实验8-酶的分离纯化.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,目 录,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,目 录,主讲教师：王丹,生物技术实验室,酶化学,酶的概念：,酶是生物催化剂，是活细胞合成的具有高度催化效率和高度特异性的一类蛋白质。,知识回顾,酶促反应的特点,它遵守一般催化剂的共同性质：,1.,在化学反应前后都没有质和量的改变；,2.,只能促进热力学上允许进行的反应；,3.,只能加速可逆反应的速率，而不能改变反应的平衡点，,即不改变反应的平衡常数。,4.,酶和一般催化剂都是通过降低反应活化能而使反应速,率加快。,酶不同于一般催化剂的特点：,（一）酶的催化效率极高,通常比非催化反应高,10,8,10,12,倍；比一般催化剂高,10,7,10,13,倍。,催化剂,每摩尔需活化能,无,18 000J,胶态钯,11 700J,过氧化氢酶,2 000J,过氧化氢分解反应所需活化能,催化剂,每摩尔需活化能,无,18 000J,胶态钯,11 700J,过氧化氢酶,2 000J,（二）酶具有高度特异性,1,绝对特异性：有的酶只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应生成特定结构的产物，称之为绝对特异性（,absolute specificity,）。,2,相对特异性：大多数酶作用于一类化合物或一种化学键，这种不太严格的选择性称为相对特异性（,relative specificity,）。,3,立体异构特异性：一些酶仅能催化一种立体异构体进行反应，或其催化的结果只产生一种立体异构体，酶对立体异构物的选择性称为立体异构特异性（,stereospecificity,）。,图,5-11,乳酸脱氢酶的立体异构特异性,主要内容,单底物酶处反应动力学,酶的分离纯化,单底物酶促反应动力学,酶动力学是研究酶促反应的速度问题,，即研究各种,因素对酶促反应速度的影响。,酶动力学理论与实验在生物化学领域，特别在酶学研究中，有十分重要的作用。例如，根据某些因素对酶促反应速度的影响，可推断该酶促反应的机制。又例如，要准确测定酶活力单位，就需要对最佳反应条件及各种因素的影响进行研究。,酶促反应有单底物反应和多底物反应之分。单底物酶促反应包括异构酶、水解酶及大部分裂合酶催化的反应。,各种因素对酶反应速度的影响,2,、底物浓度,3、,pH,（最适,pH,的概念）,4,、温度,（最适温度的概念）,5,、激活剂,6,、抑制剂,1,、酶浓度,当,S,足够过量，其它条件固定且无不利因素时，,v=kE,第一节 动力学方程推导,酶反应的基本动力学关系，是指,酶反应速度与酶和底物间,的动力学关系。因为酶和底物是构成酶反应系统最基本的因素，它们决定酶反应的基本性质、酶反应的速度规律，而其他各种因素也正是通过它们产生影响的；而且，这种动力学关系是整个酶反应动力学的基础。,描写这种基本动力学关系的是,米氏方程,(Michaelis-Menten equation),。,v=v,max,S/(K,m,+S),单分子酶促反应的米氏方程及,K,m,推导,原则,：,从酶被底物饱和的现象出发，按照,“稳态平 衡”假说的设想进行推导。,米氏方程,:,米氏常数,:,米氏方程的推导,令,：,将,（,4,）,代入,（,3,）,，则,：,ES,生成速度,：,，,ES,分解速度,：,即,：,则,：,(1),经整理得,：,由于酶促反应速度由,ES,决定，即,，,所以,(2),将,（,2,）,代入,（,1,）,得,：,(3),当酶反应体系处于,恒态,时,：,当,Et=ES,时,，,(4),所以,酶反应速度与底物浓度的关系曲线,当底物浓度较低时,反应速度与底物浓度成正比。,S,V,Vmax,目 录,随着底物浓度的增高,反应速度不再成正比例加速。,S,V,Vmax,目 录,当底物浓度高达一定程度,反应速度不再增加，达最大速度。,S,V,Vmax,目 录,第二节 实验数据的处理,分析酶促反应速度的作图法,一、,Lineweaver-Burk,法,(,双倒数作图法,),将实验所得的一些初速度数据,v,和,S,取倒数，得各种,1/v,和,1/S,，将,1/v,对,1/S,作图，得一直线。该直线纵截距,1/V,max,，斜率,K,m,/V,max,，横截距,-1/K,m,。