沉降系数Svedberg单位及其在生物大分子中的应用_谢圣高
2006年6月第8卷第2期J une 12006,Vol 18,No 12湖北中医学院学报
Journal of Hubei College of TCM
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【生物技术】
沉降系数Svedberg 单位及其在生物大分子中的应用
谢圣高, 郗 娟, 宁 勇, 邹光楣
(湖北中医学院医学检验与技术系, 湖北武汉430064)
摘要:目的 推导沉降系数的一般公式与校正公式, 研究沉降系数Svedberg 单位在脂蛋白中的规范化应用形式。方法 根据沉降系数的定义、微粒在离心力场中的受力情况、斯托克定律, 推导沉降系数的计算公式, 并对沉降系数Svedberg 单位在脂蛋白中的应用进行剖析。结果 分别导出了沉降系数的两种一般公式、一种在不同温度和溶剂中的校正公式, 分析了脂蛋白漂浮率Svedberg 单位的正确含义与规范化应用形式。结论 不受转速影响的沉降系数有多种计算公式, 在不同温度和溶剂中有变化, 需要校正。沉降系数在脂蛋白分类中的应用广泛, 但需要正确描述与规范化使用。 关键词:沉降系数; Svedberg 单位; 超速离心:生物大分子
中图分类号:R44:Q66 文献标识码:A 文章编号:1008-987X () 02-0039-03
Svedberg Unit of in gao , , IN G Y ong , et al
Laboratory Science and Technology , of Traditional Chinese Medicine ,Wuhan 430064)
Abstract :Objective :To study the common formulae and calibration formula for sedimentation coefficient , and the
standard application formation about Svedberg Unit of sedimentation coefficient in lipoprotein , etc. Methods :The calculation formulae for sedimentation coefficient were inferred f rom definitions of sedimentation coefficient , particle πs acting force in centrif ugal field , Stoke πs Law. The application about Svedberg Unit of sedimentation coefficient in lipoprotein and so on were analyzed. Results :Two common formulae and one calibration formula under different temperatures and solvents were inferred respectively , and the right meaning and standard application formation were analyzed about Svedberg Unit of Svedberg floatation in lipoprotein. Conclusion :A series of formulae for sedimentation coefficient not affect by rotor speed must be calibrated under different temperatures and solvents. Sedimentation coefficient in classification of lipoprotein and so on are widespread , but it shall be the right description and standard application.
K ey words :Sedimentation coefficient ; Svedberg Unit ; Ultracentrif ugation ; Biomacromolecules
目前, 根据样品的质量、密度和摩擦系数进行分离的离心技术, 已大量应用于生物大分子研究领域。沉降系数或沉降常数(sedimentation coefficient ) 反映的是一定条件下沉降微粒的物理性质, 当条件一定时为一常数, 代表生物大分子的沉降特征和结构, 可以研究生物大分子的自身聚合状态与均一性装配机制等
[4]
[1～3]
1 沉降系数的理论基础1. 1 沉降系数的含义
沉降系数是指单位离心力场(ωx ) 作用下的沉降速度
[5]
, 用s 表示。表达式为:dt
s =2
ωx
(公式1)
2
、大分子复合物的
。沉降系数的应用范围越来越广泛, 但是
计算公式及其Svedberg 单位较为复杂, 在实际运用时不易把握。为了更加准确与规范地使用该单位, 现对沉降系数作一较为详尽的介绍。
22
的单位为米/秒, ωx 的单位为米/秒, 沉降系数dt
的单位是秒(s )
作者简介:谢圣高(19662) , 男, 湖北中医学院副教授, 研究方向:酶学实验诊断。
・40・
1. 2 沉降系数的Svedberg 单位
湖北中医学院学报2006年第8卷第2期
1. 3. 2 含径向距离、时间、角速度等的公式
-13
蛋白质、脂蛋白、核糖体和病毒等的沉降系数介于1×10
-13
秒～200×10
-13
秒
[2]
。为方便起见, 把10秒
将公式1中变量x 、t 微分后得:=, 即:
dt 2. 303
s =
2
dt ω
(公式4)
2
作为1个单位, 称为Svedberg 单位, 以纪念于1924年首先提出沉降系数的概念, 并荣获1926年度诺贝尔化学奖的瑞典科学家斯维德伯格(Theodor Svedberg ) 。1. 3 沉降系数的一般公式
1. 3. 1 含微粒密度、半径、溶剂粘度与密度等的一般公式
公式4中, 旋转角速度ω=
, r pm 是每分60
dt
钟转头旋转次数(revolutions perminute ) 。对log x 是t 作图所得直线的斜率, 可以根据在t 1、t 2、t 3
溶剂中的微粒在离心力场中所受的横向作用力一般有3个:远离离心轴的离心力F C , 靠近离心轴的摩擦阻力F f 和由于离心所引起的浮力F B
2
[6]
……时间内相应的log x 1、log x 2、log x 3……值, 求出斜率
[7]
。表达式依次为:
。
可见, 将ω和
代入公式4即得s 值, 即通过沉dt
[8]
22
F c =m =m ωx =ρV ωx
x
F f =f
dt 2
F B =0ωx
降速度梯度法模型计算沉降系数。
1. 4 (、半径、溶剂粘
ρ
式中m 为微粒质量, v 为线速度, x 为运动半径(转中心离微粒的径向距离, r ) 度, ρ为微粒密度, ρ0f 为摩擦系数(单位为克/) , 为微粒的运动速度s dt
3s 值随测定温度、溶剂, 计算公式要校正。而公式4勿需。
为便于比较, 通常规定标准条件:温度20℃, 溶剂为纯水。校正后的沉降系数表示为s 20, W 。
在一般条件下, 温度用t 表示, 溶剂(一般用缓冲液) 用b 表示, 沉降系数为:
s t , b
2
(ρρ) =
η9t , b
(沉降速度,sedimentation velocity ) 。浮力F B 的大小等于
微粒所排开同体积介质的质量与重力加速度的乘积。
微粒在离心力场作用下在溶剂中开始沉降时, 速度很快, 阻力(F B +F f ) 也很大。微粒进行加速运动, 当阻力增加到与微粒所受的离心力相当时, 即:F c =F B +F f , 微粒运动的加速度为零, 此时微粒表现为等速运动:
22
m ωx =0ωx +f ρdt
在标准条件下, 温度t =20℃, 溶剂为纯水, 沉降系数为:
s 20, W
2
(ρρ) =
η920, W
展开后得到:
=dt
m 1-f
将以上两式相除后得到沉降系数的校正公式为:
s 20, W =s t , b ρη() ηρ-ρ20, W (t , b )
(公式5)
2x
公式5为公式3的校正公式。
许多生物大分子的s 20, W 值与测定时的浓度有关, 所以又提出以浓度接近于零时s 20, W 的外推值来表示大
(公式2)
将上式与公式1结合起来得:
s =
ρm 1-f
分子的真正沉降系数, 用s 20, W 表示。方法是配制一系列不同浓度的样品, 测出相应的s 20, W 值, 再用外推法求出浓度为零时的s 20, W 。
由公式3、公式5可见, 沉降系数不受转速的影响
[1]
根据斯托克定律(Stoke πs law ) , 球形分子颗粒的摩πηr (式中r 为非水化球形颗粒半径, η为擦系数:f =6
3
溶剂粘度, π为圆周率) , 并将m =ρV =ρr 代入公
3
。而公式4中有角速度ω, 还有距离x 、时间t 的微
式2后得:
2
(ρρ) s =
η9
分形式, 故无法据公式4确定转速是否有影响。
(公式3)
2 沉降系数Svedberg 单位的应用2. 1 在脂蛋白分类中的应用
η、ρ和ρ可见, 将r 、0代入公式3即得s 值。
用超速离心法可将脂蛋白分为乳糜微粒(CM ) 、极
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低密度脂蛋白(VLDL ) 、中间密度脂蛋白(IDL ) 、低密度脂蛋白(LDL ) 和高度脂蛋白(HDL ) 5大类。相关参数见表1
[9]
70S 核糖体由50S 大亚基与30S 小亚基所组成, 真核生
物80S 核糖体由60S 大亚基与40S 小亚基所组成。50S 表示50×10
-13
。
表1 主要脂蛋白的分类密度(kg/L )
秒。
注意整个核糖体的S 数不等于大、小亚基的S 数
漂浮率(Sf )
>40060～40020～600～200～9
脂蛋白
CM VLDL IDL LDL HDL
颗粒直径(nm )
80～120030～8023～3518～255～12
之和。因为大、小亚基结合形成完整的核糖体以后的总体积缩小了, 故总的S 数小于大、小亚基的S 数之和。
除了以上两方面的应用外, 沉降系数S 还常用于表示病毒颗粒、R N A 分子及蛋白分子的大小。蛋白质除了用相对分子质量表示以外, 有时亦用物理学单位沉降系数表示。如人血红蛋白的沉降系数为4. 46S , 即4. 46×10
-13
秒。
其中漂浮率Sf 值(Svedberg floatation ) , 指血浆脂蛋白在密度为1. 063kg/L 的NaCl 溶液中,26℃下, 在达因/克(d y n/g ) 力作用下, 上浮10-13cm/s , 即为1S f 单位。根据1达因(dy n ) =1克×厘米/秒(l g ×cm/s ) ,
S f 单位的展开式为:
2
2
参考文献:
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ultracentrifugation [J ].
Anal Biochem , 2003,
1S f =
-13
g
-13
=
-13
s ・dyn
=
-=10
・-13
(1) :1042124.
[3] Demeler B , van Holde KE. Sedimentation velocity analysis of highly
heterogeneous systems[J].Anal Biochem ,2004,335(2) :2792288. [4] Minor KH , Schar CR , Blouse GE , et al. A mechanism for
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即:1S f =106版
[10]
(cm/s ) y g ) =-s 。
目前广泛使用的高等医药院校教材《生物化学》第(包括以前的版本) 对Sf 的描述为“:每秒每达因
-13
克离心力的力场下, 每上浮101S f =101S f =10
-13
cm 即为1S f 单位, 即
cm/s ・d y n ・g ”, 此说欠妥, 应更正为“:每
-13
达因/克作用下, 上浮10
-13
cm/s , 即为1S f 单位, 即
-13
(cm/s ) /(d y n/g ) =10s ”。
根据沉降系数的公式, 按常规推测, 颗粒密度越大, 沉降系数亦应越大。但表1中的内容正好相反, 即不是
H DL 而是CM 的S f 最大。原因分析:根据公式3, 溶
ρ剂η、种脂蛋白颗粒间密度0恒定时, s 由r 与ρ决定。ρ的变化远小于直径2r 的变化, 即颗粒直径对s 的贡献远大于颗粒密度的贡献, 其中以CM 最为明显, 故CM 的Sf 最大。
另外,CM 、VLDL 、IDL 、LDL 的ρ值
-13
s 为单位, 并可统称为漂浮率。
[11]
有文献分析, 餐后VLDL 分段漂浮率的一过性变化, 研究其与动脉粥样硬化的形成关系是小而密的形式
[12]
, 餐后CM 多
。
2. 2 在核糖体分类方面的应用
核糖体(核蛋白体) 由rRNA 与蛋白质所构成, 核心是rRNA 。核糖体的大小常用S 表示。如原核生物
(收稿日期:2006-01-23 编辑:林 飞)