彩色笔记全文 橙红=重点 蓝青=提示 粉紫=小标题 ★=重要度
蛋白质在水溶液中的行为思维导图
蛋白质分离纯化的一般程序思维导图
蛋白质分离纯化的方法思维导图
蛋白质相对分子质量的测定思维导图
蛋白质的含量测定与纯度鉴定思维导图
考点一:蛋白质在水溶液中的行为蛋白质在水溶液中表现出哪些行为?
一、蛋白质的性质:
1、蛋白纯化的酸碱性质: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,在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。(:也是两性电解质)
2、蛋白质的等电点:
定义和影响因素:当蛋白质溶液处于某一pH时,蛋白质解离成正、负离子的趋势相等,即成为兼性离子,净电荷为零,此时溶液的pH称为蛋白质的等电点(:名词解释考点,蛋白质含有的酸碱性氨基酸的比值和数目有关)。名词解释考点
特点:在等电点时蛋白质的溶解度最小,在电场中不移动(蛋白质失去了胶体的稳定条件,即没有相同电荷相互排斥的作用,所以不稳定)。(★★)★★
| pH 与 pI 的关系 | 蛋白质净电荷 | 电场中的移动方向 |
|---|---|---|
| pH = pI | 零 | 不移动 |
| pH > pI | 负 | 向阳极移动 |
| pH < pI | 正 | 向阴极移动 |
3、等离子点:没有其他盐类干扰时,蛋白质质子供体基团解离出来的质子数与质子受体基团结合的质子数相等时的pH称为等离子点(特征常数,注意和等电点的区别)。名词解释考点
4、蛋白质的胶体性质:
(1)胶体稳定的因素:①质点大小在1-100nm范围;②质点带有同种符号的净电荷,互相排斥;③质点能和溶剂形成溶剂化层,比如水化层,导致质点间不易相互聚拢。(双电层和水化层是胶体维持稳定的关键)
(2)胶体性质的衍生特征:由于胶体性质的存在,蛋白质不能透过半透膜(判断题),也可以发生丁达尔效应和布朗运动。判断题考点
5、蛋白质的沉淀:(去除水化层或双电层,简答题常见考点)(★★)★★简答题考点
| 沉淀方法 | 核心原理 / 条件 | 关键特点 |
|---|---|---|
| 盐析法 | 去除水化层 | 一般不导致蛋白质变性;硫酸铵最常用 |
| 有机溶剂沉淀 | 去除水化层,降低介电常数 | 一般导致蛋白质变性 |
| 重金属盐沉淀 | pH>pI,蛋白质带负电,与金属离子结合形成不溶性盐 | 常用富含蛋白质的物质解除重金属中毒 |
| 生物碱试剂和某些酸类沉淀 | pH<pI,蛋白质带正电,与酸根离子结合形成不溶性盐 | |
| 加热变性沉淀 | 蛋白质变性凝固 | |
| 等电点沉淀 | 失去胶体稳定条件,无相同电荷的相互排斥作用 | 等电点时,蛋白质溶解度最低(判断题) |
考点二:蛋白质分离纯化的一般程序蛋白质分离纯化的一般程序包括哪几步?
一、蛋白质分离纯化的步骤
1、蛋白纯化的总目的:是增加制品的纯度或比活力,以增加单位蛋白质质量中所要的蛋白质的含量或生物活性,并希望获得的蛋白质产量达到最高值。
2、蛋白质纯化的准备工作:
①明确纯化蛋白的目的;
②建立蛋白活性测定的方法;
③选择富含目标蛋白的原材料。(:有时候需要用基因表达该蛋白进行纯化)。
3、蛋白质纯化的步骤(★★)(:最好记忆不同步骤用到的技术)(:简答题、填空题考点):★★简答题考点填空题考点
| 步骤阶段 | 操作目的 | 具体方法和要求 |
|---|---|---|
| ①前处理 | 把蛋白质从组织或细胞中以溶解状态释放,保持天然状态与生物活性 | 裂解细胞,研磨等。核心要求:避免生物活性丢失 |
| ②粗分级分离 | 将目标蛋白与杂蛋白分离开 | 一般这一步的分级用盐析、等电点沉淀和有机溶剂分级分离等方法(分离体积较大);不适用的蛋白质可以选择(超滤、凝胶过滤或冷冻真空干燥) |
| ③细分级分离 | 进一步纯化目标蛋白 | 包括凝胶过滤层析、离子交换层析、吸附层析以及亲和层析等。必要 |
| 时还可以选择电泳法,如凝胶电泳、等电点聚焦法(还可以用于鉴定) | ||
| ④结晶 | 要得到适度的过饱和溶液,最终获得蛋白质结晶 | 可借控制温度,如盐析、加有机溶剂或调节pH等方法来达到。(纯度越高,溶液越浓,越容易结晶。) |
考点三:蛋白质分离纯化的方法蛋白质分离纯化有哪些方法?各自依据什么性质?
