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蛋白结晶研究入门全攻略:轻松开启生命科学探索之旅

蛋白质结晶是研究蛋白质结构和功能的关键手段,对理解生物大分子作用、疾病机制及药物开发至关重要。它涉及蛋白质分子在溶液中规则堆积形成有序晶体的过程,受蛋白质纯度、浓度、缓冲液成分等多种因素影响。为获高质量晶体,需进行样品制备、条件筛选与优化等。蛋白结晶研究推动生物学和医学领域发展,支持药物设计和蛋白质工程。本文概述了蛋白质结晶的制备、方法、筛选、优化等要点,为相关研究提供参考。

一 蛋白质晶体的发展史

蛋白质晶体的研究始于19世纪中期,Hunefeld首先报道了血红蛋白晶体。到了20世纪,结晶技术成为提纯和研究蛋白质的重要方法,特别是John Jacob Abel对胰岛素的结晶,以及James B. Sumner对酶作为晶体蛋白质的确认。1930年代末,蛋白质晶体开始用X射线分析,开启了结构生物学的新篇章。随着遗传学和分子生物学的发展,特别是DNA技术的应用,蛋白质晶体的研究在1980年代后得到了极大的加速和变革。

蛋白结晶:艺术与科学的结合

尽管现代分子生物学和晶体学的进步为许多实验提供了便捷,但蛋白质结晶仍然是一个既简单又复杂的挑战。这一过程结合了科学的方法与艺术般的直觉和创造力,然而又高度依赖经验的积累。

由于生物大分子(如蛋白质)由大量不同原子以复杂方式组合,结晶过程中存在诸多变量和影响因素。这些因素包括蛋白质纯度、浓度、pH值、离子强度等,每一个变量都可能对结晶结果产生显著影响(表12)。

1. 影响蛋白质晶体生长的化学变量

 

样品的纯度

基因修饰

 

样品的构象灵活性

分子的对称性

 

样品的均一性

样品的稳定性和变性程度

 

PH值和缓冲液

等电点

 

沉淀剂的类型和浓度

存在his标签和其他纯化标签与否

 

样品的浓度

热稳定性

 

添加剂、辅助因子、配体、抑制剂、效应剂和辅料

PH稳定性

 

混沌剂,如尿素、盐酸胍、硫酸铵等

样本的获取、处理、保存等历史过程

 

洗涤剂

蛋白水解

 

金属离子

微生物污染

 

离子强度

样品保存

 

还原剂或氧化剂

样品处理及相关的清洁度

 

样品是来源

阴、阳离子类型及浓度

 

无定形颗粒物质

相对过饱和度

 

翻译后修饰

其他试剂的初始浓度和最终浓度

 

化学修饰

平衡的路径和速率

 

2.可能或确实影响蛋白质晶体生长的物理变量

温度

电磁场

平衡速率

结晶装置的表面

结晶方法

试剂的粘度

重力、对流和沉降

异质和外延成核剂

振动和声音

结晶装置的几何形状

样品和试剂的体积

时间

压力

试剂的介电性能

结晶实验通常从筛选开始,旨在找到能产生晶体的关键变量组合。然而,为了获得具有特定特性的晶体(如用于结构生物学、纯化或生物治疗研究),往往需要进一步的优化实验(表3和表4)。

3.结晶方法-过饱和度的实现

气相扩散法(Sitting, Hanging, Sandwich)

序列提。ㄊ荽砗头治黾际酰

分批结晶法(微分批结晶)

pH诱导(简单、可控)

透析技术 (微透析技术发挥辅助作用)

温度诱导(操作简便、成本较低,需与其他方法结合使用)

自由界面扩散(逆扩散, 液桥)

效应物添加(也加Silver Bullet)

控制蒸发

 

4.蛋白质结晶所用试剂

盐类 (硫酸铵、甲酸钠、磷酸铵等)

非挥发性有机物((±)-2-甲基-2,4-戊二醇、1,6-己二醇、甘油等)

聚合物 (聚乙二醇、分子量范围在20020,000之间、乙烯亚胺、杰凡尼®)

缓冲液 (HEPES、Tris、醋酸钠、MES)

挥发性有机物 (2-丙醇、1,4-二氧六环、乙醇等)

添加剂 (氯化钙、氯化钠、三(2-羧乙基)膦、n-辛基-β-D-葡糖苷等)

尽管现代技术提供了丰富的资源和工具,但结晶并非仅仅是使用这些工具那么简单。成功的结晶策略需要基于一些基本原则,正如Alex McPherson等结晶领域的先驱所提出的,在进行实验之前,考虑这些原则将为您的结晶工作提供坚实的基础。

