范學(xué)海 朱頤申 陳蘭婷 李文惠 韋萍

（南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，南京 211816）

液質(zhì)聯(lián)用在多肽及蛋白質(zhì)定性方面的研究進(jìn)展

范學(xué)海 朱頤申 陳蘭婷 李文惠 韋萍

（南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，南京 211816）

隨著液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)的不斷發(fā)展，液相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于藥物分析、食品分析、環(huán)境分析等多方面，該技術(shù)將液相色譜的高分離能力與質(zhì)譜強大的結(jié)構(gòu)鑒定功能相結(jié)合，具備了高分離度、高靈敏度、高選擇性以及提供豐富結(jié)構(gòu)信息等一系列優(yōu)點。這些優(yōu)點決定了液相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)將在越來越多地相關(guān)領(lǐng)域得到應(yīng)用，尤其是近年來在生物大分子方面開展了大量研究，結(jié)合這些研究對液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)在多肽及蛋白質(zhì)定性方面進(jìn)行了系統(tǒng)歸納。

液質(zhì)聯(lián)用（LC-MS） 多肽和蛋白質(zhì) 定性分析

多肽及蛋白類藥物自20世紀(jì)90年代初應(yīng)用于臨床以來，經(jīng)過20多年的發(fā)展已經(jīng)在全球醫(yī)藥市場上廣泛使用，如治療糖尿病的胰島素，2009年國內(nèi)的銷售額就已超過10億元。

多肽和蛋白質(zhì)屬于生物大分子，其分析難點在于肽段離子化過程中就發(fā)生碎裂而無法檢測。1966年，Muson等［1］提出了一種軟電離方法——化學(xué)電離技術(shù)（Chemical ionisation，CI），軟電離技術(shù)的出現(xiàn)使高精密度分析生物大分子結(jié)構(gòu)成為可能。1981年，Morris等［2］發(fā)展了快原子轟擊技術(shù)（Fast atom bombardment，F(xiàn)AB），使質(zhì)譜能用于分析包括多肽及蛋白在內(nèi)的高極性、難揮發(fā)和熱不穩(wěn)定樣品。1988年，Tanaka等［3］發(fā)明了基質(zhì)輔助激光解析電離技術(shù)（Matrix assisted laser desorption ionisation，MALDI），使生物大分子的相對分子質(zhì)量可測得值高達(dá)25 kD。Fenn［4］于1989年提出的電噴霧離子化（Electrospray ionisition，ESI）技術(shù)大大推動了多肽及蛋白質(zhì)化學(xué)的發(fā)展，使得液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（Liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS）研究生物大分子成為可能，F(xiàn)enn也于2002年因該貢獻(xiàn)獲得了諾貝爾化學(xué)獎。此后質(zhì)譜技術(shù)飛速發(fā)展，已成為目前最熱點的分析手段之一。

LC-MS技術(shù)結(jié)合了LC的高分離能力和MS的高選擇性、高靈敏度，使其在生物大分子分析方面更加快速、準(zhǔn)確。目前最為廣泛應(yīng)用的是LC-ESI-MS，本文重點討論LC-ESI-MS方法在多肽及蛋白質(zhì)定性

方面的研究應(yīng)用。

1 ESI原理

ESI過程第一步是在噴霧毛細(xì)管管口加一高電壓，作用于經(jīng)毛細(xì)管進(jìn)入離子化室的溶液，將3-6 kV 的電壓加到毛細(xì)管和對應(yīng)的電極之間，電壓導(dǎo)致毛細(xì)管末端液滴表面的電荷增加，高電壓導(dǎo)致液體表面分裂和形成多電荷液滴，與毛細(xì)管對應(yīng)的電極攜帶的正電荷或負(fù)電荷以產(chǎn)生正電荷或負(fù)電荷液滴。因此ESI可分為正離子和負(fù)離子兩類。隨后的離子化過程是進(jìn)行質(zhì)譜分析的關(guān)鍵步驟。帶電液滴形成分子離子的機理有兩種假設(shè)，分別是離子蒸發(fā)假設(shè)機理和帶電殘基假設(shè)機理。Iribane 和 Thomson［5］提出了離子蒸發(fā)假設(shè)機理，該機理認(rèn)為：帶電溶液在電場作用下向帶相反電荷的電極運動，并形成帶電液滴，由于小霧滴分散，比表面積增大，溶劑在電場中迅速蒸發(fā)，結(jié)果帶電霧滴表面單位面積的場強高達(dá)108，從而產(chǎn)生液滴的“爆裂”，重復(fù)這一過程，最終產(chǎn)生分子離子。而Schmelzeisen-Redeker和R?llgen 等［6］提出了帶電殘基假設(shè)機理：處于毛細(xì)管尖端的極性溶液液滴在強電場中積累電荷，帶電的霧滴在電場作用下運動，由于溶劑迅速蒸發(fā)，庫倫斥力大于表面張力導(dǎo)致液滴破裂成較小液滴，再蒸發(fā)溶劑，液滴再破裂，溶液中分子所帶電荷在去溶劑化時被保留在分子上形成離子化分子，最終形成氣相離子。

