Método y dispositivo para calcular las distribuciones de isótopos oleculares y para estimar la composición elemental de una molécula a partir de una distribución isotópica.

Método para identificar la composición elemental de una molécula y/o cuantificar la presencia de elementos monoisotópicos en una molécula en una muestra,

de manera que dicha molécula tiene una fórmula química πα(Zα)nα con

• α, un índice que recorre un número de especies atómicas constituyentes esperadas de dicha molécula;

• Zα, la α-ésima especie atómica esperada de la molécula; y

• nα, el número de átomos de la especie Zα en la molécula,

que comprende las etapas de:

• obtener al menos una parte de una distribución isotópica a partir de dicha muestra;

• calcular un conjunto de Np alturas de los picos tj con j ≥ 1...Np, de al menos una parte de una distribución isotópica agregada a partir de dicha distribución isotópica;

• calcular a partir de dicho conjunto de alturas de los picos un conjunto de Np-1 relaciones de las alturas de los picos t^[i con i ≥ 1...Np - 1;

• obtener un valor de nα para al menos una especie atómica Zα a partir de dicho conjunto de alturas relativas de los picos, en donde dicho valor de nα se obtiene al calcular una solución de un sistema de ecuaciones lineales ΣαEiαnα ≥ Fi, de manera que el conjunto de números Fi comprende dicho conjunto de alturas relativas de los picos y los coeficientes Eiα de dicho sistema lineal comprenden las potencias y/o las sumas de las potencias de las raíces rα,iα, con iα ≥ 1...Nα, de una ecuación polinomial elemental de Nα-ésimo orden cuyo coeficiente del término de mα-ésimo orden se determina por una abundancia elemental del isótopo de la especie de átomo Zα con mα neutrones más que el isótopo estable más ligero de dicha especie de átomo que tiene el número másico Aα, de manera que las masas en las que se observan las alturas de los picos tj se separan esencialmente en 1 Da, de manera que dicho conjunto de Np - 1 relaciones de las alturas de los picos t [i con i ≥ 1... Np - se calcula recursivamente a partir de dicho conjunto de Np alturas de los picos tj con j ≥ 1....Np, mediante el uso de las etapas de:**Fórmula**

Método y dispositivo para calcular las distribuciones de isótopos moleculares y para estimar la composición elemental de una molécula a partir de una distribución isotópica

Campo técnico

La invención se refiere al campo técnico de la identificación de la composición elemental de las moléculas de polipéptidos y, más específicamente, de la identificación y cuantificación de los eventos de fosforilación de las moléculas de polipéptidos.

Antecedentes

La espectrometría de masa (MS) es una técnica analítica que se desarrolló en el siglo pasado y que mide la relación de la masa a la carga de las partículas cargadas. Se usa para determinar las masas de las partículas, para determinar la composición elemental de una muestra o molécula, y para elucidar las estructuras químicas de las moléculas, tales como los péptidos y otros compuestos químicos. El principio de la MS consiste en ionizar compuestos químicos para generar moléculas o fragmentos de moléculas cargados y medir sus relaciones de la masa a la carga. En un procedimiento típico de la MS (i) una muestra se carga en el instrumento de MS, y se somete a la vaporización, (ii) los componentes de la muestra se ionizan mediante uno de una variedad de métodos (por ejemplo, impactarlos con un haz de electrones), lo que resulta en la formación de partículas cargadas (iones), (iii) los iones se separan de acuerdo con su relación de la masa a la carga en un analizador mediante campos electromagnéticos, (iv) los iones se detectan, usualmente mediante un método cuantitativo, y (v) la señal del ion se procesa en los espectros de masa. Los instrumentos MS comprenden típicamente tres módulos: (a) una fuente de iones, que puede convertir las moléculas de la muestra en fase gaseosa en iones (o, en el caso de la ionización por electropulverización, puede mover los iones que existen en la solución hacia la fase gaseosa), (b) un analizador de masa, que ordena los iones por sus masas al aplicar campos electromagnéticos, y (c) un detector, que mide el valor de una cantidad indicadora y por lo tanto proporciona los datos para calcular las abundancias de cada ion presente. La técnica de MS tiene usos tanto cualitativos como cuantitativos. Estos incluyen identificar compuestos desconocidos, determinar la composición isotópica de los elementos en una molécula, y determinar la estructura de un compuesto al observar su fragmentación. Otros usos incluyen cuantificar la cantidad de un compuesto en una muestra o estudiar los fundamentos de la química de iones en fase gaseosa (la química de iones y neutros en un vacío). La MS se encuentra ahora en un uso muy común en los laboratorios analíticos que estudian las propiedades físicas, químicas, o biológicas de una gran variedad de compuestos.