一、分离纯化方法的依据(每种分离依据记忆2种技术即可)
影响蛋白质溶解度的外部因素有:pH、温度、介电常数、离子强度等(填空题考点)。填空题考点
| 分离依据 | 具体技术方法 | 备注 |
|---|---|---|
| 溶解度不同 | 等电点沉淀、盐析、有机溶剂分级分离、两相分配、结晶等 | |
| 电荷不同 | 纸电泳、聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)、毛细管电泳、等电聚焦、双向电泳、离子交换层析等 | |
| 分子大小不同 | 超过滤、凝胶过滤、超离心法、SDS-PAGE等 | |
| 疏水相互作用不同 | 疏水相互作用层析、SDS-PAGE、染料结合层析等 | 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(问答题中SDS-PAGE可以写在大小和疏水性分离两种方法举例中) |
| 配基亲和力不同 | 免疫亲和层析、凝集素亲和层析、染料亲和层析、金属螯合层析等 | |
| 密度不同 | 密度梯度离心等 |
二、等电沉淀和盐析
1、等电沉淀的原理与特点
(1)沉淀原理:某种蛋白质处于等电点时,其净电荷为零,由于这种蛋白质分子之间没有净电斥力而趋于聚集沉淀。因此在其他条件相同时,它的溶解度达到最低点(★★)。★★
(2)分离应用:当pH被调至混合蛋白质中某一成分的等电pH时,这种蛋白质的大部分或全部将沉淀下来,那些等电点不在此pH的蛋白质仍留在溶液,实现蛋白质初步分离。
(3)特点:这样沉淀出来的蛋白质保持着天然构象,能重新溶解于适当的pH和一定浓度的盐溶液中。
2、盐析:(盐溶:中性盐增加蛋白质的溶解度。蛋白质分子吸附了某种盐后互相排斥,与水分子间的相互作用加强。)
(1)盐析的定义: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,这种现象称为盐析。(★★)★★名词解释考点
(2)盐析的原理(★★):盐析作用主要是由于大量中性盐的加入使水的活度降低。原来溶液中的大部分甚至全部的自由水转变为盐离子的水化水。此时那些被迫与蛋白质分子表面的疏水基团接触并掩盖它们的水分子变成盐离子的水化水,留下暴露出来的疏水基团。随着盐浓度的增加,蛋白质疏水表面进一步暴露,由于疏水作用蛋白质聚集而沉淀(简答题考点)。★★简答题考点
(3)技术特点:最先聚集的蛋白质是表面上疏水残基最多的蛋白质。盐析法是蛋白质分离过程中最常用的方法之一。(硫酸铵最好,沉淀的蛋白质保持天然构象。)
三、有机溶剂分离
1、定义:与水互溶的有机溶剂(如甲醇、乙醇和丙酮等)能使蛋白质在水中的溶解度显著降低。
2、特点:在室温下,这些有机溶剂不仅能引起蛋白质沉淀,而且伴随着变性(:控制有机溶剂的浓度也可以分离蛋白质)。
3、原理:有机溶剂引起蛋白质沉淀的主要原因之一是改变了介电常数。(:水溶性非离子聚合物如聚乙二醇也能引起蛋白质沉淀。聚乙二醇的主要作用可能是脱去蛋白质的水化层。在聚乙二醇中的溶解度几乎与溶液中的盐浓度、pH甚至蛋白质的绝对(水中)溶解度无关)
四、透析与超滤
1、透析:利用蛋白分子不能通过半透膜的性质,使蛋白质和其他小分子物质如无机盐、单糖等分开。过程:将待纯化蛋白溶液装在半透膜的透析袋里,放入透析液(蒸馏水或缓冲液)中,透析液可更换至透析袋内小分子物质浓度降到最少为止。
2、超滤:利用压力或离心力强行使水和其他小分子物质通过半透膜而蛋白质被截留在膜上以达到
