Использование новых методов ионизации и фрагментации органических и биоорганических молекул для их идентификации
Применение метода количественного определения относительных концентраций пептидов с заменами аспарагиновой кислоты на её изо-форму в случае работы с ионным источником на основе лазерной десорбции из матрицы (MALDI). Основной целью настоящих исследований была разработка новых масс-спектрометрических методов анализа органических молекул, позволяющих исследовать молекулы разных классов, для чего… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1.
- Литературный обзор
- Основы масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразование Фурье
- Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях
- Явление циклотронного резонанса
- Структура современного спектрометра ИЦР и принцип его работы
- ИЦР масс-спектрометрия с преобразованием Фурье
- Ионные источники, работающие при атмосферном давлении
- Источник ионов на основе электрораспыления в вакуум (электроспрей)
- MALDI при атмосферном давлении
- Источник MALDI при атмосферном давлении
- APCI — химической ионизации при атмосферном давлении
- Различные конфигурации атмосферных интерфейсов масс-спектрометров
- Методы фрагментации органических молекул в масс-спектрометрах
- Столкновительная фрагментация (CID)
- Продолжительное нерезонансное возбуждение циклотронного. движения ионов
- Инфракрасная многофотонная диссоциация (IRMPD)
- Диссоциация при захвате электрона (ECD/ETD)
- Способы определения изомерных форм аминокислот в составе пептидов
- Глава II. Масс-спектрометр ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье с ионным источником электрораспыления в вакуум
- Конструкция ионного источника электрораспыления в вакуум
- Принцип работы ионного источника электрораспыления в вакуум
- Радиочастотная ионная воронка
- Радиочастотная система транспортировки ионов. Система внешнего накопления и импульсного захвата ионов
- Конструкция вакуумной системы
- Конструкция системы радиочастотной транпортировки ионов
- Измерительная ячейка ИЦР. Захват и накопление ионов
- Столкновительный захват ионов в ячейке ИЦР
- Столкновительная диссоциация ионов при продолжительном нерезонансном возбуждениии циклотронного движения
- Система внешнего накопления и импульсного захвата ионов в измерительной ячейке ИЦР
- Глава III.
- Разработка чувствительного и селективного метода экспресс-обнаружения следовых количеств взрывчатых веществ в твердом состоянии
- Источник ионов
- Метод
- Пределы детектирования
- Глава IV.
- Глава IV.
- Определение изомерного состава аминокислот, входящих в состав пептидов
- Количественный анализ
Использование новых методов ионизации и фрагментации органических и биоорганических молекул для их идентификации (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Масс-спектрометрия с момента ее появления в начале 20-го века является одним из наиболее информативных физических методов исследования веществ во всех агрегатных состояниях. В последнее время масс-спектрометрия переживает бурное развитие. Прогресс в развитии масс-спектрометрии был связан с совершенствованием масс-анализаторов, детекторов ионов и, в первую очередь, с созданием и развитием методов ионизации. В первых масс-спектрометрах использовались методы ионизации веществ, находящихся в газообразном состоянии, такие как разряд и электронный удар. Эти методы позволяли анализировать газообразные вещества или вещества, которые могут быть переведены в газообразное состояние. Они в значительной степени покрывали потребности анализа воздуха, различных летучих веществ, в том числе и органического происхождения, в частности, продуктов переработки нефти, да и самой нефти при использовании методов пиролиза. В семидесятые годы прошлого века сильно активизировались исследования, направленные на поиск методов неразрушающей ионизации больших органических молекул с целью применить масс-спектрометрию для анализа биологических систем. Было открыто несколько методов неразрушающей ионизации биологических молекул с атомными весами до 10 кДальтон. Это полевая десорбция, вторичная ионная эмиссия из молекулярной матрицы (глицерин и подобные вещества, дающие протоны при ударе о них ускоренных ионов), бомбардировка быстрыми атомами (FAB), плазменная десорбция. Революционизирующим масс-спектрометрию событием стало открытие неразрушающих молекулы методов ионизации электроспрея (ESI) и лазерной десорбции ионизации из матрицы (MALDI), позволяющих ионизовать и вводить в масс-анализатор большие, в сотни Мегадальтон, молекулы биологического происхождения без их разрушения. Эти удостоенные.
