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1、第二章 蛋白質(zhì)第三節(jié) 蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)一、肽鍵及多肽鏈(一)基本概念肽鍵:蛋白質(zhì)分子中不同氨基酸是以相同的化學(xué)鍵連接的,即前一個氨基酸分子的-羧基與下一個氨基酸分子的-氨基縮合,失去一個水分子形成肽(peptide),該c-n化學(xué)鍵稱為肽鍵(peptide bond)。多肽:由兩個氨基酸分子縮合而成的肽稱為二肽;含三個氨基酸的肽,稱為三肽,以此類推;含20個以上的稱多肽(polypeptide)。肽與蛋白質(zhì)之間無明顯界限,50個以上氨基酸構(gòu)成的肽一般稱蛋白質(zhì)。氨基酸殘基:蛋白質(zhì)中的氨基酸不再是完整的氨基酸分子,稱為氨基酸殘基。多肽鏈:通過肽鍵連接而成的鏈狀結(jié)構(gòu)稱為多肽鏈(polypeptide
2、 chain),其骨架由-n-c-c-重復(fù)構(gòu)成。書寫格式:把含有-nh2的氨基酸殘基寫在多肽鏈的左邊,稱為n-末端(氨基端),把含有-cooh的氨基酸殘基寫在多肽的右邊,稱為c-末端(羧基端)。除肽鍵外,蛋白質(zhì)中還含有其他類型的共價鍵,例如,蛋白質(zhì)分子中的兩個半胱氨酸可通過其巰基形成二硫鍵(-s-s-,又稱二硫橋),這是蛋白質(zhì)分子中一種常見的共價鍵,可存在于多肽鏈內(nèi)部或兩條肽鏈之間。(二)肽類存在的生理意義肽類作為小分子蛋白質(zhì),在體內(nèi)有一些相當(dāng)重要的功能,并有一定的應(yīng)用價值。如:1.神經(jīng)肽的類似物內(nèi)啡肽(endorphins),可作為天然的止痛藥物;2.動物體內(nèi)的谷胱甘肽具有重要生理功能,它是
3、由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸構(gòu)成,其中谷氨酸以-羧基而不是-羧基與半胱氨酸形成肽鍵。二、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)(一)蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的概念蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)(primary structure)是指多肽鏈上各種氨基酸殘基的排列順序。一級結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)鍵是肽鍵。一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),也是各種蛋白質(zhì)的區(qū)別所在,不同蛋白質(zhì)具有不同的一級結(jié)構(gòu)。(二)一級結(jié)構(gòu)的測定三、蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)構(gòu)象:蛋白質(zhì)在體內(nèi)發(fā)揮各種功能不是以簡單的線性肽鏈形式,而是折疊成特定的、具有生物活性的立體結(jié)構(gòu),即構(gòu)象(conformation)。蛋白質(zhì)的構(gòu)象是指分子中所有原子和基團(tuán)在空間的排布,又稱空間結(jié)構(gòu)或三維結(jié)構(gòu)(three dime
