生物化学 · 原理精讲 · 中英对照

第五章 蛋白质的性质、分离纯化和鉴定

《Lehninger 生物化学原理》第八版

Lehninger Principles of Biochemistry, Eighth Edition — Chapter 2/3/4 · Nelson & Cox · 119 段教材原文 · 19 幅插图
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From the textbook

The solvent properties of water shaped the evolution of living things. Most small intermediates of metabolism, as well as nucleic acids and proteins, are soluble in water. Lipid bilayers, the likely forerunners of biological membranes, form spontaneously in water and are stabilized by their interaction with it. Although hydrogen bonds, ionic interactions, and the hydrophobic effect are individually weak, their combined effects powerfully influence the three-dimensional shape and stability of biological molecules and structures.

开篇导读

水的溶剂性质塑造了生命的演化。绝大多数代谢的小分子中间物,以及核酸和蛋白质,都能溶于水。脂双层——很可能是生物膜的前身——能在水中自发形成,并因与水的相互作用而得以稳定。氢键、离子相互作用和疏水效应虽然单个都很弱,但它们的共同作用强有力地决定着生物分子和生物结构的三维形状与稳定性。(本考点即由此展开:蛋白质在水溶液中的一切行为——两性解离、胶体稳定、沉淀、变性与复性——都可以还原为“蛋白质表面基团与水、与离子之间的弱相互作用”这一条主线。)

蛋白质的两性解离:可解离基团、净电荷与等电点 pIProteins Are Ampholytes: Ionization Behavior, Net Charge, and the Isoelectric Point (pI)

笔记 考点一:蛋白质在水溶液中的行为笔记 考点一:蛋白质的酸碱性质与等电点(名词解释高频)
Original text

The amino and carboxyl groups of amino acids, along with the ionizable R groups of some amino acids, function as weak acids and bases. When an amino acid lacking an ionizable R group is dissolved in water at neutral pH, the α-amino and carboxyl groups create a dipolar ion, or zwitterion (German for “hybrid ion”), which can act as either an acid or a base (Fig. 3-9). Substances having this dual (acid-base) nature are amphoteric and are often called ampholytes (from “amphoteric electrolytes”).

中文翻译

氨基酸的氨基和羧基,连同某些氨基酸可解离的 R 基团,都起着弱酸和弱碱的作用。当一个不含可解离 R 基团的氨基酸溶于中性 pH 的水中时,α-氨基和羧基会形成一个偶极离子,即兼性离子(zwitterion,德语意为“杂合离子”),它既可以作为酸、也可以作为碱(图 3-9)。具有这种酸碱双重性质的物质称为两性(amphoteric)物质,常被称作两性电解质(ampholytes,由“amphoteric electrolytes”缩合而来)。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Can Act as Acids and Bases · 教材 p. 372
原理解读

【蛋白质为什么是两性电解质】原文给的是氨基酸层面的定义,但结论可以直接搬到蛋白质:两性电解质(ampholyte)=同一分子上同时带有质子供体基团(—COOH、—NH₃⁺ 等)与质子受体基团,既能与酸反应又能与碱反应。笔记第一句“蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外,氨基酸残基侧链中某些基团也能解离”正是这个意思。答“为什么说蛋白质是两性电解质”,标准骨架是三句:①肽链两端保留一个游离 α-氨基和一个游离 α-羧基;②侧链上还有可解离基团(Asp/Glu 的 β-、γ-羧基,Lys 的 ε-氨基,Arg 的胍基,His 的咪唑基,Cys 的巯基,Tyr 的酚羟基);③在不同 pH 下这些基团解离程度不同,使分子带正电、负电或净电荷为零,故蛋白质是两性电解质(也是多价两性电解质)。

Original text

Peptides contain only one free α-amino group and one free α-carboxyl group, at opposite ends of the chain (Fig. 3-15). These groups ionize as they do in free amino acids. The α-amino and α-carboxyl groups of all nonterminal amino acids are covalently joined in the peptide bonds. They can no longer ionize and thus do not contribute to the total acid-base behavior of peptides. Ionizable R groups in a peptide (Table 3-1) also contribute to the overall acid-base properties of the molecule (Fig. 3-15).

中文翻译

肽只在链的两端各含有一个游离的 α-氨基和一个游离的 α-羧基(图 3-15)。这两个基团的解离方式与游离氨基酸中相同。所有非末端氨基酸的 α-氨基和 α-羧基都以共价键结合在肽键中,它们不再能解离,因此对肽的总体酸碱行为没有贡献。肽中可解离的 R 基团(表 3-1)同样对分子整体的酸碱性质有贡献。

§3.2 Peptides and Proteins — Peptides Can Be Distinguished by Their Ionization Behavior · 教材 p. 382
原理解读

【关键量化结论:蛋白质的电荷主要来自侧链】这段原文是很多考生答不全的地方。一条含 n 个残基的多肽,α-氨基和 α-羧基只剩 2 个(各 1 个),其余 n−1 个肽键中的氨基、羧基已经成键,不再解离。所以蛋白质的酸碱性质和 pI 基本上由侧链可解离基团的种类和数目决定——这正好回应笔记里“等电点与蛋白质含有的酸碱性氨基酸的比值和数目有关”。由此可推出考试常用的判断:①富含 Lys/Arg/His 的蛋白(如组蛋白、鱼精蛋白)pI 偏碱(组蛋白 pI 约 10~11);②富含 Asp/Glu 的蛋白(如胃蛋白酶)pI 偏酸(胃蛋白酶 pI≈1);③大多数细胞内蛋白 pI 在 5~6 之间,故生理 pH 7.4 下多数蛋白带负电——这是“为什么阴离子交换柱(DEAE)在蛋白纯化中用得最多”的原因。

图 3-15 丙氨酰谷氨酰甘氨酰赖氨酸。这个四肽含有一个游离 α-氨基、一个游离 α-羧基和两个可解离的 R 基团。在 pH 7.0 时发生解离的基团用红色标出。
图注 · 图 3-15 丙氨酰谷氨酰甘氨酰赖氨酸。这个四肽含有一个游离 α-氨基、一个游离 α-羧基和两个可解离的 R 基团。在 pH 7.0 时发生解离的基团用红色标出。
Caption · FIGURE 3-15 Alanylglutamylglycyllysine. This tetrapeptide has one free α-amino group, one free α-carboxyl group, and two ionizable R groups. The groups ionized at pH 7.0 are in red.
讲解 · 这张图是“数电荷”题的模板:红色标出的四个基团就是 pH 7.0 时带电的位点——N 端 α-NH₃⁺(+1)、Glu 侧链 —COO⁻(−1)、Lys 侧链 ε-NH₃⁺(+1)、C 端 α-COO⁻(−1),净电荷为 0。注意中间三个肽键处的 —CO—NH— 全部不带电,这就是上一段“非末端氨基酸的 α-氨基/α-羧基不再解离”的直观证据。考法:给一段序列问“pH 7 时净电荷是多少、电泳向哪一极移动”,一律按“N 端 +1、C 端 −1、Asp/Glu 各 −1、Lys/Arg 各 +1、His 按部分质子化(约 +0.1~+0.5,常按不带电处理)”来数。
Original text

Like free amino acids, peptides have characteristic titration curves and a characteristic isoelectric pH (pI) at which the net charge is zero and they do not move in an electric field.

中文翻译

与游离氨基酸一样,肽也有各自特征性的滴定曲线,以及特征性的等电 pH(pI)——在该 pH 下肽的净电荷为零,在电场中不发生移动。

§3.2 Peptides and Proteins — Peptides Can Be Distinguished by Their Ionization Behavior · 教材 p. 383
原理解读

【等电点的严格定义与两个易错点】名词解释按笔记写:当蛋白质溶液处于某一 pH 时,蛋白质解离成正离子和负离子的趋势相等,成为兼性离子,净电荷为零,此时溶液的 pH 称为该蛋白质的等电点(isoelectric point, pI)。两个必须点破的地方:①“净电荷为零”不等于“分子上没有电荷”——蛋白质在 pI 时仍然是高度解离的兼性离子,只是正负电荷数目相等而相互抵消;②pI 是溶液的 pH,是蛋白质的特征常数,与蛋白质浓度无关,但会受溶液中中性盐(如 KCl)的影响,因为盐离子会与可解离基团结合。 【等电点 vs 等离子点】笔记里的“等离子点”(isoionic point)在 Lehninger 8e 中没有出现——教材未涉及,此处按考研通用结论补充:等离子点是指在没有其他盐类离子干扰(只有蛋白质和水)时,蛋白质质子供体基团解离出的质子数与质子受体基团结合的质子数相等时的 pH。它是蛋白质真正的“内在”特征常数,与溶液中的盐无关;而等电点是在实际含盐溶液中测得的净电荷为零时的 pH,会随缓冲液成分变化。所以:无盐时二者重合;含盐时二者可以不同。这是名词解释里最常见的“区分”类设问。

Original text

As is evident in Figure 3-10, glycine has a net negative charge at any pH above its pI and thus will move toward the positive electrode (the anode) when placed in an electric field. At any pH below its pI, glycine has a net positive charge and will move toward the negative electrode (the cathode). The farther the pH of a glycine solution is from its isoelectric point, the greater the net electric charge of the population of glycine molecules.

中文翻译

由图 3-10 可以清楚看出,在任何高于其 pI 的 pH 下,甘氨酸都带净负电荷,因此置于电场中时会向正极(阳极)移动;在任何低于其 pI 的 pH 下,甘氨酸带净正电荷,会向负极(阴极)移动。甘氨酸溶液的 pH 离其等电点越远,这一群甘氨酸分子所带的净电荷就越大。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Can Act as Acids and Bases · 教材 p. 376
原理解读

【pH 与 pI 的三种关系(笔记表格的原文依据)】把上面这段的结论推广到蛋白质,就是笔记那张表: · pH = pI → 净电荷为零 → 电场中不移动 → 分子间静电排斥消失 → 溶解度最小、最易聚集沉淀; · pH > pI → 溶液比蛋白“更碱”,蛋白质释放质子而带净负电 → 向阳极(正极)移动; · pH < pI → 溶液比蛋白“更酸”,蛋白质结合质子而带净正电 → 向阴极(负极)移动。 记忆口诀:“pH 大于 pI 带负电、跑阳极”,因为“碱夺质子”。原文最后一句还给了一个常被忽略的定量结论:pH 离 pI 越远,净电荷绝对值越大——这是电泳分离和离子交换层析选择缓冲液 pH 的依据(要让目标蛋白与杂蛋白的电荷差最大,一般把 pH 定在两者 pI 之间)。

Original text

Finally, in an aqueous environment, only histidine has an R group (pKa = 6.0) providing significant buffering power near the neutral pH usually found in the intracellular and extracellular fluids of most animals and bacteria (Table 3-1).

中文翻译

最后,在水溶液环境中,只有组氨酸的 R 基团(pKa = 6.0)能在大多数动物和细菌的细胞内液与细胞外液通常所处的中性 pH 附近提供显著的缓冲能力(表 3-1)。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Differ in Their Acid-Base Properties · 教材 p. 377
原理解读

【蛋白质的缓冲作用:pI 之外的第二个高频考点】既然蛋白质是多价两性电解质,它就必然具有缓冲能力。原文点明:在游离氨基酸中,只有 His 的咪唑基 pKa≈6.0 落在生理 pH 附近,因此His 残基是蛋白质在 pH 7 附近缓冲能力的主要来源。教科书级的例子是血红蛋白:它含大量 His 残基,是血液中仅次于碳酸氢盐的重要缓冲体系,并借此实现波尔效应(Bohr effect)。答“为什么蛋白质能在生理 pH 起缓冲作用”,要点是:①蛋白质含大量可解离基团;②其中 His 咪唑基 pKa≈6.0,最接近血液 pH 7.4;③蛋白质浓度高(血浆蛋白约 70 g/L、细胞内蛋白浓度更高),总缓冲容量可观。注意:单个游离氨基酸(如甘氨酸,pK₁=2.34、pK₂=9.60)在 pH 7.4 反而不是好缓冲剂——这是常考的判断题陷阱。

图 2-19 组氨酸的解离。氨基酸组氨酸是蛋白质的组成成分,它是一种弱酸。其侧链上质子化氮原子的 pKa 为 6.0。
图注 · 图 2-19 组氨酸的解离。氨基酸组氨酸是蛋白质的组成成分,它是一种弱酸。其侧链上质子化氮原子的 pKa 为 6.0。
Caption · FIGURE 2-19 Ionization of histidine. The amino acid histidine, a component of proteins, is a weak acid. The pKa of the protonated nitrogen of the side chain is 6.0.
讲解 · 这张图画的正是“蛋白质中的 His 残基”而不是游离氨基酸——注意左上角的 Protein 标签,说明讨论的是肽链上的侧链。看两点:① 咪唑基在 pH 5 时质子化带正电,pH 7 时释放质子而呈中性,pKa = 6.0 恰好卡在生理 pH 附近,因此 His 是蛋白质在中性区唯一有效的缓冲基团(对应本节原文),也是血红蛋白缓冲血液 pH、以及酶活性中心充当质子供体/受体(如胰凝乳蛋白酶的 Ser-His-Asp 催化三联体)的结构基础;② 由于 pH 7 附近 His 处于“部分带电”状态,计算蛋白质净电荷时 His 是唯一需要犹豫的残基——考题若未特别说明,一般按不带电处理,但若题干给出 pH 6 则必须按 +0.5 计。另外,蛋白质 pI 的高低正取决于这类可解离侧链的种类与数目,富含 His/Lys/Arg 者 pI 偏碱。
术语对照
  • 两性电解质(两性离子)ampholyte / amphoteric electrolyte同一分子兼有质子供体与受体基团;氨基酸、肽、蛋白质皆是
  • 兼性离子(偶极离子)zwitterion / dipolar ion净电荷为零但正负电荷同时存在的形式;中性 pH 下的优势形式
  • 等电点isoelectric point (pI)名词解释高频:净电荷为零、电场中不移动时溶液的 pH;由侧链可解离基团的种类与数目决定
  • 等离子点isoionic point无其他盐干扰时供出与结合的质子数相等时的 pH;Lehninger 未收录,按考研通用定义掌握,注意与 pI 区分
  • 净电荷net chargepH>pI 为负、向阳极;pH<pI 为正、向阴极;离 pI 越远绝对值越大

蛋白质的胶体性质:水化膜与电荷双重稳定因素的物理化学基础Why Protein Solutions Are Stable Colloids: Hydration Shell and Surface Charge

笔记 考点一:蛋白质在水溶液中的行为笔记 考点一:蛋白质的胶体性质(稳定因素与衍生特征)
Original text

Water is a polar solvent. It readily dissolves most biomolecules, which are generally charged or polar compounds (Table 2-1); compounds that dissolve easily in water are hydrophilic (from the Greek, meaning “water-loving”). In contrast, nonpolar solvents such as chloroform and benzene are poor solvents for polar biomolecules but easily dissolve those that are hydrophobic—nonpolar molecules such as lipids and waxes.

中文翻译

水是一种极性溶剂。它能轻易溶解大多数生物分子,而这些生物分子通常是带电荷或极性的化合物(表 2-1);容易溶于水的化合物称为亲水的(hydrophilic,源自希腊语,意为“喜水的”)。相反,氯仿、苯等非极性溶剂对极性生物分子来说是不良溶剂,却很容易溶解疏水化合物——脂类和蜡这样的非极性分子。

§2.1 Weak Interactions in Aqueous Systems — Water Interacts Electrostatically with Charged Solutes · 教材 p. 262
Original text

Water dissolves salts such as NaCl by hydrating and stabilizing the Na+ and Cl− ions, weakening the electrostatic interactions between them and thus counteracting their tendency to associate in a crystalline lattice (Fig. 2-6).

中文翻译

水之所以能溶解 NaCl 一类的盐,是因为它把 Na⁺ 和 Cl⁻ 离子水化并使之稳定,从而削弱了两者之间的静电相互作用,抵消了它们缔合成晶格的倾向(图 2-6)。

§2.1 Weak Interactions in Aqueous Systems — Water Interacts Electrostatically with Charged Solutes · 教材 p. 263
原理解读

【蛋白质为什么能“溶”在水里:先讲清溶解的本质】水能溶解带电或极性物质,靠的是两件事:①与溶质形成氢键或离子—偶极相互作用,用“溶质—水”相互作用取代原来的“溶质—溶质”相互作用;②水的高介电常数屏蔽了溶质分子之间的静电吸引(见下一节)。蛋白质表面分布着大量带电基团(—COO⁻、—NH₃⁺)和极性基团(—OH、—CONH₂),因此其表面能被一层水分子牢牢结合——这就是中文教材说的水化膜(水膜、水化层)。原文在紧接着的一句还写道:“Water replaces the solute-solute hydrogen bonds linking these biomolecules to each other with solute-water hydrogen bonds, thus screening the electrostatic interactions between solute molecules.”(水用溶质—水氢键取代了连接这些生物分子彼此的溶质—溶质氢键,从而屏蔽了溶质分子之间的静电相互作用。)这句话正是“水化膜把蛋白质颗粒彼此隔开”的分子解释。

图 2-6 作为溶剂的水。水通过把许多结晶盐的组成离子水化而将其溶解。当水分子簇集在 Cl⁻ 和 Na⁺ 离子周围时,NaCl 的晶格被破坏。离子电荷被部分中和,形成晶格所必需的静电吸引作用被削弱。
图注 · 图 2-6 作为溶剂的水。水通过把许多结晶盐的组成离子水化而将其溶解。当水分子簇集在 Cl⁻ 和 Na⁺ 离子周围时,NaCl 的晶格被破坏。离子电荷被部分中和,形成晶格所必需的静电吸引作用被削弱。
Caption · FIGURE 2-6 Water as solvent. Water dissolves many crystalline salts by hydrating their component ions. The NaCl crystal lattice is disrupted as water molecules cluster about the Cl− and Na+ ions. The ionic charges are partially neutralized, and the electrostatic attractions necessary for lattice formation are weakened.
讲解 · 这张图是“水化膜”最直观的分子图像,也是本节全部结论的图示依据。看三点:① 图右侧特别标注的“Note the nonrandom orientation of the water molecules(注意水分子的非随机取向)”——水分子把带部分负电的氧朝向 Na⁺、把带部分正电的氢朝向 Cl⁻,形成定向排列的水层,这就是水化层(水化膜)的本质,蛋白质表面的 —COO⁻、—NH₃⁺ 周围完全同理;② 水化使离子电荷被部分中和、晶格所需的静电吸引被削弱,所以盐能溶解——反过来说,如果把水“抢走”(加入大量硫酸铵或乙醇),被水化的溶质就会重新聚集析出,这正是盐析与有机溶剂沉淀的分子图像;③ 图中每个离子被水分子完全包围,说明水化层是“成层包裹”而非零星附着,因此能在颗粒之间形成机械屏障,阻止蛋白质分子相互碰撞聚集。考法:简答“蛋白质水溶液为什么稳定”“盐析的原理是什么”时,都可以用这张图的语言作答——“表面亲水基团吸引水分子定向排列成水化膜,把颗粒彼此隔开”。
Original text

On carefully examining the contribution of weak interactions to protein stability, we find that the hydrophobic effect generally predominates. Pure water contains a network of hydrogen-bonded H2O molecules. No other molecule has the hydrogen-bonding potential of water, and the presence of other molecules in an aqueous solution disrupts the hydrogen bonding of water. When water surrounds a hydrophobic molecule, the optimal arrangement of hydrogen bonds results in a highly structured shell, or solvation layer, of water around the molecule (see Fig. 2-7). The increased order of the water molecules in the solvation layer correlates with an unfavorable decrease in the entropy of the water.

中文翻译

仔细考察各种弱相互作用对蛋白质稳定性的贡献时可以发现,疏水效应通常占主导地位。纯水中含有一个由氢键相连的 H₂O 分子构成的网络。没有任何其他分子具有水这样的成氢键潜力,因此水溶液中其他分子的存在都会干扰水的氢键网络。当水包围一个疏水分子时,氢键的最优排布方式会在该分子周围形成一层高度有序的壳层,即溶剂化层(solvation layer)(见图 2-7)。溶剂化层中水分子有序程度的增加,对应着水的熵发生了不利的下降。

§4.1 Overview of Protein Structure — Packing of Hydrophobic Amino Acids Away from Water Favors Protein Folding · 教材 p. 481
原理解读

【水化膜到底是什么:两种“水壳”要分开讲】原文这里描述的是非极性表面周围的高度有序水笼(溶剂化层),它熵不利,是疏水效应的来源;而蛋白质胶体稳定所依赖的“水化膜”主要指极性/带电表面周围通过氢键、离子—偶极作用结合的定向水层,它是能量有利的。两者的共同点是:蛋白质颗粒表面存在一层结构与本体水不同的“结合水”。第 2 章还给出了直接证据——血红蛋白晶体的 X 射线结构中可以看到牢固结合的水分子,它们“像蛋白质的固定组成部分一样影响衍射图样”,而且这些结合水没有渗透活性。考研答题时把水化膜写成“蛋白质表面亲水基团通过氢键等作用吸引水分子形成的定向排列水层,厚度约几个水分子”,并强调它“把蛋白质颗粒彼此隔开,阻止其相互碰撞聚集”。

图 2-7 两亲化合物在水溶液中形成能提高熵的结构。(图注续:(a) 长链脂肪酸具有极为疏水的烷基链,每条烷基链都被一层高度有序的水分子所包围。(b) 通过聚集成微团,脂肪酸分子把尽可能小的疏水表面暴露给水,需要参与有序水壳的水分子因而减少。被释放出来的、原本受束缚的水分子所带来的熵增,使微团得以稳定。)
图注 · 图 2-7 两亲化合物在水溶液中形成能提高熵的结构。(图注续:(a) 长链脂肪酸具有极为疏水的烷基链,每条烷基链都被一层高度有序的水分子所包围。(b) 通过聚集成微团,脂肪酸分子把尽可能小的疏水表面暴露给水,需要参与有序水壳的水分子因而减少。被释放出来的、原本受束缚的水分子所带来的熵增,使微团得以稳定。)
Caption · FIGURE 2-7 Amphipathic compounds in aqueous solution form structures that increase entropy.
讲解 · 这张图讲的是与图 2-6 相反的一面——非极性表面周围的水。(a) 左侧是本体水中不断生灭的“闪烁簇(flickering clusters)”,右侧是疏水烷基链外围被迫排成的高度有序“水笼(cages)”;(b) 三步图给出疏水效应的全过程:分散→成簇→微团,每一步被固定的有序水分子越来越少、熵越来越大。三个考点:① 疏水效应的驱动力是熵(水的熵增),不是“油分子之间相互吸引”,这是判断题最爱设的坑;② 把这张图的逻辑搬到蛋白质上,就是“非极性侧链聚集到分子内部形成疏水核心”——三级结构的主要稳定力;③ 反过来,一旦蛋白质变性、内部疏水基团外露,暴露的疏水面就会像图 (b) 那样彼此缔合以减少有序水,于是聚集成不可逆的沉淀(本考点“变性常导致沉淀”的分子机制)。注意与图 2-6 的分工:图 2-6 讲亲水表面的水化膜(胶体稳定),图 2-7 讲疏水表面的有序水笼(折叠与聚集的驱动力)。
原理解读

【胶体稳定的三个条件(笔记原话)与教材的对应关系】笔记给的三条是:①质点直径在 1~100 nm 范围;②质点带同种符号的净电荷、彼此排斥;③质点能与溶剂形成溶剂化层(水化层)。其中“1~100 nm 的胶体粒径范围”和“双电层”这两个说法在 Lehninger 8e 中没有出现——教材未涉及,此处按考研通用结论补充:蛋白质分子量 1 万~100 万,直径恰好落在 1~100 nm 的胶体分散系范围内,因此蛋白质水溶液是一种亲水胶体。所谓双电层,是指带电蛋白质颗粒表面的净电荷(内层)与溶液中被静电吸引而围绕在其周围的反离子(外层)共同构成的电荷层。 最重要的一句结论(简答必写):水化膜和电荷(双电层)是维持蛋白质胶体稳定的两大因素;只要同时去掉这两个因素,蛋白质就会从溶液中沉淀出来。这句话是下一节所有沉淀方法的总纲,也是“蛋白质沉淀的实质是什么”的标准答案。

Original text

Water molecules tend to move from a region of higher water concentration to one of lower water concentration, in accordance with the tendency in nature for a system to become disordered. When two different aqueous solutions are separated by a semipermeable membrane (one that allows the passage of water but not solute molecules), water molecules diffusing from the region of higher water concentration to the region of lower water concentration produce osmotic pressure (Fig. 2-11).

中文翻译

水分子倾向于从水浓度较高的区域向水浓度较低的区域移动,这符合自然界中系统趋向无序的倾向。当两种不同的水溶液被一层半透膜(一种只允许水通过而不允许溶质分子通过的膜)隔开时,水分子从水浓度高的一侧扩散到水浓度低的一侧,就产生了渗透压(图 2-11)。

§2.1 Weak Interactions in Aqueous Systems — Concentrated Solutes Produce Osmotic Pressure · 教材 p. 279
图 2-11 渗透现象与渗透压的测定。(a) 初始状态。管中盛有水溶液,烧杯中是纯水,半透膜允许水通过而不允许溶质通过。水从烧杯流入管中,以使膜两侧的水浓度趋于相等。(b) 终态。水已经进入不能透过膜的化合物的溶液中,将其稀释并使管内液柱上升。达到平衡时,作用于管内溶液的重力恰好与水向管内(水浓度较低处)移动的倾向相平衡。(c) 渗透压(Π)用把管内溶液压回到与烧杯水面齐平所必须施加的力来度量,这个力与 (b) 中液柱的高度 h 成正比。
图注 · 图 2-11 渗透现象与渗透压的测定。(a) 初始状态。管中盛有水溶液,烧杯中是纯水,半透膜允许水通过而不允许溶质通过。水从烧杯流入管中,以使膜两侧的水浓度趋于相等。(b) 终态。水已经进入不能透过膜的化合物的溶液中,将其稀释并使管内液柱上升。达到平衡时,作用于管内溶液的重力恰好与水向管内(水浓度较低处)移动的倾向相平衡。(c) 渗透压(Π)用把管内溶液压回到与烧杯水面齐平所必须施加的力来度量,这个力与 (b) 中液柱的高度 h 成正比。
Caption · FIGURE 2-11 Osmosis and the measurement of osmotic pressure. (a) The initial state. The tube contains an aqueous solution, the beaker contains pure water, and the semipermeable membrane allows the passage of water but not solute. Water flows from the beaker into the tube to equalize its concentration across the membrane. (b) The final state. Water has moved into the solution of the nonpermeant compound, diluting it and raising the column of solution within the tube. At equilibrium, the force of gravity operating on the solution in the tube exactly balances the tendency of water to move into the tube, where its concentration is lower. (c) Osmotic pressure (Π) is measured as the force that must be applied to return the solution in the tube to the level of the water in the beaker. This force is proportional to the height, h, of the column in (b).
讲解 · 这张图把“半透膜”一词落到实处:膜只让水(和小分子)通过,不让溶质(大分子)通过。三点考法:① 它是“蛋白质因分子颗粒大而不能透过半透膜”这一判断题的图示依据,也是透析、超滤能把蛋白与盐分开的原理;② 渗透压属于依数性(colligative property),只取决于溶质**粒子数目**而与其化学性质无关——所以同样质量浓度下,蛋白质(分子量大、粒子数少)产生的渗透压远小于 NaCl,这正是血浆蛋白只贡献很小一部分总渗透压、却承担了几乎全部**胶体渗透压**的原因;③ 教材另有一处提到,与蛋白牢固结合的水分子“没有渗透活性(not osmotically active)”,即水化膜中的结合水不计入自由水,这一点可用于解释测定蛋白质水合状态的实验。做题时注意把“透析(浓度梯度驱动、小分子出膜)”与“渗透(水进入高溶质侧)”区分开,二者共用同一张膜、方向却相反。
原理解读

【胶体性质的衍生特征】笔记列了三条:不能透过半透膜、丁达尔效应、布朗运动。教材只正面支持第一条——半透膜“允许水通过而不允许溶质分子通过”,第 3 章讲透析时进一步写明“The membrane allows the exchange of salt and buffer but not proteins”(膜允许盐和缓冲液交换,但不允许蛋白质通过),这就是“蛋白质不能透过半透膜”的直接依据,也是透析(dialysis)和超滤能把蛋白与小分子分开的原理。判断题常考的表述是“蛋白质分子颗粒大,不能透过半透膜,但能透过滤纸”——正确。 丁达尔效应和布朗运动在 Lehninger 中未涉及,此处按考研通用结论补充:胶体粒子直径与可见光波长(400~760 nm)同数量级或略小,能使光发生散射,故有丁达尔现象;胶体粒子受周围溶剂分子无规则撞击而做布朗运动,这也是它们不易因重力沉降的原因之一。

术语对照
  • 亲水的 / 疏水的hydrophilic / hydrophobic以是否能与水发生有利相互作用划分
  • 水化膜(水化层、溶剂化层)hydration shell / solvation layer蛋白颗粒表面定向排列的结合水层;胶体稳定因素之一
  • 双电层electric double layer颗粒表面净电荷+周围反离子层;教材未用此术语,按考研通用定义掌握
  • 亲水胶体hydrophilic colloid蛋白质水溶液的本质属性;粒径 1~100 nm
  • 半透膜 / 透析semipermeable membrane / dialysis蛋白质不能透过,小分子盐可通过;脱盐与更换缓冲液的常规手段

蛋白质的沉淀:去水化膜与去电荷两条通路(可逆与不可逆)Protein Precipitation: Removing the Hydration Shell and Neutralizing the Charge

笔记 考点一:蛋白质在水溶液中的行为笔记 考点一:蛋白质的沉淀(★★ 简答题考点)
Original text

Proteins are separated and purified on the basis of differences in their properties. Proteins can be selectively precipitated by changes in pH or temperature, and particularly by the addition of certain salts. A wide range of chromatographic procedures makes use of differences in size, binding affinities, charge, and other properties.

中文翻译

蛋白质是依据其性质上的差异而被分离和纯化的。改变 pH 或温度,尤其是加入某些盐类,都可以使蛋白质被选择性地沉淀下来。多种多样的层析方法则利用了蛋白质在大小、结合亲和力、电荷及其他性质上的差异。

§3.3 Working with Proteins — SUMMARY 3.3 · 教材 p. 413
原理解读

【沉淀的实质:一句话答案】蛋白质之所以能稳定地分散在水中,全靠水化膜和表面电荷这两个因素;任何能破坏(或同时破坏)这两个因素的处理,都会使蛋白质颗粒相互聚集而从溶液中沉淀出来。原文这句总结正好给出三类手段:改变 pH(去电荷)、改变温度(破坏构象、暴露疏水面)、加入盐(争夺水分子、屏蔽电荷)。把笔记那张沉淀方法表按“破坏了哪个因素”重排,就是最好的答题结构: · 盐析:高浓度中性盐争夺水分子并中和电荷 → 主要去水化膜(同时部分屏蔽电荷); · 等电点沉淀:pH = pI,净电荷为零、静电排斥消失 → 去电荷; · 有机溶剂沉淀:降低介电常数并夺取水分子 → 去水化膜+加强静电吸引; · 重金属盐 / 生物碱试剂:与带相反电荷的蛋白结合成不溶性盐 → 去电荷; · 加热变性沉淀:破坏空间结构、暴露内部疏水基团 → 二者同时破坏,且不可逆。 注意一个高频陷阱:单独调 pH 到 pI,多数蛋白只是溶解度降到最低,未必立刻析出;实践中常“等电点+盐析”或“等电点+有机溶剂”联用,因为水化膜仍在。

Original text

Ionic interactions between dissolved ions are much stronger in less polar environments, because there is less screening of charges by the nonpolar solvent. Water is effective in screening the electrostatic interactions between dissolved ions because it has a high dielectric constant, a physical property that reflects the number of dipoles in a solvent.

中文翻译

在极性较弱的环境中,溶解的离子之间的离子相互作用要强得多,因为非极性溶剂对电荷的屏蔽作用较小。水之所以能有效屏蔽溶解离子之间的静电相互作用,是因为它具有很高的介电常数(dielectric constant)——这一物理性质反映的是溶剂中偶极子的数目。

§2.1 Weak Interactions in Aqueous Systems — Water Interacts Electrostatically with Charged Solutes · 教材 p. 264
Original text

For water at 25 °C, ε is 78.5, and for the very nonpolar solvent benzene, ε is 4.6. The dependence on r2 is such that ionic attractions or repulsions operate only over short distances—in the range of 10 to 40 nm (depending on the electrolyte concentration) when the solvent is water.

中文翻译

对 25 °C 的水而言,ε 为 78.5;而对极性很弱的溶剂苯来说,ε 只有 4.6。由于作用力与 r² 成反比,当溶剂为水时,离子间的吸引或排斥只能在很短的距离内起作用——大约在 10 到 40 nm 的范围(具体取决于电解质浓度)。

§2.1 Weak Interactions in Aqueous Systems — Nonpolar Gases Are Poorly Soluble in Water · 教材 p. 265
原理解读

【有机溶剂沉淀的定量机理(本站最“讲原理”的一段)】库仑定律 F = Q₁Q₂/(εr²) 是理解有机溶剂沉淀的钥匙:水的介电常数 ε≈78.5,乙醇约 24,丙酮约 21,苯只有 4.6。向蛋白质溶液中加入乙醇或丙酮,混合溶剂的 ε 大幅下降,于是蛋白质分子之间带相反电荷基团的静电吸引力被放大数倍(ε 从 78.5 降到 40,作用力约翻一倍),同时有机溶剂本身极性大、亲水性强,会与蛋白质争夺水分子而破坏水化膜。两个效应叠加,蛋白质迅速聚集沉淀。 考点提示:①有机溶剂沉淀必须在低温(0 °C 以下最好)、短时间内完成——因为有机溶剂同时会破坏维持构象的疏水相互作用而引起变性,低温可显著减慢变性速度;②沉淀效果还与离子强度和 pH 有关,在 pI 附近沉淀所需的有机溶剂量最少(等电点+有机溶剂联用);③相比之下盐析一般不引起变性,这是二者最重要的区别,也是笔记表格里的关键对比。 教材未涉及、按考研通用结论补充:重金属盐沉淀(pH>pI 时蛋白带负电,与 Ag⁺、Hg²⁺、Pb²⁺ 等结合成不溶性盐,故临床用大量牛奶、蛋清解救重金属中毒)与生物碱试剂沉淀(pH<pI 时蛋白带正电,与鞣酸、苦味酸、三氯乙酸、磷钨酸等酸根离子结合成不溶性盐,常用于制备无蛋白血滤液);这两类沉淀都会使蛋白质变性,属不可逆沉淀。

Original text

Denaturation often leads to protein precipitation, a consequence of protein aggregate formation as exposed hydrophobic surfaces associate. The aggregates are often highly disordered. One example is the protein precipitate that can be seen after an egg white is boiled. More-ordered aggregates are also observed in some proteins, as we shall see.

