Jump to content

Кристаллизация белка

(Перенаправлено с Белкового кристалла )

Кристаллы белков, выращенные на американском космическом корабле "Шаттл" или российской космической станции "Мир" .

Кристаллизация белка — это процесс образования регулярного массива отдельных белковых молекул, стабилизированных кристаллическими контактами. Если кристалл достаточно упорядочен, он будет дифрагировать . Некоторые белки естественным образом образуют кристаллические массивы, например аквапорин в хрусталике глаза. [1] [2]

В процессе кристаллизации белков белки растворяются в водной среде и растворе пробы до достижения пересыщенного состояния . [3] Для достижения этого состояния используются различные методы, такие как диффузия паров, микропартия, микродиализ и диффузия со свободным интерфейсом. Образование кристаллов белка — сложный процесс, на который влияют многие факторы, включая pH, температуру, ионную силу кристаллизационного раствора и даже гравитацию. [3] После формирования эти кристаллы можно использовать в структурной биологии для изучения молекулярной структуры белка, особенно для различных промышленных или медицинских целей. [4] [5]

Развитие кристаллизации белков

[ редактировать ]

Уже более 150 лет учёным всего мира известно о кристаллизации белковых молекул. [6]

В 1840 году Фридрих Людвиг Хюнефельд случайно обнаружил образование кристаллического материала в образцах крови дождевых червей, хранившихся под двумя предметными стеклами, и иногда наблюдал небольшие пластинчатые кристаллы в высушенных образцах свиной или человеческой крови. Эти кристаллы были названы Феликсом Хоппе-Зейлером в 1864 году «гемоглобином». Основополагающие открытия Хюнефельда вдохновили многих ученых в будущем. [7]

В 1851 году Отто Функе описал процесс получения кристаллов человеческого гемоглобина путем разбавления эритроцитов растворителями, например чистой водой, спиртом или эфиром, с последующим медленным испарением растворителя из белкового раствора. В 1871 году Уильям Т. Прейер, профессор Йенского университета, опубликовал книгу под названием Die Blutkrystalle («Кристаллы крови»), в которой были рассмотрены особенности кристаллов гемоглобина примерно 50 видов млекопитающих, птиц, рептилий и рыб. [7]

В 1909 году физиолог Эдвард Т. Райхерт вместе с минералогом Амосом П. Брауном опубликовали трактат о получении, физиологии и геометрических характеристиках кристаллов гемоглобина нескольких сотен животных, включая вымершие виды, такие как тасманийский волк. [7] Было обнаружено увеличение количества кристаллов белка.

В 1934 году Джон Десмонд Бернал и его студентка Дороти Ходжкин обнаружили, что кристаллы белка, окруженные маточным раствором, дают лучшие дифракционные картины, чем высушенные кристаллы. Используя пепсин , они первыми различили дифракционную картину влажного глобулярного белка. До Бернала и Ходжкина кристаллография белков проводилась только в сухих условиях с противоречивыми и ненадежными результатами. Это первая рентгенограмма кристалла белка. [8]

впервые сообщил о структуре миоглобина (красного белка, содержащего гем), определенной методом рентгеновской кристаллографии В 1958 году Джон Кендрю . [9] За это открытие Кендрю разделил Нобелевскую премию по химии 1962 года с Максом Перуцем . [4]

Теперь, на основе белковых кристаллов, их структуры играют значительную роль в биохимии и трансляционной медицине.

Основы кристаллизации белков

[ редактировать ]
Кристаллы лизоцима наблюдаются через поляризационный фильтр.

Теория кристаллизации белков

[ редактировать ]

