蛋白质和多肽的氨基酸序列分析PPT课件.ppt

第十章蛋白质和多肽的氨基酸序列分析 1 引言 氨基酸是一种小分子的两性化合物 分子量在75 200Da之间 其化学通式为 在生物体内出现的氨基酸都是L型 仅在少数微生物来源的多肽中出现D型氨基酸 2 蛋白质和多肽是由20种氨基酸按照一定的顺序通过肽键连接成一长链 然后通过链内 链间的离子键 疏水作用等多种作用力进行折叠卷曲形成一定的构象并发挥其独特作用 氨基酸的排列顺序即蛋白质的一级结构决定了蛋白质的高级结构及功能 因此 分析蛋白质的氨基酸序列是进行蛋白质结构功能研究中不可缺少的部分 引言 3 蛋白质测序的研究历史 采用部分水解的方法试图测定蛋白质的氨基酸序列 Consden等利用色谱技术成功测定了短杆菌肽S6的氨基酸序列 Sanger首次测定了牛胰岛素的一级结构 由51个氨基酸残基组成 Spackman Stein Moore制造了自动化的氨基酸分析仪 使氨基酸定量分析进入了一个崭新的阶段 Edman推出第一台自动测序仪 4 引言 牛胰岛素的一级结构 5 引言 6 一级结构测定的基本流程1 拆分蛋白质分子的多肽链 2 鉴定多肽链的N 末端和C 末端残基 3 用两种或几种不同的断裂方法将多肽链裂解成较小的片段 4 对各肽段的氨基酸序列进行测序 5 重建完整多肽链的一级结构 6 确定半胱氨酸残基间形成的二硫键的位置 7 酰胺基位置的确定 引言 7 测定蛋白质的一级结构前的准备工作1 样品纯度必须 97 以上 聚丙烯酰胺凝胶电泳要求一条带2 测定蛋白质的相对分子质量 SDS PAGE 凝胶过滤法 沉降系数法3 测定蛋白质多肽链种类和数目 种类 SDS PAGE数目 N末端氨基酸残基摩尔数 蛋白质摩尔数4 测定蛋白质的氨基酸组成 并根据分子量计算每种氨基酸的个数 引言 8 第一节氨基酸组成分析 章节 第二节蛋白质的末端测定 第三节亚基拆离 肽链降解和肽段的分离 第四节肽段的氨基酸顺序测定 第五节蛋白质一级结构的重建 9 第一节氨基酸组成分析 10 第一节氨基酸组成分析 11 氨基酸组成分析的目的 现代分离提纯技术的发展使蛋白质操作微量化 但也给定量带来了困难 一般很难通过常规的称量或测蛋白溶液在280nm的光吸收值来准确定量蛋白质 所以如果在蛋白质酶解或测序前 取蛋白质样品的一部分进行氨基酸组成分析 根据结果便可以推算出蛋白量的可靠值 12 另外 在蛋白质测序中有时遇到测不出结果的情况 一种可能是蛋白质的N端封闭 另一种可能则是样品本身不是蛋白质或绝大部分是非蛋白质物质 解决这个问题的很好途径便是做一个氨基酸组成分析以确定样品的成分 除了蛋白质研究和重组蛋白需要测定氨基酸组成外 医学上也需要测定血液或各种体液中的游离氨基酸 13 1 水解在一定温度 酸度等条件下 蛋白质或多肽的肽键断裂 水解成游离氨基酸 3 色谱利用高效液相色谱对这些氨基酸进行定性和定量色谱分析 2 衍生在游离氨基酸残基上衍生一个生色基团 目前蛋白质或多肽的氨基酸组成分析主要包括3个步骤 即 最终获得蛋白质或多肽中各氨基酸所占摩尔百分数或摩尔比 氨基酸组成分析的步骤 14 一 蛋白质或多肽的水解方法水解是蛋白质氨基酸组成分析的第一步 作用是破坏蛋白质的肽键 得到游离的氨基酸 用于之后的定性定量分析 这是极其重要的一步 因为水解质量的好坏将直接影响到最终分析结果的正确与否 15 虽然多肽的氨基酸组成分析已向更灵敏 更精确 更快速以及自动化方向发展和改进 但还没有一种单独适用于所有残基的 并且能在水解液中定量回收的水解方法出现 很多因素如温度 时间 水解试剂 添加剂 水解方法等对水解的完全程度均有影响 下面主要对一些常用的水解方法作简要介绍 16 1 酸性水解酸性水解是采用较多的一种水解方法 其中HCl是最通用的水解剂 条件 6mol LHCI 真空 110 水解时间为20 