一、目的：

1．学习SDS—PAGE测定蛋白质分子量的基本原理。

2．掌握垂直板型电泳的基本操作技术。

二、原理：

由实验十五中已知，蛋白质在聚丙烯酰胺凝胶中电泳时，它的迁移率取决于它所带净电荷以及分子的大小和形状等因素。

1967年，Shapiro等人发现，如果在聚丙烯酰胺凝胶系统中加入阴离子去污剂十二烷基磺酸钠（sodium dodecyl sulfate，简称SDS），则蛋白质分子的电泳迁移率主要取决于它的分子量，而与所带电荷和形状无关。在一定条件下，蛋白质的分子量与电泳迁移率间的关系，可用下式表示：

因此，测定某个蛋白质的分子量，只需比较它和一系列已知分子量的蛋白质在SDS-凝胶电泳时的迁移率就可以了。后来，Weber等人基本按Shapiro的方法对约40种蛋白质进行了研究，进一步证实了这个方法地可行性(见图16-1)。用这种方法测定蛋白质的分子量，简便、快速，只需要廉价的设备和微克量的蛋白质样品；所得结果，在分子量为15,000—200，000的范围内，与用其他方法测得的分子量相比，误差一般在±10%以内。因此，近几年来，SDS-凝胶电泳测定分子量的方法，已得到非常广泛的应用和迅速的发展。

为了阐明SDS-凝胶电泳法测定蛋白质分子量的原理，许多人进行了深入的研究。实验证明，在蛋白质溶液中加入SDS和巯基乙醇后，巯基乙醇能使蛋白质分子中的二硫键还原；SDS能使蛋白质的氢键、疏水键打开，并结合到蛋白质分子上，形成蛋白质-SDS复合物。在一定条件下，SDS与大多数蛋白质的结合比为1.4克SDS/1克蛋白质。由于十二烷基磺酸根带负电，使各种蛋白质的SDS-复合物都带上相同密度的负电荷，它的量大大超过了蛋白质分子原有的电荷量，因而掩盖了不同种类蛋白质间原有的电荷差别。

SDS与蛋白质结合后，还引起了蛋白质构象的改变。蛋白质-SDS复合物的流体力学和光学性质表明，它们在水溶液中的形状，近似于雪匣烟形的长椭圆棒，不同蛋白质的SDS复合物的短轴长度都一样，约为18A，而长轴则随蛋白质的分子量成正比地变化。

这样的蛋白质-SDS复合物，在凝胶电泳中的迁移率，不再受蛋白质原有电荷和形状的影响，而只是椭圆棒的长度也就是蛋白质分子量的函数。

将蛋白质-SDS复合物在不同浓度的SDS-凝胶中电泳，得到的结果按Ferguson公式作图，也证明了蛋白质-SDS复合物的上述性质。

Ferguson公式：1gm_R=1gm₀—KRC

该公式原来是Ferguson提出来描述蛋白质在淀粉凝胶中电泳行为的，后来证明它也同样适用于聚丙烯酰胺凝胶电泳，式中mR是蛋白质在一定浓度凝胶（C）中的迁移率；m0是当凝胶浓度外推到零时的迁移率即自由迁移率，它与蛋白质的净电荷量（q）成正比，与蛋白质在溶液中的摩擦系数（f）成反比（m0∝q/f，f由溶液的粘滞性、蛋白质分子的大小和形状决定）；KR是阻滞系数（retardation coefficient），它与蛋白质分子量成线性关系。因此，不同的蛋白质分子有不同的mR，m0和KR值，几种蛋白质的Ferguson图见图16-2。

而蛋白质-SDS复合物的Ferguson图则不同（见图16-3）。

从图16-3可以清楚地看到，不同蛋白质的SDS复合物的m0值都很接近，分子量相差5倍的蛋白质之间，m0值只相差10%，如果忽略这个差别，就可以认为，各种蛋白质-SDS复合物的m0基本上是一个定值。这表明，不同蛋白质的SDS复合物都带有相同密度的负电荷，并具有同样的构象，因此，它们的净电荷量与磨擦系数之比（q/f）都接近于一个定值而不受各种蛋白质原来的电荷、分子大小和形状的影响，因而，在溶液中，自由迁移率就表现出一致性；但在一定浓度的凝胶中，由于引入了凝胶的分子筛效应，电泳迁移率mR就成为蛋白质分子量的函数。

