【熱點(diǎn)應(yīng)用】揭秘蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性！

#本文由馬爾文帕納科醫(yī)藥業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理 韓佩韋博士供稿#

蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性研究對于加深對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能的了解有著非常重要的意義。差示掃描量熱技術(shù)（DSC）是直接測量熱轉(zhuǎn)變過程焓變（ΔH）的分析方法，例如蛋白質(zhì)，核酸或其他生物多聚物的熱變性過程，為表征蛋白質(zhì)及其他生物分子的熱穩(wěn)定性建立“金標(biāo)準(zhǔn)"技術(shù)。

一、焓變對于蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性意味著什么？

1，什么是焓（hán）變（ΔH）？

ΔH（焓變）是在恒壓狀態(tài)下將系統(tǒng)升高至溫度T過程中攝取的總能量。對于蛋白質(zhì)而言，這意味著用于使蛋白質(zhì)發(fā)生去折疊所花費(fèi)的能量（熱量），此過程中 ΔH 是為正值，代表這是一個(gè)吸熱過程。這種能量與蛋白質(zhì)中所有原子和分子運(yùn)動(dòng)相關(guān)，以及維系蛋白質(zhì)保持折疊構(gòu)象中的鍵能。

通過將吸熱譜圖下方的面積進(jìn)行積分（見圖 1）可以計(jì)算得到焓變（ΔH）。焓變用每摩爾蛋白質(zhì)的吸收的卡路里（或焦耳）來表示。由于蛋白質(zhì)在 DSC 實(shí)驗(yàn)中暴露于升高的溫度，因此蛋白質(zhì)開始發(fā)生熱變性，并伴隨著非共價(jià)鍵的斷裂。焓變（ΔH）與維系蛋白質(zhì)天然（折疊）構(gòu)象中所需的價(jià)鍵數(shù)量有關(guān)。焓變（ΔH）也取決于我們測量總蛋白質(zhì)濃度的準(zhǔn)確程度。如果蛋白質(zhì)濃度不是很準(zhǔn)確, 則會(huì)影響到計(jì)算出的ΔH值。

2，焓變（ΔH）值可以在實(shí)踐中告訴我們什么？

當(dāng)您比較不同蛋白質(zhì)的DSC結(jié)果時(shí)，具有較大ΔH值的蛋白質(zhì)不一定比具有較小ΔH的蛋白質(zhì)更穩(wěn)定。由于ΔH值會(huì)對蛋白質(zhì)摩爾濃度歸一化，因此該值通常與蛋白質(zhì)的尺寸成比例。大多數(shù)蛋白質(zhì)具有相同的鍵密度（單位體積內(nèi)的價(jià)鍵數(shù)量），因此，期待具有較大分子量的蛋白質(zhì)也具有較大的焓變（ΔH）值也是合理的。

3，焓變（ΔH）的決定因素是什么？

焓變（ΔH）取決于溶液中天然蛋白質(zhì)的百分比。

一個(gè)非常重要的考慮是DSC僅測量初始處于折疊（天然）構(gòu)象中的蛋白質(zhì)的ΔH值。ΔH值取決于具有折疊（活性）構(gòu)象的濃度。如果初始折疊蛋白質(zhì)組分小于總蛋白質(zhì)濃度（即活性濃度小于100％），則計(jì)算出的ΔH值將相應(yīng)地變小。

下圖顯示了在儲(chǔ)存期間的不同時(shí)間測量的相同蛋白質(zhì)的DSC圖譜。藍(lán)色曲線圖譜表示新鮮制備的蛋白質(zhì)，是100％天然（折疊）蛋白質(zhì)。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)樣品在儲(chǔ)存期間發(fā)生部分變性時(shí)，溶液中的天然蛋白質(zhì)的比例開始下降，導(dǎo)致DSC圖譜的焓變降低。當(dāng)我們擁有100％天然蛋白質(zhì)的參考DSC圖譜時(shí)，我們可以根據(jù)不同狀態(tài)樣品的相對ΔH值來估計(jì)每個(gè)樣品中的折疊蛋白質(zhì)比例。

4，如何判斷蛋白質(zhì)是否失活？

到目前為止，我們已提及的焓變是指通過DSC儀器直接測量到的“熱"焓，也就是熱力學(xué)焓變，通常表示為ΔH_cal，這是其他任何非量熱技術(shù)，例如圓二色譜（CD），表面等離子共振（SPR）等技術(shù)不能獲取的焓變量。

還有另一種其他技術(shù)可以獲取的焓變類型，即范霍夫焓變 - ΔH_VH，我們同樣可以通過DSC數(shù)據(jù)計(jì)算得出。范霍夫焓變（ΔH_VH）可從通過DSC非兩狀態(tài)模型（non-2-state model）擬合得到。

兩種不同的焓變對蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性的測定又有什么實(shí)際意義呢？

在DSC技術(shù)中，ΔH_cal僅由DSC熱轉(zhuǎn)變峰曲線積分的面積來確定，而ΔH_VH僅通過熱轉(zhuǎn)變峰曲線的形狀來確定。轉(zhuǎn)變峰形越尖銳，ΔH_VH越大，反之亦然。ΔH_cal是具有濃度依賴性的，但ΔH_VH不是。

若ΔH_cal/ΔH_VH比例為1，通常意味著所研究的熱轉(zhuǎn)變狀態(tài)符合兩狀態(tài)去折疊（Two-state unfolding model）模型。如果ΔH_cal/ΔH_VH比例大于1，則意味著存在顯著密集的中間體存在;  而ΔH_cal/ΔH_VH比小于1，則意味著存在分子間相互作用。

