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作者：

张鹏军

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摘要：

蛋白质组学是当代生命科学最前沿的研究领域,质谱技术近年来在仪器鉴定通量、灵敏度、分辨率和自动化程度等各方面的不断提高,促进了蛋白质组学研究及其蛋白质结构鉴定的快速发展。然而多肽选择性裂解机理尚未阐明,制约了质谱技术在蛋白质组学中的运用。阐明多肽的质谱碎裂机理,既是质谱技术本身需要,又是蛋白质组学研究中亟待解决的问题。 含碱性氨基酸的多肽不仅在生命科学领域有广泛的应用,而且在阳离子质谱中有较强的信号。碱性氨基酸在多肽质谱裂解中的作用机理的研究将会加深对多肽质谱断裂现象和机理的认识,促进新的质谱数据库搜索技术的开发,提高质谱多肽鉴定的准确性,扩大质谱碎片数据在蛋白质和多肽的序列分析和结构鉴定中的应用。 质子流动理论(mobileprotonmodel)是先前人们关于多肽质谱裂解机理研究形成的主要模型,它强调在低能量质谱碰撞诱导解离(CID)条件下多肽发生断裂机制是以电荷导向(charge-directed)为主的。本文中我们以含碱性氨基酸的多肽为研究对象,采用电喷雾串联离子阱质谱技术结合量子化学模拟的方法,从三个不同方面:碱性氨基酸的碱度、位置顺序以及多肽主链上的化学修饰,探究碱性氨基酸在多肽质谱裂解中的作用机理,特别是电荷导向机理的内容。本论文的主要部分有以下几个方面: (1):含碱性侧链的氨基酸共有三种——精氨酸、赖氨酸和组氨酸,其碱度各不相同。第二章研究了相同位置不同碱度的碱性氨基酸在多肽组VARML、VAKML和VAHML质谱断裂中的作用机理。实验结果表明碱性氨基酸侧链的碱度越低,碱性侧链拘禁质子能力越弱,多肽越容易裂解。当精氨酸变为赖氨酸后,多肽VAKML相比VARML的酰胺键Met-Leu裂解方式发生改变,且容易裂解;当赖氨酸变为组氨酸后,多肽VAHML相比VAKML的酰胺键Ala-His更易断裂。量子化学计算结果表明质子化后多肽VARML、VAKML和VAHML酰胺键上QC/QH具有导向作用。多肽酰胺键上的QC/QH值越大,碱性氨基酸侧链的碱度越低,多肽越容易裂解。 (2):精氨酸是碱性氨基酸中侧链碱性最强的一种氨基酸。第三章研究了相同碱度不同位置的精氨酸在多肽组RVAML、VRAML、VARML、VAMRL和VAMLR质谱断裂中的作用机理。实验结果表明精氨酸位置由多肽两端移动至中间点后,多肽变得难于裂解。精氨酸在氮端附近时,多肽断裂易生成含精氨酸的氮端离子;精氨酸在碳端附近时,多肽酰胺键断裂生成含精氨酸的碳端离子,当精氨酸在多肽中间时,酰胺键可以断裂生成氮端和碳端两种离子类型。量子化学计算结果表明了质子化多肽RVAML、VRAML、VARML、VAMRL和VAMLR酰胺键上QC+O+N+H值具有导向作用。当酰胺键上原子总电荷值QC+O+N+H值变大时,多肽变得难于裂解。相比其他多肽,VARML各个酰胺键的QC+O+N+H值都是最大所以其最难裂解。 (3):乙酰化和酰胺化是两种容易实现的多肽化学修饰,也是生物体内普遍存在的蛋白质和多肽的翻译后修饰。第四章研究了乙酰化和酰胺化修饰在多肽组Ac-GRMG、GRMG-NH2和GRMG-OH质谱断裂中的作用机理。实验结果表明乙酰化多肽Ac-GRMG比原肽GRMG-OH难于裂解,而酰胺化多肽GRMG-NH2与原肽GRMG-OH裂解程度非常相同。氮端乙酰化阻碍了多肽Ac-GRMG的b2*和MH*0碎片离子的生成,而碳端酰胺化对GRMG-NH2的碎片离子生成无明显影响。量子化学计算结果表明了质子化后多肽Ac-GRMG、GRMG-NH2和GRMG-OH酰胺键上QC+O值具有导向作用。当多肽酰胺键上所有QC+O值一致变大时,多肽相对难于裂解。 本论文从碱性氨基酸的不同碱度、不同位置以及多肽主链上的化学修饰三方面探究了其在多肽质谱裂解中作用机理的内容,验证和完善了质子流动理论中的电荷导向机理,并建立了一种由串联质谱结合量化计算探究多肽酰胺键上电荷导向机理的新方法。虽然不同条件下酰胺键上电荷导向机制内容并不统一,但是这些结论丰富了多肽质谱断裂数据库的内容,为将来开发新的多肽、蛋白质鉴定测序算法,由多肽酰胺键上电荷分布及导向机制预测多肽断裂趋势、位点和碎片峰强度的方法提供参考。

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关键词：

碱性氨基酸 多肽断裂 质谱技术 电荷导向机理