代谢组学概述

代谢组学（ Metabonomics ）:是后基因组时代的一个重
要的研究领域,它是关于定量描述生物体内源性代谢物质的整体及 其对内因和外因变化应答规律的科学,是系统生物学的重要组成部 分。它通过对生物信息学的化学分析和处理,在生物学和生命科学 领域中发挥着重要的作用。这些组学分别从调控生命过程的不同 层面进行研究,使人们能够从分子水平研究生命现象、探讨生命的 本质,逐步系统地认识生命发展的规律。而基于1H_NMR的代谢组 学(1H-NMR-based metabonomics)是将NMR的检测技术与多元数 据分析的模式识别方法有机地结合起来,形成一门研究生物体内源 性代谢物的整体及内在或外在因素影响的科学。 其主要任务是定量检测内源性代谢物的整体及其动态变化规 律并确定与之相联系的生物化学过程。
文章部分
What does metabolomics analyze?：
生物的代谢产物不是单一的，而是复杂的种类繁多的、物理和化学性 质多变的，具有极其丰富的多样性的小分子混合化合物（30Da—3000Da） 群体。有别于多糖、肽类、蛋白质、DNA和RNA等大分子（5000Da以上） 的聚合物，代谢物（metabolite）亦称中间代谢物，主要是指通过代谢过 程产生或消耗的物质，生物大分子不包括在内。生物大分子的前体及降解 产物是真正的代谢物。代谢过程中在酶作用下生成或转变的小分子化合物 也称作代谢物。
文章部分
Introduction：
基于NMR的代谢组学研究是研究生物系统的很重要的一种工具，研 究的对象包括各种动植物及微生物的机体组织，NMR可以测定确定条件下 的整体代谢物的状况（‘holistic view’ ），因此这对代谢组学的研究是很 有利的。 NMR可以做到定性定量的对检测样品中的各类代谢物进行测定。 NMR可以检测的样品广泛（单细胞提取物、动植物组织提取物、微 生物、尿液、血液等）。目前最为主要的应用是对疾病代谢物标靶的测定 识别，以及对新药品的效果评估，也用于食品质量的评估。 代谢组学方面的研究现在依然混乱，缺乏类似于基因组学研究方面的 标准化和系统化，众多实验室之间的实验数据无法用于进行相互比对，缺 乏系统化的大型数据库作为数据分析研究的平台。
Dilatris pillansii单 分泌腔显微成像
分泌腔提取物 NMR频谱
参照物NMR 频谱
单分泌腔显微分 离后的成像
Is there an optimal analytical method?：
由于质谱法（MS）和核磁共振法（NMR）都是基于物理性质对化合物进行 检测，不受外在因素的干扰，可重复性高，通常是首要的优选分析方法。MS和 NMR也可以与色谱联合使用已达到更高的检测精度。例如：液相色谱（LC-MS、 LC-NMR），气象色谱（GC-MS、GS-NMR）及固相萃取（LC-SPE-NMR）. 核磁共振是主要的分析方法，因为他快速简单，样本处理简单，并能够进 行快速的大样本量的分析，但是与质谱法相比灵敏度较低。NMR目前已被用于 质量控制、化学分类、遗传修饰的等价分析及环境或有机体之间相互作用的分 析。 核磁共振在代谢组学方面研究中的应用已经相当广泛，目前已经鉴定出的 化合物的种类已有30-150种。检测的灵敏度在10mg-50mg之间。 使用核磁共振成像（MRI）更能在不对样品进行任何处理（完整的组织样本） 的的情况下进行检测分析。
• 有的地方与外加磁场方向一致，将增加外加磁场， 并使该处氢核共振移向低磁场处(去屏蔽效应)， 故化学位移值增大； • 有的地方与外加磁场方向相反，将削弱外加磁场， 并使该处氢核共振移向高磁场处(屏蔽效应)，故 化学位移值减小。 • 这种效应叫做磁的各向异性效应（magnetic anisotropic effect）
质子相连接的原子或基团的电负性的大小：
• 电负性大的取代基（吸电子基团），可使邻近氢 核的电子云密度减少（去屏蔽效应），导致该质 子的共振信号向低场移动，化学位移左移； • 电负性小的取代基（给电子基团），可使邻近氢 核的电子云密度增加（屏蔽效应），导致该质子 的共振信号向高场移动，化学位移右移。
移向低场
• 不同化学环境的质子（即具有不同屏蔽参数σ的质子）会一个 接一个地产生共振。不同类型氢核因所处的化学环境不同，共 振峰将出现在磁场的不同区域。 • 这种由于分子中各组质子所处的化学环境不同，而在不同的磁 场产生共振吸收的现象称为化学位移。 • 因为化学位移数值很小，质子的化学位移只有所用磁场的百万 分之几，所以要准确测定其绝对值比较困难。 • 实际工作中使用比值表示化学位移，符号δ
