代謝組學(xué)概述

1、NMR-based metabolomics: where do NMR-based metabolomics: where do we stand, where do we go?we stand, where do we go?Author：Hye Kyong Kim, Young Hae Choi, Robert Verpoorte （Leiden University The Netherlands）Reporter：wei rui yuan (魏睿元魏睿元) （Inner Mongolia Agricultural University） 2014.11.25基本概念基本概念NMR（

2、核磁共振）（核磁共振）:是一種基于具有自旋性質(zhì)的原子核在核是一種基于具有自旋性質(zhì)的原子核在核外磁場(chǎng)作用下吸收射頻輻射而產(chǎn)生能級(jí)躍遷的譜學(xué)技術(shù)。可用于外磁場(chǎng)作用下吸收射頻輻射而產(chǎn)生能級(jí)躍遷的譜學(xué)技術(shù)?？捎糜谏矬w內(nèi)源性代謝物的定量檢測(cè)生物體內(nèi)源性代謝物的定量檢測(cè),主要采用活體定域磁共振譜、原主要采用活體定域磁共振譜、原位活體組織萃取液的高分辨位活體組織萃取液的高分辨1H-NMR譜、原位活體組織的高分辨譜、原位活體組織的高分辨魔角旋轉(zhuǎn)魔角旋轉(zhuǎn)1H-NMR譜譜),和生物體液和生物體液(主要是尿樣、血樣等主要是尿樣、血樣等)的離體高的離體高分辨分辨1H-NMR譜等。這些譜等。這些NMR技術(shù)能給出多種疾

3、病相關(guān)的生理、技術(shù)能給出多種疾病相關(guān)的生理、病理狀態(tài)下生物體代謝變化的有用信息病理狀態(tài)下生物體代謝變化的有用信息,為臨床上疾病的輔助診斷為臨床上疾病的輔助診斷和預(yù)后監(jiān)測(cè)提供可靠的技術(shù)手段。和預(yù)后監(jiān)測(cè)提供可靠的技術(shù)手段。 能夠?qū)悠穼?shí)現(xiàn)非破壞性、非選擇性分析。它是唯一既能定能夠?qū)悠穼?shí)現(xiàn)非破壞性、非選擇性分析。它是唯一既能定性性, , 又能在微摩爾范圍定量有機(jī)化合物的技術(shù)。缺陷是靈敏度相又能在微摩爾范圍定量有機(jī)化合物的技術(shù)。缺陷是靈敏度相對(duì)較低對(duì)較低, , 不適合分析低濃度代謝物不適合分析低濃度代謝物。代謝組學(xué)（代謝組學(xué)（ Metabonomics Metabonomics ）:是后基因組時(shí)代的

4、一個(gè)重是后基因組時(shí)代的一個(gè)重 要的研究領(lǐng)域要的研究領(lǐng)域,它是關(guān)于定量描述生物體內(nèi)源性代謝物質(zhì)的整體及它是關(guān)于定量描述生物體內(nèi)源性代謝物質(zhì)的整體及其對(duì)內(nèi)因和外因變化應(yīng)答規(guī)律的科學(xué)其對(duì)內(nèi)因和外因變化應(yīng)答規(guī)律的科學(xué),是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分。它通過(guò)對(duì)生物信息學(xué)的化學(xué)分析和處理分。它通過(guò)對(duì)生物信息學(xué)的化學(xué)分析和處理,在生物學(xué)和生命科學(xué)在生物學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。這些組學(xué)分別從調(diào)控生命過(guò)程的不同領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。這些組學(xué)分別從調(diào)控生命過(guò)程的不同層面進(jìn)行研究層面進(jìn)行研究,使人們能夠從分子水平研究生命現(xiàn)象、探討生命的使人們能夠從分子水平研究生命現(xiàn)象、探討生命的本

5、質(zhì)本質(zhì),逐步系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)生命發(fā)展的規(guī)律。而基于逐步系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)生命發(fā)展的規(guī)律。而基于1H_NMR的代謝組的代謝組學(xué)學(xué)(1H-NMR-based metabonomics)是將是將NMR的檢測(cè)技術(shù)與多元數(shù)的檢測(cè)技術(shù)與多元數(shù)據(jù)分析的模式識(shí)別方法有機(jī)地結(jié)合起來(lái)?yè)?jù)分析的模式識(shí)別方法有機(jī)地結(jié)合起來(lái),形成一門研究生物體內(nèi)源形成一門研究生物體內(nèi)源性代謝物的整體及內(nèi)在或外在因素影響的科學(xué)。性代謝物的整體及內(nèi)在或外在因素影響的科學(xué)。 其主要任務(wù)是定量檢測(cè)內(nèi)源性代謝物的整體及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)其主要任務(wù)是定量檢測(cè)內(nèi)源性代謝物的整體及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律并確定與之相聯(lián)系的生物化學(xué)過(guò)程。律并確定與之相聯(lián)系的生物化學(xué)過(guò)程。文章部分文章

