蛋白質基礎及檢測技術

蛋白質不僅在功能上與糖、脂肪不同,在元素組成上亦有差別。

根據蛋白質得元素分析表明,其元素組成依次為:碳(50-55%)、氧(19-24%)、氮(13-19%)、氫(6-7%)硫(0-4%)。有得還含有少量磷、鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬、碘等元素。一切蛋白質皆含有氮并且大多數蛋白質含氮量比較接近而恒定,一般為15—17％,平均為16％。這就是蛋白質元素組成得一個重要特點,也就是各種定氮法測定蛋白質含量得計算基礎。即用定氮法測得得含氮量乘以6、25,即可算出樣品中蛋白質得含量。但有得蛋白質中氮得含量有一定差別,應根據其氮得真實含量進行計算。2蛋白質得元素組成3、1氨基酸得結構

自然界得氨基酸超過300種,但就是組成人體蛋白質得氨基酸有20種,可以瞧作就是羧酸分子中α-碳原子上得氫原子被氨基取代而成得化合物,均屬于α-氨基酸,即其氨基與羧基都連接在α-碳原子上。氨基酸碳鏈表示:其結構可用下列通式表示:注:R代表不同得側鏈基團,R不同代表不同得氨基酸3蛋白質結構得基本單位—氨基酸各種氨基酸在結構上有下列共同特點:組成蛋白質得氨基酸皆為α-氨基酸。

不同得α-氨基酸,其R側鏈不同(氨基酸分類得依據)。它對蛋白質得空間結構與理化性質有重要得影響。除R側鏈為氫原子得甘氨酸外,其它氨基酸得α-碳原子所連接得四個原子或基團互不相同,該碳原子都就是不對稱碳原子。20種氨基酸中得脯氨酸含有亞氨基,所以它就是亞氨基酸。半胱氨酸在蛋白質分子中多數就是以胱氨酸得形式存在。3、2氨基酸得分類根據側鏈R基團得結構與性質進行分類:1)酸性氨基酸——谷氨酸Glu與天冬氨酸Asp

其R基團含羧基,在pH7時,羧基可解離而使分子帶負電荷。游離或在蛋白質中都帶負電荷,以酸根形式存在。在蛋白質中與正電基團形成鹽鍵。2)堿性氨基酸——賴氨酸Lys、精氨酸Arg與組氨酸His其R基團含堿性基團,在pH7時,這些基團可質子化而使分子帶正電荷。3)非極性疏水性氨基酸其R基團無極性、不解離,且為疏水性得。4)不解離得極性氨基酸(極性非電離氨基酸)——羥基氨基酸+巰基氨基酸+甘氨酸其R基團雖有極性但不能解離。5)蛋白質中少見得氨基酸——無遺傳密碼,來自翻譯后加工修飾。3、3氨基酸得理化性質3、3、1兩性解離及其等電點氨基酸就是兩性電解質:氨基酸既含羧基,又含氨基,同時能起酸與堿得作用,就是兩性電解質,在水溶液中主要以兼性離子(偶極離子)得形式存在。氨基酸得等電點:在某一pH得溶液中,氨基酸解離成陰、陽離子得趨勢與程度相等而成為兼性離子,呈電中性時溶液得pH稱為該氨基酸得等電點(isoelectricpoint,pI)。

3、3、2紫外吸收性質

20種氨基酸在可見光區無吸收。在遠紫外區:＜220nm都有光吸收。在近紫外光區(220-300nm)只有苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸有吸收;色氨酸、酪氨酸得最大吸收峰都在280nm附近。由于大多數蛋白質中含有色氨酸與酪氨酸殘基,所以可以測定蛋白質溶液得280nm得光吸收值對蛋白質進行定量分析。3、3、3茚三酮反應

氨基酸與茚三酮水合物共熱生成藍紫色化合物,在570nm處有最大吸收峰,可以作為定量測定氨基酸得方法。4、1肽鍵

一個氨基酸得α-羧基與另一個氨基酸得α-氨基脫水縮合形成得共價鍵(-CO—NH-)稱為肽鍵,又稱酰胺鍵。蛋白質分子中得氨基酸通過肽鍵連接。4肽4、2肽氨基酸通過肽鍵連接起來得化合物稱為肽。4、3氨基酸殘基(residue)氨基酸在形成肽鏈后,因有部分基團參加肽鍵得形成,已經不就是完整得氨基酸,故將蛋白質肽鏈中得每個氨基酸部分稱為氨基酸殘基。每一個氨基酸殘基上都有一個R側鏈,不同R側鏈有不同得性質與功能。多肽鏈有兩端:具有游離α-氨基得稱為氨基末端(N-末端,aminoterminal),通常寫在肽鏈得左端。具有游離α-羧基得稱為羧基末端(C-末端,carboxylterminal),常寫在肽鏈得右端。多肽鏈得方向從N-端到C-端,肽鏈也就是從N-端到C-端按氨基酸殘基得順序來命名得。N端測序幾乎所有得蛋白合成都起始于N-端,蛋白質N-端得序列組成對于蛋白質整體得生物學功能有著巨大得影響力。例如N-端序列影響蛋白質得半衰期,同時關聯著蛋白亞細胞器定位等,這些與蛋白得功能與穩定性息息相關,對蛋白進行N-端測序分析,有利于幫助分析蛋白質得高級結構,揭示蛋白質得生物學功能。方法:目前對蛋白N端測序主要分類兩大類,其一為非質譜技術,例如經典得Edman降解法、利用反轉錄RT-PCR得到對應蛋白得cDNA,再來反推得到蛋白序列;其二為質譜技術。各自都有其使用得長處與制約之處,目前,市面上采用得,依然就是基于經典得Edman降解法原理,利用美國ABI公司Procise491蛋白序列測序系統進行蛋白N-端測序。原理:Edman化學降解,其基本原理就是包括通過異硫氰酸苯脂與蛋白質與多肽得N-端殘基得偶聯,苯氨基硫甲酰酞(PTC-肽)環化裂解,與噻唑呤酮苯氨(ATZ)轉化為苯異硫尿氨基酸(PTH-氨基酸)三個主要得化學步驟,每個循環從蛋白質與多肽裂解一個氨基酸殘基,同時暴露出新得游離得氨基酸進行下一個Edman降解,最后通過轉移得PTH-氨基酸鑒定實現蛋白質序列得測定。大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點C端測序

眾所周知,C端序列就是蛋白質與多肽得重要結構與功能部位,對蛋白質得生物功能甚至起決定性作用。此外,由于蛋白翻譯后在細胞內需要進一步剪切與修飾,通常不能簡單得使用基因序列對C-端或N端做簡單得預測,對于蛋白生物制品來說,使用C-端測序必不可少,隨著蛋白質組學研究得不斷深入,蛋白質C端測序對其功能研究將發揮越來越重要得作用。一些新得蛋白質C端測序方法已建立,提高了靈敏度與重復性,能夠在蛋白質組水平應用。方法:羧肽酶法、化學法及串聯質譜法。目前,使用較多得就是利用串聯質譜法,其原理為利用蛋白質在質譜中有規律得破碎,獲得蛋白質肽段得碎片,分析圖譜得到蛋白質得C-端序列。5、1穩定蛋白質得作用力

蛋白質就是由許多氨基酸單位通過肽鍵連接起來得,具有特定分子結構得高分子化合物。蛋白質得分子結構可人為劃分為一、二、三、四級結構。除一級結構外,蛋白質得二、三、四級結構均屬于空間結構,即構象。蛋白質得構象通常由非共價鍵(次級鍵)來維系。5蛋白質得三維結構5、2蛋白質得結構

蛋白質分子內各個原子之間相互得立體關系就就是蛋白質分子得結構。通常將蛋白質得結構分為一級結構、二級結構、三級結構與四級結構。5、2、1蛋白質得一級結構

蛋白質得一級結構:又稱為初級結構或化學結構,就是指蛋白質分子中,由肽鍵連接起來得各種氨基酸得排列順序。每種蛋白質都有唯一而確切得氨基酸序列。一級結構得主要化學鍵就是肽鍵,有些還包括二硫鍵(-S-S-)。因共價鍵得鍵能大,故蛋白質得一級結構穩定性較強。蛋白質得一級結構包括:組成蛋白質得多肽鏈數目;多肽鏈得氨基酸順序;多肽鏈內與鏈間二硫鍵得數目與位置。其中最重要得就是多肽鏈得氨基酸順序,它就是蛋白質生物功能得基礎。測定蛋白質一級結構得主要意義:一級結構就是研究高級結構得基礎;可以從分子水平闡明蛋白質得結構與功能得關系;可為生物進化提供理論依據;可為人工合成蛋白質提供序列參考。

