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亲和吸附剂的选择和制备
  • 发布日期:2018-07-06      浏览次数:1029
    • 选择并制备合适的亲和吸附剂是亲和层析的关键步骤之一。它包括基质和配体的选择、基质的活化、配体与基质的偶联等等。

      基质

      基质的性质

      基质构成固定相的骨架,亲和层析的基质应该具有以下一些性质:

      1.具有较好的物理化学稳定性。在与配体偶联、层析过程中配体与待分离物结合、以及洗脱时的pH、离子强度等条件下,基质的性质都没有明显的改变。

      2.能够和配体稳定的结合。亲和层析的基质应具有较多的化学活性基团,通过一定的化学处理能够与配体稳定的共价结合,并且结合后不改变基质和配体的基本性质。

      3.基质的结构应是均匀的多孔网状结构。以使被分离的生物分子能够均匀、稳定的通透,并充分与配体结合。基质的孔径过小会增加基质的排阻效应,使被分离物与配体结合的机率下降,降低亲和层析的吸附容量。所以一般来说,多选择较大孔径的基质,以使待分离物有充分的空间与配体结合。

      4.基质本身与样品中的各个组分均没有明显的非特异性吸附,不影响配体与待分离物的结合。基质应具有较好的亲水性,以使生物分子易于靠近并与配体作用。

      一般纤维素以及交联葡聚糖、琼脂糖、聚丙烯酰胺、多孔玻璃珠等用于凝胶排阻层析的凝胶都可以作为亲和层析的基质,其中以琼脂糖凝胶应用为广泛。纤维素价格低,可利用的活性基团较多,但它对蛋白质等生物分子可能有明显的非特异性吸附作用,另外它的稳定性和均一性也较差。交联葡聚糖和聚丙烯酰胺的物理化学稳定性较好,但它们的孔径相对比较小,而且孔径的稳定性不好,可能会在与配体偶联时有较大的降低,不利待分离物与配体充分结合,只有大孔径型号凝胶可以用于亲和层析。多孔玻璃珠的特点是机械强度好,化学稳定性好。但它可利用的活性基团较少,对蛋白质等生物分子也有较强的吸附作用。琼脂糖凝胶则基本可以较好的满足上述四个条件,它具有非特异性吸附低、稳定性好、孔径均匀适当、宜于活化等优点,因此得到了广泛的应用。琼脂糖凝胶微球的商品名为Sepharose,含糖浓度为2%、4%、6%时分别称为2B、4B、6B。因为Sepharose 4B的结构比6B疏松,而吸附容量比2B大,所以4B应用广。

      基质的活化

      基质的活化是指通过对基质进行一定的化学处理,使基质表面上的一些化学基团转变为易于和特定配体结合的活性基团。配体和基质的偶联,通常首先要进行基质的活化。

      多糖基的活化

      多糖基质尤其是琼脂糖是一种常用的基质。琼脂糖通常含有大量的羟基,通过一定的处理可以引入各种适宜的活性基团。琼脂糖的活化方法很多,下面介绍一些常用的活性基团及活化方法。

      1.溴化氰活化

      溴化氰活化法是常用的活化方法之一,活化过程主要是生成亚胺碳酸活性基团,它可以和伯氨基(NH2)反应,主要生成异脲衍生物。

      溴化氰活化的基质可以在温和的条件下与配体结合,结合的配体量大。利用溴化氰活化的基质通过进一步处理还可以得到很多其它的衍生物。这种方法的缺点是溴化氰活化法的基质和配体偶联后生成的异脲衍生物中氨基的pKa=10.4,所以通常会带一定的正电荷,从而使基质可能有阴离子离子交换作用,增大了非特异性吸附,影响亲和层析的分辨率。另外溴化氰活化的基质与配体结合不够稳定,尤其是当与小配体结合时,可能会出现配体脱落现象。另外溴化氰you剧毒、易挥发,所以操作不便。

      2.环氧乙烷基活化

      这类方法活化后的基质都含有环氧乙烷基。如在含有NaBH4的碱性条件下,1,4-丁二醇-双缩水甘油醚的一个环氧乙烷基可以与羟基反应,而将另一个环氧乙烷基结合在基质上。另外也可以用环氧氯丙烷活化,将环氧乙烷基结合在基质上。

      这种活化方法的优点是活化后不引入电荷基团,而且基质与配体形成的N-C、O-C和S-C键都很稳定,所以配体与基质结合紧密,亲和吸附剂使用寿命长,而且便于在亲和层析中使用较强烈的洗脱手段,另外这种处理方法没有溴化氰的毒性。它的缺点是用环氧乙基活化的基质在与配体偶联时需要碱性条件,pH为9~13,温度为20~40? C。这样的条件对于一些比较敏感的配体可能不适用。

      上面两种方法是比较常用的方法,另外还有很多种活化方法如:N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)活化、三嗪(triazine)活化、高碘酸盐(periodate)活化、羰酰二咪唑(carbonyldiimidazole)活化、2,4,6-三氟5-氯吡啶(FCP)活化、乙二酸酰肼(adipic acid dihydrazide)活化、二乙xi砜(divinylsulfone)活化等,总之,目前对基质的活化方法很多,各有其特点,应根据实际需要选择适当的活化方法。

