離子交換理論（下篇）

更新時間：2022-03-04 點擊次數：1647

他作用力：疏水相互作用和氫鍵

雖然蛋白質與離子交換劑發生結合主要依靠相反電荷之間的離子鍵，但實際上此過程中還可能存在其他的作用力，常見的就是疏水相互作用和氫鍵。

疏水相互作用主要出現在使用帶非極性骨架的離子交換劑時，例如離子交換樹脂，特別是聚苯乙烯樹脂，骨架帶有較強的疏水性，能與蛋白質分子中的一些疏水性氨基酸殘基通過疏水相互作用結合。雖然前面提到常規的離子交換樹脂因其性質上的缺點在蛋白質分離中并不常用，但在現代HPLC中還是有部分介質是以樹脂作為骨架的。氫鍵則主要出現在使用以親水性高分子為骨架的離子交換劑時，例如使用較為廣泛的以Tandex（月旭葡聚糖）或Tanrose（月旭瓊脂糖）為基質的離子交換劑，骨架糖鏈中的羥基、羧基等基團能夠與蛋白質分子中帶親水側鏈的氨基酸殘基之間形成氫鍵。當兩種蛋白質在電性質方面很接近時，這些額外的作用力在分離時起著決定性的作用，據此往往可以實現分離。不過這些作用力對色譜行為產生的影響通常很難預測，不同的蛋白質往往相差很大，因此不具有通用性。

離子交換動力學

離子交換的發生及進行的程度即離子交換平衡取決于離子作用，而離子交換動力學則取決于離子交換劑的顆粒結構。

離子交換劑的骨架是具有網孔狀結構的顆粒狀凝膠，而荷電功能基團均勻分布在凝膠顆粒的表面及網孔內部，蛋白質分子依據分子量的不同，不同程度地進入凝膠顆粒內部，將荷電功能基團上的反離子置換下來而自身結合到離子交換劑上。從動力學角度分析，整個過程可分為五個步驟：

①蛋白質在溶液中經擴散作用到達凝膠顆粒表面，親水性的凝膠和水分子發生氫鍵作用，從而在凝膠表面束縛了一層結合水構成水膜，水膜的厚度取決于凝膠的親水性強弱、色譜時流速的快慢，親水性越強，流速越慢，水膜越厚，反之水膜則越薄，蛋白質通過擴散穿過水膜到達凝膠表面的過程稱為膜擴散，速度取決于水膜兩側蛋白質的濃度差；

②蛋白質分子進入凝膠顆粒網孔，并到達發生交換的位置，此過程稱為粒子擴散，其速度取決于凝膠顆粒網孔大小（交聯度）、交換劑功能基團種類、蛋白質分子大小和帶電荷數等多種因素；

③蛋白質取代交換劑上的反離子而發生離子交換；

④被置換下來的反離子擴散到達凝膠顆粒表面，也即粒子擴散，方向與步驟②相反；

⑤反離子通過擴散穿過水膜到達溶液中，即膜擴散，方向與步驟①相反。

根據電荷平衡的原則，一定時間內，一個帶電蛋白質分子進入凝膠顆粒，就有與該蛋白質所帶凈電荷數相當數量的反離子擴散出凝膠顆粒。也就是說，蛋白質與反離子從電荷數量上看，膜擴散和粒子擴散的速率相同而方向相反。

由此，上述五個步驟實際上就是膜擴散、粒子擴散和交換反應三個過程。其中交換反應通常速度比較快，而膜擴散和粒子擴散速度較慢，當溶液中蛋白質濃度較低時，膜擴散過程往往最慢，成為整個過程的限制性步驟；當溶液中蛋白質濃度較高時，粒子擴散過程往往最慢而成為整個過程的限制性步驟。

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