等温滴定量热仪(ITC)在分子相互作用中的应用
等温滴定量热技术——小分子药物开发不可或缺的标准信息
Product Group 950 951 952 952
应 用 园 地
搭建结构与功能的桥梁
利用差示扫描量热仪更好地指导抗体疗法的工艺开发
作者：Stephen Demarest博士，Biogen Idec
确定pH和离子强度对蛋白稳定性的影响对于
摘要
可靠的蛋白质纯化步骤及配方策略的开发很关键。 目前毛细管差示扫描量热仪（Capillary DSC）能够 提供此类独特的信息，特别适合治疗性蛋白的开 发。本文所描述的是DSC对作为药物的IgG1和IgE这 两种抗体的pH/离子强度稳定性的研究。只有DSC 能够对多结构域蛋白（如抗体）的单独结构域的稳 定性进行研究。本文中DSC证明了IgE的恒定结构域 片段（Fc）比IgG1 Fc对低pH/高盐条件更为敏感。 这些结果表明IgG抗体常用的纯化和配方策略并不 适用于IgE。本研究展示了DSC如何用于指导抗体和 其他治疗性蛋白的工艺开发方法。
微量量热技术的最新突破-iTC200TM及 Auto-iTC200TM
等温滴定量热技术在全世界的药物开发实验室 已经获得了广泛的认可。大型的制药公司、生物技 术公司以及研究机构，都在利用ITC来充分鉴定生物 分子间相互作用。ITC所确定的结合参数常常被认为 是“金标准”值，并经常作为其它技术的参考。
等温滴定量热技术在确定具体靶点通路的作 用机理（MOA）上扮演着关键的角色。由于ITC直 接测量生物分子结合事件中所释放或吸收的热量， 那么无需提前了解生物过程，也无需标记。生物分 子的相互作用可在天然状态下用内源的酶、底物或 配体来监测。这有一个额外的好处，就是显著缩短 了分析开发的时间。
ITC已经证明是分析开发的有用工具，即检验 所设计分析系统的生物相关性，该系统利用替代
等温滴定量热仪(ITC)在分子相互作用中的应用
非特异性结合
ITC 技术的应用领域
分子相互作用：
溶液中的几乎所有天然状态分子： 包括蛋白质、核酸、多肽、药物分子、 脂类、金属离子、小分子等等；
工艺过程的开发和控制
酶动力学 药物研发 非生物系统
抗生素抗性的菌种为什么能更好的 消灭抗生素
Tobromycin binding to aminoglycoside nucleotidyltransferase(2”)
量热池
样品池
对照池
∆T1：样品池温度反馈
神奇的微量热控制—功率补偿
SR
The DP is a measured power differential between the reference and sample cells to maintain a zero temperature between the cells
酶反应动力学的研究 (不一般的ITC曲线）
Kcat：催化速率常数 KM：米氏常数
酶反应动力学应用
测量PP1-γ磷酸酶水解PNPP
ITC测量PP1-γ磷酸酶水解 PNPP速度的原始数据
PP1-γ磷酸酶水解PNPP的MichaelisMenten曲线
ITC Applications Enzyme Kinetics
研究所
中科院生化细胞所 中科院生物物理所 北京生命科学研究所 诺华制药研发中心……
Thanks!
