脂质组学:脂质的综合质谱分析/(美)韩贤林/国外优秀食品科学与工程专业教材

目 录 第一篇 导 论 1 脂质与脂质组学 …………………………………………………………………………… 2 1. 1 脂质 …………………………………………………………………………………… 2 1. 1. 1 定义 ……………………………………………………………………………… 2 1. 1. 2 分类 ……………………………………………………………………………… 3 1. 2 脂质组学 ……………………………………………………………………………… 9 1. 2. 1 定义 ……………………………………………………………………………… 9 1. 2. 2 脂质组学发展史………………………………………………………………… 10 参考文献 ………………………………………………………………………………… 11 2 脂质组学的质谱分析 …………………………………………………………………… 15 2. 1 电离技术 …………………………………………………………………………… 15 2. 1. 1 电喷雾电离……………………………………………………………………… 16 2. 1. 2 基质辅助激光解吸 / 离子化 …………………………………………………… 22 2. 2 质量分析器 ………………………………………………………………………… 23 2. 2. 1 四极杆质量分析器……………………………………………………………… 23 2. 2. 2 飞行时间质量分析器…………………………………………………………… 24 2. 2. 3 离子阱质量分析器……………………………………………………………… 25 2. 3 检测器 ……………………………………………………………………………… 26 2. 4 串联质谱技术 ……………………………………………………………………… 27 2. 4. 1 产物离子分析…………………………………………………………………… 28 2. 4. 2 中性丢失扫描…………………………………………………………………… 28 2. 4. 3 前体离子扫描…………………………………………………………………… 28 2. 4. 4 选择反应监测…………………………………………………………………… 29 2. 4. 5 串联质谱技术…………………………………………………………………… 29 2. 5 质谱分析脂质的其他近期新进展 …………………………………………………… 31 2. 5. 1 离子淌度质谱…………………………………………………………………… 31 2. 5. 2 解吸电喷雾电离………………………………………………………………… 32 参考文献 ………………………………………………………………………………… 33 3 基于质谱的脂质组学 …………………………………………………………………… 38 3. 1 引言 ………………………………………………………………………………… 38 3. 2 鸟枪法脂质组学 …………………………………………………………………… 38 3. 2. 1 直接进样装?…………………………………………………………………… 38 3. 2. 2 鸟枪法脂质组学的特点………………………………………………………… 39 3. 2. 3 鸟枪法脂质组学………………………………………………………………… 40 3. 2. 4 优缺点…………………………………………………………………………… 45 3. 3 基于 LC-MS 的脂质组学方法 ……………………………………………………… 47 3. 3. 1 概述……………………………………………………………………………… 47 3. 3. 2 基于 LC-MS 的脂质组学方法 ………………………………………………… 48 3. 3. 3 优点和缺点……………………………………………………………………… 52 3. 3. 4 LC-MS 分离后脂质的鉴定 …………………………………………………… 52 3. 4 脂质组学中的 MALDI-MS ………………………………………………………… 53 3. 4. 1 概述……………………………………………………………………………… 53 3. 4. 2 脂质提取物的分析……………………………………………………………… 53 3. 4. 3 优点和缺点……………………………………………………………………… 54 3. 4. 4 MALDI-MS 在脂质组学中的研究进展 ……………………………………… 54 参考文献 ………………………………………………………………………………… 56 4 质谱技术在脂质组学应用中的变量因素 ……………………………………………… 63 4. 1 引言 ………………………………………………………………………………… 63 4. 2 脂质提取过程中的变量因素(即多重提取条件) ………………………………… 63 4. 2. 1 pH ……………………………………………………………………………… 63 4. 2. 2 溶剂极性………………………………………………………………………… 63 4. 2. 3 脂质固有的化学性质…………………………………………………………… 64 4. 3 进样溶液中的变量因素 …………………………………………………………… 64 4. 3. 1 极性、组成、离子对以及其他变量……………………………………………… 64 4. 3. 2 改性剂的含量及组成…………………………………………………………… 65 4. 3. 3 进样溶液中的脂质浓度………………………………………………………… 69 4. 4 离子化过程中的变量因素 ………………………………………………………… 69 4. 4. 1 离子源温度……………………………………………………………………… 69 4. 4. 2 喷雾电压………………………………………………………………………… 70 4. 4. 3 进样 / 流动相的流速 …………………………………………………………… 70 4. 