蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的測定方法

1、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的測定方法研究蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)從確定組成蛋白質(zhì)的單元結(jié)構(gòu)氨基酸算起，已有150年的悠久歷史，直到1955年，Sanger首次闡明胰島素的氨基酸排列順序，為研究蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)開辟了道路, 這在分子生物學(xué)的發(fā)展進(jìn)程中是一個(gè)重要突破。目前關(guān)于核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)研究，由于Sanger等發(fā)明了加減法，可以得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。對(duì)此之下，關(guān)于蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展不如核酸迅速。但隨著Edman液相自動(dòng)順序分析儀和固相順序分析儀以及氣相色譜、質(zhì)譜等方法的相繼出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)分析的速度也顯著加快，至今已完成近千種蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)分析。目前不僅樣品用量減少，而且工作人員也大大減少。當(dāng)年Sanger分析胰

2、島素用了整整十年的時(shí)間，今天運(yùn)用自動(dòng)化儀器，分析一個(gè)分子量在10萬左右的蛋白質(zhì)只需要幾天，可見新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展對(duì)科學(xué)發(fā)展起的促進(jìn)作用，蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)測定方法的綜述及專著文獻(xiàn)較多，這里只扼要加以概述。 蛋白質(zhì)分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)測定，概括起來包含多肽鏈的分離、降解、肽段的分離和順序分析以及SS定位等。 1.多肽鏈的分離 在測定一個(gè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)以前，首先必須保證被測蛋白質(zhì)的純度，使結(jié)果準(zhǔn)確可靠。其次要了解它的分子量和亞基數(shù)，按照其亞基數(shù)將蛋白質(zhì)分成幾個(gè)多肽鏈。 1)肽鏈的拆開 蛋白質(zhì)分子多肽鏈的連接有共價(jià)結(jié)合和非共價(jià)結(jié)合兩種。要拆開以共價(jià)結(jié)合的-S-S-連接的多肽鏈，必須采用的化學(xué)處理方法常有： 過甲

3、酸氧化 用氧化劑過甲酸斷裂-S-S-。這個(gè)反應(yīng)一般在0下進(jìn)行2小時(shí)左右，兩個(gè)S就全部能轉(zhuǎn)變成磺酸基，這樣被氧化的半胱氨酸稱為磺基丙氨酸。 如果蛋白質(zhì)分子中同時(shí)存在半胱胺酸，那么也會(huì)被氧化成磺基丙氨酸。此外甲硫氨酸和色氨酸也可被氧化，從而增加分析的復(fù)雜性。 巰基乙醇還原 利用還原劑巰基乙醇亦可使蛋白質(zhì)的-S-S-斷裂。當(dāng)高濃度的巰基乙醇在pH8?條件下室溫保溫幾小時(shí)后，可以使-S-S-定量還原為桽H。與此同時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)中還需要有8摩爾脲或6摩爾鹽酸胍使蛋白質(zhì)變性，多肽鏈松散成為無規(guī)則的構(gòu)型，此時(shí)還原劑就可作用于-S-S-。此反應(yīng)是可逆的，因此要使反應(yīng)完全，疏基乙醇的濃度必需在0.1-0.5摩爾。

4、Cleland試劑的還原作用 Clelands指出二硫赤蘇糖醇(dithioerythriotol)及二硫蘇糖醇(dithiothriotol)在氧化還原能力上是比較強(qiáng)的試劑，只要0.01摩爾就能使蛋白質(zhì)的-S-S-還原，反應(yīng)基本與疏基乙醇相似，且在許多球蛋白反應(yīng)中，可以不用變性劑。 Cleland試劑首先與蛋白質(zhì)-S-S-形成中間物，反應(yīng)終了，還原劑被氧化形成一個(gè)穩(wěn)定的六環(huán)化合物，蛋白質(zhì)則被還原。 還原蛋白不穩(wěn)定，SH基極易氧化重新生成-S-S-鍵。穩(wěn)定SH基的方法有： (A)烷基化試劑使SH基轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的硫醚衍生物。 如果碘代乙酰胺代替碘代乙酸，其產(chǎn)物S羧氨甲基衍生物不帶電荷，磺代乙酸也可

