《食品科学》、JFF与FSHW编委—福州大学汪少芸教授教材《生物分子分离与表征》正式出版_杏鑫代理1980

加入杏鑫 www.etaoshi.com 2年前 (2022-08-01) 200次浏览

责任编辑:食品科学

生物分子分离提取与表征技术发展概况生物分子分离提取技术是指从动物、植物、微生物、生物工程产物(发酵液、培养液)或其生物化学产品中提取、分离和纯化出有用物质的技术过程(图1),是研究如何从混合物中把一种或几种物质分离出来的科学技术。常见的生物分子提取分离技术主要包括:离心分离、过滤分离、萃取分离、沉淀分离、膜分离、层析(色谱)分离、电泳分离以及产品的浓缩、结晶、干燥等技术。




图1 生物分子分离纯化的一般工艺




当前,生物分子的一般表征技术包括:X射线衍射、拉曼光谱、扫描电镜、傅里叶红外光谱、核磁共振等。X射线衍射是对样品表面元素组成及化学态分析的重要实验技术之一,探测深度在10 nm以内,可检测元素周期表中除H、He以外的几乎所有元素;扫描电镜主要用来观察生物体的微观结构等;傅里叶红外光谱可以根据未知物红外光谱中吸收峰的强度、位置和形状确定分子组成和结构,广泛用于有机物、无机物、聚合物、配位化合物的定性和定量分析;核磁共振是天然产物尤其是复杂化合物结构鉴定与分析研究不可缺少的技术,通过对谱图进行分析,可对在分子结构上存在细微差异的同分异构和立体异构的化合物进行鉴定(Willets and van Duyne,2007)。
蛋白质、核酸、磷脂等是重要的生命基础物质,多糖、多肽、多酚等生物分子对调节生命活动有重要作用,研究它们的结构组成、空间构象、生物活性等问题对阐明生命的奥秘以及工业化应用等具有重要意义。


生物分子分离技术
随着生产过程中反应技术的不断创新和发展,反应生成的混合物成分越来越复杂,功能食品、化妆品和药品等质量要求不断提高,人们的环保和节能意识进一步增强等,这些都对生物分子分离与纯化技术提出越来越高的要求,从而促进了传统分离技术的提高和完善,使其能从复杂的混合体系中分离目标分子(Gomes et al.,2016),并且不断开发多种新型分离技术,研究各种分离与纯化技术的相互交叉和集成。
未来的行业发展也对生物分子的特殊分离纯化有了新的要求。


1
分离技术的提高和完善
蒸馏、吸收、萃取、干燥等传统分离技术的理论研究比较透彻,但随着新材料的开发、加工制造手段的提高、各种分离技术的融合,传统分离技术得到不断的提高和完善,并被赋予新的内涵。例如,精馏、吸收中采用新型材料制造填料,填料形状的改进,都使精馏、吸收的效率有较大的提高;又如,各种新型高效过滤机械和萃取机械的成功研制,提高了产品的收率和生产效率。因此,传统分离与纯化技术随着科技的进步将有更大的发展空间