根据以上事实，可以认为SDS-凝胶电泳测定蛋白质分子量方法的基础是可靠的。当然，还有许多问题有待于更深入地研究。

在用SDS-凝胶电泳法测定蛋白质分子量时，应注意以下几个问题：

1．如果蛋白质-SDS复合物不能达到1.4克SDS/1克蛋白质的比率并具有相同的构象，就不能得到准确的结果。影响蛋白质和SDS结合的因素主要有以下3个：（1）二硫键是否完全被还原：只有在蛋白质分子内的二硫键被彻底还原的情况下，SDS才能定量地结合到蛋白质分子上去，并使之具有相同的构象。一般以巯基乙醇作还原剂。在有些情况下，还需进一步将形成的巯基烷基化，以免在电泳过程中重新氧化而形成蛋白质聚合体。（2）溶液中SDS的浓度：溶液中的SDS的总量，至少要比蛋白质的量高3倍，一般需高达10倍以上。（3）溶液的离子强度：溶液的离子强度应较低，最高不能超过0.26，因为SDS在水溶液中是以单体和分子团的混合体而存在的，SDS结合到蛋白质分子上的量，仅决定于平衡时SDS单体的浓度而不是总浓度，在低离子强度的溶液中，SDS单体具有较高的平衡浓度。

2．不同的凝胶浓度适用地不同的分子量范围，Weber的实验指出，在5%的凝胶中，分子量25,000—200,000的蛋白质，其分子量的对数与迁移率呈直线关系；在10%的凝胶中，10.000—70,000分子量的蛋白质呈直线关系；在15%的凝胶中，10,000—50,000分子量的蛋白质呈直线关系；3.33%（以上各种浓度的凝胶，其交联度都是2.6%）的凝胶可用于分子量更高的蛋白质。

可根据所测分子量范围选择最适凝胶浓度，并尽量选择分子量范围和性质与待测样品相近的蛋白质作标准蛋白质。标准蛋白质的相对迁移率（蛋白质的电泳迁移距离除以染料迁移距离即为相对迁移率，详见后）最好在0.2—0.8之间均匀分布。

在凝胶电泳中，影响迁移率的因素较多，而在制胶和电泳过程中，很难每次都将各项条件控制得完全一致，因此，用SDS-凝胶电泳法测定分子量，每次测定样品必须同时做标准曲线，而不得利用另一次电泳的标准曲线。

3．有许多蛋白质，是由亚基（如血红蛋白）或两条以上肽链（如α-胰凝乳蛋白酶）组成的，它们在SDS和巯基乙醇的作用下，解离成亚基或单条肽链。因此，对于这一类蛋白质，SDS-凝胶电泳测定的只是它们的亚基或单条肽链的分子量，而不是完整分子的分子量。为了得到更全面的资料，还必须用其它方法测定其分子量及分子中肽链的数目等，与SDS-凝胶电泳的结果互相参照。

4．不是所有的蛋白质都能用SDS-凝胶电泳法测定其分子量，已发现有些蛋白质用这种方法测出的分子量是不可靠的。这些蛋白质有：电荷异常或构象异常的蛋白质，带有较大辅基的蛋白质（如某些糖蛋白）以及一些结构蛋白如胶原蛋白等。例如组蛋白F1，它本身带有大量正电荷，因此，尽管结合了正常比例的SDS，仍不能完全掩盖其原有正电荷的影响，它的分子量是21,000，但SDS-凝胶电泳测定的结果却是35,000。因此，在分析SDS-凝胶电泳所得的结果时，应该小心。一般至少用两种方法来测定未知样品的分子量，互相验证。为了判断待测样品是否可用SDS-凝胶电泳法来测定分子量，也可以使蛋白质-SDS复合物在不同浓度（交联度相同）的SDS-凝胶中电泳，得到Ferguson图。如果待测样品的自由迁移率m0与标准蛋白质的m0基本交于一点（如图16-3），而且在不同浓度的SDS-凝胶中测得的分子量都相同，则表明此蛋白质在SDS-凝胶电泳中的行为是正常的，可以用SDS-凝胶电泳法测定其分子量。

