本文重点介绍利用电子吸收光谱法和等温滴定热法来研究并量化 Cu(II) 与肽和蛋白质结合的热力学过程。
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本文重点介绍利用电子吸收光谱法和等温滴定热法来研究并量化 Cu(II) 与肽和蛋白质结合的热力学过程。
铜(II) 是生物系统中一种必需的金属元素,能够赋予与其相互作用的生物分子独特的化学性质。已有研究报道,铜(II) 可直接结合多种肽类,在从介导分子结构、电子转移特性到赋予催化功能等过程中发挥必要及病理性的生物学作用。定量测定这些 Cu(II)-肽复合物的结合亲和力与热力学参数 体外 可揭示结合过程的热力学驱动力、不同金属离子对肽的竞争作用或不同肽对Cu(II)的竞争作用,以及Cu(II)-肽复合物的稳定性和存在优势 体内然而,由于存在多种因素,对结合热力学进行量化可能具有挑战性,包括在滴定实验中需考虑所有竞争平衡,尤其是在缺乏能够分别代表肽、d区金属离子及其相互作用的明确光谱信号时。
本文提供了一套可靠的实验方法,用于精确量化 Cu(II)-肽的热力学参数。文章重点介绍了在有或无发色配体的条件下,利用电子吸收光谱法对 Cu(II) 进行光谱检测,以及采用无标记等温滴定 calorimetry(ITC)的方法。在这两种实验技术中,均描述了如何考虑所有竞争平衡过程的分析流程。尽管本文主要关注 Cu(II),但所描述的实验体系不仅适用于 Cu(II)-肽相互作用,还可为在生理相关条件下准确量化其他金属-肽体系提供通用框架。
生物学已进化出利用生命所需的金属离子多样化学性质的能力,以适应并存活于周围环境。据估计,25%至50%的蛋白质在结构和功能上依赖金属离子1金属离子的特定作用及其氧化还原状态与其配位的生物配体的组成和几何结构直接相关。此外,对于铜离子(Cu(II))等具有氧化还原活性的金属离子,必须进行严格调控,以防止其与氧化剂发生相互作用。 通过 类芬顿化学反应生成活性氧(ROS)2,3,4理解其生物化学过程中结合模式与亲和力的作用机制,将有助于阐明该金属离子的生物学功能。
研究金属与肽结合相互作用的方法有多种,主要包括光谱学技术,也包括分子动力学计算机模拟,例如通过分子动力学模拟研究Cu(II)与β-淀粉样蛋白片段(Aβ)的相互作用5。核磁共振(NMR)是一种广泛使用且许多高校均可开展的光谱学技术。Gaggelli等人利用Cu(II)的顺磁性,通过观察邻近原子核的弛豫效应,确定了金属离子在肽上的结合位点6。电子顺磁共振(EPR)也可用于探究顺磁性金属离子的结合位置及其结合模式7。其他光谱学技术,如圆二色光谱(CD),可用于描述三肽体系等系统中Cu(II)的配位结构8;而质谱法可通过碎片化模式揭示金属离子与哪些残基配位以及其化学计量关系9,10。
其中一些技术(如核磁共振,NMR)无需标记,但需要高浓度的肽,这为研究带来了挑战。另一种常用的技术是荧光光谱法,已被用于研究酪氨酸或色氨酸的位置与 Cu(II) 淬灭之间的关系11,12。类似地,该技术也可用于显示由于 Cu(II) 结合所引起的空间结构变化13。然而,这些金属-肽结合研究存在的问题是:它们依赖于含有生色氨基酸(如酪氨酸)的体系,而并非所有肽都含有此类氨基酸;此外,这些研究通常假设金属离子遵循经典的结合模型,且该技术可能不适用于生理条件。事实上,目前已发现多种肽既不含此类生色氨基酸,也不遵循经典的结合模型,因此限制了上述技术的应用14,15。本文详细介绍了在生理相关条件下评估这些特殊情况下结合特性的研究方法。
生物配体可能呈现不同的质子化状态,从而影响金属离子的结合,例如组氨酸上的咪唑环。如果pH值不能保持恒定,实验结果可能会变得复杂或相互矛盾。因此,缓冲液是研究金属-蛋白质/肽相互作用的重要组成部分。然而,许多缓冲液已被证明会与金属离子发生有利的相互作用16,17。除了与目标生物分子竞争结合金属离子外,缓冲液可能含有与肽或蛋白质中配位原子相似的配位原子,难以区分。本研究重点关注电子吸收光谱法和等温滴定量热法(ITC)作为研究Cu(II)-肽相互作用的两种互补技术,并特别考虑了缓冲液的选择问题。
