生化分析

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1 生命分析化学 任课教师 : 姚波

2 紫金港校区化学实验中心 QQ 群 : 个人主页 课件资料下载口令 : biochem

3 成绩 : 阅读文献, 占 30% Presentation 及讨论占 20% Final-quiz, 占 50% ( 开卷 )

4 文献阅读 精读文献 3 篇 回答问题 翻译摘要 简单写一个读后感材料在个人主页上下载

5 课程安排 一 前言, 生化分析的常用技术 二 核酸分析 (1) 三 核酸分析 (2) 四 酶分析 (2) 五 免疫分析 六 氨基酸分析 七 蛋白质分析 (1) 八 蛋白质分析 (2) 九 微流控芯片分析 十 生物传感技术 十一 成像技术

6 参考书目 生物化学, 王镜岩等, 高等教育出版社 生命分析化学, 王尔康, 科学出版社 生化分析, 李元宗 常文宝, 高等教育出版社 生物分析化学, 鞠熀先等, 科学出版社

7 前言 二十世纪 物理的世纪 原子理论 量子力学 相对论原子能 半导体 计算机 激光技术 分析化学 分析科学 化学分析仪器分析 四大平衡理论光谱 色谱 电化学 计算机科学 生命科学 材料科学对分析化学提出更高要求分析化学发展成为集物理 电子 光学技术 计算机 生物 材料等的综合性交叉学科

8 二十一世纪 生命科学世纪二十世纪末 ( 如基因组计划 ) 已经能看出生命科学世纪的苗头 : 蛋白组 基因组 转基因 克隆生物体 神奇之地, 充满奥妙 未解之谜 : 自组织 人与机器人的对比人类广阔的未知领域越来越集中于与生物有关的领域趋势 新世纪的分析化学 : 应用领域 : 工业 农业 采矿 冶金 环境 医药 卫生 食品, 与生物有关的研究内容比例增加原因 : 简单的问题解决了生物体因其复杂性 未解之谜分析化学向生物领域靠拢生物科学离不了分析化学分析化学在生命科学领域中, 起到 眼睛 的重要作用

9 分析化学的作用举例 人类基因组计划 90 年订计划 30 亿 $ 15 年完成全部人类基因组基因测序 98 年完成 330Mb 完成 11% 原因 : 不重视测序方法研究经典方法 : 平板电泳速度慢分析方法成为瓶颈对策 : 投资 1 亿 $ 用于方法研究 2000 年基本完成 ( 提前 5 年 ) 所用技术阵列毛细管电泳测序技术 (PE 公司 )

10 Dovichi- 分析化学技术 Kambara 日立公司 Science, 1988, 242, ( 被引用 496 次 ) Nature Biotechnology 6, (1988) ( 被引用 82 次 )

11 医药领域 医院临床检验很大一部分是生化分析全世界 : 十亿次化验 / 天 肝功 : 谷丙转氨酶 (ALT/GPT) 谷草转氨酶 (AST/GOT) 碱性磷 酸酶 (ALP) 总胆红素 (T.BIL) 直接胆红素 (D.BIL) 总蛋白 ( TP) 白蛋白 (ALB) 肾功 : 尿素氮 (BUN) 肌酐 (Cre) 二氧化碳结合力 (CO2) 尿酸 (UA) 血脂 : 总胆固醇 (CHO) 甘油三脂 (TG) 高密度脂蛋白胆固醇 (HDL-C) 低密度脂蛋白胆固醇 (LDL-C) 血糖 : 葡萄糖 (GLU) 比色法 分光光度 荧光法 火焰光度法 电化学等

12 人工胰岛素注射对糖尿病的治疗 传感器监测 血糖变化是关键, 分析仪器, 关键作用 光化学型 电化学型 微创和无创检测

13 分析检测新技术 2002 Nobel 化学奖田中耕一大分子质谱

14 Rapid Communications in Mass Spectrometry,1988, 2(8): 被引用 2401 次

15 生命科学 复杂 充满未知 充满机遇 充满挑战 大有可为 生命分析化学 重要作用, 关键作用 学习本课的意义很多分析化学专业同学毕业论文工作与生物有关 着重介绍与分析化学相关的技术 方法

16 第一章生化分析的常用技术 一 分离纯化技术 1. 透析 (Dialysis) 2. 超滤 (Ultra-filtration) 3. 离心 (Centrifugation) 4. 层析 (Chromatography) 5. 冷冻干燥 (Freeze drying)

17 第一章生化分析的常用技术 1. 透析 (Dialysis) 除盐 除少量有机溶剂 除去生物小分子杂质和浓缩样品半透膜 ( 动物膜 玻璃纸 纤维素 ) 截留分子量 (molecular weight cut off, MWCO), 留在透析袋内的生物大分子的最小分子质量原理 : 透析的动力是扩散压, 扩散压是由横跨膜两边的浓度梯度形成的 透析的速度反比于膜的厚度, 正比于欲透析的小分子溶质在膜内外两边的浓度梯度, 还正比于膜的面积和温度, 通常是 4 透析, 升高温度可加快透析速度

18 医疗透析 膜透析 静态透析 Dialysis.flv 动态透析

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20 2. 超滤 (Ultra-filtration) 超滤又称超过滤, 用于截留水中胶体大小的颗粒, 而水和低分子量溶质则允许透过膜 原理 : 超滤膜筛分过程, 以膜两侧的压力差为驱动力, 以超滤膜为过滤介质, 在一定的压力下, 当原液流过膜表面时, 超滤膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液, 而原液中体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的进液侧, 成为浓缩液, 因而实现对原液的净化 分离和浓缩的目的

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22 3. 离心 (Centrifugation) 离心技术, 是蛋白质 酶 核酸及细胞亚组分分离的最常用的方法之一, 也是生化实验室中常用的分离 纯化或澄清的方法 尤其是超速冷冻离心已经成为研究生物大分子实验室中的常用技术方法 离心机分类 : 普通离心机 : 最大转速 6000 rpm 左右, 最大相对离心力近 6000 g; 大颗粒物质, 如红血球 酵母细胞等高速离心机 : 最大转速为 20000~25000rpm(r/min), 最大相对离心力为 g; 微生物菌体 细胞碎片 大细胞器 硫酸铵沉淀和免疫沉淀物等的分离纯化超速离心机 : 转速可达 50000~80000 rpm, 相对离心力最大可达 g; 用于亚细胞器分离, 还可以分离病毒 核酸 蛋白质和多糖等