中文翻译

变性常常导致蛋白质沉淀,这是由于暴露出来的疏水表面彼此缔合而形成蛋白质聚集体所致。这类聚集体往往是高度无序的。一个例子就是煮熟蛋清后所见到的蛋白质沉淀。在某些蛋白质中也观察到更为有序的聚集体,这一点我们后面还会讲到。

§4.4 Protein Denaturation and Folding — Loss of Protein Structure Results in Loss of Function · 教材 p. 557
原理解读

【可逆沉淀与不可逆沉淀:必须辨清的三个概念】 · 可逆沉淀(非变性沉淀):蛋白质的空间构象基本未被破坏,只是失去了水化膜或电荷而聚集;除去沉淀因素(透析除盐、调回 pH)后仍能重新溶解并保留生物活性。典型代表:盐析、等电点沉淀、低温下的有机溶剂沉淀。这是蛋白质分离纯化能够使用沉淀法的前提。 · 不可逆沉淀(变性沉淀):蛋白质空间结构已被破坏,即使除去沉淀剂也不能复原。典型代表:加热煮沸、强酸强碱、重金属盐、生物碱试剂、长时间室温下的有机溶剂处理。 · 变性与沉淀不是一回事:变性的蛋白质不一定沉淀(例如在 8 mol/L 尿素中蛋白质已完全变性,却因尿素维持其溶解而并不析出);沉淀的蛋白质也不一定变性(盐析)。凝固(coagulation)是变性后进一步聚集成不可逆凝块的现象,如熟鸡蛋清——所以三者关系是:变性 → (常)沉淀 → (进一步)凝固,但每一步都不是必然的。这道“变性、沉淀、凝固三者关系”是简答题的常客,原文这段“变性常常导致沉淀,因为暴露的疏水表面彼此缔合”正是它的分子解释。

术语对照
  • 盐析salting out高浓度中性盐(首选硫酸铵)夺水去水化膜;一般不引起变性,属可逆沉淀
  • 等电点沉淀isoelectric precipitationpH=pI 时净电荷为零、静电排斥消失,溶解度最小
  • 介电常数dielectric constant (ε)水 78.5、乙醇约 24、苯 4.6;ε 越小静电吸引越强,是有机溶剂沉淀的核心参数
  • 不可逆沉淀(变性沉淀)irreversible precipitation构象已破坏,除去沉淀剂也不能复溶
  • 凝固coagulation变性后进一步聚集成不可逆凝块,如熟蛋清

蛋白质的变性:定义、本质、变性因素与“协同解折叠”Loss of Protein Structure Results in Loss of Function: Denaturation

笔记 考点一:蛋白质在水溶液中的行为笔记 考点一:蛋白质的变性(与沉淀、凝固的区别)
Original text

Protein structures have evolved to function in particular cellular or extracellular environments. Conditions different from these environments can result in protein structural changes, large and small. A loss of three-dimensional structure sufficient to cause loss of function is called denaturation. The denatured state does not necessarily equate with complete unfolding of the protein and randomization of conformation. Under most conditions, denatured proteins exist in a set of partially folded states.

中文翻译

蛋白质的结构是为了在特定的细胞内或细胞外环境中行使功能而演化出来的。与这些环境不同的条件会引起蛋白质结构或大或小的改变。足以导致功能丧失的三维结构丧失称为变性(denaturation)。变性状态并不一定等同于蛋白质的完全解折叠和构象的随机化。在大多数条件下,变性的蛋白质是以一组部分折叠的状态存在的。

§4.4 Protein Denaturation and Folding — Loss of Protein Structure Results in Loss of Function · 教材 p. 555
原理解读

【变性的定义要按教材写得更准】中文教材的经典定义是:在某些理化因素作用下,蛋白质分子的空间构象被破坏,从而导致其理化性质改变和生物活性丧失,但不涉及一级结构(肽键)的断裂,这一现象称为蛋白质的变性。Lehninger 的定义更强调“功能”这一判据(a loss of three-dimensional structure sufficient to cause loss of function),并补充了一个中文教材少讲、但很能加分的点:变性态并不等于完全无规卷曲,多数条件下变性蛋白是“一组部分折叠状态”的混合物。答题时把这两点合起来写,层次立刻高出一截。 变性后的表现(简答要点):①生物活性丧失(最主要标志);②溶解度下降、易沉淀(内部疏水基团外露);③黏度增加、扩散系数减小(球状变伸展);④易被蛋白酶水解(肽键暴露);⑤某些结晶能力、生物学特异性(抗原性、免疫原性)改变;⑥紫外吸收和旋光性改变。

Original text

Stability is the tendency of a protein to maintain a native conformation. Native proteins are only marginally stable; the ΔG separating the folded and unfolded states in typical proteins under physiological conditions is in the range of only 5 to 65 kJ/mol. A given polypeptide chain can theoretically assume countless conformations, and as a result, the unfolded state of a protein is characterized by a high degree of conformational entropy. This entropy, along with the hydrogen-bonding interactions of many groups in the polypeptide chain with the solvent (water), tends to maintain the unfolded state.

中文翻译

稳定性是指蛋白质维持其天然构象的倾向。天然蛋白质只是勉强稳定的:在生理条件下,典型蛋白质折叠态与去折叠态之间的自由能差 ΔG 仅在 5 到 65 kJ/mol 的范围内。一条给定的多肽链理论上可以采取数不清的构象,因此蛋白质的去折叠态具有很高的构象熵。这种熵,连同多肽链中许多基团与溶剂(水)之间的氢键相互作用,都倾向于维持去折叠状态。

§4.1 Overview of Protein Structure — A Protein’s Conformation Is Stabilized Largely by Weak Interactions · 教材 p. 479
原理解读

【为什么蛋白质这么“脆弱”:变性的热力学本质】这段是理解变性的关键:天然构象与变性构象之间的自由能差只有 5~65 kJ/mol,而一个 C—C 共价键的键能就有约 350 kJ/mol。也就是说,维持蛋白质空间结构的全部次级键(氢键、离子键、疏水相互作用、范德华力)加起来的净稳定性,还不如一个共价键——所以温和的加热、pH 变化、尿素就足以使其变性,而肽键(共价键)纹丝不动。这正是“变性不破坏一级结构”的物理化学解释,也是本章最值得写进答案的一句“原理级”论述。 另一个推论:去折叠态构象熵极高(熵有利),折叠态靠疏水效应带来的溶剂熵增和大量次级键(焓有利)取胜,二者几乎势均力敌,所以蛋白质天然构象是“边缘稳定(marginally stable)”的动态平衡——升温使 TΔS 项权重增大,平衡自然倒向去折叠态。

Original text

The abruptness of the change suggests that unfolding is a cooperative process: loss of structure in one part of the protein destabilizes other parts. The effects of heat on proteins can be mitigated by structure. The very heat-stable proteins of thermophilic bacteria and archaea have evolved to function at the temperature of hot springs (∼100 °C). The folded structures of these proteins are often similar to those of proteins in other organisms, but take some of the principles outlined here to extremes. They often feature high densities of charged residues on their surfaces, even tighter hydrophobic packing in their interiors, and folds rendered less flexible by networks of ion pairs.

中文翻译

这种变化的突然性提示解折叠是一个协同过程:蛋白质某一部分结构的丧失会使其他部分失稳。热对蛋白质的影响可以通过结构本身来减缓。嗜热细菌和古菌中那些极耐热的蛋白质,已经演化到能在温泉的温度(约 100 °C)下发挥功能。这些蛋白质的折叠结构常常与其他生物中的蛋白质相似,但把这里概述的一些原则用到了极致:它们表面往往带有高密度的带电残基,内部的疏水堆积更为紧密,并且通过离子对网络使折叠结构的柔性下降。以上每一个特点都使这些蛋白质在高温下更不易解折叠。

§4.4 Protein Denaturation and Folding — Loss of Protein Structure Results in Loss of Function · 教材 p. 556
图 4-24 蛋白质的变性。图中显示了两种不同环境变化引起的蛋白质变性结果。在每一种情况下,从折叠态到去折叠态的转变都是突然发生的,提示解折叠过程具有协同性。(a)马脱辅基肌红蛋白(去除血红素辅基的肌红蛋白)和核糖核酸酶 A(二硫键完整;见图 4-26)的热变性。变性发生的温度范围的中点称为熔解温度(melting temperature),即 Tm。
图注 · 图 4-24 蛋白质的变性。图中显示了两种不同环境变化引起的蛋白质变性结果。在每一种情况下,从折叠态到去折叠态的转变都是突然发生的,提示解折叠过程具有协同性。(a)马脱辅基肌红蛋白(去除血红素辅基的肌红蛋白)和核糖核酸酶 A(二硫键完整;见图 4-26)的热变性。变性发生的温度范围的中点称为熔解温度(melting temperature),即 Tm。
Caption · FIGURE 4-24 Protein denaturation. Results are shown for proteins denatured by two different environmental changes. In each case, the transition from the folded state to the unfolded state is abrupt, suggesting cooperativity in the unfolding process. (a) Thermal denaturation of horse apomyoglobin (myoglobin without the heme prosthetic group) and ribonuclease A (with its disulfide bonds intact; see Fig. 4-26). The midpoint of the temperature range over which denaturation occurs is called the melting temperature, or Tm.
讲解 · 读图三要点:①两条曲线都是S 形(急剧转折),而不是缓慢的直线上升——这就是“协同解折叠”的实验证据:一处结构崩塌会带动邻近结构一起崩塌,因此变性表现为“全或无”的两态转变;②曲线中点 Tm(熔解温度) 是蛋白质热稳定性的定量指标,图中核糖核酸酶 A 的 Tm 约 60 °C,脱辅基肌红蛋白约 65 °C;③(b) 图说明变性剂(盐酸胍 GdnHCl)浓度升高也能引起同样突然的转变,约 3 mol/L 时半数解折叠。考法:给出一条热变性曲线要求解释“为什么是 S 形”“Tm 的含义”“如何比较两种蛋白的稳定性”。注意 Tm 这个符号与 DNA 解链温度是同一个字母,但对象不同,别混淆。
Original text

Proteins can also be denatured by extremes of pH, by certain miscible organic solvents such as alcohol or acetone, by certain solutes such as urea and guanidine hydrochloride, or by detergents. Each of these denaturing agents represents a relatively mild treatment in the sense that no covalent bonds in the polypeptide chain are broken. Organic solvents, urea, and detergents act primarily by disrupting the hydrophobic aggregation of nonpolar amino acid side chains that produces the stable core of globular proteins; urea also disrupts hydrogen bonds; and extremes of pH alter the net charge on a protein, causing electrostatic repulsion and the disruption of some hydrogen bonding. The denatured structures resulting from these various treatments are not necessarily the same.

中文翻译

蛋白质也可以被极端 pH、某些能与水混溶的有机溶剂(如醇或丙酮)、某些溶质(如尿素和盐酸胍)或去污剂所变性。就“多肽链中没有任何共价键被断裂”这一点而言,上述每一种变性剂都属于相对温和的处理。有机溶剂、尿素和去污剂主要通过破坏非极性氨基酸侧链的疏水聚集来起作用——正是这种疏水聚集构成了球状蛋白质稳定的核心;尿素还会破坏氢键;而极端 pH 则改变蛋白质的净电荷,造成静电排斥并破坏部分氢键。由这些不同处理所产生的变性结构不一定相同。

§4.4 Protein Denaturation and Folding — Loss of Protein Structure Results in Loss of Function · 教材 p. 557
原理解读

【变性因素分类+各自机理(简答题模板)】把原文与中文教材合起来记: 物理因素:高温(破坏氢键等次级键,最常用)、紫外线与 X 射线、超声波、剧烈振荡、高压、反复冻融。 化学因素: · 强酸强碱/极端 pH —— 改变净电荷,同种电荷间静电排斥,并破坏维持构象的离子键和部分氢键; · 尿素、盐酸胍(高浓度 6~8 mol/L)—— 破坏疏水相互作用与氢键,是实验室最常用的变性剂; · 去污剂(如 SDS)—— 插入疏水核心,破坏疏水聚集(这也是 SDS-PAGE 中蛋白被解折叠成棒状的原因); · 有机溶剂(乙醇、丙酮)—— 破坏疏水相互作用、降低介电常数; · 重金属离子(Ag⁺、Hg²⁺、Pb²⁺)—— 与巯基等结合; · 还原剂(β-巯基乙醇、DTT)—— 断开二硫键(注意:二硫键是共价键,所以严格说加还原剂已经超出“不破坏共价键”的范畴,Anfinsen 实验中尿素+还原剂并用正是为了同时拆掉次级键和二硫键)。 变性的应用与防止:应用——高温高压灭菌、酒精消毒(细菌蛋白变性)、重金属中毒时口服蛋清牛奶;防止——低温保存酶与疫苗、避免剧烈振荡与反复冻融、加入甘油或蔗糖作保护剂。

术语对照
  • 变性denaturation名词解释高频:空间构象破坏、生物活性丧失,但一级结构(肽键)不断裂
  • 协同解折叠cooperative unfolding变性曲线呈 S 形的原因:一处失稳带动整体崩塌
  • 熔解温度melting temperature (Tm)半数分子解折叠时的温度,蛋白质热稳定性指标
  • 变性剂denaturant尿素、盐酸胍、SDS 等;主要破坏疏水核心与氢键
  • 边缘稳定性marginal stability天然态与变性态 ΔG 仅 5~65 kJ/mol,远小于一个共价键的键能

蛋白质的复性与 Anfinsen 实验:一级结构决定高级结构Amino Acid Sequence Determines Tertiary Structure: Renaturation and the Anfinsen Experiment

笔记 考点一:蛋白质在水溶液中的行为笔记 考点一:蛋白质的变性与复性
Original text

The tertiary structure of a globular protein is determined by its amino acid sequence. The most important proof of this came from experiments showing that denaturation of some proteins is reversible. Certain globular proteins denatured by heat, extremes of pH, or denaturing reagents will regain their native structure and their biological activity if they are returned to conditions in which the native conformation is stable. This process is called renaturation.

中文翻译

球状蛋白质的三级结构由其氨基酸序列决定。这一点最重要的证据来自一些实验,它们表明某些蛋白质的变性是可逆的。某些被加热、极端 pH 或变性试剂变性的球状蛋白质,一旦重新置于其天然构象得以稳定的条件下,就会恢复天然结构和生物活性。这一过程称为复性(renaturation)。

§4.4 Protein Denaturation and Folding — Amino Acid Sequence Determines Tertiary Structure · 教材 p. 558
Original text

A classic example is the denaturation and renaturation of ribonuclease A, demonstrated by Christian Anfinsen in the 1950s. Purified ribonuclease A denatures completely in a concentrated urea solution in the presence of a reducing agent. The reducing agent cleaves the four disulfide bonds to yield eight Cys residues, and the urea disrupts the stabilizing hydrophobic effect, thus freeing the entire polypeptide from its folded conformation. Denaturation of ribonuclease is accompanied by a complete loss of catalytic activity. When the urea and the reducing agent are removed, the denatured ribonuclease spontaneously refolds into its correct tertiary structure, with full restoration of its catalytic activity (Fig. 4-25). The refolding of ribonuclease is so accurate that the four intrachain disulfide bonds are re-formed in the same positions in the renatured molecule as in the native ribonuclease.

中文翻译

一个经典例子是核糖核酸酶 A 的变性与复性,由 Christian Anfinsen 于 20 世纪 50 年代完成。纯化的核糖核酸酶 A 在高浓度尿素溶液中、并在还原剂存在的条件下完全变性。还原剂切断了 4 个二硫键,生成 8 个 Cys 残基;尿素则破坏了起稳定作用的疏水效应,从而使整条多肽链摆脱其折叠构象。核糖核酸酶的变性伴随着催化活性的完全丧失。当尿素和还原剂被除去后,变性的核糖核酸酶自发地重新折叠成正确的三级结构,其催化活性完全恢复(图 4-25)。核糖核酸酶重折叠之路如此精确,以致 4 个链内二硫键在复性后的分子中重新形成的位置与天然核糖核酸酶中完全相同。

§4.4 Protein Denaturation and Folding — Amino Acid Sequence Determines Tertiary Structure · 教材 p. 558
图 4-25 已解折叠的变性核糖核酸酶的复性。(图注续:尿素使核糖核酸酶变性,巯基乙醇 HOCH₂CH₂SH 则将二硫键还原切断,产生 8 个 Cys 残基;复性过程涉及正确二硫交联的重新建立。)
图注 · 图 4-25 已解折叠的变性核糖核酸酶的复性。(图注续:尿素使核糖核酸酶变性,巯基乙醇 HOCH₂CH₂SH 则将二硫键还原切断,产生 8 个 Cys 残基;复性过程涉及正确二硫交联的重新建立。)
Caption · FIGURE 4-25 Renaturation of unfolded, denatured ribonuclease.
讲解 · 这张三步图就是 Anfinsen 实验的全流程,必须能默画:①天然态——4 对二硫键(26-84、40-95、58-110、65-72),有催化活性;②加入尿素+巯基乙醇——链完全伸展,8 个 —SH 游离,活性完全丧失;③除去尿素与巯基乙醇(透析)——自发重折叠,二硫键在原位重新配对,活性完全恢复。两个高频追问:为什么必须两种试剂并用? 尿素破坏次级键(疏水作用、氢键),巯基乙醇还原二硫键这一共价交联,二者缺一不能完全解折叠。为什么说这证明一级结构决定高级结构? 因为体系中除了这条多肽链本身,没有任何模板或额外信息;8 个 Cys 随机配对本可产生 105 种组合,实际却精确复原为唯一一种,说明折叠所需的全部信息就写在氨基酸序列里。Anfinsen 因此获 1972 年诺贝尔化学奖。
Original text

The Anfinsen experiment provided the first evidence that the amino acid sequence of a polypeptide chain contains all the information required to fold the chain into its native, threedimensional structure. Subsequent work has shown that only a minority of proteins, many of them small and inherently stable, will fold spontaneously into their native form. Even though all proteins have the potential to fold into their native structure, many require some assistance.

中文翻译

Anfinsen 实验提供了第一个证据,表明多肽链的氨基酸序列包含了将该链折叠成其天然三维结构所需的全部信息。此后的工作表明,只有少数蛋白质——其中许多是小分子且本身就很稳定的蛋白质——能够自发折叠成天然形式。尽管所有蛋白质都具有折叠成天然结构的潜力,但许多蛋白质需要一定的帮助。

§4.4 Protein Denaturation and Folding — Polypeptides Fold Rapidly by a Stepwise Process · 教材 p. 561
原理解读

【复性的条件与“不是所有蛋白都能复性”】 复性(renaturation)名词解释:变性程度较轻的蛋白质,在去除变性因素后能重新恢复其天然构象和生物活性的现象。 能复性的条件:①变性较轻、未发生聚集;②一级结构(含二硫键的 Cys 位置)完好;③缓慢除去变性剂(如透析),使折叠有时间按正确途径进行;④低蛋白浓度,避免分子间错误聚集。 为什么很多蛋白复性不成功(原文第二、三句的考点化):教材明确指出只有少数(多为小分子、本身稳定的)蛋白能自发复性,多数需要“帮助”——即分子伴侣(chaperone)。分子伴侣不提供折叠信息,而是通过结合暴露的疏水面、防止错误聚集来提高正确折叠的产率。这一点必须与“一级结构决定高级结构”并列写出,否则答案会被认为过时:热力学上信息全在序列里(Anfinsen 原理成立),但动力学上细胞需要伴侣来避开聚集陷阱。 Levinthal 悖论(教材同章)可作加分点:若一条 100 残基的肽链随机试遍所有构象(每残基按 10 种构象计,共 10¹⁰⁰ 种),每种只用 10⁻¹³ 秒也需约 10⁷⁷ 年,而实际折叠只要毫秒到秒级——所以折叠必然是分级、有途径的(先形成局部二级结构,再逐步组装成结构域),不是随机搜索。

术语对照
  • 复性renaturation名词解释:去除变性因素后重新恢复天然构象与生物活性
  • Anfinsen 实验Anfinsen experiment核糖核酸酶 A;尿素+巯基乙醇变性、透析复性;证明一级结构决定三级结构
  • 分子伴侣chaperone不提供折叠信息,只防止错误聚集、提高正确折叠产率
  • Levinthal 悖论Levinthal’s paradox随机搜索所需时间天文数字,说明折叠是分级有途径的过程

前处理:材料选择、细胞破碎与粗提取液The First Step: Choosing a Source, Breaking Open the Cells, and Preparing a Crude Extract

笔记 考点二:蛋白质分离纯化的一般程序笔记 考点二:纯化的准备工作与第①步前处理
Original text

A pure preparation is usually essential before a protein’s properties and activities can be determined. Given that cells contain thousands of different kinds of proteins, how can one protein be purified?

中文翻译

在测定一种蛋白质的性质和活性之前,通常必须先得到它的纯制品。既然细胞中含有数以千计的不同蛋白质,那么怎样才能把其中一种蛋白质纯化出来呢?

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 392
原理解读

【纯化的总目的与准备工作】笔记把总目的写成“增加制品的纯度或比活力,即提高单位蛋白质质量中目标蛋白的含量或生物活性,同时希望产量(回收率)尽可能高”——注意这是一对互相矛盾的指标:步骤越多、条件越苛刻,纯度越高但回收率越低;所以纯化方案的设计本质上是在“纯化倍数”和“回收率”之间取平衡(见本考点最后一节)。 纯化前的三项准备工作(填空常考):①明确纯化目的(要活性蛋白还是只要序列/结构?要多少量?)——目的决定能否使用变性条件;②建立可靠的活性(或含量)测定方法——这是全部工作的前提,没有检测手段就无法判断目标蛋白在哪一管里,原文在讲检测时说得很直白:“To purify a protein, it is essential to have a way of detecting and quantifying that protein in the presence of many other proteins at each stage of the procedure.”;③选择富含目标蛋白、来源方便、价格低廉的原材料。

Original text

The source of a protein is generally tissue or microbial cells. The first step in any protein purification procedure is to break open these cells, releasing their proteins into a solution called a crude extract. If necessary, differential centrifugation can be used to prepare subcellular fractions or to isolate specific organelles (see Fig. 1-7).

中文翻译

蛋白质的来源一般是组织或微生物细胞。任何蛋白质纯化流程的第一步都是破开这些细胞,把其中的蛋白质释放到一种称为粗提取液(crude extract)的溶液中。必要时,可以用差速离心法制备亚细胞组分或分离特定的细胞器(见图 1-7)。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 393
原理解读

【细胞破碎与粗提取液:把每个字都落到操作上】 · 粗提取液(crude extract)名词解释:破碎细胞后得到的、含有细胞内全部可溶性蛋白(以及核酸、多糖、脂类等)的混合溶液,是一切后续分离的起点。 · 差速离心的定位:如果目标蛋白位于某个细胞器(线粒体、细胞核、溶酶体),先用差速离心把细胞器分出来再破碎,可在第一步就获得可观的纯化倍数——这是“先做便宜的富集步骤”原则的第一次体现。 · 破碎方法(教材未详列,此处按考研通用结论补充):机械法——组织匀浆、玻璃匀浆器研磨、高压匀浆、超声波破碎、珠磨;物理法——反复冻融、渗透压冲击(低渗涨破,适用于红细胞);化学与酶法——去污剂(Triton X-100)溶解膜、溶菌酶消化细菌细胞壁。植物和真菌因有细胞壁常需研磨+酶解,动物组织匀浆即可。 · 贯穿全程的四条“保命”规则(简答高频):①全程 0~4 °C 低温操作(降低变性与蛋白酶水解速度);②使用适当 pH 的缓冲液(避免局部酸碱造成变性,通常选在目标蛋白稳定的 pH);③加入蛋白酶抑制剂(PMSF、EDTA 等),因为破碎细胞会把溶酶体蛋白酶与目标蛋白混在一起;④加入还原剂(β-巯基乙醇、DTT)保护巯基,并避免剧烈搅拌起泡(气液界面会使蛋白变性)。核心要求一句话:在把蛋白从细胞中释放出来的同时,最大限度保持其天然状态和生物活性。

Original text

The advent of genetic engineering approaches has provided new and simpler paths for protein purification. The latter methods, described in Chapter 9, often artificially modify the protein being purified, adding a few or many amino acid residues to one or both ends. In many cases, the modifications alter protein function. Isolation of unaltered native proteins requires removal of the modification or a reliance on methods described here.

中文翻译

基因工程方法的出现,为蛋白质纯化提供了新的、更简便的途径。后一类方法(在第 9 章中介绍)常常会人为地改造被纯化的蛋白质,在其一端或两端加上少数或许多氨基酸残基。在许多情况下,这些改造会改变蛋白质的功能。要分离未经改造的天然蛋白质,就必须去除这些修饰,或者依靠本章所述的方法。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 392
原理解读

【笔记那句“有时候需要用基因表达该蛋白进行纯化”的教材依据】当天然材料中目标蛋白含量极低(如受体、转录因子)时,与其从吨级组织里提取,不如把基因克隆到大肠杆菌/酵母/昆虫细胞中过量表达,起始比活力就高出几个数量级;再在蛋白末端接上亲和标签(tag,如 His₆、GST、FLAG),一步亲和层析即可获得高纯度产品(下一节原文有专门表述)。 原文同时提醒了考试常忽略的代价:加标签属于人为改造,可能改变蛋白功能,因此研究天然性质时要么用蛋白酶(如 TEV、凝血酶)在预设位点切除标签,要么老老实实用传统方法纯化天然蛋白。这是“基因工程纯化 vs 传统纯化”比较题的标准答法。

术语对照
  • 粗提取液crude extract名词解释:破碎细胞后释放出全部可溶性蛋白的混合液,纯化的起点
  • 差速离心differential centrifugation按沉降速度分离细胞器,常作第一步富集
  • 亲和标签affinity tagHis₆/GST/FLAG 等;一步大幅提纯,但可能改变功能,必要时切除
  • 蛋白酶抑制剂protease inhibitorPMSF、EDTA 等;教材未列具体品种,属考研通用补充

粗分级分离:利用溶解度差异的盐析与随后的透析脱盐Fractionation by Solubility: Salting Out with Ammonium Sulfate, and Dialysis

笔记 考点二:蛋白质分离纯化的一般程序笔记 考点二:第②步粗分级分离(盐析、等电点沉淀、有机溶剂分级)
Original text

Commonly, the extract is subjected to treatments that separate the proteins into different fractions based on a property such as size or charge; the process is referred to as fractionation. Early fractionation steps in a purification utilize differences in protein solubility, which is a complex function of pH, temperature, salt concentration, and other factors. The solubility of proteins is lowered in the presence of some salts, an effect called “salting out.” Ammonium sulfate ((NH4)2SO4) is particularly effective for selectively precipitating some proteins while leaving others in solution.

中文翻译

通常的做法是对提取液进行处理,按大小或电荷之类的性质把蛋白质分成不同的组分,这一过程称为分级分离(fractionation)。纯化早期的分级分离步骤利用的是蛋白质溶解度的差异,而溶解度是 pH、温度、盐浓度及其他因素的复杂函数。在某些盐存在时蛋白质的溶解度会降低,这种效应称为“盐析”(salting out)。硫酸铵((NH₄)₂SO₄)在选择性地沉淀某些蛋白质而让另一些蛋白质留在溶液中方面特别有效。随后用低速离心即可把沉淀下来的蛋白质与仍留在溶液中的蛋白质分开。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 393
Original text

As a salt such as NaCl dissolves, the Na+ and Cl− ions leaving the crystal lattice acquire far greater freedom of motion (Fig. 2-6). The resulting increase in entropy (randomness) of the system is largely responsible for the ease of dissolving salts such as NaCl in water. In thermodynamic terms, formation of the solution occurs with a favorable free-energy change: ΔG = ΔH − TΔS, where ΔH has a small positive value and TΔS a large positive value; thus ΔG is negative.

中文翻译

当 NaCl 这样的盐溶解时,离开晶格的 Na⁺ 和 Cl⁻ 离子获得了大得多的运动自由度(图 2-6)。由此带来的系统熵(无序度)增加,正是 NaCl 之类的盐易溶于水的主要原因。用热力学的语言说,溶液的形成伴随着有利的自由能变化:ΔG = ΔH − TΔS,其中 ΔH 是一个不大的正值,而 TΔS 是一个很大的正值,因此 ΔG 为负。

§2.1 Weak Interactions in Aqueous Systems — Nonpolar Gases Are Poorly Soluble in Water · 教材 p. 265
原理解读

【盐析的机理:把“夺水”和“中和电荷”讲清楚】原文告诉我们,盐之所以易溶,是因为每一个离子都要被水分子水化。当中性盐浓度很高时,大量盐离子争夺溶液中有限的自由水分子,使蛋白质表面的水化膜被剥夺;与此同时,高离子强度屏蔽(中和)了蛋白质表面的电荷,双电层被压缩,颗粒间静电排斥消失。胶体稳定的两大因素同时被破坏,蛋白质便聚集析出——这就是盐析,与考点一“沉淀的实质”完全对应。 硫酸铵为什么是首选(简答常考):①溶解度极大(0 °C 时仍可达约 4 mol/L),能达到足够高的离子强度;②溶解度受温度影响小,可在低温操作;③二价阴离子 SO₄²⁻ 盐析能力强(符合 Hofmeister 感胶离子序);④对蛋白质有稳定(保护)作用,一般不引起变性,沉淀可复溶,属可逆沉淀;⑤价廉易得。缺点是缓冲能力弱、腐蚀金属、干扰 Lowry 法测蛋白与后续离子交换,故盐析后必须脱盐。 分段盐析:不同蛋白质盐析所需的盐浓度不同,逐级提高硫酸铵饱和度(如 0~30%、30~50%、50~70%),分别收集沉淀,即可实现粗分级。盐溶现象在 Lehninger 中未涉及——按考研通用结论补充:低浓度中性盐反而增加蛋白质溶解度(离子与蛋白结合、增加表面电荷并加强水化),称为盐溶;浓度继续升高才转为盐析,所以“溶解度—盐浓度”曲线先升后降。

Original text

A solution containing the protein of interest usually must be further altered before subsequent purification steps are possible. For example, dialysis is a procedure that separates proteins from small solutes by taking advantage of the proteins’ larger size.

中文翻译

含有目标蛋白的溶液通常必须先经过进一步处理,才能进行后续的纯化步骤。例如,透析(dialysis)就是一种利用蛋白质分子较大这一特点、把蛋白质与小分子溶质分开的方法。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 393
Original text

The membrane allows the exchange of salt and buffer but not proteins. Thus dialysis retains large proteins within the membranous bag or tube while allowing the concentration of other solutes in the protein preparation to change until they come into equilibrium with the solution outside the membrane. Dialysis might be used, for example, to remove ammonium sulfate from the protein preparation.

中文翻译

这层膜允许盐和缓冲液交换,却不允许蛋白质通过。因此透析把大分子蛋白质保留在膜袋或膜管内,同时让制品中其他溶质的浓度不断改变,直至与膜外溶液达到平衡。例如,可以用透析把硫酸铵从蛋白质制品中除去。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 394
原理解读

【为什么盐析之后必须紧跟脱盐】盐析得到的沉淀复溶后仍含有极高浓度的硫酸铵,它会干扰离子交换层析(高盐会把蛋白从离子交换柱上洗脱下来)、影响活性测定、并使溶液密度过大。脱盐的三种手段: · 透析——最经典,利用半透膜只让小分子通过(正是考点一“蛋白质不能透过半透膜”的应用);缺点是慢(需数小时至过夜、多次换液),且样品被稀释。 · 凝胶过滤脱盐——用 Sephadex G-25 之类的小孔径介质,大分子蛋白不进入网孔而先流出,盐进入网孔被滞留,几分钟即可完成(教材在讲 size-exclusion chromatography 时给出原理)。 · 超滤——Lehninger 未涉及,按考研通用结论补充:用具有一定截留分子量的滤膜加压过滤,小分子和水透过,蛋白被截留,可同时实现脱盐与浓缩,是现代实验室最常用的方法,也对应笔记里“不适用盐析的蛋白可选择超滤、凝胶过滤或冷冻真空干燥”这一句。 注意术语区别:透析(dialysis)靠浓度梯度自发扩散,超滤(ultrafiltration)靠压力驱动,二者原理不同但都以“半透膜+分子大小”为基础。

术语对照
  • 分级分离fractionation按某一性质(溶解度、大小、电荷)把蛋白分成若干组分
  • 盐析salting out高浓度中性盐夺水化膜、屏蔽电荷;硫酸铵最常用,一般不变性
  • 分段盐析stepwise/fractional salting out逐级提高盐饱和度分别沉淀,实现粗分级
  • 透析dialysis半透膜脱盐或换缓冲液;蛋白留内、小分子出外
  • 超滤ultrafiltration加压+截留分子量膜,可同时脱盐与浓缩;教材未涉及,考研补充

细分级分离与纯化路线设计:多种方法串联、先粗后精、先便宜后昂贵Designing the Purification Route: Sequential Methods, Cheap Steps First

笔记 考点二:蛋白质分离纯化的一般程序笔记 考点二:第③步细分级分离与方法选择顺序
Original text

The choice of methods is somewhat empirical, and many strategies may be tried before the most effective one is found. Researchers can often minimize trial and error by basing the new procedure on purification techniques developed for similar proteins. Common sense dictates that inexpensive procedures such as salting out be used first, when the total volume and the number of contaminants are greatest. As each purification step is completed, the sample size generally becomes smaller (Table 3-5), making it feasible to use more sophisticated (and expensive) chromatographic procedures at later stages.

中文翻译

方法的选择带有一定的经验性,往往要试过许多方案才能找到最有效的一种。研究者通常可以借鉴针对同类蛋白质已建立的纯化技术来设计新流程,从而尽量减少试错。常识告诉我们,应当先使用像盐析这样廉价的方法——此时总体积和杂质的数量都最大。随着每一步纯化的完成,样品的量一般会变小(表 3-5),这就使得在后期阶段采用更精细(也更昂贵)的层析方法成为可能。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 401
原理解读

【纯化路线设计的三条铁律(简答/填空必背)】 第一条:每一步必须基于不同的性质。 原文明确指出“In most cases, several different methods must be used sequentially to purify a protein completely, each separating proteins on the basis of different properties.”(在多数情况下,必须依次使用几种不同方法才能把一种蛋白完全纯化,每种方法依据不同的性质分离蛋白。)如果连用两根同类型的柱子,第二根几乎不再提高纯度。常见的性质—方法对应:溶解度→盐析/等电点沉淀;电荷→离子交换层析、电泳、等电聚焦;大小→凝胶过滤、超滤、SDS-PAGE;专一结合→亲和层析;疏水性→疏水作用层析。 第二条:先粗后精、先便宜后昂贵。 粗分级(盐析、等电点沉淀、有机溶剂分级)能处理大体积样品、成本低、但分辨率差,故放在前面;细分级(凝胶过滤、离子交换、吸附、亲和层析)分辨率高但柱容量小、介质贵,样品体积变小后再用。 第三条:步骤越少越好。 每一步都会损失活力(见下一节),因此“三步以内做到电泳纯”是好方案的标志;亲和层析之所以受推崇,正是因为它常常一步就把纯化倍数提高上千倍。 原文还有一句可以直接背的总结:“Choosing the approach to purification of a protein that has not previously been isolated is guided both by established precedents and by common sense.”(对于一种以前没有被分离过的蛋白质,选择纯化路线既要靠已有的先例,也要靠常识。)

Original text

A porous solid material with appropriate chemical properties (the stationary phase) is held in a column, and a buffered solution (the mobile phase) migrates through it. The protein, dissolved in the same buffered solution that was used to establish the mobile phase, is layered on the top of the column. The protein then percolates through the solid matrix as an everexpanding band within the larger mobile phase. Individual proteins migrate faster or more slowly through the column, depending on their properties.