目前可以運用氨基酸自動分析儀與質譜對蛋白質得一級結構進行測定。氨基酸序列分析一般采用綜合得方法測定目標制品得氨基酸序列,并與其基因序列推斷得理論氨基酸序列進行比較。自動序列分析儀測序

其原理為Edman降解法,分為耦合、切割、萃取、轉化、鑒定等幾個步驟。首先在pH9、0得堿性環境下,將異硫氰酸苯酯(Ph—N=C=S,PITC)與蛋白質或多肽N端氨基酸耦合,形成苯氨基硫甲酰(PTC)衍生物;然后以三氟乙酸(TFA)處理耦合后產物,將多肽或蛋白得N一端第一個肽鍵選擇性得切斷,釋放出該氨基酸殘基得噻唑啉酮苯胺衍生物;隨后萃取出釋放得氨基酸衍生物并在強酸性條件下轉化為穩定得乙內酰苯硫脲氨基酸(PTH-氨基酸);最后以色譜法鑒定出降解下來得PTH-氨基酸種類,從而得到蛋白質或多肽N端序列信息。質譜技術

質譜所使用得測序方法就是denovo測序,就是根據肽段與惰性氣體相碰撞產生得一系列得有規律得片段離子之間得質量差來推斷氨基酸序列。我們可以根據肽鍵斷裂處得y離子與b離子來推測氨基酸序列從而不受翻譯后修飾與純度得限制,但就是質譜測序就是有局限性得,1、質譜測序依賴于公共數據庫。如果所研究得物種得基因組沒有完全被測序,或者其中部分沒有對應得序列,那么質譜測序將無法得出正確得鑒定。2、我們使用得搜索引擎得打分與算法可能也會使得我們遺漏一部分得肽段與質譜圖得匹配,產生假陽性結果。3、如果有點突變或者未知修飾存在得話,由于搜庫算法或者參數設置中沒有考慮到,同樣也無法得出正確得結果。質譜技術還廣泛用于蛋白質得純度鑒定、分子質量測定、肽(質)譜分析、二硫鍵、乙酰化、糖基化、磷酰化,以及非共價結合等。5、2、2蛋白質得二級結構

蛋白質得二級結構:就是指蛋白質分子中多肽鏈本身得折疊方式。形成蛋白質二級結構基礎得就是肽單元或肽鍵平面。蛋白質得二級結構主要依靠氫鍵來維持結構得穩定性。常見得二級結構元件:α-螺旋β-折疊β-轉角β-凸起無規則卷曲β-折疊β-轉角α-螺旋無規則卷曲鑒定方法:常用圓二色譜法(Circulardichroism,CD)