多肽或蛋白質(zhì)通過LC分離時能在強電場作用下部分質(zhì)子化，也能經(jīng)氣相分子離子反應(yīng)，在 ESI腔內(nèi)形成［M+H］+，［M+2H］2+，［M+ 3H］3+，……，［M+nH］n+等一系列電荷離子。由于多肽或蛋白質(zhì)中含有較多的堿性氨基酸（Arg，Lys和末端NH2），在酸性溶液中更容易質(zhì)子化，因此多肽或蛋白質(zhì)在ESI中多數(shù)情況下是以正離子方式進(jìn)行。測定時只要適當(dāng)提高溶液的酸度，如加入甲酸或乙酸增大離子化效率便可以提高靈敏度，得到理想的測定結(jié)果。不同的多肽或蛋白質(zhì)質(zhì)子化的程度各異，容易發(fā)生質(zhì)子化的多肽或蛋白質(zhì)可以獲得更好的靈敏度。

2 LC-ESI-MS定性分析多肽及蛋白質(zhì)

LC-ESI-MS對多肽及蛋白質(zhì)可進(jìn)行多種定性分析，如分析準(zhǔn)確的相對分子質(zhì)量、一級結(jié)構(gòu)序列、二硫鍵位置等。對于側(cè)鏈糖基、磷酸鹽、硫酸鹽等多肽及蛋白質(zhì)，還能測定取代基的結(jié)構(gòu)和位置。

2.1 多肽及蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量的測定

多肽及蛋白質(zhì)的相對分子質(zhì)量是分析檢測的一個重要參數(shù)，目前常規(guī)測定多肽及蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量的方法有很多，包括凱氏定氮法、滲透壓法、光散射法、考馬斯亮藍(lán)法和凝膠過濾等。但這些方法操作復(fù)雜，靈敏度低，使測得的相對分子質(zhì)量不準(zhǔn)確。ESI-MS測定多肽及蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量優(yōu)點在于：準(zhǔn)確性好、易于操作及靈敏度高。

ESI測定多肽及蛋白等生物大分子的相對分子質(zhì)量主要原因是在電噴霧過程中能形成穩(wěn)定多重電荷離子，這樣就使得單電荷質(zhì)量范圍為0.05-3 kD的質(zhì)譜儀可以測定高達(dá)幾百kD的相對分子質(zhì)量，而這是過去的接口技術(shù)無法做到的。據(jù)報道，75 kD相對分子質(zhì)量以內(nèi)化合物的準(zhǔn)確度可達(dá)到5×10-6，即使是復(fù)雜的蛋白質(zhì)混和物，經(jīng)LC-ESI-MS測定也能得到令人滿意的結(jié)果。

李萌等［7］利用LC-ESI-MS技術(shù)分析了重組抗腫瘤抗病毒蛋白（樂復(fù)能），測得的相對分子質(zhì)量為19.311 63 kD，與理論相對分子質(zhì)量（19.311 27 kD）的相對誤差為0.2 ×10-6。

Kou 等［8］從雞豆白蛋白的水解產(chǎn)物中分離純化出了抗氧化多肽——Cpe-Ⅲ，并與水解產(chǎn)物中其他肽類比較，結(jié)果表明Cpe-Ⅲ表現(xiàn)出了最高的抗氧化能力，利用LC-ESI-MS對Cpe-Ⅲ進(jìn)行鑒定，確定其相對分子質(zhì)量為1.155 kD，為十肽化合物RQSHFANAQP。

