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1、实验四 提纯的菠萝蛋白酶的分子量的鉴定 SDS-PAGE 一 目的： 1 、学习和掌握电泳（ PAGE 和 SDSPAGE ）的基本原理及电泳技术。 2 、熟练掌握 SDSPAGE 有关试剂配制的技术。 二.原理： 电泳 的概念： 带电粒子在电场中向与其自身带相反电荷的电极移动，这种现象称为电泳 (electrophoresis ，简称 EP) 。用电泳技术分离、分析蛋白质、酶、核酸等生物大分子，有较高的分辨率，目前已成为生物科学研究中必不可少的手段之一。 影响电泳的主要因素 泳动速度是一个物理常数，可用来鉴定蛋白质、核酸等物质以及研究它们的一些性质。影响泳动速度的因子有颗粒的性质、电场强度和
2、溶液的性质等。 （ 1 ）颗粒性质 一般说来，颗粒带净电荷量越大，或其直径越小，或其形状越接近球形，在电场中的泳动速度就快。反之，则越慢。 （ 2 ）电场强度 电场强度越高，带电颗粒的泳动速度越快。反之，则越慢。 （ 3 ） pH 值 对蛋白质而言，溶液的 pH 值离其等电点愈远，其带净电荷量就愈大，从而泳动速度就越快。反之，则越慢。 （ 4 ） 离子强度 溶液的离子强度一般在 0.02-0.2mol/kg 之间电泳较合适。若离子强度过高，则会降低颗粒的泳动度。其原因是，带电颗粒能把溶液中与其电荷相反的离子吸引在自己周围形成离子扩散层。这种静电作用的结果，导致颗粒泳动速度降低，则缓冲能力差，往
3、往会因溶液 pH 值变化而影响泳动的速率。 （ 5 ） 溶液粘度 泳动度与溶液粘度是成反比例关系。因此，粘度过大或过小，必然影响泳动速度。 （ 6 ） 电渗 当支持物不是绝对惰性物质时，常常会有离子基团如羧基、磺酸基、羟基等吸附溶液中的正离子，使靠近支持物的溶液相对带电。在电场作用下，此溶液层会向负极移动。反之，若支持物的离子基团吸附溶液中的负离子，则溶液层会向正极移动。溶液的泳动现象称为电渗。因此，当颗粒的泳动方向与电渗方向一致时，则加快颗粒的泳动速度；当颗粒的泳动方向与电渗方向相反时则降低颗粒的泳动速度。 （ 7 ） 焦耳热 电泳过程中释放的热量与电流强度的平方成正比。当电流强度或电极缓冲
4、液中离子强度增高时，电流强度会随着增大。这不仅降低分辨率，而且在严重时会烧断滤纸或融化琼脂糖凝胶支持物。 （ 8 ）筛孔 支持物琼脂和聚丙烯酰胺凝胶都有大小不等的筛孔，在筛孔大的凝胶中溶质颗粒泳动速度快。反之，则泳动速度慢。 除上述影响泳动速度的因子外，温度和仪器装置等因子的影响也应考虑。 聚丙烯酰胺凝胶电泳 是以聚丙烯酰胺凝胶作为载体的一种区带电泳。这种凝胶是由丙烯酰胺单体 (acrylamide ，简称 Acr) 和交联剂 N ， N - 甲叉双丙烯酰胺 (N ， N -methylena bisacrylamide ，简称 Bis) ，在催化剂的作用下聚合而成的。 Acr 和 Bis 在
5、它们单独存在或混合在起时是稳定的，但在具有自由基团体系时，它们就聚合。 聚丙烯酰胺凝胶聚合的体系有两种 ，即化学聚合和光聚合。这里介绍化学聚合。 化学聚合 的引发剂是过硫酸铵 (NH 4 ) 2 S 2 O 3 ( 简称 Ap) ，催化剂是 N ， N ， N ， N - 四甲基乙二胺 (tetramethyl ethylenediamine ，简称 TEMED) 。在催化剂 TEMED 的作用下，由过硫酸铵 (Ap) 形成氧的自由基，后者又使单体形成自由基，从而引起聚合作用。 TEMED 在低 pH 时失效，会使聚合作用延迟，冷却也可 使 聚合速度变慢。些金属抑制聚合，分子氧阻止链的延长，妨