24h 即可用于液相水解模式也可用于气相水解模式 损失 在该条件下 得到的氨基酸不消旋 但天冬酰胺和谷氨酰胺分别被完全水解为天冬氨酸和谷氨酸 色氨酸则被完全破坏 半胱氨酸不能从样品中直接测定 酪氨酸部分被水解液中痕量杂质所破坏 丝氨酸和苏氨酸被部分水解 损失分别为10 和5 17 相关措施 对某些氨基酸的破坏率 需要用不同水解时间测定这些氨基酸的含量 然后外推到水解时间为0时 算得的氨基酸含量 即代表了真正数值 有些脂肪族氨基酸残基间的肽键 如Ile Ile Val Val Ile Val等之间的肽键难于裂解 可以通过延长水解时间如水解92h甚至120h来解决 但是长时间的水解 会使较敏感的氨基酸残基的损失更大 半胱氨酸和甲硫氨酸往往先将蛋白质用过甲酸氧化后再水解 相应得到磺基丙氨酸和甲硫氨酸 18 2 碱性水解碱性水解一般选用NaOH和KOH作为水解剂 例如将水解样品加入5mol LNaOH中 充氮气后填充管 110 水解22h 该水解方法是HCl水解的互补法 因为碱水解时 多数氨基酸如丝氨酸 苏氨酸 精氨酸以及半胱氨酸遭到破坏 其它的氨基酸外消旋化 仅色氨酸是稳定的 所以此法仅限于测定色氨酸的含量 19 3 酶水解用一组蛋白酶水解肽链 特别适用于对化学水解敏感的氨基酸如天冬酰胺和谷氨酰胺的测定 优点是水解过程中氨基酸不发生消旋化 几乎可以保持所有的组成氨基酸不被破坏 因为酶水解条件温和 对天冬酰胺 谷氨酰胺等皆无破坏作用 缺点是反应需要较长的时间 水解的产物为较小的肽段 水解不完全 另外 因为酶本身也是蛋白质 对样品的测定结果可能会有干扰 20 常见蛋白水解酶及其作用位点 21 4 微波辐射能水解微波是一种高频电磁波 其能量传递是通过分子的极化 而水分子的极化作用是非常高的 微波能量的快速吸收能导致完全水解的时间大大缩短 在微波辅助酸水解和微波辅助酶水解中 水解时间可从过去的几十小时缩短到几十分钟 因此 微波辅助蛋白质水解技术的出现大大提高了氨基酸组成分析的效率 22 5 膜上蛋白质印迹样品的水解 原位分析 如果蛋白质样品采用电泳法 如SDS PAGE 分离 很难从凝胶中洗脱下来 可采用电印迹法把样品转移到PVDF 聚偏氟乙烯 膜上 然后在PVDF膜上直接进行盐酸水解和氨基酸分析 称之为原位 insitu 分析 可将水解指管放入水解反应器中 在反应器底部加入200ul含7 巯基乙酸的6mol L盐酸 110 真空水解24h 水解结束后用200ul含30 甲醇的0 1mol L盐酸反复三次将氨基酸从PVDF膜中抽提出来 以便进行下一步的分析 23 总之 蛋白质水解阶段所采用的方法不同 会对氨基酸组成分析产生重要影响 对于不同的蛋白质 不同的研究目的 以及样品量的多少 应采取不同的水解方法 24 二 特殊氨基酸的保护不同水解条件下 各种氨基酸的回收有所不同 一些敏感氨基酸如色氨酸和半胱氨酸可能遭水解破坏 导致无法正确测定其含量 因此水解过程中 需要考虑对特殊氨基酸的保护 25 色氨酸的保护水解酸中加添加剂 例如加入巯基乙酸和 巯基乙醇 可使色氨酸的回收可达80 有机酸 3mol L疏基乙磺酸或4mol L甲磺酸在水解时对色氨酸有一定的保护作用 酶 利用蛋白酶作为水解剂 条件温和 对天冬酰胺和谷氨酰胺及色氨酸均无破坏作用 碱 用氢氧化钠和氢氧化钡代替酸水解 可保护色氨酸不被破坏 26 光谱法 分光光度法 应用较早 在蛋白质分子中 如不含胱氨酸和其他有干扰的发色基团的氨基酸 根据其在6mol L盐酸胍的中性溶液中的紫外吸收 测定色氨酸和酪氨酸的含量 此经验公式只适用于色氨酸对酪氨酸的比值为0 2 1时的情况 二阶微分光谱法 常被用来确定蛋白质中芳香族氨基酸的含量 计算公式复杂 HewlettPackard公司推出的DAD检测器配合其化学工作站软件 能较方便地在线检测并定量肽段中的色氨酸 