Mas senspektrometrie in der Biochemie

Transkript

1 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Wolf D. Lehmann Mas senspektrometrie in der Biochemie Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg Berlin Oxford

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung 1 Wie kam diese Entwicklung der Massenspektrometrie zustande? 1 Stammbaum der massenspektrometrischen Ionisierungsverfahren 2 Auf welche biochemischen Substanzklassen ist die Massenspektrometrie anwendbar? 3 Welche Art von Information liefert die Massenspektrometrie in der Biochemie? 4 Weiterführende Literatur 5 1 Elektronenstoß-Ionisierung (EI) und Prinzipien der Massenanalyse 7 Grundlagen Elektronenstoß-Ionisierung Massenanalysatoren 9 Sektorfeld-Instrumente 9 Quadrupol-Sy steme 10 Elektrische Ionenfalle (Ion Trap, IT) 12 Magnetische Ionenfalle (Ionenzyklotron-Resonanz, ICR) 14 Flugzeit-Analysatoren 14 Zusammenfassung Strukturinformationen aus Ei-Spektren Informationen zur Bruttoformel 22 Isotopenmuster Scantechniken bei Chromatographie-MS-Kopplungen 26 Registrierung des Gesamtspektrums 26 Registrierung ausgewählter Ionen, Selected Ion Monitoring (SIM) 31 Registrierung von durch Kollisionsaktivierung erzeugten Ionen Quantitative Messungen Instrumentierung bei EI-MS 37 Weiterführende Literatur 39 2 Chemische Ionisation (CI) Positiv-Ionen Chemische Ionisation 43 Direkte Chemische Ionisation Negativ-Ionen Chemische Ionisation (NICI) Chemische Ionisation bei Atmosphärendruck (API) 48 Weiterführende Literatur 52

3 X Inhaltsverzeichnis 3 Fast Atom Bombardment (FAB) FAB-Ionisierungsmechanismus Matrix-Komponenten bei FAB-MS Matrix-Reaktionen 69 Chemische Reaktionen in der Matrix Salzeffekte bei FAB-MS Gemischanalyse mit FAB Präzisionsmassenbestimmung mit FAB Continuous-Flow FAB-MS Isotopenverdünnung und FAB-MS Instrumentierung bei FAB-MS 94 Weiterführende Literatur 96 4 Electrospray-Ionisation (ESI) Ionisierungsprinzip 99 Pneumatisch-unterstützte ESI 100 Negativ-Ionen ESI-MS 102 ESI-on-line-Reaktionen Modellvorstellungen zur Ionenbildung 106 Einfluß von anorganischen Salzen und Detergentien Micro Varianten von ESI Auswertung und Charakteristik von ESI-Massenspektren 115 Charakteristik von ