Введение
Масса данной молекулы в далтонах. Молекулярная масса (m) – это масса данной молекулы. Часто используется единица дальтон (Da). Различные молекулы одного и того же соединения могут иметь разные молекулярные массы, поскольку они содержат разные изотопы элемента. Вычисляемая величина относительной молекулярной массы – это безразмерное отношение массы молекулы к атомной массе постоянной (которая равна одному далтону). Молекулярная масса и относительная молекулярная масса отличаются от молярной массы, но связаны с ней. Молярная масса определяется как масса данного вещества, деленная на количество вещества и выражается в граммах на моль (г/моль). Это делает молярную массу средним значением для множества частиц или молекул, а молекулярную массу – массой одной конкретной частицы или молекулы. Молярная масса обычно является более подходящей величиной при работе с макроскопическими (взвешиваемыми) количествами вещества. Определение молекулярного веса наиболее авторитетно является синонимом относительной молекулярной массы; однако на практике использование этой терминологии сильно варьируется. Когда молекулярный вес указывается в единицах Da, он часто представляет собой средневзвешенное значение, аналогичное молярной массе, но с другими единицами измерения. В молекулярной биологии масса макромолекул называется их молекулярным весом и выражается в кДа, хотя числовое значение часто является приблизительным и представляет собой среднее значение. Термины «молекулярная масса», «молекулярный вес» и «молярная масса» могут использоваться взаимозаменяемо в менее формальных контекстах, где не требуется строгое соблюдение единиц измерения и количеств. Молекулярная масса чаще используется при упоминании массы одной или конкретной, чётко определённой молекулы, и реже, чем молекулярный вес, при упоминании средневзвешенного значения для образца. До переопределения основных единиц СИ в 2019 году величины, выраженные в дальтонах (Da), по определению численно соответствовали молярной массе, выраженной в единицах г/моль, и поэтому были строго взаимозаменяемыми в численном выражении. После переопределения единиц 20 мая 2019 года эта взаимосвязь является лишь приблизительно эквивалентной, хотя разница пренебрежимо мала для всех практических целей. Молекулярная масса малых и средних молекул, измеренная с помощью масс-спектрометрии, может быть использована для определения элементного состава молекулы. Молекулярные массы макромолекул, таких как белки, также могут быть определены с помощью масс-спектрометрии; однако методы, основанные на вязкости и рассеянии света, также используются для определения молекулярной массы, когда кристалографические или масс-спектрометрические данные недоступны.
The molecular mass (m) is the mass of a given molecule. The unit dalton (Da) is often used. Different molecules of the same compound may have different molecular masses because they contain different isotopes of an element. The derived quantity relative molecular mass is the unitless ratio of the mass of a molecule to the atomic mass constant (which is equal to one dalton). The molecular mass and relative molecular mass are distinct from but related to the molar mass. The molar mass is defined as the mass of a given substance divided by the amount of a substance, is expressed in grams per mol (g/mol). That makes the molar mass an average of many particles or molecules, and the molecular mass the mass of one specific particle or molecule. The molar mass is usually the more appropriate quantity when dealing with macroscopic (weigh able) quantities of a substance. The definition of molecular weight is most authoritatively synonymous with relative molecular mass; however, in common practice, use of this terminology is highly variable. When the molecular weight is given with the unit Da, it is frequently as a weighted average similar to the molar mass but with different units. In molecular biology, the mass of macromolecules is referred to as their molecular weight and is expressed in kDa, although the numerical value is often approximate and representative of an average. The terms "molecular mass", "molecular weight", and "molar mass" may be used interchangeably in less formal contexts where unit and quantity correctness is not needed. The molecular mass is more commonly used when referring to the mass of a single or specific well defined molecule and less commonly than molecular weight when referring to a weighted average of a sample. Prior to the 2019 redefinition of SI base units quantities expressed in daltons (Da) were by definition numerically equivalent to molar mass expressed in the units g/mol and were thus strictly numerically interchangeable. After the 20 May 2019 redefinition of units, this relationship is only nearly equivalent, although the difference is negligible for all practical purposes. The molecular mass of small to medium size molecules, measured by mass spectrometry, can be used to determine the composition of elements in the molecule. The molecular masses of macromolecules, such as proteins, can also be determined by mass spectrometry; however, methods based on viscosity and light scattering are also used to determine molecular mass when crystallographic or mass spectrometric data are not available.
