Os termos "proteína e peptídeo" referem-se a uma amostra relativamente pura de um biorreator ou processo de purificação. Essas amostras incluem pouco ou nenhum material não proteico adicional. A geração de aminoácidos livres a partir de um peptídeo ou de uma proteína intacta é uma etapa crítica na produção de dados exatos e úteis da análise de aminoácidos. Para permitir essa geração, é necessário quebrar ou hidrolisar uma proteína/peptídeo em seus constituintes de aminoácidos individuais.
Nesta seção, são apresentados os procedimentos básicos para a hidrólise de peptídeos e proteínas em fase de vapor e em fase líquida, enfatizando as considerações preliminares necessárias para uma análise ideal.
Subseções adicionais abrangem procedimentos alternativos de hidrólise para a análise de amostras especiais contendo aminoácidos que não são compatíveis com técnicas padrão de hidrólise de ácidos (HCl): triptofano e cisteína/cistina.
Nesta seção, vamos nos concentrar na hidrólise ácida por HCl, que é o método mais comum utilizado no preparo de amostras de aminoácidos. No entanto, para que as amostras de proteína sejam totalmente hidrolisadas (por qualquer método), vários fatores devem ser considerados. Os tampões de neutralização, bem como quaisquer sólidos presentes, devem ser considerados nas estimativas de procedimento. Além disso, a taxa ou extensão da hidrólise varia entre os aminoácidos presentes nas proteínas, necessitando de estudos de curso de tempo do processo de hidrólise e da validação adequada dos métodos gerais. O manuseio adequado das amostras durante a hidrólise garante resultados de alta qualidade. As dificuldades mais comuns nesse tipo de análise geralmente resultam de uma técnica inadequada ou malfeita. Para uma hidrólise eficaz com este método, quatro perguntas devem ser respondidas primeiro:
As seções a seguir descrevem as determinações necessárias e fornecem exemplos de cálculos quando apropriado.
A menos que a amostra seja limitada, deve haver entre 2 e 25 µg de proteína presente na hidrólise, para minimizar os efeitos da contaminação. Independentemente do modo de hidrólise, recomenda-se 20 µg.
Exemplo de cálculo: Determinação do requisito de diluição
Para uma proteína de 5 mg/mL em 150 mM NaCl, a quantidade de sólidos (incluindo sais) e o fator de diluição serão determinados.
A primeira etapa é determinar a quantidade total de sólidos na amostra. Isso pode ser feito pela multiplicação da concentração de proteína (µg/µL) pela concentração em peso do sal (concentração x MW) para uma quantidade total de sólidos.
A próxima etapa é determinar a diluição necessária para o destino de 20 µg de proteína (em 20 µL). Isso pode ser feito pela multiplicação da quantidade/volume desejado pela concentração inversa da amostra. Isso resulta em uma razão de diluição de 1:5 necessária para a amostra descrita acima.
O volume total recomendado para uma hidrólise é de 100 µL (ao utilizar tubos de 6 x 50 mm), com o volume de amostra que varia de 10 a 20 µL. Esse volume de amostra, diluído ou não, depende do tipo de hidrólise realizada e segue estas diretrizes:
É importante observar, novamente, que quanto menor for a quantidade de proteína na alíquota da amostra, mais vulnerável a análise poderá ser à contaminação.
O volume de ácido adicionado à hidrólise é essencial. Isso vale particularmente para a hidrólise em fase líquida. As diretrizes para o volume de ácido estão abaixo, com um exemplo extenso.
Exemplo de cálculo: Determine o volume de ácido a ser adicionado a uma hidrólise líquida
Seguindo as diretrizes acima, a quantidade mínima de ácido adicionada para uma hidrólise deve exceder 25x a concentração do tampão e 100x o excesso de peso da amostra. Portanto, para determinar o volume de ácido necessário, é preciso calcular o seguinte:
Para uma proteína de 2,1 mg/mL em 2 mM Na/K2PO4:
A quantidade de tampão em cada tubo é determinada pela multiplicação da concentração molar do tampão pelo número de grupos tituláveis (três para o tampão de fosfato) e ajustando-se ao volume total da amostra dispensada — nesse caso, 10 µL.
Cada tubo conterá 60 nmol de tampão.