SDS-PAGE有连续体系及不连续体系两种，这两种体系有各自的样品溶解液及缓冲液，但加样方式，电泳过程及固定、染色与脱色方法完全相同。

三、器材与试剂：

1．器材：

①夹心式垂直板电泳槽，凝胶模（135×100×1.5mm）（北京六一仪器厂）

②直流稳压电源（电压300—600V，电流50—100mA）

③吸量管（1,5,10 ml）

④烧杯（25,50,100 ml）

⑤细长头的滴管

⑥1ml注射器及6号长针头

⑦微量注射器（10μl或50μl）

⑧水泵或油泵

⑨真空干燥器

⑩培养皿（直径120mm）

2．试剂：

（1）标准蛋白质

目前国内外均有厂商生产低分子量及高分子量标准蛋白质成套试剂盒，用于SDS-PAGE测定未知蛋白质分子量。

①高分子量标准蛋白试剂盒（Pharmacia公司产品，表中16-1）。

表16-1 5种标准蛋白质

同时按说明书要求处理

②低分子量标准蛋白试剂盒，中国科学院上海生物化学研究所东风生化试剂厂生产（表16-2）。

表16-2 5种标准蛋白质

每种蛋白含量为40μg。用时加入200μl样品溶解，经处理后，上样10μl（2μg）就能显示出清晰的条带。

③自己配制低分子量或高分子量标准蛋白质混合试剂。如买不到标准蛋白试剂盒时，可参考常用的标准蛋白质及其分子量表。从中选择3—5种蛋白质，如马心细胞色素C（Mr12 500）、牛胰胰凝乳蛋白原A（Mr25 000）、猪胃胃蛋白酶（Mr35 000）、鸡卵卵清蛋白（Mr43 000）、牛血清白蛋白（Mr67 000）等蛋白质，按照每种蛋白0.5—1mg·ml-1样品溶解液配制。可配制成单一蛋白质标准液，也可配成混合蛋白质标准液。

（2）连续体系SDS-PAGE有关试剂

①0.2mol·l^-1pH7.2磷酸盐缓冲液：称取磷酸氢二钠(AR)Na₂HPO₄·2H₂O25.63g或Na₂HPO₄·12H₂O51.58g，再称取磷酸二氢钠(AR)NaH₂PO₄·H₂O7.73g或NaH₂PO₄·2H₂O8.74g，溶于重蒸水中并定容到1000ml。

②样品溶解液：0.01mol·l^-1pH7.2磷酸盐缓冲液，内含1%SDS、1%巯基乙醇、10%甘油或40%蔗糖及0.02%溴酚蓝。用来溶解标准蛋白质及待测固体蛋白质样品。配制方法如表16-3。

如样品为液体，则应用浓一倍的样品溶解液，然后等体积混合。

③凝胶贮液：称Acr 30g,Bis 0.8g，加重蒸水至100ml，过滤后置棕色瓶，4℃贮存可用1—2个月。

④凝胶缓冲液：称SDS 0.2g，加0.2mol·l^-1pH7.2磷酸盐缓冲液至100ml4℃贮存，用前，稍加温使SDS溶解。

⑤1%TEMED：取TEMED1ml，加重蒸水至100ml，置棕色瓶内4℃贮存。

⑥10%过硫酸铵（AP）：称AP1g，加重蒸水至100ml，此液应每周新配，置棕色瓶内，4℃贮存。

⑦电极缓冲液（0.1%SDS，0.1mol·l^-1pH7.2磷酸盐缓冲液）：称SDS1g，加500ml0.2mol·l^-1pH7.2磷酸盐缓冲液，再用蒸馏水定容至1000ml。

⑧1%琼脂（糖）：称琼脂（糖）1g，加100ml上述电极缓冲液使其溶解，4℃贮存。

（3）不连续体系SDS-PAGE有关试剂

①10%（W/V）SDS溶液：称5gSDS，加重蒸水至50ml，微热使其溶解，置试剂瓶中，4℃贮存。SDS在低温易析出结晶，用前微热，使其完全溶解。

②1%TEMED（V/V）：取1mlTEMED，加重蒸水至100ml，置棕色瓶中，4℃贮存。

③10%AP（W/V）：称AP1g，加重蒸水至10ml。最好临用前配制。

④样品溶解液：内含1%SDS，1%巯基乙醇，40%蔗糖或20%甘油，0.02%溴酚蓝，0.01mol·l^-1 pH8.0 Tris-HCl缓冲液。

●先配制0.05mol·l^-1 pH8.0 Tris-HCl缓冲液：称Tris 0.6g，加入50ml重蒸水，再中入约3ml 1mol·l^-1 HCl，调pH至8.0，最后用重蒸水定容至100ml。

