chapter4 细胞破碎

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第四章 细胞破碎和分离技术

第四章 细胞破碎和分离技术

(一)双水相分离技术 1、双水相体系简介
1896年,荷兰微生物学家Beijerinck发现
明胶
琼脂(或可溶性淀粉)
传统的双水相体系是指高聚物双水相体系
憎水程度有所差异
2、常用双水相体系 (1)聚乙二醇(PEG)/葡聚糖; (2)聚乙二醇(PEG)/盐相(硫酸盐或者磷酸盐)
聚乙二醇(PEG) 无毒、无刺激性,具有良好的水溶性
洋葱质壁分离
2、冷冻-融化法
(1)方法:将细胞放在低温下冷冻,然后在 室温中融化,反复多次而达到破壁作用。
(2)原理:一方面破坏细胞膜的通透性,另 一方面胞内水结晶,形成冰晶粒,细胞液浓度 增高引起细胞溶胀而破裂。
大肠杆菌:可用液氮/37℃反复冻融法破壁
适用于细胞壁较脆弱的菌体,需反复 多次,速率慢,产量低,在冻融过程 中可能引起某些蛋白质变性。
举例
珠磨法 固体剪切作用 便宜 大规模处理
高压匀浆法 液体剪切作用 适中 大规模处理 超声波法 液体剪切作用 昂贵 小规模处理
(二)物理法 1、渗透压冲击法 2、冷冻-融化法
1、渗透压冲击法(最温和)
将细胞放在高渗溶液中(如高浓度蔗糖溶液),由 于渗透压的作用,细胞内水分便向外渗出,细胞发 生收缩,当达到平衡后,将细胞转入水或低渗缓冲 液中,由于渗透压的突然变化,胞外的水迅速渗入 胞内,引起细胞快速膨胀而破裂。 仅适用 2、酸处理 3、化学试剂法
1、碱处理 pH值=11.5---12.5碱处理可导致细胞溶解。
优点:价格便宜,适于任何规模 的操作,易使蛋白使活。
2、酸热法
盐酸对细胞壁中的某些成分(主要是多糖和 蛋白质)的水解作用,使细胞壁结构变疏松, 同时经沸水浴处理,细胞吸水膨胀破裂。
缺点:破壁效果差,后续处理难除HCl。

第四章 细胞破碎..

第四章 细胞破碎..

层次
单层
主要 肽聚糖(40组成 90%)
多糖 胞壁酸 蛋白质 脂多糖(1-4%)
革兰氏 阴性细菌
酵母菌
霉 真菌
10-13 nm
100-300nm
100250nm
多层
多层
多层
肽聚糖 (5-10%) 葡聚糖(30-
多聚糖
脂蛋白
40%)
(80-90%)
脂多糖(11-
甘露聚糖(30%) 脂类
22%)
蛋白质(6-8%) 蛋白质
用超声波的空穴作 适中 用使细胞破碎
须使细胞通过的小 剧烈 孔,使细胞受到剪 切力而破碎
细胞被玻璃珠或铁 剧烈 珠捣碎
昂贵 适中 便宜
细胞悬浮液小 规模处理
细胞悬浮液大 规模处理
细胞悬浮液和 植物细胞的大 规模处理
15
※ 2 CHEMICAL METHODS 化学方法
16
n 表4.1-1介绍了主要的几种化学方法,有渗透冲击法, 表面活性剂增溶法、脂溶法。首先简单的介绍一下酶 消化法和碱处理法。
缺点: ➢溶酶价格高, ➢溶酶法通用性差(不同菌种需选择不同的酶) ➢产物抑制的存在。
22
碱处理法和酶消化法相反,反应激烈,不具选择性,而 且较便宜。碱加入细胞悬浮液中后和细胞壁进行了多种 反应,包括使磷脂皂化。
23
碱处理法
碱能溶解细胞壁上脂类物质或使某些组 分从细胞内渗漏出来。
成本低,反应激烈,不具选择性。
38
n 阳离子表面活性剂主要是烷基胺盐。图4.3-1中的十二烷 基溴胺是典型的例子。它有一个长烷烃链(十六烷基)和 三个甲基,都连接在一个带正电的氮原子上,负离子通常 是卤素,市场上常做洗发剂出售。细胞破碎时条件较温和。

chapter4细胞破碎

chapter4细胞破碎

适中
适中 适中
适中
便宜 昂贵
动物组织及动 物细胞
细胞悬浮液小 规模处理
匀浆法 (孔型)
珠磨破碎 法
须使细胞通过的 小孔,使细胞受 到剪切力而破碎
细胞被玻璃珠或 铁珠捣碎
剧烈
适中
细胞悬浮液大 规模处理
剧烈
便宜
细胞悬浮液和 植物细胞的大 规模处理
1.高压匀浆法(High-pressure homogenization)
破碎细胞的目的就是破坏细胞壁和细胞膜,增加其通透性, 尽可能释放胞内的目标产物。
细胞破碎多用于小规模生产,在大规模生产中应用极少。
4.1 细胞壁
细胞壁:细胞膜强度差,易破碎,细胞壁坚韧,是主要的破碎 阻力,植物细胞和微生物细胞具有细胞壁,破碎难度大,动物 细胞没有细胞壁,破碎难度小。 不同微生物细胞壁具有不同的特性
度比细菌和酵母菌的细胞壁有所提高;很难破碎
植物细胞:具有初生壁,次生壁;次生壁的形的机械强度,很难破
碎。
4.2 化学破碎法
表 4.0-1. 细胞化学破碎法
方法 化学法 技术 渗透冲击 原理 渗透压破坏细胞 效果 温和 成本 便宜 举例 血红细胞的 破坏
实验室规模的细胞破碎设备有Mickle高速组织捣碎机、
Braun匀浆器;
中试规模的细胞破碎可采用胶体磨处理; 在工业规模中,可采用高速珠磨机(瑞士WAB公司和德国 西门子机械公司制造)。
珠磨法的破碎率一般控制在80%以下。
珠磨法适用于细胞悬浮液和植物细胞的大规模处理。
在珠磨法中,细胞的破碎率也能用一级速率方程式表示:
4. X-press法
将浓缩的菌体悬浮液冷却至-25℃形成冰晶体,利 用500MPa以上的高压冲击,使冷冻细胞从高压阀小 孔中挤出。细胞破碎是由于冰晶体的磨损,使包埋 在冰中的微生物变形而引起的。 此法主要用于实验室,适应范围广、破碎率高、 细胞碎片粉碎程度低及活性保留率高等优点,但不 适应于对冷冻敏感的生化物质。

4生物分离工程技术第四张细胞破碎技术

4生物分离工程技术第四张细胞破碎技术
生物分离(工程)技术
细胞破碎动力学表达式
ln 1 kt 1 S
S—细胞破碎率; k—破碎速率常数; t—细胞破碎时间,t=V/R, V为细胞悬浮液体积m3,R为悬浮液流量m3/s。
生物分离(工程)技术
珠磨式组织研磨器
利用微细玻璃珠, 在高速运转下的相互碰撞, 造成组织细胞的破裂与分 散。适合珍贵样品液的研 磨,例如蛋白质、酶及细 胞液等。微细玻璃珠可回 收使用。样品处理量,含 玻璃珠可达350ml。
超声波发生器将50Hz220V市电变 成20KHz电能供给换能器。换能器 随之作纵向机械振动。振动波通过 浸入在生物溶液中的钛合金变幅杆 产生空化效应,激发介质里的生物 微粒剧烈振动,引起的冲击波和剪 切力使细胞破碎。
生物分离(工程)技术
化学渗透法的优缺点
优点: ①对产物释出具有一定的选择性。
例如用0.2mol/L胍处理E.coli C600-1,5h后80%位于胞间质的β-内 酰胺酶释放出来,而总的蛋白释放率仅为4%。
②细胞外形完整;碎片少,有利于后分离。 ③核酸释出少,浆液黏度低,便于进一步提取。 缺点:
①时间长,效率低。 ②化学试剂具有毒性。③通用性差。
生物分离(工程)技术
④用离心细胞破碎液观察
用离心细胞破碎液观察沉淀模型的方法 来确定细胞破碎率,完整的细胞要比细胞 碎片先沉淀下来,并显示不同的颜色和纹 理。对比两项,可以算出细胞破碎率。
生物分离(工程)技术
二、常用的细胞破碎技术及其应用
高压匀浆
机械法
高速珠磨 纳米磨破碎