浓缩和脱盐的目的。若滤膜选择得当,还可同时进行粗分级。(:切向流过滤:指液体在泵驱动下沿与膜表面相切的方向流动,在膜上形成压力,使部分液体透过膜而另一部分液体切向流过膜表面,将被膜截留的蛋白分子冲走(反流回样品槽),避免它们在滤膜上堆积造成膜堵塞。它可对蛋白进行粗分离和除去水、小分子杂质达到浓缩样品的目的)承接上页
五、密度梯度离心
蛋白质颗粒在具有密度梯度的介质中离心时,质量和密度大的颗粒比质量和密度小的颗粒沉降得快,并且每种蛋白质颗粒沉降到与自身密度相等的介质密度梯度时,则停滞不前,最后各种蛋白质在离心管中被分离成各自独立的区带,分成区带的蛋白质可以在管底刺一个小孔,逐滴放出,分步收集。
六、凝胶过滤——大小排阻层析、分子筛(★★★)★★★
1、定义:凝胶过滤——大小排阻层析、分子筛(★★):根据多孔介质对不同大小和形状分子的排阻能力不同而分离蛋白混合物的一种方法(:名词解释考点)。★★名词解释考点
2、原理(★★★):当分子大小和形状不同的蛋白分子流经凝胶层析柱时,比凝胶孔径大的分子不能进入凝胶珠而被排阻在外,随溶剂在凝胶珠之间的空隙向下移动,流动的距离最短,先流出柱外;比凝胶孔径小的分子可不同程度地自由进入凝胶珠内外,流动距离较长,后流出柱外。同等质量的分子,线状分子在前,球状分子在后(:原理常出现在简答题中)。★★★简答题考点
3、凝胶过滤的支持介质特征:凝胶过滤所用的支持介质其内部是多孔的网状结构。凝胶的交联度或孔度(网孔大小)决定了凝胶的分级[分离]范围,即能被该凝胶分离开来的蛋白质混合物的相对分子质量范围。凝胶的粒度与洗脱流速和分辨率相关。目前经常使用的凝胶有交联葡聚糖(也叫Sephadex,常见的G-n代表交联度,后面的阿拉伯数字越大,表示交联越小,凝胶孔径越大,分子量分离范围越大,比如Sephadex G-100分离的蛋白质范围小于Sephadex G-200)、聚丙烯酰胺和琼脂糖等。
七、凝胶电泳
1、凝胶电泳的核心原理和分离依据:根据荷电分子在外电场中移动方向和移动速率不同而达到分离的技术。在外电场作用下,荷电分子向与其电荷符号相反的电极方向移动。利用介质中蛋白分子所带电荷、分子大小、形状不同而使蛋白分子在电泳体系中向不同方向以不同速率移动。
2、凝胶电泳的类型与支持介质:目前使用最广泛的区带电泳是凝胶电泳,它最常用的支持介质有聚丙烯酰胺凝胶和琼脂糖凝胶。(:凝胶电泳在用缓冲液配制的支持介质上进行。聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)适于分离蛋白质和寡核苷酸;琼脂糖凝胶电泳多用于核酸的分离)
八、等电聚焦和双向电泳(★★)★★
1、等电聚焦(IEF)(★★):★★
(1)原理:等电聚焦是在具有pH梯度(:在凝胶中加入两性电解质,在电泳过程中两性电解质不同组分分布在凝胶不同区域形成)的介质中进行的。首先利用特殊的缓冲液(两性电解质)在聚丙烯酰胺凝胶内形成一个pH梯度,电泳时每种蛋白质就将迁移到它的等电点(pI)处停止,从而实现蛋白质的分离。
(2)用途:是一种高分辨率的蛋白质分离技术,它主要用于蛋白质等电点的测定。
(3)常用凝胶介质:现在多用的凝胶介质是聚丙烯酰胺、琼脂糖和葡聚糖凝胶等。
2、双向电泳(★★):★★
(1)定义:指IEF和随后的SDS-PAGE相结合的分离技术。名词解释考点
(2)过程:蛋白质在薄胶条上用IEF进行第一次分离,再把胶条水平向铺设在PAGE上用SDS-PAGE进行第二次分离。得到的双向电泳谱上水平向分离反映pI的差别,垂直向分离反映分子质量的差别。