应用双倒数作图法处理实验数据求,K,m,和,V,max,等动力学常数比较方便，也是最广泛应用的一种方法，但欲要获得较准确的结果，实验时必须注意底物浓度范围，一般所选底物浓度需在,K,m,附近。,1.,下图是根据,S,在,0.33,2.0K,m,范围时的实验结果而作的双倒数图，从此图可准确地测量出,-1/K,m,和,1/V,max,等。,S,在,0.33,2.0 K,m,的范围的实验结果而作出的双倒数图。,2.,如果所选底物浓度比,K,m,大得多，则所得双倒数图的直线基本上是水平的。这种情况虽可测得,1/V,max,，但由于直线斜率近乎零，,-1/K,m,则难以测得。,S,在,3.3,20 K,m,的范围的实验结果而作出的双倒数图。,3.,如果,S,比,K,m,小得多，则所作双倒数图的直线与两轴的交点都接近原点，使,-1/K,m,和,1/V,max,，都难以测准。,S,在,0.033,0.2K,m,的范围的实验结果而作出的双倒数图。,二、其它线性作图法,1.Hanes-Woolf,作图法,即把米氏方程重排成线性方程,2.Woolf-Augustinsson-Hofstee,作图法,将米氏方程重排为线性方程：,3.Eadie-Scatchard,作图法,将米氏方程重排为线性方程,以上三种作图法也应注意选择底物浓度，不要使,S,比,K,m,高得多或低得多。,上述几种线性作图法各有其优缺点。双倒数作图法应用最广泛。但此法有两个缺点：第一，在,v,S,图上，由相等增值而给出的等距离各点，在双倒数图上变成非等距离的点，且多数点集中在,1/,v,轴附近，而远离,1/,v,轴的地方只有少数几个点，恰好这些点又正是主观目测以确定直线最权重的那些点。第二，在测定,v,时产生的小误差，当取倒数时会放大。在低底物浓度下更为敏感，因在高,1/S,值所得的一两个不准确的点，会给图的斜率带来显著误差。第一个缺点可通过选择适当的,S,，使,1/S,为等距离增值而得到克服。对第二个缺点关键要注意在低底物浓度下使所测初速度误差尽可能减小。,S/,v,对,S,作图，,S,未取倒数。另两个线性作图法，,v,未取倒数。前者对等距离,S,增值所测数据作图较双倒数法更优越。后者在低底物浓度下测定误差较大时使用，比其它方法更可靠。,三、,Eisenthal-Cornish-Bowden,作图法,这是根据米氏方程的性质而提出的一种直接作图法。该法是把,S,值标在横轴的负半轴上，而把测得的,v,值标在纵轴上，然后把相应的,v,和,S,连成直线，这样所得的一簇直线交于一点，该交点坐标为,K,m,和,V,max,。,Lee,和,Wilson,改良双倒数方程对数据的处理,改良的双倒数方程形式与双倒数方程相似，为,其中,是,t,这一段时间内的平均速度；,为反应过程中底物浓度的算术平均值。,由于积分方程对任何反应程度的数据处理都是准确的,处理实验数据的准确性如何，,用,可以通过,与,对比：,从以上计算可以看出，用改良的双倒数方程作图法处理实验数据时，即使反应已进行到,30,，所引入的误差也不过,1,左右。,很明显，如果所有酶是饱和的，而且反应显著不可逆，而且没有产物抑制的情况，用改良双倒数法处理实验数据来测定,K,m,和,V,max,，可获得准确结果。如有必要，可用捕获剂或偶联酶使产物不断移去，迫使反应不可逆，并使产物抑制成为最小。,酶促反应速度的测定与酶的活力单位,1,、测定酶促反应的速度必需测初速度,2,、酶活力,3,、,酶活力的表示方法,4,、,酶活力测定方法,：,终点法 动力学法,检测酶含量及存在，很难直接用酶的“量”（质量、体积、,浓度）来表示，而常用酶催化某一特定反应的能力来表示,酶量,，即用酶的活力表示。,酶催化一定化学反应的能力称酶活力，酶活力通常以最适条件下酶所催化的化学反应的速度来确定。,酶活力测定方法,终点法,:,酶反应进行到一定时间后终止其反应，再用化学或物理方法测定产物或反应物量的变化。,动力学法,:,连续测定反应过程中产物,底物或辅酶的变化量，直接测定出酶反应的初速度。,酶活力的表示方法,活力单位,（,active unit,）,习惯单位（,U,）,:,底物,(,或产物,),变化量,/,单位时间,国际单位（,IU,）,:,1,moL,变化量,/,分钟,Katal,（,Kat,）：,1,moL,变化量,/,秒,比活力,=,总活力单位,总蛋白,mg,数,=,U(,或,IU)mg,蛋白,量度酶催化能力大小,转换系数,（,Kcat,）,底物（,moL,）,/,秒,每个酶分子,量度酶纯度,比活力,（,specific activity,）,量度转换效率,第四,节 酶的分析和检测,一、酶促反应初速度随,E,t,的变化,酶促反应的初速度随,E,t,的变化而变化。