中文翻译

柱内装有一种具有适当化学性质的多孔固体材料(固定相),一种缓冲溶液(流动相)在其中流过。要分离的蛋白质溶解在与建立流动相时相同的缓冲液中,被铺加在柱顶。随后蛋白质在流动相中以一条不断展宽的谱带渗滤穿过固体基质。不同的蛋白质因其性质不同,在柱中迁移得或快或慢。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 394
Original text

Protein purification protocols often use genetic engineering to fuse additional amino acids or peptides (tags) to the target protein. Affinity chromatography can be used to bind this tag, achieving a large increase in purity in a single step (see Fig. 9-11). In many cases, the tag can be subsequently removed, fully restoring the function of the native protein.

中文翻译

蛋白质纯化方案常常利用基因工程手段,把额外的氨基酸或肽段(标签)融合到目标蛋白上。亲和层析可以用来结合这一标签,从而在一步之内使纯度大幅提高(见图 9-11)。在许多情况下,标签随后可以被去除,使天然蛋白质的功能完全恢复。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 400
原理解读

【细分级分离用到的四类层析(笔记要求“记住每一步用什么技术”)】本站第五章后面的考点会逐一细讲,这里先把定位记住: · 凝胶过滤(分子排阻)层析——按分子大小,大分子先出柱(不进入网孔、走捷径),常用于最后一步的精制与脱盐,同时可估算分子量; · 离子交换层析——按净电荷的符号与大小,用 pH 梯度或盐梯度洗脱;阳离子交换剂(如 CM-)带负电结合带正电的蛋白,阴离子交换剂(如 DEAE-)带正电结合带负电的蛋白; · 吸附层析(羟基磷灰石、疏水作用层析)——按表面吸附性质; · 亲和层析——按生物专一性结合(酶—底物类似物、抗原—抗体、糖蛋白—凝集素、His 标签—Ni²⁺-NTA),特异性最高、一步纯化倍数最大,用高浓度盐或游离配体洗脱。 上面这段原文给出的是柱层析的共同框架:固定相(多孔基质)+流动相(缓冲液)+样品成带渗滤+按性质差异产生迁移速度差。柱越长分辨率越高,但样品带也因扩散而变宽——这是 HPLC(高压快速、减少扩散展宽)出现的原因。

术语对照
  • 粗分级 / 细分级分离coarse / fine fractionation前者靠溶解度处理大体积,后者靠层析提高分辨率
  • 固定相 / 流动相stationary phase / mobile phase柱层析的两相;分离源于二者与蛋白相互作用的差异
  • 亲和层析affinity chromatography利用生物专一性结合,单步纯化倍数最高
  • HPLChigh-performance liquid chromatography高压快速,缩短柱上时间、减少扩散展宽,显著提高分辨率

纯化效果的衡量:总活力、比活力、纯化倍数与回收率Monitoring the Purification: Activity, Specific Activity, Purification Factor, and Yield

笔记 考点二:蛋白质分离纯化的一般程序笔记 考点二:纯化效果的衡量与纯化表
Original text

Enzymes are usually assayed at their optimum pH and at some convenient temperature within the range 25 to 38 ∘C. Also, very high substrate concentrations are generally used so that the initial reaction rate, measured experimentally, is proportional to enzyme concentration (Chapter 6).

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酶通常在其最适 pH 下、并在 25 到 38 °C 这一便于操作的温度范围内进行活力测定。此外,一般使用很高的底物浓度,以使实验测得的初速率与酶浓度成正比(第 6 章)。

§3.3 Working with Proteins — Unseparated Proteins Are Detected and Quantified Based on Their Functions · 教材 p. 411
Original text

By international agreement, 1.0 unit of enzyme activity for most enzymes is defined as the amount of enzyme causing transformation of 1.0 μmol of substrate to product per minute at 25 °C under optimal conditions of measurement (for many enzymes, this definition is inconvenient, and a unit may be defined differently). The term activity refers to the total units of enzyme in a solution. The specific activity is the number of enzyme units per milligram of total protein (Fig. 3-22). The specific activity is a measure of enzyme purity: it increases during purification of an enzyme and becomes maximal and constant when the enzyme is pure (Table 3-5).

中文翻译

按照国际上的约定,对大多数酶而言,1.0 个酶活力单位定义为:在最适测定条件下、25 °C 时,每分钟使 1.0 μmol 底物转变为产物所需的酶量(对许多酶来说这一定义并不方便,因而可以另行定义单位)。活力(activity)一词指的是溶液中酶的总单位数。比活力(specific activity)是每毫克总蛋白所含的酶单位数(图 3-22)。比活力是酶纯度的量度:它在酶的纯化过程中不断升高,当酶达到纯品时升至最大并保持恒定(表 3-5)。

§3.3 Working with Proteins — Unseparated Proteins Are Detected and Quantified Based on Their Functions · 教材 p. 411
图 3-22 活力与比活力的区别。这两个术语的差别可以用两只装着弹珠的烧瓶来说明。两只瓶中红色弹珠的数目相同,但其他颜色弹珠的数目不同。如果把弹珠看作蛋白质,那么两只瓶中目标蛋白(红色弹珠所代表)的活力是相同的;然而第二只瓶的比活力更高,因为红色弹珠在总数中所占的比例更大。
图注 · 图 3-22 活力与比活力的区别。这两个术语的差别可以用两只装着弹珠的烧瓶来说明。两只瓶中红色弹珠的数目相同,但其他颜色弹珠的数目不同。如果把弹珠看作蛋白质,那么两只瓶中目标蛋白(红色弹珠所代表)的活力是相同的;然而第二只瓶的比活力更高,因为红色弹珠在总数中所占的比例更大。
Caption · FIGURE 3-22 Activity versus specific activity. The difference between these terms can be illustrated by considering two flasks containing marbles. The flasks contain the same number of red marbles, but different numbers of marbles of other colors. If the marbles represent proteins, both flasks contain the same activity of the protein, represented by the red marbles. The second flask, however, has the higher specific activity, because red marbles represent a higher fraction of the total.
讲解 · 这张“弹珠图”把两个最容易混淆的概念一次讲清:红球数=总活力(目标蛋白的量),全部球数=总蛋白量,红球占比=比活力。由此得到三条必须写进答案的结论:①纯化过程中总活力只会下降、不会上升(每步都有损失);②比活力上升才说明纯化有效——因为杂蛋白被去掉得比目标蛋白多;③单看“活力提高了”没有意义,必须看比活力。反过来还能出判断题:“某一步后总活力下降了,说明这一步失败”——错,只要比活力升高,该步就是成功的。
Original text

After each purification step, the activity of the preparation (in units of enzyme activity) is assayed, the total amount of protein is determined independently, and the ratio of the two gives the specific activity. Activity and total protein generally decrease with each step. Activity decreases because there is always some loss due to inactivation or nonideal interactions with chromatographic materials or other molecules in the solution. Total protein decreases because the objective is to remove as much unwanted or nonspecific protein as possible.

中文翻译

每完成一步纯化后,都要测定该制品的活力(以酶活力单位表示),并独立测定蛋白质总量,二者之比即为比活力。活力和总蛋白量一般会随每一步而下降。活力下降是因为总会有一些损失,来自失活,或来自与层析材料及溶液中其他分子之间的非理想相互作用。总蛋白量下降则是因为我们的目的正是尽可能多地除去不需要的、非特异的蛋白质。

§3.3 Working with Proteins — Unseparated Proteins Are Detected and Quantified Based on Their Functions · 教材 p. 412
Original text

A purification table documents the success of each step in a purification protocol. In the hypothetical purification shown in Table 3-5, the ratio of the final specific activity (15,000 units/mg) to the starting specific activity (10 units/mg) gives the purification factor (1,500). The percentage of the total activity at the last step (45,000 units) relative to the total activity in the starting material (100,000 units) gives the yield from the purification procedure (45%).

中文翻译

纯化表记录了纯化方案中每一步的成效。在表 3-5 所示的假想纯化实验中,最终比活力(15,000 单位/mg)与起始比活力(10 单位/mg)之比,给出了纯化倍数(1,500);最后一步的总活力(45,000 单位)相对于起始材料中总活力(100,000 单位)的百分比,则给出了该纯化流程的回收率(45%)。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 401
原理解读

【四个量的定义与算法(计算题模板)】 · 总活力(total activity)=活力单位/mL × 总体积(mL),单位 U。表示制品中目标酶的总量。 · 比活力(specific activity)=总活力 ÷ 总蛋白量(mg),单位 U/mg。衡量纯度,与制品体积无关。 · 纯化倍数(purification factor / fold)=某步比活力 ÷ 最初(粗提取液)比活力。衡量该步/整个流程提纯的效果。 · 回收率(产率,yield)=某步总活力 ÷ 最初总活力 × 100%。衡量损失。 用教材表 3-5 的数字走一遍:粗提取液 1,400 mL、10,000 mg 蛋白、100,000 U,比活力 = 100,000/10,000 = 10 U/mg;最终制品 45,000 U,比活力 15,000 U/mg → 纯化倍数 = 15,000/10 = 1,500 倍;回收率 = 45,000/100,000 = 45%。 答题注意:①1 个国际单位(IU)=最适条件、25 °C 下每分钟催化 1 μmol 底物转化所需的酶量(1976 年后另有 katal:每秒催化 1 mol,1 kat = 6×10⁷ U,教材本处未展开);②测活力必须在最适 pH、恒定温度、底物过量的条件下测初速率,否则测得的不是酶量而是底物量——这正是前一段原文强调的;③计算题给出体积时,务必先把“U/mL”换算成总活力再做比值。

Original text

The data are assembled in a purification table similar to Table 3-5. A protein is generally considered pure when further purification steps fail to increase specific activity and when only a single protein species can be detected (for example, by electrophoresis in the presence of SDS).

中文翻译

这些数据被汇总成类似表 3-5 的纯化表。当进一步的纯化步骤已不能再提高比活力,并且只能检测到单一的蛋白质种类(例如通过含 SDS 的电泳检测)时,就一般认为该蛋白质已经纯了。

§3.3 Working with Proteins — Unseparated Proteins Are Detected and Quantified Based on Their Functions · 教材 p. 413
Original text

For proteins that are not enzymes, other quantification methods are required. Transport proteins can be assayed by their binding to the molecule they transport, and hormones and toxins by the biological effect they produce; for example, growth hormones will stimulate the growth of certain cultured cells. Some structural proteins represent such a large fraction of a tissue mass that they can be readily extracted and purified without a functional assay. The approaches are as varied as the proteins themselves.

中文翻译

对于不是酶的蛋白质,则需要其他的定量方法。转运蛋白可以通过它与所转运分子的结合来测定;激素和毒素可以通过它们产生的生物学效应来测定,例如生长激素能刺激某些培养细胞的生长。有些结构蛋白在组织中所占的比例很大,无需功能测定就能被方便地提取和纯化。这些方法就像蛋白质本身一样多种多样。

§3.3 Working with Proteins — Unseparated Proteins Are Detected and Quantified Based on Their Functions · 教材 p. 413
原理解读

【纯度的判断标准与蛋白质定量方法】 纯度判据(原文给了前两条,其余为考研通用补充):①继续纯化时比活力不再升高(功能判据,最本质);②SDS-PAGE 上只出现单一条带;③等电聚焦或双向电泳上单一斑点;④超速离心时呈单一沉降界面;⑤N 端测序只得到一种氨基酸序列;⑥高分辨 HPLC 单一峰。答“如何判断一种蛋白已纯”时,务必功能判据与物理判据并列,并说明“纯是相对的”——SDS-PAGE 看不出的微量杂蛋白仍可能存在(原文在讲图 3-18 时就指出:即便第 6 泳道看起来已纯,仍需要再走两步去除凝胶上看不见的微量杂质)。 总蛋白量的测定方法(比活力的分母,Lehninger 本章只正面讲了 A₂₈₀ 紫外吸收法和 Box 3-1 的朗伯-比尔定律,其余方法教材未涉及,此处按考研通用结论补充):凯氏定氮法(测总氮×6.25,经典但繁琐,是“标准方法”)、双缩脲法(肽键与 Cu²⁺ 在碱性下显紫色,专一性好、灵敏度低,适合 1~10 mg 级)、Folin-酚(Lowry)法(灵敏度高,受还原性物质干扰)、BCA 法、Bradford 考马斯亮蓝法(快速灵敏、受去污剂干扰)、紫外 A₂₈₀ 法(不破坏样品、可回收,但受核酸干扰,需用 A₂₈₀/A₂₆₀ 校正)。 非酶蛋白怎么测“活力”:按原文,转运蛋白测其与被转运分子的结合、激素与毒素测生物学效应、抗体测抗原结合(ELISA、免疫印迹)——这一条是名词解释“比活力”推广到非酶蛋白时的常见追问。

术语对照
  • 酶活力单位(国际单位)unit of enzyme activity (IU)最适条件 25 °C 下每分钟催化 1 μmol 底物转化所需的酶量
  • 总活力total activity活力单位/mL × 总体积;纯化中只降不升
  • 比活力specific activityU/mg 总蛋白;纯度的量度,纯化有效则上升
  • 纯化倍数purification factor (fold)某步比活力 ÷ 起始比活力
  • 回收率(产率)yield某步总活力 ÷ 起始总活力 ×100%
  • 纯化表purification table逐步记录体积、总蛋白、总活力、比活力、纯化倍数与回收率

为什么每一步都会损失活力:边缘稳定性、聚集与浓缩保存Why Activity Is Always Lost: Marginal Stability, Aggregation, and How to Store Proteins

笔记 考点二:蛋白质分离纯化的一般程序笔记 考点二:纯化全程的活性保持与浓缩保存
Original text

Proteins lead a surprisingly precarious existence. As we have seen, a native protein conformation is only marginally stable. In addition, most proteins must maintain conformational flexibility in order to function.

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蛋白质的生存状态出人意料地岌岌可危。正如我们已经看到的,天然蛋白质的构象只是勉强稳定的。此外,大多数蛋白质还必须保持构象上的柔性才能行使功能。

§4.4 Protein Denaturation and Folding · 教材 p. 553
Original text

The noncovalent interactions we have described—hydrogen bonds and ionic, hydrophobic, and van der Waals interactions (Table 2-4)—are much weaker than covalent bonds. An input of about 350 kJ of energy is required to break a mole of (6 × 1023) C—C single bonds, and about 410 kJ is needed to break a mole of C—H bonds, but as little as 4 kJ is sufficient to disrupt a mole of typical van der Waals interactions.

中文翻译

我们前面描述过的这些非共价相互作用——氢键,以及离子相互作用、疏水相互作用和范德华相互作用(表 2-4)——都比共价键弱得多。断裂 1 摩尔(6 × 10²³ 个)C—C 单键需要输入约 350 kJ 的能量,断裂 1 摩尔 C—H 键约需 410 kJ,而破坏 1 摩尔典型的范德华相互作用只需 4 kJ 就够了。

§2.1 Weak Interactions in Aqueous Systems — Weak Interactions Are Crucial to Macromolecular Structure and Function · 教材 p. 273
原理解读

【“活力总在下降”的原理解释】把这两段合起来看,就明白为什么纯化的每一步都不可避免地损失活力:维持蛋白质天然构象的是一大堆弱相互作用(单个 4~30 kJ/mol,远小于共价键的 200~460 kJ/mol),天然态与变性态的自由能差只有 5~65 kJ/mol。也就是说,室温的热运动能量就已经与这些弱作用同一数量级。因此室温放置、剧烈搅拌起泡、反复冻融、离子强度或 pH 的剧烈变化、与层析介质的非特异吸附,任何一项都足以使一部分分子偏离天然构象而失活。原文在讲纯化损失时用的正是这两个词:inactivation(失活) 与 nonideal interactions with chromatographic materials(与层析材料的非理想相互作用)。 对应的操作对策(简答可直接列举):全程 0~4 °C;使用合适的缓冲液维持 pH 与离子强度;加甘油(10%~50%)、蔗糖、牛血清白蛋白等保护剂;加还原剂保护巯基;避免起泡与剧烈剪切;尽量减少步骤和操作时间。

Original text

The marginal stability of most proteins can produce a tenuous balance between folded and unfolded states. As proteins are synthesized on ribosomes (Chapter 27), they must fold into their native conformations. Sometimes this occurs spontaneously, but often it requires the assistance of specialized enzymes and complexes called chaperones, which we discuss later in the chapter. Many of these same folding helpers function to refold proteins that become transiently unfolded. Proteins that are not properly folded often have exposed hydrophobic surfaces that render them “sticky,” leading to the formation of inactive aggregates.

中文翻译

大多数蛋白质那种勉强的稳定性,会在折叠态与去折叠态之间造成一种脆弱的平衡。蛋白质在核糖体上被合成出来后(第 27 章),必须折叠成其天然构象。有时这会自发发生,但往往需要一类称为分子伴侣(chaperone)的特化酶和复合体的帮助,我们将在本章后面讨论它们。这些折叠助手中的许多同时也承担着使那些暂时去折叠的蛋白质重新折叠的功能。未能正确折叠的蛋白质常常暴露出疏水表面,使它们变得“黏”,从而形成没有活性的聚集体。

§4.4 Protein Denaturation and Folding · 教材 p. 553
图 4-23 参与蛋白质稳态(proteostasis)的各条途径。有三类过程参与蛋白质稳态,其中有些还包含多条途径。第一,蛋白质在核糖体上被合成。第二,多条途径参与蛋白质折叠,其中许多涉及称为分子伴侣的复合体的活动。
图注 · 图 4-23 参与蛋白质稳态(proteostasis)的各条途径。有三类过程参与蛋白质稳态,其中有些还包含多条途径。第一,蛋白质在核糖体上被合成。第二,多条途径参与蛋白质折叠,其中许多涉及称为分子伴侣的复合体的活动。
Caption · FIGURE 4-23 Pathways that contribute to proteostasis. Three kinds of processes contribute to proteostasis, in some cases with multiple contributing pathways. First, proteins are synthesized on a ribosome. Second, various pathways contribute to protein folding, many of which involve the activity of complexes called chaperones.
讲解 · 这张图虽然讲的是细胞内的蛋白质稳态,但对理解“纯化时蛋白为什么会报废”极有帮助:中间那条 天然蛋白 ⇌ 折叠中间体 → 错误折叠蛋白 → 聚集体 的路线,正是试管里发生的事情。在细胞里有分子伴侣把错误折叠的蛋白拉回来、有泛素—蛋白酶体系统把废品降解掉;而在试管中这些保护机制全都不存在,一旦蛋白部分去折叠、暴露疏水面,就只能沿“aggregation(聚集)”这条箭头一路走到无活性的无定形聚集体。这解释了两件事:①为什么浓度过高、温度过高、界面(气泡)过多时特别容易失活——都会促进疏水面接触;②为什么重组蛋白在大肠杆菌中过量表达时常形成包涵体(inclusion body),需要用尿素/盐酸胍溶解后再稀释复性(教材未使用“包涵体”一词,此处按考研通用结论补充)。
Original text

Outside the cell, the environment is often more oxidizing, and disulfide formation is more likely to occur. In eukaryotes, disulfide bonds are found primarily in secreted, extracellular proteins (for example, the hormone insulin). Disulfide bonds are also uncommon in bacterial proteins. However, thermophilic bacteria, as well as the archaea, typically have many proteins with stabilizing disulfide bonds; this is presumably an adaptation to life at high temperatures.

中文翻译

在细胞外,环境往往更偏氧化,二硫键更容易形成。在真核生物中,二硫键主要见于分泌型的胞外蛋白(例如激素胰岛素)。二硫键在细菌蛋白中也不常见。然而,嗜热细菌以及古菌通常拥有许多带有稳定性二硫键的蛋白质;这大概是对高温生活的一种适应。

§4.1 Overview of Protein Structure — A Protein’s Conformation Is Stabilized Largely by Weak Interactions · 教材 p. 480
原理解读

【巯基与二硫键:纯化缓冲液里为什么常加 DTT】原文指出,细胞内环境是高度还原的(谷胱甘肽等还原剂浓度高),所以胞内蛋白的 Cys 多以游离 —SH 存在;一旦细胞被破碎、内容物暴露在空气中,还原环境消失,游离巯基就可能被氧化成错误配对的二硫键,导致构象错误与聚集失活。因此提取胞内蛋白时常在缓冲液中加入 β-巯基乙醇或 DTT 维持还原态;反之,纯化胰岛素、抗体一类分泌型蛋白时则不能加还原剂,否则会把它们原有的二硫键拆掉。这是“纯化条件要按蛋白来源设计”的典型例子,也是实验设计题的常见得分点。 【浓缩与保存(笔记的最后一环)】Lehninger 本章未涉及浓缩与保存的具体技术,此处按考研通用结论补充:常用浓缩方法有超滤浓缩、聚乙二醇(PEG)或蔗糖吸水浓缩、透析袋外置吸水剂、真空冷冻干燥(冻干,得到便于长期保存的粉末)、以及硫酸铵沉淀后小体积复溶。保存方式按需要选择:4 °C 短期保存(加叠氮钠防腐)、−20/−80 °C 加 50% 甘油防止结冰损伤、冻干粉末干燥低温保存最稳定。共同原则仍是:低温、适宜 pH、避免反复冻融、必要时加保护剂。

术语对照
  • 蛋白质稳态proteostasis合成—折叠—重折叠—降解的协调网络;试管中不存在,故纯化易失活
  • 聚集体aggregate疏水面外露而黏连形成的无活性沉淀
  • 包涵体inclusion body重组蛋白过量表达形成的不溶聚集体;需变性溶解后复性。教材未涉及,考研补充
  • 冷冻干燥(冻干)lyophilization / freeze-drying浓缩兼长期保存;教材未涉及,考研补充

分离纯化的总依据与总策略:什么叫分级分离,为什么盐析永远排第一Fractionation: The Logic and Sequence of a Protein Purification

笔记 考点三 · 一、分离纯化方法的依据(每种分离依据记忆 2 种技术即可)笔记 考点三 · 影响蛋白质溶解度的外部因素(pH、温度、介电常数、离子强度)
原理解读

【先把中英两套框架对齐】中文笔记把分离纯化按「分离依据」列成六行表:溶解度、电荷、分子大小、疏水相互作用、配基亲和力、密度。Lehninger 的写法更简洁,它只说三个字:size、charge、binding properties(大小、电荷、结合性质),再加上贯穿全节的 solubility(溶解度)。两者不矛盾——中文表里的「疏水相互作用」和「配基亲和力」在教材里都归入 binding properties,「密度」教材根本没单列。所以答题时用中文的六行表更保险(更细、给分点更多),但一定要能说出每一类背后的物理量是什么。 【本节要建立的核心判断】所有分离方法都在做同一件事:找出目标蛋白与杂蛋白之间某一个可量化的差异,再把这个差异转化成「空间上的分开」。溶解度族(本册)把差异转化成「沉淀 vs 留在上清」;层析族(2b)转化成「流出时间不同」;电泳族(2c)转化成「迁移距离不同」。这条主线一旦立住,后面每个方法只需要问三句话:靠什么差异?怎样把差异放大?怎样把两部分收走?

Original text

Commonly, the extract is subjected to treatments that separate the proteins into different fractions based on a property such as size or charge; the process is referred to as fractionation. Early fractionation steps in a purification utilize differences in protein solubility, which is a complex function of pH, temperature, salt concentration, and other factors.

中文翻译

通常要对提取液施加各种处理,依据大小或电荷之类的性质把蛋白质分成不同的组分(fraction),这一过程称为分级分离(fractionation)。纯化中早期的分级分离步骤利用的是蛋白质溶解度的差别,而溶解度是 pH、温度、盐浓度以及其他因素的复杂函数。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 393
原理解读

【这段话就是笔记「影响蛋白质溶解度的外部因素」的原始出处】教材点名的三个因素是 pH、temperature、salt concentration,再加一句 and other factors。中文笔记写的是「pH、温度、介电常数、离子强度」——把 salt concentration 精确化成了「离子强度」(更严谨,因为起作用的是 I = ½Σcᵢzᵢ²,而不是盐的质量浓度),又补进了「介电常数」(对应有机溶剂沉淀,教材在第 2 章讲静电作用时才给出)。填空题按中文四项答即可,但要知道:pH 通过改变净电荷起作用,离子强度通过屏蔽电荷和竞争水化水起作用,介电常数通过改变库仑力大小起作用,温度则同时影响溶解焓和疏水效应。 【一个容易忽略的词:fraction / fractionation】名词解释里「分级分离」的标准答法是:利用蛋白质某一理化性质的差异,把粗提液分成若干组分,使目标蛋白富集于其中某一组分的操作。注意 fraction 在教材里有两个用法:这里指「分级得到的组分」,在层析里指「从柱子流出、按试管分别收集的洗脱份」,两者不要混。

Original text

The advent of genetic engineering approaches has provided new and simpler paths for protein purification. The latter methods, described in Chapter 9, often artificially modify the protein being purified, adding a few or many amino acid residues to one or both ends. In many cases, the modifications alter protein function. Isolation of unaltered native proteins requires removal of the modification or a reliance on methods described here.

中文翻译

基因工程方法的出现,为蛋白质纯化提供了新的、更简便的途径。后一类方法(见第 9 章)常常会人为地修饰所纯化的蛋白质,在一端或两端加上少数几个乃至许多氨基酸残基。在很多情况下,这些修饰会改变蛋白质的功能。要分离未经改造的天然蛋白质,就必须去除这些修饰,或者依靠本节所介绍的方法。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 392
Original text

The choice of methods is somewhat empirical, and many strategies may be tried before the most effective one is found. Researchers can often minimize trial and error by basing the new procedure on purification techniques developed for similar proteins. Common sense dictates that inexpensive procedures such as salting out be used first, when the total volume and the number of contaminants are greatest. As each purification step is completed, the sample size generally becomes smaller (Table 3-5), making it feasible to use more sophisticated (and expensive) chromatographic procedures at later stages.

中文翻译

方法的选择带有一定的经验性,往往要尝试许多方案才能找到最有效的那一个。研究者常常可以把新方法建立在针对同类蛋白质已开发出的纯化技术之上,从而把试错降到最少。常识告诉我们:当总体积和杂质种类最多的时候,应当先使用像盐析这样廉价的操作。随着每一步纯化的完成,样品的量通常会变小(表 3-5),这就使得在后续阶段使用更精细(也更昂贵)的层析操作成为可能。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 401
Original text

Proteins are separated and purified on the basis of differences in their properties. Proteins can be selectively precipitated by changes in pH or temperature, and particularly by the addition of certain salts. A wide range of chromatographic procedures makes use of differences in size, binding affinities, charge, and other properties. These include ion-exchange, size-exclusion, affinity, and high-performance liquid chromatography.

中文翻译

蛋白质是依据其性质的差别而被分离和纯化的。改变 pH 或温度、尤其是加入某些盐类,可以使蛋白质被选择性地沉淀出来。此外还有种类繁多的层析方法,它们利用的是大小、结合亲和力、电荷及其他性质的差别,包括离子交换层析、大小排阻层析、亲和层析和高效液相层析。

§3.3 Working with Proteins — SUMMARY 3.3 · 教材 p. 413
原理解读

【为什么顺序是「先沉淀、后层析、最后亲和」】这是简答题「设计一个蛋白质纯化方案并说明依据」的得分骨架,教材上面两段已经把理由说尽了: ① 早期样品体积大(几升)、杂蛋白上千种,只有盐析、等电沉淀这类「按公斤算成本」的方法承受得起,而且它们的分辨率虽低,却能一步去掉大半杂蛋白、同时把样品浓缩; ② 中期体积降到几十毫升,可以上离子交换、凝胶过滤这类柱层析; ③ 后期样品很少但纯度要求极高,才用亲和层析这种「贵而准」的方法(教材表 3-5 的顺序正是:粗提液 → 硫酸铵沉淀 → 离子交换 → 凝胶过滤 → 亲和,比活由 10 升到 15,000 units/mg)。 ④ 相邻两步必须依据**不同**性质(原文 each separating proteins on the basis of different properties)。连着做两次都按电荷分离几乎不增加纯度,这是最常考的「方案设计」陷阱。 【顺带说清盐析与层析之间的必然一步】盐析之后蛋白样品里全是硫酸铵,离子强度极高,直接上离子交换柱会因为盐离子竞争而完全不吸附。所以「盐析 → 透析/超滤脱盐 → 离子交换」是固定搭配,教材在讲透析时专门举的例子就是「remove ammonium sulfate from the protein preparation」。 【关于基因工程标签】教材特意提醒:加标签(第 9 章的 His-tag、GST 等)虽然能一步纯化,但那是**被改造过的蛋白**,要研究真正的天然蛋白,要么切掉标签,要么老老实实用本节这些经典方法。考研若问「亲和层析纯化融合蛋白的局限」,这句话就是标准答案之一。

术语对照
  • 粗提液crude extract破碎细胞后释放蛋白质得到的溶液,纯化的起点
  • 分级分离fractionation按某一性质把蛋白质分成若干组分;名词解释高频
  • 组分 / 洗脱份fraction分级得到的部分;在层析中指分管收集的洗脱液
  • 溶解度solubility受 pH、温度、盐浓度(离子强度)、介电常数影响
  • 离子强度ionic strengthI = ½Σcᵢzᵢ²;盐析/盐溶的真正自变量,教材写作 salt concentration
  • 纯化倍数与回收率purification factor / yield比活之比与总活力之比;纯化表必考(详见考点三总论与本站第二章精讲)

等电点沉淀:净电荷为零 → 静电斥力消失 → 溶解度最低(★★)Isoelectric Precipitation: Net Charge, pI, and Minimum Solubility

笔记 考点三 · 二、等电沉淀和盐析 · 1、等电沉淀的原理与特点(★★)笔记 考点三 · 一、分离依据「溶解度不同」→ 等电点沉淀
Original text

A final important piece of information derived from the titration curve of an amino acid is the relationship between its net charge and the pH of the solution. At pH 5.97, the point of inflection between the two stages in its titration curve, glycine is present predominantly as its dipolar form, fully ionized but with no net electric charge (Fig. 3-10). The characteristic pH at which the net electric charge is zero is called the isoelectric point or isoelectric pH, designated pI.

中文翻译

从氨基酸的滴定曲线还能得到最后一条重要信息,即它的净电荷与溶液 pH 之间的关系。在 pH 5.97(滴定曲线两个阶段之间的拐点)处,甘氨酸主要以其偶极形式存在,各基团完全电离,但没有净电荷(图 3-10)。净电荷为零时所对应的那个特征 pH,称为等电点或等电 pH,记作 pI。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Can Act as Acids and Bases · 教材 p. 376
Original text

As is evident in Figure 3-10, glycine has a net negative charge at any pH above its pI and thus will move toward the positive electrode (the anode) when placed in an electric field. At any pH below its pI, glycine has a net positive charge and will move toward the negative electrode (the cathode). The farther the pH of a glycine solution is from its isoelectric point, the greater the net electric charge of the population of glycine molecules.

中文翻译

从图 3-10 可以清楚看出:在任何高于其 pI 的 pH 下,甘氨酸带净负电荷,因而置于电场中时将向正极(阳极)移动;在任何低于其 pI 的 pH 下,甘氨酸带净正电荷,将向负极(阴极)移动。甘氨酸溶液的 pH 离其等电点越远,这一群甘氨酸分子所带的净电荷就越大。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Can Act as Acids and Bases · 教材 p. 376
Original text

One method for separating polypeptides makes use of their different solubilities. The solubility of large polypeptides in water depends on the relative polarity of their R groups, particularly on the number of ionized groups: the more ionized groups there are, the more soluble the polypeptides are.

中文翻译

分离多肽的一种方法利用的就是它们溶解度的不同。大分子多肽在水中的溶解度取决于其 R 基团的相对极性,尤其取决于已电离基团的数目:电离基团越多,多肽的溶解度越大。

Chapter 3 Problems · 15. Solubility of Polypeptides · 教材 p. 460
原理解读

【把三段原文串成等电沉淀的完整因果链】 第一段给出 pI 的定义:净电荷为零的那个 pH。 第二段给出「离 pI 越远、净电荷越大」这条单调关系——它是等电沉淀、离子交换和电泳三个考点共用的底层规律。 第三段给出「电离基团越多 → 溶解度越大」。三段相乘就得到:pH = pI 时电离基团带来的**净**电荷为零 → 分子间没有净电斥力 → 分子靠疏水面和范德华力互相靠拢、聚集 → 溶解度降到最低点而沉淀。这正是中文笔记(1)沉淀原理那句话的机理版本,答简答题时按「净电荷=0 → 无净静电斥力 → 相互聚集 → 溶解度最低」四步写,比只背结论多拿分。 【为什么 pI 处不是完全不溶】注意「溶解度最低」不等于「溶解度为零」。蛋白质表面仍有水化膜(极性基团与水形成氢键),这是维持胶体稳定的第二个因素。所以单靠调 pH 常常沉不干净,实际操作往往「等电点 + 低浓度乙醇 / 低盐」联用,把水化膜也破掉。这一点教材 §3.3 未展开,属**考研通用结论补充**:蛋白质胶体溶液稳定的两大因素是①表面同种电荷产生的静电斥力、②水化膜;沉淀蛋白质必须同时或先后破坏这两者。 【分离应用与特点】把混合液的 pH 调到 A 蛋白的 pI,A 大部分沉淀,pI 不在此 pH 的其他蛋白仍留在溶液中,倾出/离心即实现初步分离。等电沉淀最大的优点是**保持天然构象**(只是电荷状态变了,没有破坏次级键),沉淀物可以重新溶于适当 pH 和一定浓度的盐溶液中——所以它是「可逆沉淀」,与有机溶剂室温沉淀(伴随变性)恰成对照,这一组对比是选择题常客。 【常见考法】① 名词解释「等电点沉淀」;② 判断「pH = pI 时蛋白质溶解度最大」(错,最低);③ 给几个蛋白的 pI 与缓冲液 pH,问哪个会沉淀、其余往哪个电极跑(用第二段原文那条规则:pH > pI 带负电走阳极,pH < pI 带正电走阴极);④ 问「等电沉淀得到的蛋白质是否变性」(否,保持天然构象)。

术语对照
  • 等电点(等电 pH)isoelectric point / isoelectric pH (pI)净电荷为零时的 pH;此时溶解度最低、电场中不迁移
  • 净电荷net charge离 pI 越远净电荷越大;pH>pI 带负电、pH<pI 带正电
  • 等电点沉淀isoelectric precipitation调 pH 至目标蛋白 pI 使其沉淀;产物保持天然构象、可逆
  • 水化膜hydration shell(教材未用此词,见 §2.1 hydration)蛋白质胶体稳定的第二因素;等电沉淀常需另加脱水剂
  • 阳极 / 阴极anode / cathode阳极为正极(吸引负电荷分子),阴极为负极

盐析与盐溶:为什么加大量中性盐反而把蛋白质「逼」出来(★★)Salting Out and Salting In: Ammonium Sulfate and the Hydrophobic Effect

笔记 考点三 · 二、2、盐析(定义★★、原理★★、技术特点)笔记 考点三 · 盐溶:中性盐增加蛋白质的溶解度
Original text

The solubility of proteins is lowered in the presence of some salts, an effect called “salting out.” Ammonium sulfate ((NH4)2SO4) is particularly effective for selectively precipitating some proteins while leaving others in solution. Low-speed centrifugation is then used to remove the precipitated proteins from those remaining in solution.

