Масс-спектрометрия белков (MS) — это аналитический метод, широко используемый в биохимии, молекулярной биологии и медицине для исследования состава, структуры и функции белков. Метод основывается на измерении соотношения массы и заряда (m/z) ионов, что позволяет получать точную информацию о молекулярной массе, последовательности аминокислот и модификациях белков.
Масс-спектрометрия белков включает три основных этапа:
В масс-спектрометрии белков ключевым является процесс ионизации, так как многие биологически важные молекулы, включая белки, имеют высокую молекулярную массу и, следовательно, трудно поддаются анализу в нейтральном виде. Поэтому требуется их превращение в ионы, которые могут быть ускорены и разделены в электромагнитном поле.
Для ионизации белков в масс-спектрометрии применяются различные методы, наиболее популярными из которых являются:
Малдии (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization, MALDI). В этом методе белки подвергаются воздействию лазерного импульса, в результате чего молекулы белков ионизируются и отправляются в масс-спектрометр. Этот метод наиболее эффективен для анализа крупных молекул, таких как белки и пептиды, и позволяет анализировать смеси белков в сложных биологических образцах.
Электроспрейная ионизация (Electrospray Ionization, ESI). В этом методе образец растворяется в растворе, и с помощью электрического поля капли раствора распыляются в виде аэрозоля, и молекулы белков ионизируются. Электроспрейная ионизация особенно полезна для анализа комплексов белков, таких как белок—лиганд.
После ионизации молекулы белков разделяются в масс-спектрометре в зависимости от их массы и заряда. Это осуществляется с помощью различных методов масс-анализа:
Параметры анализа, такие как разрешение, точность измерений и чувствительность, определяют выбор конкретного метода масс-спектрометрии в зависимости от задач исследования.
На последнем этапе масс-спектрометрии данные детектируются и интерпретируются. Регистрируемая информация позволяет составить спектр массы/заряд, где каждый пик отражает ионы с определённым соотношением массы и заряда.
Интерпретация спектра масс/заряд имеет большое значение в идентификации белков и пептидов. Каждый пиковый сигнал в спектре связан с молекулой или фрагментом молекулы белка. Для определения структуры белка часто применяют методы фрагментации, такие как collision-induced dissociation (CID), при котором молекулы белка подвергаются дополнительному воздействию газа, что приводит к их разрыву на меньшие фрагменты. Эти фрагменты затем анализируются для восстановления исходной структуры.
Идентификация белков Масс-спектрометрия позволяет точно идентифицировать белки в сложных биологических образцах, таких как клеточные экстракты, сыворотка крови или тканевые срезы. Для этого используют базы данных, содержащие аминокислотные последовательности белков, что позволяет на основе полученного спектра точно определить, к какому белку принадлежит данный фрагмент.
Анализ посттрансляционных модификаций Белки могут подвергаться различным химическим модификациям после синтеза, таким как фосфорилирование, ацетилирование, метилирование и другие. Масс-спектрометрия позволяет детектировать такие изменения и выяснить, какие конкретно модификации были внесены в молекулу белка, а также на каких аминокислотах они происходят.
Изучение взаимодействий белков Масс-спектрометрия используется для анализа взаимодействий между белками, а также между белками и другими молекулами, такими как ДНК, РНК или малые молекулы. С помощью метода можно изучить комплексы белков, их связывание и изменения в структуре при взаимодействии с другими молекулами.
Структурный анализ белков Масс-спектрометрия помогает исследовать трёхмерную структуру белков, а также их стабильность при изменении условий окружающей среды (например, температуры или pH). Существуют методы, такие как масс-спектрометрия в сочетании с химиотерапевтическими исследованиями или следующие массы, которые позволяют исследовать гибкость и конформационные изменения белков в растворе.
Метаболомика и протеомика В области метаболомики масс-спектрометрия используется для анализа метаболитов, а в протеомике — для изучения всех белков организма или клетки, их относительного содержания и динамики изменения. Это даёт представление о функциональном состоянии клетки или организма в целом.
Масс-спектрометрия продолжает развиваться, и новые технологии обеспечивают ещё более высокую точность и чувствительность анализов. В настоящее время разрабатываются методы, которые позволяют значительно улучшить разрешение масс-спектрометрических измерений, а также интегрировать масс-спектрометрию с другими аналитическими методами, такими как ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и кристаллография рентгеновских лучей.
Одним из значительных направлений является развитие протеомных технологий, которые включают в себя высокоскоростные методы анализа больших наборов белков в рамках сложных биологических образцов. Использование этих методов позволяет исследовать структуры и функции белков в условиях жизни и на молекулярном уровне.
В последние годы акцент делается на повышение чувствительности и динамического диапазона масс-спектрометрии, что позволяет работать с образцами, содержащими очень низкие концентрации белков и пептидов.
Масс-спектрометрия белков — это мощный инструмент для исследования биологических молекул, который находит широкое применение в биохимии, медицине и фармакологии. Этот метод позволяет получать уникальную информацию о структуре, функции и взаимодействиях белков, а также о их посттрансляционных модификациях. Современные достижения в области масс-спектрометрии открывают новые горизонты для изучения биологических процессов на молекулярном уровне.