Нобелевской премии открытия послужили толчком к бурному развитию биологической масс-спектрометрии.
Ионы могут получиться не только при ионизации нейтрального вещества в разных агрегатных состояниях, но и при диссоциации уже имеющихся ионов. Процессы образования ионов при диссоциации ионизированных молекул оказались чрезвычайно важными при исследовании структуры молекул методами масс-спектрометрии, в особенности биологических молекул, таких как ДНК, РЖ и белков, являющихся биополимерами. Наряду с фрагментацией молекулярных ионов, вызываемой столкновениями этих ионов с атомами или малоатомными молекулами (CID), в настоящее время при исследовании структуры биомолекул используется лазерный нагрев ионов — многофотонная лазерная инфракрасная диссоциация (IRMPD), рекомбинация со свободными электронами (ECD) и электронами, передаваемыми на исследуемые ионы (многозарядные положительные продукты ионизации электроспреем) от отрицательных ионов (ETD).
В данной работе основное внимание уделяется дальнейшему совершенствованию и поиску новых применений новых методов ионизации и фрагментации органических молекул — как синтетических низкомолекулярных (на примере взрывчатых веществ), так и природныхбелки и пептиды.
Цель и задачи исследования
.
Основной целью настоящих исследований была разработка новых масс-спектрометрических методов анализа органических молекул, позволяющих исследовать молекулы разных классов, для чего были решены следующие задачи:
1) Разработка масс-спектрометра ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье и ионным источником, работающим при атмосферном давлении.
2) Разработка чувствительного и селективного метода экспресс-обнаружения взрывчатых веществ в твердом состоянии, позволяющего избежать предварительной подготовки пробы или свести её к минимуму.
3) Разработка чувствительного метода количественного определения относительных концентраций пептидов с заменами аспарагиновой кислоты на её изо-форму при использовании ионизации на основе метода электрораспыления в вакуум.
4) Применение метода количественного определения относительных концентраций пептидов с заменами аспарагиновой кислоты на её изо-форму в случае работы с ионным источником на основе лазерной десорбции из матрицы (MALDI).
Научная новизна.
1. Впервые разработан и создан источник химической ионизации при атмосферном давлении с термодесорбционным вводом исследуемых веществ.
2. Впервые продемонстрирована возможность обнаружения взрывчатых веществ при помощи созданного ионного источника химической ионизации с термодесорбционным вводом анализа взрывчатых веществ, сорбированных на пыли и поверхностях, достигнута чувствительность на уровне 10 нг TNT.
3. Впервые создана методика распознавания и количественного определения относительного содержания в бинарных смесях изомерных замен аспарагиновой кислоты в пептидах с использованием СГО и ECD фрагментации.
4. Впервые продемонстрирована возможность определения замен при помощи MALDI при атмосферном давлении.
5. Впервые в РФ создан масс-спектрометр ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье с интерфейсом для ионных источников, работающих при атмосферном давлении.
Практическое значение работы.
Результаты, полученные в данной работе могут быть использованы при создании нового и дальнейшем совершенствовании существующего масс-спектрометрического оборудования, при разработке систем контроля безопасности различных объектов. Кроме того, описанные в диссертации методы, могут быть использованы при изучении молекулярных основ болезни Альцгеймера, а так же при создании новых методов биологических и биохимических исследований, связанных с созданием новых подходов молекулярной медицинской диагностики.
Объём и структура диссертации.
Диссертация изложена на 103 страницах, содержит 32 рисунка, 3 таблицы.
Основные результаты и выводы.
1. Создан масс-спектрометр ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье с интерфейсом для ионных источников, работающих при атмосферном давлении.
2. Разработан и создан источник химической ионизации при атмосферном давлении с термодесорбционным вводом исследуемых веществ.
3. Продемонстрирована возможность обнаружения взрывчатых веществ при помощи созданного ионного источника химической ионизации с термодесорбционным вводом анализа взрывчатых веществ, сорбированных на пыли и поверхностях, достигнута чувствительность на уровне 10 нг TNT.
4. Создана методика распознавания и количественного определения относительного содержания в бинарных смесях изомерных замен аспарагиновой кислоты в пептидах с использованием СЮ и ECD фрагментации.
5. Продемонстрирована возможность определения замен при помощи MALDI при атмосферном давлении.
