蛋白質(zhì)組學(xué)與應(yīng)用

1 蛋白質(zhì)組學(xué)導(dǎo)論 1
1.1 蛋白質(zhì)組學(xué)定義及其研究目的、內(nèi)容與重要性 1
1.1.1 蛋白質(zhì)組學(xué)的誕生 1
1.1.2 蛋白質(zhì)組學(xué)定義 3
1.1.3 蛋白質(zhì)組學(xué)與傳統(tǒng)蛋白質(zhì)研究 4
1.1.4 蛋白質(zhì)組學(xué)的研究目的 4
1.1.5 蛋白質(zhì)組學(xué)的研究內(nèi)容 5
1.1.6 蛋白質(zhì)組學(xué)的重要性 7
1.2 蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)展的歷史沿革 11
1.2.1 現(xiàn)代生命科學(xué)的發(fā)展 11
1.2.2 蛋白質(zhì)組學(xué)研究的歷程 12
1.2.3 蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展特色 13
1.2.4 蛋白質(zhì)組學(xué)的研究現(xiàn)狀 15
1.2.5 蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)展的新趨勢(shì) 17
1.3 蛋白質(zhì)組學(xué)研究的特點(diǎn)  18
1.3.1 技術(shù)的先進(jìn)性 18
1.3.2 技術(shù)的實(shí)用性 19
1.3.3 學(xué)科的綜合性 20
1.3.4 學(xué)科的交叉性 21
1.4 蛋白質(zhì)組學(xué)的局限性 22

2 蛋白質(zhì)組學(xué)研究技術(shù) 24
2.1 比較蛋白質(zhì)組學(xué) 24
2.2 表達(dá)蛋白質(zhì)組學(xué) 25
2.3 功能蛋白質(zhì)組學(xué) 25
2.3.1 功能蛋白質(zhì)組學(xué)的研究途徑與重要性 25
2.3.2 功能蛋白質(zhì)組學(xué)的技術(shù)發(fā)展 26
2.3.3 功能蛋白質(zhì)組學(xué)的應(yīng)用 28
2.4 結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué) 29
2.4.1 結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)的重要性 29
2.4.2 結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的發(fā)展 30
2.5 靶向蛋白質(zhì)組學(xué) 32
2.6 關(guān)鍵技術(shù)的挑戰(zhàn)：減少樣品的復(fù)雜性 33

3 蛋白質(zhì)樣品制備 36
3.1 樣品制備總則 36
3.1.1 主要目的 38
3.1.2 重要原則 39
3.1.3 諸要素的協(xié)調(diào) 39
3.2 樣品的破碎 40
3.2.1 根據(jù)破碎力度分類 40
3.2.2 根據(jù)工具不同分類 42
3.2.3 根據(jù)蛋白酶活性抑制劑的分類 43
3.3 蛋白質(zhì)的分離和提取 44
3.3.1 蛋白質(zhì)的一步提取法 45
3.3.2 蛋白質(zhì)的分步順序提取法 46
3.3.3 亞細(xì)胞蛋白質(zhì)樣品的預(yù)分級(jí)、提取與分離 50
3.4 蛋白質(zhì)的純化 54
3.4.1 蛋白質(zhì)純度的要求和目的 55
3.4.2 挑戰(zhàn) 57
3.5 蛋白質(zhì)的裂解 57
3.5.1 裂解劑 58
3.5.2 裂解策略 59
3.6 蛋白質(zhì)含量的測定方法 59
3.6.1 紫外吸收測定法 60
3.6.2 比色法 62
3.6.3 考馬斯亮藍(lán)法 64
3.6.4 其他測定方法 64
3.6.5 測定過程中應(yīng)注意的一些問題 65
3.7 蛋白質(zhì)制備過程中出現(xiàn)的問題和解決方法 65
3.7.1 裂解液的影響 65
3.7.2 鹽濃度的影響 66
3.7.3 高豐度蛋白質(zhì)的去除 66
3.7.4 其他影響因素 67

4 聚丙烯酰胺凝膠電泳 69
4.1 概述 69
4.2 PAGE的基本原理 71
4.2.1 連續(xù)或不連續(xù)的PAGE 72
4.2.2 蛋白質(zhì)分離分辨率的提高 72
4.2.3 凝膠基質(zhì)的孔徑 74
4.2.4 決定蛋白質(zhì)和多肽分辨率的主要因素 75
4.3 SDS-PAGE電泳 77

