蛋白质结构分析精选课件

1、第二章 蛋白质结构分析第1页，共28页。第一节 蛋白质样品的准备 进行结构分析的蛋白质样品，一般要求纯度95。这样的样品，通常是用色谱和电泳精制过的。一、SDSPAGE纯化的样品 从SDS上分离的蛋白质必需经过特殊处理，使SDS浓度低于0.0005，否则SDS会影响到胰蛋白酶的酶解，也会大大降低HPLC分肽时的分辨率。有报道指出，在2molL尿素存在下，用胰蛋白酶消化蛋白质时，如果SDS浓度0.05，则完全阻止了胰蛋白酶和内肽酶Lys-C的作用。 虽然有报道用HPLC或用盐酸胍沉淀除去SDS，但不易掌握，尤其是共价结合到蛋白质分子上的SDS分子更难除去。 在SDS后，采用电印迹(blottin

2、g)到PVDF膜上，也是常用的方法，因为PVDF膜结合蛋白质能力的专一性远远超过其结合盐、氨基酸和去垢剂，因此，蛋白质能和这些“污染物”分开。经过这样处理后，能用于BrCN化学裂解或酶解。第2页，共28页。二、HPLC纯化的样品 如果样品是用反相HPLC纯化的，因为流动相是挥发性溶剂，它们在真空离心干燥或冻干样品时除去；如果蛋白质是用离子交换HPLC或疏水HPLC或凝胶过滤HPLC精制的，则样品要进行脱盐。 脱盐或稀蛋白溶液的浓缩可用0.1三氟乙酸(TFA)乙腈(ACN)系统的短柱反相HPLC；也可采用一次性的Sek-Pak，因为蛋白质是水溶性的，所以先用能与水互溶的甲醇或乙腈(2ml)润之，

3、再用5ml纯水洗涤；然后样品液体通过Sep-Pak柱时，蛋白质保留在柱上，小分子的盐类流过柱体，用水溶液充分洗涤后，最后用甲醇或乙腈抽提蛋白质。 小的超滤装置对浓缩蛋白质也是有效的。此外，有机溶剂或TCA沉淀也可以考虑。三、蛋白质样品中的二硫键和巯基(一SH) 当蛋白质样品纯度达到要求，盐和小分子也除得比较“干净”，在进行酶解前，还要转变半胱氨酸残基成其他的稳定的衍生物。因为半胱氨酸的巯基在分肽过程中易自动氧化成各种产物，包括形成无序的二硫键，因此需要将半胱氨酸残基先转变成稳定的衍生物。 常用有碘代乙酸烷化，因为这个反应是快速和专一的；同时这类试剂保存在暗处是很稳定的。而且，这类试剂的矫作物(

4、artifact)容易得到放射性标记物。蛋白质或肽在导入带电荷基团后也增加了其在水溶液中的溶解度。胱氨酸也可在还原后再修饰。第3页，共28页。1还原和羧甲基化 将1 20mg蛋白质溶解在含6mol/L盐酸胍的0.1mol/LTris-1mmol/LEDTA的缓冲液中，pH8.3，加DTT至2mmol/L或再多一些(过量于存在于蛋白质中的二硫键)，通氮气，然后迅速封闭，37反应1h，再加入50mmol/L的碘代乙酸(已用NaOH中和)，其量为1.1倍(分子比)过量于溶液中的巯基数(蛋白质中的一SH和DTT中的一SH总和),典型为4.55mmol/L，再次充氮气，于暗处37保温1h。加2巯基乙醇至

