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第一章绪论蛋白质的结构和功能-91页PPT资料

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延安大学医学院 生物化学教研室
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生物化学
? 生命的化学,应用化学的理论、技术及
物理学、免疫学等原理和方法研究生物 体(植物、动物、微生物、人体等)的 化学组成和生命过程中化学变化规律的 一门基础生命科学。
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?分子生物学 是从生物化学、生物物理学、
遗传学、微生物学等多种学科经过相互杂 交、相互渗透而形成的,主要研究核酸和 蛋白质等生物大分子的结构及其在遗传信 息传递和细胞信息转导过程中的作用。
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生物化学发展史:
? 叙述生物化学阶段(20世纪20年代以前)
以分析和研究组成生物体的成分及生物 体的分泌物和排泄物为主。
? 动态生物化学阶段(20世纪20年代至50
年代) 主要研究体内各种物质的合成和分解途
径及动态*衡。
? 机能生物化学阶段(*50多年)
探讨生物大分子的结构和机能的关系。
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第一篇 生物大分子的结构与功能

构件分子 细胞器 组织器官

生物大分子 细胞
生物体

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第一章 蛋白质的结构与功能
Structure and Function of Protein
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一、什么是蛋白质?
蛋 白 质 (protein) 是 由 许 多 氨 基 酸
(amino acids)通过肽键(peptide bond)相 连形成的高分子含氮化合物。
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二、蛋白质的生物学重要性
1. 蛋白质是生物体重要组成成分
分布广:所有器官、组织都含有蛋白 质;细胞的各个部分都含有蛋白质。
含量高:是细胞内最丰富的有机分子, 占人体干重的45%,某些组织含量更高, 例如脾、肺及横纹肌等高达80%。
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2. 蛋白质重要的生物学功能
1)作为生物催化剂(酶) 2)代谢调节作用 3)免疫保护作用 4)物质的转运和存储 5)运动与支持作用 6)参与细胞间信息传递
3. 氧化供能
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第一节 蛋白质的分子组成
The Molecular Component of Protein
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? 组成蛋白质的元素
主要有C、H、O、N和S。 有些蛋白质含有少量磷或金属元素 铁、铜、锌、锰、钴、钼,个别蛋白质 还含有碘 。
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? 蛋白质元素组成的特点
各种蛋白质的含氮量很接*,*均为16% 由于体内的含氮物质以蛋白质为主,因 此,只要测定生物样品中的含氮量,就可以 根据以下公式推算出蛋白质的大致含量:
100克样品中蛋白质的含量 ( g % ) = 每克样品含氮克数× 6.25×100
1/16%
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一、氨基酸
—— 组成蛋白质的基本单位
存在自然界中的氨基酸有300余种, 但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种, 且均属 L-氨基酸(甘氨酸除外)。
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COO-

CHRH3

C +NH3

H

L-氨基酸的丙甘通氨氨式酸酸

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(一)氨基酸的分类
极性中性氨基酸 非极性疏水性氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸
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1. 非极性疏水性氨基酸 甘氨酸 glycine Gly G 5.97

丙氨酸 alanine Ala A 6.00

缬氨酸 valine

Val V 5.96

亮氨酸 leucine Leu L 5.98

异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02

苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48

脯氨酸 proline

Pro P

6.30
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2. 极性中性氨基酸

色氨酸 tryptophan Try W 5.89

丝氨酸 serine

Ser S 5.68

酪氨酸 tyrosine

Tyr Y 5.66

半胱氨酸 cysteine

Cys C 5.07

蛋氨酸 methionine Met M 5.74

天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41

谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65

苏氨酸 threonine

Thr T 5.60目 录
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3. 酸性氨基酸

天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97

4. 碱性氨基酸

谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22

赖氨酸

lysine

Lys K 9.74

精氨酸 arginine Arg R 10.76

组氨酸 histidine

His H

7.59
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几种特殊氨基酸

脯氨酸 (亚氨基酸)

CH2 CH2
CH2

CHCOON H 2+

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半胱氨酸

-OOC-CH-CH2-SH + HS-CH2-CH-COO-

+NH3

-HH

+NH3

-O O C -C H -C H 2-SS-C H 2-C H -C O O -

+ N H 3

+ N H 3

二硫键

胱氨酸

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(二)氨基酸的理化性质
1. 两性解离及等电点 氨基酸是两性电解质,其解离程度
和带电性质取决于其所处溶液的酸碱度。
等电点(isoelectric point, pI)
在某一pH的溶液中,氨基酸解离 成阳离子和阴离子的趋势及程度相等, 成为兼性离子,呈电中性。此时溶液 的pH值称为该氨基酸的等电点。
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R CH COOH NH2