Кристаллизация белка регулируется той же физикой, которая управляет образованием неорганических кристаллов. Чтобы кристаллизация происходила самопроизвольно, кристаллическое состояние должно быть термодинамически благоприятным. Это описывается свободной энергией Гибба (∆G), определяемой как ∆G = ∆H-T∆S, которая отражает, как энергетика процесса ∆H согласуется с соответствующим изменением энтропии ∆S. [10] Энтропия, грубо говоря, описывает беспорядок системы. Высокоупорядоченные состояния, такие как кристаллы белков, термодинамически невыгодны по сравнению с более неупорядоченными состояниями, такими как растворы белков в растворителе, поскольку переход в более упорядоченное состояние уменьшит общую энтропию системы (положительное ∆S). Для самопроизвольного образования кристаллов ∆G кристаллообразования должна быть отрицательной. Другими словами, энтропийный штраф должен быть оплачен соответствующим уменьшением полной энергии системы (∆H). Знакомые неорганические кристаллы, такие как хлорид натрия, самопроизвольно образуются в условиях окружающей среды, поскольку кристаллическое состояние уменьшает общую энергию системы. Однако кристаллизация некоторых белков в условиях окружающей среды приведет как к уменьшению энтропии (положительное ∆S), так и к увеличению полной энергии (положительное ∆H) системы и, следовательно, не происходит спонтанно. Для достижения кристаллизации таких белков условия модифицируются, чтобы сделать образование кристаллов энергетически выгодным. Это часто достигается путем создания пересыщенного раствора образца. [3]

Молекулярный взгляд от раствора к кристаллу

[ редактировать ]

Формирование кристаллов состоит из двух этапов: зарождения и роста. [3] Зародышеобразование является начальным этапом кристаллизации. [3] На этапе нуклеации молекулы белка в растворе объединяются в агрегаты, образуя стабильное твердое ядро. [3] По мере формирования ядра кристалл становится все больше и больше за счет присоединения молекул к этому стабильному ядру. [3] Стадия зародышеобразования имеет решающее значение для образования кристаллов, поскольку это фазовый переход первого рода образцов, переходящих от высокой степени свободы к получению упорядоченного состояния (водного состояния в твердое). [3] Для успешного этапа зародышеобразования важно манипулировать параметрами кристаллизации. Подход к кристаллизации белка заключается в обеспечении более низкой растворимости целевого белка в растворе. [3] Как только предел растворимости превышен и присутствуют кристаллы, кристаллизация завершается. [3]

Методы кристаллизации белков

[ редактировать ]

Диффузия пара

[ редактировать ]
Три метода приготовления кристаллов. А: Висячая капля. Б: Сидячее падение. C: Микродиализ

Диффузия паров является наиболее часто используемым методом кристаллизации белков. В этом методе каплям, содержащим очищенный белок, буфер и осадитель, позволяют прийти в равновесие с резервуаром большего размера, содержащим аналогичные буферы и осадители в более высоких концентрациях. Первоначально капля белкового раствора содержит сравнительно низкие концентрации осадителя и белка, но по мере уравновешивания капли и резервуара концентрации осадителя и белка в капле увеличиваются. Если для данного белка используются соответствующие растворы для кристаллизации, рост кристаллов происходит в капле. [11] [12] Этот метод используется потому, что он позволяет плавно и постепенно изменять концентрацию белка и концентрацию осадителя, что способствует росту крупных и хорошо упорядоченных кристаллов.

Диффузия пара может осуществляться как в виде висячей капли, так и в форме сидячей капли. В аппарате с висячими каплями каплю белкового раствора помещают на перевернутое покровное стекло, которое затем подвешивают над резервуаром. В аппарате для кристаллизации сидячей капли каплю помещают на подставку, отделенную от резервуара. Оба эти метода требуют герметизации окружающей среды, чтобы могло произойти равновесие между каплей и резервуаром. [11] [13]

Микропартия

[ редактировать ]

Микропартия обычно предполагает погружение очень небольшого объема капель белка в масло (всего 1 мкл). Причина, по которой требуется масло, заключается в том, что используется такой малый объем белкового раствора, и поэтому для проведения эксперимента в водной среде необходимо препятствовать испарению. Хотя можно использовать различные масла, двумя наиболее распространенными герметиками являются парафиновые масла (описанные Чайеном и др.) и силиконовые масла (описанные Д'Арси). Существуют также другие методы микродозирования, в которых не используется жидкий герметик, а вместо этого требуется, чтобы ученый быстро поместил пленку или ленту на планшет с прорезями после помещения капли в лунку.

Помимо очень ограниченного количества необходимых образцов, этот метод также имеет еще одно преимущество, заключающееся в том, что образцы защищены от загрязнения, передающегося по воздуху, поскольку они никогда не подвергаются воздействию воздуха во время эксперимента.

Микродиализ

[ редактировать ]

В микродиализе используется полупроницаемая мембрана, через которую могут проходить небольшие молекулы и ионы, в то время как белки и крупные полимеры не могут пересекаться. Устанавливая градиент концентрации растворенных веществ на мембране и позволяя системе приближаться к равновесию, система может медленно двигаться к перенасыщению, после чего могут образовываться кристаллы белка.