通常在离体测定条件下，,E,t,一般为,10,-12,10,-7,mol/L,，而,S,t,为,10,-6,10,-2,mol/L,。,可将米氏方程转变为以下形式：,这样，当,S,为常数时，则初速度,v,与,E,t,成正比。但一个酶促反应速度，常因,S,的改变而改变。因此反应时间必须尽可能短，使,S,几乎处于恒态,(,即只有,5,以下的底物形成产物,),，才能得到真正的初速度，,v,与,E,t,之间的关系才会是线性的。,二、酶活力单位和比活力,是指酶在一定作用条件下，单位时间内，使底物转化的量或产物生成的量。也就是说，酶量的多少是采用其催化能力来度量；换句话说，是采用酶催化反应的速度来度量，因为在适当的条件下，,v,E,。,为了使酶单位的文献报道能统一，并具有可比性，国际酶学会议曾制订了一个标准单位：在特定条件下，,1,分钟内能转化,1,微摩尔底物所需的酶量为一个酶单位。所谓特定条件，温度定为,25,，,pH,、底物浓度等其它条件均定为最适条件。该酶单位称为国际单位,IU),。,酶制剂中的酶量一般用,U/mg,或,U/ml,等表示。,酶的比活力,(specific activity),是指每毫克蛋白中所含的酶单位数，用,U/mg,蛋白表示。,三、酶的转换数,转换数可用两种方法表示。其一是以分子活性,(molecular activity),来定义，即在最适条件下、每摩尔酶每分钟所转变的底物摩尔数,(,即每微摩尔酶的酶单位数,),。其二是许多酶为寡聚体。含几个亚基，因此可用另一种方式来表示转换数，即在最适条件下，每摩尔活性亚基或催化中心每分钟所转变的底物摩尔数。这两个值有时简单以,min,-1,表示，即：,酶的,k,p,值约在,50,10,7,min,-1,。碳酸酐酶是己知转换数最高的酶之一,(3610,6,min,-1,),。,1/,k,p,=1.7,sec,，即该酶一个催化周期为,1.7,微秒。,第五节 酶促反应的稳态前动力学,一、快反应技术,酶促反应动力学研究有两条途径：一是稳态动力学。它是监测整个反应，得到关于反应的笼统信息。二是稳态前动力学，它能更直接地研究整个反应中的基本步骤或部分反应，提供可用于分析复杂反应机制的更有效的数据，但需要特殊的仪器来测量快反应。所谓快反应，是相对于普通的混合和观察方法所需要的时间而言。完成总反应量的一半，即所谓反应半时间，为秒或更短时间，则属快反应。采用手工混合启动反应，用普通的分光光度计等仪器所能测量的反应半时间为分和小时。而酶促反应常常是反应半时间短于一秒的快反应，采用普通方法是不行的。限制仪器测定能力的主要因素有：混合样品并充满反应池所需的时间，观察和记录变化所需的,时间。快速反应动力学技术因此应运而生，并得到不断发展。目前，甚至已能测定反应半时间与分子振动和转动所需时间相当的反应。化学反应半时间不可能短于,10,-11,秒，故可认为已没有哪个化学反应是快得无法测定的。,流动法和弛豫法，是为研究溶液中快反应动力学而建立起来的方法。前者包括常流法、加速流动法、停流法和淬灭法；后者包括温度、压力、电磁场的跳变或周期性变化法等。由于这些方法采用与停流相似的液体处理系统和相同的快响应探测和数据采集系统，所以常在一台仪器上更换相应的附件实施上述多种测量，构成组合式仪器。,酶的分离纯化,酶分离纯化的目的,酶分离纯化的目的是使酶制剂产品达到应用所需的纯度。,分离纯化过程包括3个基本步骤：,1,抽提,2,纯化,3,制剂,Crude product concentration versus selling price(Dwyer,1984),某些生化物质在原料液中的浓度与价格的关系,(1984,年,),物质名,浓度,(C),价格,(P,，,),尿激酶,5,10,5,3,10,8,荧光素酶,8,10,3,2,10,6,胰岛素,4,10,1,9,10,4,头孢菌素,10,10,2,乙醇,1,10,2,3,10,1,在分离纯化中必须注意：,1,防止酶的变性失活；,2,在分离纯化过程中的每一步都 应检测酶的活性，以确定酶的 纯化程度和回收率。