27 半胱氨酸的保护 还原烷化法 产生能抗水解的半胱氨酸衍生物 烷化试剂包括4 乙烯吡啶和碘代乙酸 缺点 为了确保试剂接近巯基 还原和氧化通常在变性剂存在下进行 多余试剂和变性剂要用HPLC 沉淀法或透析去除 每一步都可能造成样品的损失 28 氧化反应 过甲酸氧化反应被用来转化半胱氨酸和胱氨酸成为半胱磺酸再进行测定 缺点 会影响其他氨基酸特别是甲硫氨酸会转变成甲硫氨酸砜 酪氨酸会降解 必须准备能分析两次的样品量 一次提供半胱氨酸数据 另一次则提供其他氨基酸的组成数据 29 三 衍生方法及原理衍生是将氨基酸衍生为有利于测定或分离的化合物 大多数氨基酸不含有芳香环等生色团 无法直接用紫外法检测 需要先将氨基酸衍生为具有较强紫外或荧光吸收的衍生物 从衍生角度看 氨基酸分析可以分为柱后反应法和柱前衍生法两大类 30 柱后反应法将游离氨基酸经过色谱柱分离后 各种氨基酸再与显色剂 茚三酮 荧光胺 邻苯二甲醛 作用 优点 比较稳定 对样品预处理要求低 容易定量和自动化操作 缺点 检测灵敏度不高 分析时间长 蛋白质水解液需1h而某些生理样品则需4h以上 31 柱前衍生法将氨基酸和化学偶联试剂先反应生成氨基酸的衍生物 然后再用色谱柱将各种衍生物分离 直接检测衍生物的光吸收或荧光发射 优点 此法可检测OPA 邻苯二甲醛 PTC PTH DABS Dansyl 和DABTH 氨基酸 分析灵敏度高 可利用HPLC进行氨基酸分析 缺点 有的衍生物不稳定 衍生试剂可能干扰氨基酸检测 32 柱后反应法VS柱前衍生法 33 几种常见的氨基酸分析方法 1 茚三酮反应2 荧光胺法3 邻苯二甲醛 OPA 法4 PTC AA分析法5 Dansyl Cl DNS Cl 法6 磺酰氯二甲胺偶氮苯 Dabsyl Cl 法 34 1 茚三酮反应 氨基酸与水合茚三酮一起在水溶液中加热 除脯氨酸和羟脯氨酸产生黄色物质 其它氨基酸都产生蓝紫色物质 此反应十分灵敏 根据反应所生成的蓝紫色的深浅 在570nm波长下进行比色就可测定样品中氨基酸的含量 35 2 柱后荧光胺法荧光胺能在室温下迅速和一级胺发生反应 其荧光产物的激发波长390nm 发射波长475nm 荧光胺与氨反应的灵敏度比茚三酮与氨反应的灵敏度大约提高了3个数量级 36 3 邻苯二甲醛 OPA 法OPA最早是被作为柱后衍生试剂而引进的 后来也逐渐应用于柱前反应中 OPA能在还原剂巯基乙醇存在下和一级胺产生具有很强荧光的异吲哚衍生物 该反应在室温下1min即可完成 37 4 PTC AA分析法属柱前衍生法 源于Edman降解法测定蛋白质一级结构 异硫氰酸苯酯 PITC 能在碱性条件下和氨基酸反应 生成苯氨基硫甲酰 PTC AA 能在254nm检出 此法分析灵敏度和荧光胺 OPA的荧光法相同 38 5 Dansyl Cl DNS Cl 法荧光试剂二甲氨基萘磺酰氯 DNS Cl 能与所有氨基酸柱前反应形成高稳定性的带有荧光的DNS 氨基酸 但反应耗时 39 6 磺酰氯二甲胺偶氮苯 Dabsyl Cl 法灵敏度是Dansyl Cl法的1 5 反应产生有色衍生物 能方便地在254nm和425nm处用紫外检测 有报道用DABITC代替Dabsyl Cl 反应产生DABTH AA 在酸性环境中显红色 易在254nm 269nm 436nm检测 40 41 四 氨基酸定性和定量分析氨基酸的定性和定量分析一般采用纸层析 薄层层析 离子交换柱层析等方法 采用HPLC仪和氨基酸自动分析仪更好 随着仪器的不断改进 一个样品的测定仅需20min即可完成 42 单向纸层析 43 双向纸层析 44 薄层层析 45 离子交换层析 46 高效液相色谱 highperformanceliquidchromatography HPLC 47 蛋白质中氨基酸的组成一般用每摩尔蛋白质中氨基酸残基的摩尔数表示 