Wang等［9］用木瓜蛋白酶、堿性蛋白酶、胰蛋白酶將芝麻蛋白進(jìn)行酶解，其中胰蛋白酶酶解的產(chǎn)物最容易進(jìn)行金屬螯合。用鋅離子固定金屬親和色譜法（Immobilized metal affinity chromatography，IMAC）對其進(jìn)行處理，從水解產(chǎn)物中分離得到6個容易與鋅離子螯合的多肽，最后用LC-ESI-MS 對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定分析，結(jié)果表明，6個多肽的相對分子量與理論值相符，Ser-Met二肽的相對分子量為0.236 kD，Leu-Ala-Asn三肽的相對分子量為0.316 kD，Ile-Ala-Asn三肽的相對分子量為0.316 kD，Arg-Lys-Arg三肽的相對分子量為0.458 kD，Arg-Gln-

Arg三肽的相對分子量為0.458 kD，Asn-Cys-Ser三肽的相對分子量為0.322 kD。

2.2 多肽及蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的測定

在20世紀(jì)50年代，Edman降解是氨基酸測序的唯一選擇，后來又發(fā)明了自動測序儀，但這些方法存在很多缺點：速度慢；需高純度的蛋白質(zhì)樣品；需自由的氨基端。由于基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)研究的深入開展，大量的功能蛋白迫切需要快速準(zhǔn)確的測定蛋白質(zhì)序列的技術(shù)。經(jīng)過幾十年的探索及發(fā)展，LC-ESI-MS在多肽及蛋白質(zhì)測序方面已經(jīng)成熟完善。

LC-ESI-MS/MS在多肽及蛋白質(zhì)測序方面廣泛應(yīng)用：LC高效分離樣品后通過ESI離子化，多肽的分子離子進(jìn)入質(zhì)譜得到分子離子峰和一系列碎片離子，經(jīng)過解析得到肽段序列。李響等［10］分別采用四級桿-飛行時間串聯(lián)質(zhì)譜（ Quadrupole time-of-flight tandem mass spectrometry， Q-TOF-MS）和離子阱串聯(lián)質(zhì)譜（ion trap tandem mass spectrometry，Ion-Trap-MS）技術(shù)測得了融合蛋白FP3的一級結(jié)構(gòu)，通過胰蛋白酶酶解蛋白并除去多肽混合物中糖肽的糖基后，將脫糖多肽進(jìn)行LC-ESI-MS/MS分析，運用Q-TOF和Ion-Trap兩種串聯(lián)質(zhì)譜進(jìn)行測定，結(jié)果表明通過LCESI-Q-TOF-MS測定完成了融合蛋白FP3的76%的氨基酸序列，隨后采用高靈敏度的Ion-Trap串聯(lián)質(zhì)譜進(jìn)行測序，進(jìn)一步補充了Q-TOF串聯(lián)質(zhì)譜未檢出的24%序列。

多酶酶解能更充分地酶解蛋白，與單酶酶解相比，可以提高LC-ESI-MS對蛋白的鑒定能力。Chen等［11］應(yīng)用胰蛋白酶、胃蛋白酶、嗜熱菌蛋白酶對人肝臟組織分別酶解，通過糖蛋白質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，3種酶酶解能夠發(fā)現(xiàn)單酶酶解所未發(fā)現(xiàn)的位點，能夠獲得更多肽段信息，還可提高蛋白鑒定時氨基酸序列覆蓋率。苗蘭等［12］采用胰蛋白酶和V8 酶分別酶解牛血清白蛋白（BSA）、大腸桿菌及復(fù)雜血清樣品，與單酶酶解比較，雙酶酶解的蛋白總發(fā)現(xiàn)率增加了11%，蛋白總覆蓋率增加了10%以上。

經(jīng)過LC-ESI-MS的分析，能得到大量肽段信息，目前有以下兩種方法對這些信息進(jìn)行分析：數(shù)據(jù)庫檢索法和從頭測序法（de novo），從而準(zhǔn)確的鑒定多肽及蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)庫檢索法鑒定蛋白的一級結(jié)構(gòu)：酶解后的蛋白片段通過質(zhì)譜精確測定了每個肽段的相對分子質(zhì)量，通過與數(shù)據(jù)庫中已知蛋白的理論酶解肽段相對分子質(zhì)量比較從而鑒定蛋白結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫檢索結(jié)果強烈依賴于數(shù)據(jù)庫中所收錄的蛋白質(zhì)序列以及搜索引擎的算法。例如數(shù)據(jù)庫中不存在相應(yīng)的序列則無法鑒定出相應(yīng)的蛋白質(zhì)，而數(shù)據(jù)庫過于龐大則蛋白鑒定的概率會降低，因此選擇適合的蛋白數(shù)據(jù)庫尤為重要；常用的搜索引擎有 Mascot［13］、Sequest［14］、X!Tandem［15］等，生物資源設(shè)施協(xié)會（The Association of Biomolecular Resource Facilities，ABRF）在2010年的蛋白質(zhì)組研究工作中，采用了多種搜索引擎來鑒定蛋白結(jié)構(gòu)，其中采用Mascot的實驗室占55%，Sequest占21%，X!Tandem占3%，其他的一些搜索引擎占21%。該研究表明，Mascot和Sequest是最常用的搜索引擎。Fernández等［16］采用胰蛋白酶酶解β-乳球蛋白，利用LC-ESI-MS技術(shù)測定酶解多肽的一級結(jié)構(gòu)并進(jìn)行MASCOT數(shù)據(jù)分析，在NCBInr 201011數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行搜索，結(jié)果表明測得的β-乳球蛋白的氨基酸序列覆蓋率達(dá)到85.8%。

