蛋白质组学proteomicswxj.ppt
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1、Proteomics,蛋白质组学,Proteome&Proteomics 定义,Proteome:1994年,由澳大利亚Macguarie大学的Wilkins等首先提出:“蛋白质组指由一个细胞或一个组织的基因组所表达的全部蛋白质”“proteome”是由蛋白质一词的前几个字母“prote”和基因组一词的后几个字母“ome”拼接而成,Proteome&Proteomics 定义,Proteomics:蛋白质组学是从整体水平细胞内蛋白质的组成、结构、功能及其动态变化规律的科学。研究内容包括分析蛋白质组所有组分及它们的表达水平,确定各种组分的空间定位、修饰方法、互作机制、生物活性及相应特定功能等。由
2、此获得蛋白质水平上的关于疾病发生,细胞代谢等过程的整体而全面的认识,Genome&Proteome,Genomics Transcriptomics&Proteomics,Proteomics&Structural Genomics,Proteomics&Functional Genomics,特点之一整体性,特点之二系统性,特点之三动态性,Structural Proteomics 结构蛋白质组学Functional Proteomics 功能蛋白质组学,分类,Structural Proteomics,SeparationIdentificationPTM(post-translation
3、al modification)IdentificationComparison&Subtraction Analysis,Functional Proteomics,LocalizationProtein Complex DeterminationProtein-Protein Interaction/Interaction NetworkFunction of Protein(Metabolic and Regulatory Pathway;Signal Transduction Pathway),蛋白质鉴定:可以利用一维电泳和二维电泳并结合生物质谱、Western印迹、蛋白质芯片等技术,
4、对蛋白质进行全面的鉴定研究。翻译后修饰的鉴定:如磷酸化、糖基化、酶原激活等过程。蛋白质功能确定:包括蛋白质定位研究,蛋白质活性,蛋白质相互作用,酶活性和确定酶底物,细胞因子的生物分析,配基-受体结合分析等。,蛋白质组学的主要任务,蛋白质组学研究思路与方法,策略、技术、工具,主要专业术语及其英文对照和缩写,IPG-IEF:固相pH梯度等电聚焦(immobilized pH gradients isoelectric focusing)SDS-PAGE:十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(Sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophores
5、is)2-DE:双向电泳(Two Dimensional Electrophoresis)HPLC:高效液相色谱(High performance Liquid Chromatography)MALDI-TOF MS:基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry),蛋白序列数据库(SWISS-PROT/TrEMBL;http:/)基因序列数据库(Genbank,http:/EMBL;http:/)蛋白模式数据库(Prosite;http:/)蛋白质二维凝
6、胶电泳数据库、蛋白三维结构数据库(PDB,http:/;FSSP,)蛋白翻译后修饰数据库(O-GLYCBASE,http:/databases/OGLYCBASE),蛋白质组学研究相关数据库,研究策略,两条互补的实验流程基于凝胶的工作流程(Gel-based workflow)基于液相色谱的工作流程(LC-based workflow),Classical GE&LC to Protein ID Gapelo(2010)J Proteomics,HPLC-MS,蛋白质组研究的主要手段,双向电泳(two dimensional gel electrophoresis,2D-GE)差示电泳(dif
7、ferential gel electrophoresis,DIGE)毛细管电泳(capillary electrophoresis,CE)高效液相色谱(high performance liquid chromatography,HPLC)分子筛柱层析 反向柱层析质谱分析(mass spectrometry MS)基质辅助激光解吸离子化-飞行时间串联质谱(matrix-assisted laser disorption ionization-time of flight/tandem MS,MALDI-TOF/MS/MS)电喷雾离子化串联质谱(electrospray ionization
8、ESI-MS)生物信息学,蛋白质组学实验室所需的条件,蛋白质组学研究的基本技术路线,蛋白质样品的制备,双向电泳或HPLC,图像分析,凝胶中的蛋白,溶液中的蛋白,混合肽,蛋白质质量,N端测序,肽序列质谱数据,肽指纹图,数据搜索,新的或已知蛋白,翻译后修饰的鉴定,酶解,Sample Protein Preparation,Usually the complexity of the protein and/or peptide mixture lies beyond the theoretical separation space of any separation method.Proteome
9、Complexity.Genomic transcription in diversity;post-transcription processing;post-translational modification;constitution of combinatorial complex.It requires quite a long time for analysis of protein complex.Sample recovery low through separation:more steps,less overall recovery.The conc.of the prot
10、eins with a range of 6-order magnitude:in tissues,protein concentrations span a dynamic range of six orders of magnitudes(for regulatory protein or TFs a few molecules per cell,for housekeeping proteins million copies per cell).So,it is difficult to detect very low concentrated proteins in the prese
11、nce of highly abundant proteins.The complex protein samples with limited stability due to existence of enzymes and proteases,enzyme inhibitors can only partly stabilize the sample.,Many parameters influence the composition of proteome between induced and inherent biological variations,such as geneti
