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Masa molecular

La masa molecular ( m ) es la masa de una molécula dada , expresada a menudo en daltons ( Da). [ 1 ] Diferentes moléculas del mismo compuesto pueden tener masas moleculares dist...

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La masa molecular ( m ) es la masa de una molécula dada , expresada a menudo en daltons ( Da). [ 1 ] Diferentes moléculas del mismo compuesto pueden tener masas moleculares distintas debido a que contienen diferentes isótopos de un elemento. La magnitud derivada, la masa molecular relativa, es la relación adimensional entre la masa de una molécula y la constante de masa atómica (que es igual a un dalton). [ 2 ]

La masa molecular y la masa molecular relativa son distintas de la masa molar , pero están relacionadas con ella . La masa molar se define como la masa de una sustancia determinada dividida por su cantidad , y se expresa en gramos por mol (g/mol). Esto hace que la masa molar sea un promedio de muchas partículas o moléculas (ponderado por la abundancia de los isótopos ), mientras que la masa molecular es la masa de una partícula o molécula específica. La masa molar suele ser la magnitud más apropiada cuando se trata de cantidades macroscópicas (pesables) de una sustancia.

La definición de peso molecular es, por lo general, sinónimo de masa molecular relativa , que es adimensional; sin embargo, en la práctica, el uso de esta terminología es muy variable. Cuando el peso molecular se expresa en Da, suele ser como un promedio ponderado (por abundancia), similar a la masa molar pero con unidades diferentes. En biología molecular y bioquímica , la masa de las macromoléculas se denomina peso molecular y se expresa en kilodaltons (kDa), aunque el valor numérico suele ser aproximado y representativo de un promedio.

Los términos «masa molecular», «peso molecular» y «masa molar» pueden usarse indistintamente en contextos menos formales donde no se requiere precisión en las unidades y cantidades. La masa molecular se usa con mayor frecuencia al referirse a la masa de una molécula individual o específica bien definida, y con menor frecuencia que el peso molecular al referirse a un promedio ponderado de una muestra. Antes de la revisión de 2019 del SI , las cantidades expresadas en daltons (Da) eran, por definición, numéricamente equivalentes a la masa molar expresada en g/mol y, por lo tanto, eran estrictamente intercambiables numéricamente. Después de la revisión de 2019, esta relación es solo aproximada, pero la equivalencia aún puede asumirse para todos los fines prácticos.

La masa molecular de moléculas pequeñas y medianas, medida mediante espectrometría de masas, permite determinar la composición elemental de la molécula. Las masas moleculares de macromoléculas, como las proteínas, también pueden determinarse mediante espectrometría de masas; sin embargo, cuando no se dispone de datos cristalográficos o espectrométricos de masas, se utilizan métodos basados ​​en la viscosidad y la dispersión de la luz para determinar la masa molecular .

Cálculo

Las masas moleculares se calculan a partir de las masas atómicas de cada nucleido presente en la molécula, mientras que las masas molares y las masas moleculares relativas (pesos moleculares) se calculan a partir de los pesos atómicos estándar [ 3 ] de cada elemento . El peso atómico estándar tiene en cuenta la distribución isotópica del elemento en una muestra dada (generalmente se supone "normal"). Por ejemplo, el agua tiene una masa molar de 18,0153(3) g/mol, pero las moléculas individuales de agua tienen masas moleculares entre 18,010  564  6863(15)  Da ( 1 H2 16O) y 22.027 7364(9) Da (2H2 18O).

Las masas atómicas y moleculares se suelen expresar en daltons , que se definen en función de la masa del isótopo 12C (carbono-12). Sin embargo, en la práctica común todavía se utiliza la denominación de unidad de masa atómica unificada (u). Las masas atómicas y moleculares relativas, tal como se definen, son adimensionales . Las masas molares, cuando se expresan en g / mol, tienen valores numéricos casi idénticos a las masas atómicas y moleculares relativas. Por ejemplo, la masa molar y la masa molecular del metano , cuya fórmula molecular es CH₄ , se calculan respectivamente de la siguiente manera:

La incertidumbre en la masa molecular refleja la varianza (error) en la medición, no la varianza natural en las abundancias isotópicas a nivel global. En la espectrometría de masas de alta resolución, los isótopos 12C1H4 y 13C1H4 se observan como moléculas distintas , con masas moleculares de aproximadamente 16,031 Da y 17,035 Da, respectivamente. La intensidad de los picos de espectrometría de masas es proporcional a las abundancias isotópicas en las especies moleculares. También se puede observar 12C2H1H3 con una masa molecular de 17 Da .

Determinación

Espectrometría de masas

En espectrometría de masas, la masa molecular de una molécula pequeña se suele reportar como masa monoisotópica : es decir, la masa de la molécula que contiene únicamente el isótopo más común de cada elemento. Esto difiere sutilmente de la masa molecular en que la selección de isótopos está definida y, por lo tanto, se trata de una única masa molecular específica entre las (quizás muchas) posibilidades. Las masas utilizadas para calcular la masa molecular monoisotópica se encuentran en una tabla de masas isotópicas y no en una tabla periódica típica. La masa molecular promedio se usa a menudo para moléculas más grandes, ya que es poco probable que las moléculas con muchos átomos estén compuestas exclusivamente del isótopo más abundante de cada elemento. Se puede calcular una masa molecular promedio teórica utilizando los pesos atómicos estándar que se encuentran en una tabla periódica típica. Sin embargo, la masa molecular promedio de una muestra muy pequeña puede diferir sustancialmente de esta, ya que el promedio de una sola muestra no es lo mismo que el promedio de muchas muestras distribuidas geográficamente.