陈雍硕
E-mail: Yongshuo.chen@ Mobile: 13918729620
令人郁闷的公式说明了什么？
1. 相同的KD有着相同的∆G； 2. 相同的∆G却有着不同的∆H与∆S组合。
2024年等温滴定量热仪市场分析现状
2024年等温滴定量热仪市场分析现状概述等温滴定量热仪（Isothermal Titration Calorimeter，ITC）是一种重要的分析仪器，用于研究化学反应和生物分子间的相互作用。
本文将对等温滴定量热仪市场的现状进行分析，并探讨该市场的趋势和发展前景。
市场规模等温滴定量热仪市场在过去几年呈现稳定增长的趋势。
目前，全球等温滴定量热仪市场规模约为5000万美元，预计未来几年将保持每年3%的增长率。
市场驱动因素1. 物质研究的增加随着化学和生物科学的发展，对于物质的研究需求越来越大。
等温滴定量热仪可以用于测量化学反应的热效应，帮助科学家了解化学反应的热力学性质。
同时，ITC还可以用于研究生物分子的相互作用，例如蛋白质与配体的结合过程。
这些应用领域的增加促进了等温滴定量热仪市场的发展。
2. 新技术的应用近年来，等温滴定量热仪市场受益于新技术的应用。
例如，一些新型的微量热效应探测器的出现，使得等温滴定量热仪在灵敏度和分辨率方面有了显著的提升。
此外，自动化技术的发展也使得操作更加简便，提高了实验效率。
市场趋势1. 生物医药领域的快速增长生物医药领域的快速发展将成为等温滴定量热仪市场的主要推动力。
例如，药物设计过程中需要了解药物与蛋白质之间的相互作用，这就需要使用ITC进行研究。
随着生物医药领域的研究和发展逐渐成熟，对于等温滴定量热仪的需求将大幅增加。
2. 自动化技术的应用随着自动化技术的不断发展，等温滴定量热仪市场将迎来新的机遇。
自动化技术可以使实验操作更加简便和高效，节约时间和人力成本。
预计未来几年，自动化等温滴定量热仪将成为市场的主流产品。
3. 多学科交叉应用等温滴定量热仪的应用领域不仅局限于化学和生物学，还可以在其他学科中发挥作用。
例如，材料科学领域中对于材料的热稳定性研究可以采用等温滴定量热仪。
多学科交叉应用将进一步推动等温滴定量热仪市场的发展。
市场竞争格局目前，全球等温滴定量热仪市场主要由几家大型企业垄断，例如MicroCal、Malvern、TA Instruments等。
微量热等温滴定量热仪（ITC）
微量热等温滴定量热仪（ITC）一、仪器用途：微量热等温滴定量热仪（ITC）广泛应用于小分子、蛋白、抗体、核酸、脂类及其他生物分子之间的相互作用特征鉴定；酶动力学；分析因分子结构改变导致的结合变化等。
二、技术指标和参数（带*者为必须具备指标）：1、应用范围包括：小分子、蛋白、抗体、核酸、脂类及其他生物分子之间的相互作用特征鉴定；酶动力学；分析因分子结构改变导致的结合变化等。
2、应用Peltier电子温控系统保持样品室温度*3、短期噪音水平：0.2 ncal/s4、参照重复性：Mean≤1.5 μcal5、操作温度范围：2℃~80℃*6、平衡时间＜6min（从25℃至5℃）*7、温度稳定性为0.00015℃/秒（25℃时）8、最小响应时间：10 S9、测量池材质：哈司特镍碳合金(Hastelloy TM)10、测量池体积：200μl*11、实际样品需求量不超过280ul；*12、测量池类型：硬币状，固定式13、注射器：40μl，自动滴定14、最小注射体积：0.1μl*15、在线自动清洗平台，确保清洗效果的一致性及客观性，方便、快捷、易操作，减少实验操作者的劳动强度16、热补偿方式：功率反馈*17、附带控制系统，内装Origin 7数据分析软件*18、软件要求内置7种以上分析模型：单一位点，两位点，顺序位点，竞争性位点，酶动力学，解离等；*19、系统可设定三种反馈模式（高、中、低），可根据不同需要灵活选择；20、结合常数检测范围：直接检测法-从毫摩尔到纳摩尔浓度范围（102~109 M-1）间接检测法-从纳摩尔到皮摩尔范围（109~1012M-1）*21、搅拌速率：1000转以上；22、质保期1年。
23、进样针5根。
三、技术服务要求：1、供应商必须提供仪器的现场安装调试并达到投标书指标要求的技术性能，并同时在现场对用户进行操作培训。
2、仪器在调试验收合格后，提供一年免费保修服务，在保修期内，所有服务及配件全部免费，保修期外，仪器终身维修。
结构化学实验-itc等温量热滴定
一、实验目的：1.了解MicroCal iTC200等温滴定量热仪在测量蛋白质相互作用中的应用2.了解仪器基本工作原理，学习蛋白质相互作用的测定步骤和仪器操作3.简要分析实验结果。
二、实验原理：在研究两种或两种以上的蛋白质的功能时，相关蛋白质之间常常存在相互作用（常常是氢键或范德华力），如果两蛋白可以彼此结合，则结合的过程中会放出一定的热量。
所以，通过测定蛋白质相互作用时放出热量的大小，可以得到蛋白相互作用时的结合常数KD、化学计量比N和焓变ΔH，从而由热力学公式ΔG = RT lnKD和ΔG = ΔH -TΔS可以进一步得到反应的自由能变化。
在恒温下，注射器中的“配体”溶液滴定到包含“高分子”溶液的池中。
