蛋白质的纯化课件

蛋白质的分离纯化与鉴定Isolation,PurificationandIdentificationofProtein杨学习抗体工程研究所蛋白质工程世界生命科学的圣地与分子生物学的摇篮--冷泉港实验室（TheColdSpringHarborLaboratory）分子生物学圣经—分子克隆实验指南蛋白质工程中进行蛋白质分离纯化的必要性化学修饰法对蛋白质进行修饰改造时需要单一的蛋白质作为原材料为了研究蛋白质工程的效果，需要单一的蛋白质作为实验材料研究其结构与功能为了生产性能更优良的蛋白质，需要对设计改造过的蛋白质进行大量纯化，从而开发出相关产品目录前言蛋白质纯化方法蛋白质纯化总原则及步骤总原则蛋白质纯化的步骤材料的选择与预处理蛋白质的提取蛋白质的粗分级蛋白质的细分级蛋白质的鉴定蛋白质纯化的原则蛋白质的鉴定能从成千上万种蛋白质混合物中纯化出一种蛋白质的原因是不同蛋白质在许多理化性质上有着极大的不同。这些理化性质的不同是由于氨基酸的数目和序列不同造成的。一、蛋白纯化方法1.与蛋白质分离纯化相关的理化特性分子大小分子形状带电特性溶解特性与配体特异性结合不同吸附性质变性和复性1.1分子大小大小蛋白质的分子大小主要取决于蛋白质肽链的数目及每条肽链的氨基酸残基数目。几百—百万Da常用方法透析超滤凝胶过滤离心透析法超过滤凝胶过滤超速离心1.2分子形状形状形状的不同会导致蛋白质在离心通过溶液时，或通过膜、凝胶过滤填料颗粒或电泳凝胶中的小孔运动时，都会受到它的形状的影响。方法梯度离心的影响电泳的影响1.3电荷原理蛋白质的净电荷取决于氨基酸残基所带正、负电荷总和。若天冬氨酸和谷氨酸占优势，在pH7.0时带净负电荷，称为酸性蛋白质。若赖氨酸和精氨酸占优势，在pH7.0时带净正电荷，称为碱性蛋白质。方法电泳离子交换层析1.4溶解度原理由于蛋白质分子表面亲水性和疏水性带电基团不同，因此在溶剂中的溶解度不同。方法：通过改变pH、离子强度或加入有机试剂，促进蛋白质分子的凝聚进而形成沉淀。沉淀法盐析法有机溶剂沉淀法等电点沉淀法蛋白质在高浓度中性盐溶液中会沉淀析出，称为盐析盐析原理：高浓度盐离子与蛋白质分子争夺水化水，破坏蛋白质分子表面的水膜，同时盐离子也会影响蛋白质分子所带电荷，从而引起蛋白质沉淀，但通常不会引起蛋白质的变性。硫酸铵分级沉淀有机溶剂分级沉淀等电点沉淀法1.5配体特异性结合原理生物大分子的某些特定结构能够同其他分子相互识别并结合，这种结合是特异的又是可逆的，生物分子间的这种结合能力称为亲和力。方法将具有亲和力的两个分子中的一个固定在不溶性基质上，利用分子间亲和力的特异性和可逆性对另一个分子进行分离纯化。分类免疫亲和层析生物亲和层析金属螯合亲和层析拟生物亲和层析1.6吸附性质原理方法羟基磷灰石层析疏水层析1.7变性和复性原理蛋白质在一定的理化条件下会失去原有的空间结构、生物学功能及部分理化特性等称为变性。当变性条件去除后恢复原有的空间结构及生物学功能即为复性。方法尿素变性复性从包涵体中纯化原核表达蛋白2.分离方法沉淀法离心法电泳法超滤法相分配法层析法不可能有一套统一的方法适用于分离纯化所有的蛋白质，但每一种蛋白质可能都有一套适合的分离纯化程序，而且所用的主要技术手段都基本相同。二、蛋白质纯化的总原则和纯化步骤总原则以合理的效率、速度、收率和纯度，将目标蛋白从细胞的全部其他成分特别是不想要的杂蛋白中分离出来，同时仍保留其生物学活性和化学完整性。步骤选择实验材料，实验材料预处理蛋白质的提取蛋白质的粗分级蛋白质的细分级蛋白质的鉴定蛋白质纯化的前期准备什么是最好的来源：蛋白质需要有多纯：纯化蛋白的量要多少：蛋白质应该如何进行鉴定：纯化时间应该多长:什么是最终花费：如何纯化蛋白质：关于蛋白质我们已知什么：1、选择实验材料及预处理选择实验材料物种的选择组织的选择实验材料预处理液体材料过滤离心固体材料洗涤：自来水—蒸馏水—提取缓冲液材料破碎：材料破碎机械剪碎研磨反复冻融法超声破碎法高压匀浆法酶解法2、蛋白质的提取1.