蛋白质组学
蛋白质组学研究方法与实验方案
蛋白质组学研究方法与实验方案1. 什么是蛋白质组学？好吧，咱们先聊聊什么是蛋白质组学。
想象一下，咱们的身体就像一个精密的机器，每个部件都有它的角色，而这些部件就是蛋白质。
蛋白质组学，简单来说，就是研究这些蛋白质的科学。
通过它，我们能够了解它们的结构、功能，以及它们在身体里是如何相互作用的。
就像侦探破案一样，蛋白质组学帮我们解开生命的奥秘。
真是既神秘又有趣，尤其是当你发现一些小细节时，那种“啊哈！”的感觉，简直让人兴奋得想跳起来！2. 蛋白质组学的研究方法2.1 样本准备首先，样本准备可是一门艺术。
你不能随便拿个东西就往实验室一扔，这样可不行哦！一般来说，样本可能是血液、细胞或者组织。
准备这些样本时，注意卫生和安全，搞得像开派对一样，干净利索才行。
样本收集后，我们需要把它们冷藏，保持它们的新鲜度，毕竟没人想要一份过期的蛋白质套餐，对吧？2.2 蛋白质提取接下来，我们进入蛋白质提取的阶段。
想象一下，像是在厨房里做大餐，首先要把食材准备好。
提取蛋白质就像把牛肉从牛排里切下来，一刀切下去，油油的鲜香就出来了。
我们用各种化学试剂，像是盐酸、乙醇这些，来分离出蛋白质，得小心别让它们变成一团糟。
处理得当，才能确保后面的分析顺利进行。
3. 蛋白质分析3.1 质谱分析然后就是蛋白质分析环节。
这时候，质谱仪就像一位高级侦探，能够识别出蛋白质的身份。
你可以把质谱想象成一个超级厉害的放大镜，它能让我们看到蛋白质的分子量和结构。
分析结果能告诉我们这些蛋白质的种类、数量，甚至还可以了解它们的相互作用。
哇哦，真的是一门高科技的艺术呢！3.2 数据解读最后，我们得对数据进行解读。
就像读一本悬疑小说，刚开始可能没看懂，但越往后看越有趣。
这个过程需要耐心和细心，数据可能会让你感到困惑，但一旦你理解了其中的奥妙，简直就像解开了一个千古之谜。
通过这些数据，我们能够找到疾病的潜在标志物，或者探索新药物的目标，真是让人感到自豪的工作！4. 实验方案小贴士当然啦，在整个实验过程中，有几个小贴士可以帮助你事半功倍。
蛋白质组学概念
蛋白质组学概念“哎呀，同学们，今天咱们来聊聊蛋白质组学。
”我站在讲台上对着学生们说道。
那什么是蛋白质组学呢？简单来说，蛋白质组学就是一门研究一个生物体、一个细胞或者一个组织在特定时间和条件下所表达的全部蛋白质的学科。
这可不像我们以前学的那种只针对单一蛋白质的研究哦。
比如说，我们拿人体来举例吧。
人体是非常复杂的，不同的细胞、组织有着不同的功能，而这些功能的实现很大程度上依赖于蛋白质。
蛋白质组学就是要全面地去了解这些蛋白质，它们的种类、数量、结构以及相互之间的作用关系。
大家想想看，为什么我们要研究蛋白质组学呢？这可太重要啦！通过研究蛋白质组学，我们可以更好地理解生命活动的本质。
比如说，当人体发生疾病的时候，蛋白质的表达往往会发生变化。
我们通过分析这些变化，就有可能找到疾病的标志物，从而帮助我们早期诊断疾病，甚至开发出针对性的治疗方法。
我给大家讲一个真实的例子吧。
有研究人员在研究癌症的时候，就发现某些特定的蛋白质在癌细胞中会异常表达。
通过深入研究这些蛋白质，他们找到了一些潜在的治疗靶点，为癌症的治疗带来了新的希望。
而且，蛋白质组学在药物研发方面也有着重要的作用。
我们可以通过研究蛋白质和药物的相互作用，来筛选出更有效的药物，提高药物研发的效率和成功率。
另外，蛋白质组学还能帮助我们更好地了解生物的发育过程、环境适应机制等等。
总之，蛋白质组学的应用非常广泛，对我们理解生命、攻克疾病、推动医学和生物学的发展都有着至关重要的意义。
那蛋白质组学是怎么研究的呢？这就涉及到很多技术和方法啦。
比如说，我们常用的有质谱技术。
它可以非常准确地测定蛋白质的分子量、氨基酸序列等信息。
还有双向凝胶电泳技术，它可以把蛋白质分离开来，让我们能够直观地看到有哪些蛋白质存在。
