Исследование дискриминации ионообразования в электроспрее и Maldi методах ионизации для количественного анализа белков
Апробация работы. Результаты работы были доложены на семинарах в ИАнП РАН, на 6-й Пущинской школе-конференции «БИОЛОГИЯ — НАУКА XXI ВЕКА» (г. Пущино, 2002 г.), на III съезде биофизиков России (г. Воронеж, 2004), а так же на Desorption 2004. (S.- Petersburg). Целью работы является изучение дискриминации новообразования в электроспрее (ESI) и MALDI, и использование полученных данных для создания… Читать ещё >
Содержание
- 1. ВВЕДЕНИЕ
- 2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
- 2. 1. Исследование белка с помощью масс-спектрометрии
- 2. 2. Основные методы ионообразования термолабильных веществ
- 2. 2. 1. Образование ионов при электрораспылении
- 2. 2. 2. Ионизация лазерной десорбции в присутствии матрицы
- 2. 3. Масс-анализатор ы
- 2. 3. 1. Магнитные секторные масс-анализаторы
- 2. 3. 2. Времяпролетные масс-анализаторы
- 2. 4. Методики определения количества белка с использованием f масс-спектрометрии
- 3. 1. Получение аминокислотных стандартов
- 3. 2. Количественный анализ аминокислот
- 3. 2. 1. Количественный анализ аминокислот с использованием
- 3. 2. 2. Количественное определение аминокислот с использованием MALDI-MS
- 3. 3. Определение количества белков
- 3. 3. 1. Определение количества белка с помощью ESI-MS
- 3. 3. 2. Определение количества белков с помощью MALDI-MS
- 3. 3. 3. Использование масс-спектрометрии при изучении функциональных свойств протеиназ
Исследование дискриминации ионообразования в электроспрее и Maldi методах ионизации для количественного анализа белков (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
В настоящее время масс-спектрометрия является ключевым инструментом в исследованиях в области химии белка. Особенно это относится к идентификации различных пептидов и белков, аминокислотная последовательность которых может быть взята из различных баз данных, либо предсказана наосновании генома. Однако для понимания физиологических процессов на молекулярном уровне важным является не только идентифицировать отдельные белки, но и количественно оценить их содержание в биологических средах. Это вызвано, прежде всего, тем, что изменение концентраций отдельных белков определяет состояние живых организмов. Для анализа теромолабильных и труднолетучих соединений, к которым и относятся белки, наиболее часто используют масс-спектрометрию с ионизацией электрораспылением (Electrospray Ionization Mass-Spectrometry, ESI-MS) и ионизацией лазерной десорбцией в присутствии матрицы (Matrix-Assisted Laser Desorptioiyionization Mass-Spectrometry, MALDI-MS). Оба этих масс-спектрометрических метода, по причине дискриминации ионообразования и конкуренции за протон между отдельными компонентами смеси веществ, не позволяют определять количественные параметры. Работы в этом направлении с использованием именно масс-спектрометрии интенсивно развиваются, однако все предлагаемые к настоящему времени подходы связанны с необходимостью дополнительных химических модификаций и созданием в каждом отдельном случае соответствующих стандартов. В связи с этим изучение дискриминации в ионообразовании и ее преодоления в мягких ионизационных методах, таких как ESI и MALDI с целью их адаптации к количественному анализу белков, имеет как теоретическую, так и практическую ценность.
Цель и задачи исследования
Целью работы является изучение дискриминации новообразования в электроспрее (ESI) и MALDI, и использование полученных данных для создания универсальной масс-спектрометрической методики количественного анализа белков и пептидов.
1. Изучить дискриминацию новообразования в электроспрее (ESI) и MALDI.
2. Разработать метод определения количества белков с помощью ESI-MS и MALDI-MS.
3. Апробировать разработанный подход на примере модельных белков в растворе и в геле. '.
Научная новизна работы. Изучена дискриминация новообразования в мягких методах ионизации, таких как ESI и MALDI.
Предложена методика позволяющая обойти проблему дискриминации ионообразования и определить количество белков.
Практическая значимость работы. На основании полученных результатов была разработана методика, позволяющая количественно проанализировать белки на уровне 5 фмоль, без существенной доработки масс-спектрометрических приборов. Кроме того, продемонстрирована возможность определения количественных характеристик пептидов белков, не только предварительно выделенных, но и в смеси содержащей 2−3 компонента.
Апробация работы. Результаты работы были доложены на семинарах в ИАнП РАН, на 6-й Пущинской школе-конференции «БИОЛОГИЯ — НАУКА XXI ВЕКА» (г. Пущино, 2002 г.), на III съезде биофизиков России (г. Воронеж, 2004), а так же на Desorption 2004. (S.- Petersburg).
Публикации. По теме диссертации опубликованы две статьи в журнале «Научное приборостроение», статья в журнале Analytical chemistry и материалы трех докладов на конференциях.
ВЫВОДЫ.
1. Изучена дискриминация новообразования в электроспрее (ESI) и MALDI.
2. Разработана и апробирована масс-спектрометрическая методика количественного анализа белков, позволяющая обойти проблему дискриминации ионообразования для мягких методов ионизации (ESI и MALDI).
3. Разработанные методики позволяют использовать стандартные масс-спектрометрические системы (ESI и MALDI) для проведения количественного диализа белков.
4. Предложенная методика количественного определения белков для масс-спектрометрических методов ESI и MALDI позволяет проводить измерение с точностью 5−10%. На уровне от 5 фмоль.
Список литературы
- Киселев Л.Л. Геном человека и биология XXI века. Вестник академии наук. 2000, том 70, № 5, с.412−424.
- Х.-Д. Якубке, X. Ешкайт. Аминокислоты. Пептиды. Белки. Под ред. Проф. Ю. В. Митина., М.: Мир, 1983, с. 621.
- А. Дарбре. Практическая химия белка. М.: Мир, 1985, с. 456.
- Klose J. //Genotypes and phenotypes. Electrophoresis, 1999, v.20, p. 643 652.
- Corthals G.L., Wasinger V.C., Hochstrasser D.F. and Sanchez J.C. The dynamic range of protein expression: a challenge, for proteomic research // Electrophoresis. 2000. N 21. P. 1104−1115.
- Dunham I., Shimizu N., Roe B.A. et al. The DNA sequence of human chromosome 22 // Nature. 1999. V. 402. P. 489−495.
- Venter J.C., Adamd M.D., Myers E. W et al. The sequence of the human genome // Science. 2001. V. 291. P. 1304−1351.
- William S. Hancock, Shiaw-Lin Wu, Paul Shieh. The challenges of developing a sound proteomics strategy. Proteomics 2002, v.2, p. 352 -359.
- Jasminka Godovac-Zimmermann and Larry R. Brown. Perspectives for mass spectrometry and functional proteomics. Mass Spectrometry Reviews, 2001,20,1−57
- Aebersold R. and Mann M. Mass spectrometry-based proteomics // Nature. 2003. V. 422. P. 198−207.
- M. Mann, R. C. Hendrickson, A. Pandey. Analysis of proteins and proteoms by mass spectrometry. Annu. Rev. Biochem. 2001. v. 70, p. 437−473.
- С. Dass. Principles and practice of biological mass spectrometry. Wiley-interscience. New-York, USA, 2001,416 p.
- Edmond de Hoffman and Vincent Stroobant. Mass spectrometry. Principles and Applications. Wiley- interscience. New-York, USA, 2003, 407 p.
- J. Qin, B. Chait. Identification and characterization of posttranslational modification of proteins by MALDI ion trap mass spectrometry. — Anal.
- Chem. 1997, v.69, p. 4002−4009.
- Spengler В., Kirsch D., Kaufmann R. and Jaeger E. Peptide sequencing by matrix-assisted laser-desorption mass spectrometry // Rapid Commun. Mass Spectrom. 1992. N 6. P. 105−108.
- Mann M., Hojrup P. and Roepstorff P. Use of mass spectrometric molecular weight information to identify proteins in sequence databases // Biol. Mass Spectrom. 1993. V. 22. P. 338−345.
- Jensen O.N., Podtelejnikov A.V. and Mann M. Identification of the components of simple protein mixtures by high-accuracy peptide mass mapping and database searching // Anal. Chem. 1997. V. 69. P. 4741−4750.
- Zhang W., Chait B.T. ProFound: an expert system for protein identification using mass spectrometric peptide mapping information // Anal. Chem. 2000. V. 72. P. 2482−2489.
- Krutchinski A.N., Zhang W. and Chait B.T. Rapidly switchable matrix-assisted laser desorption/ionization and electrospray quadrupoletime- of-flight mass spectrometry for protein identification // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2000. N 11. P. 493−504.
- P. R. Graves, T. A. J. Haystead. Molecular Biologist’s Guide to Proteomics. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 2002, v. 66, № 1 p. 39−63.
- Shevchenko A., Wilm M., Vorm O. and Mann M. Mass spectrometric sequencing of proteins silver-stained polyacrylamide gels // Anal. Chem. 1996. V. 68. P. 850−858.
- Shevchenko A., Jensen O.N., Podtelejnikov A.V. et al. Linking genome andproteome by mass spectrometry: large-scale identification of yeast proteins from two dimensional gels // Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1996. V. 93. P. 14 440−14 445.
- Hanno Steen. Mass Spectrometric Analysis of Protein Modifications. PhD Thesis, University of Southern Denmark, Odense, Denmark, 2001.