提取分离原则尽可能多地提取目的蛋白，同时避免因热、pH或有机试剂、金属离子、蛋白酶等因素造成活性丢失。选择合适的pH、选择合适的离子强度选择合适的比例2、蛋白质的提取2.提取液成分的确定pH缓冲液：Tris-Hcl,Tris-Gly,Gly-Hcl,柠檬酸-柠檬酸钠离子强度：动物NaCl,植物KCl还原剂:DTT,2-巯基乙醇蛋白酶抑制剂：EDTA,PMSF,TPCK,TLCK金属离子螯合剂:EDTA,EGTA去污剂:SDS,CHAPS,TritonX-100,Tween-20甘油3.温度0-4℃3、蛋白质的粗分级使用蛋白质提取缓冲液提取实验材料后，蛋白提取液中目标蛋白质的浓度往往较低，采取一些简单的方法使目标蛋白质浓缩，同时去除大量的杂质，这些纯化方法就属于蛋白质的粗分级。硫酸铵分级沉淀、有机溶剂分级沉淀、超速离心、等电点沉淀、透析、超过滤、蛋白质结晶等。4、蛋白质的细分级粗分级只是使蛋白质得到浓缩和初步分离纯化，多数情况下还要根据蛋白质分子大小、分子形状、分子表面特征或分子带电状况进一步纯化，这就是蛋白质细分级。常用的实验技术：层析和电泳4.1.层析（chromatography）分子筛层析（Gelfiltration）离子交换层析（Ionexchange）疏水作用层析（Hydrophobicinteraction）亲和层析（Affinity）羟基磷灰石层析原理（Basicprinciple）凝胶介质PharmaciaBioGelAagaroseBioGelPacrylamideBio-RadSephadexglucose(dextrose)SepharoseagaroseSephacrylglucose+acrylamideSephacelcellulose装置（Chromatographicequipment）蠕动泵层析柱检测器记录仪部分收集器chromatographyAffinityIonexchangeHydrophobicinteractionGelfiltration4.1.1分子筛层析Gelfiltrationchromatography原理分子筛层析,也称为凝胶过滤、分子排阻层析。是以多孔性凝胶材料为支持物，当蛋白质溶液流经此支持物时，分子大小不同的蛋白质所受到的阻滞作用不同而先后流出，从而达到分离纯化的目的。凝胶介质葡聚糖（glucose）琼脂糖（agarose）聚丙烯酰胺（acrylamide）纤维素（cellulose）分子筛层析Gelfiltrationchromatography􀁺Hydrophilic􀁺Nospontaneousbindingtoproteins.􀁺Chemicallyandphysicallystable􀁺Rigidtoallowahighlinearflow-rate分子筛层析Gelfiltrationchromatography分子筛层析Gelfiltrationchromatography4.1.2离子交换层析（Ionexchange）原理蛋白质是两性分子，在一定的pH条件下带有电荷，不同的蛋白质带有的电荷的种类和数量不同，因此它们与带电的凝胶颗粒间的电荷相互作用不同。利用蛋白质和带电凝胶的作用力的差别从而把蛋白质分开的层析方法。种类阳离子交换柱：凝胶带负电荷，蛋白质带正电荷阴离子交换柱：凝胶带正电荷，蛋白质带负电荷介质惰性支持物：琼脂糖，葡聚糖带电基团：羧甲基—带负电二乙基氨基—带正电平衡离子：负电基团的平衡离子氢或钠离子正电基团的平衡离子氢氧根离子或氯离子选择离子交换介质阳离子交换阴离子交换离子交换层析（Ionexchange）4.1.3亲和层析（Affinitychromatography）原理亲合层析是利用蛋白质与配体专一性识别并结合的特性而分离蛋白质的一种层析方法。