,第一节 酶活力的测定,几个名词,1,酶活力或酶活性,2,酶活力单位,3 mol,催化活性（分子活性）和转换,数（催化中心活力,),4,酶的比活力,酶活力（又称酶活性）(,enzyme activity)（IU/g,或,IU/mL),指酶催化一定化学反应的能力；用在一定条件下，所催化的反应初速度来表示；是研究酶的特性，酶制剂生产应用以及分离纯化时的一项必不可少的指标。,酶活力单位(,enzyme activity unit),表示酶活力大小的尺度；一个国际单位（,IU）,是指在特定条件下（25,0,C），,每分钟内转化1,mol,底物或催化形成,1,mol,产物所需的酶量一个,Kat,是指每秒钟内转化,1,mol,底物所需的酶量，1,Kat=610,7,IU。,mol,催化活性（分子活性）和转换数（催化中心活力）,mol,催化活性是指单位时间内，每个酶分子所转换的底物分子数目；转换数（,K,cat,),是指酶分子中每个活性中心所转换的底物分子数目。如果酶分子中只有一个活性中心，那么,mol,催化活性与转换数相等，如果酶分子中含有,n,个活性中心，那么转换数则为,mol,催化活性除以,n。,酶的比活力（,specific activity),酶的比活力,是酶纯度的量度，是指单位重量酶蛋白所具有的酶活力，单位为,IU/mg,。比活力越大，酶纯度越高。,酶活力的测定方法：,终止反应法,和连续反应法。,终止反应法,在恒温反应系统中，每隔一定时间，取出一定体积的反应液，用强酸强碱或,SDS,以及加热等使反应立即停止，然后用化学法、放射性化学法或酶偶联法分析产物的形成量或底物的消耗量。这是最经典的酶活力测定方法，几乎所有的酶都可以根据这一原理设计出具体的测定方法。,连续反应法,无须终止反应，而是在酶反应过程中用光化学仪器或电化学仪器等来监测反应的进行情况，对记录结果进行分析，然后计算出酶活力。,酶不可逆失活的原因和机理,蛋白质（酶）的失活机理,蛋白质不可逆失活的原因,蛋白酶水解,或自溶作用,表面活性剂,和去垢剂,聚合作用,氧化作用,机械力,变性剂,重金属离子,和巯基试剂,冷冻和脱水,热,极端,pH,蛋白质,不可逆失活,脲和胍,高浓度盐,螯合,有机溶剂,辐射作用,蛋白质的稳定化,蛋白质稳定化,蛋白质稳定化途径,如何防止蛋白质的可逆伸展,如何防止蛋白质不可逆失活反应发生,稳定蛋白质（酶）的方法,酶分离的一般流程,原料液,细胞分离,(,离心，过滤,),细胞胞内产物,路线一,路线二,细胞破碎,碎片分离,路线一,A,路线一,B,清液胞外产物,粗分离,(,盐析、萃取、超过滤等,),纯化,(,层析、电泳,),脱盐,(,凝胶过滤、超过滤,),浓缩,(,超过滤,),精制,(,结晶、干燥,),包含体,溶解,(,加盐酸胍、脲,),复性,第二节 酶溶液的制备,酶溶液的制备：,把酶从生物原料中抽提出来，作成酶溶液 酶溶液的制备包括：材料预处理及细胞破碎、抽提、净化脱色、抽体液的浓缩等几个步骤。,一、材料预处理及细胞破碎,材料预处理：,酶蛋白在细胞内外的分布有三种情况：胞外酶，胞内酶（溶酶和晶酶）。,微生物胞外酶,可以用盐析或有机溶剂沉淀等从发酵液中沉淀成酶泥,胞内酶,要先收集菌体，经细胞破碎后提取,动物材料,应先剔除结缔组织和脂肪组织等,植物材料,应去皮等以免单宁等物质着色污染,细胞破碎：,物理和化学两大类方法,1、物理破碎：,研磨（手磨，球磨和石磨），,机械捣碎（匀浆器和高速组织捣碎器等），,高压法，,爆破性减压法，,专用波振荡，,快速冷冻融化法等。,2、化学破碎：,渗透作用,自溶：,酶处理,表面活性剂,（,I）,渗透作用,将指数生长期的菌体用缓冲液洗净，并悬浮于含蔗糖和,EDTA,的稀,Tris,缓冲液中，离心，加入,MgCl,2,剧烈搅拌，可使一些水解酶从细胞内释放出来。,（,II）,自溶,向菌体中加入醋酸乙酯，甲苯，乙醚以及氯仿，使细胞渗透性改变保持一定时间后可以使细胞自溶；,（,III）,酶处理,用溶菌酶专一性地分解原核微生物细胞壁，使胞内酶释放,（,IV）,表面活性剂,膜结合的晶酶在细胞破碎后很难溶解，常借助于表面活性剂与脂蛋白形成微泡，使之溶解。,二、抽 提,大多数酶蛋白是属于球蛋白，因此，可用稀盐、稀碱或稀酸的水溶液进行抽提；,抽提液的具体组成和抽提条件的选择取决于酶的溶解性、稳定性以及有利于切断酶与其它物质的连结。,1、提取的主要方法：（1）盐溶液提取（2）酸溶液提取（3）碱溶液提取（4）有机溶剂提取,2、酶提取过程的注意事项,pH,的选择,盐的选择,温度的选择,抽提液用量,其它,pH,的选择,首先考虑酶的稳定性；其次应 远离等电点；一般选择,pH4-6,为宜。