(3)用途:可分离分子质量相近而pI不同或pI相近而分子质量不同的蛋白分子。(:用于分离多种蛋白质中有相对分子质量接近的和等电点接近的情况)
九、离子交换层析(★★★)(:填空题、选择题、简答题考点)★★★填空题考点选择题考点简答题考点
1、离子交换层析的核心原理:根据在给定pH下蛋白净电荷符号和数量不同进行分离的层析方法。它以离子交换剂为固定相,蛋白分子对离子交换剂的结合力取决于互相之间相反电荷基团的静电相互作用,两者的电离程度取决于溶液pH。
2、常用离子交换剂类型及分类:(:记住常见的阳离子和阴离子交换剂大类,可能出在选择
题和判断题题干中)承接上页题型提示
(1)纤维素阳离子交换剂:常用的纤维素阳离子交换剂有CM-纤维素(羧甲基-,-O—CH₂COOH;弱酸型)、P-纤维素(磷酸基-,—O—PO₃H₂;中强酸型)和SE-纤维素(磺乙基-,-O—CH₂—CH₂—SO₃H;强酸型)等;离子交换层析纤维素阳离子交换剂CM-纤维素P-纤维素SE-纤维素
(2)纤维素阴离子交换剂:有AE-纤维素(氨基乙基-,-O—CH₂—CH₂—NH₂;弱碱型)、DEAE-纤维素(二乙基氨基乙基-,-O—CH₂—CH₂—N=(C₂H₅)₂;强碱型)和TEAE-纤维素(三乙基氨基乙基-,-O—CH₂—CH₂—N=(C₂H₅)₃;强碱型)等。离子交换层析纤维素阴离子交换剂AE-纤维素DEAE-纤维素TEAE-纤维素
(3)交联葡聚糖离子交换剂相比于纤维素离子交换剂的优点:它们既能根据分子的净电荷数量又能根据分子的大小(有分子筛效应)进行分离。交联葡聚糖离子交换剂净电荷分子筛效应
3、离子交换层析的洗脱方式及特点:层析洗脱可以采用保持洗脱液成分一直不变的方式洗脱,也可以采用改变洗脱剂的盐浓度或(和)pH的方式洗脱。后一种方式又可以分为两种:一种是跳跃式的分段改变;另一种是渐进式的连续改变。采用前一种方式的洗脱称为分段洗脱,后一种方式的洗脱称为梯度洗脱(:效果好,分辨率高)。离子交换层析分段洗脱梯度洗脱盐浓度pH
十、疏水相互作用层析疏水相互作用层析
1、疏水相互作用层析的核心原理:指根据蛋白表面疏水性的不同,利用蛋白和疏水层析介质疏水表面的可逆相互作用来分离蛋白的方法(:根据疏水性差别发展起来的)。疏水相互作用层析核心原理表面疏水性可逆相互作用
2、疏水相互作用层析的操作条件:疏水层析要求高盐浓度的存在以促进蛋白质分子表面的疏水区暴露;为了使吸附达到最大,可将蛋白质样品的pH调节到等电点附近,蛋白质吸附后,可以采用逐渐降低离子强度或增加pH的洗脱液进行洗脱,或使用对固定相的亲和力比对蛋白质更强的置换剂进行置换洗脱。疏水相互作用层析操作条件高盐浓度等电点置换剂
3、疏水相互作用层析的实际问题:疏水层析的问题之一是某些洗脱条件可引起蛋白质变性。另一个实际问题是它的不可预测性。疏水相互作用层析实际问题蛋白质变性不可预测性
十一、亲和层析(★★)★★亲和层析
1、定义:指根据蛋白分子对其配体分子特有的生物学亲和力建立的层析方法。亲和层析定义配体生物学亲和力名词解释
2、流程:将待纯化蛋白的特异配体共价连接到载体并装入层析柱。当蛋白混合物加入该层析柱时,待纯化蛋白与配体特异结合而吸附在层析柱上,杂蛋白对该配体无亲和力而不被吸附。通过洗涤除去杂蛋白,被特异结合的待纯化蛋白可用含游离相应配体的溶液洗脱下来。(:原理类似于免疫共沉淀)亲和层析流程特异配体共价连接游离配体洗脱
3、优点:只需要一步处理就可以将很少的蛋白质分离出来;还可以将失活的杂质去除。亲和层析优点一步纯化