5 固相化pH梯度雙向凝膠電泳  80
5.1 概述 80
5.1.1 電泳的基本原理 82
5.1.2 電泳的影響因素 83
5.1.3 電泳的分類 84
5.1.4 PAGE 85
5.2 第一向：固相pH梯度IEF電泳  89
5.2.1 蛋白質(zhì)是兩性電解質(zhì) 90
5.2.2 pH梯度的形成 91
5.2.3 IEF電泳 94
5.2.4 IEF技術(shù)類型及其特點(diǎn) 95
5.2.5 固相pH梯度技術(shù) 96
5.3 第二向：根據(jù)分子量分離蛋白質(zhì) 98
5.3.1 SDS-PAGE概述 98
5.3.2 2-DE技術(shù)的改進(jìn)方法 100
5.4 雙向凝膠的染色 101
5.5 電泳過程中常出現(xiàn)的問題及解決方法 102
5.5.1 第一向IEF問題 102
5.5.2 第二向SDS-PAGE的問題 102
5.5.3 染色的問題 103
5.6 2-DE圖像的獲取與分析 104
5.6.1 圖像的獲取 104
5.6.2 圖像分析工具 105
5.6.3 圖像分析流程 107
5.6.4 數(shù)據(jù)庫和在線比對(duì) 112

6 質(zhì)譜在蛋白質(zhì)組學(xué)中的應(yīng)用 114
6.1 質(zhì)譜發(fā)展概述 114
6.2 質(zhì)譜儀的基本組成和工作原理 116
6.2.1 生物質(zhì)譜儀的基本組成 116
6.2.2 質(zhì)譜儀工作原理 117
6.2.3 質(zhì)譜儀分類 117
6.2.4 進(jìn)樣方式 119
6.2.5 離子形成的方式 120
6.2.6 離子質(zhì)量的分析 124
6.3 質(zhì)譜的類型 130
6.3.1 按應(yīng)用分類 130
6.3.2 以質(zhì)量分析器分類 131
6.3.3 按連接分類 132
6.4 質(zhì)譜儀的作用 135
6.4.1 定性分析 135
6.4.2 定量分析 138
6.5 質(zhì)譜分析的主要指標(biāo)與圖譜 139
6.5.1 質(zhì)量測定范圍 139
6.5.2 分辨率 139
6.5.3 靈敏度 140
6.5.4 質(zhì)譜圖及其判讀 140
6.6 生物質(zhì)譜分析技術(shù) 142
6.6.1 生物質(zhì)譜的類型 142
6.6.2 基質(zhì)輔助激光解吸電離化——飛行時(shí)間質(zhì)譜分析技術(shù) 143
6.6.3 HPLC-ESI-MS/MS技術(shù) 148
6.7 串聯(lián)質(zhì)譜儀的意義 156
6.7.1 串聯(lián)質(zhì)譜數(shù)據(jù)鑒定蛋白質(zhì)技術(shù) 156
6.7.2 串聯(lián)質(zhì)譜的優(yōu)點(diǎn)及局限性 158
6.8 肽譜、指紋肽譜和序列梯子 159
6.8.1 質(zhì)譜肽譜分析 159
6.8.2 指紋肽譜 160
6.8.3 序列梯子 160
6.8.4 對(duì)儀器的要求 162
6.9 生物質(zhì)譜的應(yīng)用 164
6.9.1 科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用 164
6.9.2 納米材料的制備及應(yīng)用 165
6.9.3 同位素測定的應(yīng)用 165
6.9.4 生物大分子的表征 165
6.10 質(zhì)譜術(shù)語 166

7 蛋白質(zhì)鑒定 169
7.1 概述 169
7.1.1 發(fā)展史 170
7.1.2 主要方法 171
7.2 樣品質(zhì)量控制與制備概要 173
7.2.1 樣品制備的前控制 173
7.2.2 樣品制備要點(diǎn) 176
7.3 蛋白質(zhì)鑒定的屬性 182
7.3.1 來源種類 182
7.3.2 蛋白質(zhì)pI 182
7.3.3 蛋白質(zhì)分子量 182
7.3.4 部分序列或序列標(biāo)簽 183
7.3.5 蛋白質(zhì)中氨基酸組成 183
7.4 MALDI-MS的相關(guān)分析 185
7.4.1 原理與特點(diǎn) 186
7.4.2 PMF分析 186
7.4.3 蛋白質(zhì)鑒定的軟件算法 189
7.5 ESI-MS分析 190
7.5.1 特點(diǎn) 190
7.5.2 上樣 190
7.5.3 肽序列標(biāo)簽分析法 191
7.6 質(zhì)譜鑒定技術(shù) 193
7.6.1 用于蛋白質(zhì)鑒定的Top-down和Bottom-up策略 193
7.6.2 基于PMF鑒定蛋白質(zhì) 195
7.6.3 基于多組質(zhì)譜的蛋白質(zhì)鑒定 196
7.7 用質(zhì)譜數(shù)據(jù)對(duì)肽段從頭測序 198
7.7.1 原理 198
7.7.2 種類 199
7.7.3 肽從頭測序軟件 201
7.8 氨基酸組成分析法 202
7.8.1 原理 203
7.8.2 方法 203
7.9 N端和C端氨基酸序列測定 203
7.9.1 原理 204
7.9.2 降解反應(yīng)的步驟 205
7.9.3 蛋白質(zhì)序列測定應(yīng)注意的問題 207
7.10 數(shù)據(jù)采集 208

