生化技術(shù) 課件 第一章 生命大分子物質(zhì)的制備

第一章

生命大分子物質(zhì)的制備生物大分子

(biomacromolecule)通常是指動(dòng)物、植物和微生物在進(jìn)行新陳代謝時(shí)產(chǎn)生蛋白質(zhì)和核酸等有機(jī)化合物的總稱。特點(diǎn)：具有較大的分子量、由簡單的小分子排列組成、具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)、生物大分子的生物活性由結(jié)構(gòu)決定。闡明生物大分子復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系是生物學(xué)的主要任務(wù)。

在自然科學(xué)，尤其是生命科學(xué)高度發(fā)展的今天，蛋白質(zhì)、酶和核酸等生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能的研究是探求生命奧秘的中心課題。生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的研究，必須首先解決生物大分子的制備問題，沒有能夠達(dá)到足夠純度的生物大分子的制備工作為前題，結(jié)構(gòu)與功能的研究就無從談起。生物大分子的分離純化與制備是一件十分細(xì)致而困難的工作。生物大分子的制備有以下主要特點(diǎn)：與化學(xué)產(chǎn)品的分離制備相比較：⑴蛋白質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，分子差異大導(dǎo)致分離、純化和鑒定有難度和特殊性；核酸較之要簡單。⑵通常以復(fù)合物的形式存在，提取分離困難。⑶許多生物大分子離開了生物體環(huán)境就極易失活，因此分離過程中如何防止其失活，是生物大分子提取制備最困難之處。⑷許多生物大分子在生物材料中的含量極微，分離純化的步驟繁多，流程長。⑸生物材料的組成極其復(fù)雜，常常包含有數(shù)百種乃至幾千種化合物，方法的通用性較差。正是這些特點(diǎn)致使蛋白質(zhì)的分離純化和分析的難度極大。生物大分子制備的一般過程：①根據(jù)要制備的生物大分子的目的和要求，選擇和處理合適的材料。②確立可靠的分析測定方法，這是制備生物大分子的關(guān)鍵。③有效成分的抽提。④粗品的純化。⑤純品的鑒定（純度、量）。⑥產(chǎn)物的濃縮、干燥和保存。①在水和各種有機(jī)溶劑中的溶解性。②在不同溫度、pH值和各種緩沖液中生物大分子的穩(wěn)定性。③各種物理性質(zhì)：如分子的大小、穿膜的能力、帶電的情況、在電場中的行為、離心沉降的表現(xiàn)、在各種凝膠、樹脂等填料中的分配系數(shù)。首要了解生物大分子的理化性質(zhì)：④固態(tài)時(shí)對溫度、含水量和凍干時(shí)的穩(wěn)定性。⑤其他化學(xué)性質(zhì)：如對各種蛋白酶、水解酶的穩(wěn)定性和對各種化學(xué)試劑的穩(wěn)定性。⑥對其他生物分子的特殊親和力。蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)蛋白質(zhì)的兩性電離和等電點(diǎn)蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)的變性、復(fù)性、沉淀和凝固蛋白質(zhì)的紫外吸收目前純化蛋白質(zhì)等生物大分子的關(guān)鍵技術(shù)是電泳、層析和離心三大技術(shù)。材料的選擇與處理第一節(jié)

制備生物大分子，首先要選擇適當(dāng)?shù)纳锊牧?。材料的來源無非是動(dòng)物、植物和微生物及其代謝產(chǎn)物。所選用的材料主要依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膩泶_定。選擇的材料應(yīng)含量高、來源豐富、制備工藝簡單、成本低。一、材料的選擇有效成分：指欲純化的某種單一的生命大分子物質(zhì)。雜質(zhì)：有效成分以外的其他物質(zhì)的統(tǒng)稱。例一：胰島素的提取含量：牛胰腺>豬胰腺來源：豬>牛成本：牛>豬

綜合結(jié)果：選用豬胰腺作為材料。例二：酸性磷酸酶分離純化與活性測定含量：小麥的胚芽中含量高材料盡可能保持新鮮，盡快加工處理，以防有效成分降解、破壞，必要時(shí)可冷凍、干燥處理。1、動(dòng)物組織

必須選擇有效成份含量豐富的臟器組織為原材料，先進(jìn)行絞碎、脫脂等處理后在適當(dāng)?shù)娜軇┲刑崛?，如果所要求的成分在?xì)胞內(nèi)，則要先破碎細(xì)胞。