或每100g蛋白质中含氨基酸的克数表示 所以只有知道蛋白质的相对分子质量 才能推出它的氨基酸组成 48 例 血小板衍生生长因子的氨基酸组成 49 五 测定氨基酸组成的实验步骤目前各大公司如Beckman HewlettPackard PerkinE1mer Waters等都有各自的自动进样 氨基酸分析和定量报告联为一体的商品化氨基酸自动分析仪出售 下面介绍几种常规实验室测定氨基酸组成的方法 50 1 邻苯二甲醛 OPA 法实验操作 称取5mgOPA溶于0 1m1甲醇中 加入50ul巯基乙醇 用0 2mol LpH9 5的硼酸缓冲液稀释至1ml 通氮气并避光保存 每隔两天加入5ul巯基乙醇以维持其强度 此OPA反应试剂能用2 3周 取10u1标准氨基酸混合液 50 100pmol 或样品水解液 加10ulpH9 5的硼酸缓冲液 内含2 SDS和100pmol 氨基丁酸 然后加入10u1OPA试剂 混合均匀 反应1min后再加入20ul0 1mol L的KH2PO4中止反应 并立即取20ul注入RP HPLC柱进行分析 51 仪器为Beckman344HPLC仪 反相柱RP 18 250mm 4 6mm 荧光检测器 流动相 A50mmol L乙酸缓冲液pH6 8 甲醇 THF 80 19 1B50mmol L乙酸缓冲液pH6 8 甲醇 80 20梯度条件是 5min 10 B 10min 15 B 20min 10 B 25min 15 B 35min 50 B 50min 90 B 55min 100 B 52 53 用乙醇代替剧毒的乙腈或甲醇作为有机相来定量分析氨基酸 灵敏度可达10pmol 54 2 PTC AA实验操作 氨基酸或样品在Eppendorf管中真空干燥后溶解在50ul偶联试剂 乙醇 三乙胺 水 7 1 1 中 此溶液在旋转真空干燥后再次溶解于50ul偶联试剂中 然后加入2ulPITC 异硫氰酸苯酯 反应混合物在250C下保温15min 再次旋转真空干燥 真空度 1 3 13Pa 如此生成的PTC AA溶解在适量流动相A中 取一部分上柱定量分析 55 仪器为BeckmanGoldSystemHPLC仪 反相柱RP 18 250mm 4 6mm 或PTH 柱 254nm检测 流动相 A50mmol L乙酸钠 pH6 8B50mmo1 L乙酸钠 pH6 8 乙腈 50 50HPLC柱采用水浴夹套40 恒温 并用5 流动相B平衡 梯度条件是 0min 5 B 5min 5 15 B 10min 15 B 30min 15 60 B 40min 60 5 B流速是1ml min 56 57 3 茚三酮法实验操作 水解后氨基酸样品溶解于Na S样品稀释液中100u1上样分析 实际进样量50ul 100pmol 5nmol 均呈线性 58 仪器 Beckman6300氨基酸分析仪 流动相 Na E0 0min温度 0 0min48 Na D27 80min11 8min65 Na F39min32 5min77 Na R76 00min50min48 Na E77 00 90min流速 缓冲液14ml h茚三酮7ml h 59 60 第二节蛋白质的末端测定 61 蛋白质的末端分析的目的 确定其氨基末端残基及羧基末端残基了解蛋白质分子中肽链的组成情况 例如 牛胰岛素单体有2个N 末端和2个C 末端 是由2条肽链通过二硫键相连而成 血红蛋白分子有4个N 末端和4个C 末端 为4个亚基通过次级键组成的分子 62 末端分析通常采用专一性化学试剂与末端氨基或羧基反应 然后分解出被作用的末端氨基酸加以测定 由于与羧基反应的活化能相当高 所以用于与羧基反应的专一性试剂比较少 而N端测定的方法较多 氨肽酶及羧肽酶等外切酶也常有应用 下面介绍常用的N 末端和C 末端测定的方法 以及封闭N 末端的测定 63 