23 Rpm 与 rcf 单位换算

24 制备型超速离心机 : 分析型超速离心机 装有完善的柱面透镜光学系统 干涉光系统和紫外吸收扫描光学系统, 并能利用特别配制的数据处理微机自动计算沉降系数和分子量等物理参数

25 离心模式 : 密度梯度离心 (Density gradient centrifugation) 密度梯度离心, 是用一定的介质在离心管内形成一连续或不连续的密度梯度, 将细胞混悬液或匀浆置于介质的顶部, 通过重力或离心力场的作用使细胞分层 分离 这类分离又可分为速度沉降和等密度沉降两种 密度梯度离心常用的介质为氯化铯, 蔗糖和多聚蔗糖

26 A 等速度沉降,B 等密度沉降 速度沉降 (velocity sedimentation) 速度沉降主要用于分离密度相近而大小不等的细胞或细胞器 这种降方法所采用的介质密度较低, 介质的最大密度应小于被分离生物颗粒的最小密度 生物颗粒 ( 细胞或细器 ) 在十分平缓的密度梯度介质中按各自的沉降系数以不同的速度沉降而达到分离 等密度沉降 (isopycnic sedimentation) 适用于分离密度不等的颗粒 细胞或细胞器在连续梯度的介质中经足够大离心力和足够长时间则沉降或漂浮到与自身密度相等的介质处, 并停留在那里达到平衡, 从而将不同密度的细胞或细胞器分离 离心力大, 时间长, 不适分离细胞

27 1) 速度区带离心法离心前, 离心管内先装入蔗糖 甘油 CsCl Percoll 等密度梯度介质, 待分离样品铺在梯度液的顶部, 离心管底部或梯度层中间, 同梯度液一起离心, 利用各颗粒在梯度液中沉降速度或漂浮速度的不同, 使具有不同沉降速度的颗粒处于不同密度的梯度层内, 达到彼此分离的目的 本法可分离各种细胞 病毒 染色体 脂蛋白 DNA 和 RNA 等生物样品 2) 预制梯度等密度离心法要求在离心前预先配制管底浓而管顶稀的密度梯度介质, 常用介质有蔗糖 CsCl Cs2SO4 等, 待分离样品一般铺在梯度液顶上, 如需挟在梯度液中间或管底部, 则需调节样品液密度 离心后, 不同密度的样品颗粒到达与自身密度相等的梯度层, 即达到等密度的位置而获得分离 3) 自成梯度等密度离心法某些密度介质经过离心后会自成梯度, 例 Percoll, 可迅速形成梯度,CsCl Cs2SO4 和三碘甲酰葡萄糖胺经长时间离心后也可产生稳定的梯度 需要离心分离的样品可和梯度介质先均匀混合, 离心开始后, 梯度介质由于离心力的作用逐渐形成管底浓而管顶稀的密度梯度, 与此同时, 可以带动原来混合的样品颗粒也发生重新分布, 到达与其自身密度相等的梯度层里, 即达到等密度的位置而获得分离

28 Percoll Percoll 是经过聚乙烯吡咯烷酮 (polyvinyl pyrolidone, PVP) 处理的硅胶颗粒混悬液, 对细胞无毒性和刺激性 Percoll 混悬液的硅胶颗粒大小不一, 经过高速离心后, 可形成一个连续密度梯度, 将比重不同的细胞分离纯化 因为 Percoll 具有渗透性低 不穿透细胞 粘度低 密度高和无毒害等优点, 与目前常用的密度梯度离心介质, 包括蔗糖 (Sucrose) 血清白蛋白 (Serum albumin) 聚蔗糖 (Ficoll) 氯化铯 (CsCl) 等相比, 是目前较理想的介质

29 差速离心 ( differential centrifugation) 差速离心法是利用样品中各种组分的沉降系数不同而进行分离的方法, 又称差分离心或差级离心 通常两个组分的沉降系数差在 10 倍以上时可以用此法分离 在差速离心中细胞器沉降的顺序依次为 : 核 线粒体 溶酶体与过氧化物酶体 内质网与高基体 最后为核蛋白体 差速离心是指低速与高速离心交替进行, 使各种沉降系数不同的颗粒先后沉淀下来, 达到分离的目的

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31 4. 层析 (Chromatography) 也称色谱, 一种物理化学分析方法, 它利用不同溶质 ( 样品 ) 与固定相和流动相之间的作用力 ( 分配 吸附 离子交换等 ) 的差别, 当两相做相对移动时, 各溶质在两相间进行多次平衡, 使各溶质达到相互分离 在分离分析特别是蛋白质分离分析中, 是相当重要且相常见的一种技术, 其原理较为复杂, 对人员的要求相对较高 一 吸附层析 1 吸附柱层析吸附柱层析是以固体吸附剂为固定相, 以有机溶剂或缓冲液为流动相构成柱的一种层析方法 2 薄层层析 ( 纸层析 ) 薄层层析是以涂布于玻板或涤纶片等载体上的基质为固定相, 以液体为流动相的一种层析方法 这种层析方法是把吸附剂等物质涂布于载体上形成薄层, 然后按纸层析操作进行展层

32 二 离子交换层析离子交换层析是在以离子交换剂为固定相, 液体为流动相的系统中进行的 离子交换剂是由基质 电荷基团和反离子构成的 离子交换剂与水溶液中离子或离子化合物的反应主要以离子交换方式进行, 或借助离子交换剂上电荷基团对溶液中离子或离子化合物的吸附作用进行 ` 三 凝胶过滤凝胶过滤又叫分子筛层析, 其原因是凝胶具有网状结构, 小分子物质能进入其内部, 而大分子物质却被排除在外部 当一混合溶液通过凝胶过滤层析柱时, 溶液中的物质就按不同分子量筛分开了 四 亲和层析亲和层析的原理与众所周知的抗原一抗体 激素一受体和酶一底物等特异性反应的机理相类似, 每对反应物之间都有一定的亲和力 五 聚焦层析聚焦层析也是一种柱层析 因此, 它和另外的层析一样, 照例具有流动相, 其流动相为多缓冲剂, 固定相为多缓冲交换剂

