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从细胞到实验室：如何有效地提取和分离蛋白质？
蛋白质提取是一系列过程，旨在从细胞、组织或整个生物体的复杂混合物中分离出一种或几种蛋白质。这一过程对于研究蛋白质的功能、结构和相互作用至关重要。蛋白质提取不仅可以将目标蛋白与其他蛋白质分开，还能分离非蛋白质部分。为了有效地研究感兴趣的蛋白质，必须将其从细胞的所有组分中分开，以免杂质干扰蛋白质的结构和功能的检测。
提取的纯质结果可称为蛋白质分离物。
在蛋白质提取过程中，快速而有效地分离出目标蛋白通常是最繁琐的部分。分离步骤通常利用蛋白质在大小、物理化学特性、结合亲和力和生物活性等方面的差异。随着对成本更低且效率更高的蛋白质纯化方法的需求不断增加，深入理解不同的蛋白质纯化技术及其最佳化对于降低生产成本同时保持高质量的标准至关重要。
目的
蛋白质的生产成本仍然非常高，因此开发成本效益高且快速的蛋白质纯化方法变得更为迫切。根据用途的不同，蛋白质纯化可分为准备性和分析性两类。准备性的目的是产生相对较大数量的纯化蛋白质供后续使用，例如制备商业产品，如酶（例如乳糖酶）、营养蛋白（例如大豆蛋白分离物）以及某些生物制药产品（例如胰岛素）。而分析性纯化则生产相对较少量的蛋白质供研究和分析目的使用，包括识别、定量以及蛋白质的结构、后转译修饰和功能的研究。
每个蛋白质纯化方案的每一步都被监测，并考虑纯化水平和产量的平衡。
一个高纯化程度但产量低的结果几乎不会留下足够的蛋白质进行实验，而高产量但纯化程度低则会留下大量杂质，干扰研究的准确性。这样，选择合适的起始材料以及理想的分离策略变得尤为重要。
初步步骤
提取
如果目标蛋白质未被有机体分泌至外部溶液，纯化过程的第一步是破坏包含该蛋白质的细胞。根据蛋白质的脆弱程度和细胞的稳定性，可以使用以下方法之一：反覆冷冻和解冻、超声波处理、高压均质化（法国压力机）、研磨均质化（珠磨机）以及使用洗涤剂（例如Triton X-100）和/或酶（例如溶菌酶）进行透过化。最终，可以通过差异离心法移除细胞碎片。
差异离心法使得在低速离心后，进一步以更大的力进行分离，得到的沉淀物可含有细胞核。
在细胞裂解过程中，释放出的蛋白酶可能会开始消化溶液中的蛋白质，因此如果目标蛋白质对蛋白酶敏感，应该迅速进行操作并保持提取物冷却。
超离心
超离心是利用离心力分离不同质量或密度的混合物的过程。当含有各种蛋白质或其他颗粒物质的容器以高速旋转时，较大、较小、较重的颗粒会比质量较小的颗粒更快地向外移动。透过这一过程，可以获得特定颗粒的沉淀，称为「沉淀物」，而处于液体中的非紧凑型颗粒则称为「上清液」，并可以从容器中去除。
超离心在生物化学中非常有价值，能有效分离生物大分子，并分析其物理特性。
使用蔗糖梯度离心，可以在管中生成一个线性浓度梯度，使得样本在高速度下旋转时，重的高分子物质会比轻的物质向下移动得更快。
纯化策略
选择合适的起始材料对于设计纯化过程至关重要。在植物或动物中，特定的蛋白质通常不会均匀分布，某些器官或组织中的浓度会更高。使用蛋白质浓度较高的组织或器官有助于降低盐溶液的体积，从而提高研究的效率。
再者，待提取的蛋白质可经过重组DNA技术开发产生大量所需蛋白质的细胞（称之为表达系统）。
这可使目标蛋白质上有标签（例如His标签或Strep标签），方便纯化，从而减少所需的纯化步骤数量。一般来说，蛋白质可以根据其等电点、大小或分子量以及极性/疏水性来进行分离。
结论
在当今科学研究中，对蛋白质的准确分离与纯化不仅影响研究结果的可靠性和有效性，也决定着相关技术的发展和应用潜力。因此，随着科学的进步与需求的日益增长，研究人员如何在保证效率的同时简化与优化蛋白质的提取与分离过程？