R CH COOH +OH-

NH3+

+H+

R CH COO- +OH- R CH COO-

NH3+

+H+

NH2

pH<pI 阳离子

pH=pI 氨基酸兼性离子

pH>pI 阴离子
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2. 紫外吸收 色氨酸、酪氨酸
的最大吸收峰分别 280nm和275nm 附*。
大多数蛋白质含 有这两种氨基酸残基, 所以测定蛋白质溶液 280nm 的 光 吸 收 值 是 分析溶液中蛋白质含 量的快速简便的方法。
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3. 茚三酮反应 氨基酸与茚三酮水合物共热,可生
成蓝紫色化合物,其最大吸收峰在 570nm处。由于此吸收峰值与氨基酸的 含量存在正比关系,因此可作为氨基酸 定量分析方法。
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二、肽
(一)肽(peptide) 肽键(peptide bond)是由一个氨基
酸的?-羧基与另一个氨基酸的?-氨 基脱水缩合而形成的化学键。
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O
NH2-CH-C +
H OH
甘氨酸

O NH-CH-C
H H OH
甘氨酸

-HOH

O

O

NH2-CH-C-N-CH-C

H HH OH

肽键

甘氨酰甘氨酸

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肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的 化合物。
两分子氨基酸缩合形成二肽,三分子 氨基酸缩合则形成三肽…… 由十个以内氨基酸相连而成的肽称为 寡肽(oligopeptide),由更多的氨基 酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。 肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基 团不全,被称为氨基酸残基(residue)。
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多肽链(polypeptide chain)是指许多 氨基酸之间以肽键连接而成的一种结 构。
多肽链有两端 N 末端:有自由氨基的一端 C 末端:有自由羧基的一端
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N末端
C末端
牛核糖核酸酶
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(二) 几种生物活性肽
1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH)
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H2O2 2H2O

2GSH
GSH过氧 化物酶
GSSG

NADP+
GSH还原酶
NADPH+H+

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2. 多肽类激素及神经肽
体内许多激素属寡肽或多肽
神经肽(neuropeptide)
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第二节 蛋白质的分子结构
The Molecular Structure of Protein
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蛋白质的分子结构包括
一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 高 三级结构(tertiary structure) 级 四级结构(quaternary structure) 结

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一、蛋白质的一级结构
定义 指多肽链中氨基酸的排列顺序。
主要的化学键 肽键,有些蛋白质还包括二硫键。
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一级结构是蛋白质空间构象和特异 生物学功能的基础。
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二、蛋白质的二级结构
定义
蛋白质分子中某一段肽链的局部 空间结构,即该段肽链主链骨架原子 的相对空间位置,并不涉及氨基酸残 基侧链的构象 。
主要的化学键: 氢键
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(一)肽单元

参与肽键的6个原子C?1 、C、O、N、H、C?2位于同 一*面,C?1和C?2在*面上 所处的位置为反式(trans)

构型,此同一*面上的6个

原子构成了所谓的肽单元

(peptide unit) 。

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蛋白质二级结构的主要形式
? ?-螺旋 ( ? -helix ) ? ?-折叠 ( ?-pleated sheet ) ? ?-转角 ( ?-turn ) ? 无规卷曲 ( random coil )
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(二) ?-螺旋
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(三)?-折叠
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(四)?-转角和无规卷曲
?-转角
无规卷曲是指没有规律性的那部分肽 链结构。
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(五)模体
在许多蛋白质分子中,可发现二个 或三个具有二级结构的肽段,在空间上 相互接*,形成一个具有特殊功能的空 间构象,被称为模体(motif)。
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*岷系鞍字薪 合钙离子的模体

锌指结构
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三、蛋白质的三级结构
(一) 定义
整条肽链中全部氨基酸残基的相对空 间位置, 即肽链中所有原子在三维空间的 排布位置。
主要的化学键
疏水键、离子键、氢键等。
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肌红蛋白 (Mb)
C 端
N端
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(二)结构域
大分子蛋白质的三级结构常可分割成一 个或数个球状或纤维状的区域,折叠得较 为紧密,各行使其功能,称为结构域 (domain) 。
纤连蛋白分子的结构域
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(三)分子伴侣 (chaperon)
通过提供一个保护环境而加速蛋白质折 叠成天然构象或形成四级结构。
可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后 松开,如此重复进行可防止错误的聚集发 生,使肽链正确折叠。 与错误聚集的肽段结合,使之解聚后,再 诱导其正确折叠。 折叠中对二硫键的正确形成起重要。
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四、蛋白质的四级结构
有些蛋白质分子含有二条或多条多 肽链,每一条多肽链都有完整的三级结 构,称为蛋白质的亚基 (subunit)。
蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚 基接触部位的布局和相互作用,称为蛋白 质的四级结构。
亚基之间的结合力主要是离子键,其次 是氢键和疏水作用。
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血 红 蛋 白 的 四 级 结 构
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五、蛋白质的分类
根据折叠方式和复杂程度
一级结构蛋白质 二级结构蛋白质 三级结构蛋白质 四级结构蛋白质
根据功能
活性蛋白质 非活性蛋白质
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根据组成成分
单纯蛋白质 结合蛋白质 = 蛋白质部分 + 非蛋白质 部分
根据外观形状
纤维状蛋白质 球状蛋白质
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第三节 蛋白质结构与功能的关系
The Relation of Structure and Function of Protein
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一、蛋白质一级结构与功能的关系
(一)一级结构是空间构象的基础
二 硫 键
牛核糖核酸酶 的一级结构
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去除尿素、 β -巯基乙醇

天然状态, 有催化活 性
尿素、 β -巯基乙醇

非折叠状态,无活性
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(二)一级结构与功能的关系
例:镰刀形红细胞贫血
HbA β 肽 链
N-val · his · leu · thr · pro · glu · glu · · · · ·C(146)
HbS β 肽链
N-val · his · leu · thr · pro · val · glu · · · · ·C(146)
这种由蛋白质分子发生变异所导致的 疾病,称为“分子病”。
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二、蛋白质空间结构与功能的关系
(一)肌红蛋白与血红蛋白的结构
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(二)血红蛋白的构象变化与结合氧
Hb与Mb一样能可逆地与O2结合, Hb 与O2结合后称为氧合Hb。氧合Hb占总Hb的 百分数(称百分饱和度)随O2浓度变化而 改变。
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肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线
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协同效应(cooperativity)
一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体 结合后,能影响此寡聚体中另一个亚基 与配体结合能力的现象,称为协同效应。
如果是促进作用则称为正协同效应 (positive cooperativity)
如果是抑制作用则称为负协同效应 (negative cooperativity)
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血红素与氧 结合后,铁原子 半径变小,就能 进入卟啉环的小 孔中,继而引起 肽链位置的变动。

O2
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变构效应(allosteric effect)
在变构剂的作用下,变构蛋白质的 空间构象发生改变,导致其功能发生改 变的现象称为变构效应。
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(三)蛋白质构象改变与疾病
蛋白质构象疾病:若蛋白质的折叠发 生错误,尽管其一级结构不变,但蛋白质 的构象发生改变,仍可影响其功能,严重 时可导致疾病发生。
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蛋白质构象改变导致疾病的机理:
有些蛋白质错误折叠后相互聚集,常 形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀, 产生毒性而致病,表现为蛋白质淀粉样 纤维沉淀的病理改变。
这类疾病包括:人纹状体脊髓变性 病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛 病等。
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疯牛病中的蛋白质构象改变

疯牛病是由朊病毒蛋白(prion protein,

PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。

正常的PrP富含α -螺旋,称为PrPc。

PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变

成全为β -折叠的PrPsc,从而致病。

PrPc α-螺旋

PrPsc β-折叠

正常

疯牛病
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第四节 蛋白质的理化性质与分离纯化
The Physical and Chemical Characters and Separation and Purification of Protein
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一、理化性质
(一)蛋白质的两性解离
蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外, 氨基酸残基侧链中某些基团,在一定的溶液pH条 件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。
蛋白质的等电点( isoelectric point, pI)
当蛋白质处于某一pH时,解离成正、负离子 的趋势相等,即成为兼性离子,净电荷为零,此 时溶液的pH称为蛋白质的等电点。
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(二)蛋白质的胶体性质
蛋白质属于生物大分子之一,分子量 可自1万至100万之巨,其分子的直径可 达1~100nm,为胶粒范围之内。
蛋白质胶体稳定的因素 颗粒表面电荷 水化膜
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水化膜

