緩衝劑在生物學、生化及環境研究中的適用性評估

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在生物學、生化及環境研究中，維持pH值的穩定性至關重要。pH值的變化會影響蛋白質結構、細胞代謝及各種生化分析結果。為了解決這個問題，Good等人提出了七項標準來選擇合適的緩衝劑，其中一項標準是緩衝劑不會與陽離子形成不可溶的複合物。然而，越來越多的研究顯示，緩衝劑與陽離子的反應可能不完全符合Good的假設。本文將提供不同緩衝劑與金屬離子之間的複合情況，並探討其適用性。

緩衝劑與金屬離子的相互作用

本文將緩衝劑分為七大類，並介紹各類緩衝劑與金屬離子的複合作

• Morpholine家族  ：Morpholine家族的緩衝劑包括MES（2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid）等。這些緩衝劑不會與金屬離子形成複合物，適合用於需要避免金屬離子干擾的研究中，如某些酶活性測試和細胞培養研究。
• Piperazine家族：Piperazine家族的緩衝劑如PIPES（Piperazine-N,N′-bis(2-ethanesulfonic acid)）和EPPS（N-(2-Hydroxyethyl)piperazine-N'-(3-propanesulfonic acid)），這些緩衝劑也不與金屬離子形成複合物。它們常用於生物化學和分子生物學實驗中，特別是涉及金屬離子敏感的系統。
• Cyclohexylamino家族：Cyclohexylamino家族的緩衝劑如CHES（2-(Cyclohexylamino)ethanesulfonic acid），這些緩衝劑同樣不與金屬離子形成複合物，適合用於需要精確pH控制且避免金屬離子影響的實驗，如蛋白質結晶學研究。
• Bis(2-hydroxyethyl)amine家族：Bis(2-hydroxyethyl)amine家族的緩衝劑包括Bicine（N,N-Bis(2-hydroxyethyl)glycine）。這類緩衝劑會與金屬離子形成複合物，使用時需要考慮其對金屬離子的影響，特別是在涉及金屬酶或其他金屬依賴性過程的實驗中。
• Tris家族：Tris家族的緩衝劑如Tris（Tris(hydroxymethyl)aminomethane）和TES（N-Tris(hydroxymethyl)methyl-2-aminoethanesulfonic acid）。Tris因為具有能穿透細胞的特性，對細胞具有毒性，並且能抑制某些酶的活性。它們會與金屬離子形成複合物，在涉及金屬離子的實驗中需謹慎使用。
• Acetamido家族：Acetamido家族的緩衝劑如ACES（N-(2-Acetamido)-2-aminoethanesulfonic acid）和 HEPES（4-(2-Hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid）。這些緩衝劑會與金屬離子形成複合物，因此在涉及金屬離子的研究中使用時需要注意其可能的干擾。
• Propanol家族：Propanol家族的緩衝劑包括TAPS（N-Tris(hydroxymethyl)methyl-3-aminopropanesulfonic acid）。這類緩衝劑會與金屬離子形成複合物，在使用時需要考慮其與金屬離子的相互作用的影響。

緩衝劑的應用領域

緩衝劑的應用領域非常廣泛。表2列舉了各緩衝劑在不同研究領域中的應用，如生物分子、細胞生物、毒理學及環境研究等。根據不同的研究需求，選擇適當的緩衝劑能夠提高實驗的準確性和可靠性。

HEPES在冷凍牛胚胎存活中的應用

在研究中發現，冷凍牛胚胎在含HEPES的培養液中存活率顯著高於其他緩衝劑如TES、PIPES、MOPS、EPPS。這表明HEPES在某些特定生物系統中的優越性能，適合用於需要高存活率的冷凍胚胎保存實驗。

MES在酵母菌培養中的優勢

MES不會被細菌或真核細胞代謝，因此在pH 6且含10 mM MES的培養液中，酵母菌能夠維持細胞的完整性，這使MES成為細胞培養中特別是酵母菌培養的理想緩衝劑。

緩衝劑在電泳技術中的應用

電泳技術需要準確控制pH值以分離DNA和蛋白質，通常使用含有Tris的TAE或TBE緩衝液。然而，對於RNA的分離，由於含有變性試劑可能導致緩衝液呈鹼性及pH值改變，此時會添加MOPS來穩定pH值。

緩衝劑對光譜測定的影響

DNA、RNA、蛋白質相關的光譜測定波長通常落在230nm以上，因此緩衝劑若在230nm有吸收峰會干擾測定結果。例如，Tris會干擾Bradford蛋白量測；HEPES、PIPES、Bicine和MOPS會干擾Lowry蛋白量測；HEPES和MOPS則不會干擾Bradford蛋白量測與bicinchoninic acid量測。

Tris的細胞毒性

Tris因具有能穿透細胞的特性，對細胞具有毒性，並且能抑制某些酶的活性。因此，在細胞實驗中使用Tris時需要特別小心，避免對實驗結果造成不必要的影響。

結論

選擇合適的緩衝劑對於生物學、生化及環境研究的成功至關重要。不同的緩衝劑具有不同的特性和應用範圍，研究人員應根據具體的實驗需求，綜合考慮緩衝劑的與金屬離子的相互作用、在特定應用中的表現以及對測定方法的影響，選擇最適合的緩衝劑以確保實驗的準確性和可靠性。

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