6、碍聚合作用。这些因素在实际操作时都应予以控制。 聚丙烯酰胺的基本结构 ：为丙烯酰胺单位构成的长链， 链与链之间通过甲叉桥联结在一起。链间纵横交错，形成三维网状结构，使凝胶具有分子筛性能。网状结构还能限制蛋白质等样品的扩散运动，使凝胶具有良好的抗对流作用。此外，长链上富含酰胺基团，使其成为稳定的亲水凝胶。该结构中不带电荷，在电场中电渗现象极为微小。这些特点，使得聚丙烯酰胺特别适于作区带电泳的支持介质。 聚丙烯酰胺凝胶的质量主要由凝胶浓度和交联度决定 。每 100 毫升凝胶溶液中含有的单体 (Acr) 和交联剂 (Bis) 总克数称为凝胶浓度，用 T 表示。凝胶溶液中，交联剂 (Bis) 占单体
7、(Acr) 和交联剂 (Bis) 总量的百分数称为交联度，用 C 表示。改变凝胶浓度 (T ) 和交联度 (C ) ，可获得不同密度、粘度、弹性、机械强度和孔径大小的凝胶，以便适应各种样品的分离。般常用 7.5 浓度的聚丙烯酰胺凝胶分离蛋白质，而用 2.4 的分离核酸。但根据蛋白质与核酸分子量不同，适用的浓度也不同。 聚丙烯酰胺凝胶电泳（ polyacryamide gel electrophoresis ，简称 PAGE ）根据其有无浓缩效应分为连续的、不连续的聚丙烯酰胺凝胶电泳 。 连续的聚丙烯酰胺凝胶电泳体系中， 缓冲液 pH 值及凝胶浓度相同，带电颗粒在电场作用下主要有电荷及分子筛效应
8、。 不连续的聚丙烯酰胺凝胶电泳体系中， 由于缓冲液离子成分、 pH 、凝胶浓度及电位梯度的不连续性，带电颗粒在电场中的泳动不仅有电荷效应、分子筛效应还具有浓缩效应。下面就这三种物理效应分别加以说明。 (l) 电荷效应： 各种样品分子按其所带电荷的种类及数量，在电场作用下向一定电极，以一定速度泳动。 (2) 分子筛效应： 分子量或分子大小和形状不同的样品分子，通过一定孔径分离胶时，受阻碍程度不同而表现出不同的迁移率，这就是分子筛效应。分子量小，形状为球形的分子在电泳过程中受到阻力较小，移动较快，反之，分子量大，形状不规则的分子，电泳过程中受到的阻力较大，移动较慢。这种效应与凝胶过滤过程中的情况不
9、同。 (3) 浓缩效应： 待分离样品中的各组分在浓缩胶中会被压缩成层，而使原来很稀的样品得到高度浓缩。其原因如下： 由于两层凝胶孔径不同，样品向下移动到两层凝胶接口时，阻力突然加大，速度变慢，这样就在两层凝胶交界处使待分离的样品区带变窄，浓度升高。 在聚丙烯酰胺凝胶中，虽然浓缩胶和分离胶用的都是 Tris HCl 缓冲液，但上层浓缩胶的 pH 为 6.7 ，下层分离胶的 pH 为 8.9 。 HC1 是强电解质，不管在哪层胶中， HCl 几乎都发生电离， C1 - 布满整个胶体。待分离的样品加在顶部，浸在 pH8.3 的 Tris- 甘氨酸缓冲液中。电泳一开始，有效泳动率最大的 Cl - 迅速
10、跑到最前边，成为快离子 ( 前导离子 ) 。在 pH6 . 7 条件下解离度仅有 0.1-1 的甘氨酸有效泳动率最低，跑在最后面，成为慢离子 ( 尾随离子 ) 。这样，快离子和慢离子之间就形成了一个不断移动的接口。在 pH6.7 条件下带有负电荷的样品，其有效泳动率介于快慢离子之间，被夹持分布于接口附近，逐渐形成一个区带。 由于快离子快速向前移动，在其原来停留的那部分地区成了低离子浓度区，及低电导区。因为电位梯度 V 、电流强度 I 和电导率 S 之间有如下关系： V=I/S 所以在电流恒定条件下低电导区两侧就产生了较高的电位梯度，使样品和甘氨酸慢离子加速前进，追赶快离子。在这个追赶中被逐渐地
11、压缩聚集成一条更为狭窄的区带。这就是所谓的浓缩效应。当样品分子和慢离子都进入分离胶后， pH 从 6.7 变为 8.9 ，甘氨酸解离度剧增，有效迁移率迅速加大到超过所有样品分子，从而赶上并超过所有样品分子。此时，不连续的高电位梯度不再存在。于是此后的电泳过程中，样品在一个均一的电位梯度和 pH 条件下，仅按电荷效应和分子筛效应而被分离。与连续系统相比，不连续系统的分离条带清晰度及分辨率大大提高，因此已成为目前广泛使用的分离分析手段。 蛋白质在聚丙烯酰胺凝胶中电泳时.它的迁移率取决于它所带净电荷以及分子的大小和形状等因素。 1967 年， Shapiro 等人发现，如果在聚丙烯酰胺凝胶系统中加入
