膜蛋白研究推薦工具——去垢劑

膜蛋白是結(jié)合或整合在細(xì)胞膜或細(xì)胞器上的一類(lèi)蛋白，在各種重要的生理活動(dòng)中發(fā)揮著重要作用。人類(lèi)基因組約三分之一的基因都用于編碼膜蛋白^[1-2]。作為生物膜功能的主要承擔(dān)者，膜蛋白負(fù)責(zé)細(xì)胞內(nèi)外和細(xì)胞間的物質(zhì)運(yùn)輸、能量傳遞和信息傳導(dǎo)等。其功能紊亂常常與人類(lèi)重大疾病相關(guān)，因此膜蛋白是一類(lèi)非常重要的藥物靶點(diǎn)。

圖1 細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)示意圖

去垢劑也稱(chēng)為表面活性劑，是一類(lèi)同時(shí)具有親水頭部和疏水尾部的分子，能夠使脂膜解體釋放膜蛋白并維持去膜狀態(tài)下膜蛋白結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性。去垢劑的雙極性和理化特性如臨界膠束濃度能夠極大影響去垢劑和膜蛋白間的相互作用。在膜蛋白研究中需要充分利用去垢劑的結(jié)構(gòu)和特性：一方面需要利用去垢劑代替脂質(zhì)分子支持和穩(wěn)定去膜狀態(tài)下膜蛋白的結(jié)構(gòu)和功能；另一方面需要控制去垢劑和膜蛋白的相互作用以滿(mǎn)足膜蛋白結(jié)構(gòu)研究如蛋白質(zhì)結(jié)晶試驗(yàn)的要求。

圖2 去垢劑結(jié)構(gòu)、膠束的形成和在膜蛋白中的應(yīng)用

按照所帶電荷情況，去垢劑可大致分為離子型去垢劑、非離子型去垢劑和兩性離子去垢劑。

離子型去垢劑可分為陽(yáng)離子型去垢劑和陰離子去垢劑，其分子整體帶有凈電荷，能夠與膜蛋白發(fā)生較強(qiáng)的相互作用，因此能夠高效的將膜蛋白從生物膜上提取出來(lái)。膜蛋白研究中應(yīng)用較早的去垢劑大多為提取率較高的離子型去垢劑，但這種相互作用極易破壞膜蛋白的結(jié)構(gòu)和功能，得到的膜蛋白去垢劑復(fù)合物無(wú)法滿(mǎn)足大多數(shù)下游研究的要求。

表1  常用離子型去垢劑

非離子型去垢劑，也稱(chēng)中性去垢劑，其分子內(nèi)不帶電荷，但其形成的膠束與生物膜磷脂雙分子層體系類(lèi)似，因此可以將膜蛋白從生物膜上有效的溶解下來(lái)。中性去垢劑主要靠疏水相互作用來(lái)溶解膜蛋白，溶解下膜蛋白后，在膜蛋白疏水部位附著，形成膜蛋白去垢劑復(fù)合物。由于疏水相互作用力較弱，所以中性去垢劑對(duì)膜蛋白的溶解效率較低，但是能夠很大程度上保護(hù)膜蛋白結(jié)構(gòu)和功能的完整性。

n-辛基-β-D-吡喃葡萄糖苷用于溶解處于天然狀態(tài)的膜結(jié)合蛋白和制備脂質(zhì)囊泡。其明確的化學(xué)結(jié)構(gòu)、小而均勻的膠束和高水溶性使其在膜溶解方面優(yōu)于大多數(shù)其他非離子型去垢劑。由于n-辛基-β-D-吡喃葡萄糖苷臨界膠束濃度在20-25mM，與膽汁酸及其鹽類(lèi)相比，其具有易通過(guò)透析去除的額外優(yōu)勢(shì)。

表2  常用非離子型去垢劑

兩性去垢劑分子整體不帶凈電荷，但其分子內(nèi)一般帶由等量相反的電荷，其對(duì)蛋白的溶解性和結(jié)構(gòu)功能的破壞性大多處于離子型去垢劑和中性去垢劑之間。

CHAPS可用于溶解膜蛋白以及打斷蛋白與蛋白之間的相互作用，具有低膠束分子量和高臨界膠束濃度的特點(diǎn)，因此可通過(guò)透析從樣品中除去。它也適合在等電聚焦和二維電泳中溶解蛋白質(zhì)。CHAPS常用于非變性（無(wú)尿素）等電聚焦，已發(fā)現(xiàn)它對(duì)某些亞細(xì)胞制備物和植物蛋白能夠得出優(yōu)異的分辨率。通常將介于2-4%（w/v）間的濃度用于等電聚焦凝膠。而CHAPSO具有更多的極性頭部基團(tuán)，因此相比于CHAPS其更易溶解膜蛋白。

表3  常用兩性去垢劑

[1] MARTIN J,SAWYER A. Elucidating the structure of membrane proteins[J]. BioTechniques,2019,66(4): 167-70.
[2] STEVENS TJ, ARKIN I T. The effect of nucleotide bias upon the composition and predictionof transmembrane helices[J]. Protein Sci, 2000, 3.

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