质谱在蛋白质分析中的应用22

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,约占细胞干重质量的50%以上。随着生命科学及生物技术的迅速发展，生物质谱目前已成为有机质谱中最活跃，最富生命力的前沿研究领域之一。

1 质谱分析的特点与方法

1.1 质谱分析具有很高的灵敏度，能为亚微克级试样提供信息，能最有效地与色谱联用，适用于复杂体系中痕量物质的鉴定或结构测定，同时具有准确性、易操作性、快速性及很好的普适性。

1.2 质谱分析的方法质谱分析的软电离技术主要有下列几种：（1）电喷雾电离质谱；（2）基质辅助激光解吸电离质谱；（3）快原子轰击质谱；（4）离子喷雾电离质谱；（5）大气压电离质谱。以前三种近年来研究最多，应用也最广泛。

2 蛋白质的质谱分析

2.1 蛋白质的质谱分析原理原理是通过电离源将蛋白质分子转化为气相离子，然后利用质谱分析仪的电场、磁场将具有特定质量与电荷比值（M/Z值）的蛋白质离子分开来，经过离子检测器收集分离的离子，确定离子的M/Z值，分析鉴定未知蛋白质。

2.2 蛋白质和肽的序列分析现有的肽和蛋白质测序方法包括N末端序列测定的化学方法Edman法、C末端酶解方法、C末端化学降解法等，这些方法都存在一些缺陷。在这种背景下，质谱由于很高的灵敏度、准确性、易操作性、快速性及很好的普适性而倍受科学家的广泛注意。在质谱测序中，灵敏度及准确性随分子量增大有明显降低，所以肽的序列分析比蛋白质容易很多。近年来随着电喷雾电离质谱（ESI）及基质辅助激光解吸质谱（MALDI）等质谱软电离技术的发展与完善，极性肽分子的分析成为可能，检测限下降到fmol级别，可测定分子量范围则高达100000Da,目前基质辅助的激光解吸电离飞行时间质谱法（MALDI TOP MS）已成为测定生物大分子尤其是蛋白质．多肽分子量和一级结构的有效工具，也是当今生命科学领域中重大课题——蛋白质研究所必不可缺的关键技术之一，目前在欧洲分子生物实验室（EMBL）及美国、瑞士等国的一些高校已建立了MALDI TOP MS蛋白质一级结构（序列）谱库，能为解析FAST谱图提供极大的帮助，并为确证分析结果提供可靠的依据。

2.3 蛋白质谱分析方式 a.蛋白图谱，即用特异性的酶解或化学水解的方法将蛋白切成小的片段，然后用质谱检测各产物肽分子量，将所得到的肽谱数据输入数据库，搜索与之相对应的已知蛋白，从而获得待测蛋白序列。将蛋白质绘制“肽图”是一重要测列方法。b.利用待测分于在电离及飞行过程中产生的亚稳离子，通过分析相邻同组类型峰的质量差，识别相序的氨基酸残基，其中亚稳离子碎裂包括“自身”碎裂及外界作用诱导碎裂。C.与Edman法有相似之处，即用化学探针或酶解使蛋白或肽从N端或C端逐一解下氨基酸残基，形成相互间差一个氨基酸残基的系列肽，名为梯状测序，经质谱检测，由相邻峰的质量差知道相应氨基酸。

（1）蛋白消化：蛋白的基因越大，质谱检测的准确率越低。因此。在质谱检测之前，须将蛋白消化成小分子的多肽，以提高质谱检测的准确率。一般而言，6-20个氨基酸的多肽最适合质谱仪的检测。现今最常用的酶为胰蛋白酶，它于蛋白的赖氨酸和精氨酸处将其切断。因此，同一蛋白经胰蛋白酶消化后，会产生相同的多肽。

