蛋白质晶体学简介(根据牛津大学Stuart教授的讲义译编)(2)

2019-04-17 15:20

柔性常常迫使人们使用截去蛋白的N端或C端(柔性过大的部分)以后再进行结晶。

在初次出现晶体时,往往需要回答以下两个问题:

1. 是盐晶体吗? 盐晶体通常具有很高的双折射和很高的密度, 硬玻璃样的外表, 因而易于区分;用衍射来鉴定,它在高分辨率下 (通常6?下什么也没有) 只有少数几个很强的衍射点。

2. 其次是它们能给出有用的衍射吗? 遗憾的是宏观观察时很有序的(甚至是双折射)的真正蛋白质晶体可能在微观上仍不够有序而不能衍射, 或只能达到较低的分辨率(低于4?),形成多晶或双晶的晶体当然是无法使用的。根据我们的经验, 添加剂如β-正辛基?-D-吡喃型葡糖(苷)甙 (β-octyl glucoside) 可能有助于消除孪晶的问题(16)。

表1: 结晶实验中的常用条件和思路 沉淀剂

盐: 硫酸胺, 甲酸胺, 柠檬酸钠

PEG: 400, 4000,3000, 6000,8000, 20000 有机溶剂: MPD, 乙醇 (4?C, 很难避免其蒸发) 混合物: PEG+0.5-1M LiCl或NaCl, 盐+2-4%有机溶剂 添加剂

0.25%-1% 非离子去垢剂如β- 正辛基?-D-吡喃型葡糖(苷)甙 (β-octyl glucoside)

二氧六环 (Dioxane) 金属离子如Ca2+, Zn2+ 还原剂: DTT 甘油

可变条件 pH 缓冲液类型

温度: 通常尝试5?C和20?C

结晶环境: 重力或微重力 (太空中结晶, 很费钱!) 共晶生长试剂 抑制剂 辅因子 底物

单克隆抗体片断(Fabs) 蛋白样品的变化 采用限制性蛋白酶酶解

采用基因工程方法修饰N端或C端(如截短) 采用不同种类的蛋白或突变体蛋白 采用不同表达系统 (如―对付‖糖基化等)

通过测量蛋白质晶体的密度可计算晶体中溶剂所占体积的比例及不对称单元中蛋白质分子的数目。测量可采用蔗糖密度梯度法,对于含溶剂较多的晶体,由于蔗糖掺入晶体内, 必须进行相对于时间进程的一系列密度测量, 这样才可推知时间为零时的正确密度。

方法2:相对于时间进程的晶体密度测定方法步骤如下

1. 制备浓度梯度为5%的从10% (w/w) 到60%的蔗糖溶液系列。 2. 从高浓度到低浓度一层一层地铺在超离心管中,对溶液加热可以增加流动性,因此可能有助于这一步实验的进行。

3. 使用范围在1.05-1.25g/cm3 的已知密度的二甲苯或溴苯进行校正。在梯度中加入一系列已知密度的小液滴, 在水平转头中离心(30‘s, 多少转?),即可确定梯度标记图。

4. 在梯度中加入一个晶体, 离心30秒测量位置,然后推算出密度, 随后以几分钟为时间段进行重复测量。

5. 将测量结果拟合为一次指数函数的形式并外推获得时间为零时的晶体密度数值.

假设蛋白质的一个典型蛋白质结构部分具有特定的体积为0.74cm3/g, 可用下式进行计算:

Mp[Da] =2.324(v/n) [?3]{?c[g/cm3]-1}

V: 单位晶胞体积 n: 单位晶胞内不对称单元的数量 ?c: 晶体密度 Mp:不对称单位的蛋白质质量

4数据收集

采用同步辐射加速器光源收集数据,体积为0.1x0.1x0.1mm3或更小一些的有序晶体已足够。在一般实验室里用旋转阳极作为X光光源收集数据,则需要较大的晶体。蛋白质晶体通常装在适当内径的玻璃或石英毛细管中 (Astrophysics Research Ltd.), 见图2a。参考书20中给出了详细的晶体操作注意事项。易碎的平板样晶体可装在特制的扁平毛细管中(20)。

如计划在数据收集过程中浸入底物则可将晶体装在一个流动的小盒中(20)。室温下,晶体在X射线照射下会受到损伤,影响它的寿命。在低温条件下收集数据,将会延长晶体寿命,提高数据的质量。高盐环境中生长的晶体,通常冷冻至–10oC不会有不良影响。在低温条件下收集数据,可用Cryo装置。通过表面张力将晶体悬置在一个薄金属圈限定的液滴中(22), 然后,将晶体快速冷冻至液氮温度(通常在100K左右), 这样可大大延长晶体寿命(23), 见图2b。但使用者必须预先评估特定的晶体在实现这个过程中经常遇到的困难与使用此法的益处。

只有为每一个新蛋白质晶体建立一个最佳的条件(主要是选择合适的冷冻保护剂)才能真正地受惠于低温数据收集。一些对温度变化特别敏感的晶体,必须严格在其生长温度的环境中安装。图2a

图2b

进行酶作用机理研究的时间分辨结构测定工作要求数据收集的速度能够跟得上反应速度。这时可用极高光通量和准直度的同步辐射加速器作为X-光光源,并用Laue法(白光)收集数据,以满足其速度上的要求。总而言之, 数据收集是一个较为专业化的领域, 在这里就不再论述了。

表2列出了与数据收集有关的资料,如X-光光源, 探测器及数据收集方法等。封闭管是最弱的X射线源,目前大多数实验室使用旋转阳极或同步辐射加速器作为X-光光源。同步辐射加速器的优点是:

1. 首先是具有高度平行的强光束。这对于具有较大的晶胞及高分辨率数据衍射能力弱的晶体是很必要的;

2. 其次是它的波长较短,同步辐射加速器X-光光束波长一般小于1?。短波长可以减少吸收,有利于延长晶体寿命。

3. 第三是波长可调性。这对于Laue法数据收集及单晶的多波长反常散射法(MAD)很重要。与铜靶相比, 旋转金靶阳极具有X射线波长短的优点, 金靶的特征发射光谱包括了PtLIII的吸收边缘, 因而,一般实验室中的旋转阳极,MAD法可有一些应用 (参见参考书26)。随着工作波长在1?以下的探测器的使用, 应重新评价不同阳极材料的不同优点。单位晶胞很大(晶胞大于200?)的晶体的在一般实验室中的旋转阳极上的数据收集通常要求配备聚焦能力较强的Frank型棱镜系统。对于要求相对较低的一般实验室中的旋转阳极上数据收集, 我们现常用易于匹配且更富于变化的光学系统, 例如石墨单色器和平行光管。同样,随着新的探测器的应用, 我们应重新认真评价X光光学系统及在同步辐射加速器上应用的技术在一般实验室中的X-光系统上的推广和应用。

表2 数据收集 X射线源

密封管 旋转阳极 同步辐射加速器

X射线棱镜(一般实验室中) 镍过滤器 石墨单色器 Frank反射镜 光纤系统 X射线探测器 线性比例计数器 摄影胶片

外部带磷光体的电视区域监测器: FAST 多丝正比计数器: Hamlin/Xuong, Xentronics Imaging plates 图像盘 CCD 数据收集方法 衍射仪法 徊摆法

Laue法(白光辐射)

目前探测器主要有摄影胶片、电子面探测器、图像盘(Imaging Plate)以及CCD。

目前较为广泛采用的是图像盘或CCD,这两种检测方式可在较宽的X射线波长范围内提供较高的灵敏度及低背景, 适于衍射较弱的晶体。必须指出,在一


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