      聚丙烯酰胺的活化

      聚丙烯酰胺凝胶有大量的甲酰胺基,可以通过对甲酰胺基的修饰而对聚丙烯酰胺凝胶进行活化。一般有以下三种方式:氨乙基化作用、肼解作用和碱解作用。另外在偶联蛋白质配体时也通常用戊二醛活化聚丙烯酰胺凝胶。

      多孔玻璃珠的活化

      对于多孔玻璃珠等无机凝胶的活化通常采用硅烷化试剂与玻璃反应生成烷基胺-玻璃,在多孔玻璃上引进氨基,再通过这些氨基进一步反应引入活性基团,与适当的配体偶联。

      间隔臂分子

      在亲和层析中,由于配体结合在基质上,它在与待分离的生物大分子结合时,很大程度上要受到基质和待分离的生物大分子间的空间位阻效应的影响。尤其是当配体较小或待分离的生物大分子较大时,由于直接结合在基质上的小分子配体非常靠近基质,而待分离的生物大分子由于受到基质的空间障碍,使得其与配体结合的部位无法接近配体,影响了待分离的生物大分子与配体的结合,造成吸附量的降低。解决这一问题的方法通常是在配体和基质之间引入适当长度的“间隔臂”,即加入一段有机分子,使基质上的配体离开基质的骨架向外扩展伸长,这样就可以减少空间位阻效应,大大增加配体对待分离的生物大分子的吸附效率。加入手臂的长度要恰当,太短则效果不明显;太长则容易造成弯曲,反而降低吸附效率。

      引入间隔臂分子常用的方法是将适当长度的氨基化合物NH2 (CH2)n R共价结合到活化的基质上,R通常是氨基或羧基,n一般为2-12。例如Pharmacia公司生产的AH-Sepharose 4B和CH-Sepharose 4B就是分别将1,6-乙二胺,6-氨基乙酸与CNBr活化的琼脂糖反应引入间隔臂分子。二者的末端分别为氨基或羧基,通过碳二亚胺的缩合作用可以分别与含羧基或氨基的配体偶联。

      另外也可以通过进一步的活化处理,生成N-羟基琥珀酰亚胺酯、环氧基等活性基团直接与各种配体偶联。引入间隔臂的基质与配体结合时,配体就可以离开基质一定的空间,从而可以减少空间位阻效应,易于与待分离物质结合。

      配体

      配体的性质

      亲和层析是利用配体和待分离物质的亲和力而进行分离纯化的,所以选择合适的配体对于亲和层析的分离效果是非常重要的。理想的配体应具有以下一些性质:

      1.配体与待分离的物质有适当的亲和力。亲和力太弱,待分离物质不易与配体结合,造成亲和层析吸附效率很低。而且吸附洗脱过程中易受非特异性吸附的影响,引起分辨率下降。但如果亲和力太强,待分离物质很难与配体分离,这又会造成洗脱的困难。总之,配体和待分离物质的亲和力过弱或过强都不利于亲和层析的分离。应根据实验要求尽量选择与待分离物质具有适当的亲和力的配体。

      2.配体与待分离的物质之间的亲和力要有较强的特异性,也就是说配体与待分离物质有适当的亲和力,而与样品中其它组分没有明显的亲和力,对其它组分没有非特异性吸附作用。这是保证亲和层析具有高分辨率的重要因素。

      3.配体要能够与基质稳定的共价结合,在实验过程中不易脱落,并且配体与基质偶联后,对其结构没有明显改变,尤其是偶联过程不涉及配体中与待分离物质有亲和力的部分,对二者的结合没有明显影响。

      4.配体自身应具有较好的稳定性,在实验中能够耐受偶联以及洗脱时可能的的较剧烈的条件,可以多次重复使用。

      完全满足上述条件的配体实际上很难找到,在实验中应根据具体的条件来选择尽量满足上述条件的适宜的配体。

      根据配体对待分离物质的亲和性的不同,可以将其分为两类:特异性配体(specific ligand)和通用性配体(general ligand)。特异性配体一般是指只与单一或很少种类的蛋白质等生物大分子结合的配体。如生物素和亲和素、抗原和抗体、酶和它的抑制剂、激素-受体等,它们结合都具有很高的特异性,用这些物质作为配体都属于特异性配体。配体的特异性是保证亲和层析高分辨率的重要因素,但寻找特异性配体一般是比较困难的,尤其对于一些性质不很了解的生物大分子,要找到合适的特异性配体通常需要大量的实验。解决这一问题的方法是使用通用性的配体。通用性配体一般是指特异性不是很强,能和某一类的蛋白质等生物大分子结合的配体,如各种凝集素(lectine)可以结合各种糖蛋白,核酸可以结合RNA、结合RNA的蛋白质等。通用性配体对生物大分子的专一性虽然不如特异性配体,但通过选择合适的洗脱条件也可以得到很高的分辨率。而且这些配体还具有结构稳定、偶联率高、吸附容量高、易于洗脱、价格便宜等优点,所以在实验中得到了广泛的应用。

      配体与基质的偶联

      除了前面已经介绍了基质的一些活化基团外,通过对活化基质的进一步处理,还可以得到更多种类的活性基团。这些活性基团可以在较温和的条件下与含氨基、羧基醛基、酮基、羟基、硫醇基等多种配体反应,使配体偶联在基质上。另外通过碳二亚胺、戊二醛等双功能试剂的作用也可以使配体与基质偶联。以上这些方法使得几乎任何一种配体都可以找到适当的方法与基质偶联。关于配体和基质偶联的具体实验操作可以参阅本书后面的实验部分或相应的参考文献。

      配体和基质偶联完毕后,必须要反复洗涤,以去除未偶联的配体。另外要用适当的方法封闭基质中未偶联上配体的活性基团,也就是使基质失活,以免影响后面的亲和层析分离。例如对于能结合氨基的活性基团,常用的方法是用2-乙醇胺、氨基乙烷等小分子处理。

      配体与基质偶联后,通常要测定配体的结合量以了解其与基质的偶联情况,同时也可以推断亲和层析过程中对待分离的生物大分子吸附容量。配体结合量通常是用每毫升或每克基质结合的配体的量来表示。测定配体结合量的方法很多,下面简单介绍几种:

      1.差量分析:根据加入配体的总量减去配体与基质偶联后洗涤出来的量即可大致推算出配体的结合量。当配体可以用光谱法准确定量时,这种方法还是相当准确的。

      2.直接光谱测量:对于能够吸收250nm以上波长的配体,可以直接用光谱法测定与基质结合的配体的量。

      3.凝胶溶解:通过适当的方法将凝胶溶解,如75 ?C下与酸或碱作用,而后直接用光谱法测量。

      4.酸或酶的水解:用酸或酶作用,使得基质释放出配体或配体的裂解物进行分析。

      5.2,4,6-三硝基苯磺酸钠(TNBS)分析:利用TNBS与未结合配体和结合某些配体的基质作用呈现不同的颜色,可以计算出配体结合量

      6.元素分析:如果配体中含有某种特别的元素,通过元素分析就可以确定配体结合量。

      7.放射性分析法:偶联中加入一定量带有同位素的配体,通过放射性分析确定配体结合量,这是一种非常灵敏的方法。

      影响配体结合量的因素很多,包括基质和配体的性质、基质的活化方法及条件、基质和配体偶联反应的条件等等。例如通常溴化氰活化的基质的活性基团比环氧基活化的基质多,配体结合量可能较大。在用溴化氰活化时,增加溴化氰的量及反应的pH,可以增加基质上活化基团的量,从而增大配体结合量。偶联过程中增加配体的量及增大反应的pH,也可以增大配体结合量。实验中通常希望配体结合量较高,但应注意增加配体结合量应根据实际情况,还要考虑到其它因素的影响。因为提高配体的结合量不等价于提高亲和吸附剂的吸附容量,配体结合量只是影响亲和吸附剂吸附容量的一个因素,还有很多因素,如基质、配体以及待分离物质本身的性质,配体在基质的结合情况以及后面要介绍的实验操作条件等都可能对亲和吸附剂的吸附容量产生很大的影响。例如增大配体的结合量通常可以增加吸附容量,但有些增大配体结合量的条件可能会影响配体的结构,降低配体和待分离物质的亲和力,这样反而会降低亲和吸附剂的吸附容量。实际影响亲和吸附剂吸附容量的因素是非常复杂的,各种因素的影响都不是绝dui的,要获得较高的吸附容量往往要考虑很多因素,并通过实验摸索来选择合适的条件。

      目前已有多种活化的基质以及偶联各种配体的亲和吸附剂制成商品出售,可以省去基质活化,配体偶联等复杂的步骤。使用方便,效果好,但一般价格昂贵。

      亲和吸附剂的再生和保存

      亲和吸附剂的再生就是指使用过的亲和吸附剂,通过适当的方法使去除吸附在其基质和配体(主要是配体)上结合的杂质,使亲和吸附剂恢复亲和吸附能力。一般情况下,使用过的亲和层析柱,用大量的洗脱液或较高浓度的盐溶液洗涤,再用平衡液重新平衡即可再次使用。但在一些情况下,尤其是当待分离样品组分比较复杂的时候,亲和吸附剂可能会产生较严重的不可逆吸附,使亲和吸附剂的吸附效率明显下降。这时需要使用一些比较强烈的处理手段,使用高浓度的盐溶液、尿素等变性剂或加入适当的非专一性蛋白酶。但如果配体是蛋白质等一些易于变性的物质,则应注意处理时不能改变配体的活性。

      亲和吸附剂的保存一般是加入0.01%的叠氮hua钠,4℃下保存。也可以加入0.5%的醋酸洗必泰或0.05%的苯甲酸。应注意不要使亲和吸附剂冰冻。

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