SHOTGUN LIPIDOMICS: ELECTROSPRAY IONIZATION MASS SPECTROMETRIC ANALYSIS AND QUANTITATION OF CELLULAR LIPIDOMES DIRECTLY FROM CRUDE EXTRACTS OF BIOLOGICAL SAMPLES

博主： int0030
发布时间：2021 年 06 月 12 日
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4864字数
分类：文献

# 引言

## 脂质的功能

* 脂质构成生物膜，其完整性与物理特性对生命过程至关重要
* 为膜蛋白发挥作用提供了合适的疏水环境
* 供能
* 膜脂是由多种胞内酶作用产生的脂质第二信使的来源

## 脂质的含量

* 磷脂（与甘油酯sn-3位置连接的磷酸二酯）：60 mol%
* 糖脂/鞘脂（与甘油二酯sn-3位置或者鞘氨醇位置1连接的碳水化合物）：10 mol%
* 非极性脂质（包括TAG和胆固醇）:0.1～40 mol%，取决于细胞类型和亚细胞区室
* 代谢物（NEFA、溶血脂质、DAG、神经酰胺、酰基肉碱、酰基CoA）：5 mol%以下，病理状态可能蓄积

## cellular lipidome，细胞脂质组

* 细胞脂质中具有化学差异的共价实体的精确补充被称为细胞脂质组
* 研究方法：
  * 使用不同技术检查细胞脂质组中成分相互作用的改变
  * 定量细胞脂质组中存在的数千种化学上不同的成分
  * 确定这些成分的亚细胞定位
  * 确定脂质进出每个细胞区室的动力学通量，脂质-脂质和脂质-蛋白质的相互作用
  * 得到膜构象空间和动力学
* 分析技术
  * 电喷雾电离质谱，ESI/MS
  * 串联质谱，MS/MS

# 细胞脂质和组织的分类

* 哺乳动物细胞膜的由蛋白质和脂质组成，膜蛋白约占70%，典型重量80 kD，每种蛋白约有10～100中脂质分子
* 胆碱甘油磷脂(PC)、鞘磷脂(SM)和胆固醇主要位于膜双层的层状小叶
* PE、磷脂酰肌醇(PtdIns)和磷脂酰丝氨酸(PtdSer)主要位于膜的胞质小叶

## 非极性脂质

* 按质量分类
  * 胆固醇与胆固醇酯
  * TAGs
* 脂质有小的弱极性部分和一个优势疏水区域组成
* 胆固醇酯和TAGs主要存在于cellular oil droplets和lipoproteins
* 非酯化胆固醇主要存在于质膜中

## 极性脂质

磷脂、鞘脂、糖脂，真核细胞中以甘油磷脂为主，约60 mol%

### 磷脂

* 甘油的sn-3位置至少存在一个磷酸基团
* 根据与磷酸盐连接的化学结构不同，可分成不同磷脂。
*  | X                    | 磷脂                                                           |                                                  |
  | ---------------------- | ---------------------------------------------------------------- | -------------------------------------------------- |
  | Choline，胆碱        | Choline glycerophospholipid，磷脂酰胆碱，（PC，卵磷脂）        | PC、PE存在多个亚类                               |
  | Ethanolamine，乙醇胺 | Ethanolamine glycerophospholipid，磷脂酰乙醇胺，（PE，脑磷脂） | 且PC、PE对细胞功能和脂质第二信使生成具有重要影响 |
  | Glycerol，甘油       | Phosphatidylglycerol，PtdGro，磷脂酰甘油                       |                                                  |
  | Myo-inositol，肌醇   | Phosphatidylinositol，磷脂酰肌醇，（PI，PtdIns）               |                                                  |
  | Serine               | Phosphatidylserine，磷脂酰丝氨酸，（PS，PtdSer）               |                                                  |
  | Hydrogen Oxide       | Phosphatidic，PtdH                                             |                                                  |
  |                      | diphosphatidylglycerol，二磷脂酰甘油，（心磷脂）               | 二酰基磷脂的亚类对应物在哺乳动物中适度           |