5 MS / MS 扫描监测过程中的结构单元 ……………………………………………… 72 4. 5. 1 前体离子扫描中碎片离子的 m / z …………………………………………… 72 4. 5. 2 中性丢失扫描中中性丢失片段的质量………………………………………… 72 4. 5. 3 产物离子质谱分析中的结构单元碎片………………………………………… 73 4. 6 碰撞过程中的变量 ………………………………………………………………… 73 4. 6. 1 碰撞能量………………………………………………………………………… 73 4. 6. 2 碰撞气压………………………………………………………………………… 74 4. 6. 3 碰撞气体类型…………………………………………………………………… 76 4. 7 分离过程中的变量 ………………………………………………………………… 77 4. 7. 1 源内分离中的电荷性质………………………………………………………… 77 4. 7. 2 LC 分离中的洗脱时间 ………………………………………………………… 79 4. 7. 3 MALDI 中选择离子化的基质 ………………………………………………… 79 4. 7. 4 离子淌度分离中的漂移时间(或碰撞截面) ………………………………… 80 4. 8 结论 ………………………………………………………………………………… 81 参考文献 ………………………………………………………………………………… 81 5 生物信息学在脂质组学中的应用 ……………………………………………………… 86 5. 1 引言 ………………………………………………………………………………… 86 5. 2 脂质文库和数据库 ………………………………………………………………… 87 5. 2. 1 脂质代谢途径研究计划(Lipid MAPS)结构数据库 ………………………… 87 5. 2. 2 基于结构单元概念的理论数据库……………………………………………… 88 5. 2. 3 LipidBlast - 电子串联质谱库 ………………………………………………… 92 5. 2. 4 METLIN 数据库 ………………………………………………………………… 93 5. 2. 5 人类代谢组数据库……………………………………………………………… 93 5. 2. 6 LipidBank 数据库 ……………………………………………………………… 94 5. 3 用于自动化脂质数据处理的生物信息学工具 …………………………………… 94 5. 3. 1 LC-MS 谱图处理 ……………………………………………………………… 94 5. 3. 2 生物统计分析和可视化………………………………………………………… 95 5. 3. 3 脂质种类结构的解释…………………………………………………………… 96 5. 3. 4 用于常见数据处理的软件包…………………………………………………… 97 5. 4 脂质网络 / 通路分析和建模的生物信息学………………………………………… 100 5. 4. 1 脂质网络 / 通路的重建………………………………………………………… 100 5. 4. 2 模拟用于解释生物合成途径的脂质组学数据 ……………………………… 100 5. 4. 3 空间分布和生物物理背景建模 ……………………………………………… 102 5. 5 “组学”整合 ………………………………………………………………………… 103 5. 5. 1 脂质组学与其他组学的整合 ………………………………………………… 103 5. 5. 2 脂质组学为基因组学分析提供指引 ………………………………………… 103 参考文献 ……………………………………………………………………………… 104 第二篇 脂质的表征 6 简介 ……………………………………………………………………………………… 110 6. 1 脂质结构表征 ……………………………………………………………………… 110 6. 2 脂质定性的模式识别 ……………………………………………………………… 113 6. 2. 1 模式识别的基本原则 ………………………………………………………… 113 6. 2. 2 应用举例 ……………………………………………………………………… 114 6. 2. 3 小结 …………………………………………………………………………… 122 参考文献 ……………………………………………………………………………… 122 7 甘油磷脂的裂解特征 …………………………………………………………………… 125 7. 1 引言 ………………………………………………………………………………… 125 7. 2 磷脂酰胆碱(PC) …………………………………………………………………… 126 7. 2. 1 正离子模式 …………………………………………………………………… 126 7. 2. 2 负离子模式 …………………………………………………………………… 128 7. 3 磷脂酰乙醇胺(PE) ………………………………………………………………… 130 7. 3. 1 正离子模式 …………………………………………………………………… 130 7. 3. 2 负离子模式 …………………………………………………………………… 131 7. 4 磷脂酰肌醇(PI)和磷脂酰肌醇磷酸 ……………………………………………… 133 7. 4. 1 正离子模式 …………………………………………………………………… 133 7. 4. 2 负离子模式 …………………………………………………………………… 133 7. 5 磷脂酰丝氨酸(PS) ………………………………………………………………… 133 7. 5. 1 正离子模式 …………………………………………………………………… 133 7. 5. 2 负离子模式 …………………………………………………………………… 134 7. 6 磷脂酰甘油(PG) …………………………………………………………………… 135 7. 