同学们，蛋白质组学是一个非常有前景的领域，未来还有很多的挑战和机遇等待着我们去探索。
我希望大家能够对这个领域产生兴趣，说不定你们以后就会成为这个领域的专家呢！。
生物的蛋白质组学和代谢组学
02
代谢组学概述
代谢组学定义与发展
代谢组学定义
代谢组学是研究生物体内代谢物变化规律的科学，通过对生物体内代谢产物的定性和定量分析，揭示生物体的代 谢状态及其变化。
代谢组学发展
随着分析化学、生物信息学和计算机科学等多学科的交叉融合，代谢组学逐渐发展成为一个新兴的研究领域，为 生物医学、营养学、环境科学等领域提供了新的研究思路和方法。
保存
采用适当的保存方法，如低温冷冻、添加保 护剂等，以延长样本保存时间并减少样本降 解。
数据预处理与质量控制
1 2
数据预处理
对原始数据进行必要的预处理，如去噪、归一化 、标准化等，以提高数据质量和可比性。
质量控制
采用合适的质量控制方法，如内标法、重复实验 等，以确保实验结果的稳定性和可靠性。
3
数据可视化
03
结合蛋白质组学和代谢组学数据，可以建立食品营养
成分数据库，为食品营养标签的制定提供科学依据。
食品安全性评价与监控
有毒有害物质检测
蛋白质组学和代谢组学可用于 检测食品中的有毒有害物质， 如农药残留、重金属、生物毒 素等。
食品微生物污染监 控
通过蛋白质组学和代谢组学技 术，可以监控食品中微生物的 种类、数量和代谢产物，以评 估食品的微生物安全性。
多组学整合分析
将蛋白质组学和代谢组学数据与其他组学数据进行整合分 析，如基因组学、转录组学等，以全面揭示生物系统的复 杂性和调控机制。
04
蛋白质组学和代谢组学在生物医 学领域应用
疾病诊断与预后评估
生物标志物的发现
通过蛋白质组学和代谢组学技 术，可以发现与特定疾病相关 的生物标志物，用于疾病的早
期诊断和预后评估。
蛋白质组学
百泰派克生物科技
蛋白质组学
“蛋白质组”（Proteome）一词源于蛋白质“PROTEin”与基因组“genOME”两个
词的杂合，意指“一个基因组表达的全套蛋白质”。
“蛋白质组学”（Proteomics）是以蛋白质组为研究对象，从整体水平上分析一个有机体、细胞或组织的蛋白质组成及其活动规律的科学。
蛋白质组学是在20世纪基因组学研究取得巨大成就的基础上发展起来的。
基因组
学研究促进了蛋白质组学研究的发展，蛋白质组学的研究又延伸了基因组学研究的深度。
蛋白质组学的主要研究内容包括蛋白质翻译后修饰的鉴定、蛋白结构与功能分析、蛋白定位、蛋白质差异表达以及蛋白质间的相互作用等。
百泰派克生物科技采用高通量质谱平台提供蛋白质组学服务，包括蛋白的鉴定、蛋白翻译后修饰的定性和定量分析、蛋白相互作用分析、蛋白结构鉴定等一系列分析，还可提供定制化的分析服务，满足不同的实验需求，欢迎免费咨询。
蛋白质组学
研究意义背景
研究意义
研究背景
蛋白质组学书籍随着人类基因组计划的实施和推进，生命科学研究已进入了后基因组时代。在这个时代，生 命科学的主要研究对象是功能基因组学，包括结构基因组研究和蛋白质组研究等。尽管现在已有多个物种的基因 组被测序，但在这些基因组中通常有一半以上基因的功能是未知的。目前功能基因组中所采用的策略，如基因芯 片、基因表达序列分析(Serial analysis of gene expression, SAGE)等，都是从细胞中mRNA的角度来考虑的， 其前提是细胞中mRNA的水平反映了蛋白质表达的水平。但事实并不完全如此，从DNA mRNA蛋白质，存在三个层次 的调控，即转录水平调控(Transcriptional control )，翻译水平调控(Translational control)，翻译后水 平调控(Post-translational control )。从mRNA角度考虑，实际上仅包括了转录水平调控，并不能全面代表 蛋白质表达水平。