5、最后浓度1(V/V)结束反应，然后对50mmol/LNH4HC03，含0.01硫二甘醇(thiodiglyc01)充分透析，冻干。 注意：碘代乙酸必须是无色的，如果有碘存在，呈淡黄色，会引起巯基迅速氧化，阻碍了烷化反应，而且可能有副反应，使色氨酸修饰。 碘代乙酰胺(iodoacetamide)也常代替碘代乙酸用于半胱氨酸残基的烷化。这常用于避免牛胱氨酸被导入负电荷，而用中性的碘代乙酰胺。另一种情况是变性剂不用盐酸胍，而用SDS，这时如果用碘代乙酸，反应往往进行得很慢，而且不完全，这是因为碘代乙酸的负电荷和蛋白质SDS胶束(微团)上的负电荷相互排斥。 2还原和吡啶乙烯化 用4乙烯吡啶(4-vin

6、ylpyridine)处理同上，通氮气保温过夜。第4页，共28页。第二节 蛋白质的化学裂解 裂解于甲硫氨酸(Met) 溴化氰(BrCN)是首选的化学试剂，专一裂解在甲硫氨酸的羧基端，对多数蛋白质裂解效率为90以上。BrCN在酸性条件下，裂解在甲硫氨酸的C端肽键上，将甲硫氨酸转化成高丝氨酸()(homoserine)和高丝氨酸内酯(I)(homoserinelactone)的混合物，它们之间也能相互转化，如图2.1所示。第5页，共28页。 对Met-Thr、Met-Ser键，则常常是低产率的，可能是羟基产生下面的一系列反应(和)，最后形成高丝氨酸残基(V)，而未裂解此肽键，如图2.2所示。Met

7、-Cys键也不易裂解。第6页，共28页。 典型的反应常常在20、70甲酸(V/V)中进行24h，副反应是部分Asp-Pro键会断裂，一些酰胺基团会部分丢失，部分Asn-Gly会产生重排或环化，有时Trp会氧化。 操作：蛋白质先用5巯基乙醇在pH 8.0室温下处理24h，加色胺(tryptamine)或色氨酸(以每分子甲硫氨酸加5分子色胺或色氨酸计算)以防止色氨酸氧化。 蛋白质以15mg/ml浓度溶解在70甲酸中，加入50倍过量，小体积的BrCN/70甲酸，通氮并置于暗处，室温放置1624h，结束后加15倍体积的水，冻干，重复加水冻干。第7页，共28页。第8页，共28页。第三节 蛋白水解酶酶解一

8、、 常用蛋白水解酶(1)胰蛋白酶(trypsin) 专一作用在Arg和Lys(碱性氨基酸)的羧基端，但对Arg-Pro和Lys-Pro键没作用。 我们常将胰蛋白酶配成1mg/ml，贮存在1mmol/LHCl中，-20保存数月，而未观察到酶的活性损失。如果样品溶解度差，可适量加入尿素增加溶解度，因为胰蛋白酶在2mol/L尿素中，仍具有充分的活性。(2)胰凝乳蛋白酶(-chymotrypsin) 专一作用在芳香族氨基酸的羧基端。(3)内肽酶Lys-C(endoproteinase Lys-c) 专一作用在Lys的羧基端。(4)V8蛋白酶(staphylococcal protease) 专一作用在

9、Asp和Glu(酸性氨基酸)的羧基端。pH 8.0的磷酸缓冲液时，作用在Glu-X和Asp-X；pH 4.0的乙酸缓冲液时，仅作用于Glu-x键。第9页，共28页。(5)梭菌蛋白酶(clostripain) 专一作用在Arg的羧基端。(6)凝血酶(thrombin) 专一裂解在Arg-Gly键上，在纤维蛋白原工作中，很大程度上还依赖于邻近氨基酸序列。近来还常用作融合蛋白的裂解点。(7)其他 还有专一性较广的胃蛋白酶(pepsin)、枯草杆菌蛋白酶(subtilisin)、木瓜蛋白酶(papain)、嗜热菌蛋白酶(thermolysin)等。 应该指出胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶均从胰脏制备，常常不易