6、部分Introduction： 基于基于NMR的代謝組學(xué)研究是研究生物系統(tǒng)的很重要的一種工具，研的代謝組學(xué)研究是研究生物系統(tǒng)的很重要的一種工具，研究的對(duì)象包括各種動(dòng)植物及微生物的機(jī)體組織，究的對(duì)象包括各種動(dòng)植物及微生物的機(jī)體組織，NMR可以測(cè)定確定條件下可以測(cè)定確定條件下的整體代謝物的狀況（的整體代謝物的狀況（holistic view ），因此這對(duì)代謝組學(xué)的研究是很），因此這對(duì)代謝組學(xué)的研究是很有利的。有利的。 NMR可以做到定性定量的對(duì)檢測(cè)樣品中的各類代謝物進(jìn)行測(cè)定。可以做到定性定量的對(duì)檢測(cè)樣品中的各類代謝物進(jìn)行測(cè)定。 NMR可以檢測(cè)的樣品廣泛（單細(xì)胞提取物、動(dòng)植物組織提取物、微可以檢測(cè)的

7、樣品廣泛（單細(xì)胞提取物、動(dòng)植物組織提取物、微生物、尿液、血液等）。目前最為主要的應(yīng)用是對(duì)疾病代謝物標(biāo)靶的測(cè)定生物、尿液、血液等）。目前最為主要的應(yīng)用是對(duì)疾病代謝物標(biāo)靶的測(cè)定識(shí)別，以及對(duì)新藥品的效果評(píng)估，也用于食品質(zhì)量的評(píng)估。識(shí)別，以及對(duì)新藥品的效果評(píng)估，也用于食品質(zhì)量的評(píng)估。 代謝組學(xué)方面的研究現(xiàn)在依然混亂，缺乏類似于基因組學(xué)研究方面的代謝組學(xué)方面的研究現(xiàn)在依然混亂，缺乏類似于基因組學(xué)研究方面的標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)化，眾多實(shí)驗(yàn)室之間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)法用于進(jìn)行相互比對(duì)，缺標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)化，眾多實(shí)驗(yàn)室之間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)法用于進(jìn)行相互比對(duì)，缺乏系統(tǒng)化的大型數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)分析研究的平臺(tái)。乏系統(tǒng)化的大型數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)分

8、析研究的平臺(tái)。文章部分文章部分What does metabolomics analyze?： 生物的代謝產(chǎn)物不是單一的，而是復(fù)雜的種類繁多的、物理和化學(xué)性生物的代謝產(chǎn)物不是單一的，而是復(fù)雜的種類繁多的、物理和化學(xué)性質(zhì)多變的，具有極其豐富的多樣性的小分子混合質(zhì)多變的，具有極其豐富的多樣性的小分子混合化合化合物（物（30Da3000Da）群體。有別于多糖、肽類、蛋白質(zhì)、群體。有別于多糖、肽類、蛋白質(zhì)、DNA和和RNA等大分子（等大分子（5000Da以上）以上）的聚合物的聚合物，代謝物（，代謝物（metabolite）亦稱中間代謝亦稱中間代謝物，主要是指物，主要是指通過(guò)代謝過(guò)通過(guò)代謝過(guò)程產(chǎn)生或消耗

9、的物質(zhì)，生物大分子不包括在內(nèi)。生物大分子的前體及降解程產(chǎn)生或消耗的物質(zhì)，生物大分子不包括在內(nèi)。生物大分子的前體及降解產(chǎn)物是真正的代謝物。代謝過(guò)程中在酶作用下生成或轉(zhuǎn)變的小分子化合物產(chǎn)物是真正的代謝物。代謝過(guò)程中在酶作用下生成或轉(zhuǎn)變的小分子化合物也也稱作稱作代謝物代謝物。 代謝組學(xué)能告訴我們機(jī)體中發(fā)生了些什么呢？代謝組學(xué)就像機(jī)體的快代謝組學(xué)能告訴我們機(jī)體中發(fā)生了些什么呢？代謝組學(xué)就像機(jī)體的快照，顯示出即刻或特定時(shí)間點(diǎn)被測(cè)物中各類化合物的種類以及量。對(duì)于樣照，顯示出即刻或特定時(shí)間點(diǎn)被測(cè)物中各類化合物的種類以及量。對(duì)于樣本的分析能夠更容易的鑒定出特定狀態(tài)（壓力、階段等）下，某一物種、本的分析能夠更容