2
新型分离技术的研究和开发

新型分离技术的研究和开发包括新型分离介质的研究开发、各种分离技术的融合、各种分离技术的融合等。

生物分子表征技术
随着当今生物学向微观方向深入——以生物分子为对象来研究和认识其生物功能和作用机理,生物分子表征技术得到前所未有的发展和运用。生物活性分子结构复杂,不但具有种类繁多、排列井然的化学结构(一级结构),而且具有特定的、配合精巧的空间结构(高级结构)(Gomes et al.,2016)。生物分子的空间结构对维持其生物功能有着特殊的作用,随着生物科学的深入发展,测定分析生物分子结构(特别是空间结构)的重要性和迫切性就显得更加突出。现代生物分子表征技术需要快速发展与成熟,其中生物质谱技术、X射线衍射技术(X-ray diffraction technique)和冷冻电镜等技术方法是承担这一使命的最有效、最重要的方法和手段。
生物质谱技术作为一种鉴定分析技术,能快速而准确地测定生物分子的分子量,使蛋白质组学研究从蛋白质鉴定深入高级结构研究以及各种蛋白质之间的相互作用研究中。20世纪80年代末发展起来的各种软电离(即电离过程不伴随改变分子组成)技术,包括电喷雾(ESI)、基质辅助激光解吸电离(MALDI)等技术极大地推动了生物分子表征研究的发展。
为了解决生命科学过程中的有关生物活性物质的分析问题,发展并推动了生物质谱。生物质谱目前已成为有机质谱中最活跃、最富生命力的前沿研究领域之一。生物质谱主要用于解决两个分析问题:①精确测量生物分子,如蛋白质、核苷酸和糖类等的分子量,并提供分子结构信息;②对存在于生命复杂体系中的微量或痕量小分子生物活性物质进行定性或定量分析。生物质谱也已发展了各种新软电离技术及联用技术,扩展了质谱可测质量范围,特别是色谱-质谱联用技术和质谱串联技术。近年来涌现出较成功地用于生物分子质谱分析的软电离技术主要有下列几种:①电喷雾电离质谱;②基质辅助激光解吸电离质谱;③快原子轰击质谱;④离子喷雾电离质谱;⑤大气压电离质谱(吴世容等,2004)。近些年,阐明中药活性成分的药效物质基础和分子作用机制是中药现代化研究中亟待解决的关键科学问题。基于软电离技术的生物质谱具有高灵敏度、高特异性、高通量、低样品消耗等优势,已成为现代药物发现领域药物靶标鉴定的有力工具,在中药活性成分靶标鉴定中也得到越来越多的应用,图2为基于功能化亲和探针捕获与质谱分析联合鉴定中药活性成分靶标蛋白质的流程示意图。



图2 功能化亲和探针捕获与质谱分析联合鉴定中药活性 成分靶标蛋白质的流程示意图(梁祖青等,2018)




近年来,在物理学家、计算机科学家和结构生物学家的多年协同攻关、共同努力下,冷冻电镜(cryo-electron microscopy,cryo-EM)在技术上取得了关键性突破,在解析以蛋白质“分子机器”为代表的生物分子复杂体系的结构,进而阐明这些“分子机器”的功能和破解它们的工作机制方面取得了突破性进展。2017年,诺贝尔化学奖授予为冷冻电镜发展做出开创性贡献的3位科学家Jacques Dubochet、Joachim Frank和Richard Henderson,标志着结构生物学进入了新时代。冷冻电镜是一种结构生物学分析技术,其解析结构的方法是通过用电子显微镜对冷冻固定在玻璃态的冰中的纯化生物分子进行成像,然后应用计算机对所摄取的生物分子图像进行图像处理和计算,进而重构出生物分子的三维结构(图3)。


图3 高分子结构的冷冻电镜测定流程(尹长城,2018)
生物分子分离与表征技术的展望
当今生命科学的快速发展决定了追求高效、快速、高通量、集成化的生物分子分离与表征技术,也给生物分子分离与表征技术提出了新的要求。除应用一定科学技术手段或仪器获得有关组分的信息外,反映与正常生理条件(如水溶液、温度、酸碱度等)相似的情况下的生物分子结构和生理功能信息,同时比较在其中结构差异引起的功能变化,将是当前科学研究的重点内容。各种生化、分子研究都要求得到高纯度以及结构和功能活性完整的生物分子样品,这使得分离纯化技术在各项研究中起着举足轻重的作用;对新型生物分子分离与表征技术集成化的研究和开发也就应运而生。随着各学科之间的交叉渗透与融合,如光学、材料化学、精密仪器、智能化技术等学科的发展也为生物分子分离与表征技术的发展提供了更多的契机。
在未来,各种分离与表征技术相结合构成的多维技术体系也将得到进一步的研究开发。分离设备将与光谱、波谱这类提供结构信息的仪器进行在线连接,建立起更多的联用方式,以实现分离、纯化、定性、定量分析一体化。随着生物技术成果的不断积累和生物技术产业化进程的不断推进,生物制品的分离与纯化技术已成为实现生物高新技术产业化的关键,在理论和技术研究上都得到了长足的发展。在这个各学科快速发展并相互影响的时代,生物分子分离与表征技术必将不断推陈出新,以更加方便、高效、快捷的方式应用于科研和工业绿色制造领域。