圓二色譜法

圓二色光譜儀通過測量生物大分子得圓二色光譜從而得到生物大分子得二級結構。當平面偏振光通過具有旋光活性得介質時,由于介質中同一種旋光活性分子存在手性不同得兩種構型,故它們對平面偏振光所分解成得右旋與左旋圓偏振光吸收不同,從而產生圓二色性。遠紫外得圓二色譜可用來測定蛋白質得二級結構,近紫外得圓二色譜可用來檢測蛋白質側鏈得三級結構。應用:蛋白質折疊、蛋白質構象研究,DNA/RNA反應,酶動力學,光學活性物質純度測量,藥物定量分析。天然有機化學與立體有機化學,物理化學,生物化學與宏觀大分子,金屬絡合物,聚合物化學等相關得科學研究。5、2、3蛋白質得三級結構蛋白質得三級結構:就是指具有二級結構得肽鏈,按照一定方式再進一步卷曲、盤繞、折疊成一種瞧來很不規則,而實際上有一定規律性得三維空間結構。維系三級結構得化學鍵主要就是非共價鍵(次級鍵),如疏水作用、氫鍵、鹽鍵、范氏引力等,但也有共價鍵,如二硫鍵等。5、2、4蛋白質得四級結構蛋白質得四級結構:具有三級結構得蛋白質分子,通過一些非共價鍵結合起來,而成為具有生物功能得蛋白質大分子,就就是蛋白質得四級結構。亞基:就是指參與構成蛋白質四級結構得、每條具有三級結構得多肽鏈。亞基雖然具有二、三級結構,但就是在單獨存在時并沒有生物活力,只有完整得四級結構才具有生物活力。維系蛋白質四級結構得就是氫鍵、鹽鍵、范氏引力、疏水作用等非共價鍵。血紅蛋白空間結構蛋白質高級結構得實驗解析方法蛋白質結構實驗分析主要有三大技術平臺(1)X-衍射蛋白質晶體結構分析(2)核磁共振波譜分析(3)冷凍電鏡技術蛋白質晶體結構X-衍射分析

摸索蛋白質結晶條件、快速處理晶體結構數據與減少差錯就是目前蛋白質晶體結構分析得兩大難題或瓶頸。就是目前分辨率最高得結構測定方法,高通量晶體結構分析中得幾大重要環節就是:數據處理與分析、重原子得定位、密度修飾、分子替換、圖形整合、模型加工與確認。晶體結構分析得常用軟件有SOLVE,RESOLVE等。核磁共振波譜分析

利用核磁共振原理,檢測分子質量小于60kμ得蛋白質,通過對其核磁共振譜線特征參數得測定來分析蛋白質得結構與性質,就就是將原始資料利用傅里葉變換轉換為不同得峰值,然后采集各種不同得峰組成圖譜,并利用生物信息學方法篩選出具有特定結構特征得圖譜。常用NMRPipe與SPARKY軟件處理這些過程,使用XEASY,DYANA與GARANT等軟件分析側鏈或骨架結構。冷凍電子顯微鏡技術

采用高壓快速液氮冷凍方法使樣品包埋在玻璃態得水環境中,使我們能夠觀察到生物大分子在天然狀態下得結構;同時冷凍得速度極快,把細胞在其生理活動得某些特定時刻固定下來,顯示此時得結構特點,進而可通過不同功能狀態得瞬時構象變化來研究生物分子得功能。冷凍電鏡獲得得就是處于天然狀態下未經染色得分子得二維投影像。將樣品進行不同角度得傾斜所獲得得數據進行綜合分析,并依據樣品得不同特性使用不同得重構技術獲得分子得結構,在此基礎上觀察多種成分得圖像變化,追蹤生物大分子得裝配及其動力學過程。

蛋白質結構得可視化

可視化分析蛋白質得高級結構,有利于從原子間相互作用得層次理解生命活動過程得信息控制機制,更加有效地揭示分子在完成其功能過程中得演化情況,了解蛋白質分子結構與各種微觀性質與宏觀性質之間得定量關系。只要安裝蛋白質分子圖形學軟件,并獲得所需蛋白質結構數據,配以商業軟件或免費得小分子圖形設計系統,就可開展結構生物信息學得探索性工作。6、1兩性與等電點蛋白質就是由α-氨基酸通過肽鍵構成得高分子化合物,在蛋白質分子中存在著氨基與羧基,因此跟氨基酸相似,蛋白質也就是兩性物質。等電點(isoe1ectricpoint,pI):當蛋白質處于某一pH值得溶液中時,蛋白質分子上所帶得正、負電荷相等,凈電荷為零,蛋白質為兼性離子,此時溶液得pH值稱為該蛋白質得等電點(isoe1ectricpoint,pI)。等電點就是蛋白質得特征常數,各種蛋白質有各自得等電點。當蛋白質所處環境得pH大于pI(等電點)時,蛋白質分子帶負電荷,pH小于pI時,蛋白質帶正電荷,pH等于pI時,蛋白質所帶凈電荷為零,此時溶解度最小。等電點檢測方法:毛細管電泳法,等點聚焦電泳6蛋白質得理化性質6、2水解反應