4、举例和应用:凝集素亲和层析:用于糖蛋白的分离;免疫亲和层析:用于纯化抗原蛋白;金属螯合层析:用于分离含有金属的蛋白质。亲和层析凝集素亲和层析免疫亲和层析金属螯合层析
十二、高效液相层析(HPLC)高效液相层析HPLC
1、高效液相色谱的技术定位: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。HPLC技术定位
2、高效液相色谱的分离原理:同其他色谱过程一样,HPLC也是溶质在固定相和流动相之间进行的一种连续多次交换过程。它借溶质在两相间分配系数、亲和力、吸附力或分子大小不同而引起的排阻作用的差别使不同溶质得以分离。HPLC分离原理固定相流动相分配系数
2、高效液相色谱的分离流程:开始样品加在柱头上,假设样品中含有3个组分,A、B和C,随流动相一起进入色谱柱,开始在固定相和流动相之间进行分配。分配系数小的组分A不易被固定相阻留,较早地流出色谱柱。分配系数大的组分C在固定相上滞留时间长,较晚流出色谱柱。组分B的分配系数介于A,C之间,第二个流出色谱柱。若一个含有多个组分的混合物进入系统,则混合物中各组分按其在两相间分配系数的不同先后流出色谱柱,达到分离之目的。HPLC分离流程分配系数流出顺序
考点四:蛋白质相对分子质量的测定考点四相对分子质量测定测定蛋白质相对分子质量有哪些方法?各自的原理、适用条件和特点是什么?
用于和曾用于蛋白质分子质量测定的方法有多种,物理化学方法如渗透压,SDS-PAGE,凝胶过滤,沉降平衡,沉降速度、光散射和质谱等,根据化学组成可以推定最低相对分子质量。(★★)(选择题、填空题、简答题考点)★★相对分子质量测定渗透压SDS-PAGE凝胶过滤沉降平衡沉降速度光散射质谱选择题考点填空题考点简答题考点
| 测定方法 | 核心原理 | 适用条件 | 特点 |
|---|---|---|---|
| 凝胶过滤法 | 见前文 | 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;线形或可与凝胶吸附的蛋白不可用; | 待测样品纯度要求低 |
| 测定方法 | 核心原理 | 适用条件 | 特点 |
|---|---|---|---|
| SDS-PAGE法 | SDS是一种变性剂,它可以破坏蛋白分子中的氢键和疏水相互作用,而巯基苏糖醇可打开二硫键。在SDS或同时有巯基苏糖醇存在下,蛋白质或寡聚蛋白解离成的亚基的多肽链处于展开状态。SDS以其烃链与蛋白分子侧链通过疏水相互作用结合成复合体。(约每两个氨基酸结合一个SDS分子)SDS与蛋白质结合的作用:①覆盖大量负电荷,掩盖原有电荷差异;②改变蛋白分子天然构象,使大多数蛋白分子呈同样的棒状。在SDS存在条件下的电泳几乎是完全基于亚基的分子质量分离蛋白的。(★★)(名词解释、简答题考点) | 受蛋白亲水/疏水基团比例影响,进而影响SDS结合量 | 偏差较大(约10%); |
| 沉降速度法 | 沉降速率与蛋白分子的大小、形状、密度、溶液密度、黏度相关 | 偏差较大 | |
| 质谱法 | 根据质荷比测定蛋白质 | 可测定相对分子质量高达400000的生物大分子 | 精确度达0.001%~0.1%,远高于凝胶过滤法和SDS-PAGE法 |
| 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 | |||
考点五:蛋白质的含量测定和纯度鉴定考点五含量测定纯度鉴定蛋白质含量测定有哪些方法?纯度鉴定采用哪些方法和标准?