中文翻译

在某些盐存在下,蛋白质的溶解度会降低,这一效应称为「盐析」(salting out)。硫酸铵((NH₄)₂SO₄)在选择性地沉淀某些蛋白质、同时让另一些蛋白质留在溶液中这一点上尤其有效。随后用低速离心把沉淀下来的蛋白质与仍留在溶液中的蛋白质分开。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 393
Original text

Water dissolves salts such as NaCl by hydrating and stabilizing the Na+ and Cl− ions, weakening the electrostatic interactions between them and thus counteracting their tendency to associate in a crystalline lattice (Fig. 2-6).

中文翻译

水之所以能溶解像 NaCl 这样的盐,是因为它把 Na⁺ 和 Cl⁻ 离子水化并加以稳定,削弱了二者之间的静电相互作用,从而抵消了它们缔合成晶格的倾向(图 2-6)。

§2.1 Weak Interactions in Aqueous Systems — Water Interacts Electrostatically with Charged Solutes · 教材 p. 263
Original text

In addition to requiring this input of energy, dissolving hydrophobic compounds in water produces a measurable decrease in entropy. Water molecules in the immediate vicinity of a nonpolar solute are constrained in their possible orientations, as they form a highly ordered cagelike shell around each solute molecule to maximize solvent-solvent hydrogen bonding.

中文翻译

除了需要输入这部分能量之外,把疏水化合物溶于水还会带来可测量的熵减少。紧邻非极性溶质的那些水分子,其可能的取向受到了限制:它们在每个溶质分子周围形成一层高度有序的笼状壳层,以使溶剂—溶剂之间的氢键达到最多。

§2.1 Weak Interactions in Aqueous Systems — Nonpolar Compounds Force Energetically Unfavorable Changes in the Structure of Water · 教材 p. 268
Original text

By clustering together, nonpolar regions of the molecules achieve the greatest thermodynamic stability by minimizing the number of ordered water molecules required to surround hydrophobic portions of the solute molecules, increasing the entropy of the system.

中文翻译

通过聚集在一起,分子的非极性区域使包围溶质分子疏水部分所需的有序水分子数目降到最少,从而增大了体系的熵,达到最大的热力学稳定性。

§2.1 Weak Interactions in Aqueous Systems — Nonpolar Compounds Force Energetically Unfavorable Changes in the Structure of Water · 教材 p. 269
Original text

The noncovalent interactions we have described—hydrogen bonds and ionic, hydrophobic, and van der Waals interactions (Table 2-4)—are much weaker than covalent bonds. An input of about 350 kJ of energy is required to break a mole of (6 × 1023) C—C single bonds, and about 410 kJ is needed to break a mole of C—H bonds, but as little as 4 kJ is sufficient to disrupt a mole of typical van der Waals interactions. Interactions driven by the hydrophobic effect are also much weaker than covalent bonds, although they are substantially strengthened by a highly polar solvent (a concentrated salt solution, for example).

中文翻译

我们所描述的这些非共价相互作用——氢键以及离子相互作用、疏水相互作用和范德华相互作用(表 2-4)——都比共价键弱得多。打断 1 摩尔(6×10²³ 个)C—C 单键约需 350 kJ 能量,打断 1 摩尔 C—H 键约需 410 kJ,而只要 4 kJ 就足以破坏 1 摩尔典型的范德华相互作用。由疏水效应驱动的相互作用同样远弱于共价键,不过在高极性溶剂中(例如浓盐溶液中)它会大大增强。

§2.1 Weak Interactions in Aqueous Systems — Weak Interactions Are Crucial to Macromolecular Structure and Function · 教材 p. 273
原理解读

【教材给出的机理骨架 + 考研版补充】Lehninger §3.3 只用一句话交代盐析这个**现象**(solubility is lowered…called salting out),并没有推导原因。真正的原理要到第 2 章去取,上面三段就是全部所需的零件: ① 水化:离子入水会被水分子包围(hydration)并因此被稳定——这是**盐离子抢水**的物理基础; ② 疏水水化壳:非极性表面周围的水被迫排成高度有序的笼状壳层,代价是熵减; ③ 疏水聚集:非极性区域聚在一起,能释放这些有序水、增大熵,因而是自发的; ④ **关键的一句**:疏水效应「在高极性溶剂中(例如浓盐溶液中)会大大增强」——这正是「加盐→疏水作用变强→蛋白质聚集」的教材原话依据。 把四条连起来就是中文笔记那段★★原理的英文版:大量中性盐加入后,自由水被盐离子夺去作水化水,原本掩盖蛋白质表面疏水基团的水被抽走,疏水表面暴露;同时高极性介质本身又放大疏水作用,于是蛋白质分子间靠疏水作用聚集而沉淀。 **注意**:中文笔记里「水的活度(water activity)降低」这个提法**教材未涉及**,按考研通用结论补充即可;用教材语言表述为「盐离子竞争性地占用了溶剂水,并强化了疏水效应」同样得分。 【盐溶(salting in)】低浓度中性盐**提高**蛋白质溶解度。机理用第二段原文:盐离子被水化后分布在蛋白质表面带电基团周围,屏蔽了蛋白质分子之间的静电吸引(尤其是 pI 附近异号基团的吸引),同时蛋白质与水的相互作用加强,于是更易溶。所以「溶解度—盐浓度」曲线是先升后降:低盐段盐溶,高盐段盐析。这条曲线的形状是简答题的加分项。 【为什么偏偏是硫酸铵】教材只说它 particularly effective。原因(考研通用结论补充,教材未列举):①SO₄²⁻ 是二价阴离子,在 Hofmeister 序列中盐析能力很强;②溶解度极大(约 4 M)且随温度变化很小,可在 0–4 ℃ 做到高饱和度;③溶液密度不太高,沉淀易离心下来;④对多数蛋白质有稳定作用,沉淀出的蛋白**保持天然构象**,加水或透析即可复溶;⑤便宜。 【技术要点与考法】①分段(分级)盐析:按饱和度梯度(如 0→30%→50%→70%)逐步加盐,每一档离心收沉淀,可把不同蛋白分开——中文笔记「最先聚集的是表面疏水残基最多的蛋白质」正对应上面第④段的疏水聚集机理,因为表面疏水面积越大,聚集所能释放的有序水越多,越容易先沉;②盐析后必须透析或超滤脱盐(见 b5c5);③名词解释「盐析」按笔记原句答:离子强度上升到一定水平时蛋白质溶解度开始下降并从水溶液中沉淀出来的现象;④与「盐溶」成对考;⑤与「等电沉淀」比较:两者都保持天然构象,但一个改 pH、一个改离子强度。

术语对照
  • 盐析salting out高离子强度下溶解度下降而沉淀;名词解释★★
  • 盐溶salting in(教材未用该词,机理见 §2.1 电荷屏蔽)低浓度中性盐屏蔽静电吸引、增强蛋白—水作用,溶解度上升
  • 硫酸铵ammonium sulfate ((NH4)2SO4)教材点名「尤其有效」;饱和度分级、低温、保持天然构象
  • 疏水效应hydrophobic effect有序水笼被释放而熵增;浓盐溶液中显著增强——盐析的真正推手
  • 水化(作用)hydration离子被水分子包围并稳定;盐析时盐离子与蛋白质竞争溶剂水
  • 低速离心low-speed centrifugation教材指定的收沉淀手段,紧跟盐析之后

有机溶剂沉淀:介电常数怎样把静电吸引放大Organic Solvents and the Dielectric Constant

笔记 考点三 · 三、有机溶剂分离(定义、特点、原理:改变介电常数;PEG)
Original text

Water is a polar solvent. It readily dissolves most biomolecules, which are generally charged or polar compounds (Table 2-1); compounds that dissolve easily in water are hydrophilic (from the Greek, meaning “water-loving”). In contrast, nonpolar solvents such as chloroform and benzene are poor solvents for polar biomolecules but easily dissolve those that are hydrophobic—nonpolar molecules such as lipids and waxes.

中文翻译

水是一种极性溶剂。它能轻易溶解大多数生物分子——这些分子一般是带电的或极性的化合物(表 2-1);容易溶于水的化合物称为亲水的(hydrophilic,源自希腊语,意为「喜水」)。与此相反,氯仿、苯之类的非极性溶剂对极性生物分子是很差的溶剂,却能轻易溶解疏水性的化合物,即脂类和蜡这样的非极性分子。

§2.1 Weak Interactions in Aqueous Systems — Water Interacts Electrostatically with Charged Solutes · 教材 p. 262
Original text

Ionic interactions between dissolved ions are much stronger in less polar environments, because there is less screening of charges by the nonpolar solvent. Water is effective in screening the electrostatic interactions between dissolved ions because it has a high dielectric constant, a physical property that reflects the number of dipoles in a solvent. The strength, or force (F), of ionic interactions in a solution depends on the magnitude of the charges (Q), the distance between the charged groups (r), and the dielectric constant (ε, which is dimensionless) of the solvent in which the interactions occur:

中文翻译

溶解在溶液中的离子之间的离子相互作用,在极性较弱的环境中要强得多,因为非极性溶剂对电荷的屏蔽作用较小。水之所以能有效屏蔽溶解离子之间的静电相互作用,是因为它具有很高的介电常数——这是一个反映溶剂中偶极子数目的物理性质。溶液中离子相互作用的强度即作用力 F,取决于电荷的大小 Q、带电基团之间的距离 r,以及相互作用所处溶剂的介电常数 ε(无量纲):

§2.1 Weak Interactions in Aqueous Systems — Water Interacts Electrostatically with Charged Solutes · 教材 p. 264
Original text

For water at 25 °C, ε is 78.5, and for the very nonpolar solvent benzene, ε is 4.6. The dependence on r2 is such that ionic attractions or repulsions operate only over short distances—in the range of 10 to 40 nm (depending on the electrolyte concentration) when the solvent is water. In biomolecules, it is not the dielectric constant for the bulk solvent, but the highly localized dielectric constant, as in a hydrophobic pocket of a protein, that determines the interaction of two polar moieties.

中文翻译

25 ℃ 时水的 ε 为 78.5,而极不具极性的溶剂苯的 ε 只有 4.6。由于力与 r² 成反比,离子间的吸引或排斥只在很短的距离内起作用——当溶剂是水时,其作用范围约为 10 到 40 nm(取决于电解质浓度)。在生物分子中,决定两个极性基团之间相互作用的,并不是本体溶剂的介电常数,而是高度局部化的介电常数,例如蛋白质疏水口袋内部的介电常数。

§2.1 Weak Interactions in Aqueous Systems — Nonpolar Gases Are Poorly Soluble in Water · 教材 p. 265
原理解读

【库仑公式就是有机溶剂沉淀的全部原理】F = Q₁Q₂ / (ε r²)。ε 在分母上,所以: 水 ε ≈ 78.5(25 ℃)→ 电荷之间的相互作用被强烈屏蔽 → 蛋白质分子表面同号电荷之间的斥力和异号基团之间的吸引都很弱 → 分子彼此独立、稳定溶解; 加入与水互溶的有机溶剂(甲醇、乙醇、丙酮,ε 都远小于水,乙醇约 24、丙酮约 21)→ 混合溶剂的 ε 明显下降 → 分母变小 → 蛋白质分子之间的**静电吸引被放大** → 相互吸引而聚集沉淀。这就是中文笔记「原理:改变了介电常数」那句话的完整推导,也是简答题最漂亮的答法:写出 F = Q₁Q₂/(εr²),指出 ε↓ ⇒ F↑ ⇒ 聚集。 【第二条机理:夺水化层】有机溶剂本身是亲水的(能与水互溶),会竞争性地结合水分子,破坏蛋白质表面的水化膜。于是等电沉淀那一节说的「胶体稳定两因素」被同时打掉:电荷斥力被 ε 下降抵消、水化膜被溶剂夺走。实践中常把「调 pH 到 pI + 加乙醇」联用,就是这个道理。 【教材未涉及、按考研通用结论补充的部分】 ·分级:丙酮或乙醇的浓度(体积分数)梯度可用于分级分离,与硫酸铵饱和度分级一一对应;血浆蛋白的经典 Cohn 乙醇分级法即属此类。 ·**必须低温**(一般 −5~0 ℃,边加边搅拌、缓慢滴加):有机溶剂在室温会渗入蛋白质内部、破坏疏水核心而引起变性——中文笔记「在室温下……伴随着变性」正是此意。这与盐析(保持天然构象)形成对照,是选择/判断题的高频对比点。 ·丙酮的沉淀能力强于乙醇,所需体积更小;沉淀后须迅速离心、去溶剂。 ·聚乙二醇(PEG):水溶性非离子聚合物,主要作用是**脱去蛋白质的水化层**(空间排阻/排斥体积效应),其沉淀效果几乎与盐浓度、pH 乃至蛋白质在水中的绝对溶解度无关,因此常用于蛋白质结晶和病毒浓缩。以上 PEG 与丙酮分级的内容 Lehninger 8e §3.3 均未涉及。 【一个易错点】不要把「介电常数」写成「介电常数增大导致沉淀」。ε 是**减小**的;ε 减小 ⇒ 静电作用增强 ⇒ 聚集。教材原句「Ionic interactions between dissolved ions are much stronger in less polar environments」就是这句话的权威表述。

术语对照
  • 介电常数dielectric constant (ε)水 78.5(25 ℃)、苯 4.6;F = Q₁Q₂/(εr²),ε↓ 则静电作用↑
  • 电荷屏蔽screening of charges高 ε 溶剂削弱离子间作用;有机溶剂使屏蔽减弱
  • 有机溶剂沉淀organic solvent precipitation(教材未单列)甲醇/乙醇/丙酮;降 ε + 夺水化层;室温下伴随变性,须低温操作
  • 聚乙二醇polyethylene glycol (PEG)(教材未涉及)非离子聚合物,主要脱水化层;用于沉淀与结晶
  • 亲水 / 疏水hydrophilic / hydrophobic教材按与水的相互作用定义;决定分子在何种溶剂中溶解

透析、超滤与离心:怎样脱盐、浓缩和按大小/密度粗分Dialysis, Ultrafiltration, and Centrifugation

笔记 考点三 · 四、透析与超滤(含切向流过滤)笔记 考点三 · 五、密度梯度离心笔记 考点三 · 一、分离依据「分子大小不同」→ 超过滤;「密度不同」→ 密度梯度离心
Original text

A solution containing the protein of interest usually must be further altered before subsequent purification steps are possible. For example, dialysis is a procedure that separates proteins from small solutes by taking advantage of the proteins’ larger size.

中文翻译

含有目标蛋白质的溶液,通常必须先经过进一步处理,后续的纯化步骤才能进行。例如透析就是这样一种操作:它利用蛋白质分子较大这一特点,把蛋白质与小分子溶质分开。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 393
Original text

The membrane allows the exchange of salt and buffer but not proteins. Thus dialysis retains large proteins within the membranous bag or tube while allowing the concentration of other solutes in the protein preparation to change until they come into equilibrium with the solution outside the membrane. Dialysis might be used, for example, to remove ammonium sulfate from the protein preparation.

中文翻译

这层膜允许盐和缓冲液交换通过,却不允许蛋白质通过。因此透析把大分子蛋白质保留在膜袋或膜管内,同时让蛋白质制剂中其他溶质的浓度不断变化,直到与膜外溶液达到平衡为止。举例来说,透析可以用来从蛋白质制剂中除去硫酸铵。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 394
Original text

The source of a protein is generally tissue or microbial cells. The first step in any protein purification procedure is to break open these cells, releasing their proteins into a solution called a crude extract. If necessary, differential centrifugation can be used to prepare subcellular fractions or to isolate specific organelles (see Fig. 1-7).

中文翻译

蛋白质的来源一般是组织或微生物细胞。任何蛋白质纯化程序的第一步都是把这些细胞破开,使其中的蛋白质释放到溶液中,这种溶液称为粗提液。必要时可以用差速离心来制备亚细胞组分或分离特定的细胞器(见图 1-7)。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 393
原理解读

【透析:注意「平衡」二字】教材的措辞极精确——小分子的浓度是「变化到与膜外溶液达到平衡」,而不是「被完全除去」。所以一次透析只能把盐降到膜内外相等的水平(稀释倍数≈膜外体积/膜内体积),要真正脱盐必须**多次更换透析液**,这正是中文笔记「透析液可更换至袋内小分子浓度降到最少为止」的原理。答题时把「半透膜 + 浓度梯度扩散 + 多次换液达到新的平衡」三点写全。 ·透析的分离依据是**分子大小**(教材原句:taking advantage of the proteins' larger size); ·典型用途:盐析后脱去硫酸铵(教材点名的例子)、更换缓冲液体系、去除小分子配体或还原剂; ·透析**不能浓缩**样品,反而常因水分进入而稀释(除非外加 PEG 或蔗糖反向吸水)。 【超滤:教材未涉及,按考研通用结论补充】Lehninger 8e §3.3 只讲透析,没有讲超滤,以下内容按考研通用结论补充: ·原理:靠**外加压力或离心力**强行使水和小分子透过超滤膜,蛋白质被截留在膜上一侧; ·与透析的区别:透析靠浓度梯度自发扩散、只能脱盐不能浓缩、慢;超滤靠压力驱动、既脱盐又**浓缩**、快; ·截留分子量(MWCO,如 3 kDa/10 kDa/30 kDa/100 kDa):选膜得当还能实现**粗分级**(把远大于和远小于 MWCO 的蛋白分开); ·切向流(错流)过滤 TFF:液体在泵驱动下沿与膜面相切的方向流动,被截留的蛋白被切向流冲走并回流到样品槽,避免在膜面堆积形成浓差极化和堵膜;可同时完成粗分离与浓缩。 【离心:教材讲到什么程度】§3.3 只给了两句:破碎细胞后必要时用**差速离心**(differential centrifugation)制备亚细胞组分;盐析后用**低速离心**收沉淀。真正的「密度梯度离心」章节里没有,按考研通用结论补充: ·差速离心:靠**沉降速度**(取决于颗粒大小和密度)差别,逐级提高转速,依次沉下细胞核 → 线粒体 → 溶酶体/过氧化物酶体 → 微粒体 → 核糖体;分辨率低、易交叉污染。 ·密度梯度离心又分两类:①**速率区带离心**(sucrose 蔗糖梯度,梯度密度低于所有颗粒密度)——按沉降速度分离,必须在颗粒抵达管底前停机;②**等密度(平衡)离心**(CsCl 氯化铯梯度,梯度覆盖颗粒密度范围)——每种颗粒迁移到与自身**浮力密度相等**处即停滞不前,与离心时间无关。中文笔记那句「沉降到与自身密度相等的介质密度梯度处则停滞不前」描述的正是等密度离心。 ·收集:管底刺孔逐滴放出、分步收集(也可用虹吸或替代液顶出)。 ·分离依据:中文笔记归入「密度不同」一类,这是六行表里唯一教材没有对应技术的一行。 【流程位置】破碎细胞(差速离心去碎片/取细胞器)→ 盐析(低速离心收沉淀)→ 透析或超滤脱盐浓缩 → 上柱层析。这条链子在方案设计题里几乎必写。

术语对照
  • 透析dialysis半透膜按分子大小分离;靠扩散达平衡,需多次换液;教材例子=除硫酸铵
  • 半透膜semipermeable membrane允许盐与缓冲液交换,不允许蛋白质通过
  • 超滤ultrafiltration(教材未涉及)压力/离心力驱动;脱盐+浓缩+按 MWCO 粗分级
  • 截留分子量molecular weight cut-off, MWCO(教材未涉及)超滤膜规格;选膜得当可粗分级
  • 切向流过滤tangential flow filtration(教材未涉及)错流冲刷膜面,防浓差极化与堵膜
  • 差速离心differential centrifugation教材原文用词;靠沉降速度逐级提高转速分离亚细胞组分
  • 密度梯度离心density gradient centrifugation(教材未涉及)蔗糖速率区带 vs 氯化铯等密度;后者按浮力密度停滞

柱层析总论:固定相/流动相、为什么会「被滞留」、分辨率与谱带展宽Column Chromatography: Stationary Phase, Mobile Phase, Retardation, and Resolution

笔记 考点三 · 一、分离纯化方法的依据(层析类技术的共同框架)笔记 考点三 · 十二、高效液相层析(HPLC)· 分离原理与分配系数
Original text

The most efficient methods for fractionating proteins make use of column chromatography, which takes advantage of differences in protein charge, size, binding affinity, and other properties (Fig. 3-16). A porous solid material with appropriate chemical properties (the stationary phase) is held in a column, and a buffered solution (the mobile phase) migrates through it. The protein, dissolved in the same buffered solution that was used to establish the mobile phase, is layered on the top of the column. The protein then percolates through the solid matrix as an everexpanding band within the larger mobile phase. Individual proteins migrate faster or more slowly through the column, depending on their properties.

中文翻译

分级分离蛋白质最有效的方法要用到柱层析,它利用的是蛋白质在电荷、大小、结合亲和力及其他性质上的差别(图 3-16)。一种具有适当化学性质的多孔固体材料(即固定相)被装在柱子里,一种缓冲溶液(即流动相)从中流过。要分离的蛋白质溶解在配制流动相所用的同一种缓冲液中,加样于柱子的顶部。随后蛋白质以一条不断展宽的谱带的形式,在体积更大的流动相之中渗滤穿过固体基质。不同的蛋白质依其性质的不同,在柱中迁移得或快或慢。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 394
图 3-16 柱层析。层析柱的标准部件包括:支撑在柱内的固体多孔材料(基质),柱身一般由塑料或玻璃制成。一种称为流动相的溶液流经作为固定相的基质。从柱底流出的溶液(洗出液/流出液)不断由柱顶储液瓶供给的溶液补充。待分离的蛋白质溶液加在柱顶,使其渗入固体基质;随后在上面继续加入溶液。蛋白质溶液在流动相中形成一条谱带,其起始宽度即为加到柱上的蛋白质溶液的高度。
图注 · 图 3-16 柱层析。层析柱的标准部件包括:支撑在柱内的固体多孔材料(基质),柱身一般由塑料或玻璃制成。一种称为流动相的溶液流经作为固定相的基质。从柱底流出的溶液(洗出液/流出液)不断由柱顶储液瓶供给的溶液补充。待分离的蛋白质溶液加在柱顶,使其渗入固体基质;随后在上面继续加入溶液。蛋白质溶液在流动相中形成一条谱带,其起始宽度即为加到柱上的蛋白质溶液的高度。
Caption · FIGURE 3-16 Column chromatography. The standard elements of a chromatographic column include a solid, porous material (matrix) supported inside a column, generally made of plastic or glass. A solution, the mobile phase, flows through the matrix, the stationary phase. The solution that passes out of the column at the bottom (the effluent) is constantly replaced by solution supplied from a reservoir at the top. The protein solution to be separated is layered on top of the column and allowed to percolate into the solid matrix. Additional solution is added on top. The protein solution forms a band within the mobile phase that is initially the depth of the protein solution applied to the column.
讲解 · 看图抓五点:①自上而下的五根柱子是**同一根柱子的五个时刻**(顶上写着 Time 箭头),不是五根不同的柱子——这是最常被误读的地方;②装置四件套:储液瓶 + 泵(reservoir/pump,提供恒定流动相)、层析柱(solid porous matrix = stationary phase)、检测器(detector,一般是 280 nm 紫外)、部分收集器(fraction collector,逐管收集洗脱液);③随时间推移,最初的窄带先分成 A、B、C 三条带(A 蓝在最前、B 红居中、C 绿最后),说明**滞留程度不同 → 分开**;④与此同时整条带在变宽——这就是扩散展宽(diffusional spreading),它是分辨率的敌人;⑤记录仪画出的峰形与 C 带流出同步,说明「峰」=浓度随时间的分布。考法:给出装置图让你标出固定相、流动相、洗脱液、部分收集器;或问「为什么柱子越长分离越好但峰也越宽」。
Original text

The overall protein band thus widens as it moves through the column. Individual types of proteins (such as A, B, and C, shown in blue, red, and green) gradually separate from each other, forming bands within the broader protein band. Separation improves (i.e., resolution increases) as the length of the column increases. However, each individual protein band also broadens with time due to diffusional spreading, a process that decreases resolution. In this example, protein A is well separated from B and C, but diffusional spreading prevents complete separation of B and C under these conditions. Protein C is being detected and its presence recorded as it is eluted from the column.

中文翻译

因此,整条蛋白质谱带在通过柱子的过程中会不断变宽。各类蛋白质(例如图中蓝色、红色和绿色表示的 A、B、C)逐渐彼此分开,在这条更宽的蛋白质带内部形成各自的谱带。随着柱长增加,分离效果变好(也就是分辨率提高)。然而,由于扩散展宽的缘故,每一条单独的蛋白质谱带也会随时间而变宽,这一过程会降低分辨率。在本例中,蛋白质 A 与 B、C 分得很开,但扩散展宽使得在这些条件下 B 与 C 无法完全分开。图中蛋白质 C 正在被检测,其出现被记录下来,同时它从柱中被洗脱出来。

§3.3 Working with Proteins — FIGURE 3-16 Column chromatography · 教材 p. 396
Original text

As the protein-containing solution exits a column, successive portions (fractions) of this effluent are collected in test tubes. Each fraction can be tested for the presence of the protein of interest as well as other properties, such as ionic strength or total protein concentration. All fractions positive for the protein of interest can be combined as the product of this chromatographic step of the protein purification.

中文翻译

当含有蛋白质的溶液流出柱子时,把这些流出液依次分成一份份(即洗脱份)收集在试管中。可以对每一份洗脱份检测目标蛋白是否存在,也可以检测其他性质,例如离子强度或总蛋白浓度。凡是目标蛋白呈阳性的洗脱份都可以合并起来,作为纯化过程中这一步层析的产物。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 398
原理解读

【把「操作步骤」翻译成「物理机制」】柱层析之所以能分离,不是因为「大分子走不动」这种直觉,而是因为每一种蛋白质在**固定相与流动相之间反复地结合—解离(或进入—退出)**,从而使它的平均前进速度慢于流动相。教材用的关键动词是 retard(滞留、阻滞): ·完全不与固定相作用的分子,随流动相以最大速度前进,最先流出; ·与固定相作用越强、被滞留得越厉害的分子,流出越晚。 这条规则对四种层析都成立,只是「作用」的物理本质不同:离子交换=静电吸附,凝胶过滤=进入珠内孔穴(几何滞留,不是化学吸附),亲和=专一性配体结合,疏水=疏水表面吸附。凡是问「某某分子为什么先/后流出」,都用这一句作答题总纲。 【分配系数:中文笔记 HPLC 那一段的核心量】笔记里说「分配系数小的组分 A 不易被固定相阻留,较早流出;分配系数大的组分 C 滞留时间长,较晚流出」。分配系数 K = c(固定相)/c(流动相),是溶质在两相间达到平衡时的浓度比。K 越大 → 在固定相中停留的时间份额越大 → 保留时间 t_R 越长。教材原文没有写出 K 的定义式(Lehninger 8e §3.3 未涉及分配系数、保留时间、理论塔板数等色谱参数),以下按考研通用结论补充: ·保留时间 t_R 与死时间 t_0(不被保留的组分的流出时间)之比反映保留程度; ·分离度 R = 2(t_R2 − t_R1)/(W1 + W2),R ≥ 1.5 视为基线分离——分子是「峰心距离」(由 K 差别决定),分母是「峰宽」(由扩散展宽决定),这正好把上面第二段原文的两句话公式化了:**柱越长 → 分子项越大 → R↑;但时间越长 → 分母项也越大 → R↓**。这就是「为什么柱子不能无限加长」的答案。 ·柱效用理论塔板数 N 描述,N 越大峰越窄;减小填料粒度、加快流速(在合理范围)、缩短传质距离都能提高 N——HPLC 正是靠这一点取胜(见 b5c10)。 【洗脱与收集】洗脱(elution)指用流动相把被滞留的蛋白冲出柱子。洗脱方式(笔记「洗脱方式及特点」)分三档:①等度洗脱(洗脱液成分始终不变);②分段(阶跃)洗脱——盐浓度或 pH 跳跃式分段改变;③梯度洗脱——渐进式连续改变,**分辨率最高、效果最好**,是考点。流出液按试管分份收集(fraction),逐份检测活性与 A₂₈₀,合并阳性管。

术语对照
  • 柱层析column chromatography利用电荷、大小、结合亲和力等差别;纯化中期的主力
  • 固定相 / 基质stationary phase / matrix装在柱内的多孔固体材料
  • 流动相mobile phase流经基质的缓冲溶液;蛋白质溶于其中上样
  • 流出液 / 洗脱份effluent / fraction从柱底流出并分管收集;逐份检测后合并阳性管
  • 滞留(阻滞)retarded / retardation与固定相作用越强流出越晚——所有层析的共同语言
  • 分辨率resolution柱越长分辨率越高,但扩散展宽随时间降低分辨率
  • 扩散展宽diffusional spreading谱带随时间变宽,是分辨率的主要损失来源
  • 分配系数partition coefficient(教材未给出定义式)K = c固定相/c流动相;K 越大保留时间越长、流出越晚

离子交换层析(★★★):净电荷的符号与大小,以及「给 pI 判洗脱顺序」的标准解法Ion-Exchange Chromatography (with WORKED EXAMPLE 3-1 Ion Exchange of Peptides)

笔记 考点三 · 九、离子交换层析(★★★,填空/选择/简答)笔记 考点三 · 2、常用离子交换剂类型及分类(CM-/P-/SE-纤维素;AE-/DEAE-/TEAE-纤维素)笔记 考点三 · 3、洗脱方式:分段洗脱与梯度洗脱笔记 考点三 · 一、分离依据「电荷不同」→ 离子交换层析
Original text

Ion-exchange chromatography exploits differences in the sign and magnitude of the net electric charge of proteins at a given pH (Fig. 3-17a). The column matrix is a synthetic polymer (resin) containing bound charged groups; those with bound anionic groups are called cation exchangers, and those with bound cationic groups are called anion exchangers. The affinity of each protein for the charged groups on the column is affected by the pH (which determines the ionization state of the molecule) and the concentration of competing free salt ions in the surrounding solution. Separation can be optimized by gradually changing the pH and/or salt concentration of the mobile phase in order to create a pH or salt gradient. In cation-exchange chromatography, proteins with a net positive charge migrate through the matrix more slowly than those with a net negative charge, because the migration of the former is retarded more by interaction with the stationary phase.

中文翻译

离子交换层析利用的是蛋白质在给定 pH 下净电荷在符号和大小上的差别(图 3-17a)。柱基质是一种含有结合态带电基团的合成聚合物(树脂);带有结合态阴离子基团的称为阳离子交换剂,带有结合态阳离子基团的称为阴离子交换剂。每种蛋白质对柱上带电基团的亲和力,受 pH(它决定分子的电离状态)以及周围溶液中相互竞争的游离盐离子浓度的影响。通过逐渐改变流动相的 pH 和/或盐浓度以形成 pH 梯度或盐梯度,可以使分离达到最优。在阳离子交换层析中,带净正电荷的蛋白质通过基质的迁移比带净负电荷的蛋白质更慢,因为前者的迁移被与固定相的相互作用阻滞得更厉害。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 396
图 3-17 蛋白质纯化中使用的三种层析方法。(a) 离子交换层析利用的是蛋白质在给定 pH 下净电荷在符号和大小上的差别。(b) 大小排阻层析,又称凝胶过滤,按照大小分离蛋白质。〔(c) 亲和层析按结合专一性分离蛋白质;该分句在教材中跨页断开,故此处只引到 (b)。〕
图注 · 图 3-17 蛋白质纯化中使用的三种层析方法。(a) 离子交换层析利用的是蛋白质在给定 pH 下净电荷在符号和大小上的差别。(b) 大小排阻层析,又称凝胶过滤,按照大小分离蛋白质。〔(c) 亲和层析按结合专一性分离蛋白质;该分句在教材中跨页断开,故此处只引到 (b)。〕
Caption · FIGURE 3-17 Three chromatographic methods used in protein purification. (a) Ionexchange chromatography exploits differences in the sign and magnitude of the net electric charges of proteins at a given pH. (b) Size-exclusion chromatography, also called gel filtration, separates proteins according to size.
讲解 · 这一张图要当成整册 2b 的总图来读,三个小图分别对应三个考点: (a) 离子交换:放大框里画的是**带负电荷功能基团的聚合物珠(阳离子交换剂)**,蛋白质用四档颜色标出(大量净正电荷/净正电荷/净负电荷/大量净负电荷)。图注文字说得非常直白:用阳离子交换剂时,净负电荷越多的蛋白质走得越快、越早洗脱。这正是 WORKED EXAMPLE 3-1 的图示答案。 (b) 凝胶过滤:放大框画出多孔聚合物珠内部的迷宫路径——小分子(紫色小球)钻进孔道走弯路,大分子(绿色大球)被排阻在珠外走直路,因而**大分子先出**。 (c) 亲和层析:左图是上样与洗涤(杂蛋白 unwanted proteins 被冲走),右图是加入游离配体溶液把目标蛋白竞争洗脱下来。 每个小图底部都画着 1~9 号收集管,提示「层析的结果是按管收集的洗脱曲线」。 注意本图右侧文字在裁图时被切掉了词尾(如 take/molecules/eluted),不影响识图。
原理解读

【先把术语的方向钉死——最高频的失分点】 ·**阳离子交换剂 = 柱上带负电荷**(结合态阴离子基团,如 —COO⁻、—SO₃⁻),它抓的是**阳离子**(带净正电荷的蛋白质)。 ·**阴离子交换剂 = 柱上带正电荷**(结合态阳离子基团,如 —N⁺(C₂H₅)₃),它抓的是**阴离子**(带净负电荷的蛋白质)。 交换剂的名字取自「被交换/被结合的离子」,不是取自柱子本身的电荷——这是选择题最爱的坑。教材原句 those with bound anionic groups are called cation exchangers 就是唯一权威依据,务必背下来。 【中文笔记的交换剂清单如何与教材对接】教材只说柱基质是「含结合态带电基团的合成聚合物(树脂)」,没有列举具体品种;笔记给出的纤维素系列属**考研通用知识,教材未列举**: ·阳离子交换剂(柱带负电,抓正电蛋白):CM-纤维素(羧甲基 —O—CH₂COO⁻,弱酸型)、P-纤维素(磷酸基,中强酸型)、SE-纤维素(磺乙基 —SO₃⁻,强酸型)。 ·阴离子交换剂(柱带正电,抓负电蛋白):AE-纤维素(氨基乙基,弱碱型)、DEAE-纤维素(二乙氨基乙基,强碱型)、TEAE-纤维素(三乙氨基乙基,强碱型)。 ·强/弱之分指**带电基团本身的解离是否随 pH 变化**:强酸型(磺酸基)与强碱型(季铵)在很宽的 pH 范围内始终带电;弱酸型(羧基)在低 pH 时失去电荷、弱碱型在高 pH 时失去电荷,因此可用 pH 洗脱。 ·交联葡聚糖离子交换剂(如 DEAE-Sephadex)相对纤维素的优点:既按净电荷又按分子大小分离(**兼有分子筛效应**)——笔记的这条结论教材也未涉及。 【结合力由什么决定:把原文拆成两个自变量】原文说亲和力受两件事影响: ① **pH**——它决定蛋白质的电离状态,也就决定净电荷的符号与大小。判据只有一条:pH > pI ⇒ 蛋白带净负电(能被阴离子交换剂吸附);pH < pI ⇒ 带净正电(能被阳离子交换剂吸附);|pH − pI| 越大,净电荷越大,吸附越牢。 ② **竞争性游离盐离子的浓度**——溶液中的 Na⁺/Cl⁻ 会与蛋白质争夺柱上的带电基团。盐浓度越高,屏蔽和竞争越强,蛋白质越容易被顶下来。这就是「盐梯度洗脱」的机理,也解释了为什么**盐析后的样品必须先透析脱盐才能上离子交换柱**。 【洗脱:分段 vs 梯度】原文给的最优策略是 gradually changing the pH and/or salt concentration,即**梯度洗脱**(连续渐进),分辨率最高;跳跃式分段改变称分段(阶跃)洗脱,操作简便但分辨率低;成分不变的叫等度洗脱。盐梯度洗脱时,与柱结合最弱(净电荷最小)的蛋白先被顶下来,结合最强的最后下来——按 |pH − pI| 从小到大依次流出。pH 梯度洗脱则是把 pH 逐步推向目标蛋白的 pI,使其净电荷归零而脱附。

Original text

A biochemist wants to separate two peptides by ion-exchange chromatography. At the pH of the mobile phase to be used on the column, one peptide (A) has a pI of 5.1, due to the presence of more Glu and Asp residues than Arg, Lys, and His residues, and has a net negative charge at neutral pH. Peptide B has a pI of 7.8, reflecting a plurality of positively charged amino acid residues at neutral pH. At neutral pH, which peptide would elute first from a cation-exchange resin? Which would elute first from an anionexchange resin?