Fotometría de masas

La fotometría de masas (PM) es un método rápido, en solución y sin marcadores para obtener la masa molecular de proteínas, lípidos, azúcares y ácidos nucleicos a nivel de molécula individual. La técnica se basa en la microscopía de luz dispersa interferométrica. [ 4 ] Se detecta el contraste de la luz dispersa por un único evento de unión en la interfaz entre la solución de proteína y el portaobjetos de vidrio, y es linealmente proporcional a la masa de la molécula. Esta técnica también se puede utilizar para medir la homogeneidad de la muestra, [ 5 ] para detectar estados de oligomerización de proteínas y para identificar ensamblajes macromoleculares complejos ( ribosomas , GroEL , AAV ) e interacciones proteicas como las interacciones proteína-proteína. [ 6 ] La fotometría de masas puede medir con precisión la masa molecular en un amplio rango de masas moleculares (40 kDa – 5 MDa).

Métodos hidrodinámicos

En una primera aproximación, la base para la determinación de la masa molecular según las relaciones de Mark-Houwink [ 7 ] es el hecho de que la viscosidad intrínseca de las soluciones (o suspensiones ) de macromoléculas depende de la proporción volumétrica de las partículas dispersas en un disolvente particular. Específicamente, el tamaño hidrodinámico en relación con la masa molecular depende de un factor de conversión que describe la forma de una molécula en particular. Esto permite describir la masa molecular aparente a partir de una variedad de técnicas sensibles a los efectos hidrodinámicos, incluyendo DLS , SEC (también conocida como GPC cuando el eluyente es un disolvente orgánico), viscometría y espectroscopia de resonancia magnética nuclear ordenada por difusión (DOSY). [ 8 ] El tamaño hidrodinámico aparente se puede utilizar para aproximar la masa molecular mediante una serie de estándares específicos para macromoléculas. [ 9 ] Dado que esto requiere calibración, frecuentemente se describe como un método de determinación de masa molecular "relativo".

Dispersión de luz estática

También es posible determinar la masa molecular absoluta directamente a partir de la dispersión de la luz, tradicionalmente mediante el método de Zimm . Esto se puede lograr mediante la dispersión de luz estática clásica o mediante detectores de dispersión de luz multiángulo . Las masas moleculares determinadas por este método no requieren calibración, de ahí el término "absoluta". La única medición externa necesaria es el incremento del índice de refracción , que describe el cambio en el índice de refracción con la concentración.

Véase también

Referencias

  1. ↑ El Sistema Internacional de Unidades (PDF) , V4.01 (9.ª  ed.), Oficina Internacional de Pesas y Medidas, junio de 2026, pág.  145, ISBN 978-92-822-2272-0
  2. ↑ IUPAC. Compendio de terminología química, 2.ª ed. (el "Libro de Oro"). Compilado por AD McNaught y A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Versión en línea (2019-) creada por SJ Chalk. ISBN 0-9678550-9-8. https://doi.org/10.1351/goldbook .
  3. ↑ "Pesos atómicos y composiciones isotópicas de todos los elementos" . NIST . Consultado el 14 de octubre de 2007 .
  4. ↑ Young et al. (2018). Imágenes cuantitativas de macromoléculas biológicas individuales. Science 360, 423-427. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aar5839
  5. ↑ Sonn-Segev, A., Belacic, K., Bodrug, T. et al. Cuantificación de la heterogeneidad de las máquinas macromoleculares mediante fotometría de masas. Nat Commun 11, 1772 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-15642-w
  6. ↑ Soltermman et al. Cuantificación de interacciones proteína-proteína mediante recuento molecular utilizando fotometría de masas. Angew. Chem Int Ed, 2020, 59(27), 10774-10779
  7. ↑ Paul, Hiemenz C., y Lodge P. Timothy. Química de polímeros. Segunda edición. Boca Raton: CRC P, 2007. 336, 338–339.
  8. ↑ Johnson Jr., CS (1999). "Espectroscopia de resonancia magnética nuclear ordenada por difusión: principios y aplicaciones". Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy . 34 ( 3– 4): 203– 256. Bibcode : 1999PNMRS..34..203J . doi : 10.1016/S0079-6565(99)00003-5 .
  9. ↑ Neufeld, R.; Stalke, D. (2015). "Determinación precisa del peso molecular de moléculas pequeñas mediante DOSY-NMR utilizando curvas de calibración externas con coeficientes de difusión normalizados" ( PDF) . Chem. Sci. 6 (6): 3354– 3364. doi : 10.1039/C5SC00670H . PMC 5656982. PMID 29142693 .  
  • Una aplicación gratuita para Android para el cálculo del peso molecular y recíproco de cualquier fórmula química.
  • Complemento de estequiometría para Microsoft Excel, archivado el 11 de mayo de 2011 en Wayback Machine , para el cálculo de pesos moleculares, coeficientes de reacción y estequiometría.