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34 5. 冷冻干燥 又称升华干燥, 将生物大分子冷冻至水的冰点以下, 然后在低温和高真空下使冰升华, 留下固体干粉 冷冻干燥机是生化与分子生物学实验室必备的仪器之一, 因为大多数生物大分子分离纯化后的最终产品多数是水溶液, 要从水溶液中得到固体产品, 最好的办法就是冰冻干燥, 因为生物大分子容易失活, 通常不能使用加热蒸发浓缩的方法 冰冻干燥的原理可用溶剂的三相点相图来说明 :

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36 二 生物大分子的提取 1. 盐析 (salting-out) 2. 萃取

37 二 生物大分子的提取 1. 盐析 盐析一般是指溶液中加入无机盐类而使某种物质溶解度降低而析出的过程 如加浓 (NH4)2SO4 使蛋白质凝聚的过程 盐析与变性向某些蛋白质溶液中加入某些无机盐溶液后, 可以降低蛋白质的溶解度, 使蛋白质凝聚而从溶液中析出, 这种作用叫作盐析, 是物理变化, 可复原 向某些蛋白质溶液中加入某些重金属盐, 可以使蛋白质性质发生改变而凝聚, 进而从溶液中析出, 这种作用叫作变性, 性质改变, 是化学反应, 无法复原 盐溶与盐析中性盐对蛋白质的溶解度有显著影响, 一般在低盐浓度下随着盐浓度升高, 蛋白质的溶解度增加, 此称盐溶 ; 当盐浓度继续升高时, 蛋白质的溶解度不同程度下降并先后析出, 这种现象称盐析

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40 影响盐析的因素有 : (1) 温度 : 除对温度敏感的蛋白质在低温 (4 度 ) 操作外, 一般可在室温中进行 (2)pH 值 : 大多数蛋白质在等电点时在浓盐溶液中的溶解度最低 (3) 蛋白质浓度 : 蛋白质浓度高时, 欲分离的蛋白质常常夹杂着其他蛋白质地一起沉淀出来 ( 共沉现象 ) 因此在盐析前血清要加等量生理盐水稀释, 使蛋白质含量在 % 蛋白质盐析常用的中性盐, 主要有硫酸铵 硫酸镁 硫酸钠 氯化钠 磷酸钠等 其中应用最多的硫酸铵 蛋白结晶 ( Protein Crystallization) 从高纯度蛋白质溶液中生成蛋白晶体的技术, 是蛋白质结构解析研究的重要手段 纯度 / 浓度 >10mg/mL 沉淀剂盐 PEG 有机溶剂等 ph 温度 通量高 工作强度大

41 高通量全自动蛋 白质结晶技术 TTP LabTech

42 2. 萃取 a. 蛋白质的提取 : 大部分蛋白质都可溶于水 稀盐 稀酸或碱溶液, 少数与脂类结合的蛋白质则溶于乙醇 丙酮 丁醇等有机溶剂中, 因些, 可采用不同溶剂提取分离和纯化蛋白质及酶 水溶液提取稀盐和缓冲系统的水溶液对蛋白质稳定性好 溶解度大 是提取蛋白质最常用的溶剂, 通常用量是原材料体积的 1-5 倍, 提取时需要均匀的搅拌, 以利于蛋白质的溶解 温度温度升高利于蛋白溶解, 过高导致变性, 通常低于 5 度 ph 蛋白质, 酶是具有等电点的两性电解质, 提取液的 ph 值应选择在偏离等电点两侧的 ph 范围内 过酸和过碱容易导致蛋白质构象发生不可逆变化 ; 通常碱性蛋白用酸性提取液, 酸性蛋白用碱性提取液盐浓度稀浓度可促进蛋白质的溶解, 同时稀盐溶液因盐离子与蛋白质部分结合, 具有保护蛋白质不易变性的优点, 因此在提取液中加入少量 NaCl 等中性盐, 一般以 0.15 摩尔 / 升浓度为宜 缓冲液常采用 M 磷酸盐和碳酸盐等渗盐溶液

43 有机溶剂提取一些脂溶性蛋白可用乙醇 丙酮和丁醇等有机溶剂, 它们具的一定的亲水性, 还有较强的亲脂性 是理想的提脂蛋白的提取液 但必须在低温下操作 丁醇提取法对提取一些与脂质结合紧密的蛋白质和酶特别优越, 一是因为丁醇亲脂性强, 特别是溶解磷脂的能力强 ; 二是丁醇兼具亲水性, 在溶解度范围内 ( 度为 10%,40 度为 6.6%) 不会引起酶的变性失活 另外, 丁醇提取法的 ph 及温度选择范围较广, 也适用于动植物及微生物材料 实例 1: 胰糜蛋白酶的制备 胰糜蛋白酶是胰腺产生的一种消化酶 能迅速分解变性蛋白质, 作用 用途与胰蛋白酶相似, 比胰蛋白酶分解能力强 毒性低 不良反应小 可使粘稠的痰液稀化, 便于咳出, 对脓性和非脓性痰液均有效 也用于创伤或手术后伤口愈合 可用于白内障摘除 pi= 提取取新鲜猪胰脏, 放在盛有冰冷 2.5mol/L H2SO4 溶液的容器中, 保存在冰箱中待用 去除胰脏表面的脂肪和结缔组织后, 称重 用组织捣碎机粉碎 然后混悬于两倍体积的冰冷 2.5mol/L H2SO4 溶液中, 置于冰箱中过夜

44 2. 分离将上述混悬液以 3000rpm 离心 10min, 上层液经两层纱布过滤至烧杯中 ; 将沉淀再混悬于等体积的冰冷 2.5mol/L H2SO4 溶液中, 再离心, 将两次上层液合并, 即为提取液 此时可留样测酶的活力 3. 结晶取分离所得的胰糜蛋白酶溶于 3 倍体积的水中 ( 此时可取 0.5ml 留样测酶活力 ), 加 (NH4)2SO4(1.44g/10ml), 用 5mol/L NaOH 溶液调 ph 至 6.0, 在室温放置 12h 即可出现结晶, 在显微镜下观察结晶形状