第二节蛋白质的末端测定 64 一 N 末端的测定N末端测定方法比C末端更加成熟 可靠和准确 主要的方法有 1 二硝基氟苯法 DNFB法 Sanger法 2 二甲氨基萘磺酰氯法 DNS Cl法 3 异硫氰酸苯酯法 PITC法 4 DABITC法5 氨肽酶法 65 1 二硝基氟苯法 DNFB法 Sanger法 二硝基氟苯在弱碱性条件下 与肽链的N端氨基作用 形成二硝基苯基肽链 DNP 肽 经酸水解后 N端残基成为二硝基苯基 DNP 氨基酸 可用有机溶剂 如乙醚 抽提 再进行纸层析或薄层层析后 根据层析斑点的位置作定性鉴定 66 2020 3 20 67 FDNB不仅与N 末端的 氨基起反应 也与侧链上的 氨基 巯基 酚羟基和咪唑基反应 但水解产物极性较强 不被乙醚抽提 而不干扰末端的测定 当N 端残基为脯氨酸或羟脯氨酸时 因DNP 脯氨酸或DNP 羟脯氨酸在盐酸水解条件下极不稳定 如DNP 脯氨酸易分解成脯氨酸以及 氯 DNP 氨基戊酸和 氯 DNP氨基戊酸 所以回收率甚低 不能进行测定 68 2 二甲氨基萘磺酰氯法 DNS Cl法 荧光剂DNS Cl可与肽链N端氨基反应生成DNS 肽 经酸水解 N 末端残基形成DNS 氨基酸 用乙酸乙酯抽提 然后用层析法鉴定 DNS 氨基酸于360nm或280nm处产生强烈荧光 根据荧光点位置确定N端氨基酸 69 DNS 脯氨酸经6MHCl于110 水解过夜有70 被破坏 色氨酸及其DNS衍生物在盐酸水解时完全被破坏 可改用巯基乙烷磺酸在真空下水解 并用乙酸乙酯抽提非极性得DNS 氨基酸加以鉴定 70 赖氨酸的 氨基 半胱氨酸的巯基 组氨酸的咪唑基以及酪氨酸的羟基也能与DNS Cl进行反应 但半胱氨酸和组氨酸侧链衍生物在酸水解时并不稳定 当N 末端为组氨酸 精氨酸或半胱氨酸 S 羧甲基半胱氨酸形式或磺酸形式 时 对其测定也受到一定限制 当N 末端氨基酸为谷氨酸或谷氨酰胺 天冬氨酸或天冬酰胺时 因有高温水解过程 对它们不能区别 71 3 异硫氰酸苯酯法在弱碱中 异硫氰酸苯酯 PITC 与N端氨基偶联生成苯基硫甲酰衍生物 PTC 肽 在酸性溶液中 PTC 肽经环化裂解生成PTC 氨基酸和N端少个氨基酸的剩余多肽 由于PTC 氨基酸不稳定 很快转化成苯基乙内酰硫脲氨基酸 PTH 氨基酸 生成PTH 氨基酸非常稳定 在268nm处有强吸收峰 72 噻咪啉酮衍生物经氯乙烯抽提后 留下的肽链再可作下一次的循环 分析次一个氨基酸残基 因而此法也称为Edman顺序降解 可用于蛋白质或多肽的N端顺序测定 一般可测定末端30个左右的残基 是制造氨基酸顺序分析仪的理论基础 73 4 DABITC法DABITC 4 N N 对甲氨基偶氮苯 4 异硫氰酸酯 能与N端氨基反应生成DABTH 氨基酸 经层析分离后 用盐酸气熏即可出现红色斑点 很容易鉴定 74 5 氨肽酶法氨肽酶是一种肽链外切酶 它能从多肽链的N 端逐个的向里水解 根据不同的反应时间测出酶水解所释放出的氨基酸种类和数量 按反应时间和氨基酸残基释放量作动力学曲线 从而知道蛋白质的N 末端残基顺序 但由于酶的特异性和对各种氨基酸水解速度不用 结果往往不易判断 在实际应用中容易导致错误结论 75 二 C末端的测定C末端测定方法较少 而且较N末端分析误差大 可采用的方法有 1 羧肽酶法2 硼氢化锂法 LiBH4法 还原法 3 肼解法 76 1 羧肽酶法羧肽酶是一种肽链外切酶 能从多肽链的C端逐个的水解氨基酸 根据不同的反应时间测出酶水解所释放的氨基酸种类和数量 从而知道蛋白质的C末端残基顺序 实际应用时 由于羧肽酶对不同的C末端氨基酸作用的速度不同 而且反应是连续的 不能停在某一步上 因此给正确判断氨基酸的顺序造成了一定的困难 77 4种常用羧肽酶 78 2 硼氢化锂法 LiBH4法 还原法 硼氢化锂可与C末端氨基反应生成相应的 