Top Banner
Základy hmotnostní spektrometrie
78

Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Apr 13, 2019

Download

Documents

lythien
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Základy hmotnostní spektrometrie

Page 2: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Historie

Koichi Tanaka vyvinul MALDI

techniku

Tanaka K., Waki H., Ido Y., Akita S., Yoshida

T.: Rapid Commun. Mass Spectrom. 1988. 2,

151

JB Fenn vyvinul ionizaci

elektrosprejem

Fenn JB., Mann M., Meng CK., Wong SF.,

Whitehouse CM.: Science 1989, 246, 64

Oba získali Nobelovu cenu v

roce 2002 v oboru chemie

Tanaka K.

Fenn J.B.

Page 3: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

► Hmotnostní spektrometrie (MS) je fyzikálně-chemická metoda, která určuje hmotnosti atomů, molekul a molekulových fragmentů po jejich převedení na ionty

► Přístroj se nazývá hmotnostní spektrometr ► Výsledkem je hmotnostní spektrum, které graficky znázorňuje závislost četnosti iontů na hodnotě m/z

(efektivní hmotnost, m hmotnost iontu,

z náboj iontu)

Princip hmotnostní spektrometrie

Page 4: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Princip hmotnostní spektrometrie

MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci)

Fragmentace iontů umožňuje získat podrobnější informace o struktuře látek

Odhaluje post-translační a chemické modifikace proteinů (fosforylace, glykosylace, oxidace….) a může určit i místo modifikace

Může určit izotopový poměr prvků ve vzorku např. 13C/12C, 34S/32S, 18O/16O - kvantifikace

Page 5: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Umožňuje analýzu komplexních směsí

Změření molekulové hmotnosti, kontrola kvality

Identifikaci proteinů

Odhaluje mutace a DNA sekvenační chyby

Možnost analýzy nekovalentních komplexů

Princip hmotnostní spektrometrie

Page 6: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

První český hmotnostní spektrometr

Byl sestaven v roce 1953 českými vědci: V. Čermák, V. Hanuš a J. Cabicar

Page 7: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

MALDI-TOF hmotnostní spektrometry

Ultraflex III MALDI TOF/TOF

(Bruker)

4800 MALDI TOF/TOF

(Applied Biosystems)

Page 8: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace
Page 9: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Vacuum System

Sample Inlet

Detector Data

System Mass

Analyser Ionisation Method

Atmosphere

Součásti MS systému

Page 10: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Typy ionizace 1.Měkké techniky ionizace

Energetický přebytek dodaný molekule je malý a

fragmentace primárně vzniklého iontu je malá.

2. Tvrdé techniky ionizace

Dodaná energie postačuje k rozsáhlejší fragmentaci

primárně vzniklého iontu.

Page 11: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Typy ionizace

- nárazem elektronů (EI)

- působením elektrostatického pole (FI, FD)

- chemickou ionizací (CI)

- nárazem rychlými atomy nebo ionty (FAB)

- ionizací fotony

- ionizací 252Cf

- elektrosprejem, termosprejem (ESI)

Page 12: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Desorpčně ionizační techniky

- ionizace laserem za přítomnosti matrice (MALDI)

- desorpční elektrosprej (DESI)

- hmotnostní spektrometrie sekundárních iontů

(SIMS)

- Desorpce a ionizace laserem za účasti nanopovrchu

(NALDI)

Page 13: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Hmotnostní analyzátory Umožňují rozdělit v čase nebo prostoru směs iontů o různých hmotnostech.

Typy analyzátorů

− Průletový analyzátor (TOF)

− Kvadrupólový analyzátor (jednoduché, trojnásobné)

− Iontová past

− Hybridní (Q-TOF, Q-trap, trap-TOF, trap-ICR, …)

− Tandemové (TOF-TOF, QQQ)

− FT- ICR MS, ORBITRAP

Page 14: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Detektor

Poskytuje analogový signál úměrný počtu dopadajících iontů.

Dělí se do dvou skupin

1. Detektory pro přímá měření detekují el. proud vznikající přímým dopadem stanovovaných iontů (měření izotopového zastoupení prvků při zjišťování stáří hornin)

2. Násobičové detektory využívají efekt násobení elektronů uvolněných z první konverzní dynody po dopadu iontů (nejčastěji používané detektory v MS, poskytují měřitelný signál pro jednotlivé ionty)

Page 15: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Možnosti měření na MS

MS mód Lineární mód – umožňuje např. měření proteinů a proteinových

směsí bez předchozího štěpení enzymem

Reflektronový mód – umožňuje měření peptidových směsí (PMF)

MS/MS mód

Page 16: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Ionizace

Page 17: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

MALDI Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization Metoda využívá ionizace laserem

pulsní technika -------- UV (N2) IR (CO2)

−zkoumaná látka je kokrystalyzována v pevné matrici, která je ozářena krátkým laserovým pulsem (3 ns)

−dojde ke vzniku iontů (kladně i záporně nabitých) a neutrálních molekul

−jejich proud je usměrněn do analyzátoru z doby letu (TOF)

Page 18: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

MALDI-TOF MS - ionizace

1.Vzorek (A) je smíchán s matricí (M) a usušen (vykrystalizován) na MALDI destičce

2. Laserový výstřel ionizuje molekuly matrice.

3. Molekuly vzorku jsou ionizovány přenosem protonu z matrice:

MH+ + A M + AH+

+

MALDI destička

Laser

AH+

+20 kV Ground Variable Grid Grid

Page 19: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

MALDI ionizace

− měkká ionizace

− malá nebo žádná fragmentace

− jednou nabité ionty [M+H]+; [M-H]-

− lze měřit proteiny, peptidy, oligosacharidy, nukleotidy,

syntetické polymery …

− analýza komplexních sloučenin

− rychlá příprava vzorku & analýza

− tolerantní k detergentům a solím

− jednoduchá interpretace dat

− spojený s TOF analyzátorem

Page 20: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

ESI - ionizace elektrosprejem

− měkká ionizace

− technika pro disperzi kapalin a aerosolů

− on-line spojení HPLC a hmotnostního spektrometru

− vznik vícenásobně nabitých iontů [M+zH]z+, [M-zH]z-

− pro jeden analyt se ve spektru objevují série píků, které odpovídají

iontům téže látky, o stejné molekulové hmotnosti m, s rozdílným

počtem nábojů z.

- výskyt iontů - aduktů analytu se sodnými ionty [M+zNa]z+ a

draselnými ionty [M+zK]z+ (pokud je vzorek zasolený)

− není tolerantní k detergentům a solím (před analýzou je nutné

přečištění a odsolení vzorku)

− spojení s různými typy analyzátorů

Page 21: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

ESI MS intaktního proteinu

Page 22: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Výhody Díky přítomnosti analytu ve více iontech

s různým nábojem lze snadno určit hmotnost iontů

Nevýhody Snížení citlivosti díky rozdělení signálu

mezi více píků a menší přehlednost spekter složitějších směsí

ESI - ionizace elektrosprejem

Page 23: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Při ionizaci elektrosprejem probíhají čtyři základní procesy

1) vznik nabitých kapek na konci sprejovací kapiláry

2) zmenšování nabitých kapek v důsledku odpařování rozpouštědla a jejich opakovaný rozpad (Coulombické štěpení)

3) uvolnění iontů do plynné fáze z malých, vysoce nabitých kapek

4) sekundární děje, kterých se účastní ionty v plynné fázi

Page 24: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

ESI - ionizace elektrosprejem

Page 25: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Foto ESI

Kapilára

Vstup

do MS

Page 26: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

- měkká ionizační technika (Zoltán Kakáts)

- jednoduchá, rychlá analýza za atmosférického tlaku

- tvorba jemného spreje nabitých kapek rozpouštědla

- dopad kapek na povrch pevného (tkáně) nebo kapalného vzorku

- molekuly na povrchu vzorku jsou extrahovány do rozpouštědla

- sekundární kapky rozpouštědla společně s ionty povrchu jsou

desorbovány a transportovány do MS

(mechanismus „droplet pick-up“)

- pomocný plyn dusík proudící kolem sprejovací kapiláry napomáhá

fokusovat sprej kapek a transportovat sekundární kapky do MS

DESI - desorpce elektrosprejem

Page 27: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

DESI - desorpce elektrosprejem

- DESI umožňuje analyzovat malé a středně velké polární látky

- Uplatnění má v analýze peptidů, proteinů, farmaceutik, polymerů,

výbušnin atd.

Page 28: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

- desorpce a ionizace laserem za účasti nanopovrchu

- k ionizaci molekul se používá komerčně vyráběný NALDI

povrch

- NALDI povrch je složený

z křemíkových nanovláken,

které absorbují energii laserem

a desorbují a ionizují molekuly

analytu

NALDI

Page 29: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

- NALDI povrch je určen k analýze

nízkomolekulárních polárních látek (např. lipidů)

v kladném módu

- NALDI lze také použít k analýze nepolárních

organokových sloučenin nebo pro desorpci

elektrosprejem

NALDI

Page 30: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

SIMS

- hmotnostní spektrometrie sekundárních iontů

- ionizace je založena na bombardování analyzovaného povrchu

směrovaným proudem primárních nabitých částic atomů (Cs+,

Bi3+, fulerenový ion C60+)

- metoda nevyžaduje přítomnost matrice

- detekované jsou sekundární ionty uvolněné z povrchu

- v tomto procesu se mohou emitovat elektrony, záření, kladně a

záporně nabité ionty, neutrální molekuly

Page 31: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

SIMS

- uplatnění SIMS v

oblasti uměmí,

geologie, hutnictví

- je jedinou

zobrazovací MS

technikou, která

dosahuje prostorového

rozlišení pod 1 m a

umožňuje analýzu na

sub-buněčné úrovni

Page 32: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Hmotnostní analyzátory

Page 33: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Ionty o stejné energii nebo o stejném impulsu mají

rychlosti závislé na hodnotách efektivní hmotnosti m/z

Ionty jsou vypuštěny do urychlovacího pole a se

získanou energií postupují analyzátorem rychlostí v,

takže dráhu d proletí za dobu t

Mezi dvěma ionty rozdílných hmotností je tedy diference

v dobách letu

t = k ( m1/z - m2/z)

TOF analyzátor

Page 34: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

TOF analyzátor

Umožňuje měřit v lineárním, reflektronovém a PSD módu

Lineární mód – měření proteinů (přímá dráha letu, cca 1m)

Reflektronový mód – měření peptidů (dráha letu

je prodloužena pomocí reflektronového iontového zrcadla, cca

2-3m)

Post-Source Decay (PSD) – kombinace reflektronového módu

s fragmentací mateřských iontů (informace o sekvenci peptidů –

strukturní analýza)

Page 35: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Letová trubice

Detektor

Zdroj iontů

15-25 kV

Průletový analyzátor (TOF)

Page 36: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Letová trubice

Detektor

Zdroj iontů

Lehčí ionty doletí k detektoru rychleji než ionty těžší.

15-25 kV

Průletový analyzátor (TOF)

Page 37: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

MALDI MS spektrum proteinů

Page 38: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Lineární mód

Reflektronový mód

Page 39: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Charakteristika – reflektronový mód

Vysoké rozlišení (až 30 000) a přesnost (10-100 ppm)

Vysoká citlivost (fmol = 10-15 mol) Nejrychlejší skenování

Teoreticky neomezené rozmezí m/z < 1 000 000

Téměř současná detekce všech iontů: zisk úplného spektra v jednom ionizačním pulsu

Page 40: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Tandemový hmotnostní spektrometr

tandemová hmotnostní spektrometrie (MS/MS),

případně hmotnostní spektrometrie n-tého stupně (MSn),

slouží k bližší charakterizaci analyzované látky, např.

určení aminokyselinové sekvence nebo lokalizace a

charakterizace post-translačních modifikací

obsahují dva hmotností analyzátory sériově spojené

kolizní celou

v prvním analyzátoru dojde k rozlišení prekurzorových

(mateřských) iontů a k výběru jednoho z nich

tento prekurzor je podroben fragmentaci v kolizní cele

a vzniklé produktové (dceřinné) ionty jsou rozlišeny

v druhém analyzátoru

Page 41: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Tandemový hmotnostní spektrometr