当配体注射到池中，两种物质相互作用，释放或吸收的热量与结合量成正比。
当池中的高分子被配体饱和时，热量信号减弱，直到只观察到稀释的背景热量。
MicroCal iTC200等温滴定量热仪可以用来定量测定生物分子间的相互作用，例如蛋白质-蛋白质相互作用（包括抗原-抗体相互作用和分子伴侣-底物相互作用）；蛋白质折叠/去折叠；蛋白质-小分子相互作用以及酶-抑制剂相互作用；酶促反应动力学；药物-DNA/RNA相互作用；RNA折叠；蛋白质-核酸相互作用；核酸-小分子相互作用；核酸-核酸相互作用；生物分子-细胞相互作用等。
从而获得亲和力以及相关热力学数据。
通过滴定操作和热量的测量，量热仪可以给出热量-摩尔比曲线：图像中曲线的突跃中点对应的化学计量比就是两种蛋白质相互作用的化学计量数N，突跃中点处曲线的斜率就是两种蛋白相互作用的结合常数KD。
决定曲线形状的主要参数是C值：C = 滴定池中的蛋白浓度/ KD = [M]t/ KD × NC值越大，曲线越陡；C值越小，曲线越平缓，没有明显的突跃。
一般C值在10-100之间实验效果最好。
配体溶液多次次注射到ITC池的蛋白溶液中。
每个注射峰下方的区域的面积与注射所释放的总热量相等。
等温滴定微量热仪(ITC)简介
等温滴定微量热仪(ITC)简介等温滴定量热法在生命科学研究中应用申明：本资料来源于网络，版权归原作者所有！等温滴定量热法(Isothermal Titration Calorimetry, ITC)是近年来发展起来的一种研究生物热力学与生物动力学的重要方法，它通过高灵敏度、高自动化的微量量热仪连续、准确地监测和记录一个变化过程的量热曲线，原位、在线和无损伤地同时提供热力学和动力学信息。
微量热法具有许多独特之处。
它对被研究体系的溶剂性质、光谱性质和电学性质等没有任何限制条件，即具有非特异性的独最小可检测热效应0.125uJ，生物样品最小用量0.4ug，温度范围2 0C - 80 0C，滴定池体积1.43 ml)。
实验时间较短(典型的ITC实验只需30-60分钟，并加上几分钟的响应时间)，操作简单(整个实验由计算机控制，使用者只需输入实验的参数，如温度、注射次数、注射量等，计算机就可以完成整个实验，再由Origin 软件分析ITC得到的数据)。
测量时不需要制成透明清澈的溶液, 而且量热实验完毕的样品未遭破坏，还可以进行后续生化分析。
尽管微量热法缺乏特异性但由于生物体系本身具有特异性，因此这种非特异性方法有时可以得到用特异方法得不到的结果，这有助于发现新现象和新规律，特别适应于研究生物体系中的各种特异过程。
ITC的用途获得生物分子相互作用的完整热力学参数，包括结合常数、结合位点数、摩尔结合焓、摩尔结合熵、摩尔恒压热容，和动力学参数(如酶活力、酶促反应米氏常数和酶转换数)。
ITC的应用范围蛋白质-蛋白质相互作用(包括抗原-抗体相互作用和分子伴侣-底物相互作用)；蛋白质折叠/去折叠；蛋白质-小分子相互作用以及酶-抑制剂相互作用；酶促反应动力学；药物-DNA/RNA相互作用；RNA折叠；蛋白质-核酸相互作用；核酸-小分子相互作用；核酸-核酸相互作用；生物分子-细胞相互作用；……加样体积：（实际体积）cell：1.43 ml，syringe：300 μl准备样品体积（最少量）cell：2 ml，syringe：500 μl样品浓度cell：几十μM到几mMsyringe：几百μM到几十mM测量Kb范围102-1012 M-1滴定实验前恒温30-60 min等温滴定量热实验所需时间，一般1.5-4 hrSample Preparation Guidelines (ITC).Proper sample preparation is essential for successful ITC testing. In particular, the minimal guidelines below must be strictly followed to insure an accurate estimate of stoichiometry (n), heat of binding (H), and binding constant (Kb) (or dissociation constant Kd = 1/Kb).1.) The macromolecule solution (the sample to be placed in the reaction cell) must have a volume of at least2.1 ml. The lowest concentration which can be studied is 3 M and this is adequate only for tight binding where Kd is smaller than 1 M. For weaker interactions, the macromolecule concentration should be 5 times Kd, or higher if possible. Preferably, the