10、完全分开，而是你中有我，我中有你，专一性不佳，易造成混乱。应采购TPCK胰蛋白酶(抑制了胰凝乳蛋白酶活性)和TLCK胰凝乳蛋白酶(抑制了胰蛋白-酶活性，才能保证酶的专一性。第10页，共28页。二、 酶解操作条件 将30l(100g)蛋白质，100mmol/L NH4HCO3，pH 8.5，5mmol/L DTT，50作用15min，在冷至室温后，加5l 100mmol/L碘代乙酸，室温15min，加60l水，最后加酶5l蛋白样品:酶=25:1(质量比)，37保温20-24h，冻干样品或直接注射样品(用稀TFA酸化至约pH 2.5)到反相HPLC柱中分析。第11页，共28页。三、 讨 论(1)蛋

11、白质的量和浓度 酶解不能正常进行的主要原因之一是蛋白质的量不足。精确定量蛋白质是必需的，一般用氨基酸分析来定量微量的蛋白质。 蛋白质浓度通常要求500g/ml，最少不得低于100g/ml，否则酶的消化难以进行，体积在50100l。(2)缓冲液、盐和去垢剂 酶作用可以被缓冲液中的各种因子所抑制或完全阻止。在标准的2mol/L尿素，0.1mol/L NH4HCO3系统中，SDS含量为0.0005时，就会影响酶的消化。0.005SDS会减少许多酶解肽段的产量。类似的，染料考马斯兰和两性电介质也会阻止酶的消化。高浓度的盐(1mol/L NaCl)也会影响蛋白水解酶的活性；2mol/L以上浓度的尿素会影

12、响羧甲基化和蛋白酶的消化。(3)羧甲基化 Stone等报道，转铁蛋白用酶解时，羧甲基化的转铁蛋白酶解很好，而没有羧甲基化的转铁蛋白，酶解程度很差。第12页，共28页。(4)蛋白酶的量 酶和蛋白质的质量比为1:25，如果分子质量大的蛋白质(6万Da)，则比例要减低至1:50。胰蛋白酶要用序列级的商品。(5)原位酶解 将SDS上的蛋白质样品从凝胶上解析下来是很困难的，文献报道有很多方法，但实用性差。目前流行的方法是将蛋白质电印迹(blotting)至PVDF类的膜上，直接进行序列分析或直接在膜上进行酶解，后者称为原位分析(in situ)。 第13页，共28页。 原位酶解操作如下：膜片剪成lmm细

13、条，放在Eppendrof管中,加1.2ml 0.5(m/V)PVP-40/0.1mol/L HAc，37保温30min，PVP-40的作用是阻止在酶解时蛋白酶吸附到硝酸纤维素膜上，除去PVP-40后，用水充分洗涤膜至少5次以洗净残留的PVP-40(因为PVP-40有很强的紫外吸收，在RP-HPLC中，PVP-40于30一40有机溶剂浓度时洗下来，它在215220nm有很高的吸收，在260289nm吸收很小)，所以在HPLC前需完全除去。膜片再用酶解时的缓冲液漂洗，然后进行酶解，一般蛋白酶在100mmol/L NH4HCO3:CAN =95:5，pH8.2，37酶解过夜，对V8蛋白酶则在100

14、mmol/L磷酸钠:ACN=95:5，pH 7.8，室温过夜。酶与底物之比为1:10至1:20(质量比)；对亚微克级样品，酶与底物之比高达2:1。酶解后-20保存或立刻用数微升10TFA酸化，上样到HPLC柱上分析。第14页，共28页。(6)限制性酶解 限制性酶解有助于蛋白质测序时的序列演绎。最著名的例子是核糖核酸酶(RNase)，它被枯草杆菌蛋白水解酶在pH 8.0下作用，活性没有变化，但出现一个新的N端丝氨酸。用AmberliteIRC-50离子交换柱，0.2mol/L pH6.25的磷酸钠缓冲液可分离到一个大片段(S蛋白)和一个小片段(S肽)。也可用三氯乙酸(TCA)沉淀法，沉淀部分是S

