课题3　血红蛋白的提取和分离教学设计

血红蛋白的提取和分离

一、教材分析

在DNA提取和鉴定的基础上，本节课继续生物大分子——血红蛋白的提取和分离，对生物大分子的提取方法进行补充和完善。在分离大分子蛋白质的方法中，重点介绍凝胶色谱法和电泳法，为学生展示依据不同原理分离蛋白质得到的结果完全不同，在学习过程中建立选择与结果的区别。之后，课本重点介绍利用凝胶色谱法纯化血红蛋白，对理论知识加以利用。

二、教学目标

1.知识与技能

（1）理解色谱法、电泳法等分离生物大分子的基本原理；

（2）了解缓冲液的组成及其作用。

2.过程与方法

结合教材图解分析色谱法、电泳法等分离生物大分子的基本原理，进行比较进一步理解。

3.情感、态度与价值观

领悟重要科学实验的发明，提高自己的科学素养。

三、教学重难点

1.重点：凝胶色谱法的原理和方法。

2.难点：电泳法分离大分子的原理。

四、教学准备

多媒体课件。

五、课时安排

1课时。

六、教学过程

【课程导入】

DNA通过控制蛋白质的合成来控制生物的性状，蛋白质是生命活动的主要承担者和体现者，是细胞中含量最高的有机化合物。之前，我们学习了从鸡血细胞液中提取DNA并加以鉴定，而对蛋白质的研究有助于人们对生命过程的认识和理解。那么，如何从细胞中提取蛋白质呢？应该注意哪些事项呢？

【基础知识】

蛋白质分离和提取的原理：根据蛋白质各种特性（理化性质）的差异，如分子的形状和大小、所带电荷的性质和多少、溶解度、吸附性质和对其他分子的亲和力等等来分离不同种类的蛋白质。

（一）凝胶色谱法

1.概念：也称分配色谱法，是根据被分离的蛋白质相对分子质量的大小，利用具有网状结构的凝胶的分子筛作用，来进行分离蛋白质的有效方法。

2.大多数凝胶是由多糖类化合物（如葡聚糖或琼脂糖）构成的多孔小球体。

3.具体过程：当不同的蛋白质通过凝胶时，相对分子质量较小的蛋白质容易进入凝胶内部的通道，路程较长，移动速度较慢，而相对分子质量较大的蛋白质无法进入凝胶内部的通道，只能在凝胶外部移动，路程较短，移动速度较快，相对分子质量不同的蛋白质因此得以分离。

（二）缓冲溶液

1.概念：在一定的范围内，能对抗外来少量强酸、强碱或稍加稀释不引起溶液pH发生明显变化的作用叫做缓冲作用，具有缓冲作用的溶液叫做缓冲溶液。

2.作用：能够抵制外界的酸和碱对溶液的pH的影响，维持pH基本不变。

3.缓冲溶液的配制:通常由1～2种缓冲剂溶解于水中配制而成。调节缓冲剂的使用比例就可以制得在不同pH范围内使用的缓冲液。

4.思考：在整个实验过程中使用的缓冲液是什么？它的目的是什么？

答：使用的是磷酸缓冲液，目的是利用缓冲液模拟细胞内的pH环境，保证血红蛋白的正常结构和功能，便于观察（红色）和材料的科学研究（活性）。

（三）电泳

1.概念：带电粒子在电场作用下发生迁移的过程。

2.原理：电泳利用了待分离样品中各种分子带电性质的差异以及分子本身的大小，形状的不同，使带电分子产生不同的迁移速度，从而实现样品中各种分子的分离。

3.分类：琼脂糖凝胶电泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳。

（1）蛋白质在聚丙烯酰胺凝胶中的迁移率取决于它所带静电荷的多少以及分子的大小等。

（2）为了消除静电荷对迁移率的影响可以在凝胶中加入SDS。

（3）SDS能使蛋白质发生完全变性。由几条肽链组成的蛋白质复合体在SDS的作用下会解聚成单条肽链，因此测定的结果只是单条肽链的分子量。

（4）SDS与各种蛋白质形成蛋白质—SDS复合物，SDS所带负电荷的量大大超过了蛋白质分子原有电荷量。因而掩盖了不同种蛋白质间的电荷差别，使电泳迁移率完全取决于分子大小。

（5）测定蛋白质相对分子质量通常用SDS—聚丙烯酰胺凝胶电泳。

【实验操作】

蛋白质提取和分离一般分四步：样品处理、粗分离、纯化、纯度鉴定。

（一）样品处理及粗分离

在红细胞组成中，除水之外，约90%是血红蛋白。它由四条肽链组成，包括两个α—肽链和两个β—肽链。每条肽链环绕一个亚铁血红素基团，可携带1分子O2或1分子CO2。血红蛋白因含血红素而呈现红色。