（2）基质辅助激光解吸电离/飞行时间质谱测量法（MALDI TOP MS）：简而言之，基质辅助激光解吸电离/飞行时间质谱测量仪是将多肽成分转换成离子信号，并依据质量/电荷之比来对该多肽进行分析，以判断该多肽源自哪一个蛋白。待检样品与含有在特定波长下吸光的发光团的化学基质混合，此样品混合物随即滴于一平板或载玻片上进行发挥，样品然后置

于激光离子发生器。激光作用于样品混合物，使化学基质洗手光子而被激活。此激活产生的能量作用于多肽，使之由固态样品混合物变成气态。由于多肽分子倾向于吸收单一光子，故多肽离子带单一电荷。这些形成的多肽离子直接进入飞行时间质谱分析仪。最后，由电脑软件将探测器录得的多肽质量/电荷比值数据库中不同蛋白经蛋白酶消化后所形成的特定多肽质量/电荷比值进行比较，以鉴定该多肽源自何种蛋白，此法成为多肽质量指纹分析。基质辅助激光解吸电离/飞行时间质谱测量法操作简便，敏感度高，同时许多蛋白分离方法相匹配，而且，现有数据库中，有充足的关于多肽/电荷比值的数据，因此成为许多实验室的首选蛋白质谱鉴定方法。

（3）电子喷雾电离质谱测量法：电子喷雾电离质谱测量法是在液态下完成，而且多肽离子带有多个电荷，由高效液相层析等方法分离的液体多肽混合物，在高压下经过一细针孔。当样本由针孔射出时。喷射成雾状的细小液滴，这些细小液滴包含多肽离子及水份等其他杂质。去除这些杂质成分后，多肽离子进入连续质量分析仪，连续质量分析仪选取某一特定质量/电荷比值的多肽离子，并以碰撞解离的方式将多肽离子碎裂成不同电离或非电离片段。随后，依质量/电荷比值对电离片段进行分析并汇集成离子谱，通过数据库检索，由这些离子谱得到该多肽的氨基酸序列，依据氨基酸序列进行的蛋白鉴定较依据多肽质量指纹进行的蛋白鉴定更准确可靠。而且，氨基酸序列信息即可通过蛋白氨基序列数据可检索，也可通过核糖核酸数据库检索来进行蛋白鉴定。

3 蛋白质质谱分析的应用

1981年首先采用FAB双聚焦质谱测定肽分子量，分析十一肽（Mr=1318），质谱中出现准分子离子[M+1]+=1319强峰。分子量小于6kDa肽或小蛋白质和使用FAB质谱分析，更大分子量的多肽和蛋白质可用MALDI质谱或ESI质谱分析。用MALDI-TOF质谱分析蛋白质最早一列是Hillen Kramp等于1988年提出用紫红激光以烟酸为基质在TOF谱仪上测出质量数高达60Kda蛋白质，精确度开始只有0.5%，后改进到0.1-0.2%。质谱技术主要用于检测双向凝胶电泳或“双向”高效柱层析分离所得的蛋白质及酶解所得的多肽的质量，也可用于蛋白质高级结构及蛋白质间相互作用等方面的研究3条肽段的精确质量数便可鉴定蛋白质。近年来，串联质谱分析仪发展迅猛，其数据采集方面的自动化程度、检测的敏感性及效率都大大提高，大规模数据库和一些分析软件的应用使得串联质谱分析仪可以进行更大规模的测序工作。目前，利用2D电泳及MS技术对整个酵母细胞裂解产物进行分析，已经鉴定出1484种蛋白质，包括完整的膜蛋白和低丰度的蛋白质；分析肝细胞癌患者血清蛋白质组成分，并利用质谱进行鉴定磷酸化蛋白研究工作及采用质朴技术研究细胞源神经营养蛋白的分子结构等。

肽和蛋白的质谱序列测定方法具有快速、用量少、易操作等优点，随着各种衍生化方法和酶解方法的改进，蛋白双向电泳的应用以及质谱技术的不断完善，质谱将会成为多肽和蛋白质分析最有威力的工具之一。