macromolecule solution should be dialyzed exhaustively against buffer for final equilibration.2.) The ligand solution (the sample to be placed in the injection syringe) must have a volume of at least 0.7 ml. Its concentration should be at least 10 times higher than the concentration of macromolecule (if the macromolecule has multiple binding sites for ligand, then the ligand concentration must be increased accordingly). The buffer solution in which the ligand is dissolved should be exactly the same buffer against which the macromolecule has been equilibrated.3.) After both solutions have been prepared, the pH of each should be checked carefully. If they are different by more that 0.05 pH units, then one of the solutions must be back-titrated so they are within the limit of 0.05 pH units. If any particles are visible in either solution, they should be filtered out.4.) If possible, the concentrations of both solutions should be accurately determined after final preparation. Accurate determination of binding parameters is only possible if concentrations of binding components are known precisely.5.) At least 20 ml of buffer must be sent along with the two samples, since this is used for rinsing the cell and for dilution if necessary.6.) If possible, DTT should be avoided as a disulfide reagent and replaced by -mercaptoethanol or TCEP.等温滴定微量热仪（ITC）基本介绍等温滴定微量热仪（ITC）基本介绍（美国MicroCal ，美国微量热公司）仪器设备名称：等温滴定微量热仪制造国别：美国制造厂商：美国微量热公司规格型号：VP-ITC品牌：MicroCal总代理商：华嘉（香港）有限公司技术指标：短期噪音水平：0.5纳卡/秒(2 纳瓦)。
等温滴定微量热仪(ITC)简介
等温滴定微量热仪(ITC)简介等温滴定量热法在生命科学研究中应用申明：本资料来源于网络，版权归原作者所有！等温滴定量热法(Isothermal Titration Calorimetry, ITC)是近年来发展起来的一种研究生物热力学与生物动力学的重要方法，它通过高灵敏度、高自动化的微量量热仪连续、准确地监测和记录一个变化过程的量热曲线，原位、在线和无损伤地同时提供热力学和动力学信息。
微量热法具有许多独特之处。
它对被研究体系的溶剂性质、光谱性质和电学性质等没有任何限制条件，即具有非特异性的独最小可检测热效应0.125uJ，生物样品最小用量0.4ug，温度范围2 0C - 80 0C，滴定池体积1.43 ml)。
实验时间较短(典型的ITC实验只需30-60分钟，并加上几分钟的响应时间)，操作简单(整个实验由计算机控制，使用者只需输入实验的参数，如温度、注射次数、注射量等，计算机就可以完成整个实验，再由Origin 软件分析ITC得到的数据)。
测量时不需要制成透明清澈的溶液, 而且量热实验完毕的样品未遭破坏，还可以进行后续生化分析。
尽管微量热法缺乏特异性但由于生物体系本身具有特异性，因此这种非特异性方法有时可以得到用特异方法得不到的结果，这有助于发现新现象和新规律，特别适应于研究生物体系中的各种特异过程。
ITC的用途获得生物分子相互作用的完整热力学参数，包括结合常数、结合位点数、摩尔结合焓、摩尔结合熵、摩尔恒压热容，和动力学参数(如酶活力、酶促反应米氏常数和酶转换数)。