撞击破碎

酶溶法---溶菌酶、纤维素酶等
生物分离(工程)技术
酵母细胞的结构
生物分离(工程)技术

细胞破碎的技巧

细胞破碎的技巧

细胞破碎的技巧
细胞破碎是一种常用的实验技术,用于释放和提取细胞内的蛋白质、DNA、RNA 等物质。

下面是一些常用的细胞破碎技巧:
1. 震荡法:使用震荡器或振荡器将细胞在缓冲液中震荡破碎。

这种方法适合于破碎较小数量的细胞,效果较轻微。

2. 超声波破碎法:使用超声波振荡器将细胞暴露在超声波中,超声波的能量对细胞进行破碎。

这种方法可以快速高效地破碎大量的细胞。

3. 高压法:利用高压机或高压均质器将细胞通过高压作用破碎。

这种方法适用于比较坚硬的细胞或细胞壁较厚的细胞。

4. 冷冻破碎法:将液氮浸入细胞悬液中,使细胞迅速冷冻,然后用玻璃杵或超声波破碎器打碎冷冻的细胞。

这种方法适用于需要保留细胞内部结构的实验。

5. 酶解法:使用特定的酶来破坏细胞壁或细胞膜,使细胞释放出内部的物质。

这种方法适用于特定的细胞类型和实验目的。

不同的细胞类型和实验目的可能需要不同的破碎方法,因此选择合适的方法是十分重要的。

此外,为了最大限度地保留目标物质的完整性和活性,选择合适的缓
冲液和温度条件也是非常重要的。

细胞破碎课件PPT

细胞破碎课件PPT

酶解法是一种利用酶来分解细胞壁的方法,通常使用溶菌酶、蜗牛酶等酶类物质。
酶解法的优点在于对细胞壁的破坏作用较小,能够保持细胞内物质的完整性,适用 于提取细胞内活性物质。
酶解法的缺点在于酶的种类和浓度对破碎效果影响较大,且酶解过程较慢,需要较 长时间才能达到理想的破碎效果。
溶菌酶破碎
溶菌酶是一种专门作用于细菌 细胞壁的酶,能够破坏细菌细 胞壁,使细胞壁水解而破碎。
高压破碎
原理
常用设备
利用高压作用使细胞膜破裂,释放细胞内 的物质。
高压均质机、高压破碎机等。
应用范围
注意事项
适用于各种类型的细胞,尤其是对细胞壁 有破坏作用的高压破碎。
高压破碎需要严格控制压力和作用时间, 以避免对细胞内物质造成过度破坏。同时 ,需要确保设备的安全性和稳定性。
04
生物法破碎细胞
酶解法
溶菌酶破碎适用于革兰氏阳性 菌和革兰氏阴性菌的破碎,尤 其对革兰氏阳性菌的破碎效果 较好。
溶菌酶破碎的优点在于破碎效 率较高,且对细胞内物质的破 坏作用较小。
蜗牛酶破碎
蜗牛酶是一种天然的酶,能够分解细 胞壁和细胞膜,使细胞内的物质释放 出来。
蜗牛酶破碎的优点在于能够有效地释 放细胞内的物质,且对细胞内物质的 破坏作用较小。
免疫学研究
细胞破碎后提取的细胞成分可以用于免疫学研究,如抗原-抗体反应、 细胞因子检测等,有助于深入了解免疫系统的功能和调控机制。
在药物制备中的应用
1 2
天然药物提取
许多天然药物来源于动植物细胞,通过破碎细胞 可以提取有效成分,如中药材的有效成分。
合成药物的合成与改造
在药物合成中,细胞破碎可用于释放细胞内的酶 或其他生物催化剂,以促进药物的合成或改造。

细胞破碎实验报告结论

细胞破碎实验报告结论

一、实验目的总结本次实验的主要目的是研究不同细胞破碎方法对微生物细胞破碎效果的影响,探讨不同破碎方法在微生物细胞提取中的应用前景。

通过对实验结果的观察和分析,旨在为微生物细胞破碎实验提供科学依据,为后续研究提供参考。

二、实验结果分析1. 实验材料及方法实验选用了一种常见的微生物细胞,采用化学破碎、机械破碎、超声波破碎和酶解破碎四种方法进行细胞破碎。

在实验过程中,分别记录了不同破碎方法对细胞破碎效果的影响,并对破碎后的细胞进行了显微镜观察和蛋白质含量测定。

2. 实验结果(1)显微镜观察在显微镜下观察发现,化学破碎、机械破碎和超声波破碎方法均能有效地破坏微生物细胞,使细胞内容物释放出来。

酶解破碎方法在低浓度酶解剂下,细胞破碎效果较差,但随着酶解剂浓度的增加,细胞破碎效果逐渐提高。

(2)蛋白质含量测定通过测定破碎后的细胞蛋白质含量,结果显示,化学破碎、机械破碎和超声波破碎方法对蛋白质含量的影响较小,而酶解破碎方法随着酶解剂浓度的增加,蛋白质含量逐渐降低。

