超靈敏ITC和DSC是互補(bǔ)的技術(shù)

超靈敏ITC和DSC是互補(bǔ)的技術(shù)

摘要: 超靈敏的等溫滴定量熱計(jì)（ITC）和示差掃描量熱計(jì)（DSC）是互補(bǔ)的技術(shù)，能夠提高我們對生物分子相互作用的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性變化的認(rèn)識。它們的聯(lián)用是最佳的組合。該聯(lián)用技術(shù)能夠提供獨(dú)特的方法分析如蛋白質(zhì)、核苷酸和它們的復(fù)合物的分子結(jié)構(gòu)。 電導(dǎo)計(jì)| 水分測定儀| 濁度計(jì)| 色度計(jì)| 粘度計(jì)| 折射計(jì)| 滴定儀| 密度計(jì)| 熱流計(jì)| 濃度計(jì)| 折射儀| 采樣儀|

    在常溫下測量非常小的反應(yīng)熱量的儀器（等溫滴定量熱計(jì)[ITC]）和測量由溫度引起的較小熱量的儀器（示差掃描量熱計(jì)[DSC]）是超靈敏的量熱儀器，它們在生物技術(shù)的研究中起著非常重要的作用。由于超靈敏的熱量測定能夠提供生物大分子結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)信息和生物大分子與其他大分子或者小分子相互作用的信息，而這些信息恰恰是整個生物過程的中心，因而這些信息不僅引起了生命科學(xué)家極大的興趣，而且對未來生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和制藥科學(xué)的發(fā)展起著不可缺少的作用。 
    現(xiàn)今的超高靈敏的量熱計(jì)提供了獨(dú)特的方法去分析如蛋白質(zhì)、核苷酸和它們的復(fù)合物的分子結(jié)構(gòu)。隨著我們對生物分子結(jié)構(gòu)和相互作用的不斷深入，可能會發(fā)現(xiàn)和發(fā)展新型的生物活性產(chǎn)品。 
    由于單獨(dú)的結(jié)構(gòu)信息不足以了解生物分子的功能，從而量熱分析成為研究熱點(diǎn)之一。這就需要通過熱力學(xué)的知識來測定生物分子和它們復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。得到這個信息的唯一途徑是通過直接量熱測定單個分子（蛋白質(zhì)、核苷酸等）的熱性質(zhì)，也就是熱容量和相互作用產(chǎn)生的熱量。 
    了解和精確地量化這種相互作用需要了解生物大分子、它們的突變體和合成類似物的特征結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性變化。這些變化是由不同的外部條件或者它們的結(jié)合分子與配體相互作用引起的。雖然這些過程可以用多種物理方法進(jìn)行研究，但只有超靈敏熱量測定能夠直接提供所涉及的能量信息。 
    大分子結(jié)合過程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)非常小，而且可利用的蛋白質(zhì)和核苷酸的數(shù)量有限。為了測量這些熱效應(yīng)，發(fā)展了兩種類型的超靈敏的微型量熱計(jì)：DSC測量溫度變動引起的熱效應(yīng)，ITC測量恒溫條件下熱相互作用。兩種類型的量熱方法相互補(bǔ)充，只有將兩者結(jié)合才能得到研究的目標(biāo)分子和它們相互作用的能量信息。 
    研究者們已經(jīng)了解這兩種工具是相互補(bǔ)充的：只有將ITC 和 DSC同時用來研究生物分子系統(tǒng)時才能得到大分子之間相互作用的完整熱力學(xué)描述（這是所有生物學(xué)功能的基礎(chǔ)）。利用這兩種技術(shù)研究在稀水溶液中的生物分子系統(tǒng)很重要，這是因?yàn)榇蠓肿酉嗷プ饔靡蕾囉诜肿拥木�確結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，而它們都與溫度有關(guān)。因此，盡管ITC提供兩個結(jié)合分子強(qiáng)度的詳細(xì)信息，但是對于了解相互作用分子的熱性質(zhì)，DSC是不可缺少的。認(rèn)識到這些會顯著地影響制藥工業(yè)，對與目標(biāo)大分子有高親和力和特異性的活性分子藥物的研究開辟了新的途徑。 