,盐的选择,大多数酶在低浓度的盐溶液 中有较大的溶解度，一般选 择等渗盐溶液，如0.02-0.05,mol/L,的磷酸缓冲液或0.15,mol/L,的,NaCl,等。,温度的选择,一般控制在0-4,0,C，,如果酶 比较稳定可以例外。,抽提液用量,常采用材料量的1-5倍,其它,加入蛋白酶抑制剂、半胱 氨酸或细胞色素,C,等，来 稳定抽提系统。,三、酶溶液的絮凝、净化与脱色,絮凝,由于发酵液黏度较大，细胞表面电荷排 斥以及多糖蛋白质等大分子物质形成的 水化层等给酶溶液的离心或过滤带来困 难；因此要用絮凝剂进行处理。,絮凝剂：多种类型 无机：如醋酸钙和磷酸钙等 有机：如聚丙烯酰胺等 天然高分子：如壳多糖等,过滤或离心净化,通过絮凝剂处理后的酶溶液经过离心或过滤将细胞碎片等固性物和杂蛋白，粘多糖，核酸以及脂类等大分子物质去除。,脱色,酶的工业生产中，常用的脱色剂为活性炭，活性炭通过吸附色素而脱色；活性炭用量一般为0.1%-1.5%。,四、酶溶液的浓缩,冷冻干燥法,蒸发法：,超过滤法：,胶过滤法：,干燥,冷冻干燥法,先将酶溶液冻成固体，然后在真空状态下使水分子从固体表面直接升华。,蒸发法,目前工业上采用较多的是薄膜蒸发法，在高度真空状态下使酶溶液转变为极薄的液膜，通过加热而迅速汽化，经旋风式汽液分离器达到浓缩的目的。,超过滤法,将酶溶液通过只允许小分子物质通过的微孔滤膜，大分子的酶蛋白被截留而达到浓缩的目的。,胶过滤法,利用,Sephadex G-250,或,G-50,吸水膨胀，而酶蛋白被排阻在胶的外面。,其它方法,吸水剂如用聚乙二醇(,PEG),处理小量样品。,干燥,将固体、半固体或浓缩液中水分（或其他溶剂）除去一部分，以获得含水量较少的固体过程。,方法：真空干燥、冷冻干燥、喷雾干燥、气流干燥、吸附干燥,第三节 酶分离纯化的基本过程,一、酶分离纯化方法的选择,目前酶的分离纯化方法都是根据酶与杂蛋白的性质差异而建立的，在选择分离纯化方法时，要考虑以下几个方面：,首先对待纯化的酶的理化性质有比较全面的了解；,以酶活力和比活力为标准，判断所选择的方法是否得当；,严格控制操作条件，防止酶的变性失活。,选择生物分离方法的依据,1,物理化学性质,2,生物体系的特性,3,能用作分离和纯化依据的蛋白质性质,1.,物理化学性质,分子大小、分子量、分子体积、极性、偶极矩、熔点、沸点、汽化热、离子电荷、溶解度参数、折射率、表面张力、介电常数、密度、粘度、酸碱强度、,pK,值、等电点,(,pI),等等。物质之间得以分离的主要依据就是组分间的物化性质的差异。,在涉及具有生物活性物质的体系中，有关这方面的数据与化工产品相比要少得多，严重影响了生物分离过程的有效进行。因此，生物体系的物化性质的研究应成为一个重点。,2.,生物体系的特性,对一些有生物活性的物质，不是能够用一般的物化性质来表达的，这就需要了解这些物质的生物特性，特别要知道影响生物特性变化的条件和这些物质失活的因素，包括溶剂、,pH,值、温度等等。这种保持生物质特性不至于改变的措施就是所谓的稳定性维持。,3.,能用作分离和纯化依据的蛋白质性质,能从混合物中分离和纯化出一种蛋白质是因为不同蛋白质有着不同的物理和化学性质。这些性质是由于蛋白质的氨基酸数目和序列不同造成的。连接在多肽主链上的氨基酸残基可以是,带正电荷的或带负电荷的、极性的或非极性的、亲水性的或疏水性的,。,此外，多肽可折叠成非常确定的二级结构,(,螺旋、,折叠和各种转角,),和三级结构，形成独特的大小、形状和残基在蛋白质表面的分布状况。利用待分离蛋白质与混合物中其它蛋白质之间在性质上的差异，即能设计出一组合理的分级分离步骤。,酶分离纯化方法,根据分子大小建立的分离纯化方法,根据溶解度建立的分离纯化方法,根据电荷性质建立的分离纯化方法,根据亲和作用建立的分离纯化方法,根据稳定性差异建立的分离纯化方法,一、根据分子大小建立的分离纯化方法,透析,超过滤,离心,凝胶过滤等。,1,、透 析,(Dialysis),法：,过程,：将酶溶液装入透析袋中，放入蒸馏水或稀缓冲液中，小分子物质通过透析袋进入水或缓冲液中，而蛋白质被截留在透析袋中；,透析袋类型,：有两种，再生纤维素膜透析袋和纤维素酯透析袋。有多种型号和规格，主要参数是分子量截留值（,1,10,2,D,）；商品名为,spectrapor,等。