正文 第一節 蛋白質純化過程中的定量(1 / 3)

在蛋白質純化過程中,常常需要涉及蛋白質的定量、儲存與結晶。蛋白質含量的分析測定、蛋白質的儲存、結晶和純度的檢測對於指導純化過程都有很重要的意義。

蛋白質的定量,通常是指測定溶液中的蛋白質濃度。目前測定蛋白質含量的方法,主要分為兩類:一類是利用蛋白質的共性,即含氮量、肽鏈和折射率測定蛋白質含量;另一類是利用蛋白質中特定氨基酸殘基、酸性基團、堿性基團和芳香基團測定蛋白質含量。

蛋白質含量測定法,是生物化學研究中最常用、最基本的分析方法之一。常用的有四種古老的經典方法,即凱氏定氮法、紫外吸收法、雙縮脲法(Biuret法)和Folin-酚試劑法(Lowry法);另外還有一種近十幾年才普遍使用起來的新的測定法,即考馬斯亮藍法(Bradford法),由於其突出的優點,正得到越來越廣泛的應用。這幾種測定法中,凱氏定氮法操作複雜但結果較準確,其他方法中使用的標準蛋白質多以定氮法來測定蛋白質含量。雙縮脲法雖然靈敏度差,但是幹擾物質少,可用於無需十分精確的蛋白質快速測定。Bradford法和Lowry法的靈敏度比紫外吸收法高10~20倍,比雙縮脲法靈敏100倍以上。Bradford法具有快速、高靈敏度的突出優點,應用越來越廣泛。Lowry法和二喹啉甲酸(BCA)法可在極短的時間內精確測定蛋白質濃度,非常有利於常規檢測。

值得注意的是,各種方法並不能在任何條件下適用於任何形式的蛋白質,因為一種蛋白質溶液用不同種方法測定,有可能得出幾種不同的結果。每種測定法都不是完美無缺的,都有其優缺點。在選擇方法時應考慮:① 實驗對測定所要求的靈敏度和精確度;② 蛋白質的性質;③ 溶液中存在的幹擾物質;④ 測定所需的儀器和所要花費的時間以及操作是否簡單容易;⑤ 所需蛋白質樣品的量以及測定後能否回收;⑥ 測定結果是絕對值(近似值)還是相對值(標準的比值)等。

以下是幾種常用的蛋白質定量測定的具體方法。

一、凱氏定氮法

凱氏定氮法是1883年Kjeldahl發明,當時隻使用濃硫酸分解試樣,需要較長時間,後來由Gunning加以改進,在消化時加入硫酸鉀使沸點上升,加快了速度。凱氏定氮法至今仍在使用,分為凱氏定氮常量法、半微量法和微量法,但它們的基本原理都是一樣的。凱氏定氮法測定的是總氮量,然後乘以蛋白轉換係數,得到蛋白質含量,實際上包括核酸、生物堿、含氮類脂、卟啉和含氮色素等非蛋白質氮化合物,故稱為粗蛋白。一般食物的蛋白質係數為6.25,乳製品為6.38,麵粉為5.70,高粱為6.24,花生為5.46,水為5.95,大豆及其製品為5.71,肉與肉製品為6.25,大麥、小米、燕麥、裸麥為5.83,芝麻、向日葵為5.30。

(一)凱氏定氮法原理

凱氏定氮法的主要步驟包括:

(1)消化蛋白質是含氮的化合物,與濃硫酸和催化劑共同加熱消化,有機氮分解,產生的氨與硫酸結合生成硫酸銨,留在酸性消化液中。

(2)蒸餾樣液中的硫酸銨在堿性條件下蒸餾釋放出氨,在這過程中,一是NaOH溶液要過量,二是防止樣液中氨氣逸出。

(3)吸收與滴定蒸餾過程中放出的氨可用一定量的標準硫酸或標準鹽酸溶液進行吸收,然後再用標準NaOH溶液反滴定過剩的硫酸或鹽酸溶液,從而計算出總氮量,這是常量法。半微量或微量定氮通常用硼酸溶液吸收後,再用標準鹽酸直接滴定,硼酸呈微弱酸性,用酸滴定不影響指示劑變色反應,它有吸收氨的作用。根據酸的消耗量來乘以蛋白質換算係數,即得蛋白質含量。

凱氏自動定氮法發展至今,已多采用凱氏自動定氮儀。其裝置由優質玻璃製成的凱氏消化瓶、紅外線裝置的消化爐組成的消化裝置,自動加堿蒸餾裝置,自動吸收和滴定裝置以及自動數字顯示裝置共同組成。凱氏自動定氮法原理與常量法、微量法、半微量法相同。

(二)材料、儀器

1.試劑

① 硫酸銅(CuSO4·5H2O);②硫酸鉀;

③ 雙氧水(30%);④ 硫酸(密度為1.8419g/L);

⑤ 40g/L硼酸溶液;⑥ 400g/L氫氧化鈉溶液;

⑦ 混合指示試劑:0.1%甲基紅乙醇溶液1份與0.1%溴甲酚綠乙醇溶液5份臨用時混合;

⑧ 0.1mol/L的標準鹽酸溶液(或1/2硫酸溶液);

⑨ 甲基紅溶液。

2.儀器

① 凱氏定氮瓶;