45 b. 核酸提取 利用 DNA RNA 蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面的差异提取 DNA RNA, 去除其他成分 自然界中的 DNA 和 RNA 大多与蛋白质结合在一起以核蛋白 (DNP/RNP) 的形式存在, 在制备核酸时通常破坏细胞壁及细胞膜来使核蛋白释放出来, 将 P 除去, 再除去细胞中的糖,RNA 及无机离子等, 从中分离 DNA DNP 和 RNP 在盐溶液中的溶解度受盐浓度的影响而不同 DNP 在低浓度盐溶液中, 几乎不溶解,RNP 在盐溶液中的溶解度受盐浓度的影响较小, 因此, 常用此法分离这两种核蛋白 提取纯化核酸总的原则 : 1 应保证核酸一级结构的完整性 ; 2 排除其它分子的污染

46 DNA 提取的几种方法 非基因组 DNA 的提取 质粒 DNA 的提取 碱裂解法 煮沸法 线粒体 叶绿体 DNA 的提取 差速离心结合 SDS 裂解法

47 DNA 提取的几种方法 基因组 DNA 的提取 植物基因组 DNA CTAB 法 动物基因组 DNA SDS 法

48 实例 2: 植物基因组 DNA- CTAB 法 CTAB 法原理 ( 植物 DNA 提取经典方法 ) CTAB( 十六烷基三甲基溴化铵 ), 是一种阳离子去污剂, 可溶解细胞膜, 并与核酸形成复合物 该复合物在高盐溶液中 (>0.7mol/L NaCl) 是可溶的, 通 过有机溶剂抽提, 去除蛋白 多糖 酚类等杂质后加入乙 醇沉淀即可使核酸分离出来 注 :CTAB 溶液在低于 15 时会形成沉淀析出, 因此在将其加 入冰冷的植物材料之前必须预热, 且离心时温度不要低于 15

49 CTAB 提取缓冲液的经典配方 组份 Tris-HCl (ph8.0) EDTA (ph8.0) NaCl CTAB β- 巯基乙醇 终浓度 100 mm 20 mm 1.4M 2%(W/V) 0.1%(V/V) 使用前加入 Tris-HCl (ph8.0) 提供一个缓冲环境, 防止核酸被破坏 ; EDTA 螯合 Mg 2+ 或 Mn 2+ 离子, 抑制 DNase 活性 ; NaCl 提供一个高盐环境, 使 DNP 充分溶解, 存在于液相中 ; CTAB 溶解细胞膜, 并结合核酸, 使核酸便于分离 ; β- 巯基乙醇是抗氧化剂, 有效地防止酚氧化成醌, 避免褐变, 使酚容易去除

50 CTAB 法流程图 植物材料 裂解液 酒精沉淀 液氮研磨 抽提 离心洗涤 DNA 溶液 细胞裂解 上层溶液 干燥溶解

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52 实例 3: 动物基因组 DNA- SDS 法 SDS 法原理 SDS 是一种阴离子去垢剂, 在高温 (55~65 ) 条件下能裂解细胞, 使染色体离析, 蛋白变性, 释放出核酸 ; 提高盐 (KAc 或 NH 4 Ac) 浓度并降低温度 ( 冰浴 ), 使蛋白质及多糖杂质沉淀, 离心后除去沉淀 ; 上清液中的 DNA 用酚 / 氯仿抽提, 反复抽提后用乙醇沉淀水相中的 DNA SDS 法 DNA 提取缓冲液 组份 Tris-HCl (ph8.0) EDTA (ph 8.0 ) NaCl SDS 终浓度 10 mm 20 mm 0.4M 2%

53 SDS 法流程图 动物组织 抽提 离心洗涤 组织匀浆 上层溶液 干燥溶解 细胞裂解 酒精沉淀 DNA 溶液

54 RNA 提取 蛋白酶 K 能水解消化蛋白质, 特别是与 RNA 结合的组蛋白, 再用有机溶剂酚与氯仿抽提掉蛋白质和其它细胞组份, 用乙醇或异丙醇沉淀核酸 TRIZOL 试剂中的主要成分为异硫氰酸胍和苯酚, 其中异硫氰酸胍可裂解细胞, 促使核蛋白体的解离, 使 RNA 与蛋白质分离, 并将 RNA 释放到溶液中 当加入氯仿时, 它可抽提酸性的苯酚, 而酸性苯酚可促使 RNA 进入水相, 离心后可形成水相层和有机层, 这样 RNA 与仍留在有机相中的蛋白质和 DNA 分离开 水相层 ( 无色 ) 主要为 RNA, 有机层 ( 黄色 ) 主要为 DNA 和蛋白质

55 三 电泳技术 电泳是带电荷的胶体颗粒在电场中的移动 电泳的三要素 净电荷 : 生物大分子如蛋白质 核酸 多糖等常以颗粒形式分散在溶液中, 它们的净电荷取决于介质的 H + 浓度与其他大分子的相互作用 在电场中, 带电颗粒向阴极或阳极迁移, 迁移的方向取决于它们带电的符号 电泳的实现还依赖于支持介质的存在

56 带电颗粒在电场作用下, 向着与其电性相反的电极移动, 称为电泳 (Electrophoresis) 利用带电粒子在电场中移动速度不同而达到分离的技术称为电泳技术 Tiselius( ) Uppsala, 1948 Nobel prize laureate "for his research on electrophoresis and adsorption analysis, especially for his discoveries concerning the complex nature of the serum proteins" Arne Wilhelm Kaurin Tiselius

57 一 电泳和电泳淌度 在一定电场强度作用下, 溶质带电粒子在溶液中的定向移动 ( 迁移 ), 这种现象称为电泳 带电粒子在电场中迁移时, 所受的电场力为 F E qe 57 q: 溶质离子所带的有效电荷 E: 电场强度带电粒子在溶液中运动时受到的阻力即摩擦力为 F fv f ep v ep 是电泳速度

58 58 f 为摩擦系数, 其大小与带电粒子的大小 形状以及介质粘度有关 对于球形离子,f = 6πεγ; 对于棒状离子,f = 4πεγ 式中,γ 是溶质离子的动力学半径,ε 是电泳介质的粘度 平衡时, 电场力和摩擦力相等, 即 电泳速度为 qe = fv ep v ep qe f qe 4 ( 棒状粒子 )

