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温度控制在蛋白质结晶中的应用研究(第2页)

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  Bartling 等人[27]研究了温度对去铁铁蛋白结晶的影响。研究发现,在三种镉浓度下,随着温度的增加最终导致了的晶体尺寸线性增加。在312.5K 下生长的去铁铁蛋白晶体最大。
  在低的镉浓度下,温度的影响更显著。随着镉浓度的增加,去铁铁蛋白的溶解性对温度变得不敏感,这和溶菌酶一样。在高沉淀剂浓度下,蛋白质溶解度不依赖温度,而在较低沉淀剂浓度下,溶解度强烈依赖温度[21]。
  即使晶体形成后,温度也会引起蛋白质构象的改变[28]。为了抵挡X 射线衍射源的辐射,晶体一般需要保持在低温状态下,低温可以增加晶体的分辨率,但也有可能引起蛋白质构象的改变。Dunlop 等人[28]对此进行了系统的研究:将同一种蛋白质晶体在三个室温和三个低温数据进行了比较。结果显示,虽然低温下可获得高分辨率的结构和更精确更细节的信息,但是它们系统地背离了室温结构,甚至在结构核心部分观察到显著的区别。这种变化在蛋白质表面更常见。这些区别会影响生物学的解释,因为很多重要的生物过程发生在蛋白质表面。
  因此,虽然在蛋白质结晶中可以获得高质量的低温数据,但是,室温数据仍是需要的,特别是当研究的蛋白质特性对温度的改变很敏感时。
  1.3 最佳温度筛选装置用于蛋白质结晶
  温度的细微改变可以显著影响蛋白质的溶解度。例如,温度变化0.5K 时,溶菌酶的溶解性就会变化很大,由于这个原因,一些蛋白质的结晶温度需要精确控制。Landsberg 等人发明了一种最佳温度筛选系统(Thermo-screen)[29],该系统在一块192 孔坐滴板上设置温度梯度,温度范围277-372K,最大温度梯度20K,间隔精度0.3K。系统可以同时检测12个恒温点下,16 个不同的结晶条件。
  应用该系统进行了蛋白质结晶实验。实验结果显示温度显著影响溶菌酶晶体的数量和尺寸。在低温(~279K),每孔有数百个小晶体。从恒温279K 增加到恒温292K,292K 下产生的晶体更少,晶体尺寸更大,质量更好。这和增加温度而致溶菌酶溶解度增加的结果一致。
  在优化温度293K 和294.5K 之间,观察到每个孔有一些大的六角形晶体。再增加温度到303K导致晶体尺寸的减小,这可能是由于溶解度增加过大或蛋白质已经变性。
  人类肾上腺素合成酶苯乙醇胺N -甲基蛋白(PNMT)的结晶实验结果相反。在较低温度(~279K)下,观察到较少的晶体。随着温度的增加晶体数量减少,这和温度与溶解度的关系相一致。在282.5-285.2K 之间,晶体数量更少,晶体尺寸更大(大至0.15mm)。然而,随着温度的再次增加,晶体尺寸减小,数量增加,直至293K,只能观察到大量的小晶体。
  这些结果显示,优化温度在283K 左右,PNMT 晶体形貌最好。而这个温度和大家先前用于PNMT 结晶的温度(293K)不同。运用该系统得到过氧化氢酶的优化温度为~293 K。
  1.4 筛选最佳温度方法用于蛋白质结晶筛选
  Lin 等人[18,30]研究了不同温度下蛋白质的相图,比较了它们的形核区,发现温度改变了形核区的大小,增加了蛋白质的可结晶性。例如,当温度从295K 变为277K 时,RibonucleaseS 和 Trypsin 的形核区面积分别增加2.4 和1.6 倍,同时结晶成功率分别从20.8%增加到42.9%,从12.5%增加到25%。Chymotrypsinogen A 和 Concanavalin A 的形核区增加到1.6和1.7 倍(温度从277K 变为295K),结晶成功率分别从37.5%增加到54.2%,从43.3%增加到73.4%。因此,筛选最佳温度进行结晶,可以显著提高蛋白质的结晶成功率。一种新的Epididymal-specific Lipocalin 蛋白质,通过筛选最佳温度,很快获得了第一个晶体,且晶体分辨率达1.97?。因此,用不同的温度,可以筛选到一些新的结晶条件。
  2 变温应用于蛋白质结晶的研究
  变温方法主要用于生长高质量的蛋白质晶体,同时也应用于提高蛋白质结晶筛选的成功率。在提高蛋白质晶体质量方面,通过改变温度控制溶解度的改变,从而优化晶体生长速度,生长高质量的蛋白质晶体。在蛋白质结晶筛选时,通常事先无法确定最佳结晶温度,通过温度扫描方法可以覆盖更多可能结晶的温度点,从而获得更多的蛋白质结晶条件。
  2.1 变温提高蛋白质晶体质量
  2.1.1 温度扫描生长高质量蛋白质晶体
  温度对蛋白质的溶解度有显著的影响。有些蛋白质的溶解度随温度增加而增大,如溶菌酶;而有些蛋白质的溶解度随温度增加而减小,如糜蛋白酶原A[31]。溶解度作为温度的函数可用Van't Hoff 公式进行表示[32]:
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