Список литературы
- Alan G. Marshall, Christopher L. Hendrikson, George S. Jackson. Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry: A primer. //Mass Spectrom. Rev., 1998, II, p. 1−35.
- Alan G. Marshall. Milestones in Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry technique development. //International Journal of Mass Spectrometry, 200(2000), p. 331−356.
- Shenheng Guan and Alan G. Marshall. Ion traps for Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry: principles and design of geometric and electric configurations. // International Journal of Mass Spectrometry, 220.
- M.B. Горшков, O.H. Харыбин, A.H. Вилков, B.B. Дривен, И. А. Попов. М. И. Даштиев, Е. Н. Николаев. Масс-спектрометр ионного циклотронного резонанса для биохимических исследований. ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2002, том 21, № 4, с.32−38
- Comisarov М.В., Marshall A.G., Fourier transform ion cyclotron resonance spectroscopy. Chem. Phys. Lett., 1974, v. 25, No. 2, p. 282 — 283.
- Brigham E.O., The Fast Fourier Transform., N.Y.: Prentice Hall, 1974.
- Comisarov, M. В., Marshall A.G.// Chem. Phys. Lett. 1974. V.26. P.489.
- Fenn J.B., Mann, M., Meng C.K., etc.//Mass Spectrom. Rev. 1990. V. 9. P.37.
- Smith R.D., Loo J.A., Loo R.R.O., etc.// Mass Spectrom. Rev. 1991. V.10. P.359−451.
- Henry K.D., Williams E.R., Wang B.H., etc.// Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1989. V.86. P.9075.
- Hofstadler S.A., Laude D.A.//Anal. Chem. 1992. V.64. P.569.
- Winger B.E., Hofstadler S.A., Bruce J.E., etc. // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1993. V.4. P.566.
- Winger B.E., Hofstadler S.A., Bruce J.E., etc.// J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1993. V.4. P.566.
- Beu S.C., Senko M.W., Quinn J.P., etc.// J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1993. V.4. P.190.
- Gorshkov M.V., Pasa Tolic L., Udseth H.R., etc// J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1998. V.9. P.692.
- Belov M.E., Gorshkov M.V., Udesth H.R., etc.// Anal. Chem. 2000. V.72. P.2271.
- Вилков A.H., Николаев E.H., Горшков M.B. // Химическая физика. 2000. т.19. стр. 47.
- Schweikhard L., Marshall A.G. // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1993. V.4. P.433.
- Gorshkov M.V., Pasa Tolic L., Bruce J.E., etc. // Anal. Chem. 1997. V.69. P. 1307.
- Beu S.C., Laude D.A. // Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 1990. V.97. P.295.
- Gorshkov M.V., Nikolaev E.N. // Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 1993. V.125. P.l.
- Senko M.W., Hendrickson C.L., Emmett M.R., etc.//J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1997. V.8. P.970.
- Belov M.E., Nikolaev E.N., Anderson G.A., etc. //Anal. Chem. 2001. V.73. P.253.
- Gorshkov M.V., Pasa-Tolic L., Smith R.D. // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1999. V.10. P.15−18.
- Belov M.E., Gorshkov M.V., Alvin K., Smith R.D. // Rapid commun. In Mass Spectrometry, 2001,15: 1988−199 631 .Belov M.E., Gorshkov M.V., Udseth H.R., etc. // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2000. V.ll. P.19−23.
- Karas, M.- Hillenkamp, F. And. Chem. 1988, 60,2299.
- Laiko V.V., Baldwin M.A. and Burlingame A.L., Anal Chem 2000- 72:5239
- Philip V.T., Laiko V.V. and Doroshenko V.M., Anal Chem 2004- 76:2462
- Phillip V. Tan, Victor V. Laiko, and Vladimir M. Doroshenko. Atmospheric Pressure MALDI with Pulsed Dynamic Focusing for High-Efficiency Transmission of Ions into a Mass Spectrometer. Anal. Chem.2004, 76,2462−2469
- Mikhail E. Belov, Mikhail V. Gorshkov, Harold R. Udseth, Gordon A. Anderson, and Richard D. Smith, Zeptomole-Sensitivity Electrospray Ionization-Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry of Proteins, Anal. Chem.2000,72,2271−2279
- Biological Significance of Isoaspartate and Its Repair System. Takahiko Shimizu, Yasuji Matsuoka, Takuji Shirasawa Biol. Pharm. Bull. 28(9) 1590—1596 (2005)
- Clarke S., Ageing Res. Rev, 2, 263—285 (2003).