15、蛋白，上层液部分是S肽。同法亦可用在糖原磷酸化酶等的研究中。第15页，共28页。第四节 蛋白质中存在着封闭的N端 有些蛋白质的N端是封闭的，尤其在腹水细胞中，80的蛋白质的N端是乙酰化的，因此用Edman法不能直接测定其序列，要用一系列的化学或酶处理。 如果在蛋白质/肽序列仪上测定不到序列，蛋白质的量肯定又是足够的，则可在仪器上进一步用含水TFA(三氟乙酸)处理样品，使蛋白质酸水解成许多肽段后再测序，这时会有很多PTH-氨基酸出现，以此反证此蛋白质的N端是封闭着的，再用下述方法除去封闭着的N端。 首先，用温和的酸处理可以除去甲酰化的甲硫氨酸(f-Met)，也可能引起丝氨酸、苏氨酸的乙酰化N-O

16、重排反应。如果酸处理后还是测不到序列，则进一步用焦谷氨酸氨肽酶除去蛋白质N端上的焦谷酰基；假设这一方法仍不见效，再用较强的酸处理或其他酶处理。虽然有乙酰氨基酸释放酶(acylaminoacid-releasing enzyme，AARE)，但它不能作用长度在20个氨基酸残基以上的蛋白质或肽。因此，封闭的蛋白质首先裂解成小肽，再用AARE处理除去N端上的乙酰化氨基酸转变成n-1肽，然后n-1肽的序列再用Edman法测定。第16页，共28页。一、除去蛋白质中封闭的N-乙酰丝氨酸和N-乙酰苏氨酸 样品置于1.5ml的聚丙烯离心管中，加无水TFA，密闭，40保温1h，然后打开管盖，让TFA挥发，干燥，

17、再进行序列分析。二、除去N-甲酰甲硫氨酸 样品置于1.5ml聚丙烯离心管中，加30l 0.6mol/L HCl，密闭，25水解24h，打开管盖，真空除去HCl，然后进行序列分析。 以上两种温和酸水解除去甲酰或乙酰氨基酸，这与时间、温度、酶浓度有很大关系，过分的酸水解会引起蛋白质中肽键的断裂，如对酸不稳定的Asp-Pro键；相反，条件不够，则封闭的N端基团水解不完全，导致测序的起始点不均一。三、除去N端的焦谷氨酸残基(pyroglutamate) 样品在序列仪上测不出N端，则将载有样品的膜片转移至1.5ml聚丙烯微量离心管中，用0.5PVP-40洗膜片(见上节原位酶解部分)，再加100l焦谷氨酸

18、氨肽酶(5g于50mmol/L磷酸钠pH7.0，含10mmol/L DTT)37酶解510h，用水洗膜，干燥，放回序列仪分析。第17页，共28页。五、选择性纯化N端封闭的肽 蛋白质用胃蛋白酶(pepsin)或嗜热菌蛋白酶(thermolysin)作用后(但不能用胰蛋白酶!)，酸化到pH2，上强酸性阳离子交换柱(例Dowex 50mmX2mm，H+型)。所有含游离氨基或其他碱性基团的肽都结合至柱上，仅缺少碱性基团的肽通过柱泄出。如果N端是封闭着的(没有游离的N端氨基)，同时因用专一性很广的酶作用，肽较小又不含组氨酸、赖氨酸、精氨酸则可在排出液中发现N端封闭的肽。 此技术的局限性是：大肽(甚至含有

