是在具有pH梯度的介質(zhì)(如濃蔗糖溶液)中進(jìn)行。在外電場作用下各種蛋白質(zhì)將移向并聚焦在等于其等電點(diǎn)的梯度處,并形成一個(gè)很窄的區(qū)帶。
pH梯度制作一般利用兩性電解質(zhì),它是脂肪族多胺和多羧類的同系物,它們具有相近但不相同的解離常數(shù)和等電點(diǎn)。在外電場作用下,自然形成pH梯度。
5、層析聚焦:根據(jù)蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)差異分離蛋白質(zhì)混合物的柱層析方法。
原理:當(dāng)用特種緩沖液滴洗填充在柱中的特種多緩沖交換劑時(shí),就會(huì)在層析柱中自上而下自動(dòng)的建立起連續(xù)的pH梯度;同時(shí)加在柱上端的蛋白質(zhì)樣品也隨多緩沖液的展開按各自的等電點(diǎn)聚焦在相應(yīng)的pH區(qū)段。并在展開過程中隨pH梯度下移,蛋白質(zhì)混合物的各組分先后從柱中流出,達(dá)到分離純化的目的。
6、離子交換層析:
纖維素離子交換劑:適用于大分子的分離,具有松散的親水性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。有較大的表面積,大分子可以自由通過。洗脫條件溫和,蛋白質(zhì)回收率高
交聯(lián)葡聚糖離子交換劑:即可以根據(jù)分子的凈電荷數(shù)量,又可以根據(jù)分子的大小(分子篩效應(yīng))進(jìn)行分離。
蛋白質(zhì)對(duì)離子交換劑的結(jié)合力取決于彼此之間相反電荷基團(tuán)的靜電吸引,而這又和溶液的pH有關(guān),因?yàn)閜H決定離子交換劑和蛋白質(zhì)的電離程度。鹽濃度的微小變化就會(huì)直接影響它對(duì)蛋白質(zhì)電荷吸附容量。因此蛋白質(zhì)混合物的分離可以由改變?nèi)芤褐械柠}離子強(qiáng)度和pH完成,對(duì)離子交換劑結(jié)合力小的蛋白質(zhì)先從層析柱中洗脫出來。
層析洗脫,采用保持洗脫液成分一直不變的方式洗脫,也可以采用改變洗脫的鹽濃度或(和)pH的方式洗脫。后一種方式又分為:跳躍式洗脫和漸進(jìn)式的連續(xù)改變。采取前一種方式洗脫稱為分段洗脫,后一種方式為梯度洗脫。梯度洗脫一般分離效果好,分辨效率高,特別是使用交換容量小,對(duì)鹽濃度敏感的離子交換機(jī),多采用梯度洗脫。
洗脫時(shí),必須控制洗脫體積(與柱床體積相比)和洗脫液的鹽離子濃度和pH。洗脫液體積和鹽濃度變化形式(梯度形式)直接影響層析的分辨率。
通常采用的梯度形式有線性(形),凸形,凹形和復(fù)合型四種。
7、SDS-PAGE 全稱十二烷基硫酸鈉—聚丙烯酰胺凝膠電泳
原理:通過加熱和SDS可以使蛋白質(zhì)變性,多亞基的蛋白質(zhì)也解離為單亞基,處理后的樣品中肽鏈?zhǔn)翘幱跓o二硫鍵連接的,分離的狀態(tài)。電泳時(shí)SDS-蛋白質(zhì)復(fù)合物在凝膠中的遷移率不再受蛋白質(zhì)原有電荷和形狀的影響,而主要取決于蛋白質(zhì)分子量。所以SDS-PAGE常用來分析蛋白質(zhì)的純度和大致測定蛋白質(zhì)的分子量。
8、離子交換層析:原理:氨基酸分離常用陽離子交換樹脂,樹脂被處理成鈉型,將混合氨基酸上柱,氨基酸主要以陽離子形式存在,在樹脂上與鈉離子發(fā)生交換,而被掛在樹脂上。