中文翻译

一位生物化学家想用离子交换层析分离两条肽。在柱上所用流动相的 pH 下,其中一条肽(A)的 pI 为 5.1——这是由于它所含的 Glu 和 Asp 残基多于 Arg、Lys 和 His 残基——因而在中性 pH 下带净负电荷。肽 B 的 pI 为 7.8,反映出它在中性 pH 下带正电荷的氨基酸残基占多数。在中性 pH 下,哪一条肽会先从阳离子交换树脂上洗脱下来?哪一条会先从阴离子交换树脂上洗脱下来?

§3.3 WORKED EXAMPLE 3-1 Ion Exchange of Peptides · 教材 p. 398
Original text

A cation-exchange resin has negative charges and binds positively charged molecules, retarding their progress through the column.

中文翻译

阳离子交换树脂带负电荷,会结合带正电荷的分子,从而阻滞它们通过柱子的进程。

§3.3 WORKED EXAMPLE 3-1 · SOLUTION · 教材 p. 398
Original text

Peptide B, with its higher pI and net positive charge, will interact more strongly than peptide A with the cation-exchange resin. Thus, peptide A will elute first. On the anion-exchange resin, peptide B will elute first. Peptide A, having a relatively low pI and a net negative charge, will be retarded by its interaction with the positively charged resin.

中文翻译

肽 B 的 pI 较高、带净正电荷,因此它与阳离子交换树脂的相互作用比肽 A 更强。于是肽 A 先被洗脱下来。而在阴离子交换树脂上,则是肽 B 先被洗脱下来;肽 A 由于 pI 相对较低、带净负电荷,会因与带正电荷的树脂发生相互作用而被阻滞。

§3.3 WORKED EXAMPLE 3-1 · SOLUTION · 教材 p. 399
原理解读

【WORKED EXAMPLE 3-1 的解题套路——考研「给 pI 判洗脱顺序」题的标准三步法】 **第一步:定电荷。** 比较流动相 pH 与每个蛋白(肽)的 pI。 本例流动相为中性(pH ≈ 7): ·肽 A:pI 5.1 < 7 ⇒ pH > pI ⇒ 带**净负**电荷(原文也直接告诉你 has a net negative charge)。 ·肽 B:pI 7.8 > 7 ⇒ pH < pI ⇒ 带**净正**电荷。 口诀:**pI 大于 pH 带正电,pI 小于 pH 带负电**(也可记成「pH 往哪边偏,电荷就往反方向」)。 **第二步:定树脂。** 阳离子交换树脂带负电、抓正电分子;阴离子交换树脂带正电、抓负电分子。 **第三步:被抓者后出,不被抓者先出。** ·阳离子交换柱:抓正电的 B ⇒ **A 先洗脱**。 ·阴离子交换柱:抓负电的 A ⇒ **B 先洗脱**。 【把套路推广到多组分与「结合强弱」】如果题目给三四个蛋白的 pI,还要排出完整顺序,就在第三步细化:**同号电荷者,|pH − pI| 越大净电荷越大、结合越牢、洗脱越晚**。例如在 pH 7 的阴离子交换柱上,pI 分别为 4.0、5.1、6.5 的三个蛋白都带负电,被吸附强度 4.0 > 5.1 > 6.5,用盐梯度洗脱时流出顺序是 pI 6.5 → 5.1 → 4.0;而 pI 7.8 的蛋白带正电,根本不被吸附,随穿透峰(flow-through)最先出柱。 【常考的变式与陷阱】 ① 把「阳离子交换剂」误当成「柱子带正电」——记死原文那句 bound anionic groups → cation exchangers。 ② 忘了先判 pH 与 pI 的相对大小就直接按 pI 高低排序(只有在同一种交换柱、同号电荷时才能按 pI 单调排)。 ③ 问「怎样把已吸附的蛋白洗下来」:答**提高盐浓度**(竞争性游离盐离子屏蔽/取代静电作用)**或改变 pH**(把 pH 推向该蛋白的 pI,使净电荷趋零),并说明梯度洗脱分辨率高于分段洗脱。 ④ 问「为什么盐析之后不能直接上离子交换柱」:答样品离子强度太高,游离盐离子竞争使蛋白不能吸附,必须先透析或超滤脱盐。 ⑤ 填空题常考「离子交换层析的分离依据」——答:在给定 pH 下蛋白质净电荷的符号与数量(大小)不同。

术语对照
  • 离子交换层析ion-exchange chromatography依据给定 pH 下净电荷的符号与大小;★★★
  • 阳离子交换剂cation exchanger柱上带**负**电(结合态阴离子基团),吸附带正电的蛋白
  • 阴离子交换剂anion exchanger柱上带**正**电(结合态阳离子基团),吸附带负电的蛋白
  • 竞争性游离盐离子competing free salt ions盐浓度越高越易把蛋白顶下来——盐梯度洗脱的机理
  • 梯度洗脱 / 分段洗脱gradient elution / step elution连续渐进 vs 跳跃分段;梯度洗脱分辨率高
  • CM-/SE-纤维素carboxymethyl- / sulfoethyl-cellulose(教材未列举)弱酸型/强酸型阳离子交换剂
  • DEAE-纤维素diethylaminoethyl-cellulose(教材未列举)最常用的阴离子交换剂;DEAE-Sephadex 兼有分子筛效应

凝胶过滤 = 大小排阻层析 = 分子筛(★★★):为什么大分子反而先出柱Size-Exclusion Chromatography (Gel Filtration)

笔记 考点三 · 六、凝胶过滤——大小排阻层析、分子筛(★★★;定义★★、原理★★★)笔记 考点三 · 3、凝胶过滤的支持介质特征(交联度、孔径、分级范围、粒度)笔记 考点四 · 凝胶过滤法测定相对分子质量的适用条件与特点
Original text

Figure 3-17 shows two variations of column chromatography in addition to ion exchange. Size-exclusion chromatography, also called gel filtration (Fig. 3-17b), separates proteins according to size. In this method, large proteins emerge from the column sooner than small ones — a somewhat counterintuitive result. The solid phase consists of cross-linked polymer beads with engineered pores or cavities of a particular size. Large proteins cannot enter the cavities and so take a shorter (and more rapid) path through the column, around the beads. Small proteins enter the cavities and are slowed by their more labyrinthine path through the column. Size-exclusion chromatography can also be used to approximate the size of a protein being purified, using methods similar to those described in Figure 3-19.

中文翻译

图 3-17 除离子交换外还展示了柱层析的另外两种形式。大小排阻层析,又称凝胶过滤(图 3-17b),按照大小分离蛋白质。在这种方法中,大蛋白质比小蛋白质更早从柱中出来——这是一个多少有点违反直觉的结果。固定相由交联聚合物珠构成,珠内经过设计带有特定大小的孔道或腔穴。大蛋白质进不了这些腔穴,因而绕着珠子走一条更短(也更快)的路径通过柱子;小蛋白质则进入腔穴,被这条更为曲折迷宫般的路径拖慢。大小排阻层析还可以用来估计所纯化蛋白质的大小,所用方法与图 3-19 中描述的类似。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 399
原理解读

【定义与三个别名】凝胶过滤(gel filtration)=大小排阻层析(size-exclusion chromatography, SEC)=分子筛层析。名词解释按笔记原句答:**根据多孔介质对不同大小和形状的分子排阻能力不同而分离蛋白质混合物的一种方法**。注意「分子筛」这个中文名容易误导——它筛的方向与普通筛子**相反**:普通筛子小的先漏下去,凝胶过滤是**大的先出来**。教材专门加了一句 a somewhat counterintuitive result 来提醒这一点,考试判断题几乎必考。 【原理(★★★简答题):三条路径讲清楚】柱内存在三部分体积: ·**外水体积 V₀(void volume,珠间空隙)**——所有比孔径大的分子只能走这里,路径最短、速度最快,**第一个流出**,且彼此不能分开(全排阻); ·**内水体积 Vᵢ(珠内孔穴)**——比孔径小的分子可以自由进出,路径最曲折(labyrinthine),**最后流出**(全渗透); ·中间大小的分子按「能进入孔穴的比例」不同而部分渗透,流出顺序介于两者之间,**按分子由大到小依次洗脱**——这一段才是真正被分开的区间。 答简答题的标准四句:①比凝胶孔径大的分子被排阻在珠外,只能随溶剂在珠间空隙向下移动,路径最短,先流出柱外;②比孔径小的分子可不同程度地自由进出凝胶珠内外,路径较长,后流出;③因此流出顺序是分子由大到小;④同等质量的分子,**线状(伸展)分子在前、球状分子在后**(因为线状分子的流体力学体积/Stokes 半径更大,更难进入孔穴)。 【严格地说,分离依据是 Stokes 半径而不是分子量】教材未使用 Stokes 半径与分配系数 K_av 这两个术语,以下按考研通用结论补充: ·真正决定能否进入孔穴的是分子的**流体力学(Stokes)半径**,即分子在溶液中所占的有效体积,它同时取决于分子量**和形状**; ·定量描述用分配系数 K_av =(V_e − V₀)/(V_t − V₀),其中 V_e 是该蛋白的洗脱体积、V₀ 是外水体积、V_t 是柱床总体积。K_av = 0 表示完全排阻(随 V₀ 流出),K_av = 1 表示完全渗透; ·**K_av 与 log M_r 在凝胶的分级范围内呈线性关系**,这就是用凝胶过滤测分子量的定量基础; ·正因为依据是 Stokes 半径,笔记考点四才强调:**标准蛋白与待测蛋白必须都是近似球状**才可用;线形(纤维状)蛋白或能与凝胶发生吸附作用的蛋白会严重偏离标准曲线,不适用。 【支持介质:交联度、孔径与分级范围】凝胶内部是多孔网状结构。交联度(孔度)决定**分级范围**,即该凝胶能分开的蛋白质分子量区间;凝胶粒度(珠子大小)影响流速与分辨率——粒度越细,柱效越高、分辨率越好,但阻力大、流速慢。常用介质:交联葡聚糖(Sephadex)、聚丙烯酰胺(Bio-Gel P)、琼脂糖(Sepharose)。Sephadex 的 G 值:**G 后面的数字越大,交联度越小、孔径越大、可分离的分子量范围越大**(如 G-200 的分离上限高于 G-100)。这条规律笔记标了蓝字,教材未涉及,属考研通用结论。 【用途与考法】①**脱盐/换缓冲液**(把蛋白与小分子盐一次分开,比透析快得多);②**测定相对分子质量**(用标准蛋白作 log M_r–洗脱体积标准曲线;优点是待测样品**纯度要求低**、不破坏蛋白、可回收活性蛋白;缺点是分辨率不如 SDS-PAGE,且受形状影响);③**分级纯化**。④与 SDS-PAGE 联用的经典综合题:凝胶过滤测得的是**天然状态下整个分子(含四级结构)的大小**,SDS-PAGE 测得的是**变性亚基的分子量**,两者之差正好用来推算亚基组成——见下一条原文。

Original text

(In similar fashion, a set of standard proteins with reproducible retention times on a size-exclusion column can be used to create a standard curve of retention time versus log Mr. The retention time of an unknown substance on the column can be compared with this standard curve to obtain an approximate Mr.)

中文翻译

(同样地,可以用一组在大小排阻柱上具有可重复保留时间的标准蛋白质,绘制保留时间对 log M_r 的标准曲线。把未知物质在该柱上的保留时间与这条标准曲线相比较,就可以得到近似的 M_r。)

§3.3 Working with Proteins — FIGURE 3-19 Estimating the molecular weight of a protein · 教材 p. 406
Original text

A protein has a molecular mass of 400 kDa when measured by size-exclusion chromatography. When subjected to gel electrophoresis in the presence of sodium dodecyl sulfate (SDS), the protein gives three bands with molecular masses of 180, 160, and 60 kDa. When electrophoresis is carried out in the presence of SDS and dithiothreitol, three bands again form, this time with molecular masses of 160, 90, and 60 kDa. How many subunits does the protein have, and what is the molecular mass of each?

中文翻译

用大小排阻层析测得某蛋白质的分子质量为 400 kDa。当在十二烷基硫酸钠(SDS)存在下进行凝胶电泳时,该蛋白给出三条带,分子质量分别为 180、160 和 60 kDa。当电泳在 SDS 和二硫苏糖醇同时存在下进行时,仍然出现三条带,这次的分子质量分别为 160、90 和 60 kDa。这个蛋白质有多少个亚基?每个亚基的分子质量是多少?

Chapter 3 Problems · 12. Subunit Composition of a Protein · 教材 p. 459
原理解读

【教材习题 12 就是「凝胶过滤 + SDS-PAGE」综合题的原型,务必会做】 解题逻辑: ·**凝胶过滤 400 kDa** = 天然状态下整个分子(含所有亚基、保留四级结构)的大小; ·**SDS-PAGE(无还原剂)180/160/60** = 用 SDS 拆开非共价结合的亚基后得到的多肽(或以二硫键相连的多肽复合体); ·**SDS + DTT(二硫苏糖醇,还原剂)160/90/60** = 二硫键也被打断后的真正单条多肽链。 比较后两组即可看出:180 kDa 的那条带在加入还原剂后消失,同时出现 90 kDa 的带 ⇒ 180 = 90 + 90,说明它是**两条 90 kDa 链以链间二硫键相连**;160 和 60 两条带不受还原剂影响,说明它们本身就是单链。 于是单链清单为:90、90、160、60,合计 400 kDa,正好等于凝胶过滤测得的天然分子质量 ⇒ 该蛋白共 **4 个亚基**:2×90 kDa(以二硫键相连)+1×160 kDa+1×60 kDa。 【提炼成考试口诀】凝胶过滤测「整体」,SDS-PAGE 测「亚基」,加还原剂才测「真正的单链」;三者相除/相减即得亚基数目与连接方式。凡是题干出现「加与不加 β-巯基乙醇/DTT 条带不同」,一律考二硫键交联。

术语对照
  • 凝胶过滤(大小排阻层析、分子筛)gel filtration / size-exclusion chromatography (SEC)按大小分离;★★★,名词解释+简答双考
  • 排阻exclusion大于孔径的分子进不了珠内,走珠间空隙,最先流出
  • 外水体积 / 内水体积void volume V₀ / internal volume(教材未给符号)全排阻分子随 V₀ 流出;全渗透分子最后流出
  • 分配系数 K_avK_av =(V_e − V₀)/(V_t − V₀)(教材未涉及)0=全排阻,1=全渗透;与 log M_r 线性
  • 斯托克斯半径Stokes radius(教材未涉及)真正的分离依据;同质量下线状分子半径大、先流出
  • 分级范围fractionation range(教材未涉及)由交联度/孔径决定;Sephadex G 值越大孔径越大、范围越宽
  • 交联葡聚糖Sephadex(cross-linked dextran)常用介质;另有聚丙烯酰胺与琼脂糖

亲和层析(★★):一步纯化的原理、两种洗脱方式,以及第 9 章的标签化纯化Affinity Chromatography and Terminal Tags (His tag, GST)

笔记 考点三 · 十一、亲和层析(★★;定义、流程、优点、举例)笔记 考点三 · 一、分离依据「配基亲和力不同」→ 免疫亲和/凝集素亲和/染料亲和/金属螯合层析
Original text

Affinity chromatography is based on binding affinity (Fig. 3-17c). The beads in the column have a covalently attached chemical group called a ligand — a group or molecule that binds to a macromolecule such as a protein. When a protein mixture is added to the column, any protein with affinity for this ligand binds to the beads, and its migration through the matrix is retarded.

中文翻译

亲和层析建立在结合亲和力的基础上(图 3-17c)。柱中的珠子上共价连接着一种化学基团,称为配体(ligand)——即一种能与蛋白质之类的大分子结合的基团或分子。当把蛋白质混合物加到柱上时,任何对该配体有亲和力的蛋白质都会结合到珠子上,它通过基质的迁移因而被阻滞。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 399
Original text

Proteins that do not bind to ATP flow more rapidly through the column. Bound proteins are then eluted by a solution containing either a high concentration of salt or a free ligand — in this case, ATP or an analog of ATP. Salt weakens the binding of the protein to the immobilized ligand, interfering with ionic interactions. Free ligand competes with the ligand attached to the beads, releasing the protein from the matrix; the protein product that elutes from the column is often bound to the ligand used to elute it.

中文翻译

不与 ATP 结合的蛋白质会更快地流过柱子。随后用含有高浓度盐、或含有游离配体(在本例中即 ATP 或 ATP 类似物)的溶液,把结合上去的蛋白质洗脱下来。盐会削弱蛋白质与固定化配体之间的结合,干扰其中的离子相互作用;游离配体则与连接在珠子上的配体竞争,从而把蛋白质从基质上释放出来。不过,从柱上洗脱下来的蛋白质产物往往结合着用于洗脱它的那种配体。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 400
Original text

Protein purification protocols often use genetic engineering to fuse additional amino acids or peptides (tags) to the target protein. Affinity chromatography can be used to bind this tag, achieving a large increase in purity in a single step (see Fig. 9-11). In many cases, the tag can be subsequently removed, fully restoring the function of the native protein.

中文翻译

蛋白质纯化方案常常利用基因工程,把额外的氨基酸或肽段(即标签)融合到目标蛋白上。可以用亲和层析结合这一标签,从而一步就使纯度大幅提高(见图 9-11)。在很多情况下,这个标签随后可以被去除,使天然蛋白的功能完全恢复。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 400
Original text

As the crude extract percolates through this matrix, the fusion protein becomes immobilized by binding the glutathione. The other proteins in the extract are washed through the column and discarded. The interaction between GST and glutathione is tight but noncovalent, allowing the fusion protein to be gently eluted from the column with a solution containing either a higher concentration of salts or free glutathione to compete with the immobilized ligand for GST binding. The fusion protein is often obtained with good yield and high purity. In some commercially available systems, the tag can be entirely or largely removed from the purified fusion protein by a protease that cleaves a sequence near the junction between the target protein and its tag.

中文翻译

当粗提液渗滤通过这一基质时,融合蛋白因结合谷胱甘肽而被固定下来。提取液中的其他蛋白质则被冲洗过柱并弃去。GST 与谷胱甘肽之间的相互作用很牢固,但属于非共价结合,因此可以用含有较高浓度盐、或含有游离谷胱甘肽(与固定化配体竞争 GST 的结合)的溶液,把融合蛋白温和地从柱上洗脱下来。融合蛋白往往能以良好的收率和很高的纯度获得。在某些市售系统中,还可以用一种蛋白酶切开目标蛋白与其标签连接处附近的一段序列,从而把标签从纯化好的融合蛋白上全部或大部分除去。

第 9 章 §9.1 Terminal Tags Provide Handles for Affinity Purification · 教材 p. 1192
Original text

A shorter tag with widespread application consists of a simple sequence of six or more His residues. These histidine tags, or His tags, bind tightly and specifically to nickel ions. A chromatography matrix with immobilized Ni2+ can be used to quickly separate a His-tagged protein from other proteins in an extract.

中文翻译

另一种应用广泛的较短标签,由六个或更多 His 残基组成的简单序列构成。这类组氨酸标签(His 标签)能与镍离子牢固而专一地结合。使用固定化了 Ni²⁺ 的层析基质,就可以把带 His 标签的蛋白质从提取液中的其他蛋白质里迅速分离出来。

第 9 章 §9.1 Terminal Tags Provide Handles for Affinity Purification · 教材 p. 1193
Original text

Affinity chromatography using terminal tags is powerful and convenient. The tags have been successfully used in thousands of published studies; in many cases, the protein would be impossible to purify and study without the tag. However, even very small tags can affect the properties of the proteins they are attached to, thereby influencing the study results. For example, the tag may adversely affect protein folding. Even if the tag is removed by a protease, one or a few extra amino acid residues can remain behind on the target protein, which may or may not affect the protein’s activity.

中文翻译

利用末端标签的亲和层析既强大又便利。这些标签已在数以千计的已发表研究中成功使用;在很多情况下,没有标签就根本无法纯化和研究该蛋白质。然而,即便是很小的标签,也可能影响所连接蛋白质的性质,从而影响研究结果。例如,标签可能对蛋白质的折叠产生不利影响。即使用蛋白酶把标签切除,目标蛋白上仍可能残留一个或几个额外的氨基酸残基,它们**有可能**影响、也可能不影响蛋白质的活性。

第 9 章 §9.1 Terminal Tags Provide Handles for Affinity Purification · 教材 p. 1194
原理解读

【定义与原理】名词解释按笔记原句:**根据蛋白质分子对其配体分子特有的生物学亲和力而建立的层析方法**。教材给的关键词是 ligand(配体)+ binding affinity(结合亲和力)+ covalently attached(共价连接到珠子上)。原理的独特之处在于:其他层析靠的是**普适的**理化性质(电荷、大小、疏水性),唯有亲和层析靠的是**目标蛋白独有的生物学识别**,因此选择性最高、纯化倍数最大。 【流程四步(背这四个动词)】 ① 固定化:把特异配体**共价**连接到载体(琼脂糖等)微珠上,装柱; ② 吸附上样:加入蛋白质混合物,目标蛋白与配体专一结合而被滞留,杂蛋白无亲和力; ③ 洗涤:用缓冲液冲走杂蛋白(图 3-17c 左半部分); ④ 洗脱:把目标蛋白解离下来。 【洗脱的两条路,教材写得比中文笔记更全】 ·**游离配体竞争洗脱**——加入高浓度的同种游离配体(ATP 亲和柱用 ATP,GST 柱用还原型谷胱甘肽,His 柱用咪唑),与柱上固定化配体竞争,把蛋白置换下来。中文笔记只写了这一种。 ·**高盐洗脱**——盐削弱蛋白与固定化配体之间的离子相互作用。这是教材补的第二种,别漏。 ·教材还提醒一个实践细节:**竞争洗脱得到的蛋白往往结合着用来洗脱它的配体**(例如洗下来的酶带着 ATP),若要研究该蛋白与配体的结合,还需再透析除去——这是简答题「亲和层析的局限」的加分点。 【优点与举例(笔记要求)】优点:只需一步就能从极少量样品中把目标蛋白分离出来,纯化倍数极高,还能把失活的、不再结合配体的杂质一并除去(因为只有具活性构象的分子才结合配体)。经典举例: ·凝集素亲和层析——凝集素识别糖链,用于**糖蛋白**的分离; ·免疫亲和层析——固定化抗体捕获抗原,用于纯化**抗原蛋白**(反之固定化抗原可纯化抗体); ·金属螯合层析(IMAC)——固定化 Ni²⁺/Cu²⁺ 与蛋白表面 His 咪唑基配位,用于**含金属或带 His 标签的蛋白**;教材第 9 章的 His-tag/Ni²⁺ 体系正是这一类的现代版本,用咪唑竞争洗脱; ·染料亲和层析——Cibacron blue 等三嗪染料模拟 NAD⁺/ATP,用于脱氢酶、激酶。 【标签化纯化:教材第 9 章的补充,是「一步纯化」最现实的实现方式】 ·GST 标签(Mr 26,000)配固定化**谷胱甘肽**;His₆ 标签(0.8 kDa)配固定化 **Ni²⁺**;此外还有 Protein A 配 IgG 的 Fc 段、麦芽糖结合蛋白配麦芽糖、几丁质结合域配几丁质等; ·标签可加在氨基端或羧基端,纯化后可用**专一蛋白酶**切除; ·**局限**(教材原文明确列出,是简答题的现成答案):即使很小的标签也可能影响蛋白性质(如干扰折叠);切除后仍可能残留一两个额外残基;因此实验必须设对照评估标签的影响。这也呼应了 §3.3 开头那句「要分离未经改造的天然蛋白,就得去掉修饰或使用经典方法」。

术语对照
  • 亲和层析affinity chromatography依据蛋白对特异配体的生物学亲和力;★★
  • 配体(配基)ligand共价连接到珠上的基团/分子,能与目标蛋白专一结合
  • 竞争洗脱elution with free ligand游离配体与固定化配体竞争;另一条路是高盐洗脱
  • 融合蛋白 / 标签fusion protein / tag基因工程加在末端,一步大幅提纯;可用蛋白酶切除
  • His 标签His tag ((His)6)与固定化 Ni²⁺ 专一结合;即金属螯合层析(IMAC)
  • GST 标签glutathione-S-transferase (GST) tagMr 26,000,配体为谷胱甘肽,用游离谷胱甘肽洗脱
  • 免疫亲和层析immunoaffinity chromatography(教材未用此词)固定化抗体纯化抗原;笔记举例之一

疏水相互作用层析与高效液相层析(HPLC):高盐上样、低盐洗脱,以及「靠柱效取胜」Hydrophobic Interaction Chromatography and HPLC

笔记 考点三 · 十、疏水相互作用层析(原理、操作条件、实际问题)笔记 考点三 · 十二、高效液相层析(HPLC)(技术定位、分离原理、分离流程)笔记 考点三 · 一、分离依据「疏水相互作用不同」→ 疏水相互作用层析、染料结合层析
Original text

When an amphipathic compound (Table 2-1) is mixed with water, the polar, hydrophilic region interacts favorably with the water and tends to dissolve, but the nonpolar, hydrophobic region tends to avoid contact with the water (Fig. 2-7a). The nonpolar regions of the molecules cluster together to present the smallest hydrophobic area to the aqueous solvent, and the polar regions are arranged to maximize their interaction with each other and with the solvent (Fig. 2-7b), a phenomenon called the hydrophobic effect.

中文翻译

当把两亲性化合物(表 2-1)与水混合时,其极性的亲水区域与水之间发生有利的相互作用而倾向于溶解,非极性的疏水区域则倾向于避免与水接触(图 2-7a)。分子的非极性区域聚集在一起,使暴露给水性溶剂的疏水面积降到最小,而极性区域则排列成使它们彼此之间以及与溶剂之间的相互作用达到最大(图 2-7b),这一现象称为疏水效应。

§2.1 Weak Interactions in Aqueous Systems — Nonpolar Compounds Force Energetically Unfavorable Changes in the Structure of Water · 教材 p. 268
Original text

Many biomolecules are amphipathic; proteins, pigments, certain vitamins, and the sterols and phospholipids of membranes all have both polar and nonpolar surface regions. Structures composed of these molecules are stabilized by the hydrophobic effect, which favors aggregation of the nonpolar regions. The hydrophobic effect on interactions among lipids, and between lipids and proteins, is the most important determinant of structure in biological membranes. The aggregation of nonpolar amino acids in protein interiors, driven by the hydrophobic effect, also stabilizes the three-dimensional structures of proteins.

中文翻译

许多生物分子都是两亲性的;蛋白质、色素、某些维生素,以及膜中的固醇和磷脂,都同时具有极性和非极性的表面区域。由这些分子构成的结构靠疏水效应得以稳定,疏水效应有利于非极性区域的聚集。疏水效应对脂类之间以及脂类与蛋白质之间相互作用的影响,是决定生物膜结构最重要的因素。由疏水效应驱动的非极性氨基酸在蛋白质内部的聚集,同样使蛋白质的三维结构得以稳定。

§2.1 Weak Interactions in Aqueous Systems — Nonpolar Compounds Force Energetically Unfavorable Changes in the Structure of Water · 教材 p. 270
原理解读

【疏水相互作用层析(HIC):教材未单列,按考研通用结论补充】Lehninger 8e §3.3 只讲了离子交换、大小排阻、亲和与 HPLC 四种层析,**没有单独介绍疏水相互作用层析**;但它讲清了疏水效应的全部物理内容(上面两段),HIC 的原理正是把疏水效应搬到柱子上。以下按笔记与考研通用结论整理: ·**核心原理**:根据蛋白质**表面疏水性**的差别,利用蛋白质与疏水层析介质(苯基-、辛基-、丁基-琼脂糖等接了短烷基或苯基的填料)疏水表面之间的**可逆**相互作用来分离蛋白质。 ·**为什么必须高盐上样**:这是和离子交换**完全相反**的操作,也是最爱考的对比。理由就写在 2a 盐析那一节引的原文里——疏水作用在高极性溶剂(浓盐溶液)中显著增强;同时高浓度盐夺走蛋白表面的水化水,使疏水区暴露。所以 HIC 常常**紧接在盐析之后**进行(样品本来就是高盐的,不必脱盐,这是它相对离子交换的一大工艺优势)。 ·**为什么把 pH 调到等电点附近**:此时净电荷最小、静电斥力最弱,蛋白质更容易靠近疏水填料,吸附量最大。 ·**洗脱**:与上样条件反向操作——**逐渐降低离子强度**(盐梯度由高到低)或**升高 pH**;也可用对固定相亲和力更强的置换剂(如乙二醇、去污剂)作置换洗脱。 ·**两个实际问题**(笔记明确要求):①某些洗脱条件(如加去污剂或有机溶剂)可**引起蛋白质变性**;②**不可预测性**——表面疏水性无法从序列直接算出,只能靠试验摸索条件。 ·对照记忆表:离子交换=低盐上样/高盐洗脱;疏水层析=高盐上样/低盐洗脱。 【与 SDS-PAGE 的那句话别记混】笔记在「疏水相互作用不同」一行里把 SDS-PAGE 也列了进去,并注明「SDS-PAGE 不是根据蛋白质本身的电荷差别,而是依据质量和表面疏水性不同分离」,所以问答题里 SDS-PAGE 可以同时写在「按大小分离」和「按疏水性分离」两处举例中。这是中文教材体系的处理,Lehninger 的说法是 SDS 结合后各蛋白电荷/质量比趋同、**几乎完全按质量分离**(见 2c)。答题时按所用教材口径写,不必纠结。

Original text

Chromatographic methods are typically enhanced by the use of HPLC, or high-performance liquid chromatography. HPLC makes use of high-pressure pumps that speed the movement of the protein molecules down the column; it also uses higherquality chromatographic materials that can withstand the crushing force of the pressurized flow. By reducing the transit time on the column, HPLC can limit diffusional spreading of protein bands and thus can greatly improve resolution.

中文翻译

各种层析方法通常都可以借助 HPLC(高效液相层析/高效液相色谱)而得到增强。HPLC 使用高压泵来加快蛋白质分子沿柱子向下移动的速度;它还使用质量更高的层析材料,这些材料能够承受加压流动所带来的挤压力。通过缩短在柱上的通过时间,HPLC 可以限制蛋白质谱带的扩散展宽,因而能极大地提高分辨率。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 400
原理解读

【HPLC 的技术定位:它不是第五种分离依据】这是最容易答错的一点。笔记说 HPLC「是离子交换、分子排阻、吸附和分配等层析技术的发展新阶段」,教材说得更直接:HPLC 是用来**增强**各种层析方法的手段(Chromatographic methods are typically enhanced by the use of HPLC)。也就是说,HPLC 是**硬件与柱效层面的升级**,分离依据仍然是离子交换/排阻/亲和/疏水那几种——所以有离子交换 HPLC、排阻 HPLC、反相 HPLC 之分。凡是问「HPLC 依据什么分离」,标准答法是:与普通层析相同(溶质在固定相与流动相之间的分配系数、亲和力、吸附力或分子大小引起的排阻作用的差别),只是靠高压、细颗粒填料把分辨率大幅提高。 【为什么高压能提高分辨率——把教材这句话拆开】 ① 高压泵 ⇒ 流动相流速快 ⇒ **在柱上的停留时间(transit time)缩短**; ② 停留时间短 ⇒ **扩散展宽(diffusional spreading)来不及发生** ⇒ 谱带窄; ③ 谱带窄 ⇒ 分离度 R = 2Δt_R/(W₁+W₂) 的分母变小 ⇒ **分辨率大幅提高**。 ④ 之所以能加高压,是因为使用了**能承受挤压力的高质量(更细、更均一、机械强度更高)填料**——填料粒径小同时还缩短了传质距离,进一步提高柱效。 把这四步与 b5c6 里「柱越长分辨率越高但扩散展宽降低分辨率」那段对照着背,就构成一个完整的分辨率理论小结。 【笔记的「分离流程」怎么答】样品(含 A、B、C 三组分)随流动相进柱,在两相间反复分配:分配系数**小**的 A 不易被固定相阻留,**最早**流出;分配系数**大**的 C 滞留时间最长,**最晚**流出;B 居中,第二个流出。多组分混合物即按分配系数由小到大依次流出而实现分离。(分配系数的定义与保留时间概念教材未给出,属考研通用结论补充;教材对应的表述是「不同蛋白质依其性质在柱中迁移得或快或慢」。) 【常见考法】①填空「HPLC 的中文全称/英文缩写」;②判断「HPLC 是一种新的分离依据」(错,是技术手段的升级);③简答「HPLC 为什么分辨率高」——按上面四步答;④选择「三组分按分配系数大小的流出顺序」。

术语对照
  • 疏水相互作用层析hydrophobic interaction chromatography, HIC(教材未单列)按表面疏水性分离;高盐上样、低盐洗脱
  • 疏水效应hydrophobic effect非极性面聚集以减少有序水;浓盐溶液中增强——HIC 与盐析同源
  • 置换洗脱displacement elution(教材未涉及)用对固定相亲和力更强的置换剂顶下目标蛋白
  • 高效液相层析high-performance liquid chromatography (HPLC)高压泵+高强度细填料;缩短停留时间、抑制扩散展宽以提高分辨率
  • 停留(通过)时间transit timeHPLC 提高分辨率的关键变量
  • 染料结合(染料亲和)层析dye-ligand chromatography(教材未涉及)笔记归入「疏水/亲和」举例,Cibacron blue 模拟 NAD⁺、ATP

凝胶电泳总论:迁移率 μ = Z/f、为什么要用凝胶、电泳到底是分离还是鉴定Electrophoresis of Proteins: Principle, Mobility, and Gel Media

笔记 考点三 · 七、凝胶电泳(核心原理与分离依据;类型与支持介质)笔记 考点三 · 一、分离依据「电荷不同」→ 纸电泳、PAGE、毛细管电泳等
Original text

Protein purification is usually complemented by electrophoresis, an analytical process that allows researchers to visualize and characterize proteins as they are purified. This method does not itself contribute to purification, as electrophoresis often adversely affects the structure and thus the function of proteins. However, it allows a biochemist to rapidly estimate the number of different proteins in a mixture and the degree of purity of a particular protein preparation. Also, electrophoresis can be used to determine such crucial properties of a protein as its isoelectric point and approximate molecular weight.