19、碱性基团)可能不结合到树脂上，因为它们不渗入树脂孔径内；相反，一些疏水的肽，特别含有色氨酸残基，即是它们缺少游离的N端氨基，也可能结合到柱上。此外，如果存在碱性基团非常靠近N端，胃蛋白酶作用不能除去，则该技术也不见效。 应该指出，N端为谷氨酸的肽在极端pH下会环化而转变成封闭，需加以小心。近年来，由于质谱(MS)在生物样品检测中有了长足的发展，可用MS精确测定分子质量的方法来判断封闭的N端为何种基团。第18页，共28页。第五节 蛋白质中的C端残基的测定一、羧肽酶法 羧肽酶是最常用的方法，对一些小肽而言，C端有时最容易测定的，如胰蛋白酶酶解肽段时总是以Lys或Arg为C端；BrCN裂解的肽总是以

20、高丝氨酸(homoserlne)为C端；V8蛋白酶酶解的肽总以Glu或Asp为C端。虽然有非专一的情况，但毕竟出现的概率很少。 羧肽酶酶解是从C端开始，一个一个地从C端释放出氨基酸残基，这是个动态的释放过程。有的氨基酸释放快些，有的氨基酸释放慢些。对小肽的C端序列测定问题不大，但对长肽的序列测定，由于对不同氨基酸残基释放的速度不同，对后面一些氨基酸的序列判断，可能会出现错误。在这方面不如化学降解法。 C端序列分析是在酶解的不同时间间隔，取出一定量的反应物停止反应后，用氨基酸分析定量氨基酸来排列出其序列，近来用质谱法测定C端序列。第19页，共28页。(1)羧肽酶A(CpA) 此酶释放非极性氨基酸

21、速度快，释放His、Thr、homoserine也很快，释放Asp、Set、Met sulphone则缓慢，释放Lys也较慢，但在高pH下则速度加快点；酸性氨基酸的释放也较慢，对Pro和Arg基本上不起作用。倒数第二个氨基酸残基影响水解速度，但对这一现象作一归纳或解释是很困难的。 此外，如何保证CpA不污染有内肽酶也是一个很重要的问题，通常用二异丙基磷酰氟(Diisopropylfluorophosphate，DFP)处理以抑制丝氨酸蛋白酶的活性。CpA在低离子强度下是不溶性的，通常以悬液形式存放于4。使用前将酶悬浮在水中，离心除去上层液，上层液中可能含有游离的氨基酸，而沉淀部分溶于少量2mo

22、l/L NH4HCO3中，此CpA加到变性的底物蛋白质中(10-100nmol，pH 8.5，0.2mol/L N-ethylnorpholine HAc)，酶和底物的分子比为1:100，如果底物在此缓冲液中不溶解，则可在1SDS(V/V)或6mol/L尿素中进行。有时加正亮氨酸(norleucine，1mol/mol蛋白质)为内标。溶液在25保温，隔0.5，1，4，16h，取一定量反应液(1-5nmol)，加等体积1mol/L HAc停止酶作用，离心除去蛋白质，上层液真空干燥，然后残余物溶在氨基酸样品缓冲液中进行氨基酸分析。以正亮氨酸作校正，同时有相同程序的空白对照。 如果在酶作用短时间后就

23、释放出大量的氨基酸，则改用低的CpA浓度和作用短时间(5，10，20，60min)取样；相反，如果只有少量氨基酸释放，则可加大酶/底物的比例，或37作用更长的时间。第20页，共28页。 (2)羧肽酶B(CpB) 从蛋白质/肽的C端释放Lys和Arg，CpB存放在20时，非常稳定。 (3)羧肽酶Y(CpY) 目前CpY有更广泛的专一性和通用性，一般讲它作用底物C端的疏水性氨基酸快些，作用于带电荷的氨基酸慢些。此酶很稳定，某些金属离子(例如Cu2，Hg2)抑制酶活性。CpY制剂中可能污染有酵母蛋白酶A，这时可加胃蛋白酶抑制剂(pepstain)抑制，也可用EDTA抑制。CpY用量一般为底物的1/5