TOF-TOF

obsahují dva hmotností analyzátory sériově spojené kolizní

celou

v prvním analyzátoru dojde k rozlišení prekurzorových

(mateřských) iontů a k výběru jednoho z nich

tento prekurzor je podroben fragmentaci v kolizní cele a vzniklé

produktové (dceřinné) ionty jsou rozlišeny v druhém analyzátoru

Page 42: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Precursor ion

SQMoxGNpSEVGHVNIGCGR

MS/MS spektrum prekurzorového

iontu (m/z 1897.85)

Page 43: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Příprava vzorků pro MS Předseparační techniky rozdělení analyzované látky (1D, 2D ELFO,HPLC, capLC, MudPIT HPLC ….) Dělení jak proteinových tak i peptidových směsí

Page 44: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Separovaný

Protein

Proteolytické

peptidy

MALDI-TOF MS spektrum

proteolyt. peptidů

Proteasa

Postup přípravy vzorků

2D-PAGE a MALDI-TOF

Peptidové mapování

Page 45: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Štěpení proteinů Enzymové

proteolýza, nejpoužívanější enzym je trypsin

Chemické

nejsou běžné, používají se jako doplňkové

např. BrCN - bromkyan se používá pro štěpení ve vodě nerozpustných nebo membránových proteinů

Molekulová hmotnost vzniklých peptidů se pak měří na hmotnostním spektrometru

Page 46: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Proteolytické enzymy - proteázy

Katalyzují exotermní hydrolýzu peptidových vazeb v proteinech a peptidech

Výhody jejich použití

vysoká specifita

minimalizované vedlejší reakce

dobrá účinnost štěpení

Podmínky použití, důležité je dodržení: pH reakčního pufru

poměru enzym/substrát

teploty

doby inkubace

pokud je to nutné provádí se: redukce disulfidových vazeb (např. DTT)

alkylace reaktivních cysteinů (např. jodacetamid)

Page 47: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Klasifikace

proteinázy - působí na proteiny (nevyžadují přítomnost volných konců susbstrátů)

peptidázy - působí na malé oligopeptidy (vyžadují alespoň jeden konec substrátu volný a to v blízkosti místa štěpení)

endopeptidázy - katalyzují hydrolýzu peptidových vazeb uvnitř řetězce a tvoří peptidy o různé délce

exopeptidázy - katalyzují hydrolytické odštěpení koncové aminokyseliny

N-koncové (aminopeptidázy)

C-koncové (karboxypeptidázy)

Proteolytické enzymy - proteázy

Page 48: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Peptidázy

Endopeptidázy se získávají:

z orgánů trávicího traktu obratlovců (pankreas - chymotrypsin, trypsin,

žaludek - pepsin)

krve (thrombin)

sleziny (kathepsiny)

rostlinného materiálu (papain, ficain, bromelain)

mikroorganismů (Glu-C, pronase, thermolysin)

Exopeptidázy se získávají:

pankreatu

rostlin

mikroorganismů

Page 49: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Tabulka enzymů a chemických látek používaných pro štěpení proteinů

Page 50: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Trypsin

v proteomice nejpoužívanější serinová endopeptidáza

štěpí v mírně alkalickém prostředí (pH 7.8)

štěpí specificky peptidové vazby na C-konci kladně nabitých zbytků argininu a lysinu, pokud nenásleduje prolin

doba štěpení 4 - 24 hodin

teplota při štěpení 37 °C

methylovaný trypsin štěpí 30 minut při 58 °C

poskytuje definované peptidové fragmenty

dobře se ionizují

výhodná velikost pro MS analýzu

Page 51: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

jeden z možných typů trypsinu je hovězí trypsin

má Mw 24 kDa, pH 9.4

trypsin je výhodný pro štěpení v polyakrylamidovém gelu, je schopný difundovat

póry gelu k proteinu

větší molekuly peptidáz nejsou schopny do gelu difundovat ze stérických důvodů

vzhledem k vysoké specifitě štěpení jsou tvořeny databáze obsahující proteiny s

teoretickými trypsinovými peptidy včetně jejich m/z hmotností

využití k identifikaci proteinů metodou peptide mass fingerprinting (peptidové

mapování)

Nevýhody

malá termostabilita (při vyšší teplotě klesá aktivita)

autolýza (autolytické peptidy trypsinu ruší MS analýzu)

štěpí pouze v optimálním pH

Modifikace trypsinu (methylace, acylace) zabraňují jeho autolýze a termolabilitě.