氨基醇 水解后抽提氨基醇 可用层析法分离 鉴定 79 3 肼解法当蛋白质和无水肼在100 反应5 10h 肼可断裂所有的肽键 使所有氨基酸残基形成肼的衍生物 氨基酸酰肼 可与苯甲醛作用形成不溶的二亚苄基衍生物而除去 唯有C末端氨基酸以游离的形式存在于上清液中 80 肼解法不适宜于C端为胱氨酸 半胱氨酸 天冬酰胺 谷氨酰胺的测定 肽链中的丙氨酸 丝氨酸以及甘氨酸残基形成的酰肼化合物不稳定 在水溶液中容易转化为原来的氨基酸而干扰结果 81 三 封闭N 末端的测定有些蛋白质的肽链没有游离的氨基端 较多的情况是氨基端因受到乙酰化或谷氨酸残基自身环化为焦谷氨酸残基而被封闭 此时我们可采用相应方法对封闭N 末端进行测定 82 1 乙酰化N 末端肼解条件下 N端的乙酰基形成乙酰肼 然后 使其与DNS Cl作用 形成N 乙酰 N 丹磺酰肼 经乙醚抽提出来后 可应用薄层层析等方法鉴定 由于乙酰基与氨基形成的酰胺键比较稳定 在部分酸水解条件 如pH2 105 90min 下有可能产生乙酰基氨基酸 与已知标准化合物对照 也可以应用层析等方法对其加以鉴定 83 2 吡咯烷酮羧酸末端牛肝焦谷氨酸氨肽酶能水解出末端的吡咯烷酮羧酸 从而使剩下的有自由氨基端的肽链可以用Edman方法递减分析 84 3 甲酰基末端甲酰基常以甲酰甲硫氨酸的形式存在于原核体系的初生肽链的端部 甲酰氨键比起一般肽键要不稳定得多 所以弱酸条件 如0 5MHCl的甲醇溶液 下在室温处理48小时 可以使甲酰基水解下来 然后再可仿照乙酰基的测定方法加以鉴定 85 第三节亚基拆离 肽链降解和肽段的分离 86 从蛋白质相对分子质量的测定和SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳的结果 可以知道蛋白质是否由多亚基组成 若末端分析只有单一的结果 说明分子由相同亚基组成 无需将亚基拆开 分离 反之 分子若有两种以上不同亚基组成 首先要将不同亚基之间的连接拆开 并进行分离提纯 提纯后的亚基肽链一般都是相对分子质量也比较大 需要将大的肽链降解成小的肽段 并将肽段提纯 然后才能正式开始顺序测定工作 87 第三节亚基拆离 肽链降解和肽段的分离 88 一 亚基拆离和二硫键断裂蛋白质由一条以上的肽链组成时 肽链间的结合可能是靠非共价键结合 也可能是靠共价键结合 在进行肽链顺序分析时 首先要将它们分离开来 若多亚基间以非共价键连接 在温和条件下即可以拆离亚基 如改变溶液pH 将pH降低到3 4或升高到9 10 或者加入变性剂 如8mol L尿素或6mol L盐酸胍等 例如 血红蛋白经8mol L脲处理后 及 链可以得到分离 核酮糖二磷酸羧化酶在0 2mol L巯基乙醇及1 SDS溶液中保温1小时 大小亚基便相互分开 拆离后的亚基可以用凝胶过滤方法进行分离 89 拆分 靠共价键结合的因比较牢固须用特殊的化学作用使其破坏 最常见的是半胱氨酸残基经氧化作用而形成胱氨酸残基 即二硫键结构 90 1 过甲酸氧化法优点 能将巯基 SH 和二硫键 S S 同时氧化成磺基 生成的磺酸基很稳定 肽链不再重新形成二硫键 便于肽链分离 缺点 氧化过程中 同时将蛋磺酸的侧链氧化成亚砜 色氨酸的侧链也遭破坏 91 2 还原法一般可使用过量巯基化合物 如 巯基乙醇 在室温或pH8 9条件下放置数小时 即可使二硫键还原成巯基 加入8mol L尿素或6mol L盐酸胍使蛋白质变性 在这种情况下 还原剂才能有效地作用于暴露的二硫键 二硫键还原后 需要用巯基保护试剂 如碘乙酸 以防其重新被氧化 92 二 肽链的部分降解由于氨基酸顺序测定多数采用Edman降解法 它一次能分析肽链长度约10余个氨基酸残基 所以分离得到的单链如果太长 须将长的肽链断裂成易分析的较短肽链 肽链部分降解的方法要求选择性强 裂解点少 反应率高 