4、nsional structure),是由于化學(xué)鍵的旋轉(zhuǎn)造成的。與構(gòu)型不同。(一)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次蛋白質(zhì)分子是結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的生物大分子,有的蛋白質(zhì)分子只包含一條多肽鏈,有的則包含數(shù)條多肽鏈。為研究方便,可將蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)劃分為幾個層次,包括:蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)(secondary structure)超二級結(jié)構(gòu)(super secondary structure)結(jié)構(gòu)域(structural domain)三級結(jié)構(gòu)(tertiary structure)四級結(jié)構(gòu)(quaternary structure)一級結(jié)構(gòu):指多肽鏈上的氨基酸排列順序。二級結(jié)構(gòu):指多肽鏈主鏈骨架的局部空間結(jié)構(gòu)。超二級結(jié)
5、構(gòu):指二級結(jié)構(gòu)的組合。結(jié)構(gòu)域:指多肽鏈上致密的、相對獨(dú)立的球狀區(qū)域。三級結(jié)構(gòu):指多肽鏈上所有原子和基團(tuán)的空間排布。四級結(jié)構(gòu):則由幾條肽鏈構(gòu)成。(二)肽單位和二面角1 . 肽單位的結(jié)構(gòu)特征蛋白質(zhì)中肽鍵的c、n及其相連的4個原子共同組成肽單位(peptide unit),這幾個原子形成一個平面,稱肽平面或酰胺平面。肽平面具有以下結(jié)構(gòu)特征:n-c肽鍵的鍵長介于典型的c-n單鍵和雙鍵之間,具有部分雙鍵性質(zhì),不能自由旋轉(zhuǎn)。肽平面具有順式(cis)和反式(trans)兩種構(gòu)型,反式構(gòu)型中相鄰的兩個c在肽鏈的兩側(cè)。由于立體結(jié)構(gòu)的制約,蛋白質(zhì)中幾乎所有的肽平面都呈反式結(jié)構(gòu),僅有少數(shù)是順式結(jié)構(gòu)。2. 二面角多肽
6、鏈中所有的肽單位大多數(shù)具有相同的結(jié)構(gòu),每個-碳原子和與其相連的4個原子都呈現(xiàn)正四面體構(gòu)型。因此,多肽鏈的主鏈骨架構(gòu)象是由一系列-碳原子的成對二面角決定的。(三)維持蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的化學(xué)鍵蛋白質(zhì)分子構(gòu)象主要靠非共價鍵維持,如氫鍵、范德華力、疏水作用力、離子鍵。在某些蛋白質(zhì)中二硫鍵、配位鍵也參與維持構(gòu)象。 (四)二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu):多肽鏈主鏈骨架中局部的規(guī)則構(gòu)象稱為二級結(jié)構(gòu),是主鏈肽鍵形成氫鍵造成的,不包括r側(cè)鏈的構(gòu)象。包括-螺旋(-helix)、-折疊(-sheet)和-轉(zhuǎn)角(-turn)和無規(guī)則卷曲。1.-螺旋典型的-螺旋具有下列特征:(1)多肽鏈主鏈骨架圍繞同一中心軸呈螺旋式上升,形成棒狀的螺
7、旋結(jié)構(gòu)。每圈包含3.6個氨基酸殘基(1個羧基、3個n-c-c單位、1個n),螺距為0.54nm,因此,每個氨基酸殘基圍繞螺旋中心軸旋轉(zhuǎn)100度,上升0.15nm。(2)相鄰的螺旋之間形成氫鍵,氫鍵的方向與-螺旋軸的方向幾乎平行。-螺旋中每個羧基氧原子(n)與朝向羧基c-末端的第4個氨基酸殘基的-氨基n原子(n+4)形成氫鍵。由氫鍵封閉的環(huán)共包含13個原子,故典型的-螺旋又稱3.613螺旋。每個肽鍵均參與氫鍵形成,因此,盡管氫鍵的鍵能不大,但大量氫鍵的累加效應(yīng)使-螺旋成為最穩(wěn)定的二級結(jié)構(gòu)。2. -折疊(-pleated sheet或稱-sheet)-折疊:也是蛋白質(zhì)中最常見的一種主鏈構(gòu)象,是指蛋