使用ΔH_cal/ΔH_VH可以幫我們估測是否有很大部分蛋白質(zhì)是失活的。如果我們有一個(gè)簡單的單結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)，并且假定沒有中間體，則我們可以預(yù)測，其去折疊過程的ΔH_cal/ΔH_VH的比值不會(huì)遠(yuǎn)離1。因此，如果ΔH_cal顯著低于ΔH_VH，可以表明很大部分蛋白質(zhì)已經(jīng)失活。

綜上所述，對DSC中ΔH數(shù)據(jù)的分析可以讓我們了解蛋白質(zhì)的去折疊機(jī)制，以及多少蛋白質(zhì)處于其活性的天然構(gòu)象。

二、TM值如何與和蛋白質(zhì)穩(wěn)定性相關(guān)？

中點(diǎn)轉(zhuǎn)變溫度T_M

我們可以從DSC數(shù)據(jù)中提取多個(gè)熱力學(xué)參數(shù)，例如ΔH，ΔHVH（范霍夫焓變），ΔCP和ΔG，但*泛使用的參數(shù)是T_M。順便提一下，這也是最容易和最準(zhǔn)確的值 - T_M是最大峰值所對應(yīng)的溫度。

 “蛋白質(zhì)穩(wěn)定性"有多種定義。最常見的是，對于工業(yè)上有重要意義的蛋白質(zhì)，該術(shù)語是指在生理溫度下的功能（或操作）穩(wěn)定性; 即，他們可以在37°C下發(fā)揮多長時(shí)間的生物功能？這可以通過需要花幾天或數(shù)周時(shí)間的等溫研究來評估，或者，如果使用差示掃描量熱法（DSC），則可以在幾分鐘內(nèi)變性蛋白質(zhì)。

通過DSC獲得的哪個(gè)熱力學(xué)參數(shù)與功能穩(wěn)定性相關(guān)度最佳？事實(shí)證明，是T_M值。

熱力學(xué)穩(wěn)定性（ΔG）是功能穩(wěn)定性的較差的預(yù)測因子; 技術(shù)上，ΔG僅適用于可逆去折疊過程，此外，它由T_M，ΔH和ΔCP計(jì)算得到，后者可能很難獲取。

一個(gè)例子是T_M和ΔG與肉桿菌蛋白抗原血清型C的半數(shù)聚集時(shí)間(half time)（作為功能穩(wěn)定性的量度）的相關(guān)性，用作模型蛋白。ΔG與T_{1 / 2 agg.} 相關(guān)系數(shù)（R）僅為0.4，而T_M 與 T_{1 / 2 agg.}的相關(guān)系數(shù)是0.92。（來自J Pharm Sci的數(shù)據(jù)，2011 Mar; 100（3）：836-48）

思考T_M的一種方式：

如下圖所示，假設(shè)我們用 DSC 掃描兩種不同配方中的蛋白質(zhì)或兩種不同的蛋白質(zhì)構(gòu)建體，則 T_M 值向低溫方向 5℃ 的負(fù)偏移（穩(wěn)定性下降）實(shí)際上反映了在 37℃ 條件下的 Fu （蛋白去折疊比例）由2％增加到 3％。溫度 T 下的 Fu 蛋白可以通過圖像化的方式估算，即溫度 T 以下的曲線下陰影區(qū)域面積和整個(gè)曲線下方面積的百分比。

由于聚集體的生成可能是濃度依賴的過程，因此較高濃度的去折疊蛋白質(zhì)（紅色掃描曲線）將導(dǎo)致較快的聚合（更大組分的去折疊狀態(tài)（U）才能轉(zhuǎn)換為不可逆變性狀態(tài)（I）。參見下面的原理圖。

這種解析的一個(gè)推論是，曲線的整體形狀應(yīng)該是相似的。我們假定這種情況是對于在不同配方中的相同蛋白質(zhì)或由一個(gè)母分子衍生出來的具有相似構(gòu)建體的蛋白質(zhì)。但是，對于*不同的蛋白質(zhì)，使用T_M值作為用于穩(wěn)定性比較的預(yù)測指標(biāo)則應(yīng)該謹(jǐn)慎使用。

擴(kuò)展閱讀

Differential Scanning Calorimetry (DSC): Theory andpractice

Differential Scanning Calorimetry (DSC) forBiopharmaceutical Development: Versatility and Power

The Power of Heat: Digging Deeper with DifferentialScanning Calorimetry to Study Key Protein Characteristics

PEAQ-DSC 微量熱差示掃描量熱儀：DSC

差式掃描量熱法（DSC）是一種直接分析天然蛋白質(zhì)或其他生物分子熱穩(wěn)定性的技術(shù)，無需外在熒光素或者內(nèi)源熒光，它通過測定在恒定的升溫速率下使生物分子發(fā)生熱變性過程中的熱容變化來實(shí)現(xiàn)。

馬爾文帕納科 MICROCLA PEAQ-DSC 微量熱差示掃描量熱儀能夠幫助用戶快速確認(rèn)維持高級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的最佳條件，提供簡介、無縫的工作流程和自動(dòng)化批量數(shù)據(jù)分析，其所提供的熱穩(wěn)定性信息被業(yè)內(nèi)視為“金標(biāo)準(zhǔn)"技術(shù)，是一種非標(biāo)記、全局性的數(shù)據(jù)。

關(guān)于馬爾文帕納科

馬爾文帕納科的使命是通過對材料進(jìn)行化學(xué)、物性和結(jié)構(gòu)分析，打造出客戶導(dǎo)向型創(chuàng)新解決方案和服務(wù)，從而提高效率和產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。通過利用包括人工智能在內(nèi)的最近技術(shù)發(fā)展，我們能夠逐步實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這將讓各個(gè)行業(yè)和組織的科學(xué)家和工程師可解決一系列難題，如提高生產(chǎn)率、開發(fā)更高質(zhì)量的產(chǎn)品，并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。