一般采用化学裂解和酶解法两种 93 1 化学裂解法溴化氰 CNBr 与肽链中蛋氨酸侧链的硫醚基发生反应 生成环化的溴化亚氨内酯 此产物水解后 产生高丝氨酸内酯 使蛋氨酸羧基端的肽键断裂 这一方法的优点是产率高 可达85 专一性强 故实际应用较多 94 2 酶解法酶解法相对化学裂解法而言 有许多优点 如专一性强 裂解条件温和 副反应少等 再则蛋白水解酶对肽链的水解率也比较高 而且不同的蛋白水解酶对不同氨基酸形成的肽键水解专一性不同 因此 酶解法被广泛使用 95 几种常用蛋白水解酶的作用位点 96 3 羟胺裂解法羟胺 NH2OH 在碱性条件下 pH9 0 能专一性裂解 Asn Gly 间的肽键 也能部分裂解 Asn Leu 或 Asn Ala 间的肽键 在酸性条件可以断裂 Asp Pro 间的肽键 产率可达80 97 4 部分酸水解一般认为酸水解没有什么专一性而被忽视 后来发现部分酸水解还是有一定的专一性 在稀酸的条件下 也即在高浓度胍的甲酸中 pH2 5 可裂解 Asp Pro 间的肽键 产率高达80 90 在浓酸条件下 含羟基氨基酸氨基端肽键容易断裂 但是终究部分酸水解的专一性差 副反应多 此法比较难掌握 98 三 肽段的分离提纯肽链经部分裂解得到肽片段必须分离提纯 才能进一步测定其氨基酸顺序 先采用凝胶过滤 得到不同相对分子质量的肽片段组分 同时也脱去了样品中的盐类 然后 肽片段组分可用离子交换层析进一步提纯 也可应用双相高压纸电泳和层析相结合的方法 HPLC或FPLC具有更高的分辨率 99 第四节肽段的氨基酸顺序测定 100 目前 进行蛋白质序列测定有二个关键步骤 即 氨基酸残基一个一个依次从蛋白质和多肽的末端切割下来 可采用化学法或酶法进行裂解 可以从蛋白质和多肽的N端进行裂解 也可以从C端进行分析 正确鉴定每次切割下来的氨基酸残基 利用高效液相色谱 对带有生色基团的氨基酸残基进行分离分析 101 第四节肽段的氨基酸顺序测定 102 一 N端测序原理至今应用最广的N端顺序测定法大多仍以Edman降解原理为基础 103 偶联 蛋白质和多肽的自由 氨基经与异硫氰酸苯酯 PITC 试剂偶联 与其紧挨的第二个残基的键合力大大减弱 很容易断裂 裂解 在无水条件下酸裂解 仅仅切下反应的那个残基 得到ATZ 氨基酸 紧挨的第二个氨基酸残基暴露出自由的 氨基 又可与PITC进行偶联反应 转化 ATZ 氨基酸不稳定 三氟乙酸水溶液 25 条件下可转化成稳定的PTH 氨基酸 PTH 氨基酸的鉴定 可以通过薄层层析 气相色谱 高效液相色谱及质谱等各种手段进行分析 104 二 N端蛋白质序列仪自70年代初自动序列仪诞生以来 经过了一系列更新换代 仪器日趋灵敏 快速 下面就其中几种代表性的仪器作一简单介绍 105 1 液相旋转杯序列仪这是最初的自动化仪器 整个仪器的 核心 部分是一个反应杯 它由一个马达带动并有调速控制 蛋白质或多肽样品经溶解后 通过一根导管注入反应杯中 样品随着旋转的离心力被均匀地涂在杯壁上 形成一层薄膜 其厚薄可由转速控制 反应的试剂和溶剂分别通过导管进入反应杯 与杯内薄层上的样品的N端自由氨基进行Edman反应 降解下来的ATZ氨基酸衍生物通过另一导管引出并收集 再将ATZ氨基酸转换成PTH氨基酸后进行鉴定 依次循环分析 此仪器由于消耗的样品量多 目前在蛋白质化学实验室已很少作用 106 2 固相序列分析仪由于一些小肽或疏水性多肽 不易吸附在一般支持物上 如旋转杯 只得将它们共价固定在惰性载体后进行Edman化学降解反应 固相测序的优点是样品共价结合后 不会在有机溶剂洗涤 抽提等过程中丢失 因而可以增加循环次数 其缺点是共价结合不外乎通过氨基或羧基与载体上的活性基团作用 蛋白质和多肽中的谷氨酸 天冬氨酸 赖氨酸等含有除 氨基或 羧基以外氨基或羧基的氨基酸残基将结合在载体上 不能正确确定 