（4）溶剂效应
• 1H核在不同溶剂中，因受溶剂的影响而使化学位移 发生变化，这种效应称为溶剂效应。 • 溶剂的影响是通过溶剂的极性形成氢键以及屏蔽效 应而发生作用的。
.. CH3 b C N H CH3 a O O + CH3 b C N H CH3 a
- 在氘代氯仿溶剂中，b2.88；a2.97。 - 逐步加入各向异性溶剂苯， a 和 b 甲基的化学位移 逐渐靠近，然后交换位置。
在含有H元素的不同物质中，由于物质结构不同，所以 H原子 核所处的化学环境不同，而化学环境的不同就会导致核磁共振频 率发生变化。核磁共振就是通过测量这些变化来确定物质的结构 的。
核磁共振仪工作原理:
Metabolite identification—核磁共振谱的解析： JHa-Hb 核磁共振图谱
• 在含有π键的分子中，如芳香系统、烯烃、 羰基、炔烃等，磁各向异性效应对化学位移 的影响十分重要 。
Baidu Nhomakorabea
双键化合物
炔烃
（3）氢键效应
R O H
R R
O C
H O CH C R
δ
10.5～12.0 4.0～7.0 0.5～5.0 0.5～5.0 5.0～8.0 ≥15
H O
化合物类型 • 化学位移受氢键的影响较大，当分子 中形成氢键以后，由于静电作用，使 氢键中1H核周围的电子云密度降低， 1H核处于较低的磁场处，其δ值增大。 酸类 R-COOH 酚类 Ar-OH • 共振峰的峰位取决于氢键缔合的程度， 醇类 R-OH 即样品浓度。显然，样品浓度越高， 则δ值越大。随着样品用非极性溶剂稀 胺类 R-NH2 释，共振峰将向高磁场方向位移，故δ 酰胺类 R-CONH2 烯醇类 R-CH=CH-OH 值减小。
（Inner Mongolia Agricultural University）
2014.11.25
基本概念
NMR（核磁共振）:是一种基于具有自旋性质的原子核在核
外磁场作用下吸收射频辐射而产生能级跃迁的谱学技术。可用于 生物体内源性代谢物的定量检测,主要采用活体定域磁共振谱、原 位活体组织萃取液的高分辨1H-NMR谱、原位活体组织的高分辨 魔角旋转1H-NMR谱),和生物体液(主要是尿样、血样等)的离体高 分辨1H-NMR谱等。这些NMR技术能给出多种疾病相关的生理、 病理状态下生物体代谢变化的有用信息,为临床上疾病的辅助诊断 和预后监测提供可靠的技术手段。 能够对样品实现非破坏性、非选择性分析。它是唯一既能定 性, 又能在微摩尔范围定量有机化合物的技术。缺陷是灵敏度相 对较低, 不适合分析低浓度代谢物。
NMR（核磁共振）原理:
原子核由质子和中子组成，质子带正电荷，中子不带电，因 此原子核带正电荷，电荷数等于质子数。大多数原子核都围着某 个自身轴作旋转运动，因此其本身所带正电荷就会形成环形电流， 从而产生一种核磁矩。当以电磁波照射置于磁场中的这种原子核， 则会发生某种频率能量的吸收。吸收后原子核能量发生变化，并 发出核磁共振信号，这就是核磁共振现象。 核电荷绕磁场自旋运动产生轴向磁偶极子，这种角动量是用自 旋量子数I表示，当I为奇数时，自旋存在；当原子核里面中子数量 为偶数，质子数为奇数时，自旋也存在；原子核里面质子和中子 的数量同为偶数时不存在核自旋。 因此，在构成有机物的三种重要元素1H、12C和16O中，只有 1H才有可能发生核磁共振现象，研究中主要对1H核进行研究。其 他种类的核磁共振谱还有13C、15N、19F、119Sn等核磁共振谱图。
但是，对于如肌肉收缩的瞬间及化学信号传导的途径的代谢物的变化， 这些瞬间的快速变化，还是很难准确捕捉到的。相对来说过程性的代谢变 化能够更清楚进行观察。对于瞬间的这一过程的代谢物质的变化的研究是 代谢组学研究的一大挑战，运用同位素标记进行观察或许是不错的方法。
对于目前的研究大多只是集中于有机体的某一个部分或功能性器官， 而非整体性的进行研究，相对的机体的某一部分也是由不同类型的细胞构 成的，这些不同类型的细胞也有着各自的特殊代谢物和代谢模式。 代谢组学研究的终极目标是面向细胞水平甚至是亚细胞水平代谢物的 动态变化。利用显微技术对细胞进行剥离对单细胞进行研究已经能够实现。
NMR-based metabolomics: where do we stand, where do we go?