59 59 v ep qe f qe 6 ( 球形粒子 ) 不同物质在同一电场中, 由于它们的有效电荷 形状大小的差异, 它们的电泳速度不同, 所以可能实现分离 2. 电泳淌度 我们把溶质在给定溶液中和单位电场强度下的电泳速度称为电泳淌度, 用 μ ep 表示 ep v ep E q 4

60 60 在一定条件下, 不同粒子的形状 大小以及所带电量都可能有差别, 则电泳淌度也可能不同 溶质粒子的电泳速度决定于粒子淌度和电场强度的乘积, v ep =μ ep E 所以淌度不同是电泳分离的内因和前提

61 二 平板凝胶电泳 以淀粉胶 琼脂或琼脂糖凝胶 聚丙烯酰胺凝 胶等作为支持介质的区带电泳法称为凝胶电泳 琼脂糖凝胶电泳 (agrose gel electrophoresis ) 聚丙烯酰胺凝胶电泳 (polyacrylamide gel electrophoresis,page) 用于分离 鉴定和纯化 DNA 片段和蛋白质

62 琼脂糖凝胶电泳 (Agarose) 琼脂糖 (agarose) 是由琼脂分离制备的链状多糖 其结构单元是 D- 半乳糖和 3.6- 脱水 -L- 半乳糖 许多琼脂糖链依氢键及其它力的作用使其互相盘绕形成绳状琼脂糖束, 构成直径从 50nm 到略大于 200nm 的三维筛孔的通道 熔点 : 相对密度 :1.81g/cm3

63 凝胶的制备以琼脂糖为溶质, 电泳缓冲液为溶剂, 用微波炉加热, 配制一定浓度的溶胶, 灌入水平胶框, 插入梳子, 自然冷却

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65 常用的缓冲溶液 EDTA(pH8.0) 和 Tris- 乙酸 (TAE),Tris- 硼酸 (TBE) 或 Tris- 磷酸 (TPE) 等, 浓度约为 50mmol/L(pH7.5~7.8) TAE 使用最广泛 测量超螺旋相对分子质量时准确率高于 TBE 双链线状 DNA 的迁移率较其他两种缓冲液快约 10% 回收 DNA 片段时也易用 TAE 缓冲系统进行电泳 TAE 的缺点是缓冲容量小, 长时间电泳 ( 如过夜 ) 不可选用 TBE 的特点是缓冲能力强, 长时间电泳时可选用 TBE TBE 与琼脂糖相互作用生成非共价结合的四羟基硼酸盐复合物而使 DNA 片段的回收率降低, 所以不宜在回收电泳中使用 TPE 的缓冲能力也较强, 但由于磷酸盐易在乙醇沉淀过程中析出, 所以也不宜在回收 DNA 片段的电泳中使用

66 琼脂糖浓度的选择 : 根据被分离线状 DNA 片断的大小 含不同量琼脂糖的凝胶的分离范围 凝胶中的琼脂糖含量 [%(w/v)] 线状 DNA 分子的有效分离范围 (kb)

67 样品配制与加样 DNA 样品用适量 Tris-EDTA 缓冲液溶解, 缓冲液 (Loading Buffer) 内含有 0.25% 溴酚蓝或其他指示染料, 含有 10%-15% 蔗糖或 5%~10% 甘油, 以增加其比重, 使样品集中

68 电泳 低电压下, 分离效果较好 在低电压条件下, 线性 DNA 分子的电泳迁移率与所用的电压呈正比 因此, 为了获得电泳分离 DNA 片段的最大分辨率, 所用电压不宜高于 5V/cm( 电场强度 )

69 染色与成像常用荧光染料溴化乙锭 (EB) 染色, 在紫外光下观察 DNA 条带, 用紫外分析仪拍照, 或用凝胶成像系统输出照片, 并进行有关的数据分析

70 琼脂糖凝胶中 DNA 的染色 荧光染料溴化乙锭 (EB) 含有一个可以嵌入 DNA 或 RNA 的堆砌碱基之间的一个平面基团 与核酸结合后在紫外线激发下呈现橘黄色荧光, 荧光的位置代表核酸片段所在的位置, 荧光的强弱代表核酸量的多少, 可以检测到少至 10ng 的 DNA 条带 可用于检测单链或双链核酸 (DNA 和 RNA)

71 Ethidium bromide SYBR Green 紫外激发 可见光激发

72 将已知分子量的标准 DNA 的迁移率对分子量对数作图, 可获得一条标准曲线, 未知 DNA 片段在相同条件下进行电泳, 根据它的电泳迁移率即可在标准曲线上求得其分子量

73 聚丙烯酰胺凝胶电泳 ( polyacrylamide gel electrophoresis,page ) 聚丙烯酰胺凝胶是由丙烯酰胺单体, 在催化剂 TEMED(N,N,N,N' 一四甲基乙二胺 ) 和过硫酸铵的作用下, 丙烯酰胺聚合形成长链, 聚丙烯酰胺链在交联剂,N,N' 一亚甲双丙烯酰胺参与下, 聚丙烯胺链与链之间交叉联接而形成凝胶.

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75 与琼脂糖凝胶电泳的比较, PAGE 的特点 分辨率很强, 长度上相差 1bp 的 DNA 即可分开 从聚丙烯酰胺凝胶中回收的 DNA 纯度很高, 可适用于要求最高的实验 ( 如胚胎注射 ) 最适合分离小片段 DNA(5-500bp), 可以分离蛋白质 聚丙烯酰胺凝胶进行垂直电泳

76 凝胶用量计算 聚丙烯酰胺凝胶孔径的大小取决于凝胶总浓度 (T% ) 和交联度 (C%) a b T % 100% m a C% 100% a b 式中 a 代表单体 Arc 的重量 (g),b 代表交联剂 Bis 的 重量 (g),m 代表溶液的体积 (ml)

77 表分离蛋白质选择聚丙烯酰胺凝胶浓度参考值 分子量范围 适宜凝胶浓度 T% < ~ ~ ~ ~10 > ~5 在浓度为 7.5% 的凝胶中, 大多数生物体内的蛋白质能得到满意的分离效果 因此, 把浓度为 7.5% 凝胶称为标准胶 对于一个未知样品, 常用 7.5% 的标准胶或 4%-10% 的凝胶梯度来测试, 而后选出适宜的凝胶浓度

