蛋白質體學 Proteomics 2016 Protein Analysis 陳威戎 2016. 10. 31; 11.07 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。 Protein Analysis 陳威戎 2016. 10. 31; 11.07

a N-C-C-N-C-C-N-C-C ■ 蛋白質構造的骨架：    O R R O O N C O R O - R R + O R H R O O N C O R O - R R H + O R 說明文字 O O R O R COO - H3N + O O O    a H N-C-C-N-C-C-N-C-C R group

4 5 1 3 2 ■ 各 種 蛋 白 質 定 量 法 原 理 ： Coomassie Brilliant Blue G HN NH2 NH2+ Specific Binding Group -N=N- -NH- -OH -SO3- SO3- Arg Heme C NH3+ Lys Fe -N=N- -NH- -OH -SO3- SO3- R O H + N C - 活性區 Metal 說明文字 M 206 nm (carbonyl) C O NH2 H2N 1 C OH.. Tyr Cu2+ Cu+ 3 尿素 urea 280 nm (aromatic) Biuret Methods (carbonyl) Phosphomolybdic- phosphotungstate 2 UV Absorbance Lowry Methods

Coomassie Brilliant Blue G-250 ■ Bradford Method： Coomassie Brilliant Blue G-250 470 nm CBG 是一種指示劑 595 nm 說明文字 加入蛋白質 酸性環境下呈茶色 與蛋白質結合變藍色

■ BCA (bicinchoninic acid) method： 說明文字

- - ■ 酵 素 反 應 及 偵 測 方 法 ： 酵素 耦合反應 NAD+ NADH 反應物 生成物 能否直接測量？ 直接測量 使用大量反應物 10 x Km 反應物 酵素 - - 生成物可能有 回饋抑制 生成物 說明文字 能否直接測量？ 耦合反應 NAD+ NADH 移除生成物並 轉成可測量者 直接測量 把生成物再轉換成 可被測量的生成物

■ 測定時間內反應速率需成線性： Product Time 正確速率 不正確速率 說明文字 p p t v = t t

3 蛋白質結構測定方法 Methods for determining protein structure 1. Circular Dichroism (CD) 2. X-ray Crystallography 3. Nuclear Magnetic Resonance (NMR) 4. Cryo-Electronic Microscopy (Cryo-EM) 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

Circular Dichrosim (CD) Spectroscopy - Introduction 1. When plane polarized light passes through a solution containing an optically active substance the left and right circularly polarized components of the plane polarized light are absorbed by different amounts. 2. When these components are recombined they appear as elliptically polarized light. The ellipticity is defined as q. 3. CD is the ellipticity (difference) in absorption between left and right handed circularly polarized light that measured with spectropolarimeter. 4. Proteins and nucleic acids contain elements of asymmetry and thus exhibit distinct CD signals. 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

The principle behind CD spectroscopy 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。 The light from UV1 is passed into a Photo Elastic Modulator (PEM) which converts the linear polarized light into alternating left and right handed polarized light. The two polarizations are differently absorbed, and the difference in absorption is detected with a Photo Multiplier Tube (PMT)

Polarization Vertically Polarised Light 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。 Vertically Polarised Light Left Circularly Polarised (LCP) Light Horizontally Polarised Light Right Circularly Polarised (RCP) Light

Spectropolarimeter 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

Cuvette for Circular Dichroism 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

Far-UV (180-250 nm) CD for determining protein secondary structure The far-UV CD spectrum of proteins can reveal important characteristics of their secondary structure. CD cannot say where the alpha helices that are detected are located within the molecule or even completely predict how many there are. It can be used to study how the secondary structure of a molecule changes as a function of temperature or of the concentration of denaturing agents, e.g. Guanidinium chlorideor urea, thus revealing important thermodynamic information about the molecule. Anyone attempting to study a protein will find CD a valuable tool for verifying that the protein is in its native conformation before undertaking extensive and/or expensive experiments with it. 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

Far-UV (180-250 nm) CD for determining protein secondary structure Signal (+/-) WL (nm) a-helix + 190-195   - 208 222 b-sheet 195-200 215-220 random 200   coil 220 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

