肽指纹图谱PMF鉴定
浅谈蛋白质质谱分析
浅谈蛋白质质谱分析方法及应用董义龙(单位：毕节学院，化学与化学工程学院，2009级化学教育本科三班,学号:06320904031）摘要：随着科学的不断发展，运用质谱法进行蛋白质的分析日益增多，本文简要的综述了肽和蛋白质等生物大分子质谱分析的特点，方法及蛋白质质谱分析的原理，方式和应用，并对其发展前景着出展望。
关键词：蛋白质质谱分析原理与方法蛋白质是生物体中含量最高，功能最重要的生物大分子，存在于所有生物细胞，约占细胞干质量的50%以上。
作为生命的物质基础之一，蛋白质在催化生命体内各种反应进行，调节代谢，抵御外来物质入侵及控制遗传信息等方面都起着至关重要的作用，因此，蛋白质也是生命科学中极为重要的研究对象。
关于蛋白质的分析研究，一直是化学家及生物学家极为关注的问题，其研究的内容主要包括分子量测定，氨基酸鉴定，蛋白质序列分析及立体化学分析等。
随着生命科学的发展，仪器分析手段的更新，尤其是质谱分析技术的不断成熟，使这一领域的研究发展迅速。
1 蛋白质组学研究的背景和意义1．1蛋白质组学的产生20世纪90年代开始的人类基因组计划(}Iuman Genome Project，HGP)是人类有史以来最伟大的认识自身的世纪工程，旨在阐明人类基因组DNA3×109核苷酸序列，希望在分子水平上破译人类所有的遗传信息。
经过各国科学家十几年的努力，HGP已取得了巨大的成绩。
在揭示基因组精细结构的同时，也凸现了基因数量有限性和基因结构的相对稳定性，这与生命现象的复杂和多交性之间存在着巨大的反差。
这种反差促使人们认识到：基因只是遗传信息的载体。
要研究生命现象，阐释生命活动的规律，只了解基因组的结构是远远不够的。
对于生命活动的主要体现者——蛋白质进行更全面和深入的研究是目前生命科学研究的迫切需要和重要任务。
后因组时代中功能基因组(Functional Genomics)的研究采用一些新的技术，如微阵列，DNA芯片对成千上万的基因表达进行分析比较，并从基因整体水平上对基因的活动规律进行阐述。
肽质量指纹技术
多匹配可以大大降低随机匹配的概率,从而增加结果的可信度
Carbonic anhydrase II 碳酸酐酶
PMF中的问题 2.长蛋白和短蛋白
长蛋白可能会更容易 的被匹配
因为长蛋白里的多肽数 目较多，即以概率来 算，匹配上的几率也会 比较大 质量指纹算法必须考虑这个问题，给短蛋白一定的补偿。
PMF中的问题 3.在一张质谱图中可能有多个蛋白存在
A. B.
C.