8、白質(zhì)主鏈中伸展的、周期性折疊的構(gòu)象,很像-螺旋適當(dāng)伸展形成的鋸齒狀肽鏈結(jié)構(gòu)。-折疊分為兩種形式:平行-折疊:兩條-折疊股走向相同。反平行-折疊:兩條-折疊股走向相反。兩條借助氫鍵連接的-折疊股形成片層,氨基酸的r側(cè)鏈交替出現(xiàn)在片層的兩側(cè)。3. -轉(zhuǎn)角-轉(zhuǎn)角:在多肽鏈的主鏈骨架中,經(jīng)常出現(xiàn)1800的轉(zhuǎn)彎,此處結(jié)構(gòu)主要是-轉(zhuǎn)角。結(jié)構(gòu)特征:-轉(zhuǎn)角由4個氨基酸殘基組成,第一個殘基的羰基氧原子與第4個殘基的酰胺基的氫原子形成氫鍵。4. 無規(guī)卷曲無規(guī)卷曲:球蛋白分子中除了上述有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)外,主鏈上還常常存在大量沒有規(guī)律的卷曲,其二面角(、)都不規(guī)則,稱無規(guī)卷曲(random coil)。對已知的67種
9、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析表明,幾種二級結(jié)構(gòu)的比例:-螺旋為26%,-折疊為19%,-轉(zhuǎn)角為15%。(五)超二級結(jié)構(gòu)超二級結(jié)構(gòu):在蛋白質(zhì)中經(jīng)常存在由若干相鄰的二級結(jié)構(gòu)單元按一定規(guī)律組合在一起,形成有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)集合體,稱超二級結(jié)構(gòu)(super secondary structure)。超二級結(jié)構(gòu)又稱基序(motif),可能有特殊的功能或僅充當(dāng)更高層次結(jié)構(gòu)的元件,常見的有-螺旋與-折疊的組合形式。(六) 結(jié)構(gòu)域(structural domain)結(jié)構(gòu)域:球蛋白分子的一條多肽鏈中常存在一些緊密的、相對獨(dú)立的區(qū)域,稱結(jié)構(gòu)域,是在超二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成的具有一定功能的結(jié)構(gòu)單位。結(jié)構(gòu)域被認(rèn)為是蛋白質(zhì)的折疊單位,
10、在新生肽鏈折疊中發(fā)揮重要作用。較大的球蛋白分子包含2個或2個以上的結(jié)構(gòu)域,例如:免疫球蛋白(抗體)分子包含12個結(jié)構(gòu)域;較小的球蛋白分子只包含一個結(jié)構(gòu)域,如肌紅蛋白分子。結(jié)構(gòu)域平均大小約為100個氨基酸殘基。結(jié)構(gòu)域之間的區(qū)域常形成裂縫,可作為與其他分子結(jié)合的位點(diǎn)。(七)三級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu):是指多肽鏈中所有原子和基團(tuán)在三維空間中的排布,是有生物活性的構(gòu)象或稱為天然構(gòu)象。通過肽鏈折疊使一級結(jié)構(gòu)相距很遠(yuǎn)的氨基酸殘基彼此靠近,進(jìn)而導(dǎo)致其側(cè)鏈的相互作用。三級結(jié)構(gòu)是在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過氨基酸殘基r側(cè)鏈間的非共價鍵作用形成的緊密球狀構(gòu)象,是多肽鏈折疊形成的,也是蛋白質(zhì)發(fā)揮生物學(xué)功能所必需的。(八)四級結(jié)構(gòu)
