Editorial Feature

蛋白质圆二色光谱学的最新进展

在光谱学中操纵光的偏振可以揭示先前隐藏的有关感兴趣物种的光谱和结构信息。一个关键的例子是在蛋白质研究中使用圆偏振光进行圆二色性测量。

蛋白质结构

图片来源:Sergei Drozd/Shutterstock.com

超过 24,000 篇论文利用了这种技术的力量,圆二色性已被证明是蛋白质结构鉴定和恢复药物结合和相互作用位点信息的宝贵工具。1

手性物种的问题 

圆二色性涉及观察系统在暴露于左旋或右旋圆偏振光时的响应有何不同。

许多分子不显示圆二色性信号。然而,手性物质将优先吸收一种状态的圆偏振光,从而导致整体不同的信号。

手性分子的典型例子是氨基酸。这种手性在结合到更大的蛋白质结构中时通常会保留下来,这在药物开发过程中构成了重大挑战。在这里,药物分子的不同对映异构体不一定以相同的方式与蛋白质相互作用。2

尽管如此,这仍为研究蛋白质结构的许多方面提供了有用的光谱处理。

目前研究圆二色性的方法

蛋白质圆二色性的关键应用之一是确定二级结构。不同的结构排列,例如 α 螺旋结构或 β 折叠片,在电磁光谱的紫外区域的圆二色光谱中具有特征带。3

圆二色光谱中带位置和光谱形状的变化可用于监测蛋白质折叠以及提供对结构无序程度的估计。存在几个数据库和记录的工作流程,用于几乎完全自动化的圆二色光谱分析,可以预测可能的结构。1

圆二色性也是制药行业的一种首选工具,作为一种无损技术,用于药物和蛋白质生产、工艺优化和生物靶标相互作用研究的质量控制。

补充工具的最新进展 

虽然圆二色性单独是一种有价值的工具,但它越来越多地与互补的理论和实验方法一起使用,包括分子动力学模拟和其他结构生物学技术,如 X 射线衍射。1

例如,热熔圆二色性与二级结构分析工具的 DichroWeb 套件一起使用,以进行对接研究,以确定抗惊厥药物丙戊酸的相互作用位点。4

理论建模方法的进步提高了在给定温度下确定潜在蛋白质结构的准确性和速度。不仅如此,这些方法还能够开发用于预测圆二色性光谱的新工具。

一组方法利用基于晶体结构几何形状的量子化学计算来模拟圆二色性信号5;其他的,例如 PDB2CD 和 PDBMD2CD 服务器,使用最小二乘拟合来引用类似蛋白质的数据集。6,7

虽然 UV 区域通常是执行 CD 测量的首选光谱范围,但同步加速器处的 X 射线圆二色性光束线已变得越来越普遍,以便在测量中实现更大的位点特异性。

振动圆二色性涉及使用红外光的测量,是另一个积极发展的领域,已证明在蛋白质原纤维研究中特别成功。8

圆二色性的未来

紫外圆二色性已经是许多行业(例如制药行业)的成熟技术。圆二色性表征单克隆抗体等物种的能力9 这意味着它可能仍然是支持新疗法开发和测试的流行工具。

由于来自蛋白质的圆二色性信号通常很小,因此开发等离子体结构以增强生物结构的圆二色性特征可能会变得更加普遍。9 建模的发展将继续改进从测量中获得的结构信息。它们可能会在旨在阐明药物-底物相互作用机制的研究中发挥越来越大的作用。

需要克服的挑战

在电磁光谱的 UV 区域工作通常会给与所需光学器件相关的桌面实验带来重大挑战。紫外圆二色性对未取代的碳水化合物等物种的成功有限,其中亚 200 nm 波长对于完整的结构研究是必要的。

许多溶剂在该区域具有显着吸收,稳定蛋白质和控制其环境条件所需的缓冲系统也是如此,这可能会引起干扰。 

圆二色性测量的另一个挑战是测量对所用设备和样品制备的细微差异高度敏感。

已经为最佳实践、样品制备和校准程序创建了指南,但仍然需要跨不同仪器进行更可重复的测量。虽然一些挑战是样品类型本身固有的,因为蛋白质很容易降解或聚集,但其他挑战是由于蛋白质固有的小信号。用于缩短扫描时间的更灵敏的仪器或增强蛋白质信号的方法将有助于解决这个问题。

参考资料和进一步阅读

Miles, A.、Janes, R. 和 Wallace, B.,(2021 年)蛋白质圆二色光谱的工具和方法:教程回顾。 化学学会评论, 50(15), pp.8400-8413。可在: //doi.org/10.1039/d0cs00558d [2021 年 8 月访问]

H. Brooks, W.、C. Guida, W. 和 G. Daniel, K.,(2011 年)药物设计和开发中手性的重要性。 药物化学的当前主题, 11(7), pp.760-770。可在:  //doi.org/10.2174/156802611795165098 [2021 年 8 月访问]

Greenfield, N., (2006) 使用圆二色光谱估计蛋白质二级结构。 自然协议, 1(6), pp.2876-2890。可在: //doi.org/10.1038/nprot.2006.202 [2021 年 8 月访问]

Zanatta, G., Sula, A., Miles, A., Ng, L., Torella, R., Pryde, D., DeCaen, P. 和 Wallace, B., (2019) 丙戊酸与 NavMs 电压的相互作用-门控钠通道。 美国国家科学院院刊, 116(52), pp.26549-26554。可在: //doi.org/10.1073/pnas.1909696116 [2021 年 8 月访问]

Drew, E. 和 Janes, R., (2020) PDBMD2CD:提供来自多个分子动力学生成的蛋白质结构的预测蛋白质圆二色光谱。 核酸研究, 48(W1), pp.W17-W24。可在: //doi.org/10.1093/NAR/GKAA296 [2021 年 8 月访问]

Mavridis, L. 和 Janes, R., (2016) PDB2CD:基于网络的应用程序,用于从蛋白质原子坐标生成圆二色光谱。 生物信息学, 33(1), pp.56-63。可在: //doi.org/10.1093/bioinformatics/btw554 [2021 年 8 月访问]

Nafie, L., (2020) 振动光学活动:从发现和开发到未来挑战。 手性, 32(5), pp.667-692。可在: //doi.org/10.1002/chir.23191 [2021 年 8 月访问]

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丽贝卡·英格尔,博士

撰稿人

丽贝卡·英格尔,博士

Rebecca Ingle 博士是超快光谱学领域的研究员,她擅长使用 X 射线和光谱学来精确跟踪光触发化学反应过程中发生的情况。

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    Ingle, Rebecca. (2021, August 25). 蛋白质圆二色光谱学的最新进展. AZoOptics. Retrieved on September 28, 2021 from //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1987.

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    英格尔,丽贝卡。 “蛋白质圆二色光谱的最新发展”。 偶氮光学. 28 September 2021. .

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    英格尔,丽贝卡。 “蛋白质圆二色光谱的最新发展”。 AZoOptics. //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1987. (accessed September 28, 2021).

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    英格尔,丽贝卡。 2021。 蛋白质圆二色光谱学的最新进展. AZoOptics, viewed 28 September 2021, //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1987.

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