Základy hmotnostní spektrometrie

Transkript

1 Základy hmotnostní spektrometrie

2 Historie Koichi Tanaka vyvinul MALDI techniku Tanaka K., Waki H., Ido Y., Akita S., Yoshida T.: Rapid Commun. Mass Spectrom , 151 Tanaka K. 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 Fenn J.B.

3 Princip hmotnostní spektrometrie Hmotnostní spektrometrie (MS) je fyzikálněchemická 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)

4 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. 13 C/ 12 C, 34 S/ 32 S, 18 O/ 16 O - kvantifikace

5 Princip hmotnostní spektrometrie Umožňuje analýzu komplexních směsí Změření molekulové hmotnosti, kontrola kvality Identifikaci proteinů Odhaluje mutace a DNA sekvenační chyby Možnost analýzy nekovalentních komplexů

6 První český hmotnostní spektrometr Byl sestaven v roce 1953 českými vědci: V. Čermák, V. Hanuš a J. Cabicar

7 MALDI-TOF hmotnostní spektrometry 4800 MALDI TOF/TOF (Applied Biosystems) Ultraflex III MALDI TOF/TOF (Bruker)

8

9 Součásti MS systému Atmosphere Vacuum System Sample Inlet Ionisation Method Mass Analyser Detector Data System

10 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.

11 Typy ionizace - nárazem elektronů (EI) - působením elektrostatického pole (FI, FD) - chemickou ionizací (CI) - nárazem rychlými atomy nebo ionty (FAB) - ionizací fotony - ionizací 252 Cf - elektrosprejem, termosprejem (ESI)

12 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)

13 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

14 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)

15 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

16 Ionizace

17 MALDI Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization Metoda využívá ionizace laserem pulsní technika UV (N 2 ) IR (CO 2 ) 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)

18 MALDI-TOF MS - ionizace MALDI destička Laser 1.Vzorek (A) je smíchán s matricí (M) a usušen (vykrystalizován) na MALDI destičce + AH + 2. Laserový výstřel ionizuje molekuly matrice. 3. Molekuly vzorku jsou ionizovány přenosem protonu z matrice: MH + + A M + AH kv Ground Variable Grid Grid

19 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

20 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

21 ESI MS intaktního proteinu

22 ESI - ionizace elektrosprejem 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

23 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

24 ESI - ionizace elektrosprejem

25 Foto ESI Kapilára Vstup do MS

26 DESI - desorpce elektrosprejem - 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

27 DESI - desorpce elektrosprejem - DESI umožňuje analyzovat malé a středně velké polární látky - Uplatnění má v analýze peptidů, proteinů, farmaceutik, polymerů, výbušnin atd.

28 NALDI - 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

29 NALDI - 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

30 SIMS - hmotnostní spektrometrie sekundárních iontů - ionizace je založena na bombardování analyzovaného povrchu směrovaným proudem primárních nabitých částic atomů (Cs +, Bi 3+, fulerenový ion C 60+ ) - 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

31 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

32 Hmotnostní analyzátory

33 TOF analyzátor 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 ( m 1 /z - m 2 /z)

34 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)

35 Průletový analyzátor (TOF) kv Letová trubice Detektor Zdroj iontů

36 Průletový analyzátor (TOF) kv Letová trubice Detektor Zdroj iontů Lehčí ionty doletí k detektoru rychleji než ionty těžší.

37 MALDI MS spektrum proteinů

38 Lineární mód Reflektronový mód

39 Charakteristika reflektronový mód Vysoké rozlišení (až ) a přesnost ( ppm) Vysoká citlivost (fmol = mol) Nejrychlejší skenování Teoreticky neomezené rozmezí m/z < Téměř současná detekce všech iontů: zisk úplného spektra v jednom ionizačním pulsu

40 Tandemový hmotnostní spektrometr tandemová hmotnostní spektrometrie (MS/MS), případně hmotnostní spektrometrie n-tého stupně (MS n ), 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

41 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

42 Precursor ion MS/MS spektrum prekurzorového iontu (m/z ) SQM ox GNpSEVGHVNIGCGR

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

44 2D-PAGE a MALDI-TOF Postup přípravy vzorků Peptidové mapování Separovaný Protein Proteasa Proteolytické peptidy MALDI-TOF MS spektrum proteolyt. peptidů

45 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

46 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)

47 Proteolytické enzymy - proteázy 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)

48 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

49 Tabulka enzymů a chemických látek používaných pro štěpení proteinů

50 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

51 Trypsin 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.

52 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

53 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

54 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

55 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 N 2 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 CH 3 CO- skupiny, matrice ztrácí svou funkci

56 Vzorce a názvy matric

57 MALDI-TOF MS Výběr matrice Název matrice -kyano-4-hydroxyskořicová kys. (CHC) Analyzovaná látka Peptidy, proteiny < 10 kda, karbohydráty, lipidy 3,5-dimetoxy-4-hydroxyskořicová kys. (SA) 2,5-dihydroxybenzoová kyselina (DHB) 3-hydroxypikolinová kyselina (3-HPA) Proteiny, peptidy > 10 kda, glykoproteiny Neutrální karbohydráty, syntetické polymery, peptidy, proteiny, glykopeptidy, lipidy, glykoproteiny Oligonukleotidy, glykoproteiny 3,4-dihydroxyskořicová kyselina (CA) Proteiny, oligonukleotidy

58 % Intensity Interpretace spekter Voyager Spec #1 MC[BP = , 39593] E Mass (m/z)

59 Jaké hmotnosti můžeme změřit? Průměrná Vážený průměr všech izotopů daného prvku podle % zastoupení CH 3 Br = * = Monoizotopická Součet přesných hmotností nejlehčích izotopů prvků CH 3 Br = * =

60 Jaké hmotnosti můžeme změřit? Průměrná Vážený průměr všech izotopů daného prvku podle % zastoupení CH 3 Br = * = Monoizotopická Součet přesných hmotností nejlehčích izotopů prvků CH 3 Br = * = Monoizotopická vs. Průměrná Mh M mono < M avg

61 Jaké hmotnosti můžeme změřit? Průměrná Vážený průměr všech izotopů daného prvku podle % zastoupení CH 3 Br = * = Monoizotopická Součet přesných hmotností nejlehčích izotopů prvků CH 3 Br = * = Monoizotopická vs. Průměrná Mh M mono < M avg Glukosa C6H12O6 Peptid: HLKTEAEMK M mono = M mono = M avg = M avg =

62 Peptid: HLKTEAEMK M mono = M avg = Pro peptidy a proteiny je rozdíl mezi průměrnou a monoizotopickou hmotností kolem 0.06% Rozlišení hmotnostního spektrometru bylo Pro malé peptidy je obvykle první pík izotopické obálky nejvyšší.

63 Izotopická obálka proteinu inzulin Izotopická obálka proteinu BSA M mono = M mono = M avg = M avg =

64 Izotopická obálka proteinu inzulin Izotopická obálka proteinu BSA M mono = M mono = M avg = M avg = 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.

65 Parametr hmotnostního analyzátoru Rozlišení Může mít hodnoty 1/R = Vyjadřuje schopnost hmotnostního analyzátoru rozlišit blízké hodnoty m/z a) pro dva ionty: RP (resolving power) píky m 1 a m 2 mají 10% překryv při stejné výšce RP = m 1 /(m 1 -m 2 ) kdy z 1 a z 2 se rovnají jedné b) pro jeden ion: m/ m nebo t/2 t (u TOF) FWHM (full width at half maximum)

66 Iontová past < TOF < FT-ICR analyzátor R = (modrá) R = (červená) R = (zelená) R = (černá)

67

68 Přesnost určení hmoty Parametr hmotnostního analyzátoru Absolutní udává se v Daltonech (Da), hodnoty Relativní (mění se podle m/z) udává se v % nebo ppm (parts per million), hodnoty ppm Vyjadřuje shodu mezi naměřenou m/z měřená a vypočtenou m/z teoretická hodnotou Výpočet: (m/z teoretická - m/z měřená )/m/z teoretická x 10 6

69 Přesnost určení hmoty Parametr hmotnostního analyzátoru Absolutní udává se v Daltonech (Da), hodnoty Relativní (mění se podle m/z) udává se v % nebo ppm (parts per million), hodnoty ppm Vyjadřuje shodu mezi naměřenou m/z měřená a vypočtenou m/z teoretická hodnotou Výpočet: (m/z teoretická - m/z měřená )/m/z teoretická x 10 6 Příklad Naměřená hmotnost: Teoretická hmotnost: Relativní chyba: ( )/ = -0, Relativní přesnost = 177 ppm

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

71 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

72 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.

73 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 ) -možnost analýzy vzorku tkáně in vivo, in situ pomocí hmotnostního spektrometru umístěného přímo na operačním sále Histology-based MALDI- Imaging of a tumorous tissue section. - 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

74 Ještě něco k proteomice?

75 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)

76 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

77 Česká společnost pro hmotnostní spektrometrii - společnost vznikla v roce 2010 pro zájemce o hmotnostní spektrometrii - bude pořádat 2. výroční konferenci na Fakultě vojenského zdravotnictví v Hradci Králové - další informace na stránkách

78