ITC的应用范围蛋白质-蛋白质相互作用(包括抗原-抗体相互作用和分子伴侣-底物相互作用)；蛋白质折叠/去折叠；蛋白质-小分子相互作用以及酶-抑制剂相互作用；酶促反应动力学；药物-DNA/RNA相互作用；RNA折叠；蛋白质-核酸相互作用；核酸-小分子相互作用；核酸-核酸相互作用；生物分子-细胞相互作用；……加样体积：（实际体积）cell：1.43 ml，syringe：300 μl准备样品体积（最少量）cell：2 ml，syringe：500 μl样品浓度cell：几十μM到几mMsyringe：几百μM到几十mM测量Kb范围102-1012 M-1滴定实验前恒温30-60 min等温滴定量热实验所需时间，一般1.5-4 hrSample Preparation Guidelines (ITC).Proper sample preparation is essential for successful ITC testing. In particular, the minimal guidelines below must be strictly followed to insure an accurate estimate of stoichiometry (n), heat of binding (H), and binding constant (Kb) (or dissociation constant Kd = 1/Kb).1.) The macromolecule solution (the sample to be placed in the reaction cell) must have a volume of at least2.1 ml. The lowest concentration which can be studied is 3 M and this is adequate only for tight binding where Kd is smaller than 1 M. For weaker interactions, the macromolecule concentration should be 5 times Kd, or higher if possible. Preferably, the macromolecule solution should be dialyzed exhaustively against buffer for final equilibration.2.) The ligand solution (the sample to be placed in the injection syringe) must have a volume of at least 0.7 ml. Its concentration should be at least 10 times higher than the concentration of macromolecule (if the macromolecule has multiple binding sites for ligand, then the ligand concentration must be increased accordingly). The buffer solution in which the ligand is dissolved should be exactly the same buffer against which the macromolecule has been equilibrated.3.) After both solutions have been prepared, the pH of each should be checked carefully. If they are different by more that 0.05 pH units, then one of the solutions must be back-titrated so they are within the limit of 0.05 pH units. If any particles are visible in either solution, they should be filtered out.4.) If possible, the concentrations of both solutions should be accurately determined after final preparation. Accurate determination of binding parameters is only possible if concentrations of binding components are known precisely.5.) At least 20 ml of buffer must be sent along with the two samples, since this is used for rinsing the cell and for dilution if necessary.6.) If possible, DTT should be avoided as a disulfide reagent and replaced by -mercaptoethanol or TCEP.等温滴定微量热仪（ITC）基本介绍等温滴定微量热仪（ITC）基本介绍（美国MicroCal ，美国微量热公司）仪器设备名称：等温滴定微量热仪制造国别：美国制造厂商：美国微量热公司规格型号：VP-ITC品牌：MicroCal总代理商：华嘉（香港）有限公司技术指标：短期噪音水平：0.5纳卡/秒(2 纳瓦)。
