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蛋白质结晶是研究蛋白质结构和功能的关键手段,对理解生物大分子作用、疾病机制及药物开发至关重要。它涉及蛋白质分子在溶液中规则堆积形成有序晶体的过程,受蛋白质纯度、浓度、缓冲液成分等多种因素影响。为获高质量晶体,需进行样品制备、条件筛选与优化等。蛋白结晶研究推动生物学和医学领域发展,支持药物设计和蛋白质工程。本文概述了蛋白质结晶的制备、方法、筛选、优化等要点,为相关研究提供参考。
一 蛋白质晶体的发展史
蛋白质晶体的研究始于19世纪中期,Hunefeld首先报道了血红蛋白晶体。到了20世纪,结晶技术成为提纯和研究蛋白质的重要方法,特别是John Jacob Abel对胰岛素的结晶,以及James B. Sumner对酶作为晶体蛋白质的确认。1930年代末,蛋白质晶体开始用X射线分析,开启了结构生物学的新篇章。随着遗传学和分子生物学的发展,特别是DNA技术的应用,蛋白质晶体的研究在1980年代后得到了极大的加速和变革。
二 蛋白结晶:艺术与科学的结合
尽管现代分子生物学和晶体学的进步为许多实验提供了便捷,但蛋白质结晶仍然是一个既简单又复杂的挑战。这一过程结合了科学的方法与艺术般的直觉和创造力,然而又高度依赖经验的积累。
由于生物大分子(如蛋白质)由大量不同原子以复杂方式组合,结晶过程中存在诸多变量和影响因素。这些因素包括蛋白质纯度、浓度、pH值、离子强度等,每一个变量都可能对结晶结果产生显著影响(表1和2)。
表1. 影响蛋白质晶体生长的化学变量 |
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样品的纯度 |
基因修饰 |
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样品的构象灵活性 |
分子的对称性 |
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样品的均一性 |
样品的稳定性和变性程度 |
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PH值和缓冲液 |
等电点 |
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沉淀剂的类型和浓度 |
存在his标签和其他纯化标签与否 |
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样品的浓度 |
热稳定性 |
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添加剂、辅助因子、配体、抑制剂、效应剂和辅料 |
PH稳定性 |
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混沌剂,如尿素、盐酸胍、硫酸铵等 |
样本的获取、处理、保存等历史过程 |
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洗涤剂 |
蛋白水解 |
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金属离子 |
微生物污染 |
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离子强度 |
样品保存 |
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还原剂或氧化剂 |
样品处理及相关的清洁度 |
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样品是来源 |
阴、阳离子类型及浓度 |
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无定形颗粒物质 |
相对过饱和度 |
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翻译后修饰 |
其他试剂的初始浓度和最终浓度 |
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化学修饰 |
平衡的路径和速率 |
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表2.可能或确实影响蛋白质晶体生长的物理变量 |
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温度 |
电磁场 |
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平衡速率 |
结晶装置的表面 |
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结晶方法 |
试剂的粘度 |
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重力、对流和沉降 |
异质和外延成核剂 |
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振动和声音 |
结晶装置的几何形状 |
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样品和试剂的体积 |
时间 |
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压力 |
试剂的介电性能 |
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结晶实验通常从筛选开始,旨在找到能产生晶体的关键变量组合。然而,为了获得具有特定特性的晶体(如用于结构生物学、纯化或生物治疗研究),往往需要进一步的优化实验(表3和表4)。
表3.结晶方法-过饱和度的实现 |
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气相扩散法(Sitting, Hanging, Sandwich) |