Em seguida, o excesso de 25 vezes é determinado pela multiplicação da quantidade por 25.
Esse número é a quantidade de moles de ácido tampão necessária para uma neutralização eficaz.
Os moles de tampão necessários para a neutralização devem ser convertidos em um volume de ácido para adicionar a cada tubo.
Para esta amostra, um volume de 0,25 µL neutralizará efetivamente o tampão.
Para atingir o excesso de 100x de ácido sobre a amostra, a quantidade total de sólidos na amostra deve ser determinada. Os sólidos totais será a proteína mais o tampão mais qualquer outro material presente. Neste caso, a amostra é uma proteína purificada.
Essa determinação pode ser feita pela multiplicação da concentração de proteína (µg/µL) pela concentração em peso do sal (concentração x MW) para uma quantidade total de sólidos.
Os sólidos totais para esta amostra são calculados em 24,9 µg.
Para determinar o excesso de destino de 100 vezes de ácido, multiplique os sólidos totais por 100.
Por fim, converta o excesso de peso em um volume de HCl 6 M para adicionar a cada tubo pela multiplicação do peso pelo peso por mole do ácido pela molaridade do ácido.
Nesse caso, 11,4 µL de HCl 6 M fornecerão um excesso de 100 vezes de ácido sobre a amostra.
O volume final de ácido a ser adicionado a cada tubo é a soma dos volumes necessários para neutralizar o tampão de amostra e fornecer o excesso de 100 vezes:
É necessário um volume de 11,65 µL de HCl 6 M para garantir uma hidrólise eficaz. Esse volume pode ser arredondado para um volume que possa ser transferido com exatidão.
A utilização de um padrão interno (IS, Internal Standard) compensa melhor a hidrólise variável dos aminoácidos individuais da amostra. A norvalina (Nva) é um padrão interno comumente utilizado.
Ao utilizar um padrão interno:
Para determinar a quantidade de IS necessária na amostra inicial, o cálculo retorna a partir da quantidade desejada de IS necessária na amostra. Como parte desse cálculo, é importante considerar a etapa de derivatização.
Exemplo de cálculo: Determine a quantidade de padrão interno para uma amostra
O IS total é determinado, trabalhando retroativamente, multiplicando a quantidade de IS necessária na amostra final, o fator de diluição da derivatização e a amostra reconstituída no tubo de hidrólise. Neste exemplo, são necessários 25 pmol de IS na amostra final derivatizada, com a amostra sendo diluída 10x durante a derivatização e 5x a diluição da amostra antes da derivatização. Assim:
Isso indica que precisamos de 1250 pmol de IS em nossa amostra de hidrólise.
Dado o MW (mg/mol) e a conversão de µL em mL, podemos ver que precisamos de 0,14 mg de IS adicionado a cada mL de nossa amostra inicial.
A hidrólise em fase de vapor é recomendada para amostras de proteína ou peptídeo relativamente puras contendo pouco ou nenhum material particulado. É considerada a abordagem mais sensível. Uma workstation de hidrólise autônoma e automatizada é recomendada para esse tipo de hidrólise. O controle de vácuo, a manutenção da temperatura, as descargas de nitrogênio e a secagem da amostra exigidas no procedimento são melhor realizadas por um sistema automatizado, como a Workstation Eldex de hidrólise descrita na Seção 4.
Reagentes:
Observação: Para obter informações adicionais sobre o reagente, consulte o manual operacional da workstation de hidrólise.
Procedimento (baseado na utilização de uma workstation automatizada):
Dicas:
Observação: Uma cor marrom no HCl é comum após a hidrólise. Ela é proveniente do fenol. O etanol ou a acetona funcionam bem para remover a descoloração de vials e tampas.
CUIDADO: Os problemas de hidrólise podem ser difíceis de distinguir dos problemas de derivatização.
A hidrólise em fase líquida é utilizada quando as amostras são mais complexas. Nesse caso, há partículas ou outros materiais estranhos que podem interferir no processo de fase de vapor. Essa abordagem é considerada menos sensível em geral; mas, quando realizada com cuidado e precisão, pode dar bons resultados.
