蛋白质分类

第五节蛋白质的分类、提取、分离及测定蛋白质种类繁多，结构复杂，目前有几种分类方法，作一介绍。一、根据分子形状分类根据蛋白质分子外形的对称程度可将其分为两类。1、球状蛋白质球状蛋白质（globularproteins）分子比较对称，接近球形或椭球形。溶解度较好，能结晶。大多数蛋白质属于球状蛋白质，如血红蛋白、肌红蛋白、酶、抗体等。2、纤维蛋白质纤维蛋白质（fibrousproteins）分子对称性差，类似于细棒状或纤维状。溶解性质各不相同，大多数不溶于水，如胶原蛋白、角蛋白等。有些则溶于水，如肌球蛋白、血纤维蛋白原等二、根据化学组成分类根据化学组成可将蛋白质分为两类。（一）简单蛋白质简单蛋白质（simpleproteins）分子中只含有氨基酸，没有其它成分。1、清蛋白清蛋白（albumin）又称白蛋白，分子量较小，溶于水、中性盐类、稀酸和稀碱，可被饱和硫酸铵沉淀。清蛋白在自然界分布广泛，如小麦种子中的麦清蛋白、血液中的血清清蛋白和鸡蛋中的卵清蛋白等都属于清蛋白。2、球蛋白球蛋白（globulins）一般不溶于水而溶于稀盐溶液、稀酸或稀碱溶液，可被半饱和的硫酸铵沉淀。球蛋白在生物界广泛存在并具有重要的生物功能。大豆种子中的豆球蛋白、血液中的血清球蛋白、肌肉中的肌球蛋白以及免疫球蛋白都属于这一类。3、组蛋白组蛋白（histones）可溶于水或稀酸。组蛋白是染色体的结构蛋白，含有丰富的精氨酸和赖氨酸，所以是一类碱性蛋白质。4、精蛋白精蛋白（protamines）易溶于水或稀酸，是一类分子量较小结构简单的蛋白质。精蛋白含有较多的碱性氨基酸，缺少色氨酸和酪氨酸，所以是一类碱性蛋白质。精蛋白存在于成熟的精细胞中，与DNA结合在一起，如鱼精蛋白。5、醇溶蛋白醇溶蛋白（prolamines）不溶于水和盐溶液，溶于70%～80%的乙醇，多存在于禾本科作物的种子中，如玉米醇溶蛋白、小麦醇溶蛋白。6、谷蛋白类谷蛋白（glutelins）不溶于水、稀盐溶液，溶于稀酸和稀碱。谷蛋白存在于植物种子中，如水稻种子中的稻谷蛋白和小麦种子中的麦谷蛋白等。7、硬蛋白类硬蛋白（scleroproteins）不溶于水、盐溶液、稀酸、稀碱，主要存在于皮肤、毛发、指甲中，起支持和保护作用，如角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白、丝蛋白等。（二）结合蛋白质（conjugatedproteins）结合蛋白质（conjugatedproteins）是由蛋白质部分和非蛋白质部分结合而成。主要的结合蛋白有六种：1、核蛋白非蛋白部分为核酸称核蛋白（nucleoprotein）。核蛋白分布广泛，存在于所有生物细胞中。2、糖蛋白非蛋白部分为糖类称糖蛋白（glycoprotein）。糖蛋白广泛存在于动物、植物、真菌、细菌及病毒中。3、脂蛋白蛋白质和脂类结合构成脂蛋白（lipoprotein）。在脂蛋白中，脂类和蛋白质之间以非共价键结合。脂蛋白广泛分布于细胞和血液中。4、色蛋白蛋白质和某些色素物质结合形成色蛋白（chromoprotein）。非蛋白质部分多为血红素，所以又称为血红素蛋白。5、金属蛋白金属蛋白（metalloprotein）是一类直接与金属结合的蛋白质，如铁蛋白含铁；乙醇脱氢酶含锌，黄嘌呤氧化酶含钼和铁等。6、磷蛋白磷蛋白（phosphoprotein）类分子中含磷酸基，一般磷酸基与蛋白质分子中的丝氨酸或苏氨酸通过酯键相连。如酪蛋白、胃蛋白酶等都属于这类蛋白。三、根据溶解度分类1、可溶性Pro可溶于水、稀中式盐、稀碱。