●按表16-4配制样品溶解液。

表16-4 不连续体系样品溶解液配制

*如样品为液体，则应用浓一倍的样品溶解液，然后等体积混合。

⑤凝胶贮液

●30%分离胶贮液：配制方法与连续体系相同，称Acr 30g及Bis 0.8g，溶于重蒸水中，最后定容至100ml，过滤后置棕色试剂瓶中，4℃贮存。

●10%浓缩胶贮液：称Acr 10g及Bis 0.5g，溶于重蒸水中，最后定容至100ml，过滤后置棕色试剂瓶中，4℃贮存。

⑥凝胶缓冲液

●分离胶缓冲液（3.0mol·l^-1pH8.9 Tris-HCl缓冲液）：称Tris 36.3g，加少许重蒸水使其溶解，再加1mol·l^-1pHCl约48ml，调pH至8.9，最后加重蒸水定容至100ml，4℃贮存。

●浓缩胶缓冲液（0.5mol·L-1 pH6.7 Tris-HCl缓冲液）：称Tris6.0g，加少许重蒸水使其溶解，再加1mol·l^-1 HCl约48ml调pH至6.7。最后用重蒸水定容至100ml，4℃贮存。

⑦电极缓冲液（内含0.1%SDS，0.05mol·l^-1Tris—0.384 mol·l^-1甘氨酸缓冲液pH8.3）：称Tris6.0，甘氨酸28.8g，加入SDS 1g，加蒸馏水使其溶解后定容至1000ml。

⑧1%琼脂（糖）溶液：称琼脂（糖）1g，加电极缓冲液100ml，加热使其溶解，4℃贮存，备用。

（4）固定液

取50%甲醇454ml，冰乙酸46ml混匀。

（5）染色液

称考马斯亮蓝R250 0.125g，加上述固定液250ml，过滤后应用。

（6）脱色液

冰乙酸75ml，甲醇50ml，加蒸馏水定容至1000ml。

四、操作步骤：

（一）安装夹心式垂直板电泳槽

关心式垂直板电泳槽操作简单，不易渗漏，其装置如图16-4。这种电泳槽两侧为有机玻璃制成的电极槽，两个电极槽中间夹有一个凝胶模，该模由1个 形硅胶框、长与短玻璃板及样品槽模板（梳子）所组成（见图16-5）。电泳槽由上贮槽（白金电极在上或面对短玻璃板），下贮槽（白金电极在下或面对长玻璃板）和回纹状冷凝管组成。两个电极槽与凝胶模间靠贮液槽螺丝固定。各部间依下列顺序组装：

1、将长、短玻璃板分别插到 形硅橡框的凹形槽中。注意勿用手接触灌胶面的玻璃。

2、将已插好玻璃板的凝胶模平放在上贮槽上，短玻璃板应面对上贮槽。

3、将下贮槽的销孔对准已装好螺丝销钉的上贮槽，双手以对角线的方式旋紧螺丝帽。

4、竖直电泳槽，在长玻璃板下端与硅胶模框交界的缝隙内加入已融化的1%琼脂（糖）。其目的是封住空隙，凝固后的琼脂（糖）中应避免有气泡。

（二）配胶及凝胶板的制备

1．配胶

根据所测蛋白质分子量范围，选择适宜的分离胶浓度。由于SDS-PAGE有连续系统及不连续系统两种，两者间有不同的缓冲系统，因而有不同的配制方法，见表16-5和表16-6。