一、蛋白质的含量测定蛋白质含量测定
| 测定方法(★★) | 核心原理 | 特点(★) |
|---|---|---|
| 凯氏定氮法 | 蛋白质的元素分析中,主要含有C、H、O、N以及少量S。其中N平均含量为16%,作为凯氏定氮法测蛋白质含量的基础。蛋白质含量=蛋白氮×6.25 | 属于总蛋白质测定方法之一 |
| 双缩脲法 | 碱性条件下,蛋白质中的肽键与铜结合生成紫色复合物 | 常用于快速检测,但不准确 |
| Folin-酚试剂法 | 蛋白质中含酚羟基和巯基的氨基酸(酪氨酸、色氨酸、半胱氨酸等)还原Cu²⁺生成Cu⁺。碱性条件下,Folin-酚试剂中的磷钼酸盐-磷钨酸盐被蛋白质-Cu⁺络合物还原,产生深蓝色物质。蓝色深度与蛋白量成正相关 | 显色原理与双缩脲法相同,只是加入Folin-酚试剂以增加显色量、提高灵敏度 |
| BCA法 | 和Folin-酚法原理相同。也是还原Cu²⁺,但与Cu⁺的反应更强 | 比Folin-酚法更加精确 |
| 紫外吸收法 | 精度不高,操作容易,样品可回收,可粗略估计核酸含量 | |
| Bradford法(染料结合法) | 考马斯亮蓝-G250结合蛋白质后,最大吸收光值由488nm变为595nm | 精度很高 |
| 胶体金测定法 | 精度最高 |
特定蛋白质含量测定特定蛋白质含量测定
酶和激素类蛋白质可以分别根据酶的活性和激素的活性来测定含量。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。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。特定蛋白质含量测定酶活性激素活性抗体-抗原反应活力
二、蛋白质的纯度测定蛋白质纯度测定
蛋白质纯度鉴定(★):常采用物理化学的方法,如电泳、沉降、HPLC法和溶解度分析法。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(:选择题、填空题考点)。★纯度鉴定电泳沉降HPLC溶解度分析法等电聚焦聚丙烯酰胺凝胶电泳SDS-PAGE毛细管电泳选择题考点填空题考点
鉴定方法:(★)(:简答题考点)★纯度鉴定鉴定方法简答题考点
①N-末端分析鉴定。均一单链蛋白中N端残基仅可能有一种氨基酸;纯度鉴定N-末端分析均一单链蛋白
②在超离心沉降过程中以单一沉降速度移动;纯度鉴定超离心沉降单一沉降速度
③在一系列不同pH条件下进行电泳时均以单一电泳速度移动,其电泳图谱仅呈现一个条带或峰;纯度鉴定电泳单一条带不同pH
④在HPLC洗脱图谱上呈现出单一对称峰。纯度鉴定HPLC单一对称峰
章节题库 · A组+B组 共 55 题(C组、D组按你的要求未收录)
A■ 刷入门(A组,一轮复习)
一、选择题选择题
二、填空题填空题
B■ 刷通关(B组,二轮复习)
一、选择题选择题
二、判断题判断题
三、填空题填空题
四、大题问答题
教材原文对照4 处
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. Low-speed centrifugation is then used to remove the precipitated proteins from those remaining in solution.
纯化中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、盐浓度以及其他因素的复杂函数。某些盐存在时蛋白质的溶解度下降,这一效应称为「盐析」。硫酸铵 ((NH₄)₂SO₄) 特别有效,可以选择性地沉淀一部分蛋白质而让另一些留在溶液中。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。
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.
在极性较低的环境中,溶解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较弱。水之所以能有效屏蔽溶解离子之间的静电相互作用,是因为它具有高介电常数——这一物理性质反映了溶剂中偶极子的数目。
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.
蛋白质还可以被极端 pH、某些可与水混溶的有机溶剂(如乙醇或丙酮)、某些溶质(如尿素和盐酸胍)或去污剂所变性。这些变性剂中的每一种都属于相对温和的处理,因为多肽链中并没有共价键被破坏。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(正是这种聚集形成了球状蛋白稳定的内核)而起作用;尿素还会破坏氢键;极端 pH 则改变蛋白质的净电荷,引起静电排斥并破坏部分氢键。
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.
变性常常导致蛋白质沉淀,这是暴露出来的疏水表面彼此结合、形成蛋白质聚集体的后果。这些聚集体往往高度无序。一个例子就是煮沸蛋清后可以看到的蛋白质沉淀。在某些蛋白质中也能观察到较为有序的聚集体,后文会讲到。
教材原文对照3 处
polyacrylamide gel acts as a molecular sieve, slowing the migration of proteins approximately in proportion to their charge-to-mass ratio. 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.
(聚丙烯酰胺)凝胶起分子筛的作用,按蛋白质的荷质比大致成比例地减慢其迁移。迁移也会受到蛋白质形状的影响。在电泳中,驱动大分子移动的力是电势 E。分子的电泳迁移率 μ 是其速度 V 与电势之比。电泳迁移率也等于分子的净电荷 Z 除以摩擦系数 f,而摩擦系数部分地反映了蛋白质的形状。
of the bound SDS contribute a large net negative charge, rendering the intrinsic charge of the protein insignificant and conferring on each protein a similar charge-to-mass ratio. 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.
(结合上的 SDS 的硫酸基团)带来很大的净负电荷,使蛋白质自身固有的电荷变得无足轻重,并赋予每种蛋白质相近的荷质比。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 的蛋白质呈现出相似的棒状形态。因此,在 SDS 存在下的电泳几乎完全按质量(分子量)分离蛋白质,分子越小的多肽迁移越快。电泳之后,用考马斯亮蓝一类的染料使蛋白质显现出来,这种染料结合蛋白质而不结合凝胶本身(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质条带数目的减少,研究者就能监测蛋白质纯化的进程。把未知蛋白质在凝胶中的位置与已知分子量的蛋白质所迁移到的位置相比较,就能很好地估计出它的分子量(图 3-19)。如果蛋白质含有两个或更多不同的亚基,一般来说这些亚基会被 SDS 处理解离开,每一个亚基各出现一条带。
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.
这一技术的一个应用是免疫印迹(immunoblot)或 Western blot 分析(图 5-26b):经凝胶电泳分离的蛋白质被电转移到硝酸纤维素膜上。洗涤之后,膜依次用一抗、连有酶的二抗以及底物处理。只有在含目的蛋白质的那条带处才会形成有色沉淀。免疫印迹既能检出样品中的微量组分,又能给出它的近似分子量。
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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.
这一技术按蛋白质的等电点把它们分离开。把蛋白质混合物加到含有固相化 pH 梯度的胶条上。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 处为止。记住:当 pH = pI 时,蛋白质的净电荷为零。
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.
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)。这是一种比单用其中任何一种电泳方法都更灵敏的分析方法。
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).
蛋白质先在一条薄胶条中通过等电聚焦分离。然后把该胶条水平铺放在第二块片状凝胶上,用 SDS 聚丙烯酰胺凝胶电泳分离蛋白质。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。原有的全部蛋白质就这样在二维平面上被展开。用这一技术可以分辨数千种细胞蛋白质。单个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)。
Unknown purified proteins can be identified, and their mass can be accurately determined. When coupled to powerful peptide separation protocols, mass spectrometry can document a complete cellular proteome —defined as the entire complement of proteins in a cell, including estimates of their relative abundance — in just an hour.
未知的纯化蛋白质可以被鉴定,其质量也能被精确测定。当与强有力的肽段分离方案联用时,质谱只需一小时就能记录下一个完整的细胞蛋白质组——蛋白质组定义为细胞内全部蛋白质的总和,其中还包括对它们相对丰度的估计。
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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.
色氨酸和酪氨酸——以及程度小得多的苯丙氨酸——能吸收紫外光(图 3-6;另见框 3-1)。这解释了大多数蛋白质在 280 nm 波长处特征性的强光吸收,研究者正是利用这一性质来表征蛋白质。
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).
多种多样的生物分子都在各自特征波长处吸收光,正如色氨酸在 280 nm 处吸光一样(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。溶液在给定波长下吸收入射光的比例,与吸光层的厚度(光程)以及吸光物质的浓度有关。
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).
按国际约定,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,单位可以另行定义)。「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)。比活力是酶纯度的量度:在酶的纯化过程中比活力不断升高,当酶纯净时达到最大并保持恒定。
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.
对于不是酶的蛋白质,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,激素和毒素则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所占比例很大,不需要功能测定就能容易地提取和纯化。这些方法与蛋白质本身一样多种多样。
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By fusing the gene encoding a protein under study with the gene for an epitope tag, investigators can precipitate the protein product of the fusion gene by complexing it with the antibody that binds the epitope. This process is called immunoprecipitation (Fig. 9-18). If the tagged protein is expressed in cells, other proteins that bind to it precipitate with it. Identifying the associated proteins reveals some of the intracellular protein-protein interactions of the tagged protein.
把编码待研究蛋白质的基因与编码表位标签的基因融合,研究者就能通过让融合基因的蛋白质产物与结合该表位的抗体形成复合物,把它沉淀下来。这一过程称为免疫沉淀(图 9-18)。如果带标签的蛋白质在细胞中表达,那么与之结合的其他蛋白质也会随之一起沉淀。鉴定这些相伴沉淀的蛋白质,就揭示出带标签蛋白质在细胞内的部分蛋白质-蛋白质相互作用。
The selectivity of this approach can be enhanced with tandem affinity purification (TAP) tags. Two consecutive tags are fused to a target protein, and the fusion protein is expressed in a cell (Fig. 9-19). The first tag is protein A, a protein found at the surface of the bacterium Staphylococcus aureus that binds tightly to mammalian immunoglobulin G (IgG). The second tag is often a calmodulin-binding peptide.
这一方法的选择性可以用串联亲和纯化(TAP)标签来提高。把两个连续的标签融合到目标蛋白质上,并让融合蛋白在细胞中表达(图 9-19)。第一个标签是蛋白 A,它是金黄色葡萄球菌表面的一种蛋白质,能与哺乳动物免疫球蛋白 G(IgG)紧密结合。第二个标签常常是钙调蛋白结合肽。
In yeast two-hybrid analysis, the protein-coding regions of the genes to be analyzed are fused to the yeast gene for either the DNA-binding domain or the activation domain of Gal4p, and the resulting genes express a series of fusion proteins (Fig. 9-20). If a protein fused to the DNA-binding domain interacts with a protein fused to the activation domain, transcription is activated. The reporter gene transcribed by this activation is generally one that yields a protein required for growth or an enzyme that catalyzes a reaction with a colored product.
在酵母双杂交分析中,把待分析基因的蛋白质编码区分别与酵母 Gal4p 的 DNA 结合结构域基因或转录激活结构域基因融合,所得基因表达出一系列融合蛋白(图 9-20)。如果融合到 DNA 结合结构域上的蛋白质与融合到激活结构域上的蛋白质发生相互作用,转录就被激活。由这种激活所转录的报道基因,一般产生一种生长所必需的蛋白质,或者一种催化生成有色产物的反应的酶。
How do we know that two proteins interact, or where in the cell they interact? Changes in the state of association of two proteins (such as the R and C subunits of PKA) can be seen by measuring the nonradiative transfer of energy between fluorescent probes attached to each protein, a technique called fluorescence resonance energy transfer (FRET), which we describe in Box 12-1.
我们怎样知道两个蛋白质发生了相互作用,或者它们在细胞的什么部位相互作用?两个蛋白质(例如 PKA 的 R 亚基和 C 亚基)缔合状态的改变,可以通过测量连接在各自蛋白质上的荧光探针之间的非辐射能量转移来观察,这一技术称为荧光共振能量转移(FRET),我们在框 12-1 中加以介绍。