等温滴定量热仪

发布者:食用野生植物保育与利用 湖北省重点实验室发布时间:2018-12-19浏览次数:602

            ITC仪器使用功能介绍

 

1.本仪器工作原理简介

    在绝热的条件下,给参比池和样品池设置一个恒定的功率差,当一种反应物由注射器加入到样品池中时,与样品池中的另一种反应物发生反应,造成样品池和参比池之间的功率差发生变化,这种变化可被仪器准确地检测到,吸热反应引起恒温功率的正反馈;而放热反应引起恒温功率的负反馈。

 

2.本仪器应用领域范围

  (1蛋白质-小分子药物相互作用(2)蛋白质-金属离子相互作用(3)蛋白质-表面活性剂相互作用(4)药物设计与开发

 

3.本仪器可以完成的实验技术,及每个小实验技术对应的原理简介

  (1)蛋白质-小分子药物相互作用

为了能够更好地研究蛋白质与小分子化合物相互作用的情况,等温滴定量热技术通常与一些特异性方法(如光谱学方法)结合使用,共同验证实验结果的可靠性。Himanshu Ojha 等人报导了叶酸(FA)与BSA 的相互作用,ITC的数据结果显示BSA 有两个作用位点,另一个比较类似的研究表明BSA FA的结合属于1:1的结合,即N1。这两个实验都是将ITC与荧光光谱法和圆二色谱法结合使用,结果表明,BSAFA 的结合主要是由氢键和静电作用引起的,且在结合过程中,BSA的构象发生了变化。Neelam KeswaniXudong Li运用荧光、紫外-可见及圆二色谱法研究了HSA与抗癌药物的相互作用,热力学参数表明其结合主要是由静电作用引起的。Niki S. Jha and Nand Kishore,Yue Zhang et al. 分别研究了BSA与链霉素和二硝基苯酚的相互作用。Qiang Zhao et al.Min Liu et al.分别对HSA与秋水仙素和芍药醇及其两个同分异构体的相互作用进行了研究。Coassolo等人用量热法研究了HSA与一种抗癌化疗试剂的相互作用,得到了结合常数、结合位点、反应的熵变、焓变及自由能。结果证明:ITC是一种能够很好测定药物与蛋白相互作用的热力学参数的方法。Hatsumi等人在这方面做了很多研究,包括脂肪酸、吩曝嗦类衍生物以及一些离子型药物等。此外,其它蛋白及离子的相互作用也有很多报道。

  (2)蛋白质-金属离子相互作用

金属基蛋白是体内蛋白质中的一种非常重要的蛋白质,它们有多种不同的类型,包酶催化蛋白、运输蛋白、储存蛋白和信号传导蛋白等。因此研究蛋白质对金属结合或释放的机理是特别重要的。钙调蛋白是一种对钙离子具有高亲和力的蛋白质,其生理功能主要是参与钙离子的运输,从而促进机体对钙的吸收 。Latha-Selvi Canabady-Rochelle et al.运用ITCpH循环研究了Ca2+诱导大豆蛋白质的聚合及相互作用机理,结果表明,Ca2+与大豆蛋白的结合主要是通过Ca2+H+的置换。Ali Akbar Saboury研究了HSA与二价镍离子的相互作用,ITC条件为30 mM Tris 缓冲液, pH 7.0, 300 K。结果显示,一摩尔的镍离子和一摩尔的HSA相互作用的结合焓是-36.5 kJ,平衡常数是0.57μM-1。ITC也被应用于阿尔兹海默症的研究中,已有的研究表明金属锌离子参与了β-淀粉体的沉积和纤维斑块的形成。此外,Al3+、Cr3+、Pb2+、Hg2+、Fe3+、Mg2+等多种金属与蛋白质的相互作用都可以运用ITC进行研究。

  (3)蛋白质-表面活性剂相互作用

表面活性剂是一类能够降低溶剂表面张力的两亲性分子,其两端分别为极性的亲水基团和非极性的疏水基团,故而常用于食品、化妆品及照相工业中等。而蛋白质是一种具有特殊结构的两亲性电解质,因此,研究蛋白质与表面活性剂的相互作用存在着特殊的意义。Abdol-Khalegh Bordbar等人运用ITC在接近生理条件下研究了HSA与阳离子表面活性剂氯化十六烷基吡啶(CPC)的相互作用,实验表明,在低浓度(低于0.022mM)条件下,两者的结合是放热的,且焓变与温度无关,但在较高浓度时,反应吸热且焓变受温度的影响,并结合紫外-可见光谱法和圆二色谱法证实了实验结果。Anders D. Nielsen等人也将ITC和荧光光谱法结合使用,研究角质酶(HiC)与十二烷基硫酸钠(SDS)的相互作用。研究表明,在22,pH7.0,[SDStot1.0mM时,结合14SDSHiC变性,当[SDStot2.2mM时,HiC能够结合39SDS,并达到饱和。

   (4)药物设计与开发

在药物研发过程中,大部分目标化合物有相似的结构或活性位点,一种好的药必须具备高亲和力和高选择性的特点,等温滴定量热技术是唯一一种能够同时提供熵和焓组合方法,因此,它迅速的成为药物设计和开发的一项有力工具。

等温滴定量热技术是生物系统中连接结构和功能的桥梁,它的理论基础是

ΔG=-RTlnKD(1-1)

ΔG=ΔH-TΔS   (1-2)

(1-1)式中,在恒定温度下,反应的结合常数KD是恒定的,那么反应自由能ΔG就是一定的,但是,由(1-2)看出,固定的ΔG可以对应不同的ΔHΔS组合。然而,焓变(ΔH)和熵变(ΔS)的不同揭示了其结合机制在本质上的不同,即同样的亲和力有着不同的微观世界,这为药物开发及先导化合物的选择和优化提供依据。