蛋白質分離和純化
蛋白質分離和純化
研究到最後還是要看基因表達產物,無論是用於檢測還是用於棉衣保護,都需要將表達出的蛋白質分離和純化,然而蛋白質性質各異,故純化方法不同,現共享一些基本的純化方法,以饗讀者:
蛋白質的一級、二級、三級和四級結構決定了它的物理、化學、生物化學、物理化學和生物學性質，綜述了不同蛋白質之間的性質存在差異或者改變條件是使之具有差異，利用一種同時多種性質差異，在兼顧收率和純度的情況下，選擇蛋白質提純的方法。
蛋白質在組織或細胞中一般都是以複雜的混合物形式存在，每種類型的細胞都含有成千種不同的蛋白質。蛋白質的分離和提純工作是一項艱巨而繁重的任務，到目前為止，還沒有一個單獨的或一套現成的方法能把任何一種蛋白質從複雜的混合物中提取出來，但對任何一種蛋白質都有可能選擇一套適當的分離提純程序來獲取高純度的製品。
蛋白質提純的總目標是設法增加製品純度或比活性，對純化的要求是以合理的效率、速度、收率和純度，將需要蛋白質從細胞的全部其他成分特別是不想要的雜蛋白中分離出來，同時仍保留有這種多肽的生物學活性和化學完整性。
能從成千上萬種蛋白質混合物中純化出一種蛋白質的原因，是不同的蛋白質在它們的許多物理、化學、物理化學和生物學性質有著極大的不同，這些性質是由於蛋白質的氨基酸的序列和數目不同造成的，連接在多肽主鏈上氨基酸殘基可是荷正電的、荷負電的、極性的或非極性的、親水的或疏水的，此外多肽可摺疊成非常確定的二級結構（α螺旋、β摺疊和各種轉角）、三級結構和四級結構，形成獨特的大小、形狀和殘基在蛋白質表面的分布狀況，利用待分離的蛋白質與其它蛋白質之間在性質的差異，即能設計出一組合理的分級分離步驟。
可依據蛋白質不同性質與之相對應的方法將蛋白質混合物分離：
1 分子大小
不同種類的蛋白質在分子大小方面有一定的差別，可用一些簡便的方法，使蛋白質混合物得到初步分離。
1.1透析和超濾
透析在純化中極為常用，可除去鹽類（脫鹽及置換緩衝液）、有機溶劑、低分子量的抑製劑等。透析膜的截留分子量為5000左右，如分子量小於10000的酶液就有泄露的危險，在純化中極為常用，可除去鹽類、有機溶劑、低分子量的抑製劑等。超濾一般用於濃縮和脫色。
1.2離心分離置換緩衝液
許多酶富集於某一細胞器內，勻漿後離心得得到某一亞細胞成分，使酶富集10~20倍，再對特定的酶進行純化。差速離心，解析度較低，僅適用於粗提或濃縮。速率區帶法，如離心時間太長所有的物質都會沉澱下來，故需選擇最佳分離時間，可得到相當純的亞細胞成分用於進一步純化，避免了差速離心中大小組分一起沉澱的問題，但容量較小，只能用於少量製備。等密度梯度離心常用的離主介質有蔗糖、聚蔗糖、氯化銫、溴化鉀、碘化鈉等等。
1.3 凝膠過濾
這是根據分子大小分離蛋白質混合物最有效的方法之一，注意使要離的蛋白質分子量落在凝膠的工作範圍內。選擇不同的分子量凝膠可用於脫鹽、置換緩衝液及利用分子量的差異除去熱源。
2 形狀
蛋白質在離心通過溶液運動時，或通過膜、凝膠過濾填料顆粒或電泳凝膠中的小孔運動時，都會受到形狀的影響：對兩種相同質量的蛋白質而言，球狀蛋白質具有較小的有效半徑（斯托克半徑），通過溶液沉降時遇到的摩擦力小，沉降較快而顯得比其它形狀的蛋白質大；反之，在體積排阻色譜時，斯托克半徑較小的球狀蛋白質更容易擴散進入凝膠過濾填料顆粒內部，較遲洗脫出來，因而顯得比其它形狀的蛋白質要小。
3 溶解度