等温滴定量热仪(ITC)
无需标记、无需检测方法开发，快速获得结果
ITC 是基于复合物形成时所放出或吸收的热量的精确测定，它是在一个实验中能够同时测量所有结 合参数的先进技术。它测量在天然状态下结合伴侣的亲和力，无需使用荧光标签修饰组分或使样品 固定化。 总而言之，ITC 是与众不同的。
Isothermal Titration Calorimetry (ITC) 应用研究领域目录
B
A
0 -2
ऐ ( ∆H)
10 5 փ૧ ∆G ∆H -T ∆S ᆶ૧
kcal/mole ጀ
-6 -8 -10 -12 -14 0 1 ఊܻԲ ࣅბऺଉბ (n) 2 ൕࢅ૰ (K D)
kcal/mole
-4
0 -5 -10 -Байду номын сангаас5 -20
A. ITC 测量热力学性质包括：相互作用的化学计量学（n）、亲和力常数（KD）、焓变化（∆H）、熵变化（∆S）。 B. 利用三个具有相同结合能 （∆G） 的相互作用解释热力学特征。 结合亲和力是结合焓 ( ∆H) 和结合熵 ( ∆S) 的共同作用的结果。 结合焓反映了由于氢键形成和范德华力产生的相互作用强度。结合熵是复合物形成时来自去溶剂化和构象变化的熵变化 的组合。
* 具体应用参考文献查阅可登陆
4
技术优势及应用实例 ：
将药物的先导化合物的优化 带到一个新的水平
更深刻的见解
药物应该以高亲和力和选择性结合目标。传统上，先导化合物的优化一直被剖析亲和力组成的研究 所推动。然而，热力学变量 ( ∆H, ∆S) 也是结合的基础，它们能够提供有关相互作用的更深刻的见解。 MicroCal ™量热仪具有足够的灵敏度和通量用于有效测定先导化合物优化所需的所有结合参数，以 指导先导化合物的优化。
itc 蛋白互作
itc 蛋白互作摘要：1.蛋白质互作的背景和意义2.ITC 技术的原理和应用3.ITC 在蛋白质互作研究中的优势和局限性4.ITC 在蛋白质互作研究中的案例分析5.总结和展望正文：1.蛋白质互作的背景和意义蛋白质是生物体中最重要的分子之一，它们在细胞中承担着各种生物学功能。
蛋白质的功能通常是通过与其他蛋白质相互作用来实现的。
蛋白质互作在生物体的信号传导、基因调控、细胞周期调控等过程中起着关键作用。
因此，研究蛋白质互作对于理解生命过程的本质具有重要意义。
2.ITC 技术的原理和应用等温滴定量热法（Isothermal Titration Calorimetry，ITC）是一种用于测量生物分子间相互作用的热力学参数的技术。
ITC 的基本原理是在等温条件下，通过向一个含有待测生物分子的溶液中滴加另一种生物分子，测量溶液的热效应，从而获得两者之间相互作用的热力学参数，如结合常数、解离常数等。
ITC 技术广泛应用于生物分子间的相互作用研究，包括蛋白质互作、核酸互作、抗体- 抗原互作等。
3.ITC 在蛋白质互作研究中的优势和局限性ITC 技术在蛋白质互作研究中具有许多优势。
首先，ITC 可以在较短时间内获得蛋白质互作的热力学参数，具有较高的实验效率。
其次，ITC 可以检测到蛋白质互作的结合位点，有助于揭示蛋白质互作的结构基础。
此外，ITC 还可以研究蛋白质互作的动力学过程，为揭示蛋白质互作的动态特性提供信息。
然而，ITC 技术也存在一定的局限性。
例如，ITC 实验需要严格控制实验条件，对实验操作技巧要求较高；此外，ITC 实验结果可能受到其他因素的干扰，如蛋白质的稳定性、浓度等。
4.ITC 在蛋白质互作研究中的案例分析以蛋白质A 和蛋白质B 之间的相互作用为例，首先将蛋白质A 固定在ITC 实验装置中，然后将蛋白质B 溶液滴加到蛋白质A 溶液中，测量溶液的热效应。
通过分析实验数据，可以获得蛋白质A 和蛋白质B 之间的结合常数、解离常数等热力学参数。
等温滴定量热仪(iTC) 原理及操作
谢 谢！
滴定量热法早在1965年由 Christensen和Izatt提出。 该方法最初是用于弱酸-碱和 金属鳌合反应。
1978年，Beaudette和 Langerman首先将微量热法 技术用于生物体系。
等温滴定量热法原理
滴定针
参比池
样品池
等温滴定量热法原理
等温滴定量热法原理
等温滴定量热法原理
微量热法特点
生物技术导论配套实验第六讲之
等温滴定量热仪(iTC) 原理及操作
Łukasz Jaremko et al. Science 2014;343:1363-1366