生物分子分离与表征
汪少芸,欧阳松应 主编
北京:科学出版社,2021.11
ISBN 978-7-03-070082-7 
责任编辑:刘 畅



内容简介
生物分子分离与表征是研究生物分子结构与功能之间构效关系的基础。本书着重介绍了当前生物分子分离纯化与表征通常使用的传统经典技术与新兴技术的原理及操作步骤,并在此基础上,分别介绍了核酸、蛋白质、脂质、多糖、多酚等与生命活动关系最为密切的典型生物分子的结构特点、分离提取技术、表征技术、前沿研究热点与实践应用等 内容。本书结构合理、全面细致、逻辑清晰,文字表达由浅入深、流利通畅、图文并茂,具有较好的教学与科研参考价值。
本书适合从事生物化学、生物工程、食品科学、农业科学、食品生物技术的科研工作者与教学人员阅读,可作为高等院校生物科学、生物技术、生物工程、食品科学与工程、农学等相关专业本科生及研究生的教材和教学参考书。


目录速览


前言

第1章 绪论 1

1.1 生物分子概述 1

1.1.1 蛋白质 1

1.1.2 核酸 2

1.1.3 多糖 2

1.1.4 脂质 2

1.1.5 多酚 3

1.2 不同生物分子的分离提取与表征的过程和方法 5

1.2.1 核酸的分离提取与表征方法 5

1.2.2 蛋白质和多肽的分离提取与表征过程 6

1.2.3 脂质的分离提取与表征过程 7

1.2.4 多糖的分离提取与表征过程 7

1.2.5 多酚的分离提取与表征方法 8

1.3 生物分子分离提取与表征技术发展概况 9

1.3.1 生物分子分离技术 9

1.3.2 生物分子表征技术 10

1.4 生物分子分离与表征技术的展望 12

参考文献 13

第2章 生物分子提取技术 16

2.1 预处理 16

2.1.1 固态物料预处理 16

2.1.2 液态物料预处理 16

2.2 沉淀法 18

2.2.1 基本原理 18

2.2.2 盐析法 18

2.2.3 有机溶剂沉淀法 19

2.2.4 等电点沉淀法 19

2.2.5 亲和沉淀法 20

2.2.6 其他沉淀法 20

2.3 萃取技术 22

2.3.1 液液萃取的基本理论与过程 23

2.3.2 双水相萃取 24

2.3.3 微波辅助萃取 25

2.3.4 反胶团萃取 25

2.3.5 固相微萃取 26

2.3.6 超临界流体萃取 27

2.3.7 磁性固相萃取技术 29

参考文献 31

第3章 生物分子分离纯化技术 33

3.1 透析、超滤和结晶 33

3.1.1 透析 33

3.1.2 超滤 34

3.1.3 结晶 37

3.2 吸附与离子交换 39

3.2.1 吸附与离子交换的基本理论 39

3.2.2 固定床吸附操作 40

3.2.3 移动床吸附操作 41

3.2.4 接触过滤式吸附操作 41

3.2.5 流化床吸附操作和流化床-移动床联合吸附操作 41

3.3 色谱分离技术 42

3.3.1 色谱分离技术概述 42

3.3.2 亲和色谱法 42

3.3.3 吸附色谱法 44

3.3.4 分配色谱法 45

3.3.5 凝胶色谱法 46

3.3.6 离子交换色谱法 48

3.4 电泳法 52

3.4.1 聚丙烯酰胺凝胶电泳 52

3.4.2 十二烷基硫酸钠-丙烯酰胺凝胶电泳 54

3.4.3 等电聚焦电泳 56

3.4.4 双向电泳 57

3.4.5 毛细管电泳 59

3.4.6 分子印迹技术 60

参考文献 62

第4章 生物分子表征技术 65

4.1 紫外-可见吸收光谱法 65

4.1.1 紫外-可见吸收光谱概述 65

4.1.2 有机化合物紫外-可见吸收光谱的基本原理 65

4.1.3 紫外-可见吸收光谱的应用 66

4.2 红外光谱法 67

4.2.1 红外光谱概述 67

4.2.2 红外光谱与物质结构的关系 67

4.2.3 红外光谱的应用 69