Author：Hye Kyong Kim, Young Hae Choi, Robert Verpoorte
（Leiden University The Netherlands）
Reporter：wei rui yuan (魏睿元)
O C OH
H C O
C
15 14 13 12 11 10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
¯ Ñ » §Î » Ò Æ
Ä ¦ (ppm)
数据库比对分析
目前可使用的在线数据库：
1. Biological Magnetic Resonance Data Bank(BMRD:www.bmrb.wisc.edu)； 2. Human Metabolome Database(HMDB: www.hmdb.ca)； 3. NMR database of Linkoeping (MDL: http://www.liu.se/hu/mdl/main/) 4. Magnetic Resonance Metabolomics Database (http://www.metabolomics.bioc.cam.ac.uk/metabolomics) 5. Prime and the NMR Lab of Biomolecules (http://spinportal.magnet.fsu.edu) 6. NMRShiftDB (www.ebi.ac.uk/NMRshiftdb/) 7. Spectral Database for Organic Compounds (SDBS:www.riodb01.ibase.aist.go.jp) 8. BioMagResBank (www.bmrb.wisc.edu)
代谢组学能告诉我们机体中发生了些什么呢？代谢组学就像机体的快 照，显示出即刻或特定时间点被测物中各类化合物的种类以及量。对于样 本的分析能够更容易的鉴定出特定状态（压力、阶段等）下，某一物种、 培养物或有机体的特征代谢物和代谢的纹路（模式）。
样本中代谢物的种类可以说是相当的繁多，大致可以可以将其分为三类： A. 基因型（表观遗传）相关代谢物 B. 阶段性相关代谢物 C. 条件性（受所处环境或外在因素影响）相关代谢物；
• 影响化学位移的因素有如下几种：
（1）电子效应
• 所研究1H核由电子云包围，核外电子在外 加磁场的作用下，产生与外加磁场方向相 反的感应磁场，即屏蔽效应，与质子周围 的电子云密度有关。
CH3Cl ＜ CH2Cl2 ＜ CHCl3 5.3 7.3 • 影响电子云密度的一个重要因素，就是与 : 3.1
CH3Br>CH3CH2Br >CH3(CH2)2Br>CH3(CH2)3Br 移向高场 : 2.68 1.65 1.04 0.90
（2）磁各向异性效应
• 实践证明，化学键尤其是π键，因电子流动 所产生的感应磁场，并通过空间影响到邻近 的氢核。这个由化学键产生的第二磁场是各 向异性的，即在化学键周围是不对称的：
图谱-结构信息
• 峰的数目：标志分子中磁不等性质子的种类，
多少种H；
• 峰的强度(面积)：每类质子的数目(相对)，多
少个H，确定各类质子之间的相对比例； 物中位置；
• 峰的位移( )：每类质子所处的化学环境，化合 • 峰的裂分数：相邻碳原子上质子数；
• 偶合常数(J)：确定化合物构型。
化学位移及其影响因素
各类质子的化学位移
• 各种类型的氢核因所处的化学环境不同，共振峰将分别 位于磁场的某个特定区域，即有不同的化学位移值。因 此由测得的共振峰化学位移值，可以帮助推断氢核的结 构类型。
~2.1 H3C C
~ 3 .0 H 3C
H
O
N
~ 1 .8 H CCC 3
~3.7 H3C O H C
~0.9 H3C C