CD spectra measurement Path length: 1 mm Concentration: 0.2mg/ml Temp.: 20ºC Wavelength: 260-185 nm Scan speed: 100 nm/min Data interval: 0.1 nm Bandwidth: 1 nm  Measurement: 90 sec. per sample 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

Near-UV (250-350 nm) CD is dominated by aromatic amino acids and disulfide bonds The near-UV CD spectrum (>250 nm) of proteins provides information on the tertiary structure. The signals obtained in the 250–300 nm region are due to the absorption, dipole orientation and the nature of the surrounding environment of the phenylalanine, tyrosine, cysteine (or S-S disulfide bridges) and tryptophan. Unlike in far-UV CD, the near-UV CD spectrum cannot be assigned to any particular 3D structure. Rather, near-UV CD spectra provide structural information on the nature of the prosthetic groups in proteins, e.g., the heme groups in hemoglobin and cytochrome c. 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

Near-UV (250-350 nm) CD is dominated by aromatic amino acids and disulfide bonds a.a. residue Abs max. (nm) Phe 254, 256   262, 267 Tyr 276 Trp 282 Disulfides 250-300 broad band 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

Circular Dichrosim (CD) Spectroscopy - Applications 1. Secondary structure content of macromolecules 2. Conformation of proteins and nucleic acids - Effects of salt, pH, and organic solvents 3. Kinetics - Protein folding, unfolding, denaturation or aggregation 4. Thermodynamics - Protein stability to temperature or chemical denaturants 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

Circular Dichrosim (CD) Spectroscopy 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

Protein Denaturation and Folding 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。 Loss of protein structure results in loss of function

Methods for determining the three-dimensional structure of a protein: X-ray crystallography 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

structure of a protein: X-ray crystallography Determining the three-dimensional structure of a protein: X-ray crystallography 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

Protein crystallization techniques 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

Protein crystallization techniques 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

Typical protein crystals 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

X-ray diffractometer 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

X-ray diffractometer 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

X-ray diffractometer 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

Methods for determining the three-dimensional structure of a protein: X-ray crystallography Protocols: 1. Protein over-expression and purification 2. Protein crystallization 3. X-ray diffraction 4. Phase determination and electron density maps 5. Model building and refinement Advantages: 1. Best resolution 2. No size limitation (in contrast to NMR) Limitations: Technically very challenging to make crystals of proteins. (heterogeneous samples, membrane proteins, protein complexes) 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

Methods for determining the three-dimensional structure of a protein: Nuclear magetic resonance, NMR 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

Methods for determining the three-dimensional structure of a protein: Nuclear magetic resonance, NMR Protocols: 1. A concentrated aqueous protein sample (0.2-1 mM, 6-30 mg/mL) labeled with 13C and/or 15N is placed in a large magnet. 2. An external magnetic field is applied; 13C and 15N nuclei will undergo precession (spinning like a cone) with a frequency that depends on the external environment 3. From these frequencies, computer determines the through-bond (J coupling) and through-space (NOE) constants between every pair of NMR-active nuclei. 4. These values provide a set of estimates of distances between specific pairs of atoms, called "constraints“ 5. Build a model for the structure that is consistent with the set of constraints 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。

Methods for determining the three-dimensional structure of a protein: Nuclear magetic resonance, NMR Advantages: 1. Native like conditions – sample is hydrated, not in a crystal lattice 2. Can get dynamic information – observe conformational changes 3. Can look at relative disorder of specific regions of a protein – can see if a loop is static or flexible over time Limitations: 1. Not as high resolution as x-ray 2. Require a lot of protein to get a good signal 3. Require very concentrated samples (can get insoluble aggregates) 4. Limit on protein size measurable, since molecule must tumble rapidly to give sharp peaks. Typically, proteins must be <30kD. 純化酵素是一件非常基本的工作，很多重要的研究，都脫不開酵素的純化工作。而大多數酵素的純化，基本上也脫不開一些最基本的原則。 首先，建立一個完善的酵素實驗室是很必要的；我們把許多實驗室內的運作細節一一交代，期望同學能認知這些經驗，確實接收並養成習慣，且期望應用到將來每個人的研究工作上。 最先遇到，但是最容易被忽視的步驟，就是材料處理及總蛋白質的抽取。將提醒你小心選擇採料的種類、時期、部位等，並選擇一個良好的粗抽取方式，以便有一個良好的開始。