5、與組氨酸、蛋氨酸和賴氨酸發(fā)生反應(yīng)，但反應(yīng)條件不同，可通過各種pH及反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行控制。 (B)氨乙基化 蛋白質(zhì)分子的幾條肽鏈若以非共價(jià)健結(jié)合，則用尿素、鹽酸胍等變性劑即可拆開。蛋白質(zhì)的多肽鏈被拆開后，將它分離純化，一般多用凝膠過濾、離子交換、電泳等方法，茲不贅述。 分離純化后的每條肽鏈還要進(jìn)一步分析其末端。 2)末端分析其方法較多，這里我們只介紹較常用的幾種。 (1)N-末端測定 A.二硝基氟苯法(FDNB，DNFB)：1945年Sanger提出此方法，是他的重要貢獻(xiàn)之一。 DNP-氨基酸用有機(jī)溶劑抽提后，通過層析位置可鑒定它是何種氨基酸。Sanger用此方法測定了胰島素的N末端分別為甘氨酸及苯

6、丙氨酸。 B.氰酸鹽法：1963年Stank及Smyth介紹了一種測定N末端的新方法。 由于乙內(nèi)酰脲氨基酸不帶電荷，因此可用離子交換層析法將它與游離氨基酸分開，分離所得的乙內(nèi)酰脲氨基酸再被鹽酸水解，重新生成游離的氨基酸，鑒別此氨基酸即可了解N-末端是何種氨基酸。 C.二甲基氨基萘磺酰氯法：1956年Hartley等報(bào)告了一種測定N-末端的靈敏方法，采用1-二甲基氨基萘-5-磺酰氯，簡稱丹磺酰氯。它與游離氨基末端作用，方法類似于Sanger的DNFB法，產(chǎn)物是磺酰胺衍生物。 丹磺酰鏈酸具有強(qiáng)烈的黃色熒光。此法優(yōu)點(diǎn)為靈敏性較高(比FDNB法提高100倍，樣品量小于1毫微克分子)及丹磺酰氨基酸穩(wěn)定性

7、較高(對(duì)酸水解穩(wěn)定性較DNP氨基酸高)，可用紙電泳或聚酰胺薄膜層析鑒定。 (2)C-末端分析 A.肼解法：這是測定C-末端最常用的方法。將多肽溶于無水肼中，100下進(jìn)行反應(yīng)，結(jié)果羧基末端氨基酸以游離氨基酸狀釋放，而其余肽鏈部分與肼生成氨基酸肼。 這樣羧基末端氨基酸可以采用抽提或離子交換層析的方法將其分出而進(jìn)行分析。如果羧基末端氨基酸側(cè)鏈?zhǔn)菐в絮０啡缣於０泛凸劝滨０?，則肼解時(shí)不能產(chǎn)生游離的羧基末端氨基酸。此外肼解時(shí)注意避免任何少量的水解，以免釋出的氨基酸混淆末端分析。 B.羧肽酶水解法：羧肽酶可以專一性地水解羧基末端氨基酸。根據(jù)酶解的專一性不同，可區(qū)分為羧肽酶A、B和C。應(yīng)用羧肽酶測定末端時(shí)，

8、需要事先進(jìn)行酶的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，以便選擇合適的酶濃度及反應(yīng)時(shí)間，使釋放出的氨基酸主要是C末端氨基酸。 3)氨基酸組成分析 在進(jìn)一步分析多肽鏈的氨基酸順序之前，首先應(yīng)了解它是由那幾種氨基酸組成的，每種氨基酸有多少?分析組成的方法有： 層析法 將多肽鏈完全酸水解成游離氨基酸，然后進(jìn)行Dansyl標(biāo)記，聚酰胺薄膜層析，此方法在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析中是一種超微量的分析術(shù)，但此方法用于定量分析尚不夠準(zhǔn)確。 離子交換層析法 Spaekman等發(fā)展了一種精確的氨基酸組分的定量方法。他們采用磺酸型的離子交換樹脂，這是一種高分子量的固體聚苯乙烯，帶有大量的功能基團(tuán)，磺酸基在低pH和低離子強(qiáng)度條件下，根據(jù)氨基酸的酸堿性，氨

9、基酸帶正電，于是替換下樹脂上的Na+，借助靜電作用而結(jié)合到磺酸基上。 由于各種氨基酸在樹脂上的親和力不同，因此當(dāng)改變?nèi)芤簆H和離子強(qiáng)度，便可依次將它們洗脫下來而分開，并進(jìn)行定量測定。在此基礎(chǔ)上發(fā)展了氨基酸自動(dòng)分析儀。隨著科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)展，氨基酸自動(dòng)分析儀在樣品的用量，分離速度及檢測能力上也有了很大的提高。目前最好的儀器樣品分析量只要幾十Picomole,分析時(shí)間只要數(shù)十分鐘，而且計(jì)算全部自動(dòng)化，給研究蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)帶來了極大的方便。 2.多肽鏈的降解 多肽鏈的氨基酸組成往往是比較復(fù)雜，因此直接分析多肽的氨基酸順序還是很困難的，多采用將多肽鏈進(jìn)一步降解成為更小的片段，然后再行分析。肽鍵的裂解是

10、一級(jí)結(jié)構(gòu)研究工作中的重要問題，它要求裂解點(diǎn)少，選擇性強(qiáng)，而且反應(yīng)產(chǎn)率高，目前主要有化學(xué)法和酶解法兩類。 1)化學(xué)法 (1)溴化氰法是最理想的化學(xué)方法，能選擇性斷裂甲硫氨酸所在的肽鍵 溴化氫化學(xué)降解法其優(yōu)點(diǎn)： 一般蛋白質(zhì)含甲硫氨酸較少，由此可獲得大片段 專一性強(qiáng) 產(chǎn)率高達(dá)80%以上 作用條件溫和，在室溫中用幾到十幾小時(shí)即可。 (2)部分酸水解法 Sanger在分析胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)中采用了此法，即用0.1N鹽酸在110或用6N鹽酸在37水解。這種部分酸水解的方法特異性不強(qiáng)，因此對(duì)大片段的蛋白質(zhì)和肽均不合適。 (3)羥胺法 這種方法近十年來開始受人注意，羥胺能專一性地裂解AsnGly的肽鍵，酸性條件

11、下裂解Asn-Pro肽鍵。已用于某些蛋白質(zhì)的分析。 (4)N-溴代琥珀酰亞胺法 主要裂解Try處的肽鍵，五十年代研究較多。但由于它也能斷裂TyrHis肽鍵，因此應(yīng)用不廣。 2)酶解法 酶水解法較化學(xué)法具有更多的優(yōu)越性，使用也更廣泛。因其具有較高專一性，而且水解產(chǎn)率較高，所以可以選擇各種不同專一性的酶進(jìn)行專一性的斷裂。 常用的酶有胰蛋白酶、糜蛋白酶、胃蛋白酶和嗜熱菌蛋白酶。 胰蛋白酶專一斷裂Lys,Arg的羧基側(cè)肽鍵，如果對(duì)Lys,Arg,CysH進(jìn)行化學(xué)修飾可改變胰蛋白酶的斷裂性質(zhì)。 (1)賴氨酸的修飾。將Lys用順丁烯二酸酐或甲基順丁烯二酸桿修飾，則胰蛋白酶僅使Arg肽鍵斷裂。 順丁烯衍生物