二维凝胶电泳技术
计算机图象数据处理技术
质谱技术
肽质量指纹
（PEPTIDE MASS FINGERPRINTING ,PMF）
不同的蛋白质经专一酶解后产生特定的肽 段序列，采用生物质谱对肽混合物进行质 量分析，结合数据库检索对库中的已知蛋 白质进行鉴定。由于每种蛋白质的氨基酸 序列（一级结构）都不同，蛋白质被酶水 解后，产生的肽片段序列也各不相同，其 肽混合物质量数亦具特征性，所以称为指 纹谱，可用于蛋白质的鉴定，即用实验测 得的蛋白质酶解肽段质量数在蛋白质数据 库中检索，寻找具有相似肽谱的蛋白质。
肽质量指纹实验路线
MALDI源和ESI源的对比
• 目前来说，由MALDI-TOF质谱仪产生的质 谱图精度较高，而由ESI质谱仪产生的质 谱图精度相对较低。 • 另一个问题是，ESI产生的质谱图中的离 子通常带有很多电荷，而MALDI质谱图中 的离子一般只带一个电荷，比较容易计 算。 • 所以从一级质谱鉴定蛋白质的算法（质 量纹）主要用在MALDI-TOF产生的质谱图 上。
基于鸟枪法蛋白鉴定过程
串联质谱图
ESI源质谱仪组成、常用实验策略和数据处理
PMF优于串联质谱的方面
肽质量指纹图谱 对于不需要的翻译后修 饰 研究大量蛋白质 不敏感 通过研究多肽解决
蛋白质质谱 - 丁香园—医学药学生命科学专业网站
缺点：
•可检测到的肽段少，对数据库检索是不利的。 • 肽段分子量精确度往往不够理想，影响鉴定结果。肽段分子质量在 2000以上时，在MALDI-TOF-MS中的分辨率会有所下降 。 •无法进行混合蛋白质鉴定 •翻译后修饰鉴定能力稍低
LTQ（ESI-MS/MS）
由于该质谱具有高效液相分离与MS/MS结构分析功能，可以获得检测到 的每一肽段的序列。根据一级质谱(MS)测得的精确分子质量和串联质谱 (MS/MS)所得的序列信息，通过蛋白质数据库的检索鉴定蛋白质种类。 优点：
总离子可信度
肽段序列
实际分子量 理论分子量
起始氨基酸位置 结束氨基酸位置
肽段离子得分
肽段固定修饰
分子量误差
肽段可信度
MS-MS (SeQuest)
BuildSummary
LTQ质谱（BuildSummary软件）结果说明
唯一肽段数 鉴定的肽段数 搜索到的蛋白 蛋白鉴定覆盖率 蛋白理论分子量 蛋白理论等电点 搜索到的蛋白可能有多个gi号，取最典型的gi号，选取次序为：sp > ref > first gi_number
• MALDI的原理是用激光照射样品与基质形成的共结晶薄膜，基质从激 光中吸收能量传递给生物分子，而电离过程中将质子转移到生物分子 或从生物分子得到质子，而使生物分子电离的过程。因此它是一种软 电离技术，适用于混合物及生物大分子的测定。
• TOF的原理是离子在电场作用下加速飞过飞行管道，根据到达检测器 的飞行时间不同而被检测即测定离子的质荷比（M/Z）与离子的飞行 时间成正比 ，检测离子。
压力差推动质子化样品进入质 量分析器进行检测 。
实验原理
适用样品
• 一般建议样品为溶液或考染胶。若为银染胶，需要采取快 速银染（即同质谱鉴定兼容）的方法染色。 • 溶液中一般不要有SDS、CHAPS、Triton X-100、NP40及 吐温 20、40等系列的去污剂。盐浓度小于50mM • 溶液样品蛋白浓度一般不小于1mg/ml，蛋白总量不小于 10ug。
蛋白质组学：质谱分析
我公司应用ABI公司4800质谱仪为广大蛋白质研究者提供质谱分析服务。
美国ABI公司4800 plus MALDI—TOF/TOF质谱仪（基质辅助激光解吸附电离串联飞行时间质谱）具有极高的分辨率和灵敏度，灵敏度只需要纳克级的蛋白质。
蛋白质质谱分析常规项目包括：·蛋白质鉴定(肽指纹图谱PMF，串联质谱分析)·大分子蛋白质质量测定肽指纹图谱（PMF）鉴定PMF（Peptide Mass Fingerprinting）是根据一级质谱（MS）所测酶解片段的精确分子质量鉴定蛋白质的一种方法。
一般采用MALDI-TOF仪器进行。
因为MALDI质谱图中的离子一般只带一个电荷，比较容易计算。
其原理就是利用了蛋白序列数据库中的多肽质量的信息与实际测得的质量信息进行对比而实现鉴定。