序列提取(数据处理和分析技术) |
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分批结晶法(微分批结晶) |
pH诱导(简单、可控) |
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透析技术 (微透析技术发挥辅助作用) |
温度诱导(操作简便、成本较低,需与其他方法结合使用) |
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自由界面扩散(逆扩散, 液桥) |
效应物添加(也加Silver Bullet) |
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控制蒸发 |
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表4.蛋白质结晶所用试剂 |
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盐类 (硫酸铵、甲酸钠、磷酸铵等) |
非挥发性有机物((±)-2-甲基-2,4-戊二醇、1,6-己二醇、甘油等) |
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聚合物 (聚乙二醇、分子量范围在200到20,000之间、乙烯亚胺、杰凡尼®等) |
缓冲液 (HEPES、Tris、醋酸钠、MES等) |
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挥发性有机物 (2-丙醇、1,4-二氧六环、乙醇等) |
添加剂 (氯化钙、氯化钠、三(2-羧乙基)膦、n-辛基-β-D-葡糖苷等) |
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尽管现代技术提供了丰富的资源和工具,但结晶并非仅仅是使用这些工具那么简单。成功的结晶策略需要基于一些基本原则,正如Alex McPherson等结晶领域的先驱所提出的,在进行实验之前,考虑这些原则将为您的结晶工作提供坚实的基础。
三 蛋白结晶的关键要素
- 样本:样本的纯度是结晶成功的基石,需细致处理以保证样本高均一性。
- 均一性:蛋白质样品的化学结构和分子量的一致性对形成有序晶体至关重要。
- 溶解度:优化样本在缓冲液中的溶解条件,追求单分散性,避免聚集和沉淀。
- 稳定性:确保蛋白质在结晶过程中保持结构和功能稳定,避免变性。
- 超饱和:通过控制超饱和度,诱导蛋白质分子有序排列形成晶核。
- 缔合:调控蛋白质分子间的有序相互作用,促进有序聚集,避免非特异性聚集。
- 成核:控制溶液中蛋白质初始结晶核的形成,以优化晶体数量、大小和质量。
- 多样性:尝试多种方法和条件来发现适合特定蛋白质的结晶条件。
- 控制:精确调控实验条件和过程,确保实验结果的准确性和可重复性。
- 杂质:保持样品纯度,减少杂质对结晶和后续研究的干扰。
- 保存:妥善保护结晶出的蛋白质晶体,防止其受到损害,确保后续研究的可靠性。
![](/Site/Default/Uploads/kindeditor/image/20240511/图片-since1991.jpg)
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西美杰代理的美国Hampton Research公司是一家专注于蛋白质晶体研究的领先生产商,其广泛的产品组合涵盖了从结晶初步筛选到结晶优化筛选,再到定制单组分结晶试剂和结晶生长优化试剂等全方位产品。这些产品能够满足不同蛋白结晶研究的需求,包括普通蛋白、膜蛋白以及蛋白复合体的结晶。
西美杰代理的Hampton Research以其尖端的生物大分子结晶技术和实用丰富的产品线,为全球晶体研究人员提供了全面的晶体研究试剂和实验耗材。这些产品不仅极大地提升了科研人员的工作效率,而且帮助他们取得了卓越的科研成果,Hampton Research已成为晶体研究领域备受信赖的品牌之一。
西美杰Hampton Research蛋白结晶热销产品
Hampton Research蛋白结晶筛选试剂盒
品牌 |
货号 |
品名 |
规格 |
简介 |
Hampton |
HR2-144 |
Index |
10 ml, tube format |
蛋白质、络合物、多肽、核酸和水溶性小分子等多种试剂体系的经典结晶条件初筛选试剂盒,包含96个条件 |
Hampton |
HR2-110 |
Crystal Screen |
蛋白、可溶性多肽、核酸和水溶性小分子等多种试剂体系结晶条件初筛试剂盒,包含50个条件 |
|
Hampton |
HR2-112 |
Crystal Screen 2 |
10 ml, tube format |
蛋白、可溶性多肽、核酸和水溶性小分子等多种试剂体系结晶条件初筛试剂盒,包含48个条件 |
HR2-114 |
MembFac |
10 ml, tube format |
适用于膜蛋白的结晶条件初筛试剂盒,包含48个条件 |
|
Hampton |
HR2-116 |
Natrix |
10 ml, tube format |
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Hampton |
HR2-117 |
Natrix 2 |
10 ml, tube format |
核酸、核酸/蛋白质复合物结晶条件初筛试剂盒,包含48个条件 |
Hampton |
HR2-082 |
PEGRx 1 |
10 ml, tube format |
聚合物和pH条件初筛与二次筛选试剂盒,包含48个条件 |
Hampton |
HR2-084 |
PEGRx 2 |
10 ml, tube format |
聚合物和pH条件初筛与二次筛选试剂盒,包含48个条件 |
Hampton |
HR2-126 |
PEG/Ion Screen |
10 ml, tube format |
聚合物、盐和pH条件初筛与二次筛选试剂盒,包含48个条件 |
HR2-098 |
PEG/Ion 2 Screen |
10 ml, tube format |