12、在中性pH下穩(wěn)定，胰蛋白酶水解僅使Arg鍵斷裂。在酸性條件下順丁烯衍生物可脫去封閉，此時(shí)再行胰蛋白酶水解，則得賴氨酸為末端的多肽。下述為蛋白質(zhì)中的賴氨酸，經(jīng)順丁烯?；饔煤螅灰鹊鞍酌杆獾睦?。 (2)精氨酸的修飾。精氨酸與1，2-和1，3-二羰化合物作用，縮合產(chǎn)物是一雜環(huán)化合物，十分穩(wěn)定。然后胰酶水解僅斷裂賴氨酸殘基末端的肽鍵 (3)半胱氨酸的修飾。若肽鏈內(nèi)Lys、Arg均較少，則為了增加胰酶的裂解點(diǎn)，可以將半胱氨酸進(jìn)行氨乙基化，其產(chǎn)物S氨乙基半胱氨酸有類似Lys的結(jié)構(gòu)，胰蛋白酶在水解時(shí)，不能識(shí)別這微細(xì)的變化，從而在半胱氨酸處斷裂。 蛋白水解酶的專一性 酶 米源 主要作用點(diǎn) 其它作用點(diǎn) 胰

13、蛋白酶 胰 Arg，Lys 糜蛋白酶 胰 Tyr，Phe，Trp Leu，Met，His，Asu，Gln 彈性蛋白酶 胰 Leu，Ile，Ala 其它等 胃蛋白酶 胃粘膜 Tyr，Phe，Trp，Met，Len Ala，Glu，Asp，其它等 木瓜蛋白酶 Papayplant木瓜植物 Arg，Lys，Gly 其它等 嗜熱菌蛋白酶 嗜熱解蛋白芽孢桿菌 Leu，Ile，Phe Val，Tyr 枯草桿菌蛋白酶 枯草桿菌 芳香族及脂肪族殘基 肽鏈的裂解和重組大致有三種情況：一種是非特異性裂解，如酸水解。由于裂解的片段較小，造成分離的困難。因此這種非特異性裂解對(duì)大分子肽鏈?zhǔn)遣贿m用的。第二種是特異性裂解，

14、采用兩種以上的專一裂解，然后進(jìn)行組合，這種方法一般也適用于分子量小于5萬的蛋白質(zhì)。第三種是逐步的專一裂解，首先將某種氨基酸進(jìn)行化學(xué)修飾，使水解酶專一斷裂某一種氨基酸，分成若干片段，然后解除化學(xué)封閉，再用此酶裂解，使曾被封閉過的氨基酸斷裂。目前傾向于采用這種裂解方式。 3.肽段的分離 大部分肽段的分離主要通過凝膠過濾法，由于大分子肽溶解度小。往往采用甲酸、醋酸、丙酸等有機(jī)溶劑使之溶解。單用凝膠過濾法分離之肽一般純度不高，常需輔以離子交換層析法，大片段肽可用離子交換葡聚糖作載體，小肽則多用Dowex-50等樹脂。 小肽分離還常采用高壓電泳與層析相結(jié)合的指紋圖譜法，得到純凈肽。 4.肽的順序分析 在

15、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的測定中，肽的順序分析是比較重要的一步。肽的順序分析也有化學(xué)法和酶解法兩種。 1)化學(xué)法Edman降解法 這是目前用于順序分析的最主要的方法。它的原理是從N端開始，逐步降解。將肽先與異硫氰酸苯酯(PTH試劑)在pH8-9條件下作用，肽的NH2末端接到異硫氰酸苯酯的C原子上生成苯異硫甲氨酰肽，簡稱PTC肽，在強(qiáng)酸作用下，可使靠近PTC基的氨基酸環(huán)化，肽鍵斷裂形成苯氨基噻唑啉酮衍生物和一個(gè)失去末端氨基酸的肽鏈。此肽不被破壞，因而又可出現(xiàn)一個(gè)新的N末端。重復(fù)以上的步驟，繼續(xù)與PTH試劑作用，繼續(xù)分析，苯氨基噻唑啉酮衍生物很容易由有機(jī)溶劑抽提出來進(jìn)行鑒定。但此衍生物很不穩(wěn)定，在水中可轉(zhuǎn)化