78 PAGE 凝胶电泳图

79 SDS- 聚丙烯酰胺凝胶电泳 (SDS-PAGE) 在聚丙烯酰胺凝胶系统中引进 SDS( 十二烷基硫酸钠 ), SDS 能断裂分子内和分子间氢键, 破坏蛋白质的二级和三级结构, 同时, 在强还原剂 (beta- 巯基乙醇 ) 作用下, 使半胱氨酸之间的二硫键断裂 蛋白质在一定浓度的含有强还原剂的 SDS 溶液中, 与 SDS 分子按比例结合 ( 多肽和 SDS 的质量比为 1:1.4), 形成带负电荷的 SDS- 蛋白质复合物, 所带的负电荷大大超过了蛋白质分子原有的电荷量, 从而消除了不同分子之间原有的电荷差异

80 十二烷基磺酸钠 FW= 十二烷基硫酸钠 FW= 这两种物质都是阴离子表面活性剂, 都是固体, 其中十二烷基硫酸钠是常用的生化和免疫实验用试剂, 而十二烷基磺酸钠因其制造及性能上的一些缺点, 几乎没有在医学 生物学实验室使用

81 蛋白质 -SDS 复合物的形状近似于长的椭圆棒, 它们的短轴是恒定的, 而长轴与蛋白质分子量的大小成比例 因此, 蛋白质 -SDS 复合物在 SDS- 聚丙烯酰胺凝胶电泳系统中的迁移率不再受蛋白质原有电荷的影响, 而主要取决于椭圆棒的长轴长度, 即蛋白质亚基分子量的大小 当蛋白质分子量在 15KD 到 200KD 之间时, 电泳迁移率与分子量的对数呈线性关系 lgm=k1 K2μ R (K1 K2 为常数,μ R 为相对迁移率 )

82 实际测定时, 以几种标准单体蛋白质分子量的对数值对其 μr 作图, 根据样品的 μr 值, 从标准曲线上就可查出其分子量 标准蛋白分子量 未知蛋白 在一定的凝胶浓度下, 多肽链分子量的对数与多肽链的相对迁移率成线性关系, 所以可以通过标准曲线求未知多肽链分子量 相对迁移率

83

84 注意事项 1. 丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺是神经毒性试剂, 并对皮肤有刺激作用, 注意避免直接接触 大量操作时应在通风橱中进行 2. 丙稀酰胺和甲叉双丙烯酰胺溶液应装在棕色瓶中, 置冰箱内 (4 ) 保存 可贮存 1~2 个月 测定 ph(4.9~ 5.2) 可检查其是否失效, 失效不能聚合 3.TEMED 要密封保存, 过硫酸铵溶液最好当天配制, 以防止氧化失效 4. 凝胶的聚合速度与温度关系很大, 温度低时, 聚合速度减慢, 必须根据实验时的温度调整 3 号 4 号试剂的用量, 以使凝胶在 30 min 内聚合

85 真菌组织基因组 DNA 于 1.0% 琼脂糖凝胶电泳图 M:marker 1: 黄曲霉 2: 蘑菇 3: 平菇 4: 草菇 总 RNA 凝胶电泳 1,2 人胎肾上腺 ;3-5 胎肝

86 三 毛细管电泳 (capillary electrophoresis)

87 87

88 88 v ep =μ ep E 淌度不同是电泳分离的内因和前提 (1) 绝对淌度 (μ ab ) 是在无限稀释时单位电场强度下离子的平均迁移速度, 它是该离子在一定溶液中的一个特征物理常数

89 89 (2) 有效淌度 (μef) 我们不可能在无限稀释而又没有其它离子 酸度等影响下进行工作, 有效淌度是实际的离子电泳淌度 (3) 表观淌度 (μap) 在有电渗存在下, 测得的实际离子淌度称为表观淌度或净淌度, 是有效淌度 μef 和电渗淌度 μos 的矢量和 μ ap =μ os ±μ ef

90 90 电渗和电渗流 1. 电渗现象 当固体与液体相接触时, 如果固体表面因某种原因带一种电荷, 则因静电引力使其周围液体带相反电荷, 当液体两端施加一定电压时, 就会发生液体相对于固体表面的移动, 这种现象叫做电渗

91 91 高效毛细管电泳大多使用石英毛细管, 在内充缓冲液 PH>2 时, 管壁的硅醇基 (-SiOH) 离解成硅醇基阴离子 (-SiO - ), 使管壁带负电荷, 溶液带正电荷, 在管壁和溶液之间形成双电层 Zeta 电位

92 92 由于溶液中的阳离子实际上是溶剂化的, 在外电场的作用下, 溶剂化的阳离子向负极移动, 将引起柱中的溶液整体向负极移动, 这就是毛细管电泳中的电渗现象 2 电渗流 (electroosmotic flow,eof) 电渗现象中整体移动着的液体叫电渗流

93 93 3. 电渗流的大小和方向 电渗流的大小用电渗流速度 v os 表示, 其大小决定于电渗淌度 μ os 和电场强度 E 即 vos ose ε ε- 分别是电泳介质的介电常数和粘度, δ - 毛细管壁的 Zeta 电位, 它近似等于扩散层与紧密层界面上的电位 该界面内净电荷数 ( 正电荷数 ) 越多 扩散层越厚,Zeta 电位越大. E

94 V OS 可通过实验测定 94 v os L t ef os L ef 毛细管有效长度 ; t os 电渗流标记物 ( 中性物质 ) 的迁移时间 电渗流的速度是电泳速度的 5~7 倍 一般情况下, 石英毛细管内壁表面带负电荷, 则电渗流带正电荷, 向负极移动 但如果将毛细管内壁改性, 比如在在内壁表面涂渍或键合一层阳离子表面活性剂, 将使壁表面带正电荷, 则电渗流带负电荷, 向正极移动

