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水母发光物质的基本结构

作者:生命科学事业部时间:2019-10-13 16:36:14浏览216 次

信息摘要:

水母的整体或分离出的颗粒是发绿光的。科学家首先从多管水母身上分离出了水母发光蛋白(aequorin),其分子量为20kDa,aequorin是水母荧光素(coelenteragine,结构如下)通过硫酸酯键或过氧化键紧紧地连到脱辅水母发光蛋白( apoaequorin)上形成的。

水母发光物质的基本结构


一、水母发光蛋白
水母的整体或分离出的颗粒是发绿光的。
科学家首先从多管水母身上分离出了水母发光蛋白(aequorin),其分子量为20kDa,aequorin是水母荧光素(coelenteragine,结构如下)通过硫酸酯键或过氧化键紧紧地连到脱辅水母发光蛋白( apoaequorin)上形成的。

水母发光蛋白

它遇到钙离子发蓝光,因此可以作为钙离子的检测试剂,发光后的产物是脱辅水母发光蛋白,CO2和氧化荧光素(colenteramide),见图式1。

绿色荧光蛋白(GFP)

二、绿色荧光蛋白(GFP)
一种天然的纳米粒子(图2),大约8~10nm,呈圆筒形折叠。 在晶体中或在离子强度低于100mmol/L的溶液中两个原体形成二聚体。二聚对于GFP的激发和能量传递是有作用的。 圆筒外边11条链形成结构的外壁。圆筒直径3nm长4nm。

绿色荧光蛋白(GFP)

α-螺旋小的片段在圆筒的末端形成筒,一个不规测的α-螺旋片段作为一个支架可以提供给发色团,使其坐落在圆筒的中心。β-片层状的链彼此牢牢地固定,像支撑桶的棒。结构形成一个密集体,没有开口。这种折叠的模式是β-片层状在外,α-螺旋在内,是一种新的蛋白类型,命名为β-罐( beta-can)。

绿色荧光蛋白(GFP)螺旋结构

图3给出了GFP折叠的布局。
从 C-末端除去多于7个的氨基酸或者从N-末端除去带蛋氨酸的片段就没荧光了,没荧光的变异就不会表现出整个发色团的吸收光谱特征。最后的7个残基无序,在圆筒的外边弯回来,不构成筒的外壁,它们的存在不是必需的,另外再加一些残基也没关系。至于N-末端,在圆筒内的条蛋白链开始于残基10,筒的形成不需要N-末端部分。N-末端片断是在蛋白的一头的帽子的主要成分,是折叠的,可以保护发色团。
在N-末端延伸不会破坏蛋白的结构。非常紧密牢固的筒状结构和发色团所处的中心位置,都可以说明发色团被严格保护,性质稳定。
 
GFP由238个氨基酸组成,分子量约28kDa,组成发色团蛋白的3个残基 Ser-dehydroTyr-Gly( 丝-脱氢酪-甘)位于65~67位,经共价键连接而成对羟苯甲基咪唑烷酮,它可以被光激发产生荧光(图式2) 。

GFP折叠的布局

虽然氨基酸序列Ser-dehydroTyr-Gly在不少蛋白中也存在,但不是环化的,酪氨酸也不是被氧化的,更不会发光。说明能形成发色团不是这三肽的固有特性。
在GFP中,发色团的形成经系列自催化过程,既无辅助因子也没有酶介入。首先是 Ser65 和 Gly67 快速环化形成咪唑啉-5-酮中间体,然后O2慢慢氧化Tyr66的侧链,这个过程要几个小时(图式3)。形成发色团需要Gly67,没有任何一个氨基酸可以取代Gly。反应对热敏感,温度高于30℃时产率下降。一旦形成GFP,它就是热稳定的。

氨基酸序列

GFP的发色团很稳定,用酸、碱、盐酸胍使蛋白变性,一旦恢复中性或除去变性剂,又可以恢复发光性能。


荧光蛋白的历史
20世纪
1962年绿色荧光蛋白(GFP)被发现,下村修等人在一种学名为Aequorea victoria的水母中发现GFP,科学家在海洋珊瑚虫中分离得到了第二种GFP,研究者们未意识到GFP的应用前景,GFP独坐冷宫20年
.

1992年
克隆并测序了野生型GFP,普瑞舍克隆并测序了野生型的GFP绿色荧光蛋白,文章发表在《Gene》杂志上,基金评审委员会认为普瑞舍的工作没有意义,不愿提供经费
普瑞舍一气之下,离开了科学界,将GFP的cDNA送给了几个实验室,很多人尝试用GFP的基因来表达蛋白,但都失败了,马丁•查尔非用PCR的方法扩增了GFP的编码区得到真正的突破

1995年完成单点突变研究者RP爆发,获得高亮度GFP绿色荧光蛋白。
1996年发布GFP的晶体结构,不知道为什么晶体结构发布地这么晚

1999年发现橙红色的荧光蛋白同源物
人们在银莲花中发现了橙红色的荧光蛋白同源物,称之为DsRed(发射峰在583 nm)
DsRed红色荧光蛋白的出现让研究人员认识到荧光蛋白的多样性,同时也有了更丰富的改造模板
更长波长的荧光蛋白也陆续出现,如 mStrawberrymCherry(2004) mApple(2008) mRuby(2009)

21世纪
2007年培育出一种深红色的荧光蛋白质
来自莫斯科的 研究人员培育出一种穿透性超强的深红色的荧光蛋白质
研究员Chudakov的一个同事在逛宠物商店时发现了一只颜色深红的海葵
出于职业的直觉,他将海葵带了回来,经过诱变,得到能在生物体内稳定存在并能发出更明亮红光的蛋白质,Chudakov已在人体细胞和青蛙身上测试了这种新的荧光蛋白质
斯坦福大学分子影象中心的科学家如是评价: Chudakov培育出的这种深红色荧光蛋白质将大大提高生物体活体成像的质 量,并在实时追踪活生物体内深层组织的分子活动上得到广泛的应用 !

 


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