16、為穩(wěn)定的乙內(nèi)酰苯硫脲氨基酸(PTH氨基酸)。這些步驟通常稱為Edman氏逐步降解法。所以可用來測定氨基酸的排列順序。Edman降解法的優(yōu)點(diǎn)是樣品用量少，靈敏度高。 PTH氨基酸的鑒定可以用各種層析方法，如紙層析、薄層層析、氣相層析和質(zhì)譜法等，現(xiàn)在多用高壓液相層析法。雖然此方法具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是由于操作繁瑣，工作量大，所以目前有人根據(jù)Edman降解的原理作一系列改進(jìn)。 下面簡單介紹幾種方法 A.1967年Edman及Begg介紹了一種Edman降解的液相自動(dòng)分析裝置，使順序分析開始走向自動(dòng)化。將樣品先在反應(yīng)杯內(nèi)旋轉(zhuǎn)成薄膜，使之固定。然后與PITC試劑反應(yīng)。再用有機(jī)溶劑多次抽提除去過剩試劑，因而樣

17、品易丟失，且儀器昂貴，使用受到限制。 B.1970年Laursen改進(jìn)為固相氨基酸順序儀。此法樣品用量少，檢出靈敏，可分析20?0肽，其原理是將肽共價(jià)結(jié)合到惰性支持物上，固定后裝柱再行Edman降解。 此法成功的關(guān)鍵是肽段的固定，目前采用C端羧基固定法，重復(fù)法高，其中以高絲氨酸內(nèi)酯法及雙異硫氰酯法(DITC)最好，固定率可達(dá)90-95%。 C.另外也有從化學(xué)反應(yīng)的角度考慮，試圖改進(jìn)Edman方法。1976年有人將異硫氰酸苯酯的苯基改變?yōu)榧装迸嫉?，試劑為甲氨偶氨苯異硫氰酸鹽(簡稱DABITC)。這是一種有色試劑，產(chǎn)物DABIH氨基酸呈桔黃色，因此鑒定時(shí)無需染色，用肉眼即可分辨。此方法靈敏度很高

18、，一次分析小肽段只要幾個(gè)nanomole樣品即可，是目前一種很可取的方法。此外也有人將異硫氰酸酯進(jìn)行35S標(biāo)記，使分析樣品更向微量化方向發(fā)展。 2)酶解法肽譜重迭法 分析肽段也可采用酶解法，利用專一性不同的兩種酶將一個(gè)肽分別斷裂成更小的寡肽，比較兩種方法所得之肽段的重復(fù)性，進(jìn)行氨基酸順序的裝配。例如，有一個(gè)肽段，通過氨基酸組成分析已知其為十肽，假如先以糜蛋白酶水解，則得到一套寡肽，再以胰蛋白酶水解此十肽，得到另一套寡肽。分析結(jié)果如下： AlaPhe+GlyLysAsnTyr+ArgTrp+HisVal 糜蛋白酶水解 +肽(AlaPheGlyLysAsnTyrArgTrpHisVal) 胰蛋白酶

19、水解 AlaPheGlyLys+AsaTyrArg+TrpHisVal 將此兩套寡肽可以做分析比較，因?yàn)槭牡腘末端及C末端已事先測定分別為Ala及Val，因此第一段寡肽必然是Ala,Phe。如此類推如下 寡肽號(hào) 氨基酸組成部分順序 A-1 AlaPha B-1 AlaPheGlyLys A-2 GlyLysAsnTyr B-2 AsnTyrArg A-3 ArgTrp B-3 TrpHisVal A-4 HisVal +肽順序 AlaPheGlyLysAsnTyrArgTrpHisVal 水解酶也可運(yùn)用二肽酶，兩組可用同一種酶水解如第一套肽是A桞，C桪，E桭，G桯第二套肽水解則先將該肽段N端切去一個(gè)末位氨基酸，然后再開始二肽酶斷裂，結(jié)果是A，B桟，D桬，F(xiàn)桮這樣分析比較也可排列出肽段順序。 5.二硫鍵定位 蛋白質(zhì)分子不經(jīng)任何處理，直接用酶水解，檢出其中二硫鍵的肽段，然后將二硫鍵拆開，分別測定兩個(gè)肽的順序，將此兩肽結(jié)構(gòu)與測出的一級(jí)結(jié)構(gòu)比較，就能找出相應(yīng)的二硫鍵