10、易的鑒定出特定狀態(tài)（壓力、階段等）下，某一物種、培養(yǎng)物或有機(jī)體的特征代謝物和代謝的紋路（模式）。培養(yǎng)物或有機(jī)體的特征代謝物和代謝的紋路（模式）。 樣本樣本中代謝物的種類可以說(shuō)是相當(dāng)?shù)姆倍啵笾驴梢钥梢詫⑵浞譃槿愔写x物的種類可以說(shuō)是相當(dāng)?shù)姆倍?，大致可以可以將其分為三類?A. 基因型（表觀遺傳）相關(guān)代謝物基因型（表觀遺傳）相關(guān)代謝物 B. 階段性相關(guān)代謝物階段性相關(guān)代謝物 C. 條件性（受所處環(huán)境或外在因素影響）相關(guān)代謝物；條件性（受所處環(huán)境或外在因素影響）相關(guān)代謝物； 但是，對(duì)于如肌肉收縮的瞬間及但是，對(duì)于如肌肉收縮的瞬間及化學(xué)化學(xué)信號(hào)傳導(dǎo)的途徑的代謝物的變化，信號(hào)傳導(dǎo)的途徑的代謝物的變化

11、，這些瞬間的快速變化，還是很難準(zhǔn)確捕捉到的。相對(duì)來(lái)說(shuō)過(guò)程性的代謝變這些瞬間的快速變化，還是很難準(zhǔn)確捕捉到的。相對(duì)來(lái)說(shuō)過(guò)程性的代謝變化能夠更清楚進(jìn)行觀察。對(duì)于瞬間的這一過(guò)程的代謝物質(zhì)的變化的研究是化能夠更清楚進(jìn)行觀察。對(duì)于瞬間的這一過(guò)程的代謝物質(zhì)的變化的研究是代謝組學(xué)研究的一大挑戰(zhàn)，運(yùn)用同位素標(biāo)記進(jìn)行觀察或許是不錯(cuò)的方法。代謝組學(xué)研究的一大挑戰(zhàn)，運(yùn)用同位素標(biāo)記進(jìn)行觀察或許是不錯(cuò)的方法。 對(duì)于目前的研究大多只是集中于有機(jī)體的某一個(gè)部分或功能性器官，對(duì)于目前的研究大多只是集中于有機(jī)體的某一個(gè)部分或功能性器官，而非整體性的進(jìn)行研究，相對(duì)的機(jī)體的某一部分也是由不同類型的細(xì)胞構(gòu)而非整體性的進(jìn)行研究，相對(duì)的

12、機(jī)體的某一部分也是由不同類型的細(xì)胞構(gòu)成的，這些不同類型的細(xì)胞也有著各自的特殊代謝物和代謝模式。成的，這些不同類型的細(xì)胞也有著各自的特殊代謝物和代謝模式。 代謝組學(xué)研究的終極目標(biāo)是面向細(xì)胞水平甚至是亞細(xì)胞水平代謝物的代謝組學(xué)研究的終極目標(biāo)是面向細(xì)胞水平甚至是亞細(xì)胞水平代謝物的動(dòng)態(tài)變化。利用顯微技術(shù)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行剝離對(duì)單細(xì)胞進(jìn)行研究已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)。動(dòng)態(tài)變化。利用顯微技術(shù)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行剝離對(duì)單細(xì)胞進(jìn)行研究已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)。Dilatris pillansii單分泌腔顯微成像單分泌腔顯微分離后的成像分泌腔提取物NMR頻譜參照物NMR頻譜Is there an optimal analytical method?：