,透析袋的预处理,：干燥的透析袋在制备过程中曾用,10%,甘油处理过，只要浸泡湿润和蒸馏水洗涤即可使用；必要时可用,10mmol/L,碳酸氢钠，,50%,乙醇和,10mmol/L EDTA,处理后，再用蒸馏水洗涤。,透析袋,酶溶液,蒸馏水,透析装置和过程,2,、超过滤,利用压力或离心力强行使溶质按大小形状的差异分开，将所需的酶分子被滤膜截留，而其它较小的分子随溶剂被压到膜的另一侧。,超滤膜,制备超滤膜的材料多是高分子聚合物（如聚砜类，聚四氟乙烯等；目前有圆形和卷式等多种超滤膜类型；主要参数是截留分子量，耐受压力和滤速和有效过滤面积等；主要商品型号有,Amicon Diaflo,系列等。,超滤器类型,有管式，中空纤维式，螺旋卷绕式和平板式四种类型。,加压,酶溶液,超滤膜,支持栅板,超滤液,超滤装置,3,、离心法,离心是借助于离心机旋转所产生的离心力，使不同大小和不同密度的物质分开的技术。,（,1,）离心机的种类和用途（,2,）沉降系数,S,（,3,）离心方法的选择,差速离心 密度梯度离心 等密度离心,（,4,）离心条件的确定,离心力 离心时间 离心温度和,pH,值,梯度离心,密度梯度,在离心管内的分布是管底的密度最大,向上逐渐减小,蔗糖,便宜，纯度高，浓溶液（,60,，,w/w,）密度可达,1.28g/cm,3,。,聚蔗糖,的商品名是,Ficoll,，它是由蔗糖和,1-,氯,-2,3-,环氧丙烷合成的高聚物，,Mr,约,400000,。,需要高密度和低渗透压的梯度时，可用,Ficoll,代替蔗糖。,4,、凝胶过滤法,原理,：又称分子筛层析，在层析柱中填充凝胶介质，加入待分离的酶溶液，然后用适当的缓冲液洗脱，样品自上而下扩展，大于凝胶孔径的分子不能进入胶粒内部而从胶粒间空隙扩展，下移速度较快，而小于凝胶孔径的分子进入胶粒内部，下移速度较慢，经过一定时间后不同大小分子按先大后小的顺序从层析柱中流出。,凝胶过滤,凝胶过滤,Tubes march in from left,A,280,Fraction#,部分使用的担体,目前使用最广泛的担体材料：,交联后的葡聚糖凝胶,聚丙烯酰胺,琼脂,其它物料,二、根据溶解度建立的分离方法,1,、,盐析,(Salting Out),法,2,、,降低介电常数法（有机溶剂沉淀 法）,3,、,等电点沉淀法,4,、共沉淀法,5,、,选择性沉淀法：,1,、,盐析法,最常用的是硫酸铵。盐浓度以饱和度表示，饱和盐溶液的饱和度为,100%,。调整盐浓度有两种方法：加入饱和硫酸铵溶液（蛋白质溶液体积不大时）和直接加入固体硫酸铵（蛋白质溶液体积较大时）。,加入饱和硫酸铵：,100ml,溶液中，由饱和度,S,1,变为,S,2,，应向其中加入的饱和硫酸铵溶液的,ml,数,V=V,0,（,S,1,-S,2,）,/,（,1-S,2,）。,直接加入固体硫酸铵可以直接查“调整硫酸铵溶液饱和度计算表”。,2,、降低介电常数法（有机溶剂沉淀法）,降低介电常数方法 在酶溶液中加入与水互溶的有机溶剂，可以降低介电常数，使酶分子间的静电引力增加而发生沉淀。,影响介电常数的主要因素：,温度,有机溶剂,离子强度,pH,值：,温度：,在,0,下进行操作；有机溶剂必须冷至,-15-20,，边搅拌边缓慢加入，沉淀析出后迅速离心分离，并用预冷缓冲液溶解沉淀。,有机溶剂：,常用的有机溶剂有丙酮，乙醇，甲醇，异丙醇等,离子强度,大多数中性盐在低浓度时能增加酶蛋白的溶解并减少变性，在有机溶剂沉淀中加入,510%,（,0.05mol,）的硫酸铵有助于提高分辨率。,pH,值,尽可能接近酶的等电点,pI,3,、,等电点沉淀法,酶在等电点处容易发生沉淀,4,、共沉淀法,一些大分子非离子型聚合物如聚乙二醇（,PEG,）,聚乙烯亚胺（,PEI,）单宁酸，硫酸链霉素以及表面活性剂（,SDS,）等在一定条件下可以直接或间接与蛋白质形成络合物而沉淀析出,再用适当的方法使酶溶解出来。,5,、,选择性沉淀法：,有些多聚电解质可以在极低浓度下选择性地与某些酶结合而形成沉淀。如聚丙烯酸（,PAA,）可以与某些蛋白酶，溶菌酶和磷酸酯酶等形成沉淀。分离过程如下：,PAA+,酶 酶,PAA-,酶,+Ca,2+,PAA-Ca,2+,+,酶,PAA-Ca,2+,+SO,4,2-,CaSO,4,+PAA,三、按蛋白质电荷性质设计的分离方法,1,、吸附法,（,1,）物理吸附法（,2,）羟基磷灰石法（,3,）离子交换吸附法,-,离子交换色谱法,2,、,电泳法（,1,）区带电泳（,2,）等点聚焦电泳,（,3,）高效毛细管电泳（,4,）聚焦层析,（,1,）物理吸附法,(,不介绍,),（,2,）羟基磷灰石法,羟基磷灰石是一种微晶型磷酸钙；一般认为其表面的钙离子和磷酸根离子与蛋白质带相反电荷的基团发生相互作用；在低盐和弱酸或中性条件下进行吸附；洗脱时提高离子强度；多采用柱层析方式进行。