Trypsin

Page 52: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Chymotrypsin

serinová endopeptidáza

někdy nahrazuje nebo doplňuje trypsin

vhodný pro štěpení proteinů v roztoku i gelu

specifita štěpení je na rozdíl od trypsinu nízká

peptidovou vazbu štěpí na C-konci v místě:

F (phenylalanin), Y (tyrosin), W (tryptophan),

L (leucin), I (isoleucin), V (valin), M (methionin)

pokud nenásleduje prolin

Page 53: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Glu-C

serinová endopeptidáza

produkt bakterie Staphylococcus aureus

štěpí peptidové vazby na C-konci kyseliny glutamové případně kyseliny asparagové (3000x pomaleji)

Lys-C serinová endopeptidáza

produkt bakterie Lysobacter enzymogenes

štěpí peptidové vazby na C-konci lysinu

Page 54: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Enzymatické štěpení vzorku

Trávicí enzym trypsin umožňuje specifické štěpení peptidové

vazby u kladně nabitých zbytků.

Trypsin štěpí peptidové vazby od C-konce v místě argininu a

lysinu, není-li následující zbytek prolin.

- Phe - Trp - Met - Gly - Ala - Lys - Leu - Pro - Met - Asp - Gly - Arg -- Cys -

Trypsin

Page 55: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Matrice

Matrice slouží jako rozpouštědlo analytu, takže jeho molekuly jsou dostatečně zájemně separovány a jejich intermolekulární působení je redukováno na minimum

Matrice musí absorbovat v UV oblasti (pokud používáme N2 laser) a musí být málo těkavá (to souvisí s čerpací rychlostí vakuového systému)

Matrice musí vytvořit co nejjemnější směsné krystaly

U matric je důležitá přítomnost -OH skupin, které zajišťují ionizaci analytů. Pokud jsou -OH skupiny nahrazeny za CH3CO- skupiny, matrice ztrácí svou funkci

Page 56: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Vzorce a názvy matric

Page 57: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

MALDI-TOF MS Výběr matrice

Název matrice Analyzovaná látka

-kyano-4-hydroxyskořicová kys. (CHC) Peptidy, proteiny < 10 kDa, karbohydráty, lipidy

3,5-dimetoxy-4-hydroxyskořicová kys. (SA) Proteiny, peptidy > 10 kDa, glykoproteiny

2,5-dihydroxybenzoová kyselina (DHB) Neutrální karbohydráty, syntetické polymery,

peptidy, proteiny, glykopeptidy, lipidy, glykoproteiny

3-hydroxypikolinová kyselina (3-HPA) Oligonukleotidy, glykoproteiny

3,4-dihydroxyskořicová kyselina (CA) Proteiny, oligonukleotidy

Page 58: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Interpretace spekter

700 1260 1820 2380 2940 3500

Mass (m/z)

0

4.0E+4

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

% In

ten

sit

y

Voyager Spec #1 MC[BP = 1112.6, 39593]

1112.57

1508.83

1337.66

1806.97

721.40

1032.59

1718.911278.70

2299.222007.11874.52 1204.64

1381.70 1851.911530.83 2310.251095.54

Page 59: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Jaké hmotnosti můžeme změřit?

Průměrná Vážený průměr všech izotopů daného prvku podle % zastoupení

CH3Br = 12.01115 + 3*1.00797 + 79.90400 = 94.93906

Monoizotopická Součet přesných hmotností „nejlehčích“ izotopů prvků

CH3Br = 12.000000 + 3*1.007825 + 78.918336 = 93.941011

Page 60: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Jaké hmotnosti můžeme změřit?