二级质谱鉴定质谱仪选择一级质谱中的一个峰，让这些峰所代表的离子高速撞击质谱仪中的惰性气体，使其肽键断裂，并对库搜索鉴定蛋白质。
常用MALDI-TOF／TOF仪器进行。
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蛋白质、多肽等大分子的质谱分析
蛋⽩质、多肽等⼤分⼦的质谱分析蛋⽩质、多肽等⼤分⼦的质谱分析检测仪器:1、基质辅助激光解吸附电离飞⾏时间质谱(MALDI-TOF MS)2、基质辅助激光解吸附电离串联飞⾏时间质谱(Autoflex III MALDI-TOF/TOF)3、纳升液相电喷雾四级杆飞⾏时间串联质谱仪(micrOTOF-Q II? ESI-Qq-TOF)主要应⽤:1、⽣物⼤分⼦的分⼦量检测2、蛋⽩质、多肽的纯度鉴定3、蛋⽩质的肽指纹图谱检测4、混合组分的分⼦量分布检测5、合成物质的分⼦量检测与纯度评价6、重组蛋⽩的分⼦量检测与纯度评价7、蛋⽩质的多肽谱检测8、⾎清多肽谱的检测9、PEG修饰的蛋⽩药物的研究样品要求:1、样品含量: 50-100Fmol (液体约5ul)2、样品形式: 液体；⼲粉；胶粒/条带3、⾮胶样品: 挥发性盐<20mM，⽆PBS、SDS和尿素等物质4、胶类样品: 银染过程中未使⽤戊⼆醛作为固定剂5、保存⽅式: 液体建议低温，胶类⽤去离⼦⽔防⼲蛋⽩质及多肽质谱鉴定简介博奥⽣物有限公司蛋⽩质实验室于2006年开始对外提供多肽和蛋⽩质测试服务，包括多肽和蛋⽩质的分⼦量和序列测定，蛋⽩种类鉴定。
博奥采⽤串联质谱法（Tandem Mass Spectrometry, MS/MS）鉴定蛋⽩，可靠性⾼。
蛋⽩经胰酶消化形成的肽段进⼊质谱，⼀级质谱检测多肽分⼦的⼤⼩，然后再将肽段打碎，形成⼀系列离⼦即N端离⼦系列（B系列）和C端碎⽚离⼦系列（Y系列）。
质谱再检测碎⽚离⼦的⼤⼩，即⼆级质谱。
将质谱数据与蛋⽩数据库进⾏⽐对，获得肽段的序列，特定的多肽序列对应着特定的蛋⽩，从⽽鉴定出待检测蛋⽩。
除了鉴定单个蛋⽩，我们的液相⾊谱和质谱联⽤平台（Liquid Chromatography- Tandem Mass Spectrometry, LC-MS/MS）还具有分析混合蛋⽩的能⼒。
MALDI-TOF MS（Matrix Assisted Laser Desorption Ionization Time of Flight Mass Spectrometry）是另⼀种常⽤的质谱平台，通过肽指纹图谱（Peptide Mass Fingerprinting, PMF）来鉴定蛋⽩质。
MALDI应用介绍
MALDI- TOF介绍MALDI- TOF的特点及其应用领域基质辅助激光解吸附飞行时间质谱(MALDI- TOF)工作原理是：将样品与能强烈吸收激光的基质配成溶液，溶剂挥发后形成的“固体溶体”进入离子源，激光照射“固体溶体”，基质吸收能量并传递给样品形成离子，样品离子进入飞行时间质谱仪中进行检测。
MALDI- TOF能在短时间内迅速发展，归结于它具有如下特点：(1) 质量检测范围宽(已超过300KD a);(2) 质量的准确度高(达0.01%);(3) 灵敏度(尤其是全质量范围灵敏度) 高，样品量只需1pmol 甚至更少；(4) 对样品要求很低，能忍耐较高浓度的盐，缓冲剂和非挥发性杂质；(5) 分析速度快，分子离子峰强，信息直观。
由于MALDI- TOF的上述优点，MALDI- TOF在测定大分子化合物，尤其是蛋白，核酸，多糖，脂类等生物大分子上是其他质谱所无法代替的。
在蛋白质组学研究，基因组研究以及生物天然药物的开发等领域起到了重要的作用。
进几年来，又在分析有机小分子，有机金属簇化合物，低聚物，元素高分子，光电材料，缩聚反应等上取得重大进展，已逐步发展成为现代化学分析中一项普通实用的，快速高效的检测手段。
1 在蛋白质及蛋白质组学等生命科学研究中的应用MALDI- TOF在多肽和蛋白的分析领域，相对来说已比较成熟，用胰蛋白酶或羧肽酶Y酶解，通过测肽指纹图谱(PMF) 鉴定蛋白，或者通过利用MALDI离子源特有的能生成亚稳态离子，可发生源后裂解(PSD，post source decay) 分析多肽的氨基酸序列，并已有许多成功的例子。