4.3 核磁共振波谱法 70

4.3.1 核磁共振波谱概述 70

4.3.2 核磁共振的基本概念 70

4.4 氢谱 72

4.4.1 氢谱化学位移δ的影响因素 72

4.4.2 耦合常数 74

4.4.3 氢谱与结构的关系 74

4.4.4 常见官能团的氢谱 75

4.5 碳谱 76

4.5.1 碳谱化学位移δ的影响因素 76

4.5.2 耦合常数 77

4.5.3 常规核磁共振谱的应用 78

4.6 拉曼光谱分析 79

4.6.1 拉曼光谱概述 79

4.6.2 拉曼散射及瑞利散射机理 79

4.6.3 拉曼光谱的应用 80

4.7 二维核磁共振谱 80

4.7.1 二维核磁共振谱概述 80

4.7.2 二维核磁共振谱的基本原理 81

4.7.3 二维核磁共振谱分类 82

4.7.4 二维核磁共振谱的应用 83

4.8 X射线荧光分析 84

4.8.1 X射线荧光分析概述 84

4.8.2 X射线荧光分析的基本原理 84

4.8.3 X射线荧光光谱的应用 85

4.9 X射线衍射分析 86

4.9.1 X射线衍射分析概述 86

4.9.2 X射线衍射分析的应用 86

4.10 质谱分析法 86

4.10.1 质谱仪的分类 87

4.10.2 质谱仪结构与工作原理 87

4.10.3 质谱仪的基本组成 87

4.10.4 质谱联用技术 90

4.10.5 串联质谱法 91

4.10.6 气相色谱-质谱联用的分析方法 93

4.10.7 液相色谱-质谱联用的分析方法 96

4.10.8 质谱技术的应用进展 97

4.11 生物质谱 97

4.11.1 多肽和蛋白质质谱分析 98

4.11.2 核酸质谱分析 100

4.12 免疫学检验 100

4.12.1 抗原-抗体反应 100

4.12.2 标记免疫分析概述 101

4.12.3 标记免疫分析技术分类 101

4.12.4 免疫学检测技术的应用 103

参考文献 104

第5章 核酸的分离纯化与表征 106

5.1 核酸的理化性质及其应用 106

5.1.1 核酸的一般物理性质 106

5.1.2 核酸的紫外吸收特性 106

5.1.3 核酸的沉降特性 107

5.1.4 核酸的两性解离及凝胶电泳 107

5.1.5 核酸的变性、复性和杂交 108

5.1.6 核酸的酸解、碱解与酶解 110

5.2 核酸的分离提取 111

5.2.1 核酸的分离提取原理及一般过程 111

5.2.2 DNA的分离提取 113

5.2.3 RNA的分离提取 114

5.3 核酸的表征技术 118

5.3.1 紫外分光光度法测定 118

5.3.2 荧光染料法 119

5.3.3 凝胶电泳 119

5.3.4 实时荧光定量PCR法 123

5.3.5 数字PCR法 124

5.3.6 DNA测序技术 126

5.3.7 流式细胞术在核酸检测中的应用 126

5.3.8 生物质谱分析技术 126

5.3.9 显微电镜技术在核酸分析中的应用 128

5.3.10 共振光散射法 133

5.3.11 杂交定量方法 135

5.3.12 新型荧光纳米材料的运用 136

5.3.13 重组酶聚合酶扩增技术 137

5.3.14 CRISPR/Cas基因核酸检测技术 140

5.3.15 核酸检测技术在新型冠状病毒检测中的运用 140

参考文献 141

第6章 蛋白质的分离纯化与表征 144

6.1 蛋白质分离纯化的设计 144

6.1.1 基本原则 144

6.1.2 方案设计 147

6.2 蛋白质纯化的指标 149

6.2.1 蛋白质的定量分析 149

6.2.2 蛋白质的纯度分析 154

6.3 初步纯化蛋白质的常用方法 156

6.3.1 材料的预处理 156

6.3.2 蛋白质样品的沉淀 158