- Voorter С. E, de Haard-Hoekman W. A., van den Oetelaar P. J., Bloemendal H, de Jong W. W, J. Biol. Chem, 263,19 020—19 023 (1988).
- D-aspartic acid in purified myelin and myelin basic protein. Fisher GH, Garcia NM, Payan IL, Cadilla-Perezrios R, Sheremata WA, Man EH. Biochem Biophys Res Commun. 1986 Mar 13−135(2):683−7.
- Extension of the Drosophila lifespan by overexpression of a protein repair methyltransferase. Chavous DA, Jackson FR, O’Connor CM Proc Natl Acad Sci U S A 2001 Dec 18−98(26):14 814−8. Epub 20
- Weber D. J, McFadden P. N, Caughey B, Biochem. Biophys. Res. Commun, 246, 606—608 (1998).
- Beta-Amyloid-(l-42) is a major component of cerebrovascular amyloid deposits: implications for the pathology of Alzheimer disease. A E Roher, J D Lowenson, S
- Clarke, A S Woods, R J Cotter, E Gowing, and M J Ball Proc Natl Acad Sci USA. 1993 November 15- 90(22): 10 836−10 840.
- Phenotypic Analysis of Seizure-Prone Mice Lacking L-Isoaspartate (D-Aspartate) 0- Methyltransferase. Kim, E., Lowenson, J. D., Clarke, S., and Young, S. G. (1999) J. Biol. Chem. 274,20 671−20 678.
- Fales, H. M.- Wright, G. J. J. Am. Chem. Soc. 1977, 99, 2339−2340.
- F.J. Winkler, R. Medina, J. Winkler and H. Krause, 13th International Mass Spectrometry Conference, Budapest, 1994
- Chiral Analysis by Electrospray Ionization Mass Spectrometry/Mass Spectrometry.1. Chiral
- Recognition of 19 Common Amino Acids. Zhong-Ping Yao, Terence S.M.Wan, Ka-Ping Kwong and Chun-Tao Che. Anal. Chem.2000,72, 5383−5393
- Harris, D. C. Quantitative Chemical Analysis, 5th ed.- W. H. Freeman and Co.: New York, 1999- p 74.
- Chiral Analysis by Electrospray Ionization Mass Spectrometry/Mass Spectrometry.
- Determination of Enantiomeric Excess of Amino Acids. Zhong-Ping Yao, Terence S.M.Wan, Ka-Ping Kwong and Chun-Tao Che. Anal. Chem.2000, 72, 5394−5401
- Roepstorff, P and Fohlman, J, Proposal for a common nomenclature for sequence ions in mass spectra of peptides. Biomed Mass Spectrom, 11(11) 601 (1984).
- Johnson, RS, Martin, SA, Biemann, K, Stults, JT and Watson, JT, Novel fragmentation process of peptides by collision-induced decomposition in a tandemmass spectrometer: differentiation of leucine and isoleucine. Anal. Chem., 59(21) 2621−5 (1987).
- Zubarev, R. A.- Kelleher, N. L.- McLafferty, F. W. Electron Capture Dissociation of Multiply Charged Protein Cations a Nonergodic Process J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 3265−3266.
- Syka, J.E.P., Coon, J.J., Schroeder, M.J., Shabanowitz, J., and Hunt, D.F. 2004. Peptide and protein sequence analysis by electron transfer dissociation mass spectrometry. Proc. Natl. Acad. Sci. 101: 9528−9533.
- Electron capture dissociation distinguishes a single D-amino acid in a protein and probes the tertiary structure. Adams, C.M.- Kjeldsen, F.- Zubarev, R.- Budnik, B.A.- Haselmann, K.F. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2004,15,1087−1098.
- Mass spectrometric differentiation of linear peptides composed of L-amino acids from isomers containing one D-amino acid residue. Scott V. Serafin, Rhonda Maranan, Kangling Zhang, and Thomas Hellman Morton, Anal Chem.2005 Sep l-77(17):5480−7
- Carr SA, Hemling ME, Bean MF, Roberts GD. Anal. Chem. 1991- 63: 2802.