中文翻译

蛋白质纯化通常辅以电泳,这是一种分析性操作,能让研究者在纯化过程中观察并表征蛋白质。这一方法本身并不对纯化有所贡献,因为电泳常常会对蛋白质的结构、进而对其功能产生不利影响。不过,它能使生物化学家迅速估计混合物中不同蛋白质的数目,以及某一蛋白质制剂的纯度。此外,电泳还可用来测定蛋白质的等电点和近似分子量这样一些关键性质。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Characterized by Electrophoresis · 教材 p. 402
原理解读

【第一句话就要立住的态度:电泳是「鉴定」不是「纯化」】教材说得很硬:this method does not itself contribute to purification(这一方法本身不对纯化作贡献),理由是电泳常常损伤蛋白质的结构和功能。它的三大用途是:①快速估计混合物中蛋白质的**种类数**;②判断某一制剂的**纯度**(纯化到最后只剩单一条带);③测定**等电点**(等电聚焦)与**近似分子量**(SDS-PAGE)。 这与中文笔记的组织方式略有差异:笔记把凝胶电泳、等电聚焦放在「考点三:分离纯化的方法」里,同时又注明「等电点聚焦还可以用于鉴定」。答题时安全的写法是:电泳属于分析/鉴定技术,也可用于微量制备与纯度检查,但工业与常规制备纯化仍以沉淀和层析为主。 【核心原理与分离依据(笔记要求的第一问)】电泳是**荷电分子在外电场中移动方向和移动速率不同**而实现分离的技术:带电分子向与其电荷符号相反的电极迁移(负电荷→阳极,正电荷→阴极);迁移速率取决于所带电荷、分子大小与形状,以及介质的筛分作用。

Original text

Like free amino acids, peptides have characteristic titration curves and a characteristic isoelectric pH (pI) at which the net charge is zero and they do not move in an electric field.

中文翻译

与游离氨基酸一样,肽也有各自特征性的滴定曲线,以及一个特征性的等电 pH(pI)——在该 pH 下净电荷为零,它们在电场中不发生迁移。

§3.2 Peptides and Proteins — Peptides Can Be Distinguished by Their Ionization Behavior · 教材 p. 383
Original text

Migration may also be affected by protein shape. In electrophoresis, the force moving the macromolecule is the electrical potential, E. The electrophoretic mobility, μ, of a molecule is the ratio of its velocity, V, to the electrical potential. Electrophoretic mobility is also equal to the net charge, Z, of the molecule divided by the frictional coefficient, f, which reflects in part a protein’s shape.

中文翻译

迁移还可能受到蛋白质形状的影响。在电泳中,驱动大分子运动的力是电势 E。分子的电泳迁移率 μ 等于其速度 V 与电势之比。电泳迁移率同时也等于该分子的净电荷 Z 除以摩擦系数 f,而 f 在一定程度上反映了蛋白质的形状。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Characterized by Electrophoresis · 教材 p. 403
Original text

FIGURE 3-18 Electrophoresis. (a) Different samples are loaded in wells or depressions at the top of the SDS polyacrylamide gel. The proteins move into the gel when an electric field is applied. The gel minimizes convection currents caused by small temperature gradients, as well as protein movements other than those induced by the electric field.

中文翻译

图 3-18 电泳。(a) 不同的样品被加入 SDS 聚丙烯酰胺凝胶顶部的加样孔(凹槽)中。施加电场后,蛋白质便进入凝胶。凝胶能把由微小温度梯度引起的对流,以及除电场诱导之外的蛋白质运动,都降到最低。

§3.3 Working with Proteins — FIGURE 3-18 Electrophoresis · 教材 p. 404
原理解读

【迁移率公式:一条式子把三个考点串起来】 μ = V/E = Z/f ·**Z(净电荷)在分子上**:净电荷越大,电场对分子的驱动力越大,迁移越快。由此立刻推出两条结论:pH = pI 时 Z = 0,蛋白质**在电场中不动**(上面第二段原文的原话),这正是等电聚焦的全部原理;pH 偏离 pI 越远,Z 越大,跑得越快。 ·**f(摩擦系数)在分母上**:分子越大、形状越不规则(越伸展),f 越大,迁移越慢。教材紧接着总结:蛋白质在凝胶中的迁移因而是其**大小与形状**的函数。 ·三者相乘即笔记的结论:凝胶电泳同时利用了蛋白分子所带电荷、分子大小和形状的差别。要把天然蛋白按「纯质量」分开,就必须设法把 Z 拉平——这就是 SDS 的用武之地(见 b5c12)。 【为什么非要在凝胶里做:图 3-18 图注给了标准答案】凝胶有两个作用: ① **抗对流**:把由微小温度梯度引起的对流以及一切非电场驱动的运动降到最低,保证条带不弥散(这是图注的原话,是简答题「电泳为什么要用支持介质」的最佳依据); ② **分子筛**:聚丙烯酰胺凝胶起分子筛作用,按大致与电荷/质量比成比例的方式减慢蛋白质的迁移(教材下一句原文)。孔径由丙烯酰胺总浓度 T 与交联剂比例 C 决定:胶浓度越高、孔径越小,适合分离小分子量蛋白。 【类型与支持介质(笔记第 2 问)】目前使用最广的区带电泳就是凝胶电泳,最常用的支持介质是**聚丙烯酰胺凝胶**和**琼脂糖凝胶**:PAGE 孔径小、分辨率高,适于分离蛋白质和寡核苷酸;琼脂糖凝胶孔径大,多用于核酸(DNA/RNA)的分离。凝胶都用缓冲液配制。此外还有纸电泳、醋酸纤维素薄膜电泳、毛细管电泳等,均属笔记「电荷不同」一栏的举例。 【教材未涉及、按考研通用结论补充的三点】 ·**不连续(disc)电泳体系**:常规 SDS-PAGE 采用浓缩胶(stacking gel,低浓度、大孔径、pH 6.8)+分离胶(separating/resolving gel,高浓度、小孔径、pH 8.8)的不连续体系,加上 Tris-甘氨酸电极缓冲液,形成**凝胶孔径不连续、缓冲液离子成分不连续、pH 不连续、电位梯度不连续**四个不连续。样品在浓缩胶中被夹在快离子 Cl⁻ 与慢离子甘氨酸之间压缩成极薄的一层(浓缩效应),进入分离胶后 pH 升高、甘氨酸充分解离超越蛋白质,蛋白质才开始按大小分离。这是「为什么 SDS-PAGE 条带很锐」的答案。Lehninger 8e 完全没有讲这一体系。 ·**天然电泳(Native-PAGE,非变性电泳)**:不加 SDS 和还原剂,蛋白质保持天然构象与自身电荷,按**电荷、大小、形状综合**分离,条带可回收活性蛋白,可用于测定寡聚状态、做活性染色(酶谱)。教材未涉及。 ·**染色与检测**:考马斯亮蓝(教材提到)、银染(灵敏度高约 50–100 倍)、荧光染料;蛋白转印后可做免疫印迹(Western blot)。

术语对照
  • 电泳electrophoresis荷电分子在电场中迁移;教材定位为**分析**手段,不用于纯化
  • 电泳迁移率electrophoretic mobility (μ)μ = V/E = Z/f;Z 为净电荷,f 为摩擦系数
  • 摩擦系数frictional coefficient (f)反映分子大小与形状;f 越大迁移越慢
  • 聚丙烯酰胺凝胶polyacrylamide gel起抗对流与分子筛双重作用;适于蛋白质与寡核苷酸
  • 琼脂糖凝胶agarose gel孔径大,多用于核酸分离
  • 不连续凝胶体系discontinuous (disc) gel system(教材未涉及)浓缩胶+分离胶;四个不连续造成浓缩效应,条带锐利
  • 天然电泳native PAGE(教材未涉及)不加 SDS/还原剂,按电荷+大小+形状分离,可回收活性蛋白
  • 考马斯亮蓝Coomassie blue只与蛋白结合、不与凝胶结合的常用染料

SDS-PAGE:把电荷抹平之后只剩质量,以及相对分子质量的测定SDS Polyacrylamide Gel Electrophoresis and Estimation of Molecular Weight

笔记 考点三 · 一、分离依据「分子大小不同」与「疏水相互作用不同」→ SDS-PAGE笔记 考点四 · 蛋白质相对分子质量的测定(SDS-PAGE、凝胶过滤等;★★)
Original text

The electrophoretic method commonly employed for estimation of purity and molecular weight makes use of the detergent sodium dodecyl sulfate (SDS) (“dodecyl” denoting a 12-carbon chain).

中文翻译

通常用于估计纯度和分子量的电泳方法,要用到去污剂十二烷基硫酸钠(SDS)(其中 dodecyl 即「十二烷基」,表示 12 个碳原子的链)。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Characterized by Electrophoresis · 教材 p. 404
Original text

In addition, SDS binding partially unfolds proteins, such that most SDS-bound proteins assume a similar rodlike shape. Electrophoresis in the presence of SDS therefore separates proteins almost exclusively on the basis of mass (molecular weight), with smaller polypeptides migrating more rapidly. After electrophoresis, the proteins are visualized by adding a dye such as Coomassie blue, which binds to proteins but not to the gel itself (Fig. 3-18b). Thus, a researcher can monitor the progress of a protein purification procedure as the number of protein bands visible on the gel decreases after each new fractionation step. When compared with the positions to which proteins of known molecular weight migrate in the gel, the position of an unidentified protein can provide a good approximation of its molecular weight (Fig. 3-19). If the protein has two or more different subunits, generally the subunits are separated by the SDS treatment, and a separate band appears for each.

中文翻译

此外,SDS 的结合还会使蛋白质部分去折叠,以致大多数结合了 SDS 的蛋白质都呈现相似的棒状外形。因此,在 SDS 存在下进行的电泳几乎完全按照质量(分子量)来分离蛋白质,较小的多肽迁移得更快。电泳之后,加入像考马斯亮蓝这样的染料使蛋白质显现出来——这种染料只与蛋白质结合,而不与凝胶本身结合(图 3-18b)。这样,随着每一步新的分级分离之后凝胶上可见蛋白条带数目的减少,研究者就能监测蛋白质纯化过程的进展。把未知蛋白质在凝胶中的位置与已知分子量的蛋白质迁移到的位置相比较,就可以很好地近似估计出它的分子量(图 3-19)。如果该蛋白质含有两种或更多不同的亚基,一般来说这些亚基会被 SDS 处理分开,每一种亚基都出现一条单独的条带。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Characterized by Electrophoresis · 教材 p. 405
Original text

(b) Proteins can be visualized after electrophoresis by treating the gel with a stain such as Coomassie blue, which binds to the proteins but not to the gel itself. Each band on the gel represents a different protein (or protein subunit); smaller proteins move through the gel more rapidly than larger proteins and therefore are found nearer the bottom of the gel.

中文翻译

(b) 电泳之后,用考马斯亮蓝之类的染料处理凝胶,即可使蛋白质显现出来;这种染料与蛋白质结合,而不与凝胶本身结合。凝胶上的每一条带代表一种不同的蛋白质(或蛋白质亚基);较小的蛋白质比较大的蛋白质在凝胶中移动得更快,因此出现在更靠近凝胶底部的位置。

§3.3 Working with Proteins — FIGURE 3-18 Electrophoresis · 教材 p. 404
图 3-19 估计蛋白质的分子量。蛋白质在 SDS 聚丙烯酰胺凝胶上的电泳迁移率与其分子量 M_r 相关。(a) 把已知分子量的标准蛋白质进行电泳(泳道 1)。这些标记蛋白可用来估计未知蛋白质的分子量(泳道 2)。(b) 以标记蛋白的 log M_r 对电泳时的相对迁移率作图得到一条直线,据此便可从图上读出未知蛋白质的分子量。
图注 · 图 3-19 估计蛋白质的分子量。蛋白质在 SDS 聚丙烯酰胺凝胶上的电泳迁移率与其分子量 M_r 相关。(a) 把已知分子量的标准蛋白质进行电泳(泳道 1)。这些标记蛋白可用来估计未知蛋白质的分子量(泳道 2)。(b) 以标记蛋白的 log M_r 对电泳时的相对迁移率作图得到一条直线,据此便可从图上读出未知蛋白质的分子量。
Caption · FIGURE 3-19 Estimating the molecular weight of a protein. The electrophoretic mobility of a protein on an SDS polyacrylamide gel is related to its molecular weight, Mr. (a) Standard proteins of known molecular weight are subjected to electrophoresis (lane 1). These marker proteins can be used to estimate the molecular weight of an unknown protein (lane 2). (b) A plot of log Mr of the marker proteins versus relative migration during electrophoresis is linear, which allows the molecular weight of the unknown protein to be read from the graph.
讲解 · 看图抓四点+一个考法: ①泳道 1 是**分子量标准(marker)**,教材给出的这一套是最经典的:肌球蛋白 200,000、β-半乳糖苷酶 116,250、糖原磷酸化酶 b 97,400、牛血清白蛋白 66,200、卵清蛋白 45,000、碳酸酐酶 31,000、大豆胰蛋白酶抑制剂 21,500、溶菌酶 14,400。 ②凝胶上端标 −(负极/阴极)、下端标 +(正极/阳极)——SDS 让所有蛋白带大量负电荷,因此**一律从负极向正极(自上而下)跑**,这是判断加样端的依据。 ③分子量越大的标准蛋白越靠上(跑得慢),越小的越靠下(跑得快);泳道 2 中的未知蛋白落在卵清蛋白 45,000 与碳酸酐酶 31,000 之间,故其 M_r 约 3.5 万~4 万。 ④(b) 图纵轴是 **log M_r**、横轴是**相对迁移率**,二者呈**直线**且**斜率为负**——考试常让你判断「下列哪条曲线正确」,务必记住是 log M_r 与相对迁移率成线性负相关,而不是 M_r 本身。 ⑤考法:给出标准曲线与未知蛋白的迁移距离,要求内插求 M_r;或问「为什么用 log M_r 而不是 M_r 作图」(因为凝胶的筛分作用使迁移率与 log M_r 近似线性)。
原理解读

【SDS-PAGE 的完整机理链——简答题按这四步写】 ① **SDS 是阴离子去污剂**(十二烷基硫酸钠,12 碳链+硫酸根),蛋白质大约结合其自身重量 1.4 倍的 SDS,接近每个氨基酸残基结合一分子 SDS(教材原文数据,常作填空题)。 ② 结合上去的**硫酸根带来大量净负电荷,使蛋白质本身固有的电荷变得微不足道**,于是所有蛋白质获得**相近的电荷/质量比**——迁移率公式 μ = Z/f 中的 Z 项被人为拉平。 ③ SDS 结合同时使蛋白质**部分去折叠**,多数变成相似的**棒状**,于是形状对摩擦系数 f 的影响也被拉平,f 只剩下与链长(质量)有关的部分。 ④ 结果:在 SDS 存在下电泳**几乎完全按质量(分子量)分离**,小的跑得快、靠近凝胶底部。 把 ①②③ 说成一句话就是「SDS 把 μ = Z/f 中的 Z 和形状因素都消掉,只留下质量」。 【一个中英差异,答题时注意口径】笔记在「疏水相互作用不同」一栏也列了 SDS-PAGE,并注明「SDS-PAGE 不是根据蛋白质本身的电荷差别,而是依据质量和表面疏水性不同分离」,还提示问答题里 SDS-PAGE 可以同时写在「大小」和「疏水性」两处举例中。Lehninger 的表述则是 almost exclusively on the basis of mass。两者不冲突:SDS 与蛋白质的结合本身就是疏水结合(十二烷基链插入疏水区),但**最终的分离依据**是质量。按国内教材答题时两处都写,但解释分离原理时一定要落到「电荷/质量比一致 ⇒ 按质量分离」。 【相对分子质量测定:考点四的重头】 ·**SDS-PAGE 法**:与已知分子量的标准蛋白(marker)比较迁移位置即可估算;定量做法是以 log M_r 对相对迁移率作图得直线,内插求未知蛋白。优点:快速、灵敏、样品量少;测得的是**亚基(多肽链)**的分子量。局限(教材未展开,按考研通用结论补充):糖蛋白、极端酸性/碱性蛋白、膜蛋白、含大量脯氨酸的伸展蛋白结合 SDS 的比例异常,结果偏差较大。 ·**加不加还原剂决定你测的是什么**:只加 SDS 时,链间二硫键仍在,以二硫键相连的多条链跑成一条带;加入 β-巯基乙醇或二硫苏糖醇(DTT)后二硫键被还原,才得到真正的单条多肽链。教材原句 If the protein has two or more different subunits, generally the subunits are separated by the SDS treatment 说的是**非共价结合的亚基**被 SDS 拆开。 ·**凝胶过滤法**(考点四表格里的另一行):测的是天然状态整个分子的大小;适用条件是标准蛋白与待测蛋白须为**形状相近的近球状**分子,线形或能与凝胶发生吸附的蛋白不适用;特点是对待测样品的**纯度要求低**。 ·笔记列出的其他方法:渗透压法、沉降平衡法、沉降速度法(超速离心)、光散射法、质谱法;此外还可根据化学组成(如每分子含一个 Fe 或一个特定氨基酸)推算**最低相对分子质量**。这一整串是选择/填空/简答的高频清单(★★)。 ·组合考法见 2b 的教材习题 12:凝胶过滤测「整体」400 kDa,SDS-PAGE 测「亚基」,加 DTT 后测「单链」,三者相互印证即可推出亚基数目与二硫键连接方式。

术语对照
  • 十二烷基硫酸钠sodium dodecyl sulfate (SDS)阴离子去污剂;结合量约为蛋白自重的 1.4 倍,近每残基一分子
  • 电荷/质量比charge-to-mass ratioSDS 使各蛋白趋于一致,从而按质量分离
  • 棒状构象rodlike shapeSDS 使蛋白部分去折叠,形状因素被拉平
  • 分子量标准(标记蛋白)Mr standards / marker proteins与未知蛋白同胶电泳作参比;log M_r 对相对迁移率成直线
  • 二硫苏糖醇dithiothreitol (DTT)还原链间/链内二硫键;决定测到的是亚基还是单链
  • 最低相对分子质量minimum molecular weight(教材未用此词)由化学组成(如金属或特定残基含量)推算

等电聚焦(IEF,★★):pH 梯度里的「自动归位」,兼测 pIIsoelectric Focusing

笔记 考点三 · 八、等电聚焦和双向电泳 · 1、等电聚焦(IEF)(★★;原理、用途、常用凝胶介质)笔记 考点三 · 一、分离依据「电荷不同」→ 等电聚焦
Original text

Isoelectric focusing is a procedure used to determine the isoelectric point (pI) of a protein (Fig. 3-20).

中文翻译

等电聚焦是一种用于测定蛋白质等电点(pI)的操作(图 3-20)。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Characterized by Electrophoresis · 教材 p. 406
Original text

When a protein mixture is applied, each protein migrates until it reaches the pH that matches its pI. Proteins with different isoelectric points are thus distributed differently throughout the gel.

中文翻译

当加入蛋白质混合物后,每一种蛋白质都不断迁移,直到到达与其 pI 相匹配的 pH 处为止。等电点不同的蛋白质因而分布在凝胶中的不同位置。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Characterized by Electrophoresis · 教材 p. 407
Original text

The amino and carboxyl groups of amino acids, along with the ionizable R groups of some amino acids, function as weak acids and bases. When an amino acid lacking an ionizable R group is dissolved in water at neutral pH, the α-amino and carboxyl groups create a dipolar ion, or zwitterion (German for “hybrid ion”), which can act as either an acid or a base (Fig. 3-9). Substances having this dual (acid-base) nature are amphoteric and are often called ampholytes (from “amphoteric electrolytes”).

中文翻译

氨基酸的氨基和羧基,连同某些氨基酸可解离的 R 基团,都起弱酸和弱碱的作用。当一个不含可解离 R 基团的氨基酸溶于中性 pH 的水中时,α-氨基和羧基形成一种偶极离子,即兼性离子(zwitterion,德语意为「杂合离子」),它既可以作为酸、也可以作为碱起作用(图 3-9)。具有这种酸碱双重性质的物质是两性的(amphoteric),常被称为两性电解质(ampholytes,源自 amphoteric electrolytes)。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Can Act as Acids and Bases · 教材 p. 372
图 3-20 等电聚焦。这一技术按照蛋白质的等电点把它们分开。把蛋白质混合物加到一条含有固相化 pH 梯度的凝胶条上;施加电场后,蛋白质进入凝胶并不断迁移,直到每一种都到达与其 pI 相等的 pH 处为止。记住:当 pH = pI 时,蛋白质的净电荷为零。
图注 · 图 3-20 等电聚焦。这一技术按照蛋白质的等电点把它们分开。把蛋白质混合物加到一条含有固相化 pH 梯度的凝胶条上;施加电场后,蛋白质进入凝胶并不断迁移,直到每一种都到达与其 pI 相等的 pH 处为止。记住:当 pH = pI 时,蛋白质的净电荷为零。
Caption · FIGURE 3-20 Isoelectric focusing. This technique separates proteins according to their isoelectric points. A protein mixture is placed on a gel strip containing an immobilized pH gradient. With an applied electric field, proteins enter the gel and migrate until each reaches a pH that is equivalent to its pI. Remember that when pH = pI, the net charge of a protein is zero.
讲解 · 看图抓四点: ①上半部分给出**两种建立 pH 梯度的做法**:把样品加到已经含有**固相化 pH 梯度(immobilized pH gradient, IPG)**的胶条一端;或者把溶在**两性电解质(ampholytes)**溶液中的样品用来重泡(rehydrate)干胶条。前者是现代商品化胶条,后者是经典载体两性电解质法——中文笔记讲的「在凝胶中加入两性电解质,电泳时不同组分分布在不同区域形成 pH 梯度」正是后者。 ②胶条左端标 −(阴极,pH 9)、右端标 +(阳极,pH 3):**碱性端在负极、酸性端在正极**,这是必须记住的方位(因为阳极产生 H⁺、阴极产生 OH⁻,梯度才能稳定)。中间箭头写着 Decreasing pI,即从左到右 pI 递减。 ③下半部分是电泳后的结果:染色后蛋白质按各自 pI 聚成一个个**很窄的**斑点。 ④考法:给出几个蛋白的 pI,问它们在胶条上从阴极到阳极的排列顺序(pI 由大到小);或问某蛋白加样点在中间、pI 为 8,它将往哪个方向跑(往碱性端即阴极方向,直到 pH = 8 处停下)。
原理解读

【原理(笔记第 1 问):三句话说透「聚焦」二字】 ① 先在凝胶(多为聚丙烯酰胺,也可用琼脂糖、葡聚糖凝胶)中建立一个**连续的 pH 梯度**:让一批低分子量的有机酸和有机碱(**两性电解质 ampholytes**)在电场作用下各自迁移到自身 pI 处并停住,从阳极到阴极形成由酸到碱的稳定梯度;现代做法则直接使用共价固定了缓冲基团的固相化 pH 梯度胶条。 ② 加入蛋白质混合物并通电,每一种蛋白质在其所处位置若 pH < pI 就带正电、往阴极(碱端)跑,若 pH > pI 就带负电、往阳极(酸端)跑; ③ 一旦到达 pH = pI 处,**净电荷变为零,电场不再驱动它,迁移停止**(这就是 b5c11 那句原文 they do not move in an electric field 的应用)。若因扩散偏离该点,立刻重新带电并被拉回来——这种**自我聚焦(focusing)效应**使条带极窄,分辨率可达 ΔpI ≈ 0.01,是分辨率最高的电泳技术之一。 【为什么是「两性电解质」在起作用】教材在第 3.1 节给出了 ampholyte 的定义:具有酸碱双重性质、既能作酸又能作碱的物质(氨基酸的兼性离子形式即典型代表)。等电聚焦所用的载体两性电解质是一批 pI 值密集分布、分子量很小的多氨基多羧酸混合物,它们本身也按 IEF 原理各归其位,从而**自动建立并维持 pH 梯度**。这条链条把考点一(兼性离子、两性电解质)与考点三(IEF)串了起来,是很好的综合题素材。 【用途与特点(笔记第 2、3 问)】 ·**主要用于测定蛋白质的等电点**:与已知 pI 的标准蛋白同时电泳,比较位置即可读出未知蛋白的 pI;教材开门见山就说 IEF is a procedure used to determine the isoelectric point。 ·同时也是**高分辨率的分离技术**,能分开 pI 仅差 0.01 的蛋白(如同工酶、糖基化程度不同的糖型)。 ·常用凝胶介质:**聚丙烯酰胺、琼脂糖和葡聚糖凝胶**。 ·局限(教材未涉及,按考研通用结论补充):在 pI 处蛋白质净电荷为零、溶解度最低,容易在聚焦点沉淀,因此常需加尿素、CHAPS 等增溶剂;不适合极端 pI 和难溶的膜蛋白。 【与 SDS-PAGE 的对比记忆】IEF 按 **pI(电荷性质)**分离、蛋白保持接近天然的解离状态、终点是「不动」;SDS-PAGE 按**质量**分离、蛋白已被变性、终点是「跑到相应位置」。两者依据完全正交——正因为如此,把它们串联起来就得到双向电泳(见下一节)。

术语对照
  • 等电聚焦isoelectric focusing (IEF)在 pH 梯度中按 pI 分离并测定 pI;★★
  • 两性电解质ampholytes既能作酸又能作碱;用于在凝胶中自动建立 pH 梯度
  • 兼性(偶极)离子zwitterionα-氨基与羧基同时电离、净电荷为零的形式
  • 固相化 pH 梯度immobilized pH gradient (IPG)图 3-20 中的现代胶条做法,梯度更稳定
  • 聚焦效应focusing effect(教材未用此词)偏离 pI 即重新带电被拉回,条带极窄、分辨率极高

双向电泳(★★):水平看 pI、垂直看分子量,蛋白质组学的经典地图Two-Dimensional Electrophoresis

笔记 考点三 · 八、等电聚焦和双向电泳 · 2、双向电泳(★★;定义、过程、用途)
Original text

Combining isoelectric focusing and SDS electrophoresis sequentially in a process called two-dimensional electrophoresis permits the resolution of complex mixtures of proteins (Fig. 321). This is a more sensitive analytical method than either electrophoretic method alone.

中文翻译

把等电聚焦与 SDS 电泳依次结合起来,这一过程称为双向电泳,它能够分辨复杂的蛋白质混合物(图 3-21)。这是一种比单独使用其中任何一种电泳方法都更灵敏的分析方法。

§3.3 Working with Proteins — Proteins Can Be Separated and Characterized by Electrophoresis · 教材 p. 407
Original text

FIGURE 3-21 Two-dimensional electrophoresis. Proteins are first separated by isoelectric focusing in a thin strip gel. The gel is then laid horizontally on a second, slab-shaped gel, and the proteins are separated by SDS polyacrylamide gel electrophoresis. Horizontal separation reflects differences in pI; vertical separation reflects differences in molecular weight. The original protein complement is thus spread in two dimensions. Thousands of cellular proteins can be resolved using this technique. Individual protein spots can be cut out of the gel and identified by mass spectrometry (see Figs 3-28 and 3-29).

中文翻译

图 3-21 双向电泳。蛋白质首先在一条薄胶条中用等电聚焦分离。随后把这条胶水平地铺在第二块板状凝胶上,用 SDS 聚丙烯酰胺凝胶电泳把蛋白质分开。水平方向的分离反映 pI 的差别,垂直方向的分离反映分子量的差别。原有的整套蛋白质因而被展开在二维平面上。用这一技术可以分辨出成千上万种细胞蛋白质。单个的蛋白质斑点可以从凝胶上切下来,用质谱加以鉴定(见图 3-28 和 3-29)。

§3.3 Working with Proteins — FIGURE 3-21 Two-dimensional electrophoresis · 教材 p. 410
Original text

Electrophoresis separates proteins on the basis of mass or charge for analytical purposes. SDS gel electrophoresis and isoelectric focusing can be used separately or in combination for higher resolution. All purification procedures require a method for quantifying or assaying the protein of interest in the presence of other proteins. Purification can be monitored by assaying specific activity.

中文翻译

电泳按质量或电荷分离蛋白质,用于分析目的。SDS 凝胶电泳和等电聚焦既可以单独使用,也可以联合使用以获得更高的分辨率。所有的纯化操作都需要有一种方法,能在其他蛋白质存在的情况下对目标蛋白进行定量或活性测定。纯化过程可以通过测定比活力来监测。

§3.3 Working with Proteins — SUMMARY 3.3 · 教材 p. 414
原理解读

【定义(名词解释按笔记原句)】双向电泳是指**等电聚焦(IEF)和随后的 SDS-PAGE 相结合**的分离技术。教材的措辞是 combining isoelectric focusing and SDS electrophoresis sequentially,注意 sequentially(依次、串联)这个词——两次电泳是先后进行、方向相互垂直的,不是同时。 【过程(三句话)】 ① 第一向:蛋白质在一条**薄胶条**上用 IEF 分离,按 pI 排成一列; ② 把这条胶条**水平地**铺在第二块**板状(slab)**凝胶的顶部; ③ 第二向:垂直方向做 SDS-PAGE,把每个 pI 位置上的蛋白再按分子量展开。 结果:**水平方向的分离反映 pI 差别,垂直方向的分离反映分子量差别**(教材图注原话,与中文笔记的高亮句完全一致,必背)。原本一维的一条条带被展开成二维平面上的一个个斑点,可分辨成千上万种细胞蛋白质。 【为什么分辨率如此高:两个依据必须正交】IEF 依据 pI,SDS-PAGE 依据分子量,二者互不相关(正交)。因此双向电泳能分开两类单一方法无能为力的蛋白: ·**分子量相同而 pI 不同**的蛋白(在 SDS-PAGE 上重叠成一条带,但在 IEF 方向分开)——例如同一蛋白的磷酸化/糖基化修饰形式,磷酸化增加负电荷使 pI 左移,在 2-DE 图上表现为一串水平排开的「珍珠链」斑点; ·**pI 相近而分子量不同**的蛋白(在 IEF 上重叠,但在 SDS 方向分开)。 教材紧接图注后的正文也点明它 separates proteins of identical molecular weight that differ in pI, or proteins with similar pI values but different molecular weights(该句在教材中跨页断开,故此处不作逐字引用,仅转述)。 【用途:通往蛋白质组学】教材图注给出了完整的下游链条:**单个蛋白斑点可以从胶上切下来,用质谱鉴定**(图 3-28 电喷雾质谱、3-29 串联质谱)。这正是蛋白质组(proteome)研究的经典路线:2-DE 分离 → 切点 → 胶内酶解 → MS/MS 鉴定 → 数据库检索。比较不同状态(正常/病变、给药前后)的 2-DE 图谱可以发现差异表达蛋白,进而寻找标志物。 【局限(教材未涉及,按考研通用结论补充)】①极酸/极碱蛋白、极大或极小的蛋白难以覆盖;②**膜蛋白**疏水性强,在 IEF 的等电点处易沉淀,检出困难;③低丰度蛋白被高丰度蛋白掩盖,动态范围有限;④重复性受操作影响较大。现代蛋白质组学因此更多采用「鸟枪法」液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)。 【常见考法】①名词解释「双向电泳」;②填空「双向电泳第一向依据____、第二向依据____」(pI;分子量);③简答「双向电泳能分离哪些用单一方法分不开的蛋白」——按上面两类作答;④综合题:给一张 2-DE 图,问某一串水平排列的斑点说明什么(同一蛋白的不同翻译后修饰形式)。

术语对照
  • 双向电泳two-dimensional electrophoresis (2-DE)IEF+SDS-PAGE 串联;★★,名词解释必备
  • 第一向 / 第二向first dimension / second dimension水平=pI 差别;垂直=分子量差别
  • 胶条 / 板状凝胶strip gel / slab gelIEF 在薄胶条上进行,随后水平铺到板胶顶部
  • 蛋白质组proteome2-DE 切点+质谱鉴定是经典蛋白质组学路线
  • 质谱mass spectrometry教材图注指向图 3-28/3-29;用于鉴定切下的蛋白斑点

SDS-PAGE 测分子量:把「质量」变成唯一变量SDS-PAGE: Turning Every Polypeptide into a Mass-Only Variable

笔记 考点四:蛋白质相对分子质量的测定
原理解读

【先想清楚电泳本来在测什么】 普通(非变性)电泳里,一个蛋白跑得快不快,同时被三件事决定:净电荷 Z、分子大小、以及分子形状(通过摩擦系数 f 起作用)。三个变量纠缠在一起,你从条带位置什么也算不出来。SDS-PAGE 的全部技巧,就是用一种去污剂把前两个干扰项按死,只留质量。

Original text

The electrophoretic mobility, μ, of a molecule is the ratio of its velocity, V, to the electrical potential. Electrophoretic mobility is also equal to the net charge, Z, of the molecule divided by the frictional coefficient, f, which reflects in part a protein’s shape.

中文翻译

分子的电泳迁移率 μ 是其速度 V 与电位的比值。电泳迁移率也等于分子的净电荷 Z 除以摩擦系数 f,而 f 在一定程度上反映了蛋白质的形状。

§3.3 Proteins Can Be Separated and Characterized by Electrophoresis · 教材 p. 403
原理解读

【μ = Z/f 是整个考点的总纲】 把这个式子记牢,考点四里几乎所有「适用条件」和「偏差」都能从它推出来: ① 想让迁移率只反映质量 → 必须让 Z 与质量成正比(SDS 提供负电荷),并让 f 只随质量变(SDS 使蛋白展开成同样的棒状); ② 凝胶过滤同理——它读的是流体力学体积,所以标准品与待测蛋白形状必须接近,否则 f 这一项就把结果带偏; ③ 沉降速度法之所以「偏差较大」,也正是因为沉降速率里同时含有大小、形状、密度、溶液黏度好几项。

Original text

The electrophoretic method commonly employed for estimation of purity and molecular weight makes use of the detergent sodium dodecyl sulfate (SDS) (“dodecyl” denoting a 12-carbon chain). A protein will bind about 1.4 times its weight of SDS, nearly one molecule of SDS for each amino acid residue.