▪ 等温滴定量热法 (iTC) 测量任何两个生物大分子间的结合亲和力和 热力学参数。
▪ 结合常数 (KD) ▪ 相互作用化学计量 (n) ▪ 焓 (ΔH) ▪ 熵 (ΔS)
1. 直接测量毫摩到纳摩级亲和力 (KDS)（10~2 至 10-9 M） 2. 适用范围广，轻松处理浑浊溶液 3. 非特异性强 4. 真正的溶液内技术 5. 无需标签或固定化，易于操作 6. 样品用量小,方法灵敏度高
研究方向
化学
生物化学与分子生物学
工程学
计算机科学
700
600
500
400
300
200
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HO
O
O
O
O
N H
N
NH
OH
S
Kd = 0.5 nM ∆H = -5.5 kcal/mol
∆∆H = -4.3 kcal/mol -T∆∆S = 2.2 kcal/mol
Freire, Drug Disc. Today, 13 869 (2008)
酶反应动力学的研究
令人郁闷的公式说明了什么？
1. 相同的KD有着相同的∆G； 2. 相同的∆G却有着不同的∆H与∆S组合。
引发焓变和熵变的主要因素
Enthalpy (-∆H) 焓变
Hydrogen bonds 氢键
Ionic interactions 离子作用
特异性结合
Entropy (+∆S) 熵变
Hydrophobic interactions 疏水作用
抗疟疾新药就这样放弃吗？
Optimize Enthalpy, Minimize Entropy Compensation
O
O
O
O
N H
N
N
H
OH
S
Kd = 16 nM ∆H = -1.2 kcal/mol
HO
O
O
O
O
N H
N
NH
OH
S
Kd = 76 nM ∆H = -6.0 kcal/mol
PlmII Inhibitor Optimization ∆∆H = -4.8 kcal/mol
Conformational freedom 构象自由度
非特异性结合
ITC 技术的应用领域
分子相互作用：
溶液中的几乎所有天然状态分子： 包括蛋白质、核酸、多肽、药物分子、 脂类、金属离子、小分子等等；
工艺过程的开发和控制
酶动力学 药物研发 非生物系统
抗生素抗性的菌种为什么能更好的 消灭抗生素
Tobromycin binding to aminoglycoside nucleotidyltransferase(2”)
典型 ITC 数据
Time (min)
0
10
20
30
40
0
kcal/mole of injectant µcal/sec
-20
-40
0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14
Data: RNAHHH_NDH
Model: 1Sites
Chi^2 = 2795.38932
N1.02 K5.57E4
研究所
中科院生化细胞所 中科院生物物理所 北京生命科学研究所 诺华制药研发中心……
Thanks!
陈雍硕
E-mail: Yongshuo.chen@ Mobile: 13918729620
Without MgAMPCPP
With MgAMPCPP
KD = 0.64 µM ∆H = -18.2 kcal/mole ∆S = -34 cal/mole/oK
KD = 0.21 µM ∆H = -12.6 kcal/mole ∆S = -12.3 cal/mole/oK
Wright and Serpersu, Biochemistry 44, 11581-11591 (2005)
Kamiya et al., JACS 118,4532-4538
药物结合的热动力学特征
10
5
kcal/mole
0
∆G
-5
∆H
-T∆S
-10
-15
-20
一样的亲合力，不一样的微观世界
MicroCal Application Note: ITC and Drug Design
Unfavorable
酶反应动力学的研究 (不一般的ITC曲线）
Kcat：催化速率常数 KM：米氏常数
酶反应动力学应用
测量PP1-γ磷酸酶水解PNPP
ITC测量PP1-γ磷酸酶水解 PNPP速度的原始数据
PP1-γ磷酸酶水解PNPP的MichaelisMenten曲线
ITC Applications Enzyme Kinetics
HIV蛋白酶抑制剂开发的“成长烦恼”
5000 0
-5000 -10000 -15000 -20000
∆G
∆H
-T∆S
12 YEARS
cal/mol
Indinavir Nelfinavir Saquinavir Ritonavir Amprenavir Lopinavir Atazanavir KNI-577 KNI-272 KNI-764 TMC-126 TMC-114
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多种独特的分析模式 •酶动力学分析模式 •替代模式 •二聚体解离模式 …….