6.3.3 蛋白质样品的初步分离 159

6.4 高度纯化蛋白质的常用方法 160

6.4.1 色谱技术 160

6.4.2 电泳技术 163

6.5 蛋白质的表征 163

6.5.1 蛋白质的分子质量 163

6.5.2 蛋白质的等电点 164

6.5.3 糖蛋白的鉴定 164

6.5.4 蛋白质氨基酸组成的分析 165

6.5.5 蛋白质中二硫键的定位 168

6.5.6 蛋白质空间结构的鉴定 169

6.6 蛋白质组学技术 172

6.6.1 凝胶和非凝胶的蛋白质组学分离技术 172

6.6.2 基于生物质谱技术的蛋白质组学鉴定技术 172

6.6.3 蛋白质组学定量技术 173

6.6.4 基于生物信息学的蛋白质组学数据的分析处理技术 175

6.7 不同来源蛋白质的纯化与表征 175

6.7.1 微生物细胞培养来源的蛋白质 176

6.7.2 哺乳动物细胞培养来源的蛋白质 176

6.7.3 动物组织来源的蛋白质 179

6.7.4 植物组织来源的蛋白质 180

6.7.5 膜蛋白的纯化 181

6.8 不同用途蛋白质的纯化案例 182

6.8.1 用于测序的蛋白质纯化 182

6.8.2 用于晶体学研究的蛋白质纯化 184

6.8.3 用于食品工业的酶蛋白纯化 187

6.8.4 抗体蛋白的纯化 188

参考文献 190

第7章 脂质的分离纯化与表征 194

7.1 概述 194

7.1.1 脂质的分类 194

7.1.2 脂质的功能 196

7.2 脂质的提取和分离纯化 197

7.2.1 脂质的提取 197

7.2.2 脂质的分离纯化 202

7.3 脂质的表征及分析方法 206

7.3.1 脂类化合物含量的测定 206

7.3.2 脂质的分子量分布及大小 207

7.3.3 脂质的脂肪酸组成与含量分析 209

7.3.4 脂质组学的分析手段 213

参考文献 216

第8章 多糖类物质的分离纯化与表征 220

8.1 多糖类物质的研究进展 220

8.1.1 多糖的来源 220

8.1.2 多糖的结构 221

8.1.3 多糖的功能活性 225

8.2 多糖的提取与分离纯化 226

8.2.1 多糖的提取方法 226

8.2.2 多糖的分离纯化方法 234

8.3 多糖的结构表征与分析 237

8.3.1 糖含量的测定方法 237

8.3.2 分子质量分布及大小的测定 238

8.3.3 单糖组成的测定方法 239

8.3.4 糖苷键组成及连接次序的分析 241

8.3.5 构象(或高级结构)分析 244

8.3.6 形貌分析 247

8.4 多糖的生物活性检测 249

8.4.1 抗氧化活性 251

8.4.2 抗炎活性 253

8.4.3 免疫调节活性 254

8.4.4 抗菌活性 254

8.4.5 降血糖活性 255

8.5 总结与展望 258

参考文献 259

第9章 多酚类化合物的分离纯化与表征 276

9.1 多酚类化合物的分类与化学结构特征 276

9.1.1 酚酸类化合物 279

9.1.2 黄酮类化合物 279

9.1.3 复杂多酚 280

9.2 多酚类化合物提取、纯化方法 282

9.2.1 多酚类化合物提取方法 282

9.2.2 多酚类化合物纯化方法 284

9.3 多酚类化合物定量、结构鉴定 285

9.3.1 多酚类化合物定量方法 285

9.3.2 多酚类化合物结构测定及表征 288

9.4 多酚类化合物药理活性 292

9.4.1 抗氧化活性 292

9.4.2 抑菌消炎活性 294

9.4.3 抗癌活性 297

9.4.4 抑制心血管疾病 299

9.4.5 调节糖脂代谢 300

参考文献 301

附录 中英文缩略词 306


文章来源于科学出版社微信公众号。

喜欢 (0)