电子吸收光谱是一种快速且广泛应用的技术,可用于研究金属结合相互作用。使用紫外(UV)或可见光波长的光照射时,可导致金属中心的d-d跃迁吸收带,从而提供有关配体分类、金属几何构型以及表观结合亲和力的重要信息18,19。对于这些配合物,通过将金属离子直接滴定至蛋白质或肽溶液中,可定量测定其结合化学计量比和表观结合亲和力。在某些情况下,例如d5或d10电子构型,配合物不吸收光(即在光谱上无信号)。对于这类光谱学上“沉默”的过渡金属配合物,可通过使用一种竞争性配体来克服这些限制,该配体在与金属离子配位后会产生可检测的电荷转移吸收带。无论哪种情况,该方法仅能用于定量化学计量比和表观结合亲和力,若无近似假设,则无法提供关于结合焓的任何信息。
与电子吸收光谱法获得的信息相辅相成,等温滴定量热法(ITC)是一种直接且严格量化结合焓变的吸引人技术20。ITC 可直接测量结合过程中释放或消耗的热量,由于滴定过程在恒定压力下进行,所测得的热量即为所有平衡的焓变(ΔHITC)。此外,该方法还可量化结合事件的化学计量比(n)和表观结合亲和力(KITC)。基于这些参数,可进一步确定自由能(ΔGITC)和熵变(ΔSITC),从而提供结合事件的完整热力学图景。由于不依赖光吸收,ITC 特别适用于光谱学上“静默”的物种,例如 d5 或 d10 金属离子配合物。然而,由于量热法测量的是热量,任何未匹配的缓冲体系或未被计入的平衡都可能对准确测定金属离子结合热力学产生不利影响,因此必须高度重视并妥善处理这些因素20。若以适当严谨性操作,ITC 是测定金属-蛋白质/肽复合物热力学性质的一种可靠技术。
本文利用一种无生色团的铜结合肽C-肽,展示了两种技术的互补应用。C-肽是胰岛素成熟过程中产生的一种由31个残基组成的裂解产物(EAEDLQVGQVELGGGPGAGSLQPLALEGSLQ);该肽不含生色团残基,但已被证明能够以生理相关的亲和力结合Cu(II)14,15。Cu(II)结合位点由一个谷氨酸和一个天冬氨酸的侧链以及肽链的N-末端组成14,15。这些配位原子与许多常用缓冲体系中的配位原子非常相似。本文展示了电子吸收光谱中d-d跃迁和电荷转移带与等温滴定量热法(ITC)联用,用于定量测定C-肽结合Cu(II)的热力学参数。该研究Cu(II)与C-肽结合的方法可推广应用于其他金属离子及蛋白质/肽体系。
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1. 电子吸收光谱法:含缓冲液竞争的直接滴定
2. 电子吸收光谱法:染料配体与肽的竞争
3. 等温滴定热力学
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本研究旨在利用电子吸收光谱和等温滴定量热法(ITC)这两种互补技术,定量分析并验证Cu(II)与C肽结合的热力学特性。由于电子吸收光谱具有较强的稳健性,因此直接对300 µM C肽溶液进行Cu(II)滴定(图1)。加入150 µM Cu(II)后,600 nm处的吸收带立即增强,该吸收带归属于Cu(II)的d-d跃迁带,并随着Cu(II)浓度增加至300 µM持续增强。当Cu(II)浓度超过300 µM后,d-d带的吸收不再增加,表明结合已达到饱和,且Cu(II)与C肽形成1:1的络合物。此外,由于双-Tris与Cu(II)具有较高的结合亲和力(log K = 5.27)16,因此Cu(II)/C肽的结合亲和力下限应处于微摩尔范围(log K > 6),才能将金属离子从缓冲液中螯合出来。然而,在该体系中,由于摩尔吸光系数较小,对吸收带进行精确定量存在困难。
为了克服d-d跃迁带消光系数较小的问题,采用了上述的生色配体phen。将C肽滴加到约10 µM的[Cu(phen)