La muestra que se introduce en un espectrómetro de masa puede consistir de una multitud de átomos o moléculas. Durante la etapa de ionización, los átomos y las moléculas pueden requerir una carga y por lo tanto pueden manipularse fácilmente por los campos eléctricos y magnéticos. La partícula cargada se acelera bajo la influencia de estos campos, inversamente proporcional a su relación de la masa a la carga m/e. Una muestra puede consistir en diferentes moléculas, con diferentes masas. Un espectrómetro de masa puede, por lo tanto, separar las moléculas que tienen masas que difieren por el ancho de la resolución de masa del espectrómetro de masa. Un resultado típico de un análisis de MS es un espectro de masa que muestra picos en, o alrededor de, ciertos valores para la masa, las alturas de los picos en ciertos valores de masa que son proporcionales a la cantidad de moléculas con esa masa que estaban presentes en la muestra. La muestra puede comprender además las mismas moléculas que se componen de átomos que tienen diferentes isótopos. Las propiedades electroquímicas de estas moléculas son las mismas, pero sus masas difieren en una cantidad que está próxima a un número entero de unidades de masa atómica (amu) o daltons (Da). Los diferentes isótopos de una molécula pueden separarse además en un espectrómetro de masa, ya que tienen una relación de la masa a la carga diferente. Puesto que una molécula puede comprender una multitud de átomos cuyos isótopos ocurren con sus abundancias elementales, cada molécula tendrá una distribución isotópica que en principio consiste en un conjunto de grupos de picos cuyas alturas dependen del contenido de átomos y de las abundancias de isótopos atómicos, estos grupos que se separan esencialmente en 1 Da. Debe ampliarse que la distribución isotópica de una molécula es una característica distintiva de esa molécula: cada molécula con un contenido atómico especificado, es decir, con una fórmula molecular especificada, tiene su distribución isotópica característica. Los diferentes isómeros de una molécula tienen, para todos los propósitos prácticos, la misma distribución isotópica. Cuando en un espectro de masa de una muestra, por ejemplo, obtenido a partir de un análisis de MS, se observa un conjunto de picos cuyas alturas relativas corresponden a las alturas relativas de la distribución isotópica de una molécula, puede deducirse la presencia de esta molécula en la muestra original. Las alturas absolutas de los picos son una medida cuantitativa de la cantidad de moléculas presentes en la muestra.

La distribución isotópica de una molécula puede calcularse a partir de la fórmula molecular y las bien conocidas abundancias elementales y masas de los átomos constituyentes. Las alturas de los picos en una distribución isotópica representan la probabilidad con la que los diferentes isótopos moleculares ocurren en la naturaleza. Como un ejemplo de una distribución isotópica de una molécula, o la huella isotópica de una molécula, puede mirarse al monóxido de

carbono o CO. El carbono (C) tiene dos isótopos estables de origen natural, 12C y 13C con abundancias de 0.9893 y 0.0107 y con masas de 12 Da y 13.0033548378 Da respectivamente. El oxígeno (O) tiene tres isótopos estables de origen natural, 160, 170 y 180 con abundancias de 0.99757, 3.8*10"4 y 2.05><10'3 y con masas de 15.99491461956 Da, 16.99913170 Da y 17.9991610 Da respectivamente. La distribución isotópica comprende 6 picos distribuidos en 4 grupos. El primer pico es un pico monoisotóplco cerca de la masa de 27.995 Da con una altura de 0.986896001. Esta altura representa la probabilidad con la que el Isótopo molecular de CO con un átomo 12C y un átomo 1sO ocurre en una amplia muestra de moléculas de CO. El segundo y el tercer pico de la distribución isotópica de CO se agrupan alrededor de 29 Da, cerca de las masas de 28.998 Da para 13C160 y 28.999 Da para 12C170 con las alturas de 0.010673999 y 0.000375934 respectivamente. El cuarto y el quinto pico se agrupan alrededor de 30 Da cerca de las masas de 29.999 Da para 12C180 y 30.002 Da para 13C170 con las alturas de 0.002028065 y 4.06600 * 10'6 respectivamente. El sexto y último pico es de nuevo un pico monoisotóplco cerca de la masa de 31.003 Da con la altura de 2.1935 * 10'5. Los números se resumen en la siguiente tabla:

De esta tabla, es evidente que el grupo de picos corresponde al número de masa total, es decir, el número de nucleones presentes en la molécula. Obviamente, la masa depende principalmente de los isótopos específicos de los átomos que componen la molécula. También se desprende de este ejemplo que los espectrómetros de masa con una resolución de masa del orden de 0.002 amu o mayor, no serán capaces de distinguir todas las diferentes variantes isotópicas dentro de un grupo. En lugar de ello, tales espectrómetros de masa mostrarán un espectro de masa con un pico ampliado para cada grupo cuya superficie debajo del pico será proporcional a las probabilidades sumadas de las variantes isotópicas dentro de ese grupo, y que se centrará alrededor de una masa central que es el promedio ponderado de las masas de las variantes isotópicas constituyentes para un grupo, los factores de ponderación que son proporcionales a las abundancias relativas o probabilidades. Este tipo de distribución isotópica agrupada se llama la distribución isotópica agregada. La distribución... [Seguir leyendo]

1. Método para identificar la composición elemental de una molécula y/o cuantificar la presencia de elementos monoisotópicos en una molécula en una muestra, de manera que dicha molécula tiene una fórmula química na(Za)na con

a, un índice que recorre un número de especies atómicas constituyentes esperadas de dicha molécula;

