溫滴定量熱計和示差掃描量熱計是熱量測定的最佳組合 
  
摘要: 超靈敏的等溫滴定量熱計（ITC）和示差掃描量熱計（DSC）是互補的技術(shù)，能夠提高我們對生物分子相互作用的結構和穩定性變化的認識。它們的聯(lián)用是最佳的組合。該聯(lián)用技術(shù)能夠提供獨特的方法分析如蛋白質(zhì)、核苷酸和它們的復合物的分子結構。 
    在常溫下測量非常小的反應熱量的儀器（等溫滴定量熱計[ITC]）和測量由溫度引起的較小熱量的儀器（示差掃描量熱計[DSC]）是超靈敏的量熱儀器，它們在生物技術(shù)的研究中起著(zhù)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構的熱力學(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(gè)生物過(guò)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(lái)生物學(xué)、醫學(xué)和制藥科學(xué)的發(fā)展起著(zhù)不可缺少的作用。 
    現今的超高靈敏的量熱計提供了獨特的方法去分析如蛋白質(zhì)、核苷酸和它們的復合物的分子結構。隨著(zhù)我們對生物分子結構和相互作用的不斷深入，可能會(huì )發(fā)現和發(fā)展新型的生物活性產(chǎn)品。 
    由于單獨的結構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(guò)熱力學(xué)的知識來(lái)測定生物分子和它們復合物的結構。得到這個(gè)信息的唯一途徑是通過(guò)直接量熱測定單個(gè)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(lèi)似物的特征結構和穩定性變化。這些變化是由不同的外部條件或者它們的結合分子與配體相互作用引起的。雖然這些過(guò)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。 
    大分子結合過(guò)程中產(chǎn)生的熱效應非常小，而且可利用的蛋白質(zhì)和核苷酸的數量有限。為了測量這些熱效應，發(fā)展了兩種類(lèi)型的超靈敏的微型量熱計：DSC測量溫度變動(dòng)引起的熱效應，ITC測量恒溫條件下熱相互作用。兩種類(lèi)型的量熱方法相互補充，只有將兩者結合才能得到研究的目標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充的：只有將ITC 和 DSC同時(shí)用來(lái)研究生物分子系統時(shí)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）。利用這兩種技術(shù)研究在稀水溶液中的生物分子系統很重要，這是因為大分子相互作用依賴(lài)于分子的精確結構和穩定性，而它們都與溫度有關(guān)。因此，盡管ITC提供兩個(gè)結合分子強度的詳細信息，但是對于了解相互作用分子的熱性質(zhì)，DSC是不可缺少的。認識到這些會(huì )顯著(zhù)地影響制藥工業(yè)，對與目標大分子有高親和力和特異性的活性分子藥物的研究開(kāi)辟了新的途徑。 
    超高靈敏的量熱計能顯著(zhù)地提高分析的可靠性、基線(xiàn)的重現性和數據的一致性，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)驗中獲得更加精確的測量，不必要進(jìn)行多次測量，從而節約了時(shí)間和費用。溫度計| 溫度表| 風(fēng)速計| 照度計| 噪音計| 輻照計| 聲級計| 溫濕度計| 紅外線(xiàn)測溫儀| 溫濕度儀| 紅外線(xiàn)溫度計| 露點(diǎn)儀  
    Nano DSC III (Calorimetry Sciences Corp. [CSC], Lindon, UT)可以確�？茖W(xué)家獲得穩定的實(shí)驗基線(xiàn)；能夠在較大溫度范圍內測量稀溶液中感興趣的大分子的熱容量以及蛋白質(zhì)和特異性配體結合時(shí)的熱容變化，并檢測出蛋白質(zhì)和配體結合的結構域。由于這些測量結果是在較大的溫度范圍內獲得，因而可以基于這些結果對采用熱量計獲得的結合熱數據進(jìn)行校正。通過(guò)這種校正可以建立起熱力學(xué)與復合物結構的相關(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合反應熱力學(xué)，但是將ITC和DSC相結合能夠提供系統熱力學(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。當用ITC研究一個(gè)系統時(shí)，其數據可以明顯地說(shuō)明發(fā)生了什么，以此為依據，使用者就可以推斷出各種條件。但如果沒(méi)有正確的DSC數據，研究人員就不能對ITC數據進(jìn)行必要的修正來(lái)進(jìn)行推斷和應用。 
    從本質(zhì)上講，ITC是一個(gè)熱力學(xué)技術(shù)，它能夠監測加入任何一個(gè)結合組分引起的化學(xué)反應，而成為生物分子相互作用表征的一個(gè)選擇方法。當物質(zhì)結合以后，熱量就會(huì )被吸收或者釋放。測定這個(gè)熱量可以準確地確定結合常數、化學(xué)反應計量學(xué)、焓和熵，單次實(shí)驗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(lái)研究生物大分子和類(lèi)脂膜構象變化引起的熱量以及生物大分子和生物膜結合配體引起的熱量。伴隨著(zhù)構象變化和結合反應，能夠容易地測定熱容量、焓和熵的變化。將DSC與壓力-體積變化結合，還可以測定自由能、壓縮率和熱膨脹系數。 
    單獨使用ITC的缺點(diǎn)是實(shí)驗人員需要在多個(gè)溫度下進(jìn)行測定實(shí)驗，然后從ITC數據中得到熱容量對溫度的函數。然而，他們沒(méi)有考慮到天然蛋白質(zhì)的變化以及相應熱容量的變化。因此要精確地測定那些熱力學(xué)參數需要超靈敏的DSC和超穩定的基線(xiàn)。 
    CSC Nano DSC III 和Nano ITC III 是內置式的功率補償量熱計(見(jiàn)圖1和2). 這些高精密度的量熱計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。
  
結論 
    超靈敏ITC和DSC是互補的技術(shù)，能夠提高我們對生物分子相互作用的結構和穩定性變化的認識。它們的聯(lián)用是最佳的組合，能夠提供獨特的方法用來(lái)分析蛋白質(zhì)、核苷酸以及它們復合物等物質(zhì)的分子結構。