6. 1 正离子模式 …………………………………………………………………… 135 7. 6. 2 负离子模式 …………………………………………………………………… 135 7. 7 磷脂酸(PA) ………………………………………………………………………… 136 7. 7. 1 正离子模式 …………………………………………………………………… 136 7. 7. 2 负离子模式 …………………………………………………………………… 136 7. 8 心磷脂(CL) ………………………………………………………………………… 136 7. 9 溶血甘油磷脂(lysoGLP)…………………………………………………………… 137 7. 9. 1 溶血卵磷脂(LPC) …………………………………………………………… 137 7. 9. 2 溶血磷脂酰乙醇胺(LPE) …………………………………………………… 139 7. 9. 3 阴离子溶血甘油磷脂(anionic lysoGPL) …………………………………… 140 7. 10 其他甘油磷脂……………………………………………………………………… 140 7. 10. 1 N-酰基化磷脂酰乙醇胺 …………………………………………………… 140 7. 10. 2 N-酰基化磷脂酰丝氨酸 …………………………………………………… 141 7. 10. 3 酰基磷脂酸甘油……………………………………………………………… 141 7. 10. 4 双(单酰甘油)磷酸酯(BMP) ……………………………………………… 141 7. 10. 5 环状磷脂酸…………………………………………………………………… 141 参考文献 ……………………………………………………………………………… 142 8 鞘脂的裂解特征 ………………………………………………………………………… 146 8. 1 引言 ………………………………………………………………………………… 146 8. 2 神经酰胺 …………………………………………………………………………… 146 8. 2. 1 正离子模式 …………………………………………………………………… 146 8. 2. 2 负离子模式 …………………………………………………………………… 147 8. 3 神经鞘磷脂 ………………………………………………………………………… 148 8. 3. 1 正离子模式 …………………………………………………………………… 148 8. 3. 2 负离子模式 …………………………………………………………………… 149 8. 4 脑苷脂 ……………………………………………………………………………… 149 8. 4. 1 正离子模式 …………………………………………………………………… 149 8. 4. 2 负离子模式 …………………………………………………………………… 150 8. 5 硫苷脂 ……………………………………………………………………………… 151 8. 6 寡糖基神经酰胺与神经节苷脂 …………………………………………………… 152 8. 7 肌醇磷酸神经酰胺 ………………………………………………………………… 153 8. 8 鞘脂的代谢产物 …………………………………………………………………… 153 8. 8. 1 鞘氨醇骨架 …………………………………………………………………… 153 8. 8. 2 1-磷酸鞘氨醇 ………………………………………………………………… 154 8. 8. 3 溶血鞘磷脂 …………………………………………………………………… 155 8. 8. 4 神经鞘氨醇半乳糖苷 ………………………………………………………… 155 参考文献 ……………………………………………………………………………… 155 9 甘油脂的裂解特征 ……………………………………………………………………… 157 9. 1 引言 ………………………………………………………………………………… 157 9. 2 甘油单酯 …………………………………………………………………………… 158 9. 3 甘油二酯 …………………………………………………………………………… 158 9. 4 甘油三酯 …………………………………………………………………………… 161 9. 5 已糖基甘油二酯 …………………………………………………………………… 161 9. 6 其他糖脂 …………………………………………………………………………… 163 参考文献 ……………………………………………………………………………… 164 10 脂肪酸和改性脂肪酸的裂解特征 …………………………………………………… 166 10. 1 引言………………………………………………………………………………… 166 10. 2 游离脂肪酸………………………………………………………………………… 167 10. 2. 1 未衍生化的游离脂肪酸……………………………………………………… 167 10. 2. 2 衍生化的游离脂肪酸………………………………………………………… 169 10. 3 改性脂肪酸………………………………………………………………………… 170 10. 4 脂肪酸组学………………………………………………………………………… 172 参考文献 ……………………………………………………………………………… 176 11 其他生物活性脂质代谢物的裂解特征 ……………………………………………… 178 11. 1 引言………………………………………………………………………………… 178 11. 2 酰基肉碱…………………………………………………………………………… 178 11. 3 酰基辅酶 A ……………………………………………………………………… 180 11. 4 内源性素……………………………………………………………………… 180 11. 4. 1 N-酰基乙醇胺 ……………………………………………………………… 181 11. 