> 脂质第二信使：
>
> Subclass counterparts of diacyl phospholipids in these latter classes are modest in mammals

* PC、PE 在大多数真核细胞膜中占主导地位，摩尔比约为3:2，占总磷脂的75 mol%，其它磷脂约占20 mol%
* 大多数原核细胞通常不存在PC，其磷脂主要为PE、PtdGro和心磷脂
* 磷脂在膜中分布不对称，PE和PtdSer主要存在于质膜内层单层中，PC在外层单层中占主导地位

> 外层单层：？

* 根据甘油sn-1上酯链的性质，将磷脂分为三个亚类
  * 分类
    * phosphatidyl，磷脂酰，对应酯键
    * plasmenyl，对应乙烯基醚键
    * plasmanyl，对应烷基醚键
  * 主要存在PC、PE中
  * 大多数细胞膜脂质中，磷脂酰脂类占主导地位
  * 大多数lectroactive cellular membranes中，如肌膜和神经元细胞，plasmenyl subclass分子种，是细胞脂质的主要成分
  * 其它磷脂的plasmenyl subclasses通常仅在其它细胞中含有极少量
    * 除了某些鱼类中大量存在plasmenylserine
    * 哺乳动物细胞中非微量
* 磷脂分子种类的复杂性
  * 极性头基的变化
  * sn-1脂肪链亚类的不同
  * 脂肪链长度
  * 磷脂分子中两个脂肪链双键的数量与位置

### 鞘脂

* 含有鞘氨醇骨架，占人白质中存在的总脂质的30 mol%以上
* 根据极性部分和神经酰胺共价键的性质（N-酰基鞘氨醇），鞘脂分为多种
*  | X              | 鞘脂               |   |
  | ---------------- | -------------------- | --- |
  |                | Ceramide，神经酰胺 |   |
  |                | Sphingomyelin      |   |
  |                | Cerebroside        |   |
  |                | Sulfatide          |   |
  | Glc，          | Glucosylceramide   |   |
  |                | Lactosylceramide   |   |
  | N-乙酰神经氨酸 | Gangiloside        |   |
* 哺乳动物中，18C同系物骨架的鞘脂最为普遍，单其它种属种存在14到22C的烷基链鞘氨醇类似物。

### 糖脂

* 包括鞘糖脂和糖苷脂，区别为疏水核心，即前者含有神经酰胺骨架，后者含有二酰基甘油（DAG）骨架
* 在一些细胞中，糖脂约占总脂的10 mol%

## 代谢产物

* 脂质或其前提经由酶促反应得到
* 可为合成代谢和分解代谢
* 正常生理条件下，占总脂的百分之几，单分子种类相当多
  * 包括长链酰基CoA
  * 长链酰基肉碱
  * NEFA
  * 脂肪酸酯
  * 酰基酰胺
  * 神经酰胺
  * 溶血脂质
  * 类花生酸
  * DAGs
  * 3-磷酸鞘氨醇等
* 许多代谢物是第二信使，特殊情况下，脂质代谢物在一些区域中占据脂质大部分，与许多疾病有关。

# 脂质的ESI/MS原理

## Electrospray Ionization，电喷雾电离原理

* 示意图：
  ![正离子模式下电喷雾电离源示意图](http://img.int0030.xyz/images/2021/06/12/79f692ca977d0672c11b73390470433fcf1380e57275c7b1.png)
* 原理：