- Carr SA, Bean MF, Hemling ME, Roberts GD. Integration of Mass Spectrometry in Biopharmaceutical Research In Biological Mass Spectrometry, Burlingame AL, McCloskey JA (eds). Elsevier Science: Amsterdam, 1992- 621−652.
- Papayannopoulus IA, Biemann K. Pept. Res. 1992- 5: 83.
- Lehmann, W. and Schlosser, A. 2000. Five-membered ring formation in uni-molecular reactions of peptides: A key structural element controlling low-energy collision-induced dissociation of peptides. J. Mass Spectrom. 35: 1382−1390.
- J. Yinon, Anal. Chem., 2003, 75,99A.
- Jason Cournoyer- Peter O’Connor. Estimating Relative Isoaspartyl/Aspartyl
- Abundances Using ECD. //The 54th ASMS Conference on Mass Spectrometry and
- Allied Topics, May 28-June 1,2006, Seattle, WA, USA
- J. Yinon, J. E. McClellan, R. A. Yost, Rapid Commun. Mass Spectrom., 1997, 11, 1961.
- S. A. McLuckey, D. E. Goeringer, K. G. Asano, G. Vaidyanathan, J. L. Stephenson, Jr. Rapid Commun. Mass Spectrom., 1996, 10, 287.
- K. Hakansson, R. V. Coorey, R. A. Zubarev, V. L. Talrose, P. Hakansson, J. Mass Spectrom., 2000, 35, 337.
- J. B. Fenn, U.S. Pat. Appl. Publ. 2004, 8 pp.
- Z. Takats, J. M. Wiseman, B. Gologan, R. G. Cooks, Science 2004, 5695,471.
- Z. Takats, C. Ismael, T. Nari, R. G. Cooks, Chem. Commun., Submitted.
- R. J. Beuhler, E. Flanigan, L. J. Greene, L. Friedman, J. Am. Chem. Soc., 1974, 96, 3990.
- Cummings, J.L., 2004, Alzheimer’s disease. N. Engl. J. Med. 351, 56−67
- Завалишин И. А, Яхно H.H., Гаврилова С. И., 2001, Нейродегенеративные болезни и старение
- Hardy, J. and Selkoe, D.J., 2002, The amyloid hypothesis of Alzheimer’s disease: progress and problems on the road to therapeutics. Science 297, 353−356
- Bush, A.I. et al, 1994, Rapid induction of Alzheimer A beta amyloid formation by zinc. Science 265,1464−1467
- Lee, J.Y. et al, 2002, Contribution by synaptic zinc to the genderdisparate plaque formation in human Swedish mutant APP transgenic mice. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A 99,7705−7710
- Kozin, S. A et al, 2001,. Zinc binding to Alzheimer’s Abeta (l-16) peptide results in stable soluble complex. Biochem. Biophys. Res. Commun. 285,959−964
- Zirah, S., Kozin, S.A., et al, 2006, Structural changes of region 1−16 of the Alzheimer disease amyloid beta-peptide upon zinc binding and in vitro aging. J Biol. Chem. 281, 2151−2161
- Roher, A.E., et al, 1993, Structural alterations in the peptide backbone of beta-amyloid core protein may account for its deposition and stability in Alzheimer’s disease. J Biol. Chem. 268, 3072−3083
- Vaughan, D.W. and Peters, A., 1981, The structure of neuritic plaque in the cerebral cortex of aged rats. J. Neuropathol. Exp. Neurol. 40,472−487.
- Eugene Nikolaev, Rui Zhang, Igor Popov, Mikhail Belov, Richard D. Smith. Fast trapping of externally acuumulated ions by strong DC defocusing inside ICR cell -«Radial kick». // 16th International Mass Spectrometry Conference. Edinburg, 2003. p.128.
- Popov I.A. Chen H., Kharybin O. N, Nikolaev E. N, Cooks R.G. Detection of explosives on solid surfaces by thermal desorption and ambient ion/molecule reactions// Chem Commun. (Camb). 2005, v.15, pp. 1953−1955.
- Nikolaev E. N, Kharybin O. N, Popov I.A. Atmospheric pressure thermoionization of organics, Recognition of chirality by in situ probing// Proceedings of the 53d ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, 2005