表16-5 SDS-不连续体系凝胶配制

电极缓冲液为pH8.3Tris-甘氨酸缓冲液，内含0.1%SDS。

电极缓冲液为0.1mol·l^-1pH7.2磷酸缓冲液，内含0.1%SDS。

2．凝胶板的制备

（1）SDS-不连续体系凝胶板的制备

●分离胶的制备：按表16-5配制20ml10%分离胶，混匀后用细长头滴管将凝胶液加至长、短玻璃板间的缝隙内，约8cm高，用1ml注射器取少许蒸馏水，沿长玻璃板板壁缓慢注入，约3—4mm高，以进行水封。约30min后，凝胶与水封层间出现折射率不同的界线，则表示凝胶完全聚合。倾去水封层的蒸馏水，再用滤纸条吸去多余水分。

●浓缩胶的制备：按表16-5配制10ml3%浓缩胶，混匀后用细长头滴管将浓缩胶加到已聚合的分离胶上方，直至距离短玻璃板上缘约0.5cm处，轻轻将样品槽模板插入浓缩胶内，约30min后凝胶聚合，再放置20—30min，使凝胶“老化”。小心拔去样品槽模板，用窄条滤纸吸去样品凹槽中多余的水分，将pH8.3 Tris-甘氨酸缓冲液倒入上、下贮槽中，应没过短板约0.5cm以上，即可准备加样。

（2）SDS-连续体系凝胶板的制备：按表16-6配制20ml所需浓度的分离胶，用细长头滴管将分离胶混合液加到两块玻璃板的缝隙内直至距离短玻璃板上缘0.5cm处，插入样品槽模板。为防止渗漏，可在上、下电极槽中加入蒸馏水，但不能超过短板，以防凝胶被稀释，约30min，凝胶聚合，继续放置20—30min后，倒去上、下电极槽中的蒸馏水，小心拔出梳形样品槽模板，用窄条滤纸吸去残余水分，注意不要弄破凹形加样槽的底面。倒入电极缓冲液即可进行预电泳或准备加样。

（三）样品的处理与加样

1．样品的处理

根据分子量标准蛋白试剂盒的要求加样品溶解液，如上海东风生化试剂厂生产的低分子量标准蛋白试剂盒，每一安瓿则需加入200μl样品溶解液，自己配制标准及未知样品，按.5—1mg/1ml样品溶解液，溶解后，将其转移到带塞小离心管中，轻轻盖上盖子（不要塞紧以免加热迸出），在100℃沸水浴中保温3min，取出冷却后加样。如处理好的样品暂时不用，可入在—20℃冰箱保存较长时间，使用前在100℃沸水中加热3min，以除去亚稳态聚合。

2、加样

一般每个凹形样品槽内，只加一个种样品或已知分子量的混合标准蛋白质，加样体积要根据凝胶厚及样品浓度灵活掌握，一般加样体积为10—15μl（即2—10μg蛋白）。如样品较稀，加样体积可达100μl。如样品槽中有所泡，可用注射器针头挑除。加样时，将微量注射器的针头通过电极缓冲液伸入加样槽内，尽量接近底部，轻轻推动微量注射器，注意针头勿碰破凹形槽胶面。由于样品溶解液中含有比重较大的蔗糖或甘油，因此样品溶液会自动沉降在凝胶表面形成样品层。

（四）电泳

分离脉聚合后是否进行预电泳则应根据需要而定，SDS连续系统预电泳采用30mA60—120min。

1．连续系统

在电极槽中倒入0.1%SDS pH7.2 0.1mol/l磷酸盐缓冲液，连接电泳仪与电泳槽，上槽接负极，下槽接正极。打开电源，将电流调至20mA，待样品进入分离胶后，将电流调至50mA，待染料前沿迁移至距硅橡胶框底边1—1.5cm处，停止电泳，一般需5—6h。

2．不连续系统

在电极槽中倒入pH8.3Tris-HCl电级缓冲液，内含0.1%SDS即可进行电泳。在制备浓缩胶后，不能进行预电泳，因预电泳会破坏pH环境，如需要电泳只能在分离胶聚合后，并用分离胶缓冲液进行。预电泳后将分离胶面冲洗干净，然后才能制备浓缩胶。电泳条件也不同于连续SDS-PAGE。开始时电流为10mA左右，待样品进入分离胶后，改为20—30mA，当染料前沿距硅橡胶框底边1.5cm时，停止电泳，关闭电源。

（五）凝胶板剥离与固定

电泳结束后，取下凝胶模，卸下硅橡胶框，用不锈钢药铲或镊子撬开短玻璃板，在凝胶板切下一角作为加样标志，在两侧溴酚蓝染料区带中心，插入细铜丝作为前沿标记。将凝胶板放在大培养皿内，加入固定液，固定守液。