(四)利用選擇性吸附劑的純化方法
某些稱為吸附劑的固體物質(zhì)具有吸附能力,能夠?qū)⑵渌N類的分子吸附在自己的表面,吸附力的強(qiáng)弱因被吸附物質(zhì)的性質(zhì)而異。吸附過程涉及范德華力相互作用和請(qǐng)見氫鍵非離子吸引。吸附層析就是利用待純化的分子和雜質(zhì)分子與吸附劑之間的吸附能力和解吸性質(zhì)不同而達(dá)到分離目的的。典型的吸附劑有硅膠、氧化鋁、活性炭等。硅膠適用于分離堿性物質(zhì),氧化鋁適用于分離酸性物質(zhì),活性炭是一種非極性吸附劑。一般選擇其極性與待分離的混合物中極性最大組分的極性相當(dāng)?shù)南疵撘?。因此,如果待分離物含有羥基,則選擇醇類,含羰基則選用丙酮或脂類。烴類如己烷、庚烷和甲苯則用于非極性物質(zhì)的分離。吸附層析可采用薄層或柱方式進(jìn)行。
1、羥磷灰石層析:用于分離蛋白質(zhì)或核酸。最重要的用途之一就是吧單鏈DNA和雙鏈DNA分開。羥磷灰石對(duì)雙鏈DNA親和力很大,一直用羥磷灰石層析能從含RNA和蛋白質(zhì)的細(xì)胞提取液中選擇性的出去DNA。
2、疏水作用層析:根據(jù)蛋白質(zhì)表面的疏水性差別發(fā)展起來的一種純化技術(shù)。這種差別也用于鹽分級(jí)分離。連在支持介質(zhì)上的疏水集團(tuán)與蛋白質(zhì)表面暴露出來的集團(tuán)結(jié)合。
由于疏水作用層析要求鹽析化合物如硫酸銨的存在以促進(jìn)蛋白質(zhì)分子表面的疏水區(qū)暴露。為使吸附達(dá)到最大,可將蛋白質(zhì)樣品的pH調(diào)至等電點(diǎn)附近。洗脫方式包括:逐漸降低離子強(qiáng)度或增加pH的洗脫液,或使用對(duì)固定相的親和力以對(duì)蛋白質(zhì)更強(qiáng)的置換劑進(jìn)行置換洗脫。但是某些洗脫條件可引起蛋白質(zhì)變性。
(五)利用對(duì)配體的特異生物學(xué)親和力的純化方法
親和層析:利用蛋白質(zhì)分子對(duì)其配體分子進(jìn)行特有的識(shí)別能力,也即生物學(xué)親和力,建立起來的一種有效的純化方法。只需要進(jìn)行一步的處理即可將某種所需蛋白質(zhì)從復(fù)雜的混合物中分離出來,并且純度相當(dāng)高。
基本原理:把待純化的某一蛋白質(zhì)的特意配體通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)共價(jià)地連接到像瓊脂糖凝膠一類的載體表面的功能基上。一般在配體和多糖載體之間插入一段長度適當(dāng)?shù)倪B接臂或稱間隔臂,使配體與凝膠之間保持足夠的距離,不致因載體表面的位阻妨礙待分離的分子與配體結(jié)合。
當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)混合物加入填有親和介質(zhì)的層析柱時(shí),待純化的某一蛋白質(zhì)則被吸附在含配體的瓊脂糖顆粒表面上而其他的蛋白質(zhì)因?qū)υ撆潴w無特異的結(jié)合部位而不被吸附,他們通過洗滌即可除去,被特異結(jié)合的蛋白質(zhì)可用含游離的相應(yīng)配體溶液把它從柱上洗脫下來。
凝集素親和層析、免疫親和層析、金屬螯合層析、染料配體層析和共價(jià)層析等屬于親和層析。