13、由于由于質(zhì)譜法（質(zhì)譜法（MS）和核磁共振法（）和核磁共振法（NMR）都是基于物理性質(zhì)對(duì)化合物進(jìn)行）都是基于物理性質(zhì)對(duì)化合物進(jìn)行檢測(cè)，不受外在因素的干擾，可重復(fù)性高，通常是首要的優(yōu)選分析方法。檢測(cè)，不受外在因素的干擾，可重復(fù)性高，通常是首要的優(yōu)選分析方法。MS和和NMR也可以與色譜聯(lián)合使用已達(dá)到更高的檢測(cè)精度。例如：液相色譜（也可以與色譜聯(lián)合使用已達(dá)到更高的檢測(cè)精度。例如：液相色譜（LC-MS、LC-NMR），氣象色譜（），氣象色譜（GC-MS、GS-NMR）及固相萃?。ǎ┘肮滔噍腿。↙C-SPE-NMR）. 核磁共振是主要的分析方法，因?yàn)樗焖俸?jiǎn)單，樣本處理簡(jiǎn)單，并能夠進(jìn)核磁共振是主要的分析方

14、法，因?yàn)樗焖俸?jiǎn)單，樣本處理簡(jiǎn)單，并能夠進(jìn)行快速的大樣本量的分析，但是與質(zhì)譜法相比靈敏度較低。行快速的大樣本量的分析，但是與質(zhì)譜法相比靈敏度較低。NMR目前已被用于目前已被用于質(zhì)量控制、化學(xué)分類、遺傳修飾的等價(jià)分析及環(huán)境或有機(jī)體之間相互作用的分質(zhì)量控制、化學(xué)分類、遺傳修飾的等價(jià)分析及環(huán)境或有機(jī)體之間相互作用的分析。析。 核磁共振在代謝組學(xué)方面研究中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，目前已經(jīng)鑒定出的核磁共振在代謝組學(xué)方面研究中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，目前已經(jīng)鑒定出的化合物的種類已有化合物的種類已有30-150種。檢測(cè)的靈敏度在種。檢測(cè)的靈敏度在10mg-50mg之間。之間。 使用核磁共振成像（使用核磁共振成像（M

15、RI）更能在不對(duì)樣品進(jìn)行任何處理（完整的組織樣本）更能在不對(duì)樣品進(jìn)行任何處理（完整的組織樣本）的的情況下進(jìn)行檢測(cè)分析。的的情況下進(jìn)行檢測(cè)分析。NMR（核磁共振）原理核磁共振）原理: 原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子帶正電荷，中子不帶電，因原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子帶正電荷，中子不帶電，因此原子核帶正電荷，電荷數(shù)等于質(zhì)子數(shù)。大多數(shù)原子核都圍著某此原子核帶正電荷，電荷數(shù)等于質(zhì)子數(shù)。大多數(shù)原子核都圍著某個(gè)自身軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此其本身所帶正電荷就會(huì)形成環(huán)形電流，個(gè)自身軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此其本身所帶正電荷就會(huì)形成環(huán)形電流，從而產(chǎn)生一種核磁矩。當(dāng)以電磁波照射置于磁場(chǎng)中的這種原子核，從而產(chǎn)生一種核磁矩。當(dāng)以電磁

16、波照射置于磁場(chǎng)中的這種原子核，則會(huì)發(fā)生某種頻率能量的吸收。吸收后原子核能量發(fā)生變化，并則會(huì)發(fā)生某種頻率能量的吸收。吸收后原子核能量發(fā)生變化，并發(fā)出核磁共振信號(hào)，這就是核磁共振現(xiàn)象。發(fā)出核磁共振信號(hào)，這就是核磁共振現(xiàn)象。 核電荷繞磁場(chǎng)自旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生軸向磁偶極子，這種角動(dòng)量是用自核電荷繞磁場(chǎng)自旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生軸向磁偶極子，這種角動(dòng)量是用自旋量子數(shù)旋量子數(shù)I表示，當(dāng)表示，當(dāng)I為奇數(shù)時(shí)，自旋存在；當(dāng)原子核里面中子數(shù)量為奇數(shù)時(shí)，自旋存在；當(dāng)原子核里面中子數(shù)量為偶數(shù)，質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)時(shí)，自旋也存在；原子核里面質(zhì)子和中子為偶數(shù)，質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)時(shí)，自旋也存在；原子核里面質(zhì)子和中子的數(shù)量同為偶數(shù)時(shí)不存在核自旋。的數(shù)量同為偶數(shù)