蛋白结晶的关键要素


  • 样本:样本的纯度是结晶成功的基石,需细致处理以保证样本高均一性。
  • 均一性:蛋白质样品的化学结构和分子量的一致性对形成有序晶体至关重要。
  • 溶解度:优化样本在缓冲液中的溶解条件,追求单分散性,避免聚集和沉淀。
  • 稳定性:确保蛋白质在结晶过程中保持结构和功能稳定,避免变性。
  • 超饱和:通过控制超饱和度,诱导蛋白质分子有序排列形成晶核。
  • 缔合:调控蛋白质分子间的有序相互作用,促进有序聚集,避免非特异性聚集。
  • 成核:控制溶液中蛋白质初始结晶核的形成,以优化晶体数量、大小和质量。
  • 多样性:尝试多种方法和条件来发现适合特定蛋白质的结晶条件。
  • 控制:精确调控实验条件和过程,确保实验结果的准确性和可重复性。
  • 杂质:保持样品纯度,减少杂质对结晶和后续研究的干扰。
  • 保存:妥善保护结晶出的蛋白质晶体,防止其受到损害,确:笮芯康目煽啃。







         全网最大下注平台代理的美国Hampton Research公司是一家专注于蛋白质晶体研究的领先生产商,其广泛的产品组合涵盖了从结晶初步筛选到结晶优化筛。俚蕉ㄖ频プ榉纸峋约梁徒峋び呕约恋热轿徊。这些产品能够满足不同蛋白结晶研究的需求,包括普通蛋白、膜蛋白以及蛋白复合体的结晶。


全网最大下注平台代理的Hampton Research以其尖端的生物大分子结晶技术和实用丰富的产品线,为全球晶体研究人员提供了全面的晶体研究试剂和实验耗材。这些产品不仅极大地提升了科研人员的工作效率,而且帮助他们取得了卓越的科研成果,Hampton Research已成为晶体研究领域备受信赖的品牌之一。

全网最大下注平台Hampton Research蛋白结晶热销产品

Hampton Research蛋白结晶筛选试剂盒

品牌

货号

品名

规格

简介

Hampton

HR2-144

Index

10 ml, tube format

蛋白质、络合物、多肽、核酸和水溶性小分子等多种试剂体系的经典结晶条件初筛选试剂盒,包含96个条件

Hampton

HR2-110

Crystal Screen

10 ml, tube format

蛋白、可溶性多肽、核酸和水溶性小分子等多种试剂体系结晶条件初筛试剂盒,包含50个条件

Hampton

HR2-112

Crystal Screen 2

10 ml, tube format

蛋白、可溶性多肽、核酸和水溶性小分子等多种试剂体系结晶条件初筛试剂盒,包含48个条件

Hampton

HR2-114

MembFac

10 ml, tube format

适用于膜蛋白的结晶条件初筛试剂盒,包含48个条件

Hampton

HR2-116

Natrix

10 ml, tube format

核酸、核酸/蛋白质复合物结晶条件初筛试剂盒,包含48个条件

Hampton

HR2-117

Natrix 2

10 ml, tube format

核酸、核酸/蛋白质复合物结晶条件初筛试剂盒,包含48个条件

Hampton

HR2-082

PEGRx 1

10 ml, tube format

聚合物和pH条件初筛与二次筛选试剂盒,包含48个条件

Hampton

HR2-084

PEGRx 2

10 ml, tube format

聚合物和pH条件初筛与二次筛选试剂盒,包含48个条件

Hampton

HR2-126

PEG/Ion Screen

10 ml, tube format

聚合物、盐和pH条件初筛与二次筛选试剂盒,包含48个条件

Hampton

HR2-098

PEG/Ion 2 Screen

10 ml, tube format

聚合物、盐和pH条件初筛与二次筛选试剂盒,包含48个条件

Hampton

HR2-107

SaltRx 1

10 ml, tube format

盐和pH条件初筛与二次筛选试剂盒,包含48个条件

Hampton

HR2-109

SaltRx 2

10 ml, tube format

盐和pH条件初筛与二次筛选试剂盒,包含48个条件

除上述产品外,全网最大下注平台还提供包括GRAS Screen?、Grid Screen系列、Low Ionic Strength Screen、XP Screen、JBScreen Wizard等等在内的多种结晶条件筛选试剂盒,欢迎致电全网最大下注平台客服热线400-050-4006咨询订购。