利用蛋白質的溶解度的差別來分別各種蛋白質常用的方法。影響蛋白質溶解度的外界因素很多，其中主要有：溶液的pH、離子強度、介電常數和溫度，但在同一的特定外界條件下，不同的蛋白質具有不同的溶解度。適當改變外界條件，控制蛋白質混合物中某一成分的溶解度。
3.1 pH控制和等電點沉澱
蛋白質在其等電點一般較不易溶解。
3.2 蛋白質的鹽溶和鹽析
3.3 有機溶劑分級法
蛋白質在不同的溶劑中的溶解度有很大不同，從基本不溶（＜10μg/ml）直至極易溶解（＞300mg/ml）不等。影響蛋白質溶解度的可變因素包括溫度、pH、溶劑的極性、離子性質和離子強度。引起蛋白質沉澱的有機溶劑的濃度不同，故控制有機溶劑的濃度可分離蛋白質。
水溶性非離子聚合物如聚乙二醇也能引起蛋白質的沉澱。
3.4 溫度
不同的蛋白質在不同的溫度具有不同的溶解度和活性。大多數蛋白質在低溫下比較穩定，故分離操作一般在0℃或更低溫度下進行。
4 電荷
蛋白質凈電荷取決於氨基酸殘基所帶的正負電荷的總和，如中性溶液中帶凈負電荷則稱為酸性蛋白質。
4.1 電泳
不僅是分離蛋白質混合物和鑒定蛋白質純度的重要手段，而且也是研究蛋白質性質很有用的方法。
等電聚焦解析度很高，pI有0.02pH的差異就能分開。
2D-PAGE分離蛋白質解析度已經發展到100000個蛋白點。
4.2 離子交換層析
改變蛋白質混合物溶液中的鹽離子強度、pH和（陰、陽）離子交換填料，不同蛋白質對不同的離子交換填料的吸附容量不同，蛋白質因吸附容量不同或不被吸附而分離。
洗脫可採用保持洗脫劑成分一直不變，也可採用改變洗脫劑的鹽度或pH的方法洗脫，後一種可分分段洗脫和梯度洗脫。梯度洗脫一般效果好，解析度高，特別是使用交換容量小，對鹽濃度敏感的離子交換劑，多用梯度洗脫。控制洗脫劑的體積（與柱床體體積相比）、鹽濃度和pH，樣品組分能從離子交換柱上分別洗脫下來。
蛋白分子暴露在外表面的側鏈基團的種類和數量不同，故在一定的PH值和離子強度的緩衝液的所帶的電荷不同。
5 電荷分布
電荷的氨基酸殘基可均勻地分布於蛋白質的表面，既可以適當的強度與陽離子交換柱結合也能以適當強度與陰離子結合，因多數蛋白質都有不能在單一的溶劑條件下同時與兩種類型的離子交換柱結合，故可得用此性質純化；電荷的氨基酸殘基亦可成簇分布，使某一區域帶強正電荷而另一區域帶強負電荷，呈強酸性或強鹼性，只能在極端pH與陽離子交換樹脂或陰離子交換樹脂結合，如鈣調蛋白只能在pH2時與陽離子交換樹脂結合。
6 疏水性
多數疏水性的氨基酸殘基藏在蛋白質的內部，但也有一些在表面。蛋白質表面的疏水性氨基酸殘基的數目和空間分布決定了該蛋白質是否具有與疏水柱填料結合從而利用它來進行分離的能力。
因其廉價和純化後的蛋白質具有生物活性，是一種通用性的分離和純化蛋白質的工具。高濃度鹽水溶液中蛋白質在柱上保留，在低鹽或水溶液中蛋白質從柱上被洗脫，故特別適用於濃硫酸銨溶液沉澱分離後的母液以及該沉澱用鹽溶解後的含有目標產品的溶液直接進樣到柱上，當然也適用7mol/鹽酸胍或8mol/L脲的大腸桿菌的治療蛋白質提取液直接進樣到柱上，在分離的同時也進行了復性。
7 密度
多數蛋白質的密度在1.3~1.4g/cm3之間，分級分離蛋白質時一般不常用此性質，不過對含有大量磷酸鹽或脂質的蛋白質與一般蛋白質在密度上明顯不同，可用密度梯度法離心與大部分蛋白質分離。
8 基因工程構建的純化標記
通過改變cDNA在被表達的蛋白的氨基端或羧基端加入少許幾個額外氨基酸，這個加入的標記可用來作為一個有效的純化依據。