17、時(shí)不存在核自旋。 因此，在構(gòu)成有機(jī)物的三種重要元素因此，在構(gòu)成有機(jī)物的三種重要元素1H、12C和和16O中，只有中，只有1H才有可能發(fā)生核磁共振現(xiàn)象，研究中主要對(duì)才有可能發(fā)生核磁共振現(xiàn)象，研究中主要對(duì)1H核進(jìn)行研究。其核進(jìn)行研究。其他種類的核磁共振譜還有他種類的核磁共振譜還有13C、15N、19F、119Sn等核磁共振譜圖。等核磁共振譜圖。 在含有在含有H元素的不同物質(zhì)中，由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，所以元素的不同物質(zhì)中，由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，所以H原子原子核所處的化學(xué)環(huán)境不同，而化學(xué)環(huán)境的不同就會(huì)導(dǎo)致核磁共振頻核所處的化學(xué)環(huán)境不同，而化學(xué)環(huán)境的不同就會(huì)導(dǎo)致核磁共振頻率發(fā)生變化。核磁共振就是通過(guò)測(cè)量這些變化

18、來(lái)確定物質(zhì)的結(jié)構(gòu)率發(fā)生變化。核磁共振就是通過(guò)測(cè)量這些變化來(lái)確定物質(zhì)的結(jié)構(gòu)的。的。核磁共振儀工作原理核磁共振儀工作原理: Metabolite identification核磁共振譜的解析核磁共振譜的解析：核磁共振圖譜核磁共振圖譜JHa-Hb圖譜圖譜- -結(jié)構(gòu)信息結(jié)構(gòu)信息 峰的數(shù)目：標(biāo)志分子中磁不等性質(zhì)子的種類，峰的數(shù)目：標(biāo)志分子中磁不等性質(zhì)子的種類，多少種多少種H； 峰的強(qiáng)度峰的強(qiáng)度(面積面積)：每類質(zhì)子的數(shù)目：每類質(zhì)子的數(shù)目(相對(duì)相對(duì))，多多少個(gè)少個(gè)H，確定各類質(zhì)子之間的相對(duì)，確定各類質(zhì)子之間的相對(duì)比例比例； 峰峰的位移的位移( )：每類質(zhì)子所處的化學(xué)環(huán)境，每類質(zhì)子所處的化學(xué)環(huán)境，化合化合物

19、中位置；物中位置； 峰的裂分?jǐn)?shù)：峰的裂分?jǐn)?shù)：相鄰碳原子上質(zhì)子數(shù)；相鄰碳原子上質(zhì)子數(shù)； 偶合常數(shù)偶合常數(shù)(J)：確定化合物構(gòu)型確定化合物構(gòu)型。化學(xué)位移及其影響因素化學(xué)位移及其影響因素 不同化學(xué)環(huán)境的質(zhì)子（即具有不同屏蔽參數(shù)不同化學(xué)環(huán)境的質(zhì)子（即具有不同屏蔽參數(shù)的質(zhì)子）會(huì)一個(gè)的質(zhì)子）會(huì)一個(gè)接一個(gè)地產(chǎn)生共振。不同類型氫核因所處的化學(xué)環(huán)境不同，共接一個(gè)地產(chǎn)生共振。不同類型氫核因所處的化學(xué)環(huán)境不同，共振峰將出現(xiàn)在磁場(chǎng)的不同區(qū)域。振峰將出現(xiàn)在磁場(chǎng)的不同區(qū)域。 這種由于分子中各組質(zhì)子所處的化學(xué)環(huán)境不同，而在不同的磁這種由于分子中各組質(zhì)子所處的化學(xué)環(huán)境不同，而在不同的磁場(chǎng)產(chǎn)生共振吸收的現(xiàn)象稱為化學(xué)位移。場(chǎng)產(chǎn)生

20、共振吸收的現(xiàn)象稱為化學(xué)位移。 因?yàn)榛瘜W(xué)位移數(shù)值很小，質(zhì)子的化學(xué)位移只有所用磁場(chǎng)的百萬(wàn)因?yàn)榛瘜W(xué)位移數(shù)值很小，質(zhì)子的化學(xué)位移只有所用磁場(chǎng)的百萬(wàn)分之幾，所以要準(zhǔn)確測(cè)定其絕對(duì)值比較困難。分之幾，所以要準(zhǔn)確測(cè)定其絕對(duì)值比較困難。 實(shí)際工作中使用比值表示化學(xué)位移，符號(hào)實(shí)際工作中使用比值表示化學(xué)位移，符號(hào) 影響影響化學(xué)位移的因素有如下幾種：化學(xué)位移的因素有如下幾種：（1 1）電子效應(yīng)）電子效應(yīng) 所研究所研究1H核由電子云包圍，核外電子在外核由電子云包圍，核外電子在外加磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生與外加磁場(chǎng)方向相加磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生與外加磁場(chǎng)方向相反的感應(yīng)磁場(chǎng)，即屏蔽效應(yīng)，與質(zhì)子周圍反的感應(yīng)磁場(chǎng)，即屏蔽效應(yīng)，與質(zhì)子周圍