12、c differences,gender and age of patients and cell growth conditions.This requires sample replicates.(statisticians would demand at least five replicates,in many cases three replicates can deliver highly confident results.In clinical the number of required proteins are much high).Membrane proteins ar
13、e very difficult to solubilize,and easy to loss during sample preparation and separation by sticking to a surface or aggregation.Post-translational modifications(PTMs)like phosphorylation and glycosylation require sophisticated analysis tools like MSn,where the peptide ions generated several times f
14、ragmented.,Sample Protein Preparation,蛋白质组研究的基本技术-样品预分离,样品的制备(预处理):组织细胞细胞器(线粒体、叶绿体、细胞核),蛋白质组研究的基本技术-蛋白提取,重要性:在制备时丢失的蛋白永远不能在后面实验中弥补原则:使所有待分析的蛋白样品全部处于溶解状态 防止样品在聚焦时发生蛋白的聚集和沉淀 防止在样品制备过程中发生样品的抽提后化学修饰(如酶性或化学性降解等)完全去除样品中的核酸和某些干扰蛋白,蛋白质组研究的基本技术-蛋白提取,步骤:破碎沉淀蛋白去除杂质,蛋白质组研究的基本技术-蛋白提取,样品制备流程-破碎尽可能减少蛋白水解/其它形式蛋白降解原
15、则机械法(超声波法、高压法、机械匀浆法)化学法(去污剂法、酶裂解法)物理法(液氮研磨法、反复冻融法、渗透法、玻璃珠破碎法),蛋白质组研究的基本技术-蛋白提取,样品制备流程-沉淀蛋白 去杂浓缩后蛋白可溶性是关键 三氯醋酸(TCA)-丙酮沉淀法 TCA沉淀法 引起降解/修饰 丙酮沉淀法 硫酸铵沉淀法 影响IEF醋酸铵沉淀法 步骤繁琐,2D电泳结果影响因素分析,蛋白质组研究的基本技术-蛋白提取,样品制备流程-去除杂质 关键是尽量不丢失蛋白和减少蛋白修饰 核酸的清除(DNase/RNase)多糖的清除(超离心、TCA沉淀等)去污剂的清除(丙酮沉淀法等)盐离子和外源带电小分子的清除(透析、TCA-丙酮沉
16、淀法),2D电泳结果影响因素分析,可能原因:样品含高丰度Pr,可能原因:TCA残留致使Pr丢失,蛋白质组研究的基本技术-蛋白提取,样品制备注意事项:蛋白质水解-蛋白酶抑制剂(PMSF等)特殊样品的制备(低丰度、强碱性蛋白质(核糖体)、极端分子量)样品定量 重复性,Two Dimensional Gel Electrophoresis(2D-GE)Differential Gel Electrophoresis(DIGE),Gel Electrophoresis,Workflow for Two-Dimensional Electrophoresis(2-DE)GE(2004)2-D Elect
17、rophoresis,two dimensional gel electrophoresis(2D-GE),Isoelectric Focusing Electrophoresis(IEF),IEF mainly applied for the following purposes:1st dimensional fractionation of protein mixtures in high-resolution 2-D electrophoresis Pre-fractionation of protein mixtures according to chargeFor the sepa
18、ration of very heterogeneous mixtures of tryptic peptides instead of strong cation exchange chromatography in MDLC-MS,IEF is performed in a pH gradient gel.Proteins Charged with Anion(-)or Cation(+)depend on(i)their molecular traits due to their acidic and basic groups,and(ii)the environmental pH.En
19、vironmental pH:in basic buffer,the acidic groups of proteins with negative charge;in acidic buffer,the basic groups with positive charge.Protein Isoelectric Point(pI):At a pH value,the net charge of a protein is zero.,39,IEF Theoretical Background,40,The Principle of Isoelectric Focusing Electrophor
20、esis,IEF Principle,Ampholytes to Create A pH Gradient:A Heterogeneous Mixture of Isomers of aliphatic oligoamino-oligocarboxylic acids under electricity field could align themselves due to individual molecule trait protein-zero to be naive to move.,41,42,Immobilized pH Gradient Polyacrylamide,The Ge
21、neral Structure of Immobiline(Ampholyte),双向凝胶电泳(2-DE),是等电聚焦电泳和SDS-PAGE的组合即先进行等电聚焦电泳(按照pI分离)然后再进行SDS-PAGE(按照分子大小)凝胶经染色得到二维分布的蛋白质图,蛋白质组研究的基本技术,2D-SDS-PAGE:样品制备第一向IPG-IEF电泳IPG平衡第二向SDS-PAGE电泳染色(银染)及 图谱分析目标蛋白获取及其鉴定(MC分析),2-DE,第一向IPG-IEF电泳IEF是一种根据样品的等电点不同而使它们在pH梯度中相互分离的一种电泳技术将等电点不同的蛋白质混合物加入有pH梯度的凝胶介质中,在电场
22、内经过一定时间后,各组分将分别聚焦在各自等电点相应的pH位置上,形成分离的蛋白质区带从而得知其等电点信息,IPG-IEF电泳,2-DE,第二向垂直SDS-PAGE电泳聚丙烯酰胺凝胶形成网状结构,具有浓缩效应、电荷效应、分子筛效应。SDS与蛋白质形成雪茄状带负电荷复合物,从而消除了蛋白间的电荷及形状差异,电泳速度仅与分子量有关 从而得知其分子量信息,第二向垂直SDS-PAGE电泳,凝胶浓度与其对应的分离范围,胶浓度 分离范围(KD)5%36-200 7.5%24-200 10%14-200 12.5%14-100 15%14-60,第二向垂直SDS-PAGE电泳,Ettan Dalt twelv
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