(六)高效液相層析和快速蛋白質(zhì)液相層析
高效液相層析(HPLC):載體的顆粒愈小,則分辨率愈高,但是洗脫液的流速也愈慢。
反相HPLC廣泛用于分離非極性化合物。固定相是非極性的,而流動(dòng)相是相對(duì)極性的。固定相與被分離物只可能有疏水作用,流動(dòng)相組成的小小變化,例如加入鹽、改變pH或有機(jī)溶劑量就能成功的影響分離特性。
快速蛋白質(zhì)液相層析(FPLC)專門用于蛋白質(zhì)分離,是基于反相、親和、排阻、疏水作用、離子交換和等點(diǎn)聚焦層析,能用于分離微量樣品。
蛋白質(zhì)含量的測定:凱氏定氮法、雙縮脲法、Folin—酚試劑法、紫外吸收法、染料結(jié)合法和膠體金測定法。
Folin—酚試劑能定量的與亞銅離子反應(yīng),亞銅離子是由蛋白質(zhì)的易氧化成分還原銅離子而產(chǎn)生的。
BCA法,BCA試劑在堿性溶液中與亞銅離子反應(yīng)生成紫色復(fù)合物,該反應(yīng)比Folin—酚試劑的反應(yīng)更強(qiáng)。
紫外吸收法:280nm 芳香族化合物的光學(xué)效應(yīng)
考馬斯亮藍(lán)結(jié)合法:靈敏度高,檢測為微克
膠體金測定法:靈敏度最高,膠體金是一種帶負(fù)電荷的疏水膠體,呈洋紅色,遇蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色,顏色改變與蛋白質(zhì)有定量關(guān)系,因此可用于蛋白質(zhì)的定量。
測定蛋白質(zhì)混合物中某一特定蛋白質(zhì)的含量通常要用具有高度特異性的生物學(xué)方法。具有酶或激素性質(zhì)的蛋白質(zhì)可以利用他們的酶活性或激素活性來測定含量。
大多數(shù)蛋白質(zhì)在注入適當(dāng)動(dòng)物的血流中時(shí),會(huì)產(chǎn)生抗體。利用抗體抗原反應(yīng),也可以測定某一特定蛋白質(zhì)的含量。
蛋白質(zhì)純度檢測:電泳、沉降、HPLC和溶解度分析
電泳分析有等點(diǎn)聚焦、聚丙烯酰胺凝膠電泳、SDS-PAGE、毛細(xì)管電泳。純的蛋白質(zhì)在一系列不同的pH條件下進(jìn)行電泳時(shí),都將以單一的速度移動(dòng),它的電泳圖譜只呈現(xiàn)一個(gè)條帶。
HPLC常用于多肽、蛋白質(zhì)純度的鑒定。純蛋白質(zhì)樣品在HPLC的洗脫圖譜上呈現(xiàn)出單一的對(duì)稱峰。
純的蛋白質(zhì)在一定的溶劑系統(tǒng)中具有恒定的溶解度,而不依賴與存在于溶液中未溶解固體的數(shù)量。用恒濃度法鑒定蛋白質(zhì)純度在理論上是嚴(yán)格的,以加入的固體蛋白質(zhì)對(duì)溶解的蛋白質(zhì)作圖。如果蛋白質(zhì)制品是純的,那么溶解度曲線只呈現(xiàn)一個(gè)折點(diǎn),在這個(gè)折點(diǎn)以前,直線的斜率為1、之后為0。不純的蛋白質(zhì)的溶解度曲線常常呈現(xiàn)2個(gè)或者2個(gè)以上的折點(diǎn)。
N-末端分析也用于鑒定純度,因?yàn)榫坏膯捂湹鞍踪|(zhì)樣品中,N端殘基只可能有一種氨基酸。必須指出,采用任何單獨(dú)一種方法鑒定所得結(jié)果只能作為蛋白質(zhì)均一性的必要條件而不是充分條件。很少幾個(gè)蛋白質(zhì)能夠全部滿足上面的嚴(yán)格要求。