赛默飞世尔举办“蛋白质组学及质谱基础知识”网络讲座

2011.3.24

Alieen

学海无涯乐作舟

　　2011年3月23日，赛默飞世尔科技借分析测试百科网这一平台成功举办了本月第三场网络视频讲座——蛋白质组学及质谱基础知识。赛默飞世尔科技蛋白质组学市场专员唐佳工程师为大家介绍了蛋白质组学、生物质谱的发展历史、基本原理、最新进展以及Thermo的蛋白质组学全面解决方案。

　　蛋白质组学基础

　　唐老师首先为大家介绍了关于蛋白质组学的基本概念。

　　蛋白质是一切生命物质基础，是生命活动的主要承担者。蛋白质组指的是基因组表达的所有蛋白质，即一种细胞、组织或生物体所拥有的全部蛋白质。以一种细胞、组织或生物体所拥有的全部蛋白质为研究对象的学科就是蛋白质组学。

　　蛋白质组学分类及发展

　　蛋白质组学研究大可分为以下几类：

表达蛋白质组学：采用高通量的蛋白质组学研究技术分析细胞、组织和生物体内尽可能多乃至于接近所有蛋白质，对这些蛋白质进行分离、识别、定量、定位，从而构建某个细胞、组织或生物体全蛋白质的表达谱。
功能蛋白质组学：以某种特定细胞、组织或生物体为对象，研究蛋白质的翻译后修饰、蛋白质结构、蛋白质的定位及表达水平差异与功能之间的关系，研究蛋白质之间的相互作用及其意义，构建蛋白质功能网络。
结构蛋白质组学
生物信息学

　　目前蛋白质组学的研究对象主要为原核微生物、真核微生物、植物和动物等，涉及研究领域有生物科学、细胞生物学、神经生物学、生物医学。近几年来蛋白质组学研究发展，离不科学技术的支持，其中生物质谱便是蛋白质组学发展中的关键技术。

　　生物质谱技术用于蛋白质组学研究

　　蛋白质组学研究的一般流程蛋白质提取、蛋白质分离、最后质谱鉴定。整个流程中还运用了Bottom up技术或Top down 技术。

　　其中Bottom up技术会将蛋白质进行酶切，将蛋白质切成不同的肽段最后送入质谱鉴定。采用该技术样品分析通量高、分子量小容易分析。近几年来Bottom up技术发展迅速并逐渐趋于成熟。

　　Top down 技术则没有酶切的过程，它是对整个蛋白质分子进行鉴定，虽然在通量上、数据处理上不能与Bottom up技术相比，但是对于保护整个蛋白质分子的完整性、蛋白质翻译后修饰基团上具备自己的优势。

　　生物质谱解析蛋白质组学基本流程

　　紧接着唐老师以Bottom up技术为例重点介绍了生物质谱解析蛋白质组学基本流程。首先将得到的生物复合物进行酶解，形成一些具有特征性的肽段，然后将肽段复合物送入质谱分析。如果肽段复合物比较复杂，送入质谱前还可以对其进行一维液相色谱分离再经质谱鉴定，从而得到肽段的一级质谱图或二级质谱图。最后根据算法处理对应到酶解的特征肽段，经数据库比对得到蛋白质分析数据。

蛋白质酶解

　　实际研究中经常运用Trypsin（胰蛋白酶）进行蛋白质酶解，形成一些特征肽段。若酶解效率高，质谱的分辨率、质量精度高，则可通过混合肽段的一级质谱图来鉴定蛋白质，得到的一级质谱图称为指纹谱图。

裂解

　　实际过程中酶解过程不可控，不能保证酶解效率及质谱的分辨率、质量精度。所以通用分析还是通过串联质谱来进行鉴定，故有母离子碎裂过程即裂解。裂解方式包括CID、ECD、ETD等。其中CID方式最为常用。

　　生物质谱基础

　　生物质谱仪单单从结构上并没有什么特殊，但是对于样品处理上都是大分子物质。所以生物质谱需要在质量分析器上进步扩大其范围，需要在不破坏样品分子结构前提下对样品分子进行电离。

　　生物质谱离子源

ESI源：流出液从喷针流出，在电场下形成带电喷雾，在电场力作用下穿过气帘（气帘主要起雾化、蒸发溶剂以及阻止中性溶剂分子的作用）形成带多电荷的分子、离子、从而可以以较低的质荷比被许多质量分析器检测到，对盐和表面活性剂的容忍低
MALDI源：使用特定波长的激光照射到样品靶上，靶上的基质将吸收到的能量传递给样品，使样品产生瞬间膨胀相变而发生本体解析，使样品离子化。主要形成带单电荷的分子、离子。对样品容忍度高，但难以实现自动化。
APCI源：在大气压下，样品形成雾，然后电晕放电针对其放电，在高压电弧中，样品被电离，然后去溶剂化形成离子，最后检测，对于极性小的样品效果较好，应用范围没有ESI广。

　　正是由于离子源的发展，才使得质谱大规模被应用。

　　生物质谱的核心部件——质量分析器

四级杆/三重四级杆大口径（4mm VS 6mm）：提高离子传输效率，真正的共轭双曲截面，提高分辨率，改善峰形。以Thermo TSQ Quantum为例，体积小，重新性好，非高分辨除常规MS和MS/MS功能外，还可做母离子扫描、中性丢失扫描、选择反应监测、选择离子监测。

离子阱/线性离子阱三维离子阱结构紧凑，多级MS，动态范围窄。Thermo的ZL技术——二维线性离子阱离子容量大，灵敏度比三维离子阱提高10倍。

静电场轨道阱

飞行时间分为直线式飞行时间、反射式飞行时间。反射式扫描速度快，质量范围广，体积庞大。

FTMS分为FT-ICR-MS傅里叶变换离子回旋共振质谱仪，FT-Orbitrap MS 傅里叶变换静电场轨道阱质谱仪。

　　唐老师重点讲解了FT-Orbitrap。Orbitrap 是Thermo的ZL技术，具有三个特征频率即轴旋转频率、径向振荡频率、轴向振荡频率，分辨率高、高精确质量、宽动态范围。Orbitrap技术与优异的MSn谱图信息及准确的质量信息，组合成Thermo强大的LTQ Orbitrap系列质谱系统。它具有两种经典的扫描模式：1次LTQ Orbitrap高分辨全扫描和同时进行的3次低分辨离子阱MS/MS扫描；1次LTQ Orbitrap高分辨全扫描和数据关联的3次高分辨LTQ Orbitrap MS/MS扫描。

　　Thermo LTQ Orbitrap质谱系统遍布全球分析实验室，包括著名的德国马普生化所、美国斯克里普斯研究所。LTQ Orbitrap的中国用户包括复旦大学生命科学研究院、中科院上海生化所蛋白质组研究中心、诺华制药上海研发中心、北京大学生命科学院、中国药品生物制品检定所、中科院大连化物所等等。

　　Thermo蛋白质组解决方案