,（,3,）离子交换吸附法,离子交换色谱法,利用带电荷的离子交换剂为载体，将带相反电荷的蛋白质吸附，然后在一定条件下洗脱下来。,离子交换层析过程：,离子交换剂的预处理,平衡,装柱,加样吸附,洗脱,洗脱液收集与相应检测,离子交换剂的再生,离子交换剂,一般由高分子支持介质（母体）和功能基团（离子交换基）两部分组成。,离子交换剂应满足下列要求：,（,1,）,有高度的不溶性,，即在各种溶剂中进行交换时，交换剂不发生溶解,（,2,）,有疏松的多孔结构或巨大的表面积,，使交换离子能在交换剂中进行自由扩散和交换,（,3,）,有较多的交换基团,（,4,）,有稳定的物理化学性质,，在使用过程中，交换剂不能因物理或化学因子的变化而发生分解和变形等现象。,离子交换剂的,3,种类型,根据高分子支持介质的性质,离子交换树脂,离子交换纤维素,离子交换球型多糖,(,如葡聚糖凝胶和琼脂糖凝胶等,),。,2,、电泳法,在直流电场中，由于各种蛋白质分子所带电荷不同，移动速度不同，形成各自的区带，用显色剂如,Coomassie Blue,染色后，可以在支持物上看到蛋白质的颜色谱带，每条带代表一种蛋白质。,基本原理,蛋白质是两性电解质，在一定,pH,下，可解离成带电荷的离子，在电场作用下可以向与其电荷相反的方向的电极泳动，泳动速度主要取决于蛋白质分子所带电荷的性质、数量及颗粒的大小和形状。,由于各种蛋白质的等电点（,pI,）不同，分子量不同，在同一个,pH,缓冲溶液中所带电荷不同，故在电场中的泳动速度也不同，利用此性质，可将混合物中不同蛋白质分离开，也可用其对样品的纯度进行鉴定。,双向电泳-1,双向电泳-2,双向电泳-3,电泳法（,1,）区带电泳（,2,）等点聚焦电泳,（,3,）高效毛细管电泳,（,1,）区带电泳,在惰性支持物上进行电泳时样品中各组分迁移速度不同而分布成区带的一类电泳分离方法,按支持物的物理性状可分为,3,种类型：,膜电泳,粉末电泳,凝胶电泳,膜电泳,以滤纸、聚酰胺薄膜，醋酸纤维薄膜等为支持物的一类电泳分离方法。,粉末电泳,以淀粉、纤维素粉或硅胶粉等为支持物的分离方法。,凝胶电泳,以聚丙烯酰胺为支持物，兼有分子筛效应。,区带电泳的优点,分辨率较好,设备简单,操作方便,（,2,）等点聚焦电泳,利用两性电解质在直流电场中形成一个连续的,pH,梯度，样品中各种蛋白质在各自的等电点在相应的,pH,区段聚集而达到分离的目的。,等电聚焦电泳,高效毛细管电泳,毛细管电泳,是在内径为,25100,m,的石英毛细,管中进行电泳，毛细管中填充了缓冲液或凝胶。,使用毛细管的一个,优点,是,:,它减少了由于热效应产生的许多问题，因为管的孔径小，面积与体积之比大，这样可以提高热散失，有助于消除由于热引起的扩散增加而造成的对流和区带变宽，因此管中不需要加入稳定介质即可进行自由流动电泳。,聚丙烯酰胺凝胶电泳,聚丙烯酰胺凝胶电泳（,polyacrylamide gel electrophoresis,，,PAGE,）是以聚丙烯酰胺作为支持物的一种电泳方法。,PAGE,方法成了研究蛋白质和核酸等大分子物质的重要工具之一,.,实践中可根据不同目的选择所需的类型。,一般单向,PAGE,多用于分离具有活性的生物物质，,而双向或梯度,PAGE,则宜用于较难分离鉴别的生物大分子物质。,如果在,PAGE,时加入适量十二烷基磺酸钠（,SDS,）可用于测定蛋白质的分子质量；,如果,PAGE,与等电聚焦相结合时，可用于分析蛋白质的等电点。,除这些用途外，,PAGE,还可用于制备少量的纯度高、有活性的生物大分子物质,聚丙烯酰胺凝胶具有三维网状结构，电泳颗粒通过网状结构的空隙时受到摩擦力的作用，摩擦力的大小与样品颗粒的大小呈正相关。,基本原理,聚丙烯酰胺凝胶,丙烯酰胺（,acrylamide Acr,）单体（,monomer,）,N,，,N-,甲叉双丙烯酰胺（,N,N-methylene-bis acrylamide,，,Bis,）交联剂（,crosslinker,）,聚合交联,原理：,当向蛋白质溶液中加入足够量,SDS,和巯基乙醇,，,SDS,能破坏蛋白质分子中的氢键和疏水作用，使蛋白质变性而改变原有的构象，特别是强还原剂硫基乙醇的存在，使蛋白质分子内的二硫键还原，从而保证蛋白质与,SDS,结合形成带负电荷的,蛋白质,-SDS,复合物,。