12、十二烷基硫酸钠 (sodium dodecyl sulfate ，简称 SDS) ，则蛋白质分子的电泳迁移率主要取决于它的分子量 M r ，而与所带电荷和形状无关。 用 SDS- 聚丙烯酰胺凝胶电泳法测定蛋白质的分子量 M r 的原理是： SDS 是一种阴离子表面激活剂，在蛋白质溶液里加入 SDS 和巯基乙醇后，巯基乙醇能使蛋白质分子中的二硫键还原； SDS 能使蛋白质的氢键、疏水键打开并结合到蛋白质分子上，形成蛋白质 -SDS 复合物。在一定条件下， SDS 与大多数蛋白质的结合比例为 1.4 SDS/1g 蛋白质。由于十二烷基硫酸根带负电，使各种蛋白质的 SDS- 复合物都带上相同密度的负
13、电荷，它的量大大超过了蛋白质原有的电荷量，因而掩盖了不同种类蛋白质间原有的电荷差别。 SDS 与蛋白质结合后，还引起了蛋白质构象的改变。蛋白质 -SDS 复合物的流体力学和光学性质表明，它们在水溶液中的形状，近似于雪茄烟形的长椭圆棒，不同蛋白质的 SDS 复合物的短轴长度都一样，约为 1.8nm ，而长轴则随蛋白质的 M r 成正比的变化。基于上述原因，蛋白质 -SDS 复合物在凝胶电泳中的迁移率，不再受蛋白质原有电荷和形状的影响，而只 与 椭圆棒的长度 有关， 也就是蛋白质 M r 的函数。 用 SDS- 聚丙烯酰胺凝胶电泳法测定蛋白质 M r 应注意以下问题： 1 .如果蛋白质 -SDS
14、复合物不能达到 1.4 SDS lg 蛋白质的比率并具有相同的构象，就不能得到准确的结果。影响蛋白质和 SDS 结合的因素主要有以下 3 个： (1) 二硫键是否完全被还原：只有在蛋白质分子内的二硫键被彻底还原的情况下， SDS 才能定量地结合到蛋白质分子上去，并使之具有相同的构象。般以巯基乙醇作还原剂。在有些情况下，还需进一步将形成的巯基烷基化，以免在电泳过程中重新氧化而形成蛋白质聚合体。 (2) 溶液中 SDS 的浓度：溶液中 SDS 的总量，至少要比蛋白质的量高 3 倍，一般需高达 10 倍以上。 (3) 溶液的离子强度：溶液的离子强度应较低，最高不能超过 0.26 ， 因为 SDS 在
15、水溶液中是以单体和分子团的混合体而存在， SDS 结合到蛋内质分子上的量，仅决定于平衡时 SDS 单体的浓度而不是总浓度，在低离子强度的溶液中， SDS 单体具有较高的平衡浓度。 2 .不同凝胶浓度适用于不同的 M r 范围， Weber 的实验指出，在 5% 的凝胶中， M r 为 25 000-200 000 的蛋白质 ，其 M r 的对数与迁移率 呈直线关系；在 10 的凝胶中， M r 为 10 000-70 000 蛋白质 ，其 M r 的对数与迁移率 呈直线关系；在 15 的凝胶中， M r 为 10 000-50 000 蛋白质，其 M r 的对数与迁移率呈直线关系； 3.33
16、( 以上各种浓度的凝胶，其交联度都是 2.6%) 的凝胶可用于 M r 更高的蛋白质。 可根据所测 M r 范围选择最适凝胶浓度，并尽量选择 M r 范围和性质与待测样品相近的蛋白质作标准蛋白。标准蛋白质的相对迁移率 ( 蛋白质的电泳迁移距离除以染料迁移距离即为相对迁移率 ) 最好在 0.2-0.8 之间均匀分布。 在凝胶电泳中，影响迁移率的因素较多，而在制胶和电泳过程中，很难每次都将各项条件控制得完全一致，因此用 SDS 凝胶电泳法测定 M r ，每次测定样品必须同时做标准曲线，而不得利用另一次电泳的标准曲线。 3 .有许多蛋白质，是由亚基 ( 如血红蛋白 ) 或两条以上肽链 ( 如胰凝乳蛋白酶 ) 组成的，它们在 SDS 和疏基乙醇的作用下，解离成亚基或单条肽链。因此，对于这一类蛋白质， SDS- 凝胶电泳测定的只是它们的亚基或单条肽链的 M r ，而不是完整分子的 M r 。 为了得到更全面的资料，还必须用其它方法测定其 M r 及分子中肽链的数目等，与 SDS- 聚丙烯酰胺