Микродиализ может производить кристаллы путем высаливания с использованием высоких концентраций соли или других небольших проницаемых через мембрану соединений, которые снижают растворимость белка. В очень редких случаях некоторые белки можно кристаллизовать путем диализного высаливания, диализа против чистой воды, удаления растворенных веществ, стимулирования самоассоциации и кристаллизации.

Распространение свободного интерфейса

[ редактировать ]

Этот метод объединяет растворы белка и осадков, не смешивая их предварительно, а вместо этого впрыскивая их через обе стороны канала, обеспечивая равновесие посредством диффузии. Два раствора вступают в контакт в камере для реагентов, оба при максимальных концентрациях, инициируя спонтанное зародышеобразование. По мере того как система приходит в равновесие, уровень пересыщения снижается, что способствует росту кристаллов. [14]

Факторы, влияющие на кристаллизацию белка

[ редактировать ]

Основной движущей силой кристаллизации белка является оптимизация количества связей, которые можно образовать с другим белком посредством межмолекулярных взаимодействий. [3] Эти взаимодействия зависят от электронной плотности молекул и боковых цепей белка, которые изменяются в зависимости от pH. [10] Третичная и четвертичная структура белков определяются межмолекулярными взаимодействиями между боковыми группами аминокислот, в которых гидрофильные группы обычно обращены наружу, к раствору, образуя гидратную оболочку растворителя (воды). [10] По мере изменения pH заряд этих полярных боковых групп также меняется в зависимости от pH раствора и pKa белка. Следовательно, выбор pH важен либо для содействия образованию кристаллов, в которых связь между молекулами друг с другом более благоприятна, чем с молекулами воды. [10] pH — одна из самых мощных манипуляций, которую можно назначить для достижения оптимальных условий кристаллизации.

Температура

[ редактировать ]

Температура — еще один интересный параметр для обсуждения, поскольку растворимость белка является функцией температуры. [15] При кристаллизации белка одной из распространенных стратегий является манипулирование температурой для получения успешных кристаллов. В отличие от pH, температура различных компонентов кристаллографических экспериментов может влиять на конечные результаты, например, температура приготовления буфера, [16] температура фактического эксперимента по кристаллизации и т. д.

Химические добавки

[ редактировать ]

Химические добавки — это небольшие химические соединения, которые добавляются в процесс кристаллизации для увеличения выхода кристаллов. [17] Роль малых молекул в кристаллизации белка вначале не осознавалась должным образом, поскольку в большинстве случаев их считали загрязнителями. [17] Меньшие молекулы кристаллизуются лучше, чем макромолекулы, такие как белки, поэтому до исследования Макферсона использование химических добавок было ограничено. Однако это важный аспект экспериментальных параметров кристаллизации, который важен для дальнейшего исследования и применения биохимиками и кристаллографами. [17]

Технологии, способствующие кристаллизации белков

[ редактировать ]

Высокопроизводительный кристаллизационный скрининг [18]

[ редактировать ]

Существуют высокопроизводительные методы, которые помогают оптимизировать большое количество экспериментов, необходимых для изучения различных условий, необходимых для успешного роста кристаллов. Для заказа доступно множество коммерческих наборов, в которых предварительно собранные ингредиенты применяются в системах, гарантированно обеспечивающих успешную кристаллизацию. Используя такой набор, ученый избегает хлопот по очистке белка и определению подходящих условий кристаллизации.

, работающие с жидкостью, Роботы могут использоваться для одновременной постановки и автоматизации большого количества экспериментов по кристаллизации. То, что в противном случае было бы медленным и потенциально подверженным ошибкам процессом, выполняемым человеком, может быть выполнено эффективно и точно с помощью автоматизированной системы. В роботизированных системах кристаллизации используются те же компоненты, что описаны выше, но каждый этап процедуры выполняется быстро и с большим количеством повторов. В каждом эксперименте используются небольшие количества раствора, и преимущество меньшего размера двойное: меньшие размеры выборки не только сокращают расход очищенного белка, но и меньшие количества раствора приводят к более быстрой кристаллизации. Каждый эксперимент контролируется камерой, которая обнаруживает рост кристаллов. [12]

Белковая инженерия

[ редактировать ]

Белки можно спроектировать так, чтобы повысить вероятность успешной кристаллизации белков, используя такие методы, как снижение поверхностной энтропии. [19] или инженерия в кристаллических контактах. [20] Часто проблемные остатки цистеина можно заменить аланином, чтобы избежать дисульфид -опосредованной агрегации, а такие остатки, как лизин, глутамат и глутамин, можно заменить на аланин, чтобы уменьшить внутреннюю гибкость белка, что может препятствовать кристаллизации.