Расчет
Молекулярные массы рассчитываются на основе атомных масс каждого нуклида, присутствующего в молекуле, а относительные молекулярные массы – на основе стандартных атомных весов каждого элемента. Стандартный атомный вес учитывает изотопное распределение элемента в данной пробе (обычно предполагается «нормальным»). Например, относительная молекулярная масса воды составляет 18,0153(3), но отдельные молекулы воды имеют молекулярные массы в диапазоне от 18,010 564 6863(15) Да (1H16O) до 22,027 7364(9) Да (2H18O). Атомные и молекулярные массы обычно выражаются в далтонах, которые определяются через массу изотопа 12C (углерод-12). Относительные атомные и молекулярные массы, по определению, безразмерны. Однако в практической работе по-прежнему используется термин «унифицированная атомная единица массы» (u). Например, относительная молекулярная масса и молекулярная масса метана, с молекулярной формулой CH4, рассчитываются следующим образом:
Относительная молекулярная масса CH4 Стандартный атомный вес Количество Общая молекулярная масса (безразмерная) C 1 H 4 CH4 Молекулярная масса 12C1H4 Масса нуклида Количество Общая молекулярная масса (Да или u) 12C 12.00 1 12.00 1H 1.007825 4 4.0313 CH4 16.0313
Неопределенность в молекулярной массе отражает разброс (погрешность) в измерении, а не естественный разброс изотопных соотношений в природе. В масс-спектрометрии высокого разрешения массовые изотопомеры 12C1H4 и 13C1H4 наблюдаются как отдельные молекулы с молекулярными массами приблизительно 16,031 Да и 17,035 Да соответственно. Интенсивность пиков в масс-спектре пропорциональна изотопным соотношениям в молекуле. Также можно наблюдать 12C 2H 1H3 с молекулярной массой 17 Да.
Массовая спектрометрия
В масс-спектрометрии молекулярная масса небольших молекул обычно приводится как моноизотопная масса, то есть масса молекулы, содержащей только наиболее распространенный изотоп каждого элемента. Это также тонко отличается от молекулярной массы тем, что выбор изотопов задан, и, следовательно, представляет собой одно конкретное значение молекулярной массы из множества возможных. Значения масс, используемые для расчета моноизотопной молекулярной массы, можно найти в таблице изотопных масс, а не в обычной периодической таблице. Для более крупных молекул часто используется средняя молекулярная масса, поскольку маловероятно, что молекулы, содержащие много атомов, будут состоять исключительно из наиболее распространенных изотопов каждого элемента. Теоретическую среднюю молекулярную массу можно рассчитать, используя стандартные атомные веса, указанные в обычной периодической таблице, поскольку в молекуле, вероятно, будет статистическое распределение атомов, представляющих различные изотопы. Однако средняя молекулярная масса конкретного образца обычно существенно отличается от этой теоретической величины, поскольку среднее значение для одного образца не является тем же самым, что и среднее значение по множеству географически распределенных образцов.
Массовая фотометрия
Массовая фотометрия (МФ) – это быстрый, безмеченный метод определения молекулярной массы белков, липидов, сахаров и нуклеиновых кислот в растворе на уровне отдельных молекул. Техника основана на интерферометрической микроскопии рассеянного света. Контраст, возникающий при рассеянии света в результате единичного связывания на границе между белковым раствором и стеклянной подложкой, регистрируется и линейно пропорционален массе молекулы. Данный метод также позволяет оценивать однородность образца, определять степень олигомеризации белков, характеризовать сложные макромолекулярные комплексы (рибосомы, GroEL, AAV) и изучать белковые взаимодействия, включая белок-белковые взаимодействия. Массовая фотометрия способна измерять молекулярную массу с высокой точностью в широком диапазоне (от 40 кДа до 5 МДа).
Гидродинамические методы
В первом приближении, основой для определения молекулярной массы по уравнениям Марка–Хоувинка является то, что внутренняя вязкость растворов (или суспензий) макромолекул зависит от объемной доли дисперсных частиц в заданном растворителе. В частности, гидродинамический размер, соотнесенный с молекулярной массой, зависит от коэффициента, описывающего форму конкретной молекулы. Это позволяет определять кажущуюся молекулярную массу с использованием различных методов, чувствительных к гидродинамическим эффектам, таких как DLS, SEC (также известного как GPC при использовании органического элюента), вискометрия и диффузионно-зависимая спектроскопия ядерного магнитного резонанса (DOSY). Полученный кажущийся гидродинамический размер затем можно использовать для приблизительной оценки молекулярной массы, используя ряд стандартов, специфичных для макромолекул. Поскольку для этого требуется калибровка, данный метод часто описывают как определение "относительной" молекулярной массы.
Статическое рассеивание света
Также можно определить абсолютную молекулярную массу непосредственно по рассеянию света, традиционно используя метод Цимма. Это достигается либо с помощью классического статического рассеяния света, либо с помощью многоугловых детекторов рассеяния света. Молекулярные массы, определенные этим методом, не требуют калибровки, поэтому и называются "абсолютными". Единственным необходимым внешним измерением является приращение показателя преломления, которое характеризует изменение показателя преломления в зависимости от концентрации.