4. 2 2-酰基丙三醇 ……………………………………………………………… 181 11. 4. 3 N-酰基氨基酸 ……………………………………………………………… 181 11. 5 4-羟基烯醛 ……………………………………………………………………… 181 11. 6 氯化脂质…………………………………………………………………………… 183 11. 7 固醇和氧固醇……………………………………………………………………… 184 11. 8 脂肪酸-羟基脂肪酸 ……………………………………………………………… 185 参考文献 ……………………………………………………………………………… 186 12 脂质的质谱成像分析 ………………………………………………………………… 189 12. 1 引言………………………………………………………………………………… 189 12. 1. 1 适用于脂质质谱成像的样品………………………………………………… 190 12. 1. 2 样品处理 / 准备 ……………………………………………………………… 190 12. 1. 3 基质的应用……………………………………………………?…………… 190 12. 1. 4 数据处理……………………………………………………………………… 192 12. 2 MALDI-MS 成像 ………………………………………………………………… 193 12. 3 二次离子质谱成像………………………………………………………………… 195 12. 4 DESI-MS 成像 …………………………………………………………………… 196 12. 5 离子淌度成像……………………………………………………………………… 197 12. 6 脂质质谱成像分析的优点和缺点………………………………………………… 197 12. 6. 1 优点…………………………………………………………………………… 197 12. 6. 2 局限性………………………………………………………………………… 198 参考文献 ……………………………………………………………………………… 198 第三篇 脂质的定量 13 样品前处理 …………………………………………………………………………… 206 13. 1 引言………………………………………………………………………………… 206 13. 2 采样、储存及相关问题 …………………………………………………………… 206 13. 2. 1 采样…………………………………………………………………………… 206 13. 2. 2 萃取前的样品储存…………………………………………………………… 208 13. 2. 3 优选限度地减少自动氧化…………………………………………………… 208 13. 3 脂质萃取的原则与方法…………………………………………………………… 209 13. 3. 1 脂质的萃取原则……………………………………………………………… 210 13. 3. 2 内标…………………………………………………………………………… 212 13. 3. 3 脂质萃取方法………………………………………………………………… 214 13. 3. 4 脂质萃取过程中的注意事项………………………………………………… 217 13. 3. 5 脂质萃取物的储存…………………………………………………………… 218 参考文献 ……………………………………………………………………………… 218 14 脂质组学中各个脂质的定量分析 …………………………………………………… 221 14. 1 引言………………………………………………………………………………… 221 14. 2 脂质质谱定量原理………………………………………………………………… 223 14. 3 脂质定量方法……………………………………………………………………… 225 14. 3. 1 串联质谱法…………………………………………………………………… 225 14. 3. 2 多维质谱“鸟枪法”脂质组学中的两步法定量 …………………………… 229 14. 3. 3 选择离子监测模式(SIM) …………………………………………………… 231 14. 3. 4 选择反应监测模式(SRM) ………………………………………………… 233 14. 3. 5 基于高准确度质谱的定量方法……………………………………………… 235 参考文献 ……………………………………………………………………………… 237 15 影响脂质准确定量的因素 …………………………………………………………… 241 15. 1 引言………………………………………………………………………………… 241 15. 2 脂质聚合…………………………………………………………………………… 241 15. 3 定量分析的线性动态范围………………………………………………………… 242 15. 4 串联质谱法定量分析脂质时的基本要素………………………………………… 244 15. 5 离子抑制…………………………………………………………………………… 245 15. 6 质谱基线…………………………………………………………………………… 247 15. 7 同位素的影响……………………………………………………………………… 247 15. 8 定量分析所用内标的最小数量…………………………………………………… 249 15. 9 源内裂解…………………………………………………………………………… 250 15. 10 溶剂的质量 ……………………………………………………………………… 251 15. 11 脂质定量分析中的其他方面 …………………………………………………… 251 参考文献 ……………………………………………………………………………… 251 16 数据质量控制与分析 ………………………………………………………………… 254 16. 1 引言………………………………………………………………………………… 254 16. 