11、四級結(jié)構(gòu):較大的球蛋白分子往往由兩條或多條肽鏈組成。這些多肽鏈本身都具有特定的三級結(jié)構(gòu),稱為亞基(subunit), 亞基之間以非共價鍵相連。亞基的種類、數(shù)目、空間排布以及相互作用稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)不涉及亞基本身的結(jié)構(gòu)。亞基一般只包含一條多肽鏈,亞基間的相互作用力與穩(wěn)定三級結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵相比通常較弱,體外很容易將亞基分開,但亞基在體內(nèi)緊密聯(lián)系。由少數(shù)亞基聚合而成的蛋白質(zhì),稱為寡聚蛋白(oligomeric protein)。寡聚蛋白中的不同亞基可以用、命名區(qū)分,亞基數(shù)目通常為偶數(shù),種類一般不多。維持四級結(jié)構(gòu)的作用力主要是疏水作用力,另外還有離子鍵、氫鍵、范德華引力等。 第四節(jié)
12、 多肽、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系一、不同生物來源的胰島素一級結(jié)構(gòu)比較重點(diǎn)掌握守恒氨基酸殘基的概念守恒殘基:比較各種哺乳類、鳥類和魚類等動物胰島素(insulin)的一級結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)組成胰島素分子的51個氨基酸殘基中,只有24個氨基酸殘基始終保持不變,為不同生物所共有。這些始終不變的稱為守恒殘基。結(jié)構(gòu)特點(diǎn):1如6個cys是守恒殘基,提示不同來源的胰島素分子中a、b鏈之間有共同的連接方式,3對二硫鍵對維持高級結(jié)構(gòu)起著重要作用;2其它絕大多數(shù)守恒殘基是帶有疏水側(cè)鏈的氨基酸。x-射線晶體結(jié)構(gòu)分析證明,這些非極性的氨基酸對維持胰島素分子的高級結(jié)構(gòu)起著穩(wěn)定作用。因而推測,不同動物來源的胰島素的空間結(jié)構(gòu)可能大致
13、相同。一般認(rèn)為,激素的活性中心以及維持活性中心構(gòu)象的氨基酸殘基不能改變,否則,激素將失去生物活性。3胰島素a鏈的8、9、10位和b鏈30位氨基酸殘基存在種屬差異,說明這些氨基酸對胰島素的生物活性并不起決定作用。一般認(rèn)為,這些可變動的氨基酸不處于激素的關(guān)鍵部位,或者對維持關(guān)鍵部位的構(gòu)象不重要,只與免疫活性有關(guān)。二、蛋白質(zhì)前體激活概念: 動物體內(nèi)有些蛋白質(zhì)是以無活性的前體(precursor)形式產(chǎn)生和貯存的。這些前體在機(jī)體需要時,經(jīng)過某種蛋白酶的水解,切去部分肽段后,才變成有活性的蛋白質(zhì),這一過程稱為蛋白質(zhì)前體的激活。這類蛋白質(zhì)稱為蛋白質(zhì)原,如參與蛋白質(zhì)消化的胃蛋白酶原、參與血液凝固的凝血酶原、
14、參與糖代謝調(diào)節(jié)的胰島素原等。前體激活在人和動物體普遍存在的,胰島素原激活成胰島素就是其中的一例。三、一級結(jié)構(gòu)變異與分子病分子?。夯蛲蛔儗?dǎo)致蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的突變。如果這種突變導(dǎo)致蛋白質(zhì)生物功能的下降或喪失,就會產(chǎn)生疾病,這種病稱為分子?。╩olecular disease)。例如:在非洲普遍流行的鐮刀形紅細(xì)胞貧血病,就是由于血紅蛋白一級結(jié)構(gòu)的變異而產(chǎn)生的一種分子病。病人的異常血紅蛋白與正常人的血紅蛋白相比,僅僅是-亞基(也稱-鏈)第6位氨基酸殘基不同:正常人為glu,而病人為val。四、血紅蛋白的變構(gòu)作用與運(yùn)輸氧的功能(重點(diǎn))血紅蛋白和肌紅蛋白與氧結(jié)合時表現(xiàn)出不同的結(jié)合模式:血紅蛋白的氧結(jié)合曲