- Gottfried J. Feistner, Kym F. Faull, Douglas F. Barofsky, Peter Roepstorff. Mass Spectrometric Peptide and Protein Charting. J. Mass Spectrom., 1995, v.30, p. 519−530.
- S. D. Patterson, R. Aebersold. Mass spectrometric approaches for the identification gel-separated proteins. Electrophoresis, 1995, v. 16, p. 17 911 814.
- Mirgorodskaya E.P., Mirgorodskaya O.A., Dobretsov S.V., Shevchenko A.A., Dodonov A.F., Kozlovskiy V.I., Raznikov V.V. // Electrospray mass-spectrometric study of melittin trypsinolysis by a kinetic approach. Anal. Chem. 1995. V. 67. P. 2864−2869.
- Mirgorodskaya O., Kazanina G., Roepstorf P., Mirgorodskaya E.,
- Zamolodchikova Т., Vorotyntseva Т., Miroshnikov A., Alexandrov S. // Acomparative study of the specificity of proinsulin hydrolysis by duodenase, trypsin and plasmin. Prot. and Peptide Letters. 1998. V. 5. P. 27−32. i
- K. Gevaert, J. Vandekerckhove. Protein identification methods in proteomics. Electrophoresis 2000, v. 21, p. 1145−1154.
- William S. Hancock, Shiaw-Lin Wu, Paul Shieh. The challenges of developing a sound proteomics strategy. Proteomics 2002, v.2, p. 352 -359.
- Electrospray Ionization Mass Spectronmetry: Fundamentals, Instrumentation and Applications / Ed. Cole R.B. NY.: Willey, 1997.
- N. B. Cech, C. G. Enke. Practical implications of some recent studies in electrospray ionization fundamentals. Mass Spectrometry Reviews, 2001, 20, 362−387.
- Renato Zenobi, Richard Knochenmuss. Ion Formation in MALDI Mass Spectrometry. Mass Spectrom. Reviews, 17, 337−366, 1998.
- Dole. M., Mack, L.L., Hines, R.L. Molecular Beams of Macroions. Journal of Chemical Physics, 49, 1968, pp2240−2249.
- С.И.Шевченко, А. И. Григорьев, C.O. Ширяева. Электродинамическое распыление жидкости. Научное приборостроение. 1991, Том1, № 4, стр 3−21.
- L.D.Ferguson, iM.B.Alice, M. Dole, L.L.Mack, R.L.Hines, L.D.Mobley Molecular Beams of Macroions.- J.Chem.Phys. v.52, 1970, № 10, p.4977−4986.
- M.Dole, H.L.Cox, J. Gienic Electrospray Mass Spectrometry -Adv.Chem. Ser.1255, 1975, p.73−84.
- L.L.Mack, K. Nakamae, C. Guptu Electrospray Mass Spectrometry of Macromolecules, Application of an Ion Drift Spectrometer. -Biomed. Mass Spectrom., vl 1,1984, p.259−269.
- J.V.Iribarne, B.A.Thomson On the Evaporation of Small Ions Irom Charged Droplets.- J.Chem.Phys. v.64, 1976, № 8, p.2287.
- B.A.Thomson, J.V.Iribarne Field Induced Ion Evaporation from Liquid Surfaces at Atmospheric Pressure — J.Chem.Phys, v.7, 1979, & 1, p.4451−4463.
- B.A.Thomson, J.V.Iriburne, P. Dziedzic Liquid Ion Evaporation /Mass Spectrometry/ Mass Spectrometry for Detection of Polar Labile Molecules.- Anal.Chem. v.54, 1982, Jfc 13, p.2219−2224.
- B.A.Thomson, J.V.Iribarne, P.J.Dziedzic Atmospheric Pressure1. n Evaporation Mass Spectrometry.- Int.J.Mass Spectrom.Ion., v.50, 983, № 3,p.331−347.
- Iribarne J.V., Dziedic P.J. and Thomson B.A. Atmospheric Pressure Ion Evaporation Mass Spectrometry // Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys. 1983. V. 50. P. 331−347.
- Александров M. JL, Галль Л. Н., Краснов H.B., Николаев В. И., Шкуровi
- B.A. и Павленко B.A. Экстракция ионов из растворов при атмосферном давлении новый способ масс-спектрометрического анализа биоорганических веществ. // ДАН, 1984, т. 277, № 2, с. 379−383.
- Александров М. Л., Галль Л. Н., Краснов Н. В., Николаев В.И. иI
- Шкуров В.А. Метод масс-спектрометрического анализа труднолетучих термически нестабильных веществ основанный на экстракции ионов из раствора при атмосферном давлении// ЖАХ, 1985, т. 40, № 6, с. 160 172.