8 蛋白質(zhì)翻譯后修飾 209
8.1 概述 209
8.2 磷酸化蛋白質(zhì)鑒定 211
8.2.1 磷酸化蛋白質(zhì)的檢測方法 215
8.2.2 磷酸化蛋白質(zhì)的富集 218
8.2.3 磷酸化肽段的富集 219
8.2.4 用質(zhì)譜或質(zhì)譜聯(lián)用檢測分析磷酸化蛋白質(zhì)的特性 222
8.3 糖基化蛋白質(zhì)的鑒定 229
8.3.1 糖基化蛋白質(zhì)的分離與富集技術(shù) 234
8.3.2 糖基化蛋白質(zhì)的解析 235
8.4 若干挑戰(zhàn)性 239
8.4.1 關(guān)于質(zhì)譜分析技術(shù) 239
8.4.2 關(guān)于磷酸化分析的困難 239
8.4.3 關(guān)于糖基化研究的復(fù)雜性 240

9 蛋白質(zhì)組學(xué)的定量研究技術(shù) 242
9.1 概述 242
9.1.1 定量技術(shù)體系 242
9.1.2 定量法分類 243
9.2 熒光定量蛋白質(zhì)分析技術(shù) 244
9.2.1 熒光染料染色技術(shù) 244
9.2.2 2D-DIGE蛋白質(zhì)組技術(shù) 247
9.3 基于質(zhì)譜的蛋白質(zhì)定量分析 252
9.3.1 同位素標(biāo)記 253
9.3.2 非同位素標(biāo)記定量分析 267
9.3.3 用內(nèi)標(biāo)肽絕對(duì)定量 267
9.3.4 串聯(lián)質(zhì)譜標(biāo)記 268
9.4 蛋白質(zhì)芯片技術(shù) 268
9.4.1 蛋白質(zhì)芯片的分類 269
9.4.2 蛋白質(zhì)芯片的應(yīng)用 271

10 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析 277
10.1 蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu) 278
10.2 蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu) 279
10.2.1 蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測 281
10.2.2 不同二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測方法評(píng)價(jià) 286
10.2.3 二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測展望 287
10.3 蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu) 288
10.3.1 三級(jí)結(jié)構(gòu) 288
10.3.2 蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測 290
10.4 蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu) 294
10.5 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)生物學(xué) 295
10.5.1 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)測定 295
10.5.2 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類 296
10.5.3 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 298
10.6 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比對(duì) 300
10.6.1 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比對(duì)原理 300
10.6.2 常見蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比對(duì)方法 301
10.7 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測的一般性 304
10.7.1 蛋白質(zhì)預(yù)測總體流程 304
10.7.2 不同預(yù)測方法的評(píng)價(jià) 305

11 互作蛋白質(zhì)組研究技術(shù) 306
11.1 蛋白質(zhì)間互作的離體研究技術(shù) 307
11.1.1 蛋白質(zhì)親和色譜 307
11.1.2 SPR技術(shù) 308
11.1.3 蛋白質(zhì)芯片 309
11.1.4 免疫共沉淀技術(shù) 309
11.1.5 藍(lán)色非變性膠技術(shù) 310
11.2 蛋白質(zhì)間互作的在體研究技術(shù) 312
11.2.1  酵母雙雜交系統(tǒng)概述 313
11.2.2 酵母雙雜交原理 314
11.2.3 試驗(yàn)流程 315
11.2.4 酵母雙雜交技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn) 316
11.2.5 雙雜交技術(shù)的發(fā)展 317
11.2.6 酵母雙雜交技術(shù)的應(yīng)用 322
11.3 未來發(fā)展方向 323

12 蛋白質(zhì)組信息學(xué) 324
12.1 概述 324
12.1.1 蛋白質(zhì)組信息學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展 325
12.1.2 蛋白質(zhì)組信息學(xué)的研究內(nèi)容 325
12.1.3 蛋白質(zhì)組信息學(xué)的展望 326
12.2 蛋白質(zhì)組學(xué)分析相關(guān)的生物信息學(xué)資源 327
12.2.1 蛋白質(zhì)生物信息中心 328
12.2.2 國家蛋白質(zhì)組學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室簡介 330
12.2.3 蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫 332
12.2.4 核酸數(shù)據(jù)庫 356
12.2.5 基因組數(shù)據(jù)庫 358
12.2.6 蛋白質(zhì)通用軟件 359
12.3 蛋白質(zhì)組信息學(xué)技術(shù)的應(yīng)用 366
12.3.1 序列比對(duì) 366
12.3.2 數(shù)據(jù)庫搜索 367
12.3.3 結(jié)構(gòu)預(yù)測 372
12.3.4 藥物篩選及設(shè)計(jì) 373
12.4 其他生物信息學(xué)網(wǎng)站 373

13 蛋白質(zhì)組學(xué)的應(yīng)用   376
13.1 蛋白質(zhì)組學(xué)在植物上的應(yīng)用 376
13.1.1 植物種群間蛋白質(zhì)遺傳差異研究 376
13.1.2 植物發(fā)育相關(guān)蛋白質(zhì)組研究 377
13.1.3 植物組織器官蛋白質(zhì)組學(xué) 377
13.1.4 植物亞細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué) 378
13.1.5 植物環(huán)境信號(hào)應(yīng)答和適應(yīng)機(jī)制蛋白質(zhì)組學(xué) 379
13.1.6 蛋白質(zhì)組學(xué)在植物病害防治機(jī)理研究中的應(yīng)用 380
13.1.7 蛋白質(zhì)組學(xué)對(duì)植物生理活動(dòng)的研究 383
13.1.8 觀賞植物花色素苷降解研究 383
13.1.9 蛋白質(zhì)標(biāo)記遺傳作圖與候選蛋白質(zhì) 383
13.2 蛋白質(zhì)組學(xué)在動(dòng)物科學(xué)中的應(yīng)用 385
13.2.1 動(dòng)物細(xì)胞蛋白質(zhì)表達(dá)圖譜 385
13.2.2 動(dòng)物遺傳與進(jìn)化 385
13.2.3 動(dòng)物生長發(fā)育規(guī)律 385
13.2.4 寄生蟲生活史研究 386
13.2.5 乳制品中的應(yīng)用 387
13.3 蛋白質(zhì)組學(xué)在微生物學(xué)研究中的應(yīng)用 387
13.3.1 模式微生物研究 387
13.3.2 人類疾病病原微生物蛋白質(zhì)組學(xué)研究 388
13.3.3 人體微生物蛋白質(zhì)組 389
13.3.4 植物病原微生物致病機(jī)理 390
13.3.5 特殊生境微生物蛋白質(zhì)組學(xué) 390
13.3.6 動(dòng)物亞細(xì)胞蛋白質(zhì)組 392
13.4 蛋白質(zhì)組學(xué)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 392
13.4.1 基于體液的疾病診斷 393
13.4.2 蛋白質(zhì)組學(xué)在血管疾病的應(yīng)用 393
13.4.3 神經(jīng)退行性疾病 394
13.4.4 蛋白質(zhì)組學(xué)與腫瘤 394
13.5 蛋白質(zhì)組學(xué)目前和未來應(yīng)用的方向 395

14 蛋白質(zhì)組學(xué)的未來 396
14.1 組學(xué)與生物學(xué)的相關(guān)性 397
14.2 蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 398
14.2.1 蛋白翻譯后修飾的挑戰(zhàn) 398
14.2.2 蛋白質(zhì)組學(xué)檢測的發(fā)展 399
14.3 蛋白質(zhì)組學(xué)的下一個(gè)階段 400
14.3.1 臨床醫(yī)學(xué) 400
14.3.2 藥物靶標(biāo)的識(shí)別與鑒定 400
14.3.3 多種技術(shù)手段交叉 401
14.3.4 加快我國蛋白質(zhì)組學(xué)研究的發(fā)展 403
14.4 結(jié)語 403

參考文獻(xiàn) 404

縮略語 409