膜蛋白研究推荐工具——去垢剂

膜蛋白是结合或整合在细胞膜或细胞器上的一类蛋白，在各种重要的生理活动中发挥着重要作用。人类基因组约三分之一的基因都用于编码膜蛋白^[1-2]。作为生物膜功能的主要承担者，膜蛋白负责细胞内外和细胞间的物质运输、能量传递和信息传导等。其功能紊乱常常与人类重大疾病相关，因此膜蛋白是一类非常重要的药物靶点。

图1 细胞膜结构示意图

去垢剂也称为表面活性剂，是一类同时具有亲水头部和疏水尾部的分子，能够使脂膜解体释放膜蛋白并维持去膜状态下膜蛋白结构和功能的稳定性。去垢剂的双极性和理化特性如临界胶束浓度能够极大影响去垢剂和膜蛋白间的相互作用。在膜蛋白研究中需要充分利用去垢剂的结构和特性：一方面需要利用去垢剂代替脂质分子支持和稳定去膜状态下膜蛋白的结构和功能；另一方面需要控制去垢剂和膜蛋白的相互作用以满足膜蛋白结构研究如蛋白质结晶试验的要求。

图2 去垢剂结构、胶束的形成和在膜蛋白中的应用

按照所带电荷情况，去垢剂可大致分为离子型去垢剂、非离子型去垢剂和两性离子去垢剂。

离子型去垢剂可分为阳离子型去垢剂和阴离子去垢剂，其分子整体带有净电荷，能够与膜蛋白发生较强的相互作用，因此能够高效的将膜蛋白从生物膜上提取出来。膜蛋白研究中应用较早的去垢剂大多为提取率较高的离子型去垢剂，但这种相互作用极易破坏膜蛋白的结构和功能，得到的膜蛋白去垢剂复合物无法满足大多数下游研究的要求。

表1  常用离子型去垢剂

非离子型去垢剂，也称中性去垢剂，其分子内不带电荷，但其形成的胶束与生物膜磷脂双分子层体系类似，因此可以将膜蛋白从生物膜上有效的溶解下来。中性去垢剂主要靠疏水相互作用来溶解膜蛋白，溶解下膜蛋白后，在膜蛋白疏水部位附着，形成膜蛋白去垢剂复合物。由于疏水相互作用力较弱，所以中性去垢剂对膜蛋白的溶解效率较低，但是能够很大程度上保护膜蛋白结构和功能的完整性。

n-辛基-β-D-吡喃葡萄糖苷用于溶解处于天然状态的膜结合蛋白和制备脂质囊泡。其明确的化学结构、小而均匀的胶束和高水溶性使其在膜溶解方面优于大多数其他非离子型去垢剂。由于n-辛基-β-D-吡喃葡萄糖苷临界胶束浓度在20-25mM，与胆汁酸及其盐类相比，其具有易通过透析去除的额外优势。

表2  常用非离子型去垢剂

两性去垢剂分子整体不带净电荷，但其分子内一般带由等量相反的电荷，其对蛋白的溶解性和结构功能的破坏性大多处于离子型去垢剂和中性去垢剂之间。

CHAPS可用于溶解膜蛋白以及打断蛋白与蛋白之间的相互作用，具有低胶束分子量和高临界胶束浓度的特点，因此可通过透析从样品中除去。它也适合在等电聚焦和二维电泳中溶解蛋白质。CHAPS常用于非变性（无尿素）等电聚焦，已发现它对某些亚细胞制备物和植物蛋白能够得出优异的分辨率。通常将介于2-4%（w/v）间的浓度用于等电聚焦凝胶。而CHAPSO具有更多的极性头部基团，因此相比于CHAPS其更易溶解膜蛋白。

表3  常用两性去垢剂

[1] MARTIN J,SAWYER A. Elucidating the structure of membrane proteins[J]. BioTechniques,2019,66(4): 167-70.
[2] STEVENS TJ, ARKIN I T. The effect of nucleotide bias upon the composition and predictionof transmembrane helices[J]. Protein Sci, 2000, 3.

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