,SDS,聚丙烯酰胺凝胶电泳,蛋白质在聚丙烯酰胺凝胶中电泳时，它的迁移率取决于,如果加入一种试剂消除电荷、形状等因素的影响，使电泳迁移率只取决于分子的大小，就可以用电泳技术测定蛋白质的分子量。,净电荷,分子的大小,形状,等因素,（,SDS-PAGE,）的主要用途是,蛋白质分子 量的测定,蛋白质混合组分的分离,蛋白质亚基组分的分析等,四、根据亲和作用建立的纯化方法,根据亲和作用建立的纯化方法,由于酶对底物，竞争性抑制剂,辅酶等配体具有较高的亲和力，而其它杂蛋白对这些配体则没有或有很弱的亲和作用，因此，可以根据酶与杂蛋白对配体亲和力的差异，很容易地将酶分离出来。,目前已经建立的方法有,亲和层析法,和,亲和电泳法,等。,1,、,亲和层析法,亲和层析的核心是,亲和吸附剂,，它是由固相载体和能与目的酶专一可逆结合的配体共价结合而成的。将亲和吸附剂填充层析柱，让酶液流过层析柱，则目的酶就能迅速而选择性地吸附在亲和吸附剂上，用适当的溶液进行洗涤，除去一些非专一性的杂蛋白后，再用浓度高的或亲和力更强的配体溶液进行亲和洗脱目的酶便可被洗脱出来。,亲和层析中的配体构成示意图,Matrix,:,for ligand attachment,should be chemically and physically inert.,Spacer arm,:,improve binding between ligand and target molecule by overcoming any effects of steric hindrance.,Ligand,:,molecule that binds reversibly to a specific target molecule or group of target molecules.,亲和体系的种类,体系,类 型,高特异性体系,抗原,单克隆抗体,荷尔蒙,受体蛋白,核酸,互补碱基链段、核酸结合蛋白,酶,底物、产物、抑制剂,群特异性体系,免疫球蛋白,蛋白,A,、蛋白,G,酶,辅酶,凝集素,糖、糖蛋白、细胞、,细胞表面受体,酶、蛋白质,肝素、活性染料、,过渡金属离子、氨基酸,亲和配基,(1),酶的抑制剂,(2),抗体,(3),蛋白,A,(4),凝集素,(5),辅酶和磷酸腺苷,(6),三嗪类染料,(7),过渡金属离子,(8),组氨酸,(9),肝素,亲和层析-1,亲和层析-2,亲和层析-3,亲和层析过程示意图,1.,用缓冲液平衡亲和介质,2.,样品中的目标分子被连接到亲和介质上，它们具有特异性吸附，但吸附是可逆的，可被洗脱下来。,3.,改变洗脱液可将目标分子洗脱下来，如通过改变,pH,值、离子强度、极性等。,4.,亲和介质用缓冲液重新平衡,亲和层析过程示意图,Equilibration,adsorption of sample and elution of unbound material,Wash away unbound material,elute bound protein(s),re-equilibration,Column Volumes(cv),2,、,亲和电泳,将亲和配体共价偶联于电泳凝胶上，由于亲和作用，待分离的酶与配体结合后，在电泳中不再移动，而其它杂蛋白不与配体结合，使目的酶分离出来。,五、根据稳定性的差异建立的分离纯化方法,1,、,热变性法,2,、,酸碱变性法,3,、,表面变性法,1,、,热变性法,根据目的酶与杂蛋白热稳定性差异，可以在较高温度下，使杂蛋白变性沉淀，而酶则保持可溶状态。,2,、,酸碱变性法,与热变性原理类似，目的酶与杂蛋白的酸碱稳定性不同，可以调整不同的,pH,使杂蛋白变性沉淀。,3,、,表面变性法,可将酶溶液与惰性液体混合，振荡造成表面变性；如在酶液中加入氯仿，振荡后通常可分为,3,层：上面为未变性的酶，中层为乳浊状的变性蛋白，下层为氯仿。,作业题：,1.名词解释：酶的抽提、膜分离技术、离子交换层析、凝胶层析、凝胶点泳、酶的结晶、酶的回收率和提纯倍数,2.酶分离纯化的基本环节有哪些？,3.酶液制备的过程有哪些？,4.细胞破碎的方法有哪些？,5.说明有机溶剂沉淀分离法的优缺点。,6.酶的结晶方法有哪些？,7.分析说明酶分离纯化的应用方法（概念、原理和过程）。,