8.1 GST融合載體
使要表達的蛋白質和谷胱甘肽S轉移酶一起表達，然後利用Glutathione Sepharose 4B作親和純化，再利用凝血酶或因子Xa切開。
8.2 蛋白A融合載體
使要表達的蛋白和蛋白A的IgG結合部位融合在一起表達，以IgG Sepharose純化。
8.3 含組氨酸標記（Histidine-tagged）Chelating Sepharose
最通行的標記之一，是在蛋白質的氨基端加上6~10個組氨酸，在一般或變性條件（如8M尿素）下藉助它能與Ni2+螯合柱緊緊結合的能力，用咪唑洗脫，或將pH降至5.9使組氨酸充分質子化，不再與結合Ni2+使之得以純化。
重組蛋白在設計、構建時已融入純化構想。樣品多夾雜了破碎細胞或可溶產物，擴張床吸附技術STREAmlINE適合做粗分離。
9 親和能力
結合效率高，分離速度快的特點。配基可是酶的底物、抑製劑、輔因子、特異性的抗體。
吸附後可改變緩衝液的離子強度和pH的方法，將目標蛋白洗脫下來，也可用更高濃度的同一配體溶液或親和力更強的配體溶液洗脫。
親和層析固定相的配基與生物分子之間的特殊的生物大分子親和能力不同來進行相互分離的，依親和選擇性的高低分為：基團性親和層析，固定相上的配基對一類基團的極強的親和力。如含有糖基的一類蛋白質或糖蛋白對三嗪染料顯示特彆強的吸附能力；高選擇性（專一性）親和層析，配基僅對某一種蛋白質有特彆強的親和性。如單克隆抗體對抗原的特異性的吸附。
親和層析除特異性的吸附外，仍然會因分子的錯誤認別和分子間非選擇性的作用力而吸附一些雜蛋白質，另洗脫過程中的配體不可避免的脫落進入分離體系。
與超濾結合起來，將兩者優點集中形成超濾親和純化，具有高分離效率和大規模工業化的優點，適用於初分離。
按配基的不同可分為：
（1）金屬螯合介質
過渡金屬離子Cu2＋、Zn2＋和Ni 2＋等以亞胺絡合物的形式鍵合到因定相上，由於這些金屬離子與色氨酸、組氨酸和半胱氨酸之間形成了配價鍵，從而形成了亞胺金屬—蛋白螯合物，使含有這些氨基酸的蛋白被這種金屬螯合親和色譜的固定相吸附。螯合物的穩定性受單個組氨酸和半胱氨酸解離常數所控制，從而亦受流動相的pH和溫度的影響，控制條件可以使不同蛋白質相互分離。
（2）小配體親和介質
配體有精氨酸、苯甲醯胺、鈣調因子、明膠、肝素和賴氨酸等等。
（3）抗體親和介質
即免疫親和層析，配體有重組蛋白A和重組蛋白G，但蛋白A比蛋白G專一，蛋白G能結合更多不同源的IgG。
（4）顏料親和介質
染料層析的效果除主要取決於染料配基與酶的親和力大小外，還與洗脫緩衝液的種類、離子強度、PH值及待分離的樣品的純度有關。配體有Cibacron Blue和Procion Red兩種。在一定的條件下，固定化的染料能起陽離子交換劑的作用，為了避免此現象的發生，最好要離子強度小於0。1和PH大於7時操作。
（5）外源凝集素親和介質
配體有刀豆球蛋白、扁豆外源凝集素和麥芽外源凝集素，固相外源凝集素能和數種糖類殘基發生可逆反應，適合純化多糖、糖蛋白。
10 非極性基團之間作用力
溶質分子中的非極性基團與非極性固定相間的相互作用力（非選擇性分散力或倫敦力）大小與溶質分子極性基團與流動力相中極性分子在相反方向上相互作用力的差異進行分離。因其流動相中的置換劑是極性小於水的有機溶劑（如甲醇、乙腈、四氫呋喃等），這些有機溶劑可能使許多蛋白質分子產生不可逆的變性；流動相中須有離子對試劑（如三氟乙酸、甲酸、磷酸等）存在才可使分離有效地進行和獲得高的質量回收率；分離須在酸性介質中進行（一般pH在2~3之間），又有一些蛋白質會在後兩種條件下產生不可逆的分子構象變化，故在生物大分子中人分離純化中受到限制，但分子構象變化可逆的蛋白質而言是有效的方法。