将与目标蛋白质专一性结合的配体固定于支持物上，当混合样品流过此支持物时，只有目标蛋白能与配体专一性结合，而其他杂蛋白不能结合。先用结合缓冲液洗脱杂蛋白，然后改变洗脱条件，将目标蛋白洗脱下来。AffinitychromatographyHis-亲合示意图固相载体4.1.4疏水作用层析原理蛋白质表面的疏水基团与介质的疏水配体的可逆相互作用，高浓度的盐会增强相互作用，低浓度的盐会减弱相互作用。方法高离子强度下待分离的样品吸附在疏水介质上，然后降低离子强度选择性将样品解吸，疏水弱的物质先洗脱，疏水强的物质后洗脱。4.1.5羟基磷灰石层析羟基磷灰石是一种特殊的离子交换剂，主要成分是磷酸钙。分子中含有带正电荷的钙离子和负电荷的磷酸根离子。磷酸根离子可以和带正电的蛋白质以离子键结合，可由氯化钠或磷酸钠浓度梯度洗脱。钙离子与带负电蛋白质的自由羧基以金属螯合方式结合，对氯化钠不敏感，可由磷酸钠梯度洗脱。单梯度洗脱：磷酸钠单梯度洗脱双梯度洗脱：氯化钠梯度洗脱后，低浓度磷酸钠平衡，再以磷酸钠梯度洗脱。4.2.电泳（Electrophoresis）电泳就是带电颗粒在电场作用下，向着与其电性相反的电极移动。蛋白质常用电泳技术聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）SDS—聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS--PAGE）等电聚焦电泳（Isoelectricfocusing-IEF）双向电泳（TwoDimensionalElectrophoresis）导致：1、由于SDS是阴离子，使多肽表面覆盖的负电荷远远超过蛋白质分子原有的电荷量，消除了原来的电荷差异。2、改变了蛋白质单体分子的构象，不同蛋白质的SDS复合物的短轴长度都相同，长轴长度随其分子量的大小成正比变化4.2.1SDS—聚丙烯酰胺凝胶电泳电泳法测定未知蛋白的分子量4.2.2不连续PAGE分离蛋白质的原理在不连续电泳系统中，所带电荷、分子大小和形状不同的蛋白质在凝胶中能够被分离。原理电荷效应浓缩效应快慢离子效应凝胶浓度差效应分子筛效应4.2.3等电聚焦电泳（Isoelectricfocusing—IEF）Isoelectricfocusing4.2.4双向电泳第一向通常根据蛋白质的等电点不同进行等电聚焦电泳，然后再根据分子质量的不同进行变性聚丙烯酰胺凝胶电泳作为第二向。双向电泳技术是蛋白质组学研究中蛋白质多肽链分离纯化和鉴定的主要实验技术之一。IsoelectricfocusingSDSgelelectrophoresisTwoDimensionalElectrophoresisofE.coliProteins-morethan2,000proteinswerevisualized三、蛋白纯化原则GuidelinesforProteinPurification确定目标purity,activityandquantity充分了解目的蛋白及主要杂质的理化特性tosimplifytechniqueselectionandoptimisation确定活性测定方法fastdetectionofproteinactivity/recoveryandcriticalcontaminants尽量减少纯化步骤extrastepsreduceyieldandincreasetime,combinestepslogically纯化目的确定纯化目标三、蛋白纯化原则GuidelinesforProteinPurification确定目标purity,activityandquantity充分了解目的蛋白及主要杂质的理化特性tosimplifytechniqueselectionandoptimisation确定活性测定方法fast