3. 结果讨论(1)不同破碎方法对细胞破碎效果的影响化学破碎方法具有操作简便、成本低等优点,但可能对细胞内容物造成一定程度的污染。

机械破碎方法在破碎过程中,容易导致细胞内容物的机械损伤,影响后续实验结果。

超声波破碎方法具有破碎速度快、破碎效果好等优点,但设备成本较高。

酶解破碎方法具有特异性强、破碎效果好等优点,但酶解剂的选择和浓度对破碎效果有较大影响。

(2)细胞破碎效果与蛋白质含量的关系实验结果表明,不同破碎方法对蛋白质含量的影响较小。

这可能是由于细胞破碎过程中,细胞膜和细胞壁的破坏使得蛋白质释放出来,从而降低了蛋白质含量。

此外,酶解破碎方法随着酶解剂浓度的增加,蛋白质含量逐渐降低,这可能是因为高浓度的酶解剂导致蛋白质发生降解。

三、实验结论1. 化学破碎、机械破碎、超声波破碎和酶解破碎方法均能有效破坏微生物细胞,释放细胞内容物。

2. 酶解破碎方法在低浓度酶解剂下,细胞破碎效果较差,但随着酶解剂浓度的增加,细胞破碎效果逐渐提高。

第四章-细胞破碎

第四章-细胞破碎
甘露糖酶、
糖苷酶、
肽键内切酶、
壳多糖酶等
19
外加酶法
有时采用几种酶的混合物会产生更好的效果,加 入时需确定相应的次序。
对酵母细胞采用酶法破碎时,先加入蛋白酶作 用蛋白质-甘露聚糖结构,使二者溶解,再加入 葡聚糖酶作用裸露的葡聚糖层,最后只剩下原生 质体,这时若缓冲液的渗透压变化,则细胞膜破 裂,释出胞内产物。
3
概述
细胞破碎(cell rupture)技术是指利用外力破 坏细胞膜和细胞壁,使细胞内物质包括目的产 物成分释放出来的技术。
细胞破碎技术是分离纯化细胞内合成的非分泌 型生化物质(产品)的基础。
为了研究细胞破碎,提高其破碎率,有必要了 解各种微生物细胞壁的组成和结构。
4
1 细胞壁结构
微生物细胞和植物细胞外层均为细胞壁,细胞 壁里面是细胞膜,动物细胞没有细胞壁,仅有 细胞膜。
使细胞具有一定的形状和强 度。
6
细菌细胞壁结构
破碎细菌的主要阻力是来自于肽聚糖的网状结构, 其网结构的致密程度和强度取决于聚糖链上所存在 的肽键的数量和其交联的程度。
革兰氏阴性菌的细胞壁结构与革兰氏阳性菌有很大 不同。
革兰氏阴性菌典型的生物是大肠杆菌,通过这种细 胞生产了很多细胞重组的产物。
17
酶消化法和碱处理法都是细胞破碎的有效方法, 但是也都有各自的缺点。
18
1 酶解(酶溶法 Enymatic lysis)
酶解是利用溶解细胞壁的酶处理菌体细胞,使细
胞壁受到破坏后,再利用渗透压冲击等方法破
坏细胞膜。
溶菌酶、
1)外加酶法
β-1,3-葡聚糖酶、
β-1,6-葡聚糖酶、
常用的溶酶 蛋白酶、
第四章 细胞破碎
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TABLE 4.0-1. Chemical Cell Disintegration Techniques
Method Chemical Technique Osmotic shock Principle Osmotic rupture of membrane Cell wall digested , providing disruption Stress Gentle Cost Cheap Examples Rupture of red blood cells Egg lysosyme
within the cell. Lipids and some antibiotics are also trapped in the
biomass. In a few cases, like baker’s yeast, the desired product is the cell mass itself. In a few others, desired products like steroids can be extracted
Ultrasonication
Harsh
Expensive
Cell suspensions at least on a small scale Large scale treatment of cell suspensions,
Homogenization (orifice type)
Harsh
Moderate
Lipid dissolution
Organic solvent dissolves in cell wall
Moderate
Cheap
Alkali treatment
Saponification of lipids solubilizes membrane
Harsh
Cheap
表 4.0-1. 细胞化学破碎法
product, as a byproduct.
生物分离的第一步是将生物机体从发酵液中分离,通常使用过滤和离 心等方法,这在第二、三章中已有陈述。大多数情况下,抗生素,胞
外酶,一些多糖,及氨基酸等目标产物存在于在发酵液中。在上述过
程中,需被分离的发酵液可被看作一种副产物来处理,以此分离和纯 化产物。
方法
技术
原理
效果
成本
举例
化学法
渗透冲击
酶消化法 增溶法 脂溶法 碱处理法
渗透压破坏细胞
细胞壁被消化,使 细胞破碎 表面活性剂溶解细 胞壁 有机溶剂溶解细胞 壁并使之失稳 碱的皂化作用使细 胞壁融解
温和
温和 温和 适中 剧烈
便宜
昂贵 适中 便宜 便宜
血红细胞的破 坏
胆盐作用于大 肠杆菌 甲苯破碎酵母 细胞
In this chapter, we begin in Section 4.1 by reviewing the structure of the cell wall. We then consider the methods for cell rupture most likely to be useful at larger scales. These methods, listed in Table 4.0-1, are conveniently split into two groups, described as “chemical” and “mechanical.” In the chemical methods detailed in Section 4.2, the cell membrane is ruptured by osmotic pressure, dissolved by detergents, or enfeebled by organic solvents. These chemical cases are often gentle so that the products are not irreversibly denatured even while the cells are ruptured. Scale-up is easy: If we want to treat 10 times the biomass, we need to use 10 times as much chemical.