Procedimento:
Antes de começar –
Pese as amostras correspondentes a aproximadamente 20 mg de proteína para o 0,1 mg mais próximo em tubos de hidrólise ou transfira a amostra diluída para os tubos (conforme calculado nas Seções 2.1.3 e 2.1.4). Normalmente, um volume total de 10 µL é o normal. Misture.
Vários aminoácidos são afetados pela hidrólise inadequada. Por exemplo:
A análise de Trp em proteínas e peptídeos é complicada pela instabilidade deste aminoácido em condições normais de hidrólise com HCl 6 N. Procedimentos alternativos de hidrólise podem ser utilizados para gerar Trp intacto para análise:
O reagente MSA deve ser adicionado diretamente aos tubos de amostra de 6 x 50 mm (hidrólise em fase líquida), porque o ácido não é volátil. A adição de metanol e a neutralização após a hidrólise fornecem bons resultados para o triptofano e não interfere em nenhum processo de derivatização subsequente. A Figura 2 ilustra a reação do MSA com a proteína.
Observação: Este procedimento também pode ser utilizado para determinação de Cys e Met. Ele converte Cys em Cya e Met em metionina sulfona.
Observação: O Trp não é estável no procedimento de oxidação com ácido perfórmico tradicionalmente utilizado para análise de Cys e Met.
Dicas:
Verifique se há interferências com as amostras em branco de controle.
ATENÇÃO:
Se a hidrólise ácida de triptofano levantar problemas de estabilidade, a hidrólise de proteína utilizando base é outra alternativa.
A quantificação de cisteína (Cys) em amostras de proteína é prejudicada pela instabilidade desse aminoácido em condições padrão de hidrólise ácida. Infelizmente, ao contrário do Trp, as hidrólises ácidas ou básicas alternativas não são satisfatórias. Dois procedimentos comuns para análise de Cys envolvem a conversão da cisteína em derivados mais estáveis. O primeiro procedimento é a alquilação do grupo sulfidrila, e o segundo é uma oxidação no ácido sulfônico, ácido cisteico ou cianúrico (Cya) estável em ácido.
ADVERTÊNCIA: Uma complicação adicional na análise de Cys é que grande parte do aminoácido está presente como o dímero, cistina (Cys2), que deve ser reduzido a cisteína antes de qualquer procedimento de alquilação.
É importante observar que esses procedimentos específicos são realizados antes da etapa de hidrólise ácida padrão.
O ácido perfórmico é um poderoso reagente de oxidação que converte quantitativamente a cisteína (Cys) e a cistina (Cys2) em ácido cisteico (Cya) (Figura 4). A literatura contém muitas referências à utilização desse reagente em uma ampla variedade de condições e procedimentos. O procedimento a seguir é baseado no de Tarr, G.E., 1986.
Observação: Este procedimento produz os resultados mais exatos para cisteína e metionina.
Observação: O Tyr e o Trp não são estáveis neste procedimento de oxidação.
Os procedimentos que alquilam são mais seletivos do que a oxidação com ácido perfórmico e resultam em pouca ou nenhuma alteração nos outros aminoácidos. Isso os torna mais adequados para a análise da proteína completa, bem como para outros procedimentos que podem seguir a modificação de Cys, como o mapeamento de peptídeos.
Nesse método, a alquilação é apresentada com 4-vinilpiridina; o procedimento geral descrito abaixo também pode ser adaptado para vários agentes alquilantes. Em princípio, um reagente redutor suficiente deve ser adicionado à amostra para converter cistina (Cys2) em cisteína (Cys). Depois disso, é feita uma adição de reagente alquilante em excesso à amostra reduzida (Figura 5).
O procedimento a seguir pode ser utilizado para 1–1000 nmol de proteína ou peptídeo.
Observação: O volume total de reação pode ser diminuído por meio da redução do tampão para 0,25 mL, o Gu-HCl para 250 mg, DTT para 1 mg e 4-VP para 2 µL. Isso é adequado para até 250 pmol de amostra. Após a alquilação, dilua com 750 µL de H20 e prossiga.
Observação: 8 µL de 4 VP são aproximadamente 74 µmol. A substituição de outros reagentes de alquilação por 4-VP (por exemplo, ácido iodoacético) no procedimento pode ser feita utilizando a mesma concentração de reagente.
Guia abrangente para hidrólise e análise de aminoácidos
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