21、的電子云密度有關(guān)。的電子云密度有關(guān)。 影響電子云密度的一個(gè)重要因素，就是與影響電子云密度的一個(gè)重要因素，就是與質(zhì)子相連接的原子或基團(tuán)的電負(fù)性的大?。嘿|(zhì)子相連接的原子或基團(tuán)的電負(fù)性的大小： 電負(fù)性大的取代基（吸電子基團(tuán)），可使鄰近氫電負(fù)性大的取代基（吸電子基團(tuán)），可使鄰近氫核的電子云密度減少（去屏蔽效應(yīng)），導(dǎo)致該質(zhì)核的電子云密度減少（去屏蔽效應(yīng)），導(dǎo)致該質(zhì)子的共振信號(hào)向低場(chǎng)移動(dòng)，化學(xué)位移左移；子的共振信號(hào)向低場(chǎng)移動(dòng)，化學(xué)位移左移； 電負(fù)性小的取代基（給電子基團(tuán)），可使鄰近氫電負(fù)性小的取代基（給電子基團(tuán)），可使鄰近氫核的電子云密度增加（屏蔽效應(yīng)），導(dǎo)致該質(zhì)子核的電子云密度增加（屏蔽效應(yīng)），導(dǎo)致該質(zhì)

22、子的共振信號(hào)向高場(chǎng)移動(dòng)，化學(xué)位移右移。的共振信號(hào)向高場(chǎng)移動(dòng)，化學(xué)位移右移。 CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 : 3.1 5.3 7.3 移向低場(chǎng)移向低場(chǎng) CH3BrCH3CH2Br CH3(CH2)2BrCH3(CH2)3Br : 2.68 1.65 1.04 0.90移向高場(chǎng)移向高場(chǎng)（2 2）磁各向異性效應(yīng)）磁各向異性效應(yīng) 實(shí)踐證明，化學(xué)鍵尤其是實(shí)踐證明，化學(xué)鍵尤其是鍵，因電子流動(dòng)鍵，因電子流動(dòng)所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)，并通過(guò)空間影響到鄰近所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)，并通過(guò)空間影響到鄰近的氫核。這個(gè)由化學(xué)鍵產(chǎn)生的第二磁場(chǎng)是各的氫核。這個(gè)由化學(xué)鍵產(chǎn)生的第二磁場(chǎng)是各向異性的，即在化學(xué)鍵周圍是不對(duì)稱的：向異性

23、的，即在化學(xué)鍵周圍是不對(duì)稱的： 有的地方與外加磁場(chǎng)方向一致，將增加外加磁場(chǎng)，有的地方與外加磁場(chǎng)方向一致，將增加外加磁場(chǎng)，并使該處氫核共振移向低磁場(chǎng)處并使該處氫核共振移向低磁場(chǎng)處(去屏蔽效應(yīng)去屏蔽效應(yīng))，故化學(xué)位移值增大；故化學(xué)位移值增大； 有的地方與外加磁場(chǎng)方向相反，將削弱外加磁場(chǎng)，有的地方與外加磁場(chǎng)方向相反，將削弱外加磁場(chǎng)，并使該處氫核共振移向高磁場(chǎng)處并使該處氫核共振移向高磁場(chǎng)處(屏蔽效應(yīng)屏蔽效應(yīng))，故，故化學(xué)位移值減小?；瘜W(xué)位移值減小。 這種效應(yīng)叫做磁的各向異性效應(yīng)（這種效應(yīng)叫做磁的各向異性效應(yīng)（magnetic anisotropic effect） 在含有在含有鍵的分子中，如芳香系統(tǒng)、

24、烯烴、鍵的分子中，如芳香系統(tǒng)、烯烴、羰基、炔烴等，磁各向異性效應(yīng)對(duì)化學(xué)位移羰基、炔烴等，磁各向異性效應(yīng)對(duì)化學(xué)位移的影響十分重要的影響十分重要 。雙鍵雙鍵化合物化合物 炔烴炔烴R OH ORHRCORHOCHC（3 3）氫鍵效應(yīng)）氫鍵效應(yīng) 化學(xué)位移受氫鍵的影響較大，當(dāng)分子化學(xué)位移受氫鍵的影響較大，當(dāng)分子中形成氫鍵以后，由于靜電作用，使中形成氫鍵以后，由于靜電作用，使氫鍵中氫鍵中1H核周圍的電子云密度降低，核周圍的電子云密度降低，1H核處于較低的磁場(chǎng)處，其核處于較低的磁場(chǎng)處，其值增大。值增大。 共振峰的峰位取決于氫鍵締合的程度，共振峰的峰位取決于氫鍵締合的程度，即樣品濃度。顯然，樣品濃度越高，即樣