核酸的分析最近取得重要的进展，用Er.YAG激光器(2.94um) 及甘油为基质可观测到含2180个碱基对的DNA的准分子峰，所需样品量为fmol水平。
因此，MALDI- TOF也可用于基因组研究中遗传多样性的分析。
2 在高分子材料研究中的应用目前，在分析合成高分子的手段中，质谱越来越表现出它的重要性。
质谱测序及第三代测序
纳米单分子测序技术
与以往的测序技术皆不同，它是基于电信号而不是光信号的测序技术。该技术的关键之一是，他们设计了一种特殊的纳米孔，孔内共价结合有分子接头。借助电泳驱动单个分子逐一通过纳米孔，当DNA碱基通过纳米孔时，它们使电荷发生变化，从而短暂地影响流过纳米孔的电流强度，而ATCG单个碱基的带电性质不一样，通过电信号的差异就能检测出通过的碱基类别，从而实现测序。
串联质谱可直接用于测定肽段的氨基酸序列，其过程是从一级质谱产生的肽段中选择母离子，进入二级质谱，经惰性气体碰撞后肽段沿肽链断裂，由所得到的各肽段质量数差值推定肽段序列。得到的质谱数据既可以通过仪器提供的软件解析，也可以进行手工解析。
在第一级质谱得到肽的分子离子,选取目标肽的离子作为母离子，与惰性气体碰撞，使肽链中的肽键断裂。主要有三种不同的肽键断裂方式，产生6中不同的碎裂离子：即N端的a, b, c型离子与C端的x, y, z型离子.每种断裂类型分别生成互补的两种离子,如a-x,b-y,c-z。最常见的是a型离子、b型离子和y型离子，其他类型离子较少出现。将这些碎片离子系列综合分析，可得出肽段的氨基酸序列。质谱法有不少优点，还能用于翻译后修饰的分析（糖基化、磷酰化），但目前只适用于20个氨基酸以下的肽段。此外，还存在固有的局限性，比如Leu和Ile、Lys和Gln不能区分，有些肽的固有序列不能用质谱法测定。
生物质谱工作原理及其应用
2.基质辅助激光解吸附质谱技术
基质辅助激光解吸附质谱技术（MatriXAssistedLaserDesorption /Ionization,MALDI）的基本原理是将分析物分散在基质分子中并形成晶体，当用激光照射晶体时，由于基质分子经辐射所吸收的能量，导致能量蓄积并迅速产热，从而使基质晶体升华，致使基质和分析物膨胀并进入气相。MALDAI所产生的质谱图多为单电荷离子，因而质谱图中的离子与多肽和蛋白质的质量有—一对应关系。
只能提供有关离子的精确质量，从而可以确定样品的元素组成和分子式。而FABMS－MS串联技术的应用可以提供样品较为详细的分子结构信息，从而使其在生物医学分析中迅速发展起来。
同位素质谱是一种开发和应用比较早的技术，被广泛地应用于各个领域，但它在医学领域的应用只是近几年的事。由于某些病原菌具有分解特定化合物的能力，该化合物又易于用同位素标示，人们就想到用同位素质谱的方法检测其代谢物中同位素的含量以达到检测该病原菌的目的，同时也为同位素质谱在医学领域的应用开辟了一条思路。
1.电喷雾质谱技术
电喷雾质谱技术（ElectrosprayIonizsationMassSpectrometry,ESI-MS）是在毛细管的出口处施加一高电压，所产生的高电场使从毛细管流出的液体雾化成细小的带电液滴，随着溶剂蒸发，液滴表面的电荷强度逐渐增大，最后液滴崩解为大量带一个或多个电荷的离子，致使分析物以单电荷或多电荷离子的形式进入气相。电喷雾离子化的特点是产生高电荷离子而不是碎片离子，使质量电荷比（m/z）降低到多数质量分析仪器都可以检测的范围，因而大大扩展了分子量的分析范围，离子的真实分子质量也可以根据质荷比及电行数算出。
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优点与缺点
优点： 鉴定准确度更高，可以得到蛋白的序列 可以实现多个蛋白的鉴定 缺点： 增加了一步操作 算法更复杂，而且需要更多的操作经验
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蛋白的选择