107 3 气相序列仪用弹筒型玻璃反应室 内部体积约0 05ml 代替了液相序列仪中的旋转玻璃杯 用一种四级铵盐聚合物 polybrene 固定样品 Edamn降解反应中有的试剂如三甲胺以气体方式输送 其它试剂以流动或液相脉冲方式输送 优点 灵敏度高 耗费样品量少 通常仅需10 100pmol 试剂和溶剂消耗少 大约是液相序列仪的1 10 降低了费用 缩短了每步降解循环时间 提高了分析效率 108 三 影响N端Edman反应裂解率的因素在测序中往往可以发现 即使N端很均一的蛋白质 第一个循环出现单个氨基酸残基 经过十几个循环后背景明显不及第一个残基清晰 这是由于Edman反应是一个化学过程 在其偶联 裂解 转化等步骤都有可能发生一些副反应 从而影响最终裂解效率 109 例如三氟乙酸除起裂解作用外 可能与丝氨酸Ser和苏氨酸Thr上的羟基反应 继而部分封闭Ser和Thr的N端 氨基 导致Ser和Thr时产率突然降低 丝氨酸和苏氨酸的PTH 衍生物也会部分转化成其他产物 造成产率的降低 偶联试剂PITC本身也将发生副反应 形成一些 杂质 110 四 N端测序前样品处理1 纯度鉴定宜采用多种互补有效的手段鉴定样品的纯度 如SDS PAGE 反相HPLC 毛细管电泳 阴离子或阳离子的FPLC等 2 脱盐可采用多种有效的脱盐方法如反相HPLC 凝胶过滤 透析 超滤等 但需注意在进行脱盐过程中除需考虑是否除盐完全外 所用试剂 仪器乃至操作规范也必须是测序级的 应尽量避免引入新的杂质 3 疏基修饰4 去除N端封闭的基团 111 五 C端测序原理虽然建立在Edman化学法上的自动化N端测序技术日趋成熟 但仍有不少问题需借助C端序列分析来解决 C端测序尤其适合于基因重组蛋白是否正确表达的鉴定和大规模生产时的质量控制 N端封闭蛋白的分析以及DNA探针的设计 112 原理基于与N端Edman降解类似的原理 C端分析采用化学试剂与蛋白质和多肽的 羧基反应 反应后的C末端衍生物被切割下来 通过HPLC系统进行分离分析 一个完整的C端序列分析包括以下几个步骤 113 1 活化蛋白质和多肽C端的自由羧基与乙酸酐反应生成混合酸酐 并进一步环化成聚噁唑酮 而侧链上的羧基形成的混合酸酐则难以成环 C末端的聚噁唑酮在四丁基铵硫氰酸盐的作用下 转化为乙内酰硫脲 TH 114 2 酰胺化保护侧链羧基侧链羧基形成混合酸酐后 与哌叮硫氰酸盐 piperidinethiocyanate 进一步作用形成酰胺 以保护侧链 115 3 烷基化由于C末端环化成的TH衍生物较为稳定而不易被切割 因此产率不高 用Bromomethylna phthylene选择性地烷基化修饰硫原子 形成烷基化 TH ATH 衍生物 裂解产率将大大提高 116 4 修饰Thr和Ser的羟基蛋白质和多肽中的羟基会干扰测序 因此需要修饰 在活化过程中 乙酸酐也会与羟基反应将其乙酰化 但反应不完全 在N 甲基咪唑 N methlimidazole NMI 和乙酸酐的共同作用下 Thr和Ser上的羟基基本被乙酰化 117 5 裂解和衍生C末端的ATH衍生物在酸性条件下与硫氰酸盐反应而被裂解生成ATH 氨基酸 新的C末端自动形成TH 而不必重新活化 因此 整个测序过程只需在开始时对C端进行一次性活化 并修饰Asp和Glu侧链羧基 以及Thr和Ser的羟基 118 六 C端蛋白质序列仪C端序列仪一般由N端序列仪改装而成 其基本结构与后者相似 两者的不同之处主要在于 1 反应所用的试剂不同 因此两者不可兼容 否则极易堵塞管道 2 在C端序列仪中 所有的化学反应均在弹筒型反应室中进行 切割下来的ATH AA仅在转化腔内干燥和溶解后即进入HPLC系统分离分析 而在N端测序仪中 ATZ AA需在转化腔中转化为PTH AA 119 120 七 C端测序样品前处理C端测序样品的纯度鉴