实验也证明，组织中mRNA丰度与蛋白质丰度的相关性并不好，尤其对于低丰度蛋白质来说，相 关性更差。更重要的是，蛋白质复杂的翻译后修饰、蛋白质的亚细胞定位或迁移、蛋白质－蛋白质相互作用等则 几乎无法从mRNA水平来判断。毋庸置疑，蛋白质是生理功能的执行者，是生命现象的直接体现者，对蛋白质结构 和功能的研究将直接阐明生命在生理或病理条件下的变化机制。蛋白质本身的存在形式和活动规律，如翻译后修 饰、蛋白质间相互作用以及蛋白质构象等问题，仍依赖于直接对蛋白质的研究来解决。虽然蛋白质的可变性和多 样性等特殊性质导致了蛋白质研究技术远远比核酸技术要复杂和困难得多，但正是这些特性参与和影响着整个生 命过程。传统的对单个蛋白质进行研究的方式已无法满足后基因组时代的要求。这是因为：(1)生命现象的发生 往往是多因素影响的，必然涉及到多个蛋白质。(2)多个蛋白质的参与是交织成网络的，或平行发生，或呈级联 因果。(3)在执行生理功能时蛋白质的表现是多样的、动态的，并不象基因组那样基本固定不变。
蛋白质组学的研究内容和意义
蛋白质组学（Proteomics）是在整体水平上研究细胞、组织或整个生命体内蛋白质组成及其活动规律的科学。
其研究内容主要包括：鉴定特定细胞、组织或器官的蛋白质种类（蛋白质组全谱鉴定）、特定条件下蛋白质的表达量变化研究（定量蛋白质组学）、明确蛋白质在生命活动中执行的功能（功能蛋白质组学）、揭示蛋白质之间的复杂相互作用机制（相互作用蛋白质组学）、描绘蛋白质的精确二维、三维以致四维结构（结构蛋白质组学）、以及蛋白质翻译后修饰研究（修饰蛋白质组学）。
蛋白质组学的研究具有重大的科学意义和应用价值。
首先，蛋白质是生命活动的直接执行者，对蛋白质的研究有助于深入了解生命现象和疾病发生发展的机制。
其次，蛋白质组学研究可以提供大规模、系统化的蛋白质特性数据，以期望在蛋白质水平上解释控制复杂的生命活动的分子网络。
此外，蛋白质组学的研究对于新药研发、生物医药产业的发展以及重大疾病防诊治能力的提高具有重大的战略意义。
蛋白质组学
致病微生物的蛋白质组研究
蛋白质组的一个重要应用是在阐明新抗生素作用机理的研 究上.当今,细菌对大多数抗生素都有了抗性,寻找作用于细菌 内新的靶子的研究工作已经展开,找到了许多有效的抗菌化合 物.但目前遇到的困难在于难以揭示新的化合物的作用靶子及 其作用机理.有时虽在体外发现新化合物能够使某种蛋白质失 活,但在体内是否有这种现象和这是否是抗菌的主要机制仍然 未知,现在双向电泳分析提供了一个有效手段.例如在研究抑制 核糖体类抗生素对细菌的作用机制时,对12种作用于翻译过程 的不同阶段和核糖体内不同分子的抗生素加以考察,发现其中8 种诱导冷休克反应的一系列蛋白质,另4种诱导一系列热休克反 应的蛋白质,因此预计新的作用于核糖体的化合物也是诱导这 两种反应,并且籍此可以推测大肠杆菌对冷热的反应发生于核 糖体水平上.蛋白质组研究的重要优势在于能够从整体水平上 分析不同条件下蛋白质谱的变化.例如作为一种差异显示技术, 这一技术已被用于比较结核分枝杆菌与牛结核分枝杆菌蛋白的 不同,结果发现一些在基因水平上很类似的蛋白在蛋白质水平
生物化学专题
主讲教师 杨婉身 晏本菊 陈惠
蛋白质组学的含义
蛋白质组(Proteome)一词最早由澳大利亚学 者 Ｗｉｌｋｉｎｓ等于1994年提出,指的是由一 个基因组geneome或一个细胞、组织表达的所有 protein。蛋白质组学(proteomics)是在蛋白质水 平上定量、动态、整体性地研究生物体。 同基因组学一样,蛋白质组学不是一个封闭的、 概念化的、稳定的知识体系,而是一个领域。它旨 在阐明生物体全部蛋白质的表达模式及功能模式, 其内容包括蛋白质的定性鉴定、定量检测、细胞 内定位、相互作用研究等,最终揭示蛋白质功能, 是基因组ＤＮＡ序列与基因功能之间的桥梁。
蛋白质组学研究的内容
蛋白质组学
蛋白质组学阐明生物体各种生物基因组在细胞中表达的全部蛋白质的表达模式及功能模式的学科。