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大学
中国科学技术大学 2台 复旦大学 2台 清华大学 2台 武汉大学 南开大学 中山大学 华中师范大学 浙江工商大学 香港科技大学 香港理工大学……
眪0.00159 眪1.01E3
H-1.359E4
眪29.18
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Molar Ratio
上半部分表示每次注射采集的数据。下半部分表示每次注射的释放的热量 （上图中每个峰的面积积分）对滴定抗原与样品池中抗体的摩尔比作图
ITC 理论基础
∆G = -RT ln KB ∆G = ∆H –T∆S
Favorable
Velazquez-Campoy et al (2003) Current Drug Targets Infectious Disorders, 3 311 Ohtaka et al (2004) Int. J. Biochem. Cell Biol. 36 1787
ITC在小分子药物结构方面的优化
∆T DP
∆T~0
Reference Calibration Heater Sample Calibration Heater Cell Main Heater
Isothermal Titration Calorimetry 实验流程
1) 样品池中加入待测大分子 2) 参照池中加入缓冲液 3) 将待测配体吸入注射器中 4) 注射器置于样品池中 5) 调整温度、搅拌速度和每次注射体积
ITC 产品
VP-ITC 样品池体积 1.4 ml ~4-5 实验/8 小时
iTC200 样品池体积 0.2 ml 10-15 实验 /8 小时 样品消耗是VP-ITC的1/7
Auto-iTC200 ~50 实验/天 384 个样品, 无人化操控 可由ITC200升级 Available Mid 2008
ITC的优点
1. 方法开发简单； 2. 只要反应过程中有热量变化，ITC
即可作为普适的方法； 3. 是一项灵敏的技术-噪音水平
<0.01μcal/sБайду номын сангаасc，利用现在的先进仪 器可以获得很高的信噪比； 4. 无需带荧光或光谱特征的底物参与 反应； 5. 单次实验即可获得数据； 6. 适用于研究多种类型的酶; 7. 可以用于不透明的样品; 8. 所得数据可以与其它方法进行比较； 9. 除了获得热力学数据外还可以获得 动力学数据
∆ S) • 结合位点数 (n)
实验也可以测定有多个结合 位点的样品
kcal mol-1 of injectant
0
-2 ∆H
Kd
-4
N
0
0.5
1.0 1.5 2.0
Molar ratio
等温滴定量热仪(ITC)
噪音 0.5 nanocal/second 温度范围: 2-80oC 样品池体积: 1.3 ml or 0.2 ml
量热池
样品池
对照池
∆T1：样品池温度反馈
神奇的微量热控制—功率补偿
SR
The DP is a measured power differential between the reference and sample cells to maintain a zero temperature between the cells
Typical concentrations •Enzyme 25-100 pM •Substrate 10-100 μM
(2-20 μl per injection; 15-30 injections)
Todd and Gomez, Anal. Biochem. 296, 179-187 (2001)
传统酶分析法的局限性
（连续分析法，不连续分析法，偶合 分析法）
1. 溶剂不透明或有混浊并对光谱检 测有干扰；
2. 天然的、重组的或突变的酶活性 低于分析方法的检测限；
3. 产物或底物没有光谱基团或荧光 基团，或者标记的成本太高或太 耗时；
4. 不连续分析要求多步进行； 5. 不存在直接的偶合反应； 6. 偶合分析不精确； 7. 底物或酶活性不清楚； 8. 蛋白质功能不清楚。
等温滴定量热仪（ITC）在分子相互作用中的应用
陈雍硕
Yongshuo.Chen@
Isothermal Titration Calorimetry 等温滴定量热
ITC: 测定分子相互作用的方法
在一次实验中, ITC 可以测定
• 结合的亲和力常数 (K), • 结合反应中的焓变和熵变 (∆ H,
DNA形成了三螺旋？
DNA triplex formation
A 120 µM solution of 15-mer single stranded DNA was titrated into a 5µM solution of 23-mer double stranded DNA at 25oC in 10 mM Sodium Acetate, pH 4.8 KD = 1.1x10-8 ∆G = -10.8 kcal/mole ∆H = -83.8 kcal/mole ∆S = -24.5 e.u