二、材料的處理冰凍-70℃保存?zhèn)溆幂^好干燥

2、植物材料

必須清洗,去殼，脫脂，并注意植物品種和生長發(fā)育狀況不同，其中所含生物大分子的量變化很大，另外與季節(jié)性關(guān)系密切。如葉片:直接洗凈植物種子:泡脹或粉碎

3、微生物：種類多，繁殖快、培養(yǎng)簡便、易誘變、不受季節(jié)的影響，是常用的材料。應(yīng)注意它的生長期。在微生物的對數(shù)生長期，酶和核酸的含量較高，可以獲得高產(chǎn)量。以微生物為材料時(shí)有兩種情況：（1）微生物菌體分泌到培養(yǎng)基中的代謝產(chǎn)物和胞外酶等（2）菌體含有的生化物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、核酸和胞內(nèi)酶等另外，對預(yù)處理好的材料，若不立即進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，應(yīng)冷凍保存；對于易分解的生物大分子應(yīng)選用新鮮材料制備；第二節(jié)

確立測定方法一、目的與要求生物大分子的兩個(gè)重要特征：極易失活和含量極微測定方法應(yīng)該：

簡便、靈敏、準(zhǔn)確、快速、專一分析測定的方法主要有兩類：即生物學(xué)和物理化學(xué)的測定方法。生物學(xué)的測定法主要有：酶的各種測活方法、蛋白質(zhì)含量的各種測定法、免疫化學(xué)方法、放射性同位素示蹤法等；二、常用的測定方法物理、化學(xué)方法主要有：比色法、氣相色譜和液相色譜法、光譜法（紫外／可見、紅外和熒光等分光光度法）、電泳法、以及核磁共振等。實(shí)際操作中盡可能多用儀器分析方法，以使分析測定更加快速、簡便。1、光譜法不同的生命大分子物質(zhì)與相應(yīng)波長的光會發(fā)生特定的作用，依據(jù)作用結(jié)果可推斷出被測物質(zhì)的含量和部分理化性質(zhì)，這類測定方法為光譜法。所需的樣品量少、操作簡單、反應(yīng)迅速、靈敏廣泛用于物質(zhì)的含量測定。紫外光譜法、可見光光譜法、熒光光譜法、濁度法紫外光譜法利用某些生物大分子具有吸收紫外光的性質(zhì)而建立的一種方法。將一定濃度的待測物溶液，通過某一特定波長的紫外分光光度計(jì)，測定此溶液的消光值即可換算出待測物的濃度。1.測定核酸含量2.測定蛋白質(zhì)的含量及純度芳香族氨基酸的紫外吸收測定核酸\蛋白質(zhì)的含量:

OD260=1.0相當(dāng)于

50μg/ml雙鏈DNA40μg/ml單鏈DNA（或RNA）

20μg/ml寡核苷酸測定核酸\蛋白質(zhì)的純度:DNA純品:OD260/OD280=1.8RNA純品:OD260/OD280=2.0可見光光譜法有色物質(zhì)溶液的顏色與其濃度有關(guān)。溶液的濃度越大，顏色越深。利用光學(xué)比較溶液顏色的深度，可以測定溶液的濃度。可見光光譜法是基于有色溶液對光的選擇性吸收而建立起來的一種分析方法。將待測物與相關(guān)試劑或酶作用后的有色產(chǎn)物置于相應(yīng)的可見光波長下，即測定其消光值。例如：測定某一蛋白質(zhì)溶液的濃度方法：蛋白質(zhì)與相關(guān)試劑（如雙縮脲試劑）作用后產(chǎn)生特定顏色的物質(zhì)（紫色絡(luò)合物），紫色絡(luò)合物顏色的深淺與蛋白質(zhì)濃度成正比，于波長540nm處進(jìn)行比色測定。最后與標(biāo)準(zhǔn)品比對即可計(jì)算出該待測蛋白質(zhì)溶液的濃度