Применение кристаллографии белков

[ редактировать ]

Макромолекулярные структуры можно определить из кристаллов белка с помощью различных методов, включая дифракцию рентгеновских лучей / рентгеновскую кристаллографию , криогенную электронную микроскопию (CryoEM) (включая электронную кристаллографию и дифракцию микрокристаллических электронов (MicroED) ), малоугловую рентгеновскую рентгенографию. рассеяние и дифракция нейтронов . См. также Структурную биологию .

Кристаллизация белков также может быть полезна при приготовлении белков для фармацевтических целей. [21]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Шей К.Л., Ван З., Л. Венке Дж., Ци Ю (май 2014 г.). «Аквапорины в глазах: выражение, функции и роль при заболеваниях глаз» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Общие предметы . 1840 (5): 1513–1523. дои : 10.1016/j.bbagen.2013.10.037 . ПМЦ   4572841 . ПМИД   24184915 .
  2. ^ Гонен Т., Ченг Ю., Слиз П., Хироаки Ю., Фудзиёси Ю., Харрисон С.С., Уолц Т. (декабрь 2005 г.). «Липид-белковые взаимодействия в двухслойных двумерных кристаллах AQP0» . Природа . 438 (7068): 633–638. Бибкод : 2005Natur.438..633G . дои : 10.1038/nature04321 . ПМК   1350984 . ПМИД   16319884 .
  3. ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к Макферсон А., Гавира Дж. А. (январь 2014 г.). «Введение в кристаллизацию белков» . Акта Кристаллографика. Раздел F. Коммуникации в области структурной биологии . 70 (Часть 1): 2–20. дои : 10.1107/s2053230x13033141 . ПМЦ   3943105 . ПМИД   24419610 .
  4. ^ Перейти обратно: а б Бланделл Т.Л. (июль 2017 г.). «Кристаллография белка и открытие лекарств: воспоминания об обмене знаниями между научными кругами и промышленностью» . МСКРЖ . 4 (Часть 4): 308–321. дои : 10.1107/s2052252517009241 . ПМЦ   5571795 . ПМИД   28875019 .
  5. ^ Трипатии Д., Бардия А., Селлерс В.Р. (июль 2017 г.). «Рибоциклиб (LEE011): механизм действия и клиническое влияние этого селективного ингибитора циклин-зависимой киназы 4/6 при различных солидных опухолях» . Клинические исследования рака . 23 (13): 3251–3262. дои : 10.1158/1078-0432.ccr-16-3157 . ПМК   5727901 . ПМИД   28351928 .
  6. ^ Макферсон А (март 1991 г.). «Краткая история роста кристаллов белка». Журнал роста кристаллов . 110 (1–2): 1–10. Бибкод : 1991JCrGr.110....1M . дои : 10.1016/0022-0248(91)90859-4 . ISSN   0022-0248 .
  7. ^ Перейти обратно: а б с Жье Р. (декабрь 2013 г.). «Исторический взгляд на кристаллизацию белка с 1840 года до наших дней» . Журнал ФЭБС . 280 (24): 6456–6497. дои : 10.1111/февраль 12580 . ПМИД   24165393 .
  8. ^ Тулинский А (1996). «Глава 35. Проект структуры белка, 1950–1959: первая согласованная попытка определения структуры белка в США». Годовые отчеты по медицинской химии . 31 . Эльзевир: 357–366. дои : 10.1016/s0065-7743(08)60474-1 . ISBN  9780120405312 .
  9. ^ Кендрю Дж.К., Бодо Дж., Динцис Х.М., Пэрриш Р.Г., Вайкофф Х., Филлипс, округ Колумбия (март 1958 г.). «Трехмерная модель молекулы миоглобина, полученная методом рентгеноструктурного анализа». Природа . 181 (4610): 662–666. Бибкод : 1958Natur.181..662K . дои : 10.1038/181662a0 . ПМИД   13517261 . S2CID   4162786 .
  10. ^ Перейти обратно: а б с д Бойл Дж. (январь 2005 г.). «Ленингерские принципы биохимии (4-е изд.): Нельсон Д. и Кокс М.». Образование в области биохимии и молекулярной биологии . 33 (1): 74–75. дои : 10.1002/bmb.2005.494033010419 . ISSN   1470-8175 .
  11. ^ Перейти обратно: а б Родос Г (2006). Кристаллография стала кристально чистой: Руководство для пользователей макромолекулярных моделей (Третье изд.). Академическая пресса.
  12. ^ Перейти обратно: а б «Хрустальный робот» . Декабрь 2000 года . Проверено 18 февраля 2003 г.
  13. ^ Макри Д. (1993). Практическая кристаллография белков . Сан-Диего: Академическая пресса. стр. 1–23. ISBN  978-0-12-486052-0 .
  14. ^ Рупп Б. (20 октября 2009 г.). Биомолекулярная кристаллография: принципы, практика и применение к структурной биологии . Гирляндная наука. п. 800. ISBN  9781134064199 . Проверено 28 декабря 2016 г.
  15. ^ Пелегрин Д.Х., Гаспаретто, Калифорния (февраль 2005 г.). «Растворимость сывороточных белков в зависимости от температуры и pH». LWT – Пищевая наука и технология . 38 (1): 77–80. дои : 10.1016/j.lwt.2004.03.013 . ISSN   0023-6438 .
  16. ^ Чен Р.К., Лу Ц.К., Ченг К.Д., Ао Л.Б., Чжан С.И., Хоу Х. и др. (январь 2015 г.). «Игнорируемая переменная: температура приготовления раствора при кристаллизации белка» . Научные отчеты . 5 (1): 7797. Бибкод : 2015NatSR...5E7797C . дои : 10.1038/srep07797 . ПМК   4297974 . ПМИД   25597864 .
  17. ^ Перейти обратно: а б с Макферсон А., Кадни Б. (декабрь 2006 г.). «В поисках серебряной пули: альтернативная стратегия кристаллизации макромолекул» . Журнал структурной биологии . 156 (3): 387–406. дои : 10.1016/j.jsb.2006.09.006 . ПМИД   17101277 . S2CID   10944540 .
  18. ^ Линь Ю (август 2018 г.). «Что произошло за последние пять лет с высокопроизводительным скринингом кристаллизации белков?» . Мнение экспертов об открытии лекарств . 13 (8): 691–695. дои : 10.1080/17460441.2018.1465924 . ПМИД   29676184 .
  19. ^ Купер Д.Р., Бочек Т., Грелевска К., Пинковска М., Сикорска М., Завадски М., Деревенда З. (май 2007 г.). «Кристаллизация белка за счет уменьшения поверхностной энтропии: оптимизация стратегии SER». Акта Кристаллографика. Раздел D. Биологическая кристаллография . 63 (Часть 5): 636–645. дои : 10.1107/S0907444907010931 . ПМИД   17452789 .
  20. ^ Гонен С., ДиМайо Ф., Гонен Т., Бейкер Д. (июнь 2015 г.). «Дизайн упорядоченных двумерных массивов, опосредованный нековалентными межбелковыми интерфейсами» . Наука . 348 (6241): 1365–1368. Бибкод : 2015Sci...348.1365G . дои : 10.1126/science.aaa9897 . ПМИД   26089516 .
  21. ^ Джен А., Меркл Х.П. (ноябрь 2001 г.). «Необработанные алмазы: кристаллы белка с точки зрения рецептуры». Фармацевтические исследования . 18 (11): 1483–8. дои : 10.1023/а:1013057825942 . ПМИД   11758753 . S2CID   21801946 .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
[ редактировать ]
  • Эта страница была воспроизведена (с изменениями) с согласия доктора А. Малкольма Кэмпбелла. По состоянию на 2010 год исходную страницу можно найти по адресу Кэмпбелл AM (2003). «Кристаллизация белка» . Дэвидсон, Северная Каролина: Факультет биологии Дэвидсон-колледжа.
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 112982191c586ec7567a08eb1f27b500__1718506200
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/11/00/112982191c586ec7567a08eb1f27b500.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Protein crystallization - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)