2 数据质量控制……………………………………………………………………… 255 16. 3 通过识别脂质代谢途径进行数据分析…………………………………………… 256 16. 3. 1 鞘脂代谢途径网络…………………………………………………………… 256 16. 3. 2 甘油磷脂的生物合成途径网络……………………………………………… 256 16. 3. 3 甘油脂的代谢………………………………………………………………… 259 16. 3. 4 不同脂质之间的相互关?…………………………………………………… 259 16. 4 基于脂质功能的数据分析………………………………………………………… 259 16. 4. 1 作为细胞膜成分的脂质……………………………………………………… 260 16. 4. 2 脂质作为细胞能量储存库…………………………………………………… 261 16. 4. 3 脂质信号分子………………………………………………………………… 263 16. 4. 4 脂质在细胞内的其他作用…………………………………………………… 264 16. 5 由于样品不均匀性和细胞区室的存在导致的数据分析复杂性………………… 265 16. 6 整合“组学”数据进行数据验证 ………………………………………………… 266 参考文献 ……………………………………………………………………………… 267 第四篇 脂质组学在生物医学及生物学领域的应用 17 关于健康和疾病的脂质组学 ………………………………………………………… 272 17. 1 引言………………………………………………………………………………… 272 17. 2 糖尿病和肥胖症…………………………………………………………………… 273 17. 3 心血管疾病………………………………………………………………………… 274 17. 4 非酒精性脂肪肝…………………………………………………………………… 275 17. 5 阿尔茨海默病……………………………………………………………………… 276 17. 6 精神疾病…………………………………………………………………………… 278 17. 7 癌症………………………………………………………………………………… 278 17. 8 营养学中的脂质组学……………………………………………………………… 280 17. 8. 1 脂质组学在特殊膳食或挑战性试验研究中的应用………………………… 280 17. 8. 2 脂质组学在食品质量控制方面的应用……………………………………… 281 参考文献 ……………………………………………………………………………… 281 18 植物脂质组学 ………………………………………………………………………… 290 18. 1 引言………………………………………………………………………………… 290 18. 2 植物脂质组中的特殊脂质………………………………………………………… 291 18. 2. 1 半乳糖脂……………………………………………………………………… 291 18. 2. 2 鞘脂…………………………………………………………………………… 292 18. 2. 3 固醇及其衍生物……………………………………………………………… 293 18. 2. 4 硫脂…………………………………………………………………………… 294 18. 2. 5 脂质 A 及其中间体 ………………………………………………………… 294 18. 3 脂质组学在植物生物学中的应用………………………………………………… 294 18. 3. 1 应激诱导的植物脂质体变化………………………………………………… 294 18. 3. 2 植物生长发育过程中脂质体的变化………………………………………… 298 18. 3. 3 脂质组学在基因功能表征中的应用………………………………………… 299 18. 3. 4 脂质组学有助于改善转基因食品的质量…………………………………… 301 参考文献 ……………………………………………………………………………… 301 19 酵母菌和结核分枝杆菌的脂质组学 ………………………………………………… 305 19. 1 引言………………………………………………………………………………… 305 19. 2 酵母脂质组学……………………………………………………………………… 306 19. 2. 1 酵母脂质组质谱分析策略…………………………………………………… 306 19. 2. 2 酵母脂质组的定量分析……………………………………………………… 307 19. 2. 3 不同酵母菌株的脂质组学…………………………………………………… 307 19. 2. 4 酵母脂质组学对脂质合成及功能的影响…………………………………… 308 19. 2. 5 生长条件对酵母脂质组的影响……………………………………………… 311 19. 3 结核分枝杆菌的脂质组学………………………………………………………… 311 参考文献 ……………………………………………………………………………… 313 20 细胞器和亚细胞膜中的脂质组学 …………………………………………………… 316 20. 1 引言………………………………………………………………………………… 316 20. 2 高尔基体…………………………………………………………………………… 316 20. 3 脂滴………………………………………………………………………………… 318 20. 4 脂筏………………………………………………………………………………… 318 20. 5 线粒体……………………………………………………………………………… 320 20. 6 细胞核……………………………………………………………………………… 323 20. 7 结论…………………………………………………?…………………………… 323 参考文献 ……………………………………………………………………………… 324 索引 ………………………………………………………………………………………… 328