管柱之固相基質為具有帶電基團之合成聚合物，帶負電者稱為陽離子交換劑（cation exchangers）；帶正電者則稱為陰離子交換劑（anion exchangers）。 在此介紹的是陽離子交換層析法。胺基酸各種蛋白質樣品與固定相基質帶電基團間之親和力會受周圍緩衝液之 pH 值（決定蛋白質分子之離子化狀態）與競爭性游離鹽離子濃度影響。我們可藉由逐步改變移動相之 pH 值或鹽濃度以造成 pH 值或鹽梯度達到最適化之分離效果。 圖3-18(a) 蛋白質純化常用的三種管柱層析方法。 大小-排除層析法（size-exclusion chromatography）是利用蛋白質大小之差異進行分離。 在此方法中，大分子蛋白質在其中移動的速度較小分子快。
相同的精氨酸通常不適合用來區分關係相近的蛋白質，或者更重要的是，不適合用來決定這些蛋白質在演化 上的關係有多接近。較為有用的是比較特定殘基取代胺基酸化學性質的差異。 圖3-31 之表格是由分析彼此之間胺基酸殘基至少 62% 相同之序列所產生，因此也被稱為 Blosum62。 另外也有基於彼此相同性達 50% 或 80% 的同源蛋白質序列區塊所產生的類似表格。
圖3-29 顯示反應至是形成每一個肽鍵所需之步驟。 以 9-茀基甲氧羰基（9-FluorenylMethOxyCarbonyl，Fmoc；藍色區塊所示）作為保護基可避免反應過程中胺基酸殘基（紅色區塊所示）之α-胺基發生副反應。 此化學合成法是由羧基端開始向胺基端合成胜肽，與活體內蛋白質合成方向恰為相反。 圖 3-29 在固相聚合物上胺基酸進行胜肽之化學合成。 胜肽化學合成法現在已可進一步以機器自動化操作進行。
蛋白質序列可供解讀地球上生命的歷史 演化資訊的複雜性，會以任何可能的方式儲存於蛋白質序列之中。 以一種特定蛋白質而言，對其活性重要的精氨酸殘基 會隨著演化時間保留下來，而較不重要的胺基酸殘基就有可能隨時間改變（即可能被其他胺基酸所取代），這些發生變化的殘基可以提供追蹤演化的重要資訊。 胺基酸的取代並非總是隨機的。在某些蛋白質的一級結構裡，為了保持蛋白質的正常功能，僅能容許特定精氨酸的取代。而有些蛋白質的胺基酸變異性會比其他蛋白質來得高。 基於上述及其他原因，蛋白質彼此之間的演化速率會有差異性。
PAGE (PolyAcrylamide Gel Electrophoresis) 圖3-19(a) 顯示將不同樣品注入聚丙烯醯胺膠體上 方之樣品槽中，通以電流後蛋白質樣品將進入膠體中。一般蛋白質電泳是由負極向正極移動。 圖3-19(b) 顯示電泳完成後，可利用如 Coomassie blue 等呈色劑（與蛋白質結合但不與膠體結合）加以處理，使蛋白質色帶呈色而能以肉眼觀察。每一個色帶均代表一種不同的蛋白質（或蛋白質次單元）；小分子蛋白質在膠體中泳動之速度較大分子快，因此會出現於較接近膠體底部處。圖中所示為大腸桿菌核糖核酸聚合酶的純化，由左至右各行表示蛋白質經過各步驟純化後所得到的結果。如最右一行所示，最終純化的蛋白質含有四種次單元。 圖 3-19 電泳。 胺基酸一般用來概估蛋白質分子量與純度之電泳法會使用到清潔劑十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate；SDS）。 SDS 會與大多數蛋白質結合，且大約與蛋白質分子量成正比。
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