25、品濃度。顯然，樣品濃度越高，則則值越大。隨著樣品用非極性溶劑稀值越大。隨著樣品用非極性溶劑稀釋，共振峰將向高磁場(chǎng)方向位移，故釋，共振峰將向高磁場(chǎng)方向位移，故值減小。值減小。（4 4）溶劑效應(yīng)）溶劑效應(yīng)1H核在不同溶劑中，因受溶劑的影響而使化學(xué)位移核在不同溶劑中，因受溶劑的影響而使化學(xué)位移發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為溶劑效應(yīng)。發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為溶劑效應(yīng)。 溶劑的影響是通過(guò)溶劑的極性形成氫鍵以及屏蔽效溶劑的影響是通過(guò)溶劑的極性形成氫鍵以及屏蔽效應(yīng)而發(fā)生作用的。應(yīng)而發(fā)生作用的。.C NCH3CH3HO-+C NCH3CH3HO- - 在氘代氯仿溶劑中，在氘代氯仿溶劑中， 2.882.88； 2.972

26、.97。- - 逐步加入各向異性溶劑苯，逐步加入各向異性溶劑苯， 和和 甲基的化學(xué)位移甲基的化學(xué)位移逐漸靠近，然后交換位置逐漸靠近，然后交換位置。 各類質(zhì)子的化學(xué)位移各類質(zhì)子的化學(xué)位移 各種類型的氫核因所處的化學(xué)環(huán)境不同，共振峰將分別各種類型的氫核因所處的化學(xué)環(huán)境不同，共振峰將分別位于磁場(chǎng)的某個(gè)特定區(qū)域，即有不同的化學(xué)位移值。因位于磁場(chǎng)的某個(gè)特定區(qū)域，即有不同的化學(xué)位移值。因此由測(cè)得的共振峰化學(xué)位移值，可以幫助推斷氫核的結(jié)此由測(cè)得的共振峰化學(xué)位移值，可以幫助推斷氫核的結(jié)構(gòu)類型。構(gòu)類型。0123456789101112131415化學(xué)位移HCCHCOHCOOHH3CO3.7H3CN3.0H3CC

27、2.1OH3CC1.8CH3CC0.9(ppm)數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)分析數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)分析目前可使用的在線數(shù)據(jù)庫(kù)：目前可使用的在線數(shù)據(jù)庫(kù)：1. Biological Magnetic Resonance Data Bank(BMRD:)；2. Human Metabolome Database(HMDB: www.hmdb.ca)；3. NMR database of Linkoeping (MDL: http:/www.liu.se/hu/mdl/main/)4. Magnetic Resonance Metabolomics Database (http:/www.me

28、tabolomics.bioc.cam.ac.uk/metabolomics)5. Prime and the NMR Lab of Biomolecules ()6. NMRShiftDB (www.ebi.ac.uk/NMRshiftdb/)7. Spectral Database for Organic Compounds (SDBS:www.riodb01.ibase.aist.go.jp)8. BioMagResBank ()雜志：雜志：代謝組學(xué)的代謝組學(xué)的提出：提出：代謝組學(xué)代謝組學(xué)的概

29、念：的概念：MetabonomicsMetabonomics，MetabolomicsMetabolomics，國(guó)內(nèi)翻譯成，國(guó)內(nèi)翻譯成。對(duì)一個(gè)生物系統(tǒng)的細(xì)胞在給定時(shí)間和給定對(duì)一個(gè)生物系統(tǒng)的細(xì)胞在給定時(shí)間和給定條件下所有小分子代謝物質(zhì)的定量分析。著重研究的是單個(gè)細(xì)胞或細(xì)胞類型中所有條件下所有小分子代謝物質(zhì)的定量分析。著重研究的是單個(gè)細(xì)胞或細(xì)胞類型中所有的小分子成分和波動(dòng)規(guī)律的小分子成分和波動(dòng)規(guī)律, ,或許可以叫做細(xì)胞代謝組或許可以叫做細(xì)胞代謝組學(xué)。學(xué)。強(qiáng)調(diào)分析而且是靜態(tài)的認(rèn)強(qiáng)調(diào)分析而且是靜態(tài)的認(rèn)識(shí)概念，主要應(yīng)用色質(zhì)聯(lián)用識(shí)概念，主要應(yīng)用色質(zhì)聯(lián)用等分析等分析技術(shù)，多用于植物和微生物領(lǐng)域的研究技術(shù)，多