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本文提供了一种用于定量测定 Cu(II) 与肽结合的亲和力及热力学参数的可靠方法。由于 Cu(II) 具有 d9 电子构型,其金属位点的 d-d 吸收带非常适合通过光谱进行监测。尽管其摩尔吸光系数较小,因而需要较高浓度的配合物才能获得可靠的信号,但将 Cu(II) 滴定至肽溶液中可快速获得结合化学计量比和近似结合亲和力的信息。然而,若金属被缓冲液和肽以相似的配位原子和几何构型所结合,则光谱差异可能难以分辨。为了定量测定结合亲和力,通常使用苯菲罗啉(phen)等生色配体,因其与金属离子之间存在对称性允许的电荷转移跃迁21。通过构建生色配体与非生色肽之间的竞争结合体系,并已知金属与该配体的结合亲和力,可直接测定金属-肽的结合亲和力。进一步利用电子吸收光谱法进行热力学分析则较为困难。若采用紫外-可见(UV-Vis)光谱等技术来量化结合焓变,必须在多个温度下测定结合亲和力,并进行范特霍夫(van't Hoff)分析。该分析假设结合过程的热容变化为零,但这一假设极少成立,因此仅能提供结合焓变的估算值20。
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作者声明无竞争利益。
SC 感谢怀特黑德暑期研究奖学金的支持。MJS 感谢旧金山大学的启动资金和教师发展基金。MCH 承认获得美国国立卫生研究院(NIH MIRA 5R35GM133684-02)和美国国家科学基金会(NSF CAREER 2048265)的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1,10-邻菲罗啉 | Sigma Aldrich | 131377-25G | |
| 双-Tris缓冲液 | Fisher | BP301-100 | |
| 瓶顶式0.45微米膜过滤器 | Nalgene | 296-4545 | 任何能够去除树脂且不引入污染物的过滤系统均可接受 |
| 氯化铜(II) | Alfa Aesar | 12458 | |
| EDTA | Sigma Aldrich | EDS-500G | |
| 电子吸收分光光度计 | Varian | Cary 5000 | 其他合适的高灵敏度分光光度计也可接受 |
| 高亲和力树脂 | Sigma Aldrich | C7901-25G | |
| 等温滴定微量热仪(ITC) | TA Instruments | Nano ITC Low Volume | |
| ITC分析软件 | TA Instruments | NanoAnalyze | SEDPHAT(Methods. 2015, 76: 137–148)也可使用 |
| ITC仪器控制软件 | TA Instruments | ITCRun | |
| 轻质精密擦拭纸 | Kimwipe | 34155 | |
| 加样注射器 | Hamilton | Syr 500 uL, 1750 TLL-SAL | |
| 配对石英比色皿 | Starna Cells, Inc | 16.100-Q-10/Z20 | 确保小体积比色皿的窗口与分光光度计光束高度匹配 |
| MOPS缓冲液 | Alfa Aesar | A12914 | |
| 分光光度计软件 | Cary | WinUV Scan | |
| 电子表格程序 | Microsoft | Excel | 任何合适的电子表格程序均可使用 |
| 滴定注射器 | TA Instruments | 5346 | |
| 超纯水 | Millipore Sigma | Milli-Q | 只要电阻率>18 MΩ,任何水源均可 |
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