蛋白质晶体生长方法综述.doc

蛋白质晶体生长方法综述 2010年8月 第22卷第4期 石家庄职业技术学院 JournalofShijiazhuangVocationalTechnologyInstitute Aug.2010 VO1.22NO.4 文章编号2010)04—0012.04 蛋白质晶体生长方法综述 孙百虎,尚平 (石家庄职业技术学院化学工程系,河北石家庄050081) 摘要:蛋白质晶体的生长过程是蛋白质分子与周围环境相互作用的结果.蛋白质晶体的生长分为成核,生长 和停止三个阶段.对蛋白质的结晶条件进行筛选,种晶可获得晶核.通过改变蛋白质本身来获得单晶的方法有:截 短,修饰,共晶和寻找同源蛋白质.蛋白质的结晶条件仍有待于进一步深入研究. 关键词:蛋白质;晶体;生长方法 中图分类号:G353.11;0743.52文献标识码:A 蛋白质晶体学是结构生物学的一个重要分支, 它在蛋白质结构测定中占有极其重要的地位.PDB (ProteinDataBank)中绝大部分的结构坐标都来源 于蛋白质晶体学.首先获得蛋白质晶体,然后用x 射线照射晶体,得到衍射花样,再利用重原子法,分 子置换法等求得相位,最后通过一系列计算求得蛋 白质分子的原子坐标.在此过程中,晶体的获得和相 位的求取是两个关键步骤.随着计算机技术的快速 发展,光源质量的提高及晶体结构解析技术的进步, 相位问题的解决已相对容易,制约蛋白质晶体学发 展的主要瓶颈是如何获得蛋白质晶体.尽管人们已 进行了大量的研究,开发出了汽相扩散法,微量透析 法,微量静置法等结晶手段,总结出了筛选条件试剂 盒,研制出了晶体自动筛选机,但蛋白质晶体的获得 实际上仍然处于摸索阶段. 1蛋白质晶体生长机理 蛋白质晶体的生长其实是一个相变过程.在这 个过程中,蛋白质分子在溶液中从随机状态逐步变 为有序排列的周期性固体.它的生长可分为3个 阶段: (1)成核 指在蛋白质溶液中,蛋白质分子之问自发聚集 形成的一定大小的有序排列的聚集体的过程.这个 过程要求蛋白质溶液的浓度高于一个临界值,以克 服自由有序排列的自由能障碍.有序聚集体达到一 定尺寸,就形成晶核,否则就会解离. (2)生长 蛋白质分子不断结合到晶核上,同时也从晶核 上解离,如果结合速率高于解离速率,晶体尺寸就不 断增大. (3)停止 当晶体生长到一定程度,由于蛋白质溶液浓度 的降低,使得以此为驱动力的蛋白质分子的结合速 率与解离速率相等,晶体的生长在宏观上就表现为 停止. 从上述过程可以看出,要得到蛋白质晶体,必须 使蛋白质溶液过饱和以形成晶核.为此,人们设计了 汽相扩散法(包括悬滴法和坐滴法),微量透析法,微 量批处理法等方法,通过逐渐提高蛋白质溶液的浓 度来促进晶核的形成.同时,人们还需要筛选合适的 缓冲液,沉淀剂和盐等使蛋白质保持活性,并使蛋白 质在这些条件下能长出适合于X射线照射需要的 单晶. 1.1蛋白质结晶条件的筛选 蛋白质结晶条件的筛选主要有系统法和试剂盒 法.系统法主要是根据蛋白质的性质和研究者自身 的经验,逐步改变结晶条件,以获得适宜蛋白质晶体 生长的条件,这种方法可以较为系统地摸索沉淀剂, pH值,盐浓度等对晶体生长的影响,但是沉淀剂和 盐的种类非常多,逐步筛选的工作量非常大.晶体自 动筛选机器人的出现缓解了这一矛盾,但完全系统 的筛选仍然是不可能的,这种方式也不能完全解决 收稿日期:2010.03.08 作者简介:孙百虎(1980一),陕西渭南人,石家庄职业技术学院讲师,天津大学在读研究生,现从事生物制药及相关教学与研究工作 第4期孙百虎等:蛋白质晶体生长方法综述13 晶体的获得问题. 试剂盒法的核心思想是蛋白质晶体生长的条件 具有一定的相似性,某些条件对多种蛋白质的晶体 生长都适用.根据这种思想,从已得到晶体的条件中 选择一些最优的条件组成一个试剂盒,用这个试剂 盒就可进行新的蛋白质结晶实验,如Hampton公司 的CrystalScreen[1_2J和CrystalScreenII试剂盒,极 大地促进了蛋白质晶体的生长,实践证明,它们非常 成功.但这种方法的条件覆盖不够全面,仍不具备一 些蛋白质晶体生长的条件,也不能系统地评估各类 沉淀剂对晶体生长的影响.当我们通过初步筛选得 到蛋白质结晶的一些条件时,可以通过细化进行晶 体优化,进而得到可用于衍射的单晶. 1.2种晶 种晶法是改变蛋白质溶液环境的一种方法,其 思想核心是为蛋白质人为提供晶核.晶核的形成是 蛋白质晶体生长的关键点,但在通常情况下,晶核形 成需要蛋白质的过饱和程度达到一定水平,而且即 使浓度达到要求,也不一定能形成合适的晶核,而没 有晶核,蛋白质就不能结晶.一旦晶核形成,蛋白质 晶体就可以在较低的浓度下生长.因此,如果直接加 入晶核,就可以避开成核这一步骤,