包括鉴定蛋白质的表达、存在方式(修饰形式)、结构、功能和相互作用等。
百科名片蛋白质组学（Proteomics）一词，源于蛋白质（protein）与基因组学（genomics）两个词的组合，意指“一种基因组所表达的全套蛋白质”，即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质。
蛋白质组本质上指的是在大规模水平上研究蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平，翻译后的修饰，蛋白与蛋白相互作用等，由此获得蛋白质水平上的关于疾病发生，细胞代谢等过程的整体而全面的认识，这个概念最早是由Marc Wilkins 在1995年提出的。
前言蛋白质组的研究不仅能为生命活动规律提供物质基础，也能为众多种疾病机理的阐明及攻克提供理论根据和解决途径。
通过对正常个体及病理个体间的蛋白质组比较分析，我们可以找到某些“疾病特异性的蛋白质分子”，它们可成为新药物设计的分子靶点，或者也会为疾病的早期诊断提供分子标志。
确实，那些世界范围内销路最好的药物本身是蛋白质或其作用靶点为某种蛋白质分子。
因此，蛋白质组学研究不仅是探索生命奥秘的必须工作，也能为人类健康事业带来巨大的利益。
蛋白质组学的研究是生命科学进入后基因时代的特征。
基本策略蛋白质组(Proteome)的概念最先由Marc Wilkins提出，指由一个基因组(genOME)，或一个细胞、组织表达的所有蛋白质(PROTein). 蛋白质组的概念与基因组的概念有许多差别，它随着组织、甚至环境状态的不同而改变. 在转录时，一个基因可以多种mRNA形式剪接，并且，同一蛋白可能以许多形式进行翻译后的修饰. 故一个蛋白质组不是一个基因组的直接产物，蛋白质组中蛋白质的数目有时可以超过基因组的数目. 蛋白质组学(Proteomics)处于早期“发育”状态，这个领域的专家否认它是单纯的方法学，就像基因组学一样，不是一个封闭的、概念化的稳定的知识体系，而是一个领域. 蛋白质组学集中于动态描述基因调节，对基因表达的蛋白质水平进行定量的测定，鉴定疾病、药物对生命过程的影响，以及解释基因表达调控的机制. 作为一门科学，蛋白质组研究并非从零开始，它是已有20多年历史的蛋白质(多肽)谱和基因产物图谱技术的一种延伸. 多肽图谱依靠双向电泳(Two-dimensional gel electrophoresis, 2-DE)和进一步的图象分析；而基因产物图谱依靠多种分离后的分析，如质谱技术、氨基酸组分分析等.研究基础90年代初期开始实施的人类基因组计划，在经过各国科学家近10年的努力下，已经取得了巨大的成就。
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仪器
• 目前，有多种离子源、质量分析器、离子碎裂装 置的组合方式。
• MALDI-TOF (最便宜); • MALDI-TOF/TOF; • ESI-三重四级杆； • ESI-离子阱； • ESI-四级杆（Q）-TOF; • ESI-Q-离子阱； • ESI-MALDI-线性离子阱（LTQ）; • FT-ICR（造价最贵）
• Highly reproducible
• Quantify but not identify
• Detect post-translational
modifications
基于质谱的蛋白质鉴定
Transcriptomics
转录组学是一门研究细胞中基因转录 情况及转录调控规律的学科。
Proteomics
不是十万个
Cataloguing Proteomics • Protein catalogue--what proteins are there in a cell, tissue,organelle, etc.