+++



+

+碱

++

带正电荷的蛋白质 在等电点的蛋白质



--







- --



带负电荷的蛋白质

脱水作用

++ +

+

+

+ ++

带正电荷的蛋白质

脱水作用

脱水作用

--



酸-





-- -

不稳定的蛋白质颗粒

带负电荷的蛋白质

溶液中蛋白质的聚沉

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(三)蛋白质的变性、沉淀和凝固
蛋白质的变性(denaturation) 在某些物理或化学因素作用下,其特 定的空间构象被破坏,即有序的空间结构 变成无序的空间结构,从而导致其理化性 质改变和生物活性的丧失。
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变性的本质 ——破坏非共价键和二硫键,不改 变蛋白质的一级结构。
造成变性的因素 如加热,乙醇等有机溶剂,强酸、强
碱、重金属离子及生物碱试剂等 。
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应用举例
临床医学上,变性常被应用来消毒及灭菌。 此外, 防止蛋白质变性也是有效保存蛋白
质制剂(如疫苗等)的必要条件。
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若蛋白质变性程度较轻,去除变性因 素后,蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有 的构象和功能,称为复性 (renaturation) 。
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去除尿素、 β -巯基乙醇

天然状态, 有催化活 性
尿素、 β -巯基乙醇

非折叠状态,无活性
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蛋白质沉淀
在一定条件下,蛋白疏水侧链暴露在外, 肽链融会相互缠绕继而聚集,因而从溶液中 析出。
变性的蛋白质易于沉淀,有时蛋白质发 生沉淀,但并不变性。
蛋白质的凝固作用
蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚 固的凝块,此凝块不再溶于强酸和强碱中。
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(四)蛋白质的紫外吸收
蛋白质分子中含有共轭双键的苯丙氨 酸、酪氨酸和色氨酸,在280nm波长处有 特征性吸收峰。蛋白质的OD280与其浓度呈 正比关系,可作蛋白质定量测定。
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(五)蛋白质的呈色反应
⒈茚三酮反应(ninhydrin reaction) 蛋白质经水解后产生的氨基酸可发生
茚三酮反应。
⒉双缩脲反应(biuret reaction) 蛋白质和多肽中肽键在稀碱溶液中与
硫酸铜共热,呈现紫红色,用来检测蛋白 质水解程度。
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二、蛋白质的分离和纯化
(一)透析及超滤法
透析(dialysis) 利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合 物分开的方法。
超滤法 应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一 定截留分子量的超滤膜,达到浓缩蛋白质 溶液的目的。
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(二)丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀
丙酮(或乙醇)沉淀时,必须在0~4℃低 温下进行,丙酮用量一般10倍于蛋白质 溶液体积。蛋白质被丙酮沉淀后,应立 即分离。
盐析法(salt precipitation),是将硫 酸铵、硫酸钠或氯化钠等中性盐加入蛋 白质溶液,使蛋白质表面电荷被中和及 水化膜被破坏,导致蛋白质沉淀。
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免疫沉淀法:
将某一纯化蛋白质免疫动物可获得抗 该蛋白的特异抗体。利用特异抗体识别 相应的抗原蛋白,并形成抗原抗体复合 物的性质,可从蛋白质混合溶液中分离 获得抗原蛋白。
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(三)电泳(elctrophoresis)
蛋白质在高于或低于其pI的溶液中为 带电的颗粒,在电场中能向正极或负极移 动。这种通过蛋白质在电场中泳动而达到 分离各种蛋白质的技术, 称为电泳。
根据支撑物的不同,可分为薄膜电泳、 凝胶电泳等。
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几种重要的蛋白质电泳
SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳,常用于蛋 白质分子量的测定。
等电聚焦电泳,通过蛋白质等电点的 差异而分离蛋白质的电泳方法。
双向凝胶电泳是蛋白质组学研究的重 要技术。
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(四)层析(chromatography)
待分离蛋白质溶液(流动相)经过一个 固态物质(固定相)时,根据溶液中待分 离的蛋白质颗粒大小、电荷多少及亲和力 等,使待分离的蛋白质组分在两相中反复 分配,并以不同速度流经固定相而达到分 离蛋白质的目的 。
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蛋白质分离常用的层析方法
离子交换层析:利用各蛋白质的电荷 量及性质不同进行分离。
凝胶过滤(gel filtration)又称分子 筛层析,利用各蛋白质分子大小不同分 离。
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(五)超速离心
超 速 离 心 法 (ultracentrifugation) 既可以用来分离纯化蛋白质也可以用 作测定蛋白质的分子量。
蛋白质在离心场中的行为用沉降系 数(sedimentation coefficient, S) 表示,沉降系数与蛋白质的密度和形 状相关 。
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因为沉降系数S大体上和分子量成正 比关系,可应用超速离心法测定蛋白质 分子量,但对分子形状的高度不对称的 大多数纤维状蛋白质不适用。
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