從頭測序方法不依賴現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫，根據(jù)肽段規(guī)律裂解的特點，直接從裂解圖譜中推導(dǎo)出肽段的序列，具有數(shù)據(jù)庫搜索方法不可替代的優(yōu)勢，其基本步驟包括：質(zhì)譜圖的構(gòu)建，離子類型的確定和測序算法。Zhou等［17］從海參刺參蛋白中提煉出抗氧化蛋白——TP2b-1，利用LC-ESI-MS進(jìn)行鑒定其氨基酸序列，結(jié)合從頭測序方法并利用BioLynx分析軟件進(jìn)行分析，結(jié)果表明TP2b-1的氨基酸序列為GPEPTGPTGAPWLR。

2.3 翻譯后修飾（post-translational modifications，PTMs）多肽及蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)分析

蛋白質(zhì)的功能是多種多樣的，PTMs使得蛋白質(zhì)的功能更加豐富，對蛋白質(zhì)的功能和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大影響。目前已報道了約200多種PTMs類型，如糖基化［18］、磷酸化［19］、乙?；?0］、甲基化［21］等，最受關(guān)注的是糖基化修飾和磷酸化修飾。LC-ESI-MS在PTMs分析方面主要解決以下兩個問題：（1）修飾基團(tuán)的類型；（2）修飾位點、數(shù)量。

蛋白質(zhì)的糖基化修飾是低聚糖以糖苷的形式與

蛋白上特定的氨基酸殘基形成共價結(jié)合。Hua等［22］利用非特異性蛋白酶水解糖蛋白，通過LC-ESI-MS分析得到在牛核糖核酸酶B上有一個N-糖基化位點——第60位天冬氨酸，連接13條糖鏈；在牛乳鐵蛋白上有5個N-糖基化位點——第252、200、387、495和564位天冬氨酸，共連接59條糖鏈；在牛κ-酪蛋白上有4個O-糖基化位點——第142、152、154和163位蘇氨酸，共連接20條糖鏈，糖蛋白上糖鏈結(jié)構(gòu)的改變能夠體現(xiàn)特定的生理或病理狀態(tài)改變。Wang等［23］利用胰蛋白酶水解HurecA1PI，酶解后在含有PNGase F的37 H2O18中放置16 h，進(jìn)行同位素標(biāo)記，然后進(jìn)行LC-ESI-MS 分析，結(jié)合PNGase F的催化作用以及同位素標(biāo)記，得出了Hu-recA1PI含有3個N-糖基化位點，分別為第46位的Asn——連接雙鏈聚糖，有一部分三鏈聚糖以及極少的四鏈聚糖；第83位的Asn——連接三鏈以及四鏈聚糖；第247位的Asn——連接二鏈聚糖。

蛋白質(zhì)的磷酸化修飾是通過蛋白質(zhì)磷酸化激酶將ATP的磷酸基轉(zhuǎn)移到蛋白的特定位點上的過程，磷酸化修飾的作用位點為蛋白上的Ser、Thr和Tyr殘基。Zhu等［24］利用LC-ESI-MS分析了酪蛋白磷酸化多肽（CPPs），考察了β-CN f1-25 4P上的絲氨酸磷酸化在酪蛋白磷酸化多肽水解過程中的穩(wěn)定性，試驗研究了溫度在75℃時，pH分別為6、7、8時絲氨酸磷酸化的穩(wěn)定性，結(jié)果表明pH7時其穩(wěn)定性較好，同時發(fā)現(xiàn)溫度和pH是影響磷酸化修飾穩(wěn)定性的兩個重要因素。Zhu等［25］在此基礎(chǔ)上利用鈣聚集、乙醇沉淀和鎵離子IMAC富集CPPs，然后進(jìn)行LC-ESI-MS分析鑒定CPPs，結(jié)果表明鎵離子IMAC結(jié)合鈣聚集和乙醇沉淀是富集CPPs的有效方法，該實驗得出的結(jié)論對產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)CPPs和CPPs產(chǎn)品的質(zhì)量控制有很大幫助。