Za, la a-ésima especie atómica esperada de la molécula; y

na, el número de átomos de la especie Za en la molécula, que comprende las etapas de:

obtener al menos una parte de una distribución isotópica a partir de dicha muestra;

calcular un conjunto de Np alturas de los picos tj con j = 1...Np, de al menos una parte de una distribución isotópica agregada a partir de dicha distribución isotópica;

calcular a partir de dicho conjunto de alturas de los picos un conjunto de Np-1 relaciones de las alturas de los picos t¡ con / = 1...A/p -1;

obtener un valor de na para al menos una especie atómica Za a partir de dicho conjunto de alturas relativas de los

picos,

en donde dicho valor de na se obtiene al calcular una solución de un sistema de ecuaciones lineales £aE/ana = ñ, de manera que el conjunto de números F¡ comprende dicho conjunto de alturas relativas de los picos y los coeficientes E¡a de dicho sistema lineal comprenden las potencias y/o las sumas de las potencias de las raíces ra,n, con ia = 1...Na, de una ecuación polinomial elemental de A/a-ésimo orden cuyo coeficiente del término de ma-ésimo orden se

determina por una abundancia elemental ^ a> del isótopo de la especie de átomo Za con ma neutrones más que el isótopo estable más ligero de dicha especie de átomo que tiene el número másico Aa, de manera que las masas en las que se observan las alturas de los picos § se separan esencialmente en 1 Da, de manera que dicho conjunto de Np -1 relaciones de las alturas de los picos t¡ con i = 1... Np - se calcula recursivamente a partir de dicho conjunto de Np alturas de los picos tj con j = 1 ,...NP, mediante el uso de las etapas de:

ti =

Calcular tx

, , i íi+i = -r[( + 1)t¡+2 +£}-=i£¡-,-+ií:j+i] for i = 2...jvp-i.

Calcular. £il

2. Método para identificar la composición elemental de una molécula y/o cuantificar la presencia de elementos monoisotópicos en una molécula en una muestra de acuerdo con la reivindicación 1, de manera que dicho conjunto de alturas de los picos t¡ se ordena de acuerdo con la masa en la que se observa una altura del pico, de manera que no se observa ningún pico en dicha distribución isotópica o dicha distribución isotópica agregada alrededor de una masa que es esencialmente 1 Da menor que la masa en la que se observa el primero de dicho conjunto de alturas de los picos t¡,, es decir, U, de manera que dichos coeficientes E*, de dicho sistema lineal se dan por la suma de la (- /)-ésima potencia de las Na raíces de la ecuación polinomial elemental de A/a-ésimo orden cuyo coeficiente del

P(Aa+mzaZa)

término de ma-ésimo orden se determina por la abundancia elemental " del isótopo de la especie

atómica Za con ma neutrones más que el isótopo estable más ligero de dicha especie atómica que tiene un número

F = Yw" r~i

a ^ia=l '«.la'

másico A., es decir y de manera que dicho conjunto de números F, se da por dicho conjunto de

relaciones de las alturas de los picos í¡, es decir, F, = f¡, y de manera que dicho número Np -1 de las relaciones de las alturas de los picos es al menos dicho número de especies atómicas constituyentes esperadas de dicha molécula con dos o más isótopos estables.

3. Método para identificar la composición elemental de una molécula y/o cuantificar la presencia de elementos monoisotópicos en una molécula en una muestra de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a la 2, de manera que dichas especies atómicas esperadas comprenden carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y/o azufre.

4. Método para identificar la composición elemental de una molécula y/o cuantificar la presencia de elementos monoisotópicos en una molécula en una muestra de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a la 3, de manera que dicha molécula comprende al menos un átomo constituyente monoisotópico en su fórmula química, que comprende además las etapas de:

obtener a partir de dicha distribución isotópica una masa medida, dentro de una precisión de ±0.5 Da, en la que aparece un pico de isótopo;

calcular una masa esperada en la que aparece dicho pico de isótopo para una segunda molécula con una segunda fórmula química que es dicha fórmula química a partir de la cual se elimina el átomo constituyente monoisotópico;

comparar dicha masa medida con dicha masa esperada para deducir la presencia de dicha molécula que comprende al menos un átomo constituyente monoisotópico en dicha muestra, de manera que al menos dicho átomo constituyente monoisotópico es el fósforo.

5. Dispositivo adaptado para identificar la composición elemental de una molécula y/o cuantificar la presencia de

elementos monoisotópicos en una molécula en una muestra mediante el uso del método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a la 4.

6. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 5, que comprende una instalación espectrométrica de masa y una unidad 10 de cálculo conectada funcionalmente a la instalación espectrométrica de masa, la unidad de cálculo dispuesta para

identificar la composición elemental de una molécula y/o cuantificar la presencia de elementos monoisotópicos en una molécula en una muestra mediante el uso del método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a la 4.

7. Dispositivo instalable en computadora que comprende una implementación del método de acuerdo con cualquiera de 15 las reivindicaciones 1 a la 4.