Кристаллизация белка
![]() | В этой статье слишком много внимания уделяется конкретным примерам . ( декабрь 2013 г. ) |

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 ]В этой статье отсутствует информация об истории методов кристаллизации белков. ( декабрь 2013 г. ) |
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 ]
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 ]
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 этой статье отсутствует информация о методах микродиализа для кристаллизации белков. ( декабрь 2013 г. ) |
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 ]рН
[ 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 ]- Кристаллическая инженерия
- Рост кристаллов
- Кристаллическая оптика
- Кристаллическая система
- Процессы кристаллизации
- Кристаллографическая база данных
- Кристаллографическая группа
- Дифракция
- Электронная кристаллография
- Электронная дифракция
- Нейтронная кристаллография
- Нейтронная дифракция
- Структурная биология
- Рентгеновская дифракция
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Перейти обратно: а б Родос Г (2006). Кристаллография стала кристально чистой: Руководство для пользователей макромолекулярных моделей (Третье изд.). Академическая пресса.
- ^ Перейти обратно: а б «Хрустальный робот» . Декабрь 2000 года . Проверено 18 февраля 2003 г.
- ^ Макри Д. (1993). Практическая кристаллография белков . Сан-Диего: Академическая пресса. стр. 1–23. ISBN 978-0-12-486052-0 .
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 ]- Кадни Р. (1999). «Кристаллизация белка и немая удача» (PDF) . Журнал Ригаку . 16 (1): 1–7. Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 года.
- Оуэнс Р. «Белковые кристаллы» . Закулисная наука . Брэйди Харан .
Внешние ссылки
[ 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.