30、用于植物和微生物領(lǐng)域的研究。概述概述（Metabonomics/ Metabolomics Metabonomics/ Metabolomics ）：通過(guò)考察生物體系（細(xì)胞、：通過(guò)考察生物體系（細(xì)胞、組織組織 或生物體）受或生物體）受后（如將某個(gè)特定的基因變異或環(huán)境變化后（如將某個(gè)特定的基因變異或環(huán)境變化后），其后），其，來(lái)研究生物體系的一門科學(xué)。，來(lái)研究生物體系的一門科學(xué)。代謝組學(xué)來(lái)源于代謝組一詞代謝組學(xué)來(lái)源于代謝組一詞, ,是研究一個(gè)細(xì)胞、組織或器官中所有小分子是研究一個(gè)細(xì)胞、組織或器官中所有小分子代謝組分集合的科學(xué)。代謝組分集合的科學(xué)。：基因組的下游產(chǎn)物也是最終產(chǎn)物，是一些參與：基因組的

31、下游產(chǎn)物也是最終產(chǎn)物，是一些參與生物體新陳代謝、維持生物體正常生長(zhǎng)功能生物體新陳代謝、維持生物體正常生長(zhǎng)功能 和生長(zhǎng)發(fā)育的小分子化合物和生長(zhǎng)發(fā)育的小分子化合物的的集合，包含一系列不同化學(xué)型的分子集合，包含一系列不同化學(xué)型的分子, , 比如肽、碳水化合物、脂類、核比如肽、碳水化合物、脂類、核酸以及異源物質(zhì)的催化產(chǎn)物酸以及異源物質(zhì)的催化產(chǎn)物等。主要等。主要是相對(duì)是相對(duì)。 代謝代謝組學(xué)分析可以指示細(xì)胞、組織或器官的生化狀態(tài)組學(xué)分析可以指示細(xì)胞、組織或器官的生化狀態(tài), , 協(xié)助闡釋新協(xié)助闡釋新基基因或因或未知功能基因的功能未知功能基因的功能, , 并且可以揭示生物各代謝網(wǎng)絡(luò)間的關(guān)聯(lián)性并且可以揭示生物各

32、代謝網(wǎng)絡(luò)間的關(guān)聯(lián)性, , 幫幫助人們更系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)生物體助人們更系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)生物體。 代謝物代謝物數(shù)量因物種不同而差異較大：數(shù)量因物種不同而差異較大： 植物（植物（200 000200 000種）、動(dòng)物（種）、動(dòng)物（25002500種）、微生物（種）、微生物（15001500種）種）各組學(xué)研究之間的關(guān)系各組學(xué)研究之間的關(guān)系系統(tǒng)生物學(xué) Gene - mRNA - Protein - Metabolite結(jié)構(gòu)基因組學(xué)：研究生物系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)：研究生物系統(tǒng)的基因結(jié)構(gòu)組成，即的基因結(jié)構(gòu)組成，即DNADNA的序的序列及其表達(dá)列及其表達(dá) 。蛋白組學(xué)：研究由生物系統(tǒng)表蛋白組學(xué)：研究由生物系統(tǒng)表達(dá)的蛋白質(zhì)及由外部刺激引起達(dá)的蛋白質(zhì)及由外部刺激引起的差異的差異 。代謝組學(xué)：研究生物體系（細(xì)代謝組學(xué)：研究生物體系（細(xì)胞，組織或生物體）受外部刺胞，組織或生物體）受外部刺激所產(chǎn)生的所有代謝產(chǎn)物的變激所產(chǎn)生的所有代謝產(chǎn)物的變化，是結(jié)構(gòu)基因組學(xué)和蛋白組化，是結(jié)構(gòu)基因組學(xué)和蛋白組學(xué)的延伸學(xué)的延伸 。Oliver Fiehn Oliver Fiehn 將對(duì)生物體系的代謝產(chǎn)物分析分為將對(duì)生物體系的代謝產(chǎn)物分析分為4 4個(gè)層次：個(gè)層次： 1 1）代謝物靶標(biāo)分析（）代謝物