2.4 蛋白質(zhì)分子內(nèi)二硫鍵的定位

許多蛋白質(zhì)內(nèi)部都是通過二硫鍵形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，如人胰島素含有兩個二硫鍵。二硫鍵位置為研究蛋白立體結(jié)構(gòu)與催化活性之間的關(guān)系提供了依據(jù)，已有很多學(xué)者將LC-ESI-MS技術(shù)應(yīng)用于二硫鍵定位。Chen等［26］在研究蛋白質(zhì)的剪接作用時，利用LC-ESI-MS技術(shù)檢測到在極端嗜熱菌PolⅡ中的蛋白質(zhì)剪接過程中存在著分子內(nèi)二硫鍵的作用，結(jié)果表明二硫鍵的位置存在于第7位的Cys和第192位的Cys之間，該分子內(nèi)二硫鍵阻礙了蛋白質(zhì)的剪接作用。Krudysz-Amblo等［27］分析了一種含有兩個二硫鍵的跨膜蛋白——組織因子（Tissue factor，TF），利用LC-ESI-MS技術(shù)測定了TF的一級結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明兩個二硫鍵分別位于Cys49-Cys57，Cys186-Cys209。Li等［28］利用LC-ESI-MS技術(shù)測定出溶解酵素中二硫鍵的位置及其數(shù)量，溶解酵素經(jīng)過胰蛋白酶酶解，通過LC的分離找到含有Cys的肽段，再經(jīng)過MS以及MS/MS的數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明溶解酵素中含有4個二硫鍵，位置分別為Cys24-Cys146、Cys48-Cys134、Cys83-Cys99和Cys95-Cys113。

3 展望

ESI接口拓展了LC-MS在生物大分子方面尤其是在多肽及蛋白質(zhì)方面的應(yīng)用，LC-ESI-MS現(xiàn)已發(fā)展成為分析蛋白質(zhì)的常規(guī)工具。隨著基因重組技術(shù)和蛋白表達(dá)技術(shù)的日益成熟，生物技術(shù)產(chǎn)品的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)也在不斷完善和發(fā)展。各種各樣的重組類蛋白藥物層出不窮，但這些蛋白藥物因其一級結(jié)構(gòu)、PTMs、二硫鍵位置的不同而引起空間結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而引起生物活性的差異，因此對其定性的研究顯得尤為重要。科學(xué)、有效、快捷的鑒定方法是發(fā)展趨勢，LC-ESI-MS因其靈敏、準(zhǔn)確、快速的特點，將在各類多肽及蛋白藥物的定性方面發(fā)揮重要作用。

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［28］ Li X, Xu W, Paporello B, et al. Liquid chromatography and mass spectrometry with post-column partial reduction for the analysis of native and scrambled disulfide bonds［J］. Analytical Biochemistry, 2013, 439（2）：184-186.

（責(zé)任編輯 狄艷紅）

Applications of Liquid Chromatography-Mass Spectrometry in the Qualitative Analysis of Peptides and Proteins

Fan Xuehai Zhu Yishen Chen Lanting Li Wenhui Wei Ping
（The College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 211816）

With liquid chromatography-mass spectrometry（LC-MS）technology developing continuously, the system of LC-MS is widely used in pharmaceutical analysis, food analysis, environmental analysis and related fields. LC-MS provides powerful function of structure identification, which includes the ability of separation by LC and the advantages of high resolution, high sensitivity, high selectivity by MS. These advantages demonstrate that LC-MS will be applied in more related fields. In recent years, many researches were carried out in the identification of biological macromolecules by LC-MS. The analysis of peptide and protein qualitatively by LC-MS is reviewed.

Liquid chromatography-mass spectrometry（LC-MS） Peptides and proteins Qualitative analysis

2013-10-23

江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目

范學(xué)海，男，碩士研究生，研究方向：多肽合成及其分析；E-mail：fxh19890119@163.com

朱頤申，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：多肽合成、分析及制劑；E-mail：zhuyish@njtech.edu.cn