1.红细胞的洗涤

（1）洗涤目的：除去其中的杂蛋白，以利于后续血红蛋白的分离纯化。

（2）操作步骤：低速短时离心，去血浆，加生理盐水慢搅拌，低速短时离心，去上清液，如此重复洗涤三次。

（3）红细胞洗涤干净的标志：直至上清液中无黄色，表明洗涤干净。

2.血红蛋白的释放

将洗涤好的红细胞倒入烧杯，加蒸馏水到原血液的体积，再加40%体积的甲苯，置于磁力搅拌器上充分搅拌10min。在蒸馏水和甲苯的作用下，红细胞破裂，释放出血红蛋白。

3.分离血红蛋白溶液

将搅拌好的混合液转移到离心管中，以2000r/min的速度离心10min后，可以明显看到试管中的溶液分为4层。从上往下数，第1层为无色透明的甲苯层，第2层为白色薄层固体，是脂溶性物质的沉淀层，第3层是红色透明液体，这是血红蛋白的水溶液，第4层是其他杂质的暗红色沉淀物。将试管中的液体用滤纸过滤，除去脂溶性沉淀层，于分液漏斗中静置片刻后，分出下层的红色透明液体。

4.透析：

（1）透析目的：除去样品中分子量较小的杂质。

（2）说明：透析袋是一种半透膜，能使小分子自由进出，而大分子不能通过。

（3）操作：取1mL的血红蛋白溶液装入透析袋中，将透析袋放入盛有300mL的物质的量浓度为20mmol/L的磷酸缓冲液中（pH为7.0），透析12h。

（二）凝胶色谱操作

1.凝胶色谱柱的制作

2.凝胶色谱柱的填料

（1）“G”表示凝胶的交联程度，膨胀程度及分离范围。

（2）75表示凝胶的得水值，即每克凝胶膨胀时吸水7.5克。

（3）注意：凝胶装填时尽量紧密，以降低凝胶颗粒之间的空隙。

装填凝胶柱时不能有气泡存在：因为气泡会搅乱洗脱液中蛋白质的洗脱次序，降低分离效果。

3.样品加入与洗脱

注意：

正确的加样操作是：不要触及并破坏凝胶面；贴壁加样；使吸管管口沿管壁环绕移动。

（三）SDS—聚丙烯酰胺凝胶电泳

判断纯化的蛋白质是否达到要求，需要进行蛋白质纯度的鉴定。

【操作提示】

1.红细胞的洗涤

洗涤次数、离心速度与离心时间十分重要。洗涤次数过少，无法除去血浆蛋白；离心速度过高和时间过长会使白细胞等一同沉淀，达不到分离效果。

2.色谱柱填料的处理

商品凝胶是干燥的颗粒，使用前需直接放在洗脱液中膨胀。为了加速膨胀，可以将加入洗脱液的湿凝胶用沸水浴加热，逐渐升温至接近沸腾。这种方法不但节约时间，而且可以除去凝胶中可能带有的微生物，排出胶粒内的空气。

3.凝胶色谱柱的装填

在装填凝胶柱时，不得有气泡存在。气泡会搅乱洗脱液中蛋白质的洗脱次序，降低分离效果。在凝胶色谱操作中，不能发生洗脱液流干，露出凝胶颗粒的现象。

4.蛋白质的分离

在蛋白质分离过程中，如果红色区带均匀一致地移动，说明色谱柱制作成功。

【结果分析与评价】

1.是否完成对血液样品的处理

观察你处理的血液样品离心后是否分层，如果分层不明显，可能是洗涤次数少、未能除去血浆蛋白的原因。此外，离心速度过高和时间过长，会使白细胞一同沉淀，也得不到纯净的红细胞，影响后续血红蛋白的提取纯度。

2.凝胶色谱柱的装填是否成功

如果色带均匀、狭窄、平整，说明凝胶色谱柱的性能良好。如果色谱柱出现纹路或是气泡，轻轻敲打柱体以消除气泡，消除不了时要重新装柱。

3.血红蛋白的分离是否成功

如果凝胶色谱柱装填得很成功、分离操作也正确的话，能清楚地看到血红蛋白的红色区带均匀、狭窄、平整，随着洗脱液缓慢流出；如果红色区带歪曲、散乱、变宽，说明分离的效果不好，这与凝胶色谱柱的装填有关。

七、课堂小结

利用蛋白质各种性质的差异，可以用来分离不同种类的蛋白质。蛋白质分离方法有凝胶色谱法和电泳法。凝胶色谱法是根据相对分子质量的大小分离蛋白质的有效方法，电泳是指带电粒子在电场作用下发生迁移的过程，在电场的作用下，分子会向着与其所带电荷相反的电极移动。蛋白质的提取和分离一般分为四步：样品处理、粗分离、纯化和纯度鉴定。红细胞洗涤过程中应注意洗涤速度、离心速度和离心时间。

八、教学反思