    超高靈敏的量熱計(jì)能顯著地提高分析的可靠性、基線的重現(xiàn)性和數(shù)據(jù)的一致性，從而能夠進(jìn)行更加精確的測量。在許多情況下，這些儀器能夠使得科學(xué)家在單次實(shí)驗(yàn)中獲得更加精確的測量，不必要進(jìn)行多次測量，從而節(jié)約了時間和費(fèi)用。 
    Nano DSC III (Calorimetry Sciences Corp. [CSC], Lindon, UT)可以確�？茖W(xué)家獲得穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)基線；能夠在較大溫度范圍內(nèi)測量稀溶液中感興趣的大分子的熱容量以及蛋白質(zhì)和特異性配體結(jié)合時的熱容變化，并檢測出蛋白質(zhì)和配體結(jié)合的結(jié)構(gòu)域。由于這些測量結(jié)果是在較大的溫度范圍內(nèi)獲得，因而可以基于這些結(jié)果對采用熱量計(jì)獲得的結(jié)合熱數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。通過這種校正可以建立起熱力學(xué)與復(fù)合物結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，這對于分析不同配體的行為和找尋生物活性藥物是非常重要的。 
    雖然ITC非常適合于跟蹤生物分子間結(jié)合反應(yīng)熱力學(xué)，但是將ITC和DSC相結(jié)合能夠提供系統(tǒng)熱力學(xué)更全面的描述，并且兩種技術(shù)的聯(lián)用僅使用非常少量的樣品。當(dāng)用ITC研究一個系統(tǒng)時，其數(shù)據(jù)可以明顯地說明發(fā)生了什么，以此為依據(jù)，使用者就可以推斷出各種條件。但如果沒有正確的DSC數(shù)據(jù)，研究人員就不能對ITC數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的修正來進(jìn)行推斷和應(yīng)用。 
    從本質(zhì)上講，ITC是一個熱力學(xué)技術(shù)，它能夠監(jiān)測加入任何一個結(jié)合組分引起的化學(xué)反應(yīng)，而成為生物分子相互作用表征的一個選擇方法。當(dāng)物質(zhì)結(jié)合以后，熱量就會被吸收或者釋放。測定這個熱量可以準(zhǔn)確地確定結(jié)合常數(shù)、化學(xué)反應(yīng)計(jì)量學(xué)、焓和熵，單次實(shí)驗(yàn)就能夠提供分子相互作用的完整的熱力學(xué)信息。 
    DSC可以用來研究生物大分子和類脂膜構(gòu)象變化引起的熱量以及生物大分子和生物膜結(jié)合配體引起的熱量。伴隨著構(gòu)象變化和結(jié)合反應(yīng)，能夠容易地測定熱容量、焓和熵的變化。將DSC與壓力-體積變化結(jié)合，還可以測定自由能、壓縮率和熱膨脹系數(shù)。 
    單獨(dú)使用ITC的缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)人員需要在多個溫度下進(jìn)行測定實(shí)驗(yàn)，然后從ITC數(shù)據(jù)中得到熱容量對溫度的函數(shù)。然而，他們沒有考慮到天然蛋白質(zhì)的變化以及相應(yīng)熱容量的變化。因此要精確地測定那些熱力學(xué)參數(shù)需要超靈敏的DSC和超穩(wěn)定的基線。 
    CSC Nano DSC III 和Nano ITC III 是內(nèi)置式的功率補(bǔ)償量熱計(jì)(見圖1和2). 這些高精密度的量熱計(jì)非常適合于生物大分子研究。由于許多生物大分子非常昂貴或者是難以得到，而不同的反應(yīng)與它們在溶液中的濃度有關(guān)，因此就需要適合于掃描和滴定、使用少量的樣品（微克級的生物大分子）、可以進(jìn)行可靠的測量的儀器。

結(jié)論

    超靈敏ITC和DSC是互補(bǔ)的技術(shù)，能夠提高我們對生物分子相互作用的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性變化的認(rèn)識。它們的聯(lián)用是最佳的組合，能夠提供獨(dú)特的方法用來分析蛋白質(zhì)、核苷酸以及它們復(fù)合物等物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)。