② 凱氏定氮蒸餾裝置:電爐、水蒸氣發生器(2L平底燒瓶)、螺旋夾、小漏鬥及棒狀玻璃塞(樣品入口處)、反應室、反應室外層、冷凝管、蒸餾液接收瓶。

(三)操作步驟

1.樣品消化

將試樣移入幹燥的凱氏燒瓶中,加入0.2g CuSO4·5H2O和10g K2SO4,稍搖勻後瓶口放一小漏鬥,加入20mL濃硫酸,輕輕搖勻。於瓶口裝好小漏鬥,將瓶以45°角斜支於有小孔的石棉網上,使用萬用電爐,在通風櫥中加熱消化,開始時用低溫加熱,待內容物全部炭化,泡沫停止後,再升高溫度保持微沸,消化至液體呈藍綠色澄清透明後,繼續加熱0.5h,取下放冷,小心加20mL水,放冷後,無損地轉移到100mL容量瓶中,加水定容至刻度,混勻備用,即為消化液。

試劑空白實驗:取與樣品消化相同的CuSO4·5H2O、K2SO4、濃硫酸,按以上同樣方法進行消化,冷卻,加水定容至100mL,得試劑空白消化液。

2.定氮裝置的檢查與洗滌

檢查微量定氮裝置是否裝好。在蒸汽發生瓶內裝水約2/3,加甲基紅指示劑數滴及數毫升硫酸,以保持水呈酸性,加入數粒玻璃珠(或沸石)以防止暴沸。

測定前定氮裝置如下法洗滌2~3次:從樣品進口加入水適量(約占反應管1/3體積)通入蒸汽煮沸,產生的蒸汽衝洗冷凝管使反應管中的廢液倒吸流到反應室外層,由橡皮管排出,如此數次,即可使用。

3.堿化蒸餾

量取硼酸試劑20mL於三角瓶中,加入混合指示劑2~3滴,並使冷凝管的下端插入硼酸液麵下,在蒸餾螺旋夾關閉、吸收螺旋夾開啟的狀態下,準確吸取10.0mL樣品消化液,由小漏鬥流入反應室,並以10mL蒸餾水洗滌進樣口流入反應室,棒狀玻塞塞緊。使10mL NaOH溶液倒入小玻杯,提起玻塞使其緩緩流入反應室,用少量水衝洗後立即將玻塞蓋緊,並加水於小玻杯以防漏氣,開啟蒸餾螺旋夾,關閉吸收螺旋夾,開始蒸餾。通入蒸汽蒸騰至氨全部蒸餾出來後,移動接收瓶,液麵離開凝管下端,再蒸餾2min。然後用少量水衝洗冷凝管下端外部,取下三角瓶,準備滴定。

同時吸取10.0mL試劑空白消化液按上法蒸餾操作。

4.樣品滴定

以標準鹽酸溶液滴定至終點。

5.結果計算

二、紫外吸收法

蛋白質分子中,酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸殘基的苯環含有共軛雙鍵,使蛋白質具有吸收紫外光的性質。吸收峰在280nm處,其吸光度(即光密度值)與蛋白質含量成正比。此外,蛋白質溶液在238nm的光吸收值與肽鍵含量成正比。利用一定波長下,蛋白質溶液的吸光度與蛋白質濃度的正比關係,可以進行蛋白質含量的測定。

紫外吸收法可測定0.1~0.5mg/mL的蛋白質溶液,操作簡便,測定迅速,不消耗樣品,低濃度的鹽,例如生化製備中常用的(NH4)2SO4等和大多數緩衝液不幹擾測定。特別適用於柱色譜洗脫液的快速連續檢測,因為此時隻需測定蛋白質濃度的變化,而不需知道其絕對值。

此法的特點是測定蛋白質含量的準確度較差,幹擾物質多,在用標準曲線法測定蛋白質含量時,對那些與標準蛋白質中酪氨酸和色氨酸含量差異大的蛋白質,有一定的誤差。故該法適於測定與標準蛋白質氨基酸組成相似的蛋白質。若樣品中含有嘌呤、嘧啶及核酸等吸收紫外光的物質時,會出現較大的幹擾。核酸的幹擾可以通過查校正表,再進行計算的方法,加以適當的校正。但是因為不同的蛋白質和核酸的紫外吸收是不相同的,雖然經過校正,測定的結果還是存在一定的誤差。

此外,進行紫外吸收法測定時,由於蛋白質吸收高峰常因pH的改變而有變化,因此要注意溶液的pH,測定樣品時的pH要與測定標準曲線的pH相一致。吸光度最好在0.05~1.0,在0.3附近的精度最高。渾濁溶液應采取過濾(0.2μm過濾)或離心使溶液澄清,或者用A280-A310進行修正。

(一)280nm的光吸收法

測定蛋白質溶液在280nm的吸光度值是最常用的紫外吸收法。

在近UV區,蛋白質的吸光度主要取決於其中的酪氨酸和色氨酸殘基的含量,在一定程度上,還取決於苯丙氨酸和二硫鍵的含量。因此,不同蛋白質的吸光度變化較大,大多數1mg/mL的蛋白質溶液的A280為0.5~1.5(某些富含酪氨酸的綿狀蛋白達到4)。對於某一特定蛋白質,在一定濃度範圍內,測定比吸光值,可以比較準確計算出蛋白質濃度。