聚合物、盐和pH条件初筛与二次筛选试剂盒,包含48个条件 |
|
Hampton |
SaltRx 1 |
10 ml, tube format |
盐和pH条件初筛与二次筛选试剂盒,包含48个条件 |
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Hampton |
HR2-109 |
SaltRx 2 |
10 ml, tube format |
盐和pH条件初筛与二次筛选试剂盒,包含48个条件 |
除上述产品外,西美杰还提供包括GRAS Screen™、Grid Screen系列、Low Ionic Strength Screen、XP Screen、JBScreen Wizard等等在内的多种结晶条件筛选试剂盒,欢迎致电西美杰客服热线400-050-4006咨询订购。
Hampton Research蛋白结晶优化试剂盒
品牌 |
货号 |
品名 |
规格 |
简介 |
Hampton |
HR2-072 |
Solubility & Stability Screen |
0.5 ml, Deep Well block format |
溶解度和稳定性筛选,包含96个条件 |
HR2-413 |
Solubility & Stability Screen 2 |
0.5 ml, Deep Well block format |
溶解度和稳定性筛选,包含96个条件 |
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Hampton |
HR2-070 |
Slice pH |
0.5 ml, Deep Well block format |
pH筛选试剂盒,包含96个条件 |
Hampton |
HR2-138 |
Additive Screen |
1 ml, Deep Well block format |
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Hampton |
HR2-459 |
GRAS Additive |
1 ml, Deep Well block format |
GRAS添加剂筛选,包含96个条件 |
Hampton |
HR2-096 |
Silver Bullets |
0.50 ml, Deep Well block format |
添加剂筛选试剂盒,包含96个条件 |
Hampton |
HR2-407 |
Detergent Screen |
0.25 ml, Deep Well block format |
洗涤剂筛选试剂盒,包含96个条件 |
Hampton |
HR2-214 |
Ionic Liquid Screen |
0.5 ml, tube format |
离子液体筛选试剂盒,包含24个条件 |
Hampton |
HR2-241 |
StockOptions pH |
10 ml, tube format |
晶体生长筛选试剂盒,包含45个条件 |
Hampton |
HR2-235 |
StockOptions Sodium Citrate |
10 ml, tube format |
晶体生长筛选试剂盒,包含24个条件 |
Hampton |
HR2-239 |
StockOptions Sodium Cacodylate |
10 ml, tube format |
晶体生长筛选试剂盒,包含24个条件 |
Hampton |
HR2-243 |
StockOptions MES |
10 ml, tube format |
晶体生长筛选试剂盒,包含20个条件 |
Hampton |
HR2-103 |
StockOptions Bis-Tris Propane |
10 ml, tube format |
晶体生长筛选试剂盒,包含33个条件 |
Hampton |
HR2-102 |
StockOptions HEPES |
10 ml, tube format |
晶体生长筛选试剂盒,包含15个条件 |
Hampton |
HR2-227 |
StockOptions Polymer |
10 ml, tube format |
晶体生长筛选试剂盒,包含23个条件 |
Hampton |
HR2-245 |
StockOptions Salt |
10 ml, tube format |
晶体生长筛选试剂盒,包含49个条件 |
HR2-073 |
CryoPro |
1 ml, tube format |
晶体冷冻保护剂筛选,包含48个条件 |
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Hampton |
HR2-501 |
50% v/v Jeffamine® M-600® pH 7.0 |
200 ml |
结晶级Jeffamine M-600用于结晶条件优化 |
Hampton |
HR2-525 |
50% w/v Polyethylene glycol 1,500 |
200 mL |
结晶级PEG 1500用于结晶条件优化 |
Hampton |
HR2-527 |
50% w/v Polyethylene glycol 3,350 Monodisperse |
200 mL |
结晶级PEG 3350用于结晶条件优化 |
Hampton |
HR2-529 |
50% w/v Polyethylene glycol 4,000 |
200 mL |
结晶级PEG 4000用于结晶条件优化 |
以上试剂盒中的单组分条件可单独订购。除上述试剂盒外,西美杰还提供包括Proti-Ace™、Silica Hydrogel Kit、Heavy Atom Screens、I3C Phasing Kit等多款结晶优化筛选试剂盒及试剂,欢迎致电西美杰客服热线400-050-4006咨询订购。
Hampton Research蛋白结晶耗材工具
品牌 |
货号 |
品名 |
规格 |
简介 |
HR2-320 |
Seed Bead Kit |
24 tubes with PTFE Seed Bead |
晶种制备珠 |
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Hampton |
HR3-105 |
MASTERBLOCK® 96 Deep Well polypropylene plate |
50 plate case |
96孔深孔板 |
Hampton |
HR3-081 |
72 Well Microbatch Plate, Greiner 654102 |
untreated, hydrophobic - 270 plate case |
72孔油下结晶板 |
Hampton |
HR3-125 |
Swissci 3 Well Midi Crystallization Plate in UVP (40) |
40 plate case |
3微孔/96孔坐滴板 |
Hampton |
HR3-158 |
Cryschem Plate |
24 plate case |
24孔坐滴板 |
Hampton |
HR3-231 |
22 mm x 0.22 mm Siliconized circle cover slides |
1.0 ounce pack (~120 slides) |
圆形硅化玻璃盖玻片 |
Hampton |
HR3-233 |
22 mm x 0.22 mm Siliconized circle cover slides |
10.0 ounce case (~1,200 slides) |
圆形硅化玻璃盖玻片 |
Hampton |
HR3-609 |
Crystal Clear Sealing Film |
100 pack |
结晶板封口膜 |
Hampton |
HR4-216 |
Crystal Crusher |
5 pack |
晶体粉碎器 |
Hampton |
HR4-217 |
Crystal Probe |
12 pack |
一次性不锈钢晶体针 |
Hampton |
HR4-733 |
CrystalCap |
with Vial - 60 pack |
晶体环底座 |
Hampton |
HR4-811 |
Micro-Tools Set |
each |
晶体处理工具套装,含8个不同形状的晶体探针 |
除上述产品外,西美杰还提供各种规格结晶板、loop、微桥、密封胶,Pucks等工具耗材及整套工具箱,帮助研究人员更快更高效的开展实验。欢迎致电西美杰客服热线400-050-4006咨询订购。
西美杰作为Hampton Research在中国的官方授权代理,致力于为用户提供卓越的技术支持和周到的售后服务。西美杰始终秉持“We promise what we can do. We do what we have promised”的核心理念,为用户提供优质的服务。若您想了解更多产品信息,欢迎致电北京西美杰全国客服热线400-050-4006或登录官网www.qyyyoa.com进行查询和了解。
References and Readings
1.Der Chemismus in der tierescher Organization, Hunefeld, F 1. (1840)p.160.Leipzig University, Germany.
2.A brief h istory of protein crystal growth, MePherson, A. (1991). J. Cryst.Growth, 110,1-10.
3 über die Eiweisskorper verschiedenen Oelsamen, Ritthausen, H. (1880)Pfluegers Arch. 21,81-104.
4 The proteins of the Brazil nut, Osborne T.(1891). Am. Chem. J. 13,212-218.
5 Crystalline insulin., Abel, 」.J., Geiling, E. M. K., Roultier, O. A., Bell, F. M.&Wintersteiner, 0.(1927).]. Pharmacol. Exp. Ther. 31,65-85.
6 The Enzymes, Sumner, J.B.& Somers, G.F(1943). New York: Aca-demic Press.
7 Crystalline enzymes, Northrop, M., Kunitz, M. & Herriott, R. M. (1948)New York: Columbia University Press.
8 Present at the flood: How structural molecular biology came about,Dickerson,R.E.(2005).FASEB J.20,809-810.
9 Preparation and Analysis of Protein Crystals, McPherson, A.(1982)New York: lohn Wiley & Sons.
10.Current approaches to macromolecular crystallization. McPherson, A. (1990).Eur.Biochem.189,1-23.
11.Crystallization of Biological Macromolecules, McPherson, A.(1999)Cold Spring Harbor: Cold Spring Harbor Laboratory Press.
12Introduction to protein crystallization, McPherson, A. and Gavira, J.A.(2014) Acta Crystallographica F, Volume 70, Part 1, 2-20.
13.Some Words of Advice from an Old Hand, Alexander McPherson, pages1-9, in Protein Crystallization, Second Edition, Edited by Terese Berg-fors. International University Line, 2009.