蛋白质组学是对蛋白质的结构、功能、相互作用和修饰的大规模研究。与相对静态的基因组不同，蛋白质组是动态的，反映细胞的状态，蛋白质表达、定位、修饰和周转都受到调控。

质谱原理

质谱测量电离分子的质荷比。质谱仪有三个基本组成部分。离子源将分子转化为气相离子。质量分析器按质荷比分离离子。检测器测量每个离子的丰度。蛋白质和肽通常使用电喷雾电离或基质辅助激光解吸电离分析。

电喷雾电离从溶液中的肽产生多电荷离子，生成一系列峰，从中可以计算分子质量。MALDI通常从掺入结晶基质并由激光脉冲解吸的肽产生单电荷离子。两种方法都是保持分析物完整性的软电离技术。

质量分析器

蛋白质组学中使用几种质量分析器类型。四极杆质量过滤器通过四个带有振荡电场的平行杆传输选定质荷比的离子。飞行时间分析器测量离子飞行固定距离所需的时间，较轻的离子到达更快。Orbitrap分析器在静电场中捕获离子并测量其振荡频率，提供高分辨率和质量精度。离子阱分析器在三维电场中限制离子并依次排出。组合多个分析器类型的混合仪器（如四极杆-Orbitrap或三重四极杆仪器）为不同实验策略提供灵活性。

自下而上蛋白质组学

自下而上蛋白质组学分析消化成肽后的蛋白质（通常通过SDS-PAGE分离），通常使用胰蛋白酶（在精氨酸和赖氨酸残基后切割）。产生的肽混合物通过液相色谱分离，并通过串联质谱分析。在数据依赖性采集中，质谱仪选择最丰富的肽离子进行碰撞诱导解离片段化。产生的片段离子谱与蛋白质序列数据库比对以鉴定肽及其母蛋白。

串联质谱

在串联质谱中，选择特定质荷比的前体离子并片段化，测量片段离子质量。碰撞诱导解离主要在酰胺键处片段化肽，产生b和y离子。相邻y离子或b离子之间的质量差揭示氨基酸序列。高能片段化方法如电子转移解离提供补充信息，保留不稳定的翻译后修饰。

蛋白质鉴定

从串联质谱鉴定蛋白质使用数据库搜索引擎如Mascot、Sequest或MaxQuant。观察到的片段离子质量与从数据库中蛋白质序列的计算机消化产生的理论谱进行比较。统计分析确定每个鉴定的置信度。从头测序（直接从质谱推导肽序列而无需数据库）用于基因组未测序的生物体或鉴定新肽。

定量蛋白质组学

定量蛋白质组学测量不同条件之间蛋白质丰度的变化。基于标记的方法引入通过质量位移区分的稳定同位素标签。SILAC通过细胞培养中的代谢标记掺入同位素标记的氨基酸。TMT和iTRAQ使用在片段化期间释放报告离子的化学标签，允许多达16个样本的多重定量。无标记定量比较肽离子强度或谱计数跨运行，需要仔细归一化。

翻译后修饰分析

质谱特别适用于鉴定和定位翻译后修饰。磷酸化通过特征性的80 Da质量增加和片段化过程中磷酸的中性丢失检测。富集方法如固定化金属亲和色谱或二氧化钛色谱用于在分析前纯化磷酸肽。糖基化更具挑战性，因为糖肽片段化不良且聚糖结构异质。专门的片段化方法如电子转移解离保留糖肽-肽键，实现位点特异性分析。

临床蛋白质组学

临床蛋白质组学将蛋白质组学技术应用于医学问题。生物标志物发现鉴定其丰度在疾病中变化的蛋白质，可能通过ELISA等技术实现早期诊断或治疗监测。组织蛋白质组学分析福尔马林固定、石蜡包埋的临床标本。血浆蛋白质组学面临由于蛋白质浓度巨大动态范围带来的挑战，仅白蛋白就占总蛋白的一半以上。对于深度血浆蛋白质组分析，通常需要亲和去除高丰度蛋白和广泛的分级分离。