一般以protein score C.I.%大于95或者单个肽段的 Total Ion C.I.%大于95作为蛋白成功的标准
对于一个样品点鉴定得到多个成功鉴定的结果， 以蛋白得分（ protein score ）最高的最为可信
一般而言，多个成功鉴定的不同蛋白之间相似性 也是非常高的，也可以通过难度 无法实现混合蛋白的鉴定
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二级质谱鉴定
质谱仪选择一级质谱中的一个峰，让这些峰所代 表的离子高速撞击质谱仪中的惰性气体，使其肽 键断裂，并对库搜索鉴定蛋白质
常用MALDI-TOF／TOF仪器进行
蛋白质质谱鉴定流程
样品
酶解
酶解片断
序列数据库
PMF 肽指纹图谱
一级质谱
成功鉴定
PSMs及后筛选
对库 检索
串联质谱
未知蛋白
De-novo 序列分析
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胰蛋白酶酶解
采用含乙腈的脱色液脱色至胶块变为白色 真空干燥仪中冷冻干燥 蛋白质组学级胰蛋白酶酶解过夜 采用含TFA和乙腈的溶液溶进行肽提取 真空干燥 采用含TFA和乙腈的溶液溶解样品并点样进
一般采用MALDI-TOF进行鉴定。因为MALDI质谱 图中的离子一般只带一个电荷，比较容易计算
其原理就是利用了蛋白序列数据库中的多肽质量的 信息与实际测得的质量信息进行对比而实现鉴定
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优点与缺点
优点： 是用一级质谱鉴定蛋白质的经典方法，算法简单，
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串联质谱结果
——质谱图
二级质谱图
一级质谱图
从一级质谱图里 选出部分峰做二
级质谱
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蛋白点编号
串联质谱结果
——报告单
蛋白名称 蛋白GI号
理论分子量
蛋白得分
串联质谱离 子得分
串联质谱匹 配的序列
理论等电点 可信度
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CID on
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数据库检索
采用GPS Explore (V3.6 ，ABI) 软件进行分析 使用MASCOT（V2.1, Matrix Science, London, U.K）
搜库软件对本地数据库进行检索 检索数据库为NCBInr，切割的酶为trypsin ，允许最
行质谱测试
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质谱分析
ABI MALDI-TOF/TOF 4800 质谱仪 先用MS反射模式得到一级图谱 一级质谱激光总shots: 800次 选择5-10个母离子做MS/MS分析 二级MS/MS激光总shots: 2000次，碰撞能量1KV,
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蛋白信息查询
首先根据蛋白名称可以了解该蛋白的大致功能 使用该蛋白的GI号码可以到NCBI数据库进一
步查询该蛋白的信息 对于未知蛋白，可以采用BLAST或者其它功能
预测软件预测该蛋白的功能
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大的未被酶切位点数为1, 可变修饰为半胱氨酸乙酰 胺化和甲硫氨酸氧化，没有固定修饰，母离子质量 容差为50 ppm，片段离子质量容差为0.25Da
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肽指纹图谱（PMF）鉴定
PMF（Peptide Mass Fingerprinting）是根据一级质谱 （MS）所测酶解片段的精确分子质量鉴定蛋白质的 一种方法