95 HPCE 中影响电渗流的因素 1. 电场强度的影响 95 电渗流速度和电场强度成正比, 当毛细管长度一定时, 电渗流速度正比于工作电压 2. 毛细管材料的影响 酸度影响毛细管的表面 Si-OH 基的电离, 特别是在 ph4~7 范围内, 影响更显著, 此时溶液 ph 值与 EOF 成近线性关系

96 3. 电解质溶液性质的影响 (1) 溶液 ph 的影响 对于石英毛细管, 溶液 ph 增高时, 表面电离多, 电荷密度增加, 管壁 zeta 电势增大, 电渗流增大, ph=7, 达到最大 ; ph<3, 完全被氢离子中和, 表面电中性, 电渗流为零 分析时, 采用缓冲溶液来保持 ph 稳定 (2) 缓冲液阴离子的影响 在其他条件相同, 浓度相同而阴离子不同时, 毛细管中的电流有较大差别, 产生的焦耳热不同 96

97 97 (3) 缓冲液浓度 ( 离子强度 ) 的影响 缓冲溶液离子强度, 影响双电层的厚度 溶液粘度和工作电流, 明显影响电渗流大小 缓冲溶液浓度增加, 离子强度增加, 电渗流下降

98 98

99 99 4. 温度的影响 毛细管内温度的升高, 使溶液的粘度下降, 电渗流增大 温度变化来自于 焦耳热 焦耳热 : 毛细管溶液中有电流通过时, 产生的热量 ; HPCE 中的焦耳热与背景电解质的摩尔电导 浓度及电场强度成正比 温度每变化 1 度, 将引起背景电解质溶液粘度变化 2%~3%;

100 5. 添加剂的影响 100 (1) 加入浓度较大的中性盐, 如 K 2 SO 4, 溶液离子强度增大, 电渗流减小 (2) 加入表面活性剂, 可改变电渗流的大小和方向某些阳离子表面活性剂使电渗流减小, 某些阴离子表面活性剂, 如十二烷基硫酸钠 (SDS), 可以使壁表面负电荷增加, 电渗流增大 (3) 加入有机溶剂如甲醇 乙腈, 使溶液的粘度减小, 电渗流增大

101 101

102 102 毛细管电泳仪 毛细管电泳仪结构比高效液相色谱仪简单 CE 只需高压直流电源 进样装置 毛细管和检测器等 前三个部件均易实现, 困难之处在于检测器

103 103

104 104 一 高压电源 (1)0~30 kv 稳定 连续可调的直流电源 ; (2) 具有恒压 恒流 恒功率输出 ; (3) 电场强度程序控制系统 ; (4) 电压稳定性 :0.1%; (5) 电源极性易转换 ; 二 电极槽 CE 的电极通常由直径 0.5 ~ 1 mm 的铂丝制成, 电极槽通常是带螺口的小玻璃瓶或塑料瓶 (1 ~ 5 ml 不等 ), 要便于密封

105 105 三 进样系统 一般的进样方式是电动进样和压力进样 1. 电动进样将毛细管柱的一端及其相应端的电极从缓冲池中移出, 放入试样杯中, 然后在一准确时间范围内施加电压, 使试样因离子移动和电渗流进入毛细管柱 通过此法直接由柱头进人毛细管中的样品量 Q 由下式给出 : Q ep eo L V r i 2 ct i

106 106 进样不均 : 淌度大的离子比淌度小的进样量大 ; 离子丢失 : 淌度大且与电渗流方向相反的离子可能进不去 ; 特别适合粘度大的试样 ; 2. 压力进样 (1) 进样端加压 (2) 出口端抽真空 (3) 虹吸进样 调节进样槽和出口槽之间的相对高度使之产生虹吸作用, 将样品引入

107 107 Q P r 4 8 L ct i 进样量与组分的淌度无关 因此, 不存在上述电动进样中的歧视效应 进样体积一般在纳升级, 进样长度必须控制在毛细管总长度的 1%~2%, 否则将影响分离效率

108 108 四 毛细管柱 常用弹性石英毛细管, 内径 50μm 和 75μm 两种使用较多 ( 毛细管电色谱有时用内径再大些的毛细管 ) 细内径分离效果好, 且焦耳热小, 允许施加较高电压, 但若采用柱上检测因光程较短, 检测限比较粗内径管要差 毛细管长度称为总长度, 根据分离度的要求, 可选用 20~100cm 长度, 进样端至检测器间的长度称为有效长度 毛细管柱中充入缓冲溶液, 柱的两端置于两个缓冲池中 毛细管常盘放在管架上控制在一定温度下操作

109 109

110 110 五 检测系统 紫外 - 可见光分光检测 激光诱导荧光检测 电化学检测和质谱检测均可用作毛细管电泳的检测器, 其中以紫外 - 可见光分光光度检测器应用最广 将毛细管接近出口端的外层聚合物剥去约 2mm 一段, 使石英管壁裸露, 毛细管两侧各放置一个石英聚光球, 使光源聚焦在毛细管上, 透过毛细管到达光电池, 实行柱上检测 六 数据处理系统 与一般色谱数据处理系统基本相同

111 111

112 112 分离模式及其分离条件的选择 一 毛细管区带电泳 (CZE) ( 一 ) 分离原理毛细管区带电泳也称为自由溶液溶液区带电泳, 这种电泳模式的特征是整个系统都用同一种缓冲溶液充满, 带电粒子的迁移速度是电泳和电渗流速度的矢量和 阳离子 : 两种效应的运动方向一致, 在负极最先流出 中性粒子 : 无电泳现象, 随电渗流同行, 在阳离子后流出 但不同结构的中性分子无法相互分离

113 113 阴离子 : 两种效应的运动方向相反, ν 电渗流 >ν 电泳, 阴离子在负极最后流出 CZE 是最基本 应用最广的分离模式

114 114 分离条件的选择 1. 缓冲液 电泳过程在缓冲液中进行, 缓冲液的选择直接影响粒子的迁移和最后的分离. 缓冲液的选择通常须遵循下述要求 : (l) 在所选择的 ph 范围内有很好的缓冲容量 ; (2) 在检测波长处无吸收或吸收值低 ; (3) 为了达到有效的进样和合适的电泳淌度, 缓冲液的 ph 值至少必须比被分析物质的等电点相差 l 个 ph 单位