正相色譜在生物大分子中的分離和純化中應用相對較少，因所用的溶劑很貴。
11 可逆性締合
在某些溶液條件下，有一些酶能聚合成二聚體、四聚體等，而在另一種條件下則形成單體，如相繼在這兩種不同的條件下按大小就可以進行分級分離。
12 穩定性
12.1 熱穩定性
大多數蛋白質加熱到95℃時會解摺疊或沉澱，利用這一性質，可容易地將一種經這樣加熱後仍保持其可溶性活性的蛋白質從大部分其它細胞蛋白質中分離開。
12.2 蛋白酶解穩定性
用蛋白酶處理上清液，消化雜蛋白，留下抗蛋白酶解抗性蛋白質。
13 分配係數
即利用雙水相萃取分離，常用的生物物質分離體系有：聚乙二醇（PEG）/葡聚糖（DEXTRAN）、PEG/磷酸鹽、PEG/硫酸銨等。由於具有含水比例高、選用的聚合物及鹽對酶無毒性、分離設備與化學工業通用等優點，在工業上目益受重視。
分配行為受聚合物分子大小、成相濃度、PH、無機鹽種類等因素影響，
發展：具有親和雙水相萃取及膜分離雙水相萃取等新型雙水相分離技術。
雙向水溶液系統的蛋白質純化
一些與水混合多聚物的不相溶性導致依賴於多聚物濃度的兩相系統的液-液分配技術，可以由兩不同的高水溶性的多聚物或一種多聚物各一種鹽，用於從微生物勻漿中除支細胞碎片、後續分配步驟進一步純化。分離的選擇性一般隨著分離分子或顆粒大小面增加。
14 表面活性
14.1 泡沫分離
蛋白質溶液具有表面活性，氣體在溶液中鼓泡，氣泡與液相主體分離，在塔頂富集，達到分離和濃縮的目的。
14.2 反膠團相轉移法
反膠團相轉移法是80年代興起的一種新型分離技術，它利用表面活性劑分子在有機溶劑中自發形成的反向膠團（反膠團），在一定條件下將水溶性蛋白質分子增溶進反膠團的極性核（水池）中，再創造條件將蛋白質抽提至另一水相，實現蛋白質的相轉移，達到分離和提純蛋白質的目的。反膠團中的蛋白質分子受到周圍水分子和表面活性劑極性頭的保護，仍保持一定的活性，甚至表現出超活性。由於蛋白質增溶於反膠團與蛋白質所帶電荷及反膠團內表面電荷間的靜電作用及反膠團的大小有關，因而表面活性劑的種類、水溶液的pH值及離子強度等因素均影響反膠團對蛋白質的相轉移。據報道利用AOT/異辛烷反膠團對酵母脂肪酶進行相轉移。
14.3 聚合物-鹽-水液-固苯取體系
他是90年代在國內開發的種新的萃取體系，成功地用於萃取金屬離子及卞果酸脫氫酶等生物活性物質較強的吸附及乳化作用等缺陷，成相容易成相後直接傾出液相即可使液固的相分離，勿需特殊技術處理，不用有機溶劑，無毒性，成相聚合物及鹽對生物活性物質有穩定和保護作用，萃取分離選擇性好消耗低、易於規模放大的分離生隊物活件物質的新技術在聚乙二醇修飾物的聚乙二醇/葡聚糖雙水相萃取體系共價作用：主要用於含巰基酶的純化，通過共價鍵結合在層析介質上，偶聯是可逆的，能還原二硫鍵的低分子化合物洗脫，如空間位阻，可在含變性劑的緩衝液時吸附，如已含二硫鍵，則先用還原劑打開。
總結：不管是何種分離方法都是根據目標蛋白的特性來實現的，因此我們要想選擇合適的蛋白分離方法，不妨從研究目標蛋白的特性開始。
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