Průměrná Vážený průměr všech izotopů daného prvku podle % zastoupení

CH3Br = 12.01115 + 3*1.00797 + 79.90400 = 94.93906

Monoizotopická Součet přesných hmotností „nejlehčích“ izotopů prvků

CH3Br = 12.000000 + 3*1.007825 + 78.918336 = 93.941011

Monoizotopická vs. Průměrná Mh

Mmono < Mavg

Page 61: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Jaké hmotnosti můžeme změřit?

Průměrná Vážený průměr všech izotopů daného prvku podle % zastoupení

CH3Br = 12.01115 + 3*1.00797 + 79.90400 = 94.93906

Monoizotopická Součet přesných hmotností „nejlehčích“ izotopů prvků

CH3Br = 12.000000 + 3*1.007825 + 78.918336 = 93.941011

Monoizotopická vs. Průměrná Mh

Mmono < Mavg

Glukosa C6H12O6 Peptid: HLKTEAEMK

Mmono = 180.0633 Mmono = 1085.55 Mavg = 180.1576 Mavg = 1086.28

Page 62: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Peptid: HLKTEAEMK

Mmono = 1085.55 Mavg = 1086.28

Pro peptidy a proteiny je rozdíl mezi průměrnou a monoizotopickou hmotností kolem 0.06%

Rozlišení hmotnostního spektrometru bylo 5 000.

Pro malé peptidy je obvykle první pík izotopické obálky nejvyšší.

Page 63: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Izotopická obálka proteinu inzulin Izotopická obálka proteinu BSA

Mmono = 5803.64 Mmono = 66 384

Mavg = 5807.66 Mavg = 66 427

Page 64: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Izotopická obálka proteinu inzulin Izotopická obálka proteinu BSA

Mmono = 5803.64 Mmono = 66 384

Mavg = 5807.66 Mavg = 66 427

U velkých proteinů má izotopická obálka jiný tvar než u malých peptidů,

nejintenzivnější píky jsou uprostřed. Monoizotopická hmotnost se určuje

obtížně, je nutné použít přístroje s vysokým rozlišením.

Page 65: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Rozlišení Parametr hmotnostního

analyzátoru

Může mít hodnoty 1/R = 103 – 106

Vyjadřuje schopnost

hmotnostního analyzátoru rozlišit

blízké hodnoty m/z

a) pro dva ionty: RP (resolving

power) – píky m1 a m2 mají 10%

překryv při stejné výšce

RP = m1/(m1-m2)

kdy z1 a z2 se rovnají jedné

b) pro jeden ion: m/∆m nebo t/2∆t

(u TOF) FWHM (full width at half

maximum)

Page 66: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

R = 1 000 (modrá)

R = 3 000 (červená)

R = 10 000 (zelená)

R = 30 000 (černá)

Iontová past < TOF < FT-ICR analyzátor

Page 67: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace
Page 68: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Přesnost určení hmoty

Parametr hmotnostního analyzátoru

Absolutní – udává se v Daltonech (Da), hodnoty 0.1 – 0.0001

Relativní (mění se podle m/z) – udává se v % nebo ppm (parts per million),

hodnoty 100 – 0.1 ppm

Vyjadřuje shodu mezi naměřenou m/změřená a vypočtenou m/zteoretická hodnotou

Výpočet:

(m/zteoretická - m/změřená)/m/zteoretická x 106

Page 69: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Přesnost určení hmoty

Parametr hmotnostního analyzátoru

Absolutní – udává se v Daltonech (Da), hodnoty 0.1 – 0.0001

Relativní (mění se podle m/z) – udává se v % nebo ppm (parts per million),

hodnoty 100 – 0.1 ppm

Vyjadřuje shodu mezi naměřenou m/změřená a vypočtenou m/zteoretická hodnotou

Výpočet:

(m/zteoretická - m/změřená)/m/zteoretická x 106

Příklad

Naměřená hmotnost: 545.4200

Teoretická hmotnost: 545.3234

Relativní chyba:

(545.3234-545.4200)/545.3234 =

-0,00017714

Relativní přesnost = 177 ppm

Page 70: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

- ve skenovacím módu je povrch vzorku analyzován postupně s definovaným prostorovým rozlišením a z každého bodu analýzy je získáno hmotnostní spektrum

Zobrazovací hmotnostní spektrometrie

Page 71: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Zobrazovací hmotnostní spektrometrie

(MSI)

-vybraná hodnota m/z je následně zobrazena v analyzované oblasti

povrchu

- výsledky z MSI jsou porovnávány s mikroskopickým obrazem

histologicky obarvené tkáně

Page 72: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

MALDI zobrazovací MS

MALDI MS Image of a Phospholipid

in Rat Brain, Reprinted with permission Dr Josephine Bunch

MALDI MS Image of a mouse kidney, Reprinted

with permission of of Walch et al.

Page 73: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

REIMS metoda

-Rapid Evaporative Ionization Mass Spectrometry

-publikovaná v roce 2010 (Zoltan Takats et al. Identification of

Biological Tissues by Rapid Evaporative Ionization Mass Spectrometry. Anal.

Chem., 2010, 82 (17), pp 7343–7350)

-možnost analýzy vzorku tkáně in vivo, in situ pomocí

hmotnostního spektrometru umístěného přímo na

operačním sále

- analýza je založena na různém rozložení fosfolipidů v řezu tkáně, naměřená

MS spektra jsou hodnocena pomocí spektrální databáze a statistických

programů

- přesnost identifikace byla vyšší než 97%

- metoda je vhodná pro histologickou analýzu během chirurgické operace

nebo endoskopie, lze použít v patologii

Histology-based MALDI-

Imaging of a tumorous

tissue section.

Page 74: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

?

Ještě něco k proteomice

Page 75: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Top-down proteomika

je postup používaný pro identifikaci intaktních proteinů bez použití

enzymatického štěpení proteinu na peptidy. Daná bílkovina je nejprve

izolována ze směsi a potom charakterizována (celá molekula je

fragmentována v hmotnostním spektrometru)

Shotgun proteomika

neseparovaná směs bílkovin je nejprve enzymaticky rozštěpena na

směs peptidů, které jsou následně separovány vhodnou metodou

(nejčastěji HPLC) a potom sekvenovány tandemovou hmotnostní

spektrometrii

High-throughput proteomika

je určena pro rychlé získávání velkého množství dat o bílkovinách,

postupu se např. využívá ve zdravotnictví pro screeningové účely,

v zemědělství nebo ke kontrole potravin

MudPIT – (multidimensional protein identification technology)

vícerozměrná technologie identifikace bílkovin (MD HPLC a MS/MS)

Page 76: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Diferenční proteomika

je srovnávací metoda založená na analýze složitých směsí bílkovin,

která sleduje změny složení bílkovin při různých stavech biologického

celku, např. organismu, s cílem nalézt a identifikovat rozdílně se

vyskytující bílkoviny

Analytická proteomika

je založena na kombinaci separace bílkovin ze složitých biologických

směsí, jejich charakterizaci hmotnostní spektrometrii (identifikace,

stanovení přesné molekulové hmotnosti, určení pořadí aminokyselin

a post-translačních modifikací) a na bioinformatickém zpracování

získaných údajů

Strukturní proteomika

se zabývá studiem struktury bílkovin s použitím krystalografie, NMR,

MS a dalších technik s cílem pochopit strukturní chování bílkovin a

využít tyto poznatky pro specifické účely

Page 77: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace

Česká společnost pro hmotnostní

spektrometrii

- společnost vznikla v roce 2010 pro zájemce

o hmotnostní spektrometrii

- bude pořádat 2. výroční konferenci

17.-19. 10. 2012 na Fakultě vojenského

zdravotnictví v Hradci Králové

- další informace na stránkách www.cshs.cz

Page 78: Základy hmotnostní spektrometrie - pmfhk.cz · Princip hmotnostní spektrometrie MS vypovídá o primární struktuře analyzované látky (určuje aminokyselinovou sekvenci) Fragmentace