质荷比范围非常宽，适合于生物大分子，灵敏度高，适合作第二级， 速度快，结构简单；分辨率随质荷比的增加而降低
TOF分析器
MALDI-TOF MS示意图。由MALDI离子源产生的离子经过栅极加速，以一定的速度 进入无场飞行管。飞行速度是离子质量的函数，如采用线性检测器，可利用检测器 测定离子的飞行时间。离子反射器可充当“电子反射镜”的作用，使离子转向并以重 聚焦的方式进入第二个检测器。
蛋白质组学传达了什么信息？
1. 特定细胞组织中的任意时间存在的全部蛋白； 2. 蛋白蛋白相互作用的大规模研究； 3. 提供医学诊断和预防的新途径（例：体液蛋白质分析）； 4. 补充现有医学技术，如：免疫蛋白质组学，了解药物的作
用及副作用； 5. 宏蛋白质组学：鸟枪法分析微生物物种混合物。
• In expensive sample • Low MW Proteins
prep
(<7kDa)
• Membrane proteins • Not Quantitative
• High MW proteins
(>100 kDa)
Principle of 2-D Gel Electrophoresis
Mass Spectrometry Based Techniques
质谱分析
• 高质量精确性和高分辨率； • 蛋白质鉴定：肽质量指纹谱和肽段碎片； • 定量分析：发现生物标记物，而且可以研
究内外因微扰引起的蛋白质组的内在变化； • 蛋白质表征方面：蛋白质的翻译后修饰对
细胞内的多个过程起到关键的调控作用。
样品流经被施加高压的喷雾针——液滴表面聚集大量相同电荷——由于静电排斥作用， 分裂成大量电荷的小液滴——通过对流热气体时，溶剂蒸发，小液滴进一步变小—— 表面电荷密度增加——当达到瑞利极限时，液滴分裂、缩小——反复进行——只剩下带 电分析物分子——单电荷和多电荷的混合物——因为以液态形式引入可与液相色谱仪 （LC）连用。
尚未清楚？
1. 低丰度、质量大、极酸、碱性蛋白检测—样品 分级；
2. 蛋白相互作用组不可能比较---蓝绿温和胶电泳 法；
3. 无法实时监测蛋白质组变化---高倍率显微镜活 细胞分析；
4. 半定量； 5. 产生普通型和标准型蛋白质组数据； 6. 需采用先进的统计学方法进行数据分析； 7. 数据解释仍是瓶颈问题。
MS 概述
1.离子化 2.质量分析 3.仪器
质谱仪框图
真空系统 加速区
计算机数据
Output
分析
进样系统 Sample Inlet
离子源
Ionisation source
质量分析器 Ion separation
检测器
Detector
离子化的方法
电子轰击电离 化学离子化 场电离，场解吸
Electron Impact Ionization, EI Chemical Ionization, CI Field Ionization FD, Field Desorption FD
their localization, modifications, interactions, activities, and, ultimately, their function.”
-Stan Fields in Science, 2001.