（六）染色与脱色

将染色液倒入培养皿中，染色1h左右，用蒸馏水漂洗数次，再用脱色液脱色，直到蛋白质区带清晰，即可计算相对迁移率。

（七）结果与分析

1．绘制标准曲线

将大培养皿放在一张坐标纸上，量出加样端距细铜丝间的距离（cm）以及各蛋白质样品区带中心与加样端的距离（cm），如图18-6所示。按下式计算相对迁移率mR：

以标准蛋白质的相对迁移率为横坐标，标准蛋白质分子量为纵坐标在半对数坐标纸上作图，可得到一条标准曲线。

2．根据未知蛋白质样品相对迁移率直接在标准曲线上查出其分子量。

3．分析各蛋白质相对迁移率高氏主要是由什么决定的？

注意事项

（1）由于与凝胶聚合有关的硅橡胶称、玻璃板表面不光滑洁净，在电泳时会造成凝胶板与玻璃板或硅橡胶条剥离，产生气泡或滑胶；剥胶时凝胶板易断裂，为防止引现象，所用器材均应严格地清洗。硅橡胶条的凹槽、样品槽模板及电泳槽用泡沫海绵蘸取“洗洁净”仔细清洗。玻璃板浸泡在重铬酸钾洗液3—4h或0.2mol/l KOH的酒精溶液中20min以上，用清水洗净，再用泡沫海绵蘸取“洗洁净”反复刷洗，最后用蒸馏水冲洗，直接阴干或用乙醇冲洗后阴干。

（2）安装电泳槽和镶有长、短玻璃板的硅橡胶框时，位置要端正，均匀用力旋紧固定螺丝，以免缓冲液渗漏。样品槽板梳齿应平整光滑。

（3）在不连续电泳体系中，预电泳只能在分离胶乡合后进行。洗净胶面后才能制备浓缩胶。浓缩胶制备后，不能进行预电泳，以充分利用浓缩胶的浓缩效应。

（4）电泳时，电泳仪与电泳槽间正、负极不能接错，以免样品反方向泳动，电泳时应选用合适的电流、电压，过高或过低无可影响电泳效果。

（5）SDS纯度：在SDS-PAGE中，需高纯度的SDS，市售化学纯SDS需重结晶一次或两次方可使用。重结晶方法如下：称20g SDS放在圆底烧瓶中，加300mL无水乙醇及约半牛角匙活性碳，在烧瓶上接一冷凝管，在水浴中加热至乙醇微沸，回流约10min，用热布氏漏斗趁热过滤。滤液应透明，冷却至室温后，移至—20℃冰箱中过夜。次日用预冷的布氏漏斗抽滤，再用少量—20℃预冷的无水乙醇洗涤白色沉淀3次，尽量抽干，将白色结晶置真空干燥器中干燥或置40℃以下的烘箱中烘干。

（6）用SDS处理蛋白质样品时，每次都会在沸水溶中保温3—5min，以免有亚稳聚合物存在。

（7）标准蛋白质的相对迁移率最好在0.2—0.8之间均匀分布。值得指出的是，每次测定未知物分子量时，都应同时用标准蛋白制备标准曲线，而不是利用过去的标准曲线。用此法测定的分子量只是它们的亚基或单条肽链的分子量，而不是完整的分子量。为测得精确的分子量范围，最好用其他测定蛋白分子量的方法加以校正。此法对球蛋白及纤维状蛋白的分子量测定较好，对糖蛋白，胶原蛋白等分子量测定差异较大。

（8）对样品的要求：应采纳低离子强度的样品。如样品中离子强度高，则应透析或经离子交换除盐。加样时，应保持凹形加样槽胶面平直。加样量以10—15μl为宜，如样品系较稀的液体状，为保证区带清晰，加样量可增加，同时应将样品溶解液浓度提高二倍或更高。

（9）由于凝胶中含SDS，直接制备干板会产生龟裂现象。如需制干板，则用25%异丙醇内含7%乙酸浸泡，并经常换液，直到SDS脱尽（约需2—3天），才可制备干板。为方便起见，常采用照像法，保存照片。