115 115 (4) 自身的淌度低, 即分子大而荷电小, 以减少电流的产生 (5) 只要条件允许就尽可能采用酸性缓冲液, 在低 ph 值下, 吸附和电渗流都很小, 毛细管涂层的寿命较长 在配制毛细管电泳用的缓冲液时, 必须使用高纯蒸馏水和试剂, 另外用前要用 0.45μm 的滤器过滤以除去颗粒等

116 116 一些常用缓冲溶液及其 pka 值 名称 pk a 名称 pk a 磷酸柠檬酸甲酸盐 2- 羟基异丁酸琥珀酸盐谷氨酸乙酸盐 2-[N- 吗啉 ] 乙磺酸 N-[2- 乙酰氨基 ]-2- 亚氨基双乙酸 L,3- 双 [ 三 ( 羟甲基 ) 甲氨基 ] 丙烷哌嗪 -N,N - 双 [ 乙磺酸 ] 2-[(2- 氨基 -2- 氧代乙基 ) 氨基 ] 乙磺酸 3-[N- 吗咪 ]-2- 羟基丙磺酸咪唑 3-[N- 吗啉 ]- 丙磺酸 2.l l N- 三 [ 羟甲基 ] 甲基 -2- 氨基乙磺酸 N-2- 羟乙基哌嗪 -N-2- 乙磺酸 N-[2- 羟乙基 ] 哌嗪 -N-2- 羟丙磺酸 N-[(2- 羟甲基 ) 乙基 ] 甘氨酸甘氨酰胺, 盐酸化物 N- 甘氨酰甘氨酸三 ( 羟甲基 ) 氯基甲烷 N,N - 双 [2- 羟乙基 ] 甘氨酸吗啉硼酸盐 2-[N- 环己氨基 ] 乙磺酸 3[(3- 胆酰胺丙基 )- 二甲基铵 ]- 2- 羟基 -1- 丙磺酸内盐 3-[ 环己氨基 ]-1- 丙磺酸

117 添加剂 在 CZE 分离中, 常常还在缓冲溶液中添加某种试剂, 通过它与管壁或与样品溶质之间的相互作用, 改变管壁或溶液相物理化学特性, 进一步优化分离条件, 提高分离选择性和分离度 常用添加剂有表面活性剂 有机溶剂 中性盐类 两性物质和手性选择剂等, 3. 工作电压 电压是控制柱效 n 分离度 Rs 和迁移时间 tm 的重要因素 在焦耳热可以忽略的条件下, 外加电压增大, 分离时间缩短 柱效和分离度提高.

118 118 但电压升高, 产生的焦耳热增多, 在不能有效地驱散所产生的焦耳热情况下, 柱温显著升高, 工作电流增大, 柱效和分离度降低 除了采取有效的散热措施外, 选择一种合适的条件, 使在此条件下允许使用较高电压, 而不致产生过高的电流和过多的焦耳热, 是非常重要的 一般通过作 I V 曲线来选择体系的最佳外加电压值

119 119

120 120

121 121 二 胶束电动毛细管色谱 (MECC 或 MEKC) 胶束电动毛细管色谱是在缓冲溶液中加入浓度高于胶束临界浓度的表面活性剂, 胶束相在分离中起到了准固定相的作用, 是电泳技术与色谱技术的结合 ( 一 ) 分离原理把离子型表面活性剂 ( 如十二烷基硫酸钠 ) 加到缓冲液中, 当其浓度超过临界浓度后就形成有一疏水内核 外部带负电的胶束 虽然胶束带负电, 但电渗流的速度仍大于胶束的迁移速度, 故胶束将慢速向负极移动

122 122

123 中性粒子按其疏水性不同, 在缓冲溶液 ( 流动相 ) 和胶束 ( 准固定相 ) 之间分配 疏水性强 亲水性弱的粒子分配到胶束中的多, 分配到缓冲溶液中的少 ; 反之, 亲水性强 疏水性弱的溶质分配到胶束中的少, 分配到缓冲溶液中的多 当溶质进入胶束时, 以胶束的速度慢速迁移 ; 溶质进入缓冲溶液时, 以电渗的速度快速前移 分配系数越大的粒子, 在柱中迁移速度慢, 从而使疏水性稍有差别的中性物质在电泳中得以分离 123

124 124 MECC 的突出优点是除能分离离子化合物外, 还能分离不带电荷的中性化合物 ( 二 ) 分离条件的选择 胶束准固定相对 MECC 分离过程起着重要作用 准固定相为各类表面活性剂, 对其要求是 : 1 胶束的粘度小 ; 2 水溶性好 3 形成的胶束必须均匀 透明, 不吸收 UV 光 4 临界胶束浓度 CMC 不宜太高 5 胶束具有足够的稳定性

125 125 一些常用的表面活性剂及其临界浓度 类型表面活性剂 CMC(10-3 mol/l) 阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠 (SDS) 8.1 十四烷基硫酸钠 (STS) 2.1 N- 月桂酰 -N- 甲基牛磺酸钠 (LMT) 8.7 聚氧乙烯醚基十二烷基硫酸钠 2.8 两性离子表面活性剂 N- 十二酰基 -L- 氨酸钠 (SDVal) 5.7 阳离子表面活性剂 十二烷基三甲基氯化铵 (DTAC) 16 十二烷基三甲基溴化铵 (DTAB) 15 十四烷基三甲基溴化铵 (TTAB) 3.5 十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB) 0.92

126 126

127 127 三 毛细管凝胶电泳 (CGE) 将聚丙烯酰胺等在毛细管柱内交联生成一个细长的网状多孔凝胶, 其具有多孔性, 类似分子筛的作用 电荷 / 质量比相等但大小不同的分子, 在电场力的作用下发生迁移, 其运动速度受到凝胶网状结构的阻碍 大分子受到的阻力大, 移动速度慢, 小分子受到的阻力小, 移动速度快, 从而使它们得以分离 蛋白质 DNA 等的电荷 / 质量比与分子大小无关, 在 CZE 模式中, 淌度几乎没有差别, 很难分离, 采用 CGE 能获得良好分离, 是研究 DAN 排序的重要手段

128 酶解的双螺旋 DNA 限制性片段的分离 128

129 Anal. Chem. 2009, 81,

130 Anal. Chem. 2006, 78,

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