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離子交換理論(下篇)

更新時(shí)間:2022-03-04 點(diǎn)擊次數(shù):1516

他作用力:疏水相互作用和氫鍵


雖然蛋白質(zhì)與離子交換劑發(fā)生結(jié)合主要依靠相反電荷之間的離子鍵,但實(shí)際上此過(guò)程中還可能存在其他的作用力,常見(jiàn)的就是疏水相互作用和氫鍵。

疏水相互作用主要出現(xiàn)在使用帶非極性骨架的離子交換劑時(shí),例如離子交換樹(shù)脂,特別是聚苯乙烯樹(shù)脂,骨架帶有較強(qiáng)的疏水性,能與蛋白質(zhì)分子中的一些疏水性氨基酸殘基通過(guò)疏水相互作用結(jié)合。雖然前面提到常規(guī)的離子交換樹(shù)脂因其性質(zhì)上的缺點(diǎn)在蛋白質(zhì)分離中并不常用,但在現(xiàn)代HPLC中還是有部分介質(zhì)是以樹(shù)脂作為骨架的。氫鍵則主要出現(xiàn)在使用以親水性高分子為骨架的離子交換劑時(shí),例如使用較為廣泛的以Tandex(月旭葡聚糖)或Tanrose(月旭瓊脂糖)為基質(zhì)的離子交換劑,骨架糖鏈中的羥基、羧基等基團(tuán)能夠與蛋白質(zhì)分子中帶親水側(cè)鏈的氨基酸殘基之間形成氫鍵。當(dāng)兩種蛋白質(zhì)在電性質(zhì)方面很接近時(shí),這些額外的作用力在分離時(shí)起著決定性的作用,據(jù)此往往可以實(shí)現(xiàn)分離。不過(guò)這些作用力對(duì)色譜行為產(chǎn)生的影響通常很難預(yù)測(cè),不同的蛋白質(zhì)往往相差很大,因此不具有通用性。

離子交換動(dòng)力學(xué)


離子交換的發(fā)生及進(jìn)行的程度即離子交換平衡取決于離子作用,而離子交換動(dòng)力學(xué)則取決于離子交換劑的顆粒結(jié)構(gòu)。

離子交換劑的骨架是具有網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)的顆粒狀凝膠,而荷電功能基團(tuán)均勻分布在凝膠顆粒的表面及網(wǎng)孔內(nèi)部,蛋白質(zhì)分子依據(jù)分子量的不同,不同程度地進(jìn)入凝膠顆粒內(nèi)部,將荷電功能基團(tuán)上的反離子置換下來(lái)而自身結(jié)合到離子交換劑上。從動(dòng)力學(xué)角度分析,整個(gè)過(guò)程可分為五個(gè)步驟:

①蛋白質(zhì)在溶液中經(jīng)擴(kuò)散作用到達(dá)凝膠顆粒表面,親水性的凝膠和水分子發(fā)生氫鍵作用,從而在凝膠表面束縛了一層結(jié)合水構(gòu)成水膜,水膜的厚度取決于凝膠的親水性強(qiáng)弱、色譜時(shí)流速的快慢,親水性越強(qiáng),流速越慢,水膜越厚,反之水膜則越薄,蛋白質(zhì)通過(guò)擴(kuò)散穿過(guò)水膜到達(dá)凝膠表面的過(guò)程稱為膜擴(kuò)散,速度取決于水膜兩側(cè)蛋白質(zhì)的濃度差; 

②蛋白質(zhì)分子進(jìn)入凝膠顆粒網(wǎng)孔,并到達(dá)發(fā)生交換的位置,此過(guò)程稱為粒子擴(kuò)散,其速度取決于凝膠顆粒網(wǎng)孔大小 (交聯(lián)度)、交換劑功能基團(tuán)種類、蛋白質(zhì)分子大小和帶電荷數(shù)等多種因素;

③蛋白質(zhì)取代交換劑上的反離子而發(fā)生離子交換;

④被置換下來(lái)的反離子擴(kuò)散到達(dá)凝膠顆粒表面,也即粒子擴(kuò)散,方向與步驟②相反;

⑤反離子通過(guò)擴(kuò)散穿過(guò)水膜到達(dá)溶液中,即膜擴(kuò)散,方向與步驟①相反。

根據(jù)電荷平衡的原則,一定時(shí)間內(nèi),一個(gè)帶電蛋白質(zhì)分子進(jìn)入凝膠顆粒,就有與該蛋白質(zhì)所帶凈電荷數(shù)相當(dāng)數(shù)量的反離子擴(kuò)散出凝膠顆粒。也就是說(shuō),蛋白質(zhì)與反離子從電荷數(shù)量上看,膜擴(kuò)散和粒子擴(kuò)散的速率相同而方向相反。

由此,上述五個(gè)步驟實(shí)際上就是膜擴(kuò)散、粒子擴(kuò)散和交換反應(yīng)三個(gè)過(guò)程。其中交換反應(yīng)通常速度比較快,而膜擴(kuò)散和粒子擴(kuò)散速度較慢,當(dāng)溶液中蛋白質(zhì)濃度較低時(shí),膜擴(kuò)散過(guò)程往往最慢,成為整個(gè)過(guò)程的限制性步驟;當(dāng)溶液中蛋白質(zhì)濃度較高時(shí),粒子擴(kuò)散過(guò)程往往最慢而成為整個(gè)過(guò)程的限制性步驟。


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