15、線是s形曲線(sigmoidal curve);而肌紅蛋白的氧結(jié)合曲線是雙曲線。了解s形曲線的結(jié)合特點(diǎn),掌握s形曲線對機(jī)體的生理意義。血紅蛋白與氧結(jié)合并發(fā)生構(gòu)象的改變是變構(gòu)效應(yīng)(allosteric effect)的一個范例變構(gòu)效應(yīng):是指在寡聚蛋白分子中,一個亞基由于與其他分子結(jié)合而發(fā)生構(gòu)象變化,并引起相鄰其他亞基的構(gòu)象和功能的改變。變構(gòu)效應(yīng)也存在于其他寡聚蛋白(如變構(gòu)酶)分子中,是機(jī)體調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)或酶生物活性的一種方式。第五節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)一、蛋白質(zhì)的兩性解離和等電點(diǎn)(重點(diǎn))重點(diǎn)掌握蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)概念蛋白質(zhì)分子中有許多可解離的基團(tuán),除了肽鏈末端的-氨基和-羧基以外,還有各種側(cè)鏈基團(tuán),如asp
16、和glu側(cè)鏈的羧基、lys的-氨基、arg的胍基、cys的巰基、tyr的酚基。因此,蛋白質(zhì)與氨基酸類似,是兩性電解質(zhì)。等電點(diǎn):蛋白質(zhì)的解離取決于溶液的ph值。在酸性溶液中,各種堿性基團(tuán)與質(zhì)子結(jié)合,使蛋白質(zhì)分子帶正電荷,在電場中向陰極移動;在堿性溶液中,各種酸性基團(tuán)釋放質(zhì)子,使蛋白質(zhì)帶負(fù)電荷,在電場中向陽極移動。當(dāng)溶液在某個ph值時,蛋白質(zhì)分子所帶正電荷數(shù)與負(fù)電荷數(shù)恰好相等,凈電荷為零,在電場中既不向陽極移動,也不向陰極移動,此時溶液的ph值就是該蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)。等電點(diǎn)大小由蛋白質(zhì)分子中可解離基團(tuán)的種類和數(shù)量決定。二、蛋白質(zhì)的高分子性質(zhì)蛋白質(zhì)在水溶液中為什么以穩(wěn)定的膠體溶液存在?蛋白質(zhì)是大分子,
17、大小在膠體溶液的顆粒直徑范圍之內(nèi)。絕大多數(shù)親水基團(tuán)分布在球蛋白分子的表面,在水溶液中能與極性水分子結(jié)合,從而使許多水分子在球蛋白分子的周圍形成一層水化層(水膜)。由于水化層的分隔作用,使許多球蛋白分子不能互相結(jié)合,而是均勻地分散在水溶液中,形成親水性膠體溶液。此親水膠體溶液是比較穩(wěn)定的,原因有兩個:一是球狀大分子表面的水膜將各個大分子分隔開來;二是各個球狀大分子帶有相同的電荷,由于同性電荷的相互排斥,使大分子不能互相合成較大的顆粒。鹽溶:在蛋白質(zhì)水溶液中,加入少量的中性鹽,如硫酸銨、硫酸鈉、氯化鈉等,會增加蛋白質(zhì)分子表面的電荷,增強(qiáng)蛋白質(zhì)分子與水分子的作用,從而使蛋白質(zhì)在水溶液中的溶解度增大。
18、這種現(xiàn)象成為鹽溶(salting in)。鹽析:但在高濃度的鹽溶液中,無機(jī)鹽離子從蛋白質(zhì)分子的水膜中奪取水分子,破壞水膜,使蛋白質(zhì)分子相互結(jié)合而發(fā)生沉淀。這種現(xiàn)象稱為鹽析(salting out)。三、蛋白質(zhì)的變性和復(fù)性(重點(diǎn))(一)蛋白質(zhì)的變性和變性因素變性:在某些理化因素作用下,蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)保持不變,空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,即由天然狀態(tài)(折疊態(tài))變成了變性狀態(tài)(伸展態(tài)),從而引起生物功能的喪失以及物理、化學(xué)性質(zhì)的改變,這種現(xiàn)象被稱為變性(denaturation)。變性后的蛋白質(zhì)稱變性蛋白質(zhì);沒有變性的稱天然蛋白質(zhì)。引起天然蛋白質(zhì)變性的因素:物理因素,如熱(60-100)、紫外線、x射線、超