Hampton Research蛋白结晶优化试剂盒

品牌

货号

品名

规格

简介

Hampton

HR2-072

Solubility & Stability Screen

0.5 ml, Deep Well block format

溶解度和稳定性筛。96个条件

Hampton

HR2-413

Solubility & Stability Screen 2

0.5 ml, Deep Well block format

溶解度和稳定性筛。96个条件

Hampton

HR2-070

Slice pH

0.5 ml, Deep Well block format

pH筛选试剂盒,包含96个条件

Hampton

HR2-138

Additive Screen

1 ml, Deep Well block format

添加剂筛选试剂盒,包含96个条件

Hampton

HR2-459

GRAS Additive

1 ml, Deep Well block format

GRAS添加剂筛。96个条件

Hampton

HR2-096

Silver Bullets

0.50 ml, Deep Well block format

添加剂筛选试剂盒,包含96个条件

Hampton

HR2-407

Detergent Screen

0.25 ml, Deep Well block format

洗涤剂筛选试剂盒,包含96个条件

Hampton

HR2-214

Ionic Liquid Screen

0.5 ml, tube format

离子液体筛选试剂盒,包含24个条件

Hampton

HR2-241

StockOptions pH

10 ml, tube format

晶体生长筛选试剂盒,包含45个条件

Hampton

HR2-235

StockOptions Sodium Citrate

10 ml, tube format

晶体生长筛选试剂盒,包含24个条件

Hampton

HR2-239

StockOptions Sodium Cacodylate

10 ml, tube format

晶体生长筛选试剂盒,包含24个条件

Hampton

HR2-243

StockOptions MES

10 ml, tube format

晶体生长筛选试剂盒,包含20个条件

Hampton

HR2-103

StockOptions Bis-Tris Propane

10 ml, tube format

晶体生长筛选试剂盒,包含33个条件

Hampton

HR2-102

StockOptions HEPES

10 ml, tube format

晶体生长筛选试剂盒,包含15个条件

Hampton

HR2-227

StockOptions Polymer

10 ml, tube format

晶体生长筛选试剂盒,包含23个条件

Hampton

HR2-245

StockOptions Salt

10 ml, tube format

晶体生长筛选试剂盒,包含49个条件

Hampton

HR2-073

CryoPro

1 ml, tube format

晶体冷冻保护剂筛。48个条件

Hampton

HR2-501

50% v/v Jeffamine® M-600® pH 7.0

200 ml

结晶级Jeffamine M-600用于结晶条件优化

Hampton

HR2-525

50% w/v Polyethylene glycol 1,500

200 mL

结晶级PEG 1500用于结晶条件优化

Hampton

HR2-527

50% w/v Polyethylene glycol 3,350 Monodisperse

200 mL

结晶级PEG 3350用于结晶条件优化

Hampton

HR2-529

50% w/v Polyethylene glycol 4,000

200 mL

结晶级PEG 4000用于结晶条件优化

以上试剂盒中的单组分条件可单独订购。除上述试剂盒外,全网最大下注平台还提供包括Proti-Ace?、Silica Hydrogel Kit、Heavy Atom Screens、I3C Phasing Kit等多款结晶优化筛选试剂盒及试剂,欢迎致电全网最大下注平台客服热线400-050-4006咨询订购。

Hampton Research蛋白结晶耗材工具

品牌

货号

品名

规格

简介

Hampton

HR2-320

Seed Bead Kit

24 tubes with PTFE Seed Bead

晶种制备珠

Hampton

HR3-105

MASTERBLOCK® 96 Deep Well polypropylene plate

50 plate case

96孔深孔板

Hampton

HR3-081

72 Well Microbatch Plate, Greiner 654102

untreated, hydrophobic - 270 plate case

72孔油下结晶板

Hampton

HR3-125

Swissci 3 Well Midi Crystallization Plate in UVP (40)

40 plate case

3微孔/96孔坐滴板

Hampton

HR3-158

Cryschem Plate

24 plate case

24孔坐滴板

Hampton

HR3-231

22 mm x 0.22 mm Siliconized circle cover slides

1.0 ounce pack (~120 slides)

圆形硅化玻璃盖玻片

Hampton

HR3-233

22 mm x 0.22 mm Siliconized circle cover slides

10.0 ounce case (~1,200 slides)

圆形硅化玻璃盖玻片

Hampton

HR3-609

Crystal Clear Sealing Film

100 pack

结晶板封口膜

Hampton

HR4-216

Crystal Crusher

5 pack

晶体粉碎器

Hampton

HR4-217

Crystal Probe

12 pack

一次性不锈钢晶体针

Hampton

HR4-733

CrystalCap

with Vial - 60 pack

晶体环底座

Hampton

HR4-811

Micro-Tools Set

each

晶体处理工具套装,含8个不同形状的晶体探针

除上述产品外,全网最大下注平台还提供各种规格结晶板、loop、微桥、密封胶,Pucks等工具耗材及整套工具箱,帮助研究人员更快更高效的开展实验。欢迎致电全网最大下注平台客服热线400-050-4006咨询订购。


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References and Readings

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10.Current approaches to macromolecular crystallization. McPherson, A. (1990).Eur.Biochem.189,1-23.

11.Crystallization of Biological Macromolecules, McPherson, A.(1999)Cold Spring Harbor: Cold Spring Harbor Laboratory Press.

12Introduction to protein crystallization, McPherson, A. and Gavira, J.A.(2014) Acta Crystallographica F, Volume 70, Part 1, 2-20.

13.Some Words of Advice from an Old Hand, Alexander McPherson, pages1-9, in Protein Crystallization, Second Edition, Edited by Terese Berg-fors. International University Line, 2009.

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