24、01/100，在25作用，于不同时间取反应液酸化后分析游离的氨基酸。 (4)羧肽酶P(CpP) CpP是种酸性羧肽酶，它贮存在pH 5.5的50mmol/L吡啶醋酸缓冲液中，于-20，6个月内非常稳定。其作用于pH2.5的100mmol/L吡啶甲酸缓冲液中。第21页，共28页。二、 化学降解法 早年的化学降解法只能测定一个C端氨基酸，远远不能满足需求。而羧肽酶法虽能测到35个序列，但这是一个动态演绎的方法，有可能错判。十多年前，蛋白质化学家就开始用类似Edman降解法从C端逐个测定氨基酸序列，每次国际蛋白质会议都有报道，直到2019年才有商品仪器供应。目前C端序列仪一般只能测定5个氨基酸残基左

25、右(这和蛋白质的性质有关，有些可测到10个左右)，在nmol水平上；这与N端序列还有很大的差距(目前N端序列仪灵敏度在10pmol，可测到50个循环)第22页，共28页。第六节 蛋白质中一些特殊肽段的检出 一、含巯基肽的分离纯化和分析 巯基在蛋白质性质、结构和功能中具有重要作用，因此含巯基肽段的鉴定是蛋白质化 学不可缺少的部分。文献上含Cys的肽常用同位素标记的碘代乙酸处理，羧甲基化，然后在HPLC肽谱分析时跟踪有标记的肽段。鉴于用同位素在国内不很方便，我们用4-乙烯吡啶标记蛋白质中的半胱氨酸，酶解后的肽谱，除用214nm检出外，同时还用254nm检出，只有被4-乙烯吡啶修饰的肽在254nm才

26、有吸收，所以能方便地检出。 第23页，共28页。二、 含芳香族氨基酸肽的分离纯化和鉴定 (一)引 言 蛋白质在280nm有特征性的高吸收，这主要是芳香族氨基酸(色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸)的贡献。蛋白质在酶解后的肽谱中，检测波长不用280nm，而采用214-220nm，这是由于肽键的强吸收缘故。肽谱中不含芳香族氨基酸的肽，在280nm下，基本上没有吸收峰，但含有色氨酸或酪氨酸的肽，则在280nm下却表现出强的吸收峰。据此，我们可以辨别含芳香族氨基酸的肽。 此外，含芳香族氨基酸肽的二阶微分光谱也和一般肽的二阶微分光谱有明显的差别。在碱性条件下(pH12.5)，Tyr离子化的二阶微分光谱与Trp的二

27、阶微分光谱完全不同，特别在260nm。但这样的条件对酸性的HPLC反相柱显然是不合适的。第24页，共28页。三、含Lys-肽的分离纯化和鉴定 赖氨酸的-氨基可以和磷酸吡哆醛(PLP)形成Schiff碱，该衍生物在325rml有特殊的吸收，利用这一性质可找出含有Lys残基的肽段。 (一)引 言 蛋白质中的赖氨酸残基常常与生物活性密切有关。例如醛缩酶(ALD)中的Lys-227和同位素标记的磷酸二羟丙酮反应后，经NaBH4还原可以形成Schiff碱。此时酶分子上可测定到等克分子数的放射性，同时酶的催化活性丧失。 用同位素标记肽比较麻烦，Shapiro则发现醛缩酶中Lys-117和磷酸吡哆醛(PLP)反应，并经NaBH4还原也可以形成Schiff碱，酶活性受抑制，但修饰后的醛缩酶仍可和底物结合。由此推论Lys-107是一次要活性部位。 用PLP作用的优点是避免用同位素，PLP修饰在Lys残基上形成的肽，在325nm有一特殊吸收。因此，这种技术对制备和分离Lys-肽具有普遍意义。第25页，共28页。附录一 微量蛋白质实验室注意事项 (1)环境 由于是微克级的操作，实验室内的温度、灰尘、纤维、皮肤和头皮屑都会影响结果。 (2)吸附 玻璃容器的表面吸附，由于量少，会使大部分物质被吸在壁上在溶液中的量趋于零。 用透析袋，少