如精Pro、清Pro。2、醇溶性Pro不溶于水，稀盐，溶于70~80%的乙醇，如玉米醇溶蛋白、小麦醇溶蛋白。3、不溶性Pro不溶于水、中式盐、稀酸、碱和有机溶剂，如角蛋白、纤维Pro。近年来，有些学者还根据Pro的生物学功能进行分类，把Pro分为：酶、运输Pro、营养Pro、贮存Pro、结构Pro等。四、蛋白质的分离纯化及含量测定大多数蛋白质在组织细胞中都是和核酸等生物分子结合在一起，而且每种类型的细胞都含有成千上万种不同的蛋白质。许多蛋白质在结构、性质上有许多相似之处，所以蛋白质的分离提是一项复杂的工作。到目前为止，还没有一套现成的方法能把任何一种蛋白质从复杂的混合物中提取出来。但是对于任何一种蛋白质都有可能选择一种较合适的分离纯化程序以获得高纯度的制品。且分离的关键步骤、基本手段还是共同的。蛋白质提纯的目的是增加产品的纯度和产量，同时又要保持和提高产品的生物活性。因此，要分离纯化某一种蛋白质，首先应选择一种含目的蛋白质较丰富的材料。其次，应设法避免蛋白质变性，以制备有活性的蛋白质。对于大多数蛋白质来说，纯化操作都是在0～4℃的低温下进行的。同时也应避免过酸、过碱的条件以及剧烈的搅拌和振荡。另外，还要设法除去变性的蛋白质和其它杂蛋白，从而达到增加纯度和提高产量的目的。1、原料的选择选取适当的含该种蛋白质量丰富的食品或其它材料2、预处理及细胞破碎分离提纯某一种蛋白质时，首先要把蛋白质从组织或细胞中释放出来并保持原来的天然状态，不丧失活性。所以要采用适当的方法将组织和细胞破碎。常用的破碎组织细胞的方法有：⑴机械破碎法这种方法是利用机械力的剪切作用，使细胞破碎。常用设备有，高速组织捣碎机、匀浆器、研钵等。⑵渗透破碎法这种方法是在低渗条件使细胞溶胀而破碎。⑶反复冻融法生物组织经冻结后，细胞内液结冰膨胀而使细胞胀破。这种方法简单方便，但要注意那些对温度变化敏感的蛋白质不宜采用此法。⑷超声波法使用超声波震荡器使细胞膜上所受张力不均而使细胞破碎。⑸酶法如用溶菌酶破坏微生物细胞等。3、蛋白质的抽提通常选择适当的缓冲液溶剂把蛋白质提取出来。抽提所用缓冲液的pH、离子强度、组成成分等条件的选择应根据欲制备的蛋白质的性质而定。清蛋白可用水来提取；球蛋白可以用中性盐溶液提取；谷蛋白可用稀酸或稀碱提取；醇溶液谷蛋白则用适当浓度的乙醇来提取等。为了有利于提取，可用较低或较高的pH值的提取液。许多种子蛋白只有在pH高时才溶解,因此可以用稀碱提取。必须注意提取时所用的溶剂量要适当，否则将增加回收产品的困难。在提取过程中，通常要保持低温，因为细胞内有蛋白水解酶，这种酶在组织匀化以后是活化的，能降解要分离的蛋白质。因此，必须保持低温，降低降解酶的作用。一般接近0℃时提取。如膜蛋白的抽提，抽提缓冲液中一般要加入表面活性剂（十二烷基磺酸钠、tritonX-100等），使膜结构破坏，利于蛋白质与膜分离。在抽提过程中，应注意温度，避免剧烈搅拌等，以防止蛋白质的变性。4、蛋白质粗制品的获得选用适当的方法将所要的蛋白质与其它杂蛋白分离开来。比较方便的有效方法是根据蛋白质溶解度的差异进行的分离。常用的有下列几种方法：⑴等电点沉淀法不同蛋白质的等电点不同，可用等电点沉淀法使它们相互分离。⑵盐析法不同蛋白质盐析所需要的盐饱和度不同，所以可通过调节盐浓度将目的蛋白沉淀析出。被盐析沉淀下来的蛋白质仍保持其天然性质，并能再度溶解而不变性。⑶有机溶剂沉淀法中性有机溶剂如乙醇、丙酮，它们的介电常数比水低。能使大多数球状蛋白质在水溶液中的溶解度降低，进而从溶液中沉淀出来，因此可用来沉淀蛋白质。此外，有机溶剂会破坏蛋白质表面的水化层，促使蛋白质分子变得不稳定而析出。由于有机溶剂会使蛋白质变性，使用该法时，要注意在低温下操作，选择合适的有机溶剂浓度。5、纯化即样品的进一步分离纯化用等电点沉淀法、盐析法所得到的蛋白质一般含有其他蛋白质杂质，须进一步分离提纯才能得到有一定纯度的样品。常用的纯化方法有：凝胶过滤层析、离子交换纤维素层析、亲和层析等等。有时还需要这几种方法联合使用才能得到较高纯度的蛋白质样品。⑴凝胶过滤法凝胶过滤又叫分子筛分离法。它主要是利用具有网状结构的凝胶的分子筛作用，根据被分离物质的分子大小不同来进行分离的。该方法适用于水溶性高分子物质如蛋白质、酶、核酸、激素等的分离纯化。此法有如下的优点：(1)、分离条件温和，因此，不稳定的分子也能用此法分离。（2）、样品回收率高，几乎可达100%。（3）、实验的重复性高。（4）、完成操作的时间相对来说比较短，所需要的设备简便、经济。凝胶过滤法所用的材料是多孔性的网状结构物质，其孔隙有一定的大小。大分子不能通过孔隙进入颗粒内部，因而很快地通过颗粒之间大孔隙排出凝胶柱，小分子能够进入颗粒内部，而在柱中受阻滞。如果继续使缓冲液（或水）通过凝胶柱，它们要在较晚的时间排出凝胶柱。因此分子筛的概念恰恰与普通筛相反，它允许大颗粒通过而保持住小颗粒，因此能使大小不同的蛋白质分子通过凝胶彼此分开。⑵离子交换层析法离子交换层析是一种常用的分离纯化的方法。最常用的是使用各种类型的离子交换剂的柱层析法。离子交换剂是通过化学反应将带电基团引入到惰性支持物上形成的。如果带电基团带负电，则能结合阳离子，称为阳离子交换剂；如果带电基团呈正电，则能结合阴离子，称为阴离子交换剂。离子交换剂通常制成带有预定的离子化基团的树脂小颗粒。但是，对于蛋白质的分离纯化，通常使用各种改良的纤维离子交换剂。这是经过化学处理而附加上各种离子化基团的纤维，例如阴离子交换剂DEAE——纤维素（即二乙氨乙基纤维素）和阳离子交换剂CM——纤维素（羧甲基纤维素）等。对于蛋白质分子既带正电荷，也带负电荷，所以阴、阳离子交换剂均能结合。如果提高pH，这些分子带负电；降低pH，则带正电；在等电点处，分子含相等数目的正、负电荷。这个性质对蛋白质的纯化有很大的好处。例如，可以将蛋白质混合物的pH调到某一点，在此pH下，所要的那个蛋白质在溶液中带正电荷，这时，如果混合物在阳离子交换剂上层析，则很多阳离子蛋白质就可除去。此后，提高pH，将所要蛋白质溶液中变成负电荷，再在阴离子交换剂上层析，这样又可除去好多阴离子成分。应当指出，即使混合物的pH不能改变，连续在阴、阳离子交换剂上层析，也能得到很大程度的纯化。⑶电泳法电泳的方法很多，已经为鉴定生物大分子并分析它们的纯度的基本工具。此法是根据蛋白质分子具有可电离的基团，在溶液中能够形成带电荷的离子，因而，它们在电场的作用下就会发生移动。由于各种蛋白质分子所带静电荷的多少不同，使蛋白质达到纯化。五、测定生物样品中蛋白质含量测定生物样品中蛋白质含量的方法有：凯氏定氮法、双缩脲法、苯酚试剂法、紫外光谱吸收法以及双缩脲——苯酚试剂联合法。经典方法是凯氏定氮法：将样品与浓硫酸共热，含氮有机物即分解产生氨，氨又与硫酸作用，生成硫酸铵，此过程称作“消化”。然后经强碱碱化使硫酸铵分解放出氨，借蒸汽将氨蒸馏出来，用硼酸吸收，根据此酸液被中和的程度，即可计算出样品的含氮量。从总氮量换算成粗蛋白质含量。一般按蛋白质含氮量16%计算，粗蛋白质%=N%×6.25。如果已知某种生物材料蛋白质的确切含氮量，则蛋白质换算系数就不用6.25。