19、聲波、高壓等;化學(xué)因素(又稱變性劑),包括酸、堿、有機(jī)溶劑(如乙醇、丙酮等)、尿素、重金屬鹽、三氯醋酸以及去污劑等。不同的蛋白質(zhì)對上述各種變性因素的敏感程度不同。對于含有二硫鍵的蛋白質(zhì),使其變性除了需要破壞疏水作用力、氫鍵外,還需要破壞二硫鍵??梢约尤霂€基試劑如-巰基乙醇、二硫蘇糖醇(dithiothreitol,dtt)使二硫鍵還原。 變性蛋白質(zhì)有下列各種表現(xiàn):1生物活性喪失,如酶喪失催化活性;激素蛋白喪失生理調(diào)節(jié)作用;抗體失去與抗原專一結(jié)合的能力。另外,蛋白質(zhì)的抗原性也發(fā)生改變。2物理性質(zhì)發(fā)生改變,如溶解度明顯降低,易結(jié)絮、凝固沉淀,失去結(jié)晶能力,電泳遷移率改變,粘度增加,紫外光譜和熒光光
20、譜發(fā)生改變等。3化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變,如容易被蛋白酶水解。變性機(jī)理:天然蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象主要是通過各種次級鍵來維持的。變性因素破壞了蛋白質(zhì)分子構(gòu)象中的次級鍵,從而使蛋白質(zhì)分子從原來緊密有序的折疊構(gòu)象(天然態(tài))變成了松散無序的伸展構(gòu)象(變性態(tài))。變性蛋白質(zhì)容易聚集沉淀,為什么? 變性蛋白質(zhì)的溶解度降低,是由于多肽鏈從折疊態(tài)變成了伸展態(tài),使原來埋藏在分子內(nèi)部的疏水基團(tuán)暴露在分子表面上,從而使蛋白質(zhì)分子表面不能與水分子結(jié)合而失去水化膜,導(dǎo)致分子間相互碰撞增加而聚集沉淀。(二)復(fù)性復(fù)性:有些蛋白質(zhì),尤其是小分子蛋白質(zhì),變性后在適當(dāng)條件下可以恢復(fù)折疊狀態(tài),并恢復(fù)全部的生物活性,這種現(xiàn)象稱為復(fù)性(renatu
21、ration)。熱變性后的蛋白通常很難復(fù)性。例如:核糖核酸酶a的復(fù)性。(三)變性的利用和預(yù)防蛋白質(zhì)變性有許多實(shí)際應(yīng)用。例如:1在醫(yī)療上利用高溫高壓消毒手術(shù)器械、用紫外線照射手術(shù)室、用70%酒精消毒手術(shù)部位的皮膚。這些變性因素都可使細(xì)菌、病毒的蛋白質(zhì)發(fā)生變性,從而失去致病作用,防止傷口感染;2.在蛋白質(zhì)、酶的分離純化過程中,為了防止蛋白質(zhì)變性,必須保持低溫,防止強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、重金屬鹽、劇烈震蕩等變性因素的影響。四、蛋白質(zhì)的紫外吸收(重點(diǎn))蛋白質(zhì)不能吸收可見光,但能吸收一定波長范圍內(nèi)的紫外光。大多數(shù)蛋白質(zhì)在280nm波長附近有一個吸收峰??梢岳米贤馕辗?,根據(jù)蛋白質(zhì)溶液在280nm波長的吸收值測定蛋白質(zhì)濃度。五、蛋白質(zhì)的沉淀作用(一)鹽析法如上所述,高濃度的中性鹽類可以脫去蛋白質(zhì)分子表面的水膜,并中和蛋白質(zhì)分子的電荷,從而使蛋白質(zhì)由于鹽析作用從溶液中沉淀下來。由于不同蛋白質(zhì)分子的水膜厚度和帶電量不同,因此,使不同蛋白質(zhì)鹽析所需要的鹽濃度有不同程度差別。這樣,逐步加大鹽濃度,可以上所述,高濃度的中性鹽類可以脫去蛋白質(zhì)分子表面的水膜,并中和蛋白質(zhì)分子的電荷,從而使蛋白質(zhì)由于鹽析作用從溶液中沉淀下來。分級鹽析法:由于不同蛋白質(zhì)分子的水膜厚度和帶電量不同,因此,使不同蛋白質(zhì)鹽析所需要的鹽濃度有不同程度差別。這樣,逐步加大鹽濃度,可以使不同蛋白質(zhì)從溶液中分階段沉淀。這種方法稱分級鹽析法,常
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