1. 毛细管将含有目标分析物的溶液引入ESI离子源
  2. 毛细管末端的狭窄孔和溶液通过狭窄孔时施加的机械力有利于溶液在电离室中形成喷雾小液滴

* 毛细管末端和进入质量分析仪之间施加约4 kV的电势
     * 由于氧化还原过程，小液滴携带静电荷

> 氧化还原：？损失或获得电荷？
     >

* 若毛细管末端施加正电，在正离子模式下质量分析仪入口处为负电，则液滴携带正电荷。
  3. 液滴的飞行过程为溶液的去溶剂化过程，离子之间的库仑力极具增加，至超过溶剂的表面张力，液滴会爆炸形成更小的液滴，重复至进入质量分析仪前形成分子或离子

* 通过加热电惰性气体
     * 或者加热的毛细管
  4. 电离过程中的关键决定因素为

* 液滴表面张力
     * 喷雾液滴上表面电荷的空间接近度

> 空间接近度：？
     >
* 分析物的电离效率影响因素

* 单个分析物在自身微环境中在电场中损失或获得电荷（氧化或还原）的倾向（能力）
  * 离子化合物（A^+^ B^-^ ）
    * 正离子模式：A^+^
    * 负离子模式：B^-^
  * 共价化合物A-B：
    * 极性
      * 正离子模式：[A-B+X]^+^ ：（X=H^+^ ，Li^+^ ，Na^+^ ，NH~4~ ^+^ ，……）
      * 负离子模式：[A-B+Y]^-^ ：（Y=OH^-^ ，Cl^-^ ，HCOO^-^ ，BF~4~ ^-^ ，……）
    * 非极性
      * 需要具体的方法
  * 离子化合物的电离效率远高于共价化合物，但极性共价化合物可与介质中的小带电粒子作用以促进电离
  * PC分子种不带静电荷，但在两性离子极性头基中含有一个大的偶极子，因此，PC可在正离子模式下与H、Li、Na形成加合物
    > PC molecular species do not carry a net charge
    > but contain a large dipole in the zwitterionic polar head group.
    >

最后修改：2021 年 06 月 12 日

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SHOTGUN LIPIDOMICS: ELECTROSPRAY IONIZATION MASS SPECTROMETRIC ANALYSIS AND QUANTITATION OF CELLULAR LIPIDOMES DIRECTLY FROM CRUDE EXTRACTS OF BIOLOGICAL SAMPLES

int0030 • 2021 年 06 月 12 日

# 引言

## 脂质的功能

## 脂质的含量

## cellular lipidome，细胞脂质组

# 细胞脂质和组织的分类

## 非极性脂质

## 极性脂质

磷脂、鞘脂、糖脂，真核细胞中以甘油磷脂为主，约60 mol%

### 磷脂

> 脂质第二信使：
>
> Subclass counterparts of diacyl phospholipids in these latter classes are modest in mammals

> 外层单层：？

### 鞘脂

### 糖脂

* 包括鞘糖脂和糖苷脂，区别为疏水核心，即前者含有神经酰胺骨架，后者含有二酰基甘油（DAG）骨架
* 在一些细胞中，糖脂约占总脂的10 mol%

## 代谢产物

# 脂质的ESI/MS原理

## Electrospray Ionization，电喷雾电离原理

* 示意图：
  ![正离子模式下电喷雾电离源示意图](http://img.int0030.xyz/images/2021/06/12/79f692ca977d0672c11b73390470433fcf1380e57275c7b1.png)
* 原理：

1. 毛细管将含有目标分析物的溶液引入ESI离子源
  2. 毛细管末端的狭窄孔和溶液通过狭窄孔时施加的机械力有利于溶液在电离室中形成喷雾小液滴

* 毛细管末端和进入质量分析仪之间施加约4 kV的电势
     * 由于氧化还原过程，小液滴携带静电荷

> 氧化还原：？损失或获得电荷？
     >

* 通过加热电惰性气体
     * 或者加热的毛细管
  4. 电离过程中的关键决定因素为

* 液滴表面张力
     * 喷雾液滴上表面电荷的空间接近度

> 空间接近度：？
     >
* 分析物的电离效率影响因素

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