利用有些生命大分子物質(zhì)自身可以吸收特定光波的能量后，發(fā)出熒光的特性而建立的一種方法。精確性重復(fù)性靈敏度比吸收光譜法好熒光光譜法濁度法主要用于懸浮液的測定。測定懸浮液在不被吸收的波長下表現(xiàn)的消光值。不被吸收，主要是散射、反射。光譜法電化學(xué)法生物活性檢測法免疫分析法生物傳感器吸收光譜法熒光法濁度法直接測定法比色法第三節(jié)細(xì)胞的破碎不同的生物體或同一生物體的不同部位的組織，其細(xì)胞破碎的難易不一，使用的方法也不相同。如動(dòng)物臟器的細(xì)胞膜較脆弱，容易破碎，植物和微生物由于具有較堅(jiān)固的纖維素、半纖維素組成的細(xì)胞壁，要采取專門的細(xì)胞破碎方法。一、機(jī)械破碎1.研磨法：將剪碎的動(dòng)物組織置于研缽或勻漿器中，加入少量石英砂研磨或勻漿。2.組織搗碎器法：這是一種較劇烈的破碎細(xì)胞的方法，通?？上扔眉矣檬称芳庸C(jī)將組織打碎，然后再用10000r/min～20000r/min的內(nèi)刀式組織搗碎機(jī)(即高速分散器)將組織的細(xì)胞打碎。

注意溫度的影響二、物理法：1.超聲波法：此法是借助超聲波的振動(dòng)力破碎細(xì)胞壁和細(xì)胞器。破碎微生物細(xì)菌和酵母菌時(shí)，時(shí)間要長久一些。2.壓榨法：這是一種溫和的、徹底破碎細(xì)胞的方法。在1.77×108Pa～3.54×108Pa的高壓下使細(xì)胞懸液通過一個(gè)小孔突然釋放至常壓，細(xì)胞將徹底破碎。3.凍融法：將待破碎的細(xì)胞冷至－15℃到－20℃，然后放于室溫(或40℃)迅速融化，如此反復(fù)凍融多次，由于細(xì)胞內(nèi)形成冰粒使剩余胞液的鹽濃度增高而引起細(xì)胞溶脹破碎。三、化學(xué)與生物化學(xué)方法：1.自溶法：將新鮮的生物材料存放于一定的pH和適當(dāng)?shù)臏囟认?，?xì)胞結(jié)構(gòu)在自身所具有的各種水解酶（如蛋白酶和酯酶等）的作用下發(fā)生溶解，使細(xì)胞內(nèi)含物釋放出來。2.溶脹法：細(xì)胞膜為天然的半透膜，在低滲溶液和低濃度的稀鹽溶液中，由于存在滲透壓差，溶劑分子大量進(jìn)入細(xì)胞，將細(xì)胞膜脹破釋放出細(xì)胞內(nèi)含物。3.有機(jī)溶劑處理法：利用氯仿、甲苯、丙酮等脂溶性溶劑或SDS（十二烷基硫酸鈉）等表面活性劑處理細(xì)胞，可將細(xì)胞膜溶解，從而使細(xì)胞破裂，此法也可以與研磨法聯(lián)合使用。4.酶解法：利用各種水解酶，如溶菌酶、纖維素酶、蝸牛酶和酯酶等，于37℃，pH8，處理15分鐘，可以專一性地將細(xì)胞壁分解。

第四節(jié)抽提一、抽提抽提：指用適當(dāng)?shù)娜軇┖头椒?，從原料中把有效成分分離出來的過程。是在分離純化之前將經(jīng)過預(yù)處理或破碎的細(xì)胞置于溶劑中，使被分離的生物大分子充分地釋放到溶劑中，并盡可能保持原來的天然狀態(tài)不丟失生物活性。提取時(shí)所選擇的條件應(yīng)有利于目的產(chǎn)物溶解度的增加和保持其生物活性。影響提取的因素主要有：目的產(chǎn)物在提取的溶劑中溶解度的大??；由固相擴(kuò)散到液相的難易；溶劑的pH值和提取時(shí)間等。二、抽提有效成分的影響因子稀鹽溶液和緩沖液對蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性好，溶解度大，是提取蛋白質(zhì)和酶最常用的溶劑。1)pH值：蛋白質(zhì)、酶與核酸的溶解度和穩(wěn)定性與pH值有關(guān)。過酸、過堿均應(yīng)盡量避免，一般控制在pH=6～8范圍內(nèi)，提取溶劑的pH應(yīng)在蛋白質(zhì)和酶的穩(wěn)定范圍內(nèi)，通常選擇偏離等電點(diǎn)的兩側(cè)。遠(yuǎn)離等電點(diǎn)的pH值，溶解度增加。通常，堿性物質(zhì)易溶于酸性溶劑，酸性物質(zhì)易溶于堿性溶劑。2)溶劑的極性和離子強(qiáng)度：離子強(qiáng)度對生物大分子的溶解度有極大的影響，有些物質(zhì)，如DNA-蛋白復(fù)合物，在高離子強(qiáng)度下溶解度增加。有些蛋白質(zhì)和酶，在低離子強(qiáng)度的溶液中有較大的溶解度，如在純水中加入少量中性鹽，蛋白質(zhì)的溶解度比在純水時(shí)大大增加，稱為“鹽溶”現(xiàn)象。為了提高提取效率，有時(shí)需要降低或提高溶劑的極性。向水溶液中加入蔗糖或甘油可使其極性降低；增加離子強(qiáng)度（如加入KCl、NaCl、NH4Cl或(NH4)2SO4）可以增加溶液的極性。通常，極性物質(zhì)易溶于極性溶劑，非極性物質(zhì)易溶于非極性溶劑。