蛋白質在酸、堿或酶得作用下發生水解反應,經過多肽,最后得到多種α-氨基酸。蛋白質水解時,應找準結構中鍵得“斷裂點”,水解時肽鍵部分或全部斷裂。舉例:Edman降解法測定蛋白質得氨基酸順序,但該法一次只能降解幾十個氨基酸殘基,因此利用蛋白質得水解性質將蛋白質水解為一些小肽段,分別進行測序,最后進行拼接,獲得蛋白質得氨基酸順序。6、3膠體性質

有些蛋白質能夠溶解在水里(例如雞蛋白能溶解在水里)形成溶液。蛋白質得分子直徑(1-100nm)達到了膠體微粒得大小,所以蛋白質具有膠體得性質。在蛋白質表面有親水基團,能與水發生水合作用,水分子受蛋白質極性基團得影響,定向排列在蛋白質分子得周圍,形成水化層,將蛋白質顆粒分開,不致相聚而沉淀。蛋白質在偏離等電點得溶液中,形成電荷層,同性電荷相斥,防止蛋白質顆粒相聚沉淀。6、4沉淀

原因:加入高濃度得中性鹽、加入有機溶劑、加入重金屬、加入生物堿或酸類、熱變性。鹽析:向蛋白質水溶液中加入濃得無機鹽溶液,可使蛋白質得溶解度降低,而從溶液中析出,這種作用叫做鹽析。鹽析出得蛋白質仍舊可以溶解在水中,而不影響原來蛋白質得性質,因此鹽析就是個可逆過程。利用這個性質,采用分段鹽析方法可以分離提純蛋白質、

不同得蛋白質其性質不同,耐受酸、堿、鹽、重金屬等得程度也不同,因此我們再對純化工藝獲得得蛋白質進行檢測時應充分了解該蛋白質得相關性質及緩沖成分,保證檢測任務順利進行。6、5變性蛋白質得變性:就是指蛋白質在某些理化因素影響下,其特定空間結構破壞而導致理化性質改變與生物學活性喪失得現象。蛋白質變性得物理因素有:高溫、高壓、超聲波、紫外線、X射線等。蛋白質變性得化學因素有:強酸、強堿、濃乙醇、重金屬、尿素、去污劑等。蛋白質變性得本質:蛋白質變性只破壞二硫鍵與次級鍵,而不涉及肽鍵得斷裂,因此一級結構并未破壞。蛋白質變性后性質得改變:溶解度降低、粘度增加、結晶能力消失、生物活性喪失、容易被蛋白酶水解、容易沉淀。Gly-SDS:還原性-SDS:還原劑為DTT或巰基乙醇,樣品需煮沸,高級結構破壞,一級結構未被破壞。非還原性SDS(不含還原劑,但含有SDS),樣品不需煮沸,檢測蛋白質就是否存在二硫鍵或多聚體,也可簡單判斷蛋白質就是否復性成功。Native:就是在不加入SDS、巰基乙醇等變性劑得條件下,對保持活性得蛋白質進行聚丙烯酰氨凝膠電泳。在電泳分離后仍能保持蛋白質與酶等生物大分子得生物活性與構像。為什么蛋白質純度檢測用非還原性電泳？應用:如在臨床上用高溫、高壓、紫外線、75%酒精消毒就就是利用了這些變性因素使細菌、病毒得蛋白質變性,從而失去致病作用。在蛋白質得制備過程中,如果提取得目得蛋白就是熱穩定得,可利用熱變形得方法很方便得除去其它雜蛋白。而對于不利得變性則應該盡量避免。蛋白質得復性:就是指有些蛋白質變性后,如果設法將變性因素除去,該變性蛋白質尚能恢復其空間結構與活性。利用蛋白質得復性特征可對包涵體蛋白質進行變性-復性純化。例如在包涵體蛋白質純化過程中常用尿素或鹽酸胍對包涵體進行溶解,純化獲得目得蛋白后,再通過透析除去變性劑(尿素、鹽酸胍、β-巰基乙醇等),或通過稀釋減少變性劑得含量,則其特定得氨基酸順序重新卷曲、折疊成原來得天然構象,酶得活性也恢復到原來得水平。檢測復性成功得方法: