锁住活力:蛋白质储存的策略

文摘   2024-10-29 12:11   中国  
蛋白质的保存方法多种多样,但它们的核心原则是确保蛋白质的活性和结构完整性,防止其变性和降解,对此,我们需要对蛋白的性质及保存有一个基础的了解:

①保护蛋白质活性和结构:所有蛋白质保存技术都旨在维持蛋白质的生物活性和三维结构,防止其因环境因素而失去功能。②环境因素对蛋白质的影响蛋白质的空间结构依赖于氢键、盐键和范德华力等非共价相互作用。极端的pH值(酸性或碱性)、高温、剧烈的物理冲击以及强辐射都可能导致这些相互作用的破坏,从而使蛋白质失去活性。③及时冷冻保存对于新提取或纯化的蛋白质,如果无法立即进行实验,应立即采取冷冻措施以保护其活性。

在多种情况下,蛋白需要以液体的方式进行保存,此时,需要关注以下注意事项:

样品浓度:蛋白质样品需要浓缩至一定浓度后才能封装贮藏,以避免蛋白质变性。
防止污染:为防止细菌或真菌污染,通常需要添加防腐剂和稳定剂。例如,可以通过添加0.02%的叠氮钠或0.01%的硫柳汞来抑制微生物生长。使用叠氮钠时需注意其毒性,并采取防护措施。对于抗体蛋白,由于其参与的氨基反应可能受到叠氮钠的干扰,可使用硫柳汞作为防腐剂。在某些情况下,如体内实验,不能添加这些防腐剂,此时应进行无菌处理,通常采用过滤除菌法。
低温存储原则:蛋白质的存储温度应尽可能低,避免反复冻融。解冻蛋白质时应快速进行,可以在温水中进行,以减少蛋白质变性和沉淀的风险。同样,冷冻蛋白质也应快速进行,以缩短冷冻过程,可以在液氮或干冰、乙醇和丙酮的混合物中进行速冻。速冻后的蛋白质可以保存在-20℃或-80℃的环境中。
储存溶液环境:蛋白质存储的缓冲液pH值应保持在中性范围(78),盐浓度在0150mmol/L之间。建议使用PBS50mmol/L pH8.0Tris溶液作为存储缓冲液。蛋白质浓度建议在110mg/mL之间,如果浓度较低,可以使用超滤等方法进行浓缩。还可以添加还原剂如DTT以防止蛋白质氧化,以及硫酸铵、蔗糖、甘油等稳定剂。对于某些蛋白质,添加钙、锌、硼酸等溶液也有一定的保护作用。对于易失活或不稳定的蛋白质,可以添加10%-50%的甘油溶液;对于较稳定的蛋白质,可以使用2%-5%的甘油溶液。在选择添加剂时,必须确保不会影响蛋白质的活性。
避免反复冻融:为了避免冻融过程中对蛋白质造成的损伤,建议将蛋白质分装保存,这样,每次只需解冻所需的量,减少冻融次数,从而保护蛋白质的活性和结构。蛋白质分装的量应以一次实验使用为准,分装体积不宜过小,以减少蛋白质浓度受蒸发和管壁吸附的影响。一般建议分装体积在50微升至100微升之间,根据蛋白质浓度进行调整,但不得小于10微升。未使用完的蛋白质应做好标记,并可暂时存放在4℃下以备下次使用,通常不超过一周。对于重要的实验,最好使用新鲜配制或未经反复冻融的蛋白质。在实验中,应避免使用涡旋震荡混匀蛋白质,以免产生的剪切力破坏蛋白质。混匀时,可以采用轻弹或上下颠倒的方法,以避免氧气进入溶液导致蛋白质氧化。
当蛋白在溶液状态下保存不稳定或需要达到更长的保存时间,则需要对蛋白溶液进行脱水干燥处理,以增加蛋白的稳定性。在对蛋白进行干燥时,通常包含两个过程:一是浓缩过程通过减少溶液体积,提高蛋白质浓度,有助于减少蛋白质的降解;二是干燥过程去除蛋白质中的水分,减少水分子对蛋白质结构的破坏,延长保存时间。

1,蛋白溶液的浓缩

在蛋白质制备过程中,由于过柱纯化步骤,样品往往会变得稀释。因此通常需要对蛋白质进行浓缩。以下是几种常用的蛋白浓缩方法:
超滤技术该技术利用特殊薄膜对溶液中的溶质分子进行筛选,通过施加压力使溶剂和小分子通过膜,而大分子则被截留。这种方法适用于蛋白质的浓缩和脱盐,具有成本低、操作简便、条件温和、保持蛋白质活性和高回收率等优点。选择合适的膜是关键,需要考虑膜的类型、规格和水流量等参数。通常,膜的截留分子量应小于目标蛋白分子量的三分之一。超滤膜对化学物质的耐受性不同,使用前需仔细阅读说明书。
空气流动蒸发法:通过空气流动加速液体蒸发,将溶液铺成薄层或将蛋白质溶液装入透析袋置于冷室,用电扇吹风以加速溶剂蒸发,实现浓缩。这种方法速度较慢,不适合大量溶液的浓缩。
冰冻法利用低温使水分子结冰,而盐类和生物大分子不进入冰晶,通过冷却溶液使其凝固,然后缓慢融化,利用溶剂和溶质的融点差异来去除大部分溶剂。在蛋白质盐溶液中应用此法时,不含蛋白质的纯冰会浮在液面上,而蛋白质则集中在下层溶液中,移除上层冰块后可得到浓缩的蛋白质溶液。
吸收法通过吸收剂直接吸收溶液中的溶剂分子以实现浓缩。所用吸收剂必须与溶液不发生化学反应,不吸附生物大分子,且易于与溶液分离。常用的吸收剂包括聚乙二醇、聚乙烯吡咯酮、蔗糖和凝胶等。使用聚乙二醇时,将生物大分子溶液装入半透膜袋中,外部覆盖聚乙二醇并置于4℃下,袋内溶剂渗出后被聚乙二醇迅速吸收,聚乙二醇吸水饱和后需更换,直至达到所需体积。
减压加温蒸发法通过降低液面压力降低液体沸点,真空度越高,沸点降低越多,蒸发速度越快。这种方法适用于对热敏感的蛋白质浓缩。

2,蛋白溶液的干燥

为了防止大量纯化的蛋白质在保存过程中发生变质,通常需要对它们进行干燥处理。以下是常用的干燥方法:

真空干燥:也称为减压干燥,是一种在封闭容器中通过抽真空来降低压力,从而实现干燥的方法。在这一过程中,样品被放置于一个密闭的干燥箱内,通过真空系统抽走空气的同时,对样品进行适度加热。这样,样品内部的水分会因压力差或浓度差而向表面扩散,水分子在表面获得足够的动能后,克服分子间的吸引力,逃逸到真空室的低压环境中,并最终被真空泵抽走。
冷冻干燥它是一种特别适合于不耐高温和易氧化物质的干燥和保存方法。除了利用真空干燥的原理外,冷冻干燥还考虑了温度的影响。在压力一定的情况下,水的沸点会随着温度的降低而降低。因此,在低温低压的条件下,冰可以直接从固态升华为气态,跳过液态。操作过程中,通常先将待干燥的液体冷冻至冰点以下,使其凝固成固体,然后在低温低压的环境下,使溶剂直接从固体升华为气体并被去除。冷冻干燥后的产品具有多孔性、溶解性好、能保持天然结构等优点,非常适合各类蛋白质的干燥保存。
在保存蛋白时,每种方法都有其特定的适用场景和优势,选择合适的保存方法需要根据蛋白质的特性和实验需求来决定。

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