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常用于估计纯度和分子量的电泳方法要借助去污剂十二烷基硫酸钠(SDS)("dodecyl"指十二碳链)。一个蛋白质大约结合相当于自身重量 1.4 倍的 SDS,接近每个氨基酸残基结合一个 SDS 分子。

§3.3 Proteins Can Be Separated and Characterized by Electrophoresis · 教材 p. 404
原理解读

【一个必须留意的数字差异】 笔记写「约每两个氨基酸结合一个 SDS 分子」,Lehninger 8e 写的是 **1.4 g SDS / g 蛋白,接近每个氨基酸残基结合一个 SDS**。两者其实是同一件事的两种换算口径:残基平均分子量约 110,SDS 分子量 288,若真按 1∶1(残基∶SDS)计算,结合比应为 288/110 ≈ 2.6 g/g,而实测是 1.4 g/g,正好约合每 2 个残基 1 个 SDS。所以「1.4 倍重量」和「每两个氨基酸一个 SDS」是自洽的,Lehninger 的"nearly one molecule of SDS for each amino acid residue"是取整后的粗略说法。考试按国内教材写「每 2 个氨基酸残基结合 1 个 SDS」不会错,但要知道教材原文给的定量指标是 **1.4 倍重量**。

Original text

In addition, SDS binding partially unfolds proteins, such that most SDS-bound proteins assume a similar rodlike shape. Electrophoresis in the presence of SDS therefore separates proteins almost exclusively on the basis of mass (molecular weight), with smaller polypeptides migrating more rapidly. After electrophoresis, the proteins are visualized by adding a dye such as Coomassie blue, which binds to proteins but not to the gel itself (Fig. 3-18b).

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此外,SDS 的结合会使蛋白质部分去折叠,因而大多数结合了 SDS 的蛋白质都呈现出相似的棒状形状。所以,在 SDS 存在下的电泳几乎完全按质量(分子量)分离蛋白质,较小的多肽迁移得更快。电泳结束后,加入考马斯亮蓝一类的染料使蛋白质显色,这类染料结合蛋白质而不结合凝胶本身。

§3.3 Proteins Can Be Separated and Characterized by Electrophoresis · 教材 p. 405
原理解读

【SDS 的两个作用,正是名词解释的得分点】 ① **掩盖电荷差异**:结合的硫酸根带入大量负电荷,使蛋白质自身的固有电荷变得"无关紧要"(insignificant),每个蛋白获得几乎相同的电荷/质量比 → μ = Z/f 中的 Z ∝ 质量; ② **消除形状差异**:SDS 使蛋白部分去折叠成相似的棒状 → f 也只随链长变化。 再加上巯基乙醇/巯基苏糖醇(DTT)打开二硫键,寡聚蛋白解离成单条多肽链——注意 SDS 本身不还原二硫键,这一步是还原剂做的,笔记里把两件事并列写是对的。 于是电泳「几乎完全基于亚基的分子质量」分离蛋白——**请特别注意「亚基」二字**:SDS-PAGE 测到的是亚基分子量,不是天然蛋白的分子量。

Original text

Thus, a researcher can monitor the progress of a protein purification procedure as the number of protein bands visible on the gel decreases after each new fractionation step. When compared with the positions to which proteins of known molecular weight migrate in the gel, the position of an unidentified protein can provide a good approximation of its molecular weight (Fig. 3-19). If the protein has two or more different subunits, generally the subunits are separated by the SDS treatment, and a separate band appears for each.

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因此,研究者可以通过凝胶上可见蛋白条带数目在每一步分级分离后的减少,来监测蛋白质纯化的进程。把未知蛋白的位置与已知分子量的蛋白在凝胶中迁移到的位置相比较,就能对其分子量给出很好的近似(图 3-19)。如果该蛋白含有两种或更多不同的亚基,一般来说这些亚基会被 SDS 处理分开,每一种亚基各出现一条独立的条带。

§3.3 Proteins Can Be Separated and Characterized by Electrophoresis · 教材 p. 405
图 3-19 蛋白质分子量的估计。(a) 泳道 1 是已知分子量的标准蛋白(肌球蛋白 200,000 到溶菌酶 14,400),泳道 2 是未知蛋白;(b) 以标准蛋白的 log Mr 对相对迁移率作图得到一条直线,未知蛋白的分子量由此内插读出。
图注 · 图 3-19 蛋白质分子量的估计。(a) 泳道 1 是已知分子量的标准蛋白(肌球蛋白 200,000 到溶菌酶 14,400),泳道 2 是未知蛋白;(b) 以标准蛋白的 log Mr 对相对迁移率作图得到一条直线,未知蛋白的分子量由此内插读出。
Caption · FIGURE 3-19 Estimating the molecular weight of a protein. (a) Standard proteins of known molecular weight are subjected to electrophoresis (lane 1); these markers are used to estimate the molecular weight of an unknown protein (lane 2). (b) A plot of log Mr versus relative migration is linear.
讲解 · 这张图就是 SDS-PAGE 测分子量的全部操作:**log Mr 对相对迁移率呈线性**,未知样按迁移位置在标准曲线上内插。注意三点考试细节:①纵坐标是 log Mr 而不是 Mr,所以标准品要覆盖待测样品的分子量范围,外推不可靠;②图中未知蛋白落在卵清蛋白(45,000)与碳酸酐酶(31,000)之间,读出约 36,000–38,000——这就是「约 10% 偏差」的来源,读数本身是内插估计;③标准品清单(肌球蛋白 200,000、β-半乳糖苷酶 116,250、糖原磷酸化酶 b 97,400、牛血清白蛋白 66,200、卵清蛋白 45,000、碳酸酐酶 31,000、大豆胰蛋白酶抑制剂 21,500、溶菌酶 14,400)是标准 Marker,选择题里出现过。
原理解读

【为什么 SDS-PAGE 会有约 10% 的偏差(笔记的「特点」栏)】 Lehninger 的措辞很讲究:"a good **approximation** of its molecular weight"——是好的近似,不是精确值。偏差来源: ① SDS 结合量并非对所有蛋白都严格是 1.4 g/g。**亲水/疏水基团比例不同 → SDS 结合量不同 → 电荷/质量比不再一致**(笔记「适用条件」栏说的就是这件事); ② 高度糖基化的蛋白(糖链不结合 SDS)会跑得比真实分子量慢,表观分子量偏大; ③ 富含脯氨酸或极端酸性的蛋白难以完全展开成标准棒状,f 偏离; ④ log Mr–迁移率的线性只在凝胶的一定分离范围内成立。 所以国内教材写「偏差较大(约 10%)」,与 Lehninger 的"approximation"是同一个意思。

术语对照
  • 十二烷基硫酸钠sodium dodecyl sulfate (SDS)阴离子去污剂,十二碳链;结合量约 1.4 g/g 蛋白
  • 电泳迁移率electrophoretic mobility, μμ = V/E = Z/f;Z 为净电荷,f 为摩擦系数(含形状信息)
  • 相对分子质量molecular weight, Mr教材统一写 Mr,无量纲;SDS-PAGE 测得的是亚基的 Mr
  • 考马斯亮蓝Coomassie blue只结合蛋白不结合凝胶;既是 SDS-PAGE 显色剂,也是 Bradford 法的染料
  • 分子筛molecular sieve聚丙烯酰胺凝胶的作用,按电荷/质量比减慢迁移

凝胶过滤(分子排阻)测分子量:读的是「天然状态」的分子量Size-Exclusion Chromatography: Reading the Native, Folded Mass

笔记 考点四:蛋白质相对分子质量的测定
Original text

In this method, large proteins emerge from the column sooner than small ones — a somewhat counterintuitive result. The solid phase consists of cross-linked polymer beads with engineered pores or cavities of a particular size. Large proteins cannot enter the cavities and so take a shorter (and more rapid) path through the column, around the beads. Small proteins enter the cavities and are slowed by their more labyrinthine path through the column. Size-exclusion chromatography can also be used to approximate the size of a protein being purified, using methods similar to those described in Figure 3-19.

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在这一方法中,大蛋白比小蛋白更早流出层析柱——这个结果多少有些反直觉。固定相由交联的聚合物微球构成,微球上有特定大小的孔道或空腔。大蛋白无法进入这些空腔,因而绕过微球走了一条较短(也更快)的路径穿过柱子;小蛋白进入空腔,被迫走一条更曲折的路径,因而被减慢。分子排阻层析也可以用来近似测定正在纯化的蛋白质的大小,所用方法与图 3-19 描述的类似。

§3.3 Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 399
原理解读

【凝胶过滤为什么「大的先出来」】 关键是**两条路径**:大分子进不了微球内部的孔道,只能在微球之间的间隙里走(外水体积 V₀),路程短、流速快,先洗脱;小分子能钻进孔道,路程被拉长(迷宫式路径),后洗脱。所以洗脱体积 Ve 随分子大小增大而减小。 注意这是**分子筛效应**,与离子交换、亲和层析的「吸附—洗脱」机制完全不同:理想的凝胶过滤中蛋白与介质**不发生相互作用**——这一条恰恰是它测分子量时最脆弱的假设(见下)。

Original text

FIGURE 3-19 Estimating the molecular weight of a protein. The electrophoretic mobility of a protein on an SDS polyacrylamide gel is related to its molecular weight, Mr. (a) Standard proteins of known molecular weight are subjected to electrophoresis (lane 1). These marker proteins can be used to estimate the molecular weight of an unknown protein (lane 2). (b) A plot of log Mr of the marker proteins versus relative migration during electrophoresis is linear, which allows the molecular weight of the unknown protein to be read from the graph. (In similar fashion, a set of standard proteins with reproducible retention times on a size-exclusion column can be used to create a standard curve of retention time versus log Mr. The retention time of an unknown substance on the column can be compared with this standard curve to obtain an approximate Mr.)

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图 3-19 蛋白质分子量的估计。蛋白质在 SDS 聚丙烯酰胺凝胶上的电泳迁移率与其分子量 Mr 相关。(a) 已知分子量的标准蛋白进行电泳(泳道 1),这些标记蛋白可用来估计未知蛋白的分子量(泳道 2)。(b) 以标准蛋白的 log Mr 对电泳中的相对迁移率作图是线性的,从而可以从图上读出未知蛋白的分子量。(同理,一组在分子排阻柱上具有可重复保留时间的标准蛋白可以用来制作保留时间对 log Mr 的标准曲线;未知物质在该柱上的保留时间与此标准曲线比较,即可得到近似的 Mr。)

§3.3 图 3-19 图注 · 教材 p. 406
原理解读

【这条图注是把 SDS-PAGE 与凝胶过滤打通的关键句】 括号里那一句明确说:凝胶过滤测分子量的做法与 SDS-PAGE **完全同构**——都是「标准品 → 标准曲线 → 未知样内插」。差别只在横坐标: · SDS-PAGE:**相对迁移率**(Rf)对 log Mr; · 凝胶过滤:**保留时间/洗脱体积**对 log Mr。 所以两者的共同弱点也一样:**结果的可靠性完全取决于标准品与待测样品是否同类**。

原理解读

【为什么标准品必须是「近似球状」——笔记「适用条件」栏的原理】 回到 μ = Z/f 里的 f:凝胶过滤分离依据的其实不是分子量,而是**流体力学半径(Stokes 半径)**。同样 50 kDa 的蛋白,若是球状,Stokes 半径小;若是纤维状/线形(如胶原、原肌球蛋白),Stokes 半径会大得多,于是它像一个远大于自身质量的球那样被排阻,**表观分子量严重偏大**。所以: ① 标准蛋白与待测蛋白都要是近似球状,两条曲线才可比 → 笔记「标准蛋白和待测蛋白需有相似的接近球状的分子形状可用」; ② **线形蛋白不可用**; ③ **能与凝胶介质发生吸附(离子性或疏水性相互作用)的蛋白也不可用**——一旦吸附,洗脱被额外延迟,表观分子量偏小,分子筛假设直接失效。 ④ 反过来,凝胶过滤对样品纯度要求低(混合物也能上样,各组分分别按体积洗脱),这就是笔记「特点」栏写「待测样品纯度要求低」的原因。

Original text

Chromatographic methods are typically enhanced by the use of HPLC, or high-performance liquid chromatography. HPLC makes use of high-pressure pumps that speed the movement of the protein molecules down the column; it also uses higherquality chromatographic materials that can withstand the crushing force of the pressurized flow. By reducing the transit time on the column, HPLC can limit diffusional spreading of protein bands and thus can greatly improve resolution.

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各种层析方法通常都可以借助 HPLC(高效液相层析)而得到加强。HPLC 使用高压泵加快蛋白质分子沿柱下行的移动;它还使用能承受加压流冲击的更高质量的层析介质。通过缩短在柱上的停留时间,HPLC 可以限制蛋白质谱带的扩散展宽,从而大大提高分辨率。

§3.3 Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 400
原理解读

【HPLC 为什么让凝胶过滤测分子量更可信】 凝胶过滤测 Mr 的读数是**洗脱体积/保留时间**,读数越锐利、越可重复,内插出的 Mr 越准。常压柱上蛋白谱带因扩散而展宽,峰又宽又拖尾,保留时间不好定;HPLC 用高压泵缩短停留时间,**扩散来不及发生**,峰变窄、分辨率大幅提高。所以现代实验室做分子筛测分子量普遍用 SEC-HPLC(分子排阻高效液相),标准曲线的重复性也正是图 3-19 图注里"reproducible retention times"这个限定词的现实基础。 顺带记住:HPLC 不是一种新的分离原理,而是离子交换、分子排阻、吸附、分配等各类层析的**高压高效版本**——笔记说它是「层析技术的发展新阶段」,与教材"Chromatographic methods are typically enhanced by the use of HPLC"完全一致。

原理解读

【最要命的一条对比:SDS-PAGE 与凝胶过滤测出来的不是同一个东西】 · **SDS-PAGE**:变性 + 还原 → 寡聚蛋白已解离,测的是**亚基**的分子量; · **凝胶过滤**:非变性条件 → 天然构象、亚基缔合状态保留,测的是**天然分子(含全部亚基)**的分子量。 所以经典判定题:某蛋白凝胶过滤测得 Mr ≈ 240,000,SDS-PAGE 只见一条 60,000 的带 → 该蛋白是由 4 个相同亚基组成的四聚体。这类题是把两种方法放在一起考的标准套路,务必会推。

术语对照
  • 分子排阻层析 / 凝胶过滤size-exclusion chromatography / gel filtration教材两个名字并用;大分子先流出
  • 流体力学半径(Stokes 半径)hydrodynamic (Stokes) radius凝胶过滤真正分离的依据;形状偏离球状即失真
  • 标准曲线standard curve保留时间(或 Rf)对 log Mr 作图,未知样内插
  • 亚基subunitSDS-PAGE 测亚基 Mr;凝胶过滤测天然聚合体 Mr

质谱法测分子量:直接量 m/z,精度可分辨单个质子Mass Spectrometry: Measuring m/z Directly, to Within a Single Proton

笔记 考点四:蛋白质相对分子质量的测定
Original text

Mass spectrometry can provide a highly accurate measure of the molecular mass of a protein, readily distinguishing between single proton differences.

中文翻译

质谱能对蛋白质的分子质量给出高度精确的测定,可以轻易分辨单个质子的差别。

§3.4 Mass Spectrometry Provides Information on Molecular Mass, Amino Acid Sequence, and Entire Proteomes · 教材 p. 425
原理解读

【先把精度这件事定量化】 "single proton differences"是极强的说法:一个质子约 1 Da。对一个 47,000 Da 的蛋白,分辨 1 Da 相当于相对误差 **1/47,000 ≈ 0.002%**。这正好落在笔记写的「精确度达 0.001%~0.1%」区间里,也就解释了为什么质谱「远高于凝胶过滤法和 SDS-PAGE 法」——后两者是标准曲线内插的估计值(约 10% 量级),质谱是**直接测量**。 另外要理解质谱为什么能这么准:它不依赖任何标准曲线,也不依赖蛋白的形状、电荷、结合量,只依赖离子在电磁场中的运动方程。

Original text

In 1988, two different techniques were introduced to permit transfer of macromolecules to the gas phase while limiting decomposition; these new capabilities revolutionized protein sequencing. In one technique, proteins are placed in a light-absorbing matrix. With a short pulse of laser light, the proteins are ionized and then desorbed from the matrix into the vacuum system. This process, known as matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry, or MALDI MS, is used to measure the mass of macromolecules.

中文翻译

1988 年引入了两种不同的技术,可以在限制分解的前提下把大分子转移到气相;这些新能力彻底改变了蛋白质测序。第一种技术把蛋白质置于一种吸光基质中,用一个短脉冲激光使蛋白质电离并从基质上解吸进入真空系统。这一过程称为基质辅助激光解吸电离质谱(MALDI MS),用于测定大分子的质量。

§3.4 Mass Spectrometry Provides Information on Molecular Mass, Amino Acid Sequence, and Entire Proteomes · 教材 p. 426
原理解读

【为什么 1988 年是分水岭——「可测 40 万道尔顿」的由来】 质谱的 m/z 测量必须在**气相**中进行,而蛋白质是不挥发的大分子,一加热就分解。1988 年 MALDI 与 ESI 两种「软电离」技术解决了这个问题:**在把大分子送进气相的同时限制其分解**。这就是笔记里「可测定相对分子质量高达 400000 的生物大分子」这一条的技术前提。 注意区分两条线: · **电离方式**(怎么把蛋白变成气相离子):MALDI(激光 + 吸光基质)、ESI(高压带电针喷雾); · **质量分析器**(怎么量 m/z):TOF(飞行时间)、Orbitrap(轨道阱)。 所以「MALDI-TOF」是「电离方式 + 分析器」的组合名,不是一种东西——这是选择题常设的坑。

Original text

A solution of analytes is passed through a charged needle that is kept at a high electrical potential, dispersing the solution into a fine mist of charged microdroplets. The solvent surrounding the macromolecules rapidly evaporates, leaving multiply charged macromolecular ions in the gas phase. This technique is called electrospray ionization mass spectrometry, or ESI MS. Protons added during passage through the needle give additional charge to the macromolecule. The m/z of the molecule can then be analyzed in the vacuum chamber. One method for analyzing m/z is called time of flight or TOF, in which ion acceleration in an electric field depends on m/z. A newer, moreefficient method is the Orbitrap, in which ions are trapped in orbit between an outer barrel-shaped electrode and an inner spindle electrode.

中文翻译

被分析物的溶液通过一根维持在高电位的带电针头,溶液被分散成带电微液滴的细雾。围绕大分子的溶剂迅速蒸发,留下气相中带多个电荷的大分子离子。这一技术称为电喷雾电离质谱(ESI MS)。通过针头时加上的质子给大分子带来额外的电荷。分子的 m/z 随后可在真空腔中被分析。分析 m/z 的一种方法称为飞行时间(TOF),其中离子在电场中的加速取决于 m/z。一种更新、效率更高的方法是轨道阱(Orbitrap),离子被囚禁在外部桶状电极与内部纺锤状电极之间的轨道上运行。

§3.4 Mass Spectrometry Provides Information on Molecular Mass, Amino Acid Sequence, and Entire Proteomes · 教材 p. 427
Original text

The process for determining the molecular mass of a protein with ESI MS is illustrated in Figure 3-28. As a protein is injected into the gas phase, it acquires a variable number of protons, and thus positive charges, from the solvent. The variable addition of these charges creates a spectrum of species with different mass-tocharge ratios. Each successive peak corresponds to a species that differs from that of its neighboring peak by a charge of 1 and a mass of 1 (one proton). The mass of the protein can be determined from any two neighboring peaks.

中文翻译

用 ESI MS 测定蛋白质分子质量的过程如图 3-28 所示。当蛋白质被注入气相时,它会从溶剂获得数目不等的质子,因而带上数目不等的正电荷。这些电荷的不定量加成产生了一系列具有不同质荷比的谱峰。每一个相邻峰之间相差一个电荷和一个质量单位(一个质子)。蛋白质的质量可以由任意两个相邻峰确定。

§3.4 Mass Spectrometry Provides Information on Molecular Mass, Amino Acid Sequence, and Entire Proteomes · 教材 p. 427
图 3-28 蛋白质的电喷雾电离质谱。(a) 蛋白质溶液在高压电场作用下通过针头,被分散成高度带电的液滴;液滴蒸发后,离子进入质谱仪测定 m/z。(b) 生成的谱是一族峰,每一个相继的峰对应质量与电荷都增加 1 的带电物种;插图是该谱经计算机转换后的结果,给出 Mr = 47,342。
图注 · 图 3-28 蛋白质的电喷雾电离质谱。(a) 蛋白质溶液在高压电场作用下通过针头,被分散成高度带电的液滴;液滴蒸发后,离子进入质谱仪测定 m/z。(b) 生成的谱是一族峰,每一个相继的峰对应质量与电荷都增加 1 的带电物种;插图是该谱经计算机转换后的结果,给出 Mr = 47,342。
Caption · FIGURE 3-28 Electrospray ionization mass spectrometry of a protein. (a) A protein solution is dispersed into highly charged droplets by passage through a needle under the influence of a high-voltage electric field. The droplets evaporate, and the ions enter the mass spectrometer for m/z measurement. (b) The spectrum generated is a family of peaks, with each successive peak corresponding to a charged species with both mass and charge increased by 1.
讲解 · 这张图把「质谱怎么算出分子量」讲完了。原始谱(下方大图)横坐标是 m/z 800–1700,看到的是几十个密集的峰,分别对应带 30+、40+、50+ 电荷的同一个蛋白——**一个蛋白因带电数不同而给出一族峰**。设相邻两峰的 m/z 分别为 X₁(电荷 n+1)和 X₂(电荷 n),因每峰相差 1 个质子(质量 1、电荷 1),联立两个方程即可同时解出 n 和 M,这就是原文「任意两个相邻峰即可确定质量」的含义。右上角插图是把整族峰做去卷积后的结果:**Mr = 47,342**——注意它精确到个位,这就是「精度 0.001%~0.1%」的直观体现,和 SDS-PAGE 只能读出「约 36,000」形成鲜明对照。
原理解读

【考研可能追问:质谱还能干什么(超出「测分子量」)】 教材把质谱的能力分三层,答简答题时按层次写最完整: ① **测分子质量**(本考点):MALDI/ESI + TOF/Orbitrap,精确到单质子; ② **测序列**:串联质谱 MS/MS——先用胰蛋白酶把蛋白水解成短肽,第一级质量过滤器选出一种肽,在碰撞室里用氦或氩「碰撞气」把它打断(多数断在肽键处),第二级质量过滤器测所有碎片的 m/z;同一系列相邻峰的**质量差就是丢掉的那个氨基酸**,序列由此读出。唯一无法区分的是**亮氨酸与异亮氨酸**(质量相同); ③ **测蛋白质组**:LC-MS/MS 把液相色谱整合进仪器,酵母的整个蛋白质组可在**一小时内**分析完成,并因常见蛋白产生更多肽段而同时给出**丰度**信息。 (第 ② 层的详细机制已在生化第二章「质谱」一节讲过,这里只需知道它与「测分子量」是同一台仪器的两种用法。)

术语对照
  • 质荷比mass-to-charge ratio, m/z质谱唯一直接测量的量
  • 基质辅助激光解吸电离MALDI MS蛋白置于吸光基质中,激光脉冲电离并解吸入真空
  • 电喷雾电离ESI MS高压带电针喷雾成微液滴,溶剂蒸发留下多电荷气相离子
  • 飞行时间分析器time of flight, TOF离子在电场中的加速取决于 m/z
  • 轨道阱Orbitrap更新、效率更高;离子在桶状外电极与纺锤状内电极间的轨道上运行
  • 串联质谱tandem MS (MS/MS)两级质量过滤器 + 碰撞室;用于测序,Leu/Ile 无法区分

教材给了什么、没给什么:化学组成估算、亚基与沉降法的诚实交代What Lehninger Does and Does Not Say: Composition-Based Estimates, Subunits, and Sedimentation

笔记 考点四:蛋白质相对分子质量的测定
Original text

No generalizations can be made about the molecular weights of biologically active peptides and proteins in relation to their functions. Naturally occurring peptides range in length from two to many thousands of amino acid residues. Even the smallest peptides can have biologically important effects.

中文翻译

关于具有生物活性的肽和蛋白质的分子量与其功能之间的关系,无法作出任何一般性的概括。天然存在的肽长度从 2 个到数千个氨基酸残基不等。即使是最小的肽也可以具有重要的生物学效应。

§3.2 Biologically Active Peptides and Polypeptides Occur in a Vast Range of Sizes and Compositions · 教材 p. 384
Original text

We can estimate the number of amino acid residues in a simple protein containing no other chemical constituents by dividing its molecular weight by 110. Although the average molecular weight of the 20 common amino acids is about 138, the smaller amino acids predominate in most proteins. If we take into account the proportions in which the various amino acids occur in an average protein (Table 3-1; the averages are determined by surveying the amino acid compositions of more than 1,000 different proteins), the average molecular weight of protein amino acids is nearer to 128. Because a molecule of water (Mr 18) is removed to create each peptide bond, the average molecular weight of an amino acid residue in a protein is about 128 − 18 = 110.

中文翻译

对于不含其他化学成分的简单蛋白质,我们可以用其分子量除以 110 来估算氨基酸残基数目。虽然 20 种常见氨基酸的平均分子量约为 138,但在大多数蛋白质中占优势的是较小的氨基酸。如果考虑各种氨基酸在一个「平均蛋白质」中出现的比例(表 3-1;这些平均值是通过考察一千多种不同蛋白质的氨基酸组成得出的),蛋白质氨基酸的平均分子量更接近 128。由于每形成一个肽键都要脱去一分子水(Mr 18),蛋白质中一个氨基酸残基的平均分子量约为 128 − 18 = 110。

§3.2 Some Proteins Contain Chemical Groups Other Than Amino Acids · 教材 p. 389
原理解读

【「根据化学组成推定分子量」在 Lehninger 里的样子】 笔记末句写「根据化学组成可以推定最低相对分子质量」。Lehninger 8e **没有**专门讲国内教材的「最低分子量法」(即测某种稀有元素或氨基酸的百分含量,用 元素原子量/百分含量×100 求最低分子量),但它给了同一逻辑的另一面:**残基平均分子量 110** 这个常数。 · 正着用:Mr ÷ 110 ≈ 残基数(教材原文的用法); · 倒着用:残基数 × 110 ≈ Mr——已知氨基酸序列(今天绝大多数序列来自基因组),分子量可以**直接算出来**而不用测。 关于「最低分子量法」:**Lehninger 未收录此法,此处按考研通用结论补充**——若某蛋白含 Fe 0.335%(质量分数),则最低 Mr = 55.85 ÷ 0.335% ≈ 16,670(肌红蛋白,每分子含 1 个 Fe);若实测分子量是最低分子量的 n 倍,则每分子含 n 个该原子(血红蛋白 ≈ 4 倍,含 4 个血红素)。这套算法的教材依据只在「结合蛋白含辅基、辅基常含特定金属」这一层,具体公式教材未给,答题时不要引用为 Lehninger 原文。

Original text

Hemoglobin, for example, has four polypeptide subunits: two identical α chains and two identical β chains, all four held together by noncovalent interactions. Each α subunit is paired in an identical way with a β subunit within the structure of this multisubunit protein, so that hemoglobin can be considered either a tetramer of four polypeptide subunits or a dimer of αβ protomers.

中文翻译

例如,血红蛋白有四个多肽亚基:两条相同的 α 链和两条相同的 β 链,四者靠非共价相互作用结合在一起。在这个多亚基蛋白的结构中,每个 α 亚基都以相同的方式与一个 β 亚基配对,因此血红蛋白既可以看作四个多肽亚基组成的四聚体,也可以看作两个 αβ 原体组成的二聚体。

§3.2 Biologically Active Peptides and Polypeptides Occur in a Vast Range of Sizes and Compositions · 教材 p. 387
原理解读

【亚基是「分子量测定」题的隐藏考点】 血红蛋白这个例子回答了一个常考的问题:**同一个蛋白,用不同方法测到的分子量为什么不一样?** · 亚基靠**非共价相互作用**结合 → SDS 一加,四聚体散成 α、β 两种链,SDS-PAGE 只能看到 ~16,000 的带; · 凝胶过滤在非变性条件下做 → 测到完整四聚体的 ~64,500。 再对照教材的另一句提示:胰岛素的两条链是**共价(二硫键)**连接的,因此不叫亚基而叫「链」——这时若不加还原剂,SDS-PAGE 仍会把两条链当作一个整体跑。 **结论(也是笔记最后一行的「必要不充分条件」):任何单独一种方法测出的分子量都只是某种特定条件下的表观值。** 要给出可靠结论,必须至少把「变性/非变性」「还原/不还原」两组条件组合起来做。

原理解读

【关于沉降法(超速离心):Lehninger 8e 的真实情况】 笔记把「沉降平衡、沉降速度」列为测分子量的物理化学方法。查证结果:**Lehninger 8e 第 3 章没有分析型超速离心测蛋白质分子量的章节**,全书搜索「sedimentation coefficient / Svedberg / ultracentrifugation」只出现在: · 第 27 章(核糖体 30S/50S/70S、80S 的 S 值); · 第 17、21 章(脂蛋白按密度超速离心分级); · 书末术语表(sedimentation coefficient:在规定条件下、离心场中颗粒沉降速率的物理常数;Svedberg 单位 S)。 因此**沉降系数与沉降速度法在本章无原文可引**,以下按考研通用结论补充: · 沉降系数 s = v/ω²r(单位沉降速度/单位离心力场),1 S = 10⁻¹³ s; · **s 不与分子量成正比**——沉降速率同时取决于分子大小、形状、密度、溶液密度与黏度(这正是笔记「适用条件」栏的原话),所以 30S + 50S 会拼成 70S 而不是 80S; · 因为多变量纠缠,沉降速度法测分子量「偏差较大」;沉降平衡法(在平衡状态下不含摩擦系数项)理论上更准,但耗时长。 答题时可以把 μ = Z/f 的思路迁移过来讲:**凡是测量量里同时含有「形状/摩擦」项的方法,测分子量都不准**——SDS-PAGE 用去污剂把形状项抹平,凝胶过滤没抹平(所以要求球状),沉降速度法也没抹平(所以偏差大),质谱则根本不涉及形状(所以最准)。

术语对照
  • 残基平均分子量 110average residue Mr ≈ 110128(平均氨基酸)− 18(脱水);Mr ÷ 110 ≈ 残基数
  • 原体protomer多亚基蛋白中重复的结构单位,如血红蛋白的 αβ
  • 亚基 vs 链subunit vs chain非共价结合者称亚基;共价(二硫键)连接者称链(如胰岛素)
  • 沉降系数sedimentation coefficient (S)教材仅在术语表与第 27 章出现;不与分子量成正比

总蛋白定量的教材主线:280 nm 紫外吸收与朗伯-比尔定律Total Protein by Light Absorption: 280 nm and the Lambert-Beer Law

笔记 考点五:蛋白质的含量测定和纯度鉴定
Original text

Tyrosine and tryptophan are significantly more polar than phenylalanine because of the tyrosine hydroxyl group and the nitrogen of the tryptophan indole ring. Tryptophan and tyrosine, and to a much lesser extent phenylalanine, absorb ultraviolet light (Fig. 36; see also Box 3-1). This accounts for the characteristic strong absorbance of light by most proteins at a wavelength of 280 nm, a property exploited by researchers in the characterization of proteins.

中文翻译

由于酪氨酸的羟基和色氨酸吲哚环上的氮,酪氨酸和色氨酸的极性明显大于苯丙氨酸。色氨酸和酪氨酸——以及程度小得多的苯丙氨酸——吸收紫外光(图 3-6;另见框 3-1)。这解释了大多数蛋白质在 280 nm 波长处特征性的强吸光,研究者在蛋白质的表征中利用了这一性质。

§3.1 Amino Acids Can Be Classified by R Group · 教材 p. 368
原理解读

【紫外吸收法的物质基础:只有三个残基在吸光】 蛋白质在 280 nm 的吸收**不是肽键的贡献**,而是芳香族侧链的贡献,且强弱分明:**Trp ≫ Tyr ≫ Phe**(图 3-6 中 280 nm 处 Trp 的吸光度是 Tyr 的四倍多,Phe 几乎贴着基线)。这一条直接决定了紫外法的全部优缺点: · 因为只有 Trp/Tyr 在吸,**不同蛋白的 Trp/Tyr 含量差别很大 → ε₂₈₀ 差别很大 → 用同一条标准曲线换算必然不准**(这就是笔记「精度不高」的根源); · 因为是分子固有性质、不加任何试剂,**测完样品可以完整回收**(笔记「样品可回收」); · 核酸的最大吸收在 260 nm,在 280 nm 也有可观吸收,所以做 A₂₈₀/A₂₆₀ 双波长可**粗略估计核酸污染**(笔记「可粗略估计核酸含量」)。 注意教材这里出现的"Fig. 36"是原书排版中「图 3-6」的连字丢失,引文按原文照录。

图 3-6 芳香族氨基酸对紫外光的吸收。等摩尔浓度(10⁻³ M)下,色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸在 pH 6.0 的吸收光谱。280 nm 处色氨酸的吸光度是酪氨酸的四倍以上;色氨酸与酪氨酸的最大吸收都在 280 nm 附近,苯丙氨酸对蛋白质的光谱性质贡献很小。
图注 · 图 3-6 芳香族氨基酸对紫外光的吸收。等摩尔浓度(10⁻³ M)下,色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸在 pH 6.0 的吸收光谱。280 nm 处色氨酸的吸光度是酪氨酸的四倍以上;色氨酸与酪氨酸的最大吸收都在 280 nm 附近,苯丙氨酸对蛋白质的光谱性质贡献很小。
Caption · FIGURE 3-6 Absorption of ultraviolet light by aromatic amino acids. Light absorption spectra of tryptophan, tyrosine, and phenylalanine at pH 6.0, present in equimolar amounts. The measured absorbance of tryptophan is more than four times that of tyrosine at 280 nm.
讲解 · 看曲线的三个考点:①**最大吸收峰位置**——Trp 和 Tyr 都在 280 nm 附近(Tyr 峰略偏左,约 275 nm),这是选 280 nm 作为测定波长的原因;②**峰高比例**——同浓度下 Trp 约 6.1、Tyr 约 1.5、Phe 约 0.1,即紫外法本质上主要在「数色氨酸」,一个不含 Trp 的蛋白(如某些胶原、组蛋白)用 A₂₈₀ 会严重低估;③**230 nm 以下急剧上升**——那是肽键的吸收带(约 190–220 nm),有些方法改测 A₂₁₅ 或 A₂₀₅ 以摆脱对芳香残基的依赖,但缓冲液吸收干扰大。
Original text

A wide range of biomolecules absorb light at characteristic wavelengths, just as tryptophan absorbs light at 280 nm (see Fig. 3-6). Measurement of light absorption by a spectrophotometer is used to detect and identify molecules and to measure their concentration in solution. The fraction of the incident light absorbed by a solution at a given wavelength is related to the thickness of the absorbing layer (path length) and the concentration of the absorbing species (Fig. 1). These two relationships are combined into the Lambert-Beer law,

中文翻译

许多生物分子都在特征波长处吸光,正如色氨酸在 280 nm 处吸光(见图 3-6)。用分光光度计测量光吸收,可用于检测和鉴定分子,并测定它们在溶液中的浓度。在给定波长下,溶液吸收入射光的比例与吸光层的厚度(光程)以及吸光物种的浓度有关。这两个关系式合并起来就是朗伯-比尔定律,

§3.1 BOX 3-1 METHODS Absorption of Light by Molecules: The Lambert-Beer Law · 教材 p. 369
Original text

However, with an absorbing layer of fixed path length, the absorbance, A, is directly proportional to the concentration of the absorbing solute. The molar extinction coefficient varies with the nature of the absorbing compound, the solvent, and the wavelength, and also with pH if the light-absorbing species is in equilibrium with an ionization state that has different absorbance properties.

