鹽析鹽溶的原理
從表面的現(xiàn)象看來(lái),『鹽溶』是加鹽使蛋白質(zhì)融入水中,『鹽析』是加鹽使蛋白質(zhì)沉淀出來(lái)。兩者所加的鹽類不同,其作用機(jī)制也毫無(wú)關(guān)系。但這兩者是簡(jiǎn)單的蛋白質(zhì)分離方法,不但經(jīng)濟(jì)而且方便,可以應(yīng)用在很多實(shí)驗(yàn)。
與鹽溶剛好相反,在蛋白質(zhì)溶液中加入硫酸銨,會(huì)使得蛋白質(zhì)的溶解度下降,因而沉淀出來(lái)。因?yàn)榱蛩徜@所解離的離子容很大,所帶的電子數(shù)也多(NH4+ , SO4 2 -),因此當(dāng)其溶入水中時(shí),會(huì)吸引大量水分子與這些離子水合。
蛋白質(zhì)分子表面多少有一些較不具性的區(qū)域,水分子會(huì)在這些非性區(qū)的表面聚集,形成類似『水籠』的構(gòu)造,以便把蛋白質(zhì)溶入水中。一旦蛋白質(zhì)溶液加入硫酸銨,后者吸引了大量水分子,使水籠無(wú)法有效隔離蛋白質(zhì)的非性區(qū),造成這些非性區(qū)之間的吸引,因而沉淀下來(lái)。 因此,分子表面上若有越多的非性區(qū)域,就越容易用硫酸銨沉淀下來(lái)。
若非性物質(zhì)硬是要溶入水溶液中,則水分子會(huì)在這些非性物質(zhì)的表面,形成一層比較不活動(dòng)的隔離層,把非性物質(zhì)隔離起來(lái),稱為clathrate (水籠)。通常水分子之間,也會(huì)以氫鍵互相連結(jié),這些氫鍵會(huì)不斷斷裂,然后又很快形成。而水籠的水分子之間所形成的氫鍵,則較為固定,無(wú)法自由去除或生成。
每個(gè)蛋白質(zhì)分子表面所裸露出來(lái)的氨基酸機(jī)團(tuán),會(huì)影響到整個(gè)蛋白質(zhì)的性質(zhì),也會(huì)決定我們?nèi)绾稳ゼ兓艘坏鞍踪|(zhì)。通常,其表面上有性區(qū)域,也有非性區(qū)域;而性區(qū)域又可能帶有正或負(fù)電荷,通常這些帶電性基團(tuán),對(duì)蛋白質(zhì)的活性都有很大的重要性。
質(zhì)子proton是宇宙中的奇妙粒子,這是一顆光溜溜的帶正電粒子;當(dāng)氫丟掉一個(gè)電子后,即可得到質(zhì)子,因此寫作H+。質(zhì)子可以隨時(shí)附著到一個(gè)帶有電子密度的基團(tuán)(如氨基),使該基團(tuán)多帶了一個(gè)正電(-NH3+)。質(zhì)子也很容易由某一個(gè)基團(tuán)脫出(如羧基),而使該基團(tuán)成為帶負(fù)電(-COO-)。
在水環(huán)境中,質(zhì)子數(shù)量的多寡就是酸堿度的指標(biāo)(pH),會(huì)影響分子上各種基團(tuán)的帶電性質(zhì)。而巨分子上這些電荷性質(zhì)的變化,就是生物化學(xué)里許多反應(yīng)機(jī)制的根本肇因。
通常一個(gè)蛋白質(zhì)分子上都會(huì)帶有電荷,有正電荷、也有副電荷,這些正、負(fù)電荷的凈值,即為此蛋白質(zhì)所帶的凈電荷;蛋白質(zhì)的凈電荷可能為正、也可能為負(fù),在某pH下蛋白質(zhì)的凈電荷可能為零,則此pH稱為此蛋白質(zhì)的『等電點(diǎn)』(isoelectric point, pI),一個(gè)蛋白質(zhì)的pI通常不會(huì)改變。
當(dāng)環(huán)境的pH大于某蛋白質(zhì)的的pI (如上圖某蛋白質(zhì)的pI = 6,環(huán)境pH = 9),則此蛋白質(zhì)的凈電荷為負(fù);反之則為正值。另外,環(huán)境的pH離其pI越遠(yuǎn),則其所帶的凈電荷數(shù)目將會(huì)越大;越接近pI時(shí),所帶凈電荷變小,/后在其pI處凈電荷為零。因此,蛋白質(zhì)溶液的pH要很小心選擇,以便使該蛋白質(zhì)帶有我們所需要的凈電荷,或者不帶有凈電荷。 蛋白質(zhì)的帶電性質(zhì)決定于其環(huán)境的酸堿度,當(dāng)環(huán)境的pH = 6時(shí),則某pI = 5的蛋白質(zhì)將會(huì)帶負(fù)電,因?yàn)榄h(huán)境的pH高于其pI。這幾乎是蛋白質(zhì)重要的性質(zhì),將會(huì)影響其分子構(gòu)形、酵素活性,以及很多實(shí)驗(yàn)上的操作,如離子交換法、電泳、等電焦集法、鹽溶等。
若環(huán)境的pH = pI,則此蛋白質(zhì)的凈電荷將為零,因?yàn)闆](méi)有來(lái)自相同電荷的斥力,此種蛋白質(zhì)間將會(huì)互相凝聚起來(lái),漸漸沉淀下來(lái)。因此,有些蛋白質(zhì)可以在其自身的等電點(diǎn)下沉淀,也是一種純化的方法;但須注意,也有些蛋白質(zhì)在其pI下沉淀之后,就不容易再溶解回來(lái),也會(huì)因此而損失;蔗糖合成脢就是如此。
當(dāng)溶液中的酸堿度逐漸接近某蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)(例如5.2)時(shí),此蛋白質(zhì)的溶解度會(huì)漸漸下降,這是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)分子上的凈電荷漸漸趨向零,蛋白質(zhì)分子之間的互斥力降低所致;此外,這個(gè)凈電荷為零的蛋白質(zhì)分子上,事實(shí)上還是有數(shù)目相同的正負(fù)電荷,這些正負(fù)電荷對(duì)互相吸引也有貢獻(xiàn)?梢岳眠@種特性,來(lái)沉淀出某已知等電點(diǎn)的蛋白質(zhì)。
但若溶液中的鹽濃度漸漸提高,則蛋白質(zhì)的溶解度也會(huì)提高,這是因?yàn)辂}所解析出來(lái)的大量正負(fù)離子,會(huì)阻斷上述正負(fù)電荷間的相吸,因而使得蛋白質(zhì)溶入水中。當(dāng)然,越遠(yuǎn)離此蛋白質(zhì)的等電點(diǎn),這種溶入現(xiàn)象越是顯著。
蛋白質(zhì)有時(shí)會(huì)以離子鍵吸引在一起,因而降低其溶解度;尤其當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶在與其pI相當(dāng)?shù)膒H中。但若提高鹽濃度,Na+或Cl-離子會(huì)把蛋白質(zhì)間的離子鍵隔離開(kāi)來(lái),因而增加蛋白質(zhì)的溶解度。
原創(chuàng)作者:上海遠(yuǎn)慕生物科技有限公司