- М.Л. Александров, Л. Н. Галль, А. Н. Веренчиков, Н. В. Краснов, В. А. Шкуров. Исследование механизма образования катионов в масс-спектрометрии ЭРИАД. Научное приборостроение. 1991, том 1., № 2, стр. 3−36.
- Н.В. Краснов, М. З. Мурадымов, С. И. Шевченко. Комплексные исследования характеристик ЭГД распыления жидкости. Научное приборостроение. 1991, том 1, № 1, стр 42−52.
- J. В. Fenn, М. Mann, С.К. Meng, С. М. Whitehouse. Electrospray ionization for mass spectrometry of large biomolecules. Science, 1989, v.246, p.64−71.
- Дж. Чепмен. Практическая органическая масс-спектрометрия. М.: Мир, 1988, стр. 216.
- J.R. Chapman. Practical organic Mass Spectrometry. John Wiley & Sons. Chichester. 1995. p.338.
- F. Hillenkamp, M. Karas. Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry of Biopolymers. Anal. Chem. 63, 1193A-1202A, 1991
- Michael Karas, Matthias Gliickmann and Jurgen Schefer. Ionization in matrix-assisted laser desorption/ionization: singly charged molecular ions are the lucky surviv/ors. J. Mass Spectrom. 35, 1−12, 2000.
- R. Knochenmuss, A. Stortelder, K. Breuker and R. Zenobi. Secondary ion-molecule reactions in matrix-assisted laser desorption/ionization, J. Mass Spectrom., v. 35, 1237−1245 (2000).
- Scott E., Van Bramer. An introduction to Mass Spectrometry. Review 1998.
- Фрайфелдер Д. Физическая биохимия. Пер с англ. М.: Мир 1980, 581с.
- Грушка Э., Йенсен Э. Хатиб С., Левин С., Миллер Г. Р., Оган К., Пул К.Ф., Риз Ч. Е., Скотт Р.П.У., Уден П. К. Количественный анализ хроматографическимим методами. Пер. с англ. М.: Мир, 1990, 320с.
- Юинг Г. Инструментальные методы химического анализа. М. Мир, 1989, 608с.
- С. L. Nilsson, P. Davidsson. New separation tools for comprehensive studies of protein expression by mass spectrometry. Mass Spectrometry Reviews, 2000, v.19, p.390−397.
- Boyd, R. K., J. D. Henion, M. Alexander, W. L. Budde, J. D. Gilbert, S. M. Musser, C. Palmer, and E. K. Zurek. «Mass spectrometry and good laboratory practices». J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1996- 7:211−218.
- X. Zhu, and D.M. Desiderio,. Peptide quantification by tandem mass spectrometry. Mass, Spectrometry Reviews 15:213−240, 1996
- D.M. Desiderio, X. Zhu. Quantitative analysis of methionine enkephalin and beta-endorphin in the pituitary by liquid secondary ion massspectrometry and tandem mass spectrometry. J. Chromatogr. A. 794, 85−96. Review. (1998).i
- Mann M. Quantitative proteomics? Natural biotechnology, 1999, v. 17- 954−955.
- Gygi S. P, B. Rist, Gerber S.A., Turecek F., Gelb M.H., Aebersold R. Quantitative analysis of complex protein mixtures using isotope-coded affinity tags. Nat. Biotechnol. 1999, v. 17, p.994−999.
- Smolka M.B., Zhou H., Purkayastha S. and Aebersold R. Optimization of the isotope-coded affinity tag-labeling procedure for quantitative proteome analysis // Anal. Biochem. 2001. V. 297. P. 25−31.
- Mahmoud Hamdan and Pier Giorgio Righetti. Modern strategies for protein quantification in proteome analysis: advantages and limitations. Mass Spectrometry Reviews, 2002, v.21, p. 287−302.
- Oda Y., Huang K., Croos F.R., Cowburn D., Chait B.T. Accurate quantitation of protein expression and site specific phosphorylation. Proc Natl Acad Sci USA, 1999, v. 96, p.6591−6596.
- Миргородская O.A., Козьмин Ю. П., Титов М. И., Савельева Н. В., Кернер Р., Сонксэн К., Мирошников А. И., Ройпсторфф П. // Использование MALDI-MS для количественного анализа пептидов и белков. Биоорганическая химия, Москва 2000. Т. 26. С. 662−671.
- Yao X., Freas A., J. Ramirez P., Demirev P.A., Fenselau C. // Proteolitic1Я
- О Labeling for Comparative Proteomics: Model Studies with two Serotypes of Adenovirus. Anal. Chem. 2001. V73. P 2836−2842
- Wilm M. and Mann M. Analytical properties of the nanoelectrospray ion source//Anal. Chem. 1996. V. 68. P. 1−8.i