什么是蛋白质组学
Genomics
基因组学,研究生物基因组和如何 利用基因的一门学问。用于概括 涉及基因作图、测序和整个基因 组功能分析（后基因组学）的遗 传学分支。
Proteomics
蛋白质组学
2006-2012蛋白质组学论文数
论文数
10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
2006年 2007年 2008年 2009年 2010年 2011年 2012年 年份
什么是蛋白质组学
“Proteomics includes not only the identification and quantification of proteins, but also the determination of
扫描速度: 离子检测速度即质谱仪获取数据的速度
扇形磁场质量分析器(Magnetic sector)
电场加速后 zV=(1/2)m2
(z-电荷；V-电压 m-质量；-速度)
磁场中 Bz = m2/r
(B-磁场强度； r-半径)
m/z=B2r2/2V
扫描B/V来获得质谱图
质量分析器使用扇型磁场，结构简单，操作方便；分辨率低
蛋白质组学技术
蛋白质鉴定
质谱鉴定蛋白质的原理及具体流程 数据分析软件 (Sequest, X!tandem, TPP)
比较蛋白质组学
双向凝胶电泳 LC-MS/MS
2DE-MALDI-TOF/TOF
双向差异凝胶电泳(DIGE)
同位素标记技术 无标记定量技术 初分离技术--SDS-Page, antibody column, PF2D
飞行时间质谱议(time of flight,TOF)
用一个脉冲将离子源中的离子瞬间引出，经加速电压加速，它们 具有相同的动能进入漂移管，质荷比小的离子具n Source
Drift Region
Reflection
Detector
由杆和圆环形的电极（环形 排列）组成电多极。离子均 储存在离子阱中，通过增加 射频电压最高值，离子按
m/z值不断增加的顺序排出
并进入监测器，即质量-选
择不稳定型模式，m/z值与
MALDI适用于生物大分 子，如肽类，核酸类化合物, 可得到分子离子峰，无明显 碎片峰。此电离方式特别适 合于飞行时间质谱议。
电喷雾电离
ElectroSpray Ionization(ESI)
主要应用于高效液相色谱HPLC与质谱仪的联用。从雾化器套 管的毛细管端喷出的带电液滴，随着溶剂的不断快速蒸发， 液滴迅速变小，表面电荷密度不断增大。由于电荷间的排斥 作用，就会排出溶剂分子，得到样品的准分子离子。通常小 分子得到带单电荷的准分子离子，而大分子则得到多种多电 荷离子，检测质量可提高几十倍，通常无碎片离子峰，只有 整体分子的峰，有利于生物大分子的质谱测定。
质量分析器
根据离子质荷比进行分离
扇形磁场质量分析器 Magnetic sector
飞行时间
Time Of Fight, TOF
四极杆
Quadrupole
离子阱
Ion traps
傅里叶变换离子回旋共振 Fourier transform ion cyclotron resonance， FTICR
四极杆质量分析器（Quadrupole Mass Analyzer）
由四跟平行的棒状电极组成而得名。相对的两个电极组成一对， 两对都带有射频电压（RF）和直流电压（DC），只是极性相反。 四极滤质器在质量选择的稳定模型下运作：在一定RF和DC下，仅
一种m/z值的离子能通过滤质器。通过RF和DC的振幅的不断改变 ，四极杆按一定顺序选择某些m/z值的离子依次通过滤质器并达 到监测器，而其它m/z值离子将从过滤器中去除
质谱仪的主要技术指标
质量范围： 指质谱议所检测的单电荷离子的质荷比范围
分辨率（R）：分辨率是质谱议分开相邻两离子质量的能力。 R = m /m
m为质谱议可分辨的相邻两峰的质量差 m为可分辨的相邻两峰的平均质量
质量精确度： 定义了生物分析物质量的测量值与实际分子 量的接近程度（用百万分率表示，ppm）
• <7,000 and >130,000 Da
• Quantitative comparisons of • Strongly hydrophobic
~2000 proteins on one gel • Simplified comparison
between gels
Highly basic proteins • Difficult to automate • Multiple proteins per spot
数据验证
Quantitative Proteomics Gel-based MS-based
Gel Based Techniques
1D Gel Analysis
1D Gel Analysis
• Strengths:
• Limitations:
• Simple
• Limited resolution
表面增强激光解吸电离 Surface Enhanced Laser Desorption and Ionization,
SELDI
基质辅助激光解析电离
Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization (MALDI)