Cos’ é uno spettrometro di massa?

1. Cos’ é uno spettrometro di massa? Misura la massa di molecole convertite in ioni allo stato gassoso Cio’ che viene effettivamente misurato in uno spettrometro di massa è il rapporto massa/carica Si indica come generica unità di carica (che puo’ essere sia positiva che negativa) z m/z

2. Principio fisico Porto la molecola allo stato gassoso Trasformo la molecola neutra in uno ione, o positivo o negativo Utilizzo campi elettrici e/o campi magnetici per separare i vari ioni della miscela in funzione del diverso valore di m/z Osservo i vari ioni della miscela, ciascuno con un diverso m/z

3. Dalla Chimica organica alla proteomica Storia: dall’inizio del 1900 oggetto di studio dei fisici Durante la II guerra mondiale applicazioni per lo studio della composizione degli idrocarburi nei combustibili 1950-1980: Spettrometria di massa in chimica organica Frammentazione, riconoscimento di gruppi funzionali, determinazione del peso molecolare, struttura molecolare 1980- Applicazioni in chimica biologica, determinazione precisa del peso molecolare di proteine e acidi nucleici 1995- Proteomica.

4. Applications Mass spectrometers are used in industry and academia for both routine and research purposes. Brief summary of the major mass spectrometric applications: •Biotechnology: the analysis of proteins, peptides, oligonucleotides •Pharmaceutical:drug discovery, combinatorial chemistry, pharmacokinetics, drug metabolism •Clinical: neonatal screening, haemoglobin analysis, drug testing •Environmental:PAHs, PCBs, water quality, food contamination •Geological:oil composition

5. La “vecchia” Spettrometria di massa zV=1/2 mv2 Energia cinetica di ogni particella dipende dal potenziale del campo elettrico applicato z= carica dello ione V= Potenziale del campo elettrico m= massa dello ione v=velocità dello ione Il campo magnetico esercita una forza centripeta La forza centripeta è equilibrata dalla forza centrifuga dello ione, che dipende dalla sua velocità e dal raggio di curvatura Hzv=mv2/R v= zHR/m

6. zV=1/2 mv2 z= carica dello ione V= Potenziale del campo elettrico m= massa dello ione v=velocità dello ione Hzv=mv2/R v= zHR/m zV=1/2 m(zHR/m)2 zV=1/2 z2H2R2/m m/z=H2R2/2V R è fisso, H e V sono variabili, individuo ciascun frammento caratterizzato da diversa m/z

7. Ogni molecola M, in fase gassosa viene ionizzata e diviene uno ione M+ Se l’energia di ionizzazione è maggiore o dello stesso ordine della energia dei legami chimici covalenti, i legami possono rompersi e la molecola è soggetta a frammentazione.

20. Ionizzazione La ionizzazione è il processo che, partendo dalla molecola neutra, porta alla formazione della specie ionizzata in fase gassosa La scelta del metodo di ionizzazione è importante. Metodi diversi producono diversi tipi di ioni e, soprattutto, hanno efficacia diversa in funzione del tipo di molecole studiata.

21. Ionizzazione Ionizzazione “hard” Ionizzazione “soft” Basso contenuto energia nella molecole Eccesso di energia nella molecole (rispetto alla energia di ionizzazione) Frammentazione limitata Estesa frammentazione

23. How can Mass Spectrometry help Biochemists? •Accurate molecular weight measurements sample confirmation, to determine the purity of a sample, to verify amino acid substitutions, to detect post-translational modifications, to calculate the number of disulphide bridges •Reaction monitoring to monitor enzyme reactions, chemical modification, protein digestion •Amino acid sequencing sequence confirmation, de novo characterisation of peptides, identification of proteins by database searching with a sequence “tag” from a proteolytic fragment •Oligonucleotide sequencing the characterisation or quality control of oligonucleotides •Protein structure protein folding monitored by H/D exchange, protein-ligand complex formation under physiological conditions, macromolecular structure determination

26. MALDI Adatto allo studio dei composti polari Applicazione alle molecole biologiche è tendenzialmente limitata ai bassi pesi molecolari Ca. 10000

30. ElectroSpray Ionization L’obiettivo è ottenere ioni con il rapporto m/z piu’ alto possibile ESI permette di ottenere degli ioni con molte cariche z, e di consequenza permette di studiare sistemi di elevata massa m La formazione degli ioni a temperatura ambiente permette di studiare sistemi anche labili. Tra esse le proteine multimeriche.

31. Nanospray La diminuzione del diametro del capillare e la diminuzinoe del flusso della soluzione e alla base del cosidetto NANOSPRAY. Nanospray è una tecnica di ionizzazione ancora piu’ “soft”. Dunque crea ioni a piu’ alto rapporto m/z rispetto all’ESI “convenzionale”. Nanospray è dunque particolarmente adatto per la analisi di biomolecole

34. Folded and unfolded Proteins in their native state, tend to produce multiply charged ions covering a smaller range of charge states. These charge states tend to have fewer charges than an unfolded protein would have, due to the inaccessibility of many of the protonation sites. Increasing the sampling cone voltage may provide sufficient energy for the protein to begin to unfold and create a wider charge state distribution centering on more highly charged ions in the lower m/z region of the spectrum.

35. Folded and unfolded statesHolo and apo proteins

36. Positive or Negative Ionisation? If the sample has functional groups that readily accept a proton (H+) then positive ion detection is used e.g. amines R-NH2 + H+ R-NH3+as in proteins, peptides If the sample has functional groups that readily lose a proton then negative ion detection is used e.g. carboxylic acids R-CO2H  R-CO2– and alcohols R-OH  R-O– as in saccharides, oligonucleotides