中文翻译

然而,在光程固定的吸光层中,吸光度 A 与吸光溶质的浓度成正比。摩尔消光系数随吸光化合物的性质、溶剂和波长而变化;如果吸光物种与另一种具有不同吸光性质的电离状态处于平衡,摩尔消光系数还随 pH 而变化。

§3.1 BOX 3-1 METHODS Absorption of Light by Molecules: The Lambert-Beer Law · 教材 p. 369
原理解读

【一切比色/紫外定量法的共同地基:A = εcl】 把公式拆开看,正好对应考点五整张表的三列: · **A(吸光度)= log(I₀/I)**——仪器读数; · **l(光程)**——固定为 1 cm,于是 **A ∝ c**,这就是所有「显色后比色测浓度」方法能成立的唯一理由; · **ε(摩尔消光系数)**——**决定灵敏度,也决定误差**。原文明确列出 ε 随「化合物性质、溶剂、波长、pH」而变。 把这条用到考点五的每一种方法上,全部通了: · **紫外法**用的是蛋白**自身**的 ε₂₈₀,而每种蛋白 Trp/Tyr 含量不同 → ε 不同 → 不做标准品就只能得粗略值; · **双缩脲、Lowry、BCA、Bradford** 的共同思路都是**先把蛋白转化成一种 ε 很大、且各蛋白之间差异较小的有色产物**,再比色。灵敏度的提升(双缩脲 → Lowry → BCA → Bradford)本质上就是在提高 ε 或降低蛋白间 ε 的离散度; · Bradford 法「最大吸收由 488 nm 变为 595 nm」正是 ε 随「化合物性质」改变的教科书式例子——染料结合蛋白后成了另一种吸光物种。

原理解读

【必须说明:凯氏定氮、双缩脲、Folin-酚(Lowry)、BCA、Bradford 五法,Lehninger 8e 未收录】 对全书(含术语表、索引)逐词检索 Kjeldahl / biuret / bicinchoninic / Bradford,结果为**零命中**;"Lowry" 只作为酸碱理论的 **Brønsted-Lowry** 出现在第 2 章,与蛋白定量无关。因此以下按**考研通用结论补充,非教材原文**: · **凯氏定氮法**:蛋白质含氮量平均 **16%**,故 蛋白质含量 = 蛋白氮 × **6.25**(1÷16%)。测的是**总氮**,属总蛋白测定;样品中的核酸、游离氨基酸、铵盐等非蛋白氮都会计入 → 系统偏高。 · **双缩脲法**:碱性条件下**肽键**与 Cu²⁺ 络合生成**紫色**复合物(540 nm 附近)。因为测的是肽键,**几乎不受氨基酸组成影响**,各蛋白的显色系数接近;但 ε 小 → 灵敏度低,适合快速、粗测(毫克级)。 · **Folin-酚(Lowry)法**:分两步——① 双缩脲反应,肽键–Cu²⁺;② **Tyr、Trp、Cys 等把 Cu²⁺ 还原为 Cu⁺**,Cu⁺–蛋白络合物再还原 Folin-酚试剂中的磷钼酸–磷钨酸盐,生成深蓝色(750 nm)。显色原理与双缩脲同源,只是**追加 Folin 试剂放大显色**,灵敏度提高约百倍;代价是**依赖 Tyr/Trp 含量**,且干扰物极多(去污剂、还原剂、EDTA…)。 · **BCA 法**:同样先 Cu²⁺→Cu⁺,但改用**二喹啉甲酸(BCA)**与 Cu⁺ 螯合成紫色(562 nm)。BCA–Cu⁺ 络合远比 Folin 体系稳定、耐去污剂,重现性更好,故「比 Folin-酚法更加精确」。 · **Bradford(考马斯亮蓝 G-250)法**:染料与蛋白结合后由红棕色的游离态(λmax **488 nm**)转为蓝色的结合态(λmax **595 nm**);结合主要靠**精氨酸等碱性残基与芳香残基**的静电与疏水作用。优点是**快(2 分钟显色)、灵敏、几乎不受还原剂干扰**;缺点是**受去污剂严重干扰**,且不同蛋白(碱性残基含量不同)标准曲线差异大。 **答题提醒**:这五法是国内教材体系的内容,用中文教材的结论作答即可;但如果题目要求「结合英文教材」,可用的是 A = εcl 与 A₂₈₀ 这条主线(见上),不要把上述细节说成 Lehninger 的说法。

术语对照
  • 朗伯-比尔定律Lambert-Beer lawlog(I₀/I) = εcl;光程固定时 A ∝ c
  • 吸光度absorbance, AA = log(I₀/I);I/I₀ 为透光率
  • 摩尔消光系数molar extinction coefficient, εL·mol⁻¹·cm⁻¹;随化合物、溶剂、波长、pH 变化
  • 280 nm 吸收absorbance at 280 nm来自 Trp ≫ Tyr ≫ Phe,非肽键
  • 分光光度计spectrophotometer光源—单色器—样品池(l)—检测器

按功能定量:酶活力、活力单位与比活Quantifying a Protein by What It Does: Activity, Units, and Specific Activity

笔记 考点五:蛋白质的含量测定和纯度鉴定
Original text

To purify a protein, it is essential to have a way of detecting and quantifying that protein in the presence of many other proteins at each stage of the procedure. A common target of purification is one or another of the class of proteins called enzymes (Chapter 6). Each enzyme catalyzes a particular reaction that converts one biomolecule (the substrate) to another (the product). The amount of the protein in a given solution or tissue extract can be measured, or assayed, in terms of the catalytic effect the enzyme produces — that is, the increase in the rate at which its substrate is converted to reaction products when the enzyme is present.

中文翻译

要纯化一种蛋白质,必须有办法在纯化的每一个阶段、在众多其他蛋白质存在的情况下检测并定量这种蛋白质。纯化的常见对象是称为酶的那一类蛋白质(第 6 章)。每种酶催化一个特定反应,把一种生物分子(底物)转变为另一种(产物)。给定溶液或组织提取物中这种蛋白质的量,可以通过酶所产生的催化效应来测量或测定——也就是酶存在时底物转变为反应产物的速率的增加。

§3.3 Unseparated Proteins Are Detected and Quantified Based on Their Functions · 教材 p. 410
原理解读

【教材为什么把「按功能定量」放在最前面】 请注意小节标题本身:**Unseparated Proteins**——「未分离的蛋白质」。这句话点明了这类方法唯一的、也是决定性的优势:**不必先把目标蛋白分出来**。粗提液里有上千种蛋白,比色法测到的是「总蛋白」,看不出目标蛋白在哪;而酶活力测的是**特异催化效应**,杂蛋白再多也不显影。 这正是笔记「特定蛋白质含量测定」那一段的原理: · **酶** → 用催化活性; · **激素** → 用生物学活性(如生长激素刺激培养细胞生长); · **既非酶也非激素** → 借抗体-抗原反应(下一节)。 笔记最后一句「对于这些具有生物活性的蛋白质,**活力(活性)大小就代表它的含量**」,与教材"The amount of the protein … can be measured, or assayed, in terms of the catalytic effect"是同一句话。

Original text

The term activity refers to the total units of enzyme in a solution. The specific activity is the number of enzyme units per milligram of total protein (Fig. 3-22). The specific activity is a measure of enzyme purity: it increases during purification of an enzyme and becomes maximal and constant when the enzyme is pure (Table 3-5).

中文翻译

「活力」一词指溶液中酶的总单位数。「比活力」是每毫克总蛋白所含的酶单位数(图 3-22)。比活力是酶纯度的一个量度:在酶的纯化过程中比活力不断上升,当酶达到纯净时比活力达到最大并保持恒定。

§3.3 Unseparated Proteins Are Detected and Quantified Based on Their Functions · 教材 p. 411
图 3-22 活力与比活力的区别。两个锥形瓶中红色弹珠的数目相同,其他颜色弹珠的数目不同。若弹珠代表蛋白质,则两瓶所含目标蛋白(红色)的**活力相同**;但第二个瓶子的**比活力更高**,因为红色弹珠在总数中所占的比例更大。
图注 · 图 3-22 活力与比活力的区别。两个锥形瓶中红色弹珠的数目相同,其他颜色弹珠的数目不同。若弹珠代表蛋白质,则两瓶所含目标蛋白(红色)的**活力相同**;但第二个瓶子的**比活力更高**,因为红色弹珠在总数中所占的比例更大。
Caption · FIGURE 3-22 Activity versus specific activity. Two flasks contain the same number of red marbles but different numbers of marbles of other colors. Both flasks contain the same activity of the protein represented by the red marbles; the second flask has the higher specific activity.
讲解 · 这张图把「活力」与「比活力」的区别做成了一眼可辨的形象:**红珠数 = 活力(总单位数),红珠占比 = 比活力(单位/mg 总蛋白)**。三条推论直接对应纯化表的三列: ① 纯化过程中**总活力只会下降**(总有失活与损失),**总蛋白下降得更快**,所以**比活力上升**; ② 比活力**不再上升**,说明再也去不掉杂蛋白了 → 纯了; ③ **纯化倍数 = 终比活/初比活**,**产率 = 终总活力/初总活力**(教材表 3-5 的例子:15,000÷10 = 1,500 倍,45,000÷100,000 = 45%)。 注意瓶中红珠数相同而两瓶体积不同——这也提醒:活力是**总量**概念,与浓度、体积都相关,做题时不要把「活力」与「比活力」混用。
原理解读

【活力单位的国际定义(教材原文口径)】 按国际协议,多数酶的 **1.0 个酶活力单位**定义为:在**最适测定条件、25 °C** 下,每分钟催化 **1.0 μmol 底物**转变为产物所需的酶量。测定时通常用**很高的底物浓度**,使实测初速率与酶浓度成正比(这一点在第 6 章酶动力学里会再证明:[S] ≫ Km 时 v₀ ≈ Vmax ∝ [E])。 于是「活力代表含量」这件事是有**动力学前提**的:必须在饱和底物、最适 pH、最适温度、并测**初速率**的条件下,活力才与酶量成正比。任何一条不满足,用活力换算含量都会失真——这也是简答题里可以加分的一层。

Original text

For proteins that are not enzymes, other quantification methods are required. Transport proteins can be assayed by their binding to the molecule they transport, and hormones and toxins by the biological effect they produce; for example, growth hormones will stimulate the growth of certain cultured cells. Some structural proteins represent such a large fraction of a tissue mass that they can be readily extracted and purified without a functional assay. The approaches are as varied as the proteins themselves.

中文翻译

对于不是酶的蛋白质,则需要其他的定量方法。转运蛋白可以通过它与所转运分子的结合来测定,激素和毒素可以通过它们产生的生物学效应来测定;例如,生长激素会刺激某些培养细胞的生长。有些结构蛋白在组织质量中占的比例极大,以至于不需要功能测定就能被方便地提取和纯化。这些方法与蛋白质本身一样多种多样。

§3.3 Unseparated Proteins Are Detected and Quantified Based on Their Functions · 教材 p. 413
术语对照
  • 活力(总活力)activity溶液中酶的总单位数
  • 酶活力单位unit of enzyme activity最适条件 25 °C 下每分钟转化 1.0 μmol 底物的酶量
  • 比活力specific activity单位/mg 总蛋白;纯度的量度,纯时最大且恒定
  • 纯化倍数 / 产率purification factor / yield终比活÷初比活;终总活力÷初总活力
  • 纯化表purification table记录每步体积、总蛋白、总活力、比活力

免疫化学法:免疫印迹(Western blot)——以及 ELISA 到底在书里的哪儿Antibodies as Analytical Reagents: The Immunoblot (Western Blot) — and Where ELISA Actually Is

笔记 考点五:蛋白质的含量测定和纯度鉴定
Original text

The extraordinary binding affinity and specificity of antibodies make them valuable analytical reagents. Two types of antibody preparations are in use: polyclonal and monoclonal. Polyclonal antibodies are those produced by many different B lymphocytes responding to one antigen, such as a protein injected into an animal. Cells in the population of B lymphocytes produce antibodies that bind specific, different epitopes within the antigen. Thus, polyclonal preparations contain a mixture of antibodies that recognize different parts of the protein. Monoclonal antibodies, in contrast, are synthesized by a population of identical B cells (a clone) grown in cell culture. These antibodies are homogeneous, all recognizing the same epitope.

中文翻译

抗体极高的结合亲和力与特异性使它们成为宝贵的分析试剂。目前使用两类抗体制剂:多克隆抗体和单克隆抗体。多克隆抗体是由许多不同的 B 淋巴细胞对同一种抗原(例如注射到动物体内的一种蛋白质)作出应答而产生的。这一 B 淋巴细胞群体中的细胞产生的抗体分别结合抗原上特定而不同的表位。因此,多克隆制剂含有识别蛋白质不同部位的抗体的混合物。相反,单克隆抗体由细胞培养中生长的一群完全相同的 B 细胞(一个克隆)合成,这些抗体是均一的,全都识别同一个表位。

第 5 章 §5.2 The Antibody-Antigen Interaction Is the Basis for a Variety of Important Analytical Procedures · 教材 p. 692
原理解读

【为什么免疫法能测「特定蛋白质」而比色法不能】 上一节的比色法测的是**总蛋白**——它对所有蛋白一视同仁。抗体则相反:它的 Kd 可低至 **10⁻¹⁰ M**,靠疏水效应、离子键、氢键、范德华力累积出约 **65 kJ/mol** 的结合能,并且只认抗原上的一小块——**表位(epitope)**。 于是笔记里那句「有些蛋白质虽然没有酶或激素那样特异的生物学活性,则借抗体-抗原反应,可用来测定该蛋白质的含量」就有了物理基础:**特异性由抗体提供,而不由待测蛋白自身的活性提供**。 多克隆 vs 单克隆是简答题常问的对比:多克隆识别多个表位 → 信号强、耐受表位轻微变化,但批间差异大;单克隆只认一个表位 → 均一、可无限重复生产,但一旦该表位被变性/修饰破坏就失效。

Original text

The specificity of antibodies has practical uses. In a versatile analytical technique, an antibody is attached to a reagent that makes it easy to detect (Fig. 5-25). When the antibody binds the target protein, the label reveals the presence of the protein in a solution or its location in a gel, or even in a living cell (Fig. 5-25a). In one application of this technique, an immunoblot or Western blot assay (Fig. 5-26b), proteins that have been separated by gel electrophoresis are transferred electrophoretically to a nitrocellulose membrane. After washing, the membrane is treated successively with primary antibody, secondary antibody linked to enzyme, and substrate. A colored precipitate forms only along the band containing the protein of interest. Immunoblotting allows the detection of a minor component in a sample and provides an approximation of its molecular weight.

中文翻译

抗体的特异性有着实际用途。在一种用途广泛的分析技术中,抗体被连接到一种便于检测的试剂上(图 5-25)。当抗体结合靶蛋白时,标记就揭示出该蛋白在溶液中的存在、在凝胶中的位置,甚至在活细胞中的位置。这一技术的一项应用是**免疫印迹或称 Western blot 测定**:先经凝胶电泳分离的蛋白质被电泳转移到硝酸纤维素膜上;洗涤之后,用一抗、连有酶的二抗、以及底物依次处理该膜;只有在含目标蛋白的条带处才会形成有色沉淀。免疫印迹使得样品中微量组分的检出成为可能,并能给出其分子量的近似值。

第 5 章 §5.2 The Antibody-Antigen Interaction Is the Basis for a Variety of Important Analytical Procedures · 教材 p. 692
原理解读

【Western blot 的四步,以及它同时是「定量法」和「分子量法」】 拆开教材那句话,就是标准四步: ① **电泳分离**(通常 SDS-PAGE)→ 蛋白按分子量排开; ② **电转印**到硝酸纤维素膜(这一步是"blot"的由来,也是与在胶内直接染色的根本区别); ③ **一抗 → 酶标二抗 → 底物**(洗涤贯穿其间;二抗带酶是信号放大的关键,一个一抗上可结合多个二抗); ④ **只在目标条带处生成有色沉淀**。 两条结论要背: · "allows the detection of a **minor component**"——**灵敏**,粗提液里的微量蛋白也测得到,这正是它作为「特定蛋白质含量测定」手段的价值; · "provides an **approximation of its molecular weight**"——因为条带位置来自 SDS-PAGE,所以 Western blot **顺带给出分子量的近似值**。这一句是把考点四与考点五连起来的桥:免疫印迹既定性、又半定量,还带分子量信息。

Original text

FIGURE 5-25 Antibodies as analytical reagents. (a) A schematic representation of the use of the specific reaction of an antibody with its antigen to identify and quantify a specific protein in a complex sample. (b) One common application is the immunoblot. Lanes 1 to 3 are from an SDS gel; samples from successive stages in the purification of a protein kinase were separated and stained with Coomassie blue. Lanes 4 to 6 show the same samples, but these were electrophoretically transferred to a nitrocellulose membrane after separation on an SDS gel. The membrane was then “probed” with antibody against the protein kinase. The numbers between the SDS gel and the immunoblot indicate Mr in thousands.

中文翻译

图 5-25 作为分析试剂的抗体。(a) 利用抗体与其抗原的特异反应,在复杂样品中鉴定并定量某一特定蛋白质的示意图。(b) 一项常见应用是免疫印迹。泳道 1–3 来自 SDS 凝胶:一种蛋白激酶纯化过程中相继阶段的样品经分离后用考马斯亮蓝染色;泳道 4–6 是同样的样品,但在 SDS 凝胶上分离后被电泳转移到硝酸纤维素膜上,随后用抗该蛋白激酶的抗体对膜进行"探测"。SDS 凝胶与免疫印迹之间的数字表示以千为单位的 Mr。

第 5 章 图 5-25 图注 · 教材 p. 693
图 5-25 作为分析试剂的抗体。(a) 左侧六步流程:①用样品(抗原)包被表面 → ②用非特异蛋白封闭未占位点 → ③与抗特定抗原的一抗温育 → ④与结合一抗的酶标二抗温育 → ⑤加底物 → ⑥生成有色产物即指示特定抗原的存在。(b) 免疫印迹实例:泳道 1–3 为考马斯亮蓝染色的 SDS 凝胶(蛋白激酶纯化的相继阶段),泳道 4–6 为转膜后用抗体探测的结果;中间数字为 Mr(千)。
图注 · 图 5-25 作为分析试剂的抗体。(a) 左侧六步流程:①用样品(抗原)包被表面 → ②用非特异蛋白封闭未占位点 → ③与抗特定抗原的一抗温育 → ④与结合一抗的酶标二抗温育 → ⑤加底物 → ⑥生成有色产物即指示特定抗原的存在。(b) 免疫印迹实例:泳道 1–3 为考马斯亮蓝染色的 SDS 凝胶(蛋白激酶纯化的相继阶段),泳道 4–6 为转膜后用抗体探测的结果;中间数字为 Mr(千)。
Caption · FIGURE 5-25 Antibodies as analytical reagents. (a) Schematic of using the antibody-antigen reaction to identify and quantify a specific protein in a complex sample. (b) Immunoblot: lanes 1-3, Coomassie-stained SDS gel of successive purification stages of a protein kinase; lanes 4-6, the same samples blotted to nitrocellulose and probed with antibody.
讲解 · **(b) 是这张图最有考试价值的部分**:左边胶上泳道 1 有几十条杂带、泳道 2 剩几条、泳道 3 才近乎单一;而右边免疫印迹的泳道 4、5、6 **从头到尾只有一条带**——同样三份样品,染色法看到「一片」,抗体法只看到「一个」。这一眼就说清了两件事:①**特异性从哪来**(来自抗体,不来自分离);②**为什么免疫印迹能测粗提液里的微量蛋白**。 **(a) 值得特别注意**:这六步(包被—封闭—一抗—酶标二抗—底物—显色)画的正是**固相酶联免疫吸附(ELISA)**的标准流程,但**教材正文和图注里都没有出现"ELISA"这个词**(见下条说明)。
原理解读

【关于 ELISA:查证结论】 对 Lehninger 8e 全书检索 "ELISA / enzyme-linked immunosorbent",命中情况如下: · **第 5 章正文:零命中**——正文只描述了 immunoblot / Western blot(p. 692),**没有 ELISA 的名称,也没有 ELISA 的分步方法**; · **书末术语表有词条**:enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) 被定义为「一种灵敏的免疫测定法,利用连接在抗体或抗原上的酶来检测特定蛋白质」,并有 "ELISA → See enzyme-linked immunosorbent assay" 的互见条; · **索引**把 ELISA 指向 **168f**,即**图 5-25**——也就是说,教材把 ELISA 的内容**只放在了图 5-25(a) 的那六步流程图里**,正文正名却付之阙如。 所以:**「Lehninger 8e 有 ELISA 的图示与术语表定义,但没有正文的方法描述」**。答题时若要写 ELISA 步骤(包被抗原/捕获抗体 → 封闭 → 一抗 → 酶标二抗 → 加底物 → 比色读 A 值、对标准曲线定量;分为直接法、间接法、夹心法、竞争法),**按考研通用结论作答,不要说成 Lehninger 原文**。 ELISA 与 Western blot 的分工要点:**ELISA 在微孔板上做,不经电泳,通量高、定量准,但不给分子量信息;Western blot 先电泳再转膜,通量低、半定量,但同时给出分子量与条带特异性**。

术语对照
  • 免疫印迹 / Western 印迹immunoblot / Western blot电泳→转膜→一抗→酶标二抗→底物→有色沉淀
  • 酶联免疫吸附测定ELISA教材仅见于图 5-25(a) 与术语表,正文无方法描述
  • 多克隆抗体polyclonal antibodies多个 B 细胞应答同一抗原,识别不同表位的混合物
  • 单克隆抗体monoclonal antibodies同一 B 细胞克隆合成,均一,全部识别同一表位
  • 表位(抗原决定簇)epitope抗体实际结合的抗原局部
  • 硝酸纤维素膜nitrocellulose membrane转印固相载体

纯度鉴定:单一条带、比活恒定、单一峰与结晶——为什么必须是「双重判据」Purity Is a Double Criterion: Single Band, Constant Specific Activity, Single Peak, and Crystals

笔记 考点五:蛋白质的含量测定和纯度鉴定
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The data are assembled in a purification table similar to Table 3-5. A protein is generally considered pure when further purification steps fail to increase specific activity and when only a single protein species can be detected (for example, by electrophoresis in the presence of SDS).

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这些数据被汇总成类似表 3-5 的纯化表。一般认为,当进一步的纯化步骤不再能提高比活力、并且只能检测到单一的蛋白质物种(例如通过 SDS 存在下的电泳)时,该蛋白质就是纯的。

§3.3 Unseparated Proteins Are Detected and Quantified Based on Their Functions · 教材 p. 413
原理解读

【教材给的「纯」是一个 AND,不是 OR】 请把这句话的结构看清楚:**pure when ①further steps fail to increase specific activity AND ②only a single protein species can be detected**。两条必须同时成立。 为什么必须是两条?因为两条各自都能被骗过: · 只看**比活恒定**:如果剩下的杂蛋白与目标蛋白性质极为接近,任何一步都去不掉它,比活会「假性恒定」; · 只看**单一条带**:分子量相近的杂蛋白会与目标蛋白重叠成一条带;含量低于染色检出限的杂质根本不显影(下一条图注就是活例子)。 这正是笔记表格最后一行那句**「任何单独一种方法的鉴定结果,仅作为蛋白均一性的必要不充分条件」**在教材里的对应。答简答题时,最好的开头就是这一条:**均一性只能由多种独立原理的方法交叉验证**。

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The fourth lane shows the proteins in a crude cellular extract. Subsequent lanes (left to right) show the proteins that are present after successive purification steps. Although the protein looks pure in lane 6, two more steps are needed to remove minor contaminants not evident on the gel. The purified protein is a single polypeptide chain (Mr~ 38,000), as seen in the rightmost lane.

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第四泳道显示的是粗细胞提取物中的蛋白质。随后各泳道(自左向右)显示的是经过相继纯化步骤之后存在的蛋白质。**尽管在泳道 6 中该蛋白看上去已经是纯的,仍然还需要两个步骤才能除去凝胶上并不显现的微量污染物。** 纯化后的蛋白质是一条单一的多肽链(Mr 约 38,000),如最右侧泳道所示。

§3.3 图 3-18 图注 · 教材 p. 404
原理解读

【这条图注是「单一条带 ≠ 纯」最硬的教材证据】 "Although the protein **looks pure** in lane 6, **two more steps are needed** to remove minor contaminants **not evident on the gel**"——凝胶上看不见的杂质,不等于不存在。考马斯亮蓝的检出限约在**0.1 μg/条带**量级,低于此值的杂蛋白直接隐形。 所以「电泳呈现单一条带」只能作为**必要条件**: · 有多条带 → 一定不纯(充分否定); · 只有一条带 → 不能断定纯(不充分肯定)。 这也解释了笔记里为什么要在「一系列不同 pH 条件下电泳」——同一 pH 下重叠的两种蛋白,换个 pH 后净电荷差异改变,可能就分开了;以及为什么要把等电聚焦、SDS-PAGE、毛细管电泳几种原理不同的电泳并列使用。

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FIGURE 3-20 Isoelectric focusing. This technique separates proteins according to their isoelectric points. A protein mixture is placed on a gel strip containing an immobilized pH gradient. With an applied electric field, proteins enter the gel and migrate until each reaches a pH that is equivalent to its pI. Remember that when pH = pI, the net charge of a protein is zero.

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图 3-20 等电聚焦。该技术按等电点分离蛋白质。蛋白质混合物被加到含有固定化 pH 梯度的凝胶条上。施加电场后,蛋白质进入凝胶并迁移,直到各自到达与其 pI 相等的 pH 处。记住:当 pH = pI 时,蛋白质的净电荷为零。

§3.3 图 3-20 图注 · 教材 p. 407
图 3-20 等电聚焦。蛋白质样品加到具有固定化 pH 梯度的凝胶条一端(或用含两性电解质的蛋白溶液使干胶条复水);施加电场后,蛋白质迁移直到各自到达等于其 pI 的 pH 处。染色后可见蛋白质沿 pH 梯度按 pI 值分布——注意负极端为 pH 9、正极端为 pH 3。
图注 · 图 3-20 等电聚焦。蛋白质样品加到具有固定化 pH 梯度的凝胶条一端(或用含两性电解质的蛋白溶液使干胶条复水);施加电场后,蛋白质迁移直到各自到达等于其 pI 的 pH 处。染色后可见蛋白质沿 pH 梯度按 pI 值分布——注意负极端为 pH 9、正极端为 pH 3。
Caption · FIGURE 3-20 Isoelectric focusing. A protein sample is applied to a gel strip with an immobilized pH gradient; with an applied electric field, proteins migrate until each reaches a pH equal to its pI. After staining, proteins are distributed along the pH gradient according to their pI values.
讲解 · 等电聚焦鉴定纯度的价值在于它的**分离原理与 SDS-PAGE 完全正交**:SDS-PAGE 按**质量**分,IEF 按**电荷(pI)**分。两种分子量相同、pI 不同的蛋白在 SDS-PAGE 上重叠成一条带,在 IEF 上却分成两个点;反之亦然。把二者串联就是**双向电泳**:第一维 IEF(水平方向反映 pI 差异),第二维 SDS-PAGE(垂直方向反映分子量差异),可分辨数千种细胞蛋白,灵敏度高于任何单一维度。这就是笔记「目前采用的电泳分析有等电聚焦、聚丙烯酰胺凝胶电泳、SDS-PAGE 和毛细管电泳等」要并列这么多种的道理——**判纯度靠的是原理互补,不是重复同一种原理**。 另外,IEF 也是**均一性判据 ③「在一系列不同 pH 条件下电泳时均以单一速度移动」**的现代实现:与其换很多个 pH 分别跑,不如让蛋白自己在一条连续 pH 梯度里找位置。
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Chromatographic methods are typically enhanced by the use of HPLC, or high-performance liquid chromatography. HPLC makes use of high-pressure pumps that speed the movement of the protein molecules down the column; it also uses higherquality chromatographic materials that can withstand the crushing force of the pressurized flow. By reducing the transit time on the column, HPLC can limit diffusional spreading of protein bands and thus can greatly improve resolution.

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各种层析方法通常都可以借助 HPLC(高效液相层析)而得到加强。HPLC 使用高压泵加快蛋白质分子沿柱下行的移动;它还使用能承受加压流冲击的更高质量的层析介质。通过缩短在柱上的停留时间,HPLC 可以限制蛋白质谱带的扩散展宽,从而大大提高分辨率。

§3.3 Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 400
原理解读

【HPLC 洗脱图谱上的「单一对称峰」为什么是纯度判据】 笔记判据 ④「在 HPLC 洗脱图谱上呈现出单一对称峰」,可以从教材这句话反推出来:HPLC 之所以能当判据,靠的是 **greatly improve resolution**——分辨率足够高,两种性质接近的蛋白才不至于挤成一个峰。 为什么要强调**「对称」**?因为: · **肩峰、拖尾、峰形不对称**往往意味着峰下藏着第二种组分,或存在与固定相的次级相互作用; · 真正均一的样品在高分辨柱上应给出**单一、对称、可重复保留时间**的峰。 把它和前面几条并起来看,四条判据其实各自读取一个独立的物理量:**N 端残基(化学组成)、沉降速度(水动力学)、电泳迁移(电荷/质量)、HPLC 保留(与固定相的作用)**——正因为原理互不相同,同时通过才有意义。

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In reality, however, each protein has a specific chemical or structural function, which suggests that each has a unique three-dimensional structure (Fig. 4-1). How stable is this structure, what factors guide its formation, and what holds it together? By the late 1920s, several proteins had been crystallized, including hemoglobin (Mr 64,500) and the enzyme urease (Mr 483,000).

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然而在现实中,每一种蛋白质都有特定的化学或结构功能,这暗示每一种蛋白质都有独一无二的三维结构(图 4-1)。这种结构有多稳定?哪些因素引导它的形成?又是什么把它维系在一起?到 20 世纪 20 年代末,已有若干蛋白质被结晶出来,包括血红蛋白(Mr 64,500)和脲酶(Mr 483,000)。

第 4 章 引言 · 教材 p. 474
原理解读

【结晶为什么曾被当作纯度(均一性)的标志】 紧接上面这段,教材写道:晶体中分子的有序阵列一般**只有在组成单元完全相同时才能形成**,因此结晶证明了即使非常大的蛋白质也是具有独特结构的**离散化学实体**(该句跨页断开,故此处不作逐字引用)。这就是「能结晶 = 均一」这一经典判据的全部逻辑: · **晶格要求分子彼此全同**——杂质会破坏周期性,混合物通常长不出单晶; · 因此 20 世纪上半叶把「得到蛋白质结晶」视为纯化成功的终点。 但这个判据同样是**必要不充分**的:现代已知不少蛋白在含少量杂质时仍能结晶,也有蛋白反复重结晶后仍非均一(重结晶次数才是更严格的指标)。所以今天结晶主要不再用于判纯,而是用于**结构测定**。

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However, the orderly bundles formed by fibrous proteins are not crystals — the molecules are aligned side by side, but not all are oriented in the same direction. More-detailed three-dimensional structural information about proteins requires a highly ordered protein crystal. The structures of many proteins are not yet known, simply because they have proved difficult to crystallize. Practitioners have compared making protein crystals to holding together a stack of bowling balls with cellophane tape.

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然而,纤维状蛋白质形成的有序束并不是晶体——分子彼此并排排列,但并非全都朝向同一方向。要获得关于蛋白质更详细的三维结构信息,需要高度有序的蛋白质晶体。许多蛋白质的结构至今未知,原因很简单:它们被证明难以结晶。业内人士把制备蛋白质晶体比作用玻璃纸胶带把一摞保龄球捆在一起。

第 4 章 §4.5 X-Ray Diffraction · 教材 p. 586
原理解读

【纯度鉴定的完整答题框架(把笔记四条判据挂到教材上)】 **判据① N 端氨基酸测定**:均一的单链蛋白只应测出**一种** N 端残基。教材在 §3.4 讲过用 **FDNB(1-氟-2,4-二硝基苯)** 标记 N 端 α-氨基的经典做法。若测出两种以上 N 端残基(且蛋白不是多亚基的),说明存在杂蛋白或降解片段。注意局限:多亚基蛋白本来就有多个不同 N 端;N 端封闭(乙酰化等)的蛋白测不出。 **判据② 超速离心沉降**:均一样品在离心场中以**单一沉降速度**移动,界面(界面法测得的沉降界面)只有一个。**说明:Lehninger 8e 没有分析型超速离心判纯的章节**,此条按考研通用结论补充。 **判据③ 电泳**:在一系列不同 pH 下均以单一速度移动,图谱只有一条带/一个峰——现代实现是 IEF、PAGE、SDS-PAGE、毛细管电泳并用(见上)。教材对应句:"only a single protein species can be detected (for example, by electrophoresis in the presence of SDS)"。 **判据④ HPLC 单一对称峰**(见上)。 **再加两条教材特有的**:⑤**比活力不再上升**(教材明写,国内笔记常漏,务必补上);⑥**溶解度分析法**(笔记提到)与**结晶/重结晶**。 收尾一句最好写成:**这些方法读取的是彼此独立的物理化学量,单独任何一条都只是必要条件;只有多条同时满足,才可判定为均一制剂。**

术语对照
  • 均一性(纯度)homogeneity / purity教材判据:比活不再上升 且 只能检出单一物种
  • 等电聚焦isoelectric focusing (IEF)按 pI 分离;pH = pI 时净电荷为零
  • 双向电泳two-dimensional electrophoresisIEF(pI)× SDS-PAGE(Mr),灵敏度高于任一单独方法
  • 毛细管电泳capillary electrophoresis笔记列出的纯度鉴定电泳方法之一
  • N 端分析amino-terminal residue analysis教材用 FDNB 标记 N 端 α-氨基;均一单链只应有一种 N 端
  • X 射线晶体学x-ray crystallography需高度有序的蛋白晶体;今日主用于结构测定而非判纯