methods described in Section 4.3 are dominated by homogenization and by ball mill grinding. In both cases, cells are broken by high mechanical shear. Heat generation is a problem and scale-up is obscure: If we find that a method works at a laboratory scale, we often have little idea how it will work at a large scale. As a result, this part of the chapter is more a guide to planning experiments than a synopsis of engineering analysis. 4.3节机械法主要有匀浆法和研磨法。这两种方法中,细胞通过高的机 械剪切力被破坏。热量的产生是该法的一个缺点,而且不容易规模放 大:如果一种方法可以在实验室规模下操作,我们并不知道这种方法是 否在大规模生产中可行。所以,这部分内容仅作为实验的指导,而不 是工程分析。
机械法
匀浆法(片型)
研磨法 超声波法 匀浆法(孔型)
细胞被搅拌器劈碎 适中
细胞被研磨物磨碎 适中 用超声波的空穴作 适中 用使细胞破碎 须使细胞通过的小 剧烈 孔,使细胞受到剪 切力而破碎 细胞被玻璃珠或铁 剧烈 珠捣碎
适中
便宜 昂贵 适中
动物组织及动 物细胞
细胞悬浮液小 规模处理 细胞悬浮液大 规模处理 细胞悬浮液和 植物细胞的大 规模处理
Grinding
Cells ruptured by grinding with abrasives
Cells broken with ultrasonic cavitation Cells forced through small hole are broken by shear
Moderate
Cheap
※ 4.1 Cell Membranes
细胞膜
At this point, we pause briefly to explore the physical structure of microbial membranes and the complexity of the problems which we face. At present, knowledge of this general structure does not provide a direct guide to methods of cell rupture. In the future, it may. As a result, we feel that a synopsis has merit. In this synopsis, we emphasize Gram-negative procaryotes. 本节主要探寻细胞膜的物质结构及我们所面对的几个复杂问题。现在所
4.1节回顾一下细胞壁的结构。从中可知,在大规模生产中,细胞破碎方 法是十分有用的。我们很容易将这些方法划分为两大类,化学法和机械 法,表4.0-1中已经列出。化学法我们将在4.2节作详细介绍,有渗透冲 击法、表面活性剂增溶法或有机溶剂溶解法。这些化学法较温和,细胞 破坏后产物也不会不可逆的变性,规模也容易放大:如果需要处理10倍 量的生物有机体,只需要加入10倍的化学药品剂量。
Releasing this trapped material usually involves rupturing the cell wall, and is the subject of this short chapter. The methods of cell rupture have largely been developed in biochemistry, and hence are of small scale. Their application to the larger scale operations implied by genetic engineering is speculative. The equipment which is used is not designed for biotechnology. 使胞内产物释放出来一般需要破碎细胞壁,这也是这一章的主题。细胞 破碎的方法在生物化学领域中得到了很广泛的运用,但多数在小规模生 产中,在大规模生产尤其是基因工程中应用极少。
without rupturing the cells. In many cases, the product is trapped in the
biomass: It is intracellular. 有些目标产物不在发酵液中,而是存在于生物体中。尤其是由基因工程 菌产生的大多数蛋白质不会被分泌到发酵液中,而是在细胞内沉积。脂 类物质和一些抗生素也是包含在生物体中。还有一些目标产物就是细胞 本身,如面包酵母。还有,产物如类固醇不必通过细胞破碎提取。大多 数情况下,产物还是包裹在生物体内,属胞内产物。
Chapter 4
Cell Disruption
第四章 细胞破碎
※ 4.0 Summary
概述
※ 4.1 Cell Membranes 细胞膜
※ 4.2 Chemical Methods
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