相似相溶3)水解酶：無論用哪一種方法破碎組織細(xì)胞，都會使細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)或核酸水解酶釋放到溶液中，使大分子生物降解，導(dǎo)致天然物質(zhì)量的減少。加入抑制劑或調(diào)節(jié)提取液的pH、離子強(qiáng)度或極性等方法使相應(yīng)的水解酶失去活性，防止它們對欲提純的蛋白質(zhì)、酶及核酸的降解作用。

加入二異丙基氟磷酸（DFP）可以抑制或減慢自溶作用；加入碘乙酸可以抑制那些活性中心需要有疏基的蛋白水解酶的活性；加入苯甲磺酰氟化物（PMSF）也能清除蛋白水解酶活力；還可通過選擇pH、溫度或離子強(qiáng)度等，使這些條件都要適合于目的物質(zhì)的提取。4)溫度：為防止變性和降解，制備具有活性的蛋白質(zhì)和酶，提取時(shí)一般在0℃～5℃的低溫操作。溫度升高，溶解度加大。5)攪拌：攪拌能促使被提取物的溶解，一般采用溫和攪拌為宜，速度太快容易產(chǎn)生大量泡沫，增大了與空氣的接觸面，會引起酶等物質(zhì)的變性失活。6)氧化：因?yàn)橐话愕鞍踪|(zhì)都含有相當(dāng)數(shù)量的巰基，有些巰基常常是活性部位的必需基團(tuán)。若提取液中有氧化劑或與空氣中的氧氣接觸過多都會使巰基氧化為分子內(nèi)或分子間的二硫鍵，導(dǎo)致酶活性的喪失。在提取液中加入少量巰基乙醇或半胱氨酸以防止巰基氧化。還有金屬離子、提取液的比例等因素第五節(jié)濃縮1.沉淀法:沉淀是溶液中的溶質(zhì)由液相變成固相析出的過程。沉淀法（即溶解度法）操作簡便，成本低廉，不僅用于實(shí)驗(yàn)室中，也用于某些生產(chǎn)目的的制備過程，是分離純化生物大分子，特別是制備蛋白質(zhì)和酶時(shí)最常用的方法。通過沉淀，將目的生物大分子轉(zhuǎn)入固相沉淀或留在液相，而與雜質(zhì)得到初步的分離。2.吸咐法:

通過吸咐劑直接收除去溶液中溶液分子使之濃縮所用的吸咐劑必需與溶液不起化學(xué)反應(yīng)，對生物大分子不吸附，易與溶液分開。常用的吸收劑有聚乙二醇，聚乙稀吡咯酮、蔗糖和凝膠等。3.超濾:超濾法是使用一種特別的薄膜對溶液中各種溶質(zhì)分子進(jìn)行選擇性過濾的方法，液體在一定壓力下（氮?dú)鈮夯蛘婵毡脡海┩ㄟ^膜時(shí)，溶劑和小分子透過，大分子受阻保留。最適于生物大分子尤其是蛋白質(zhì)和酶的濃縮或脫鹽，并具有成本低，操作方便，條件溫和，能較好地保持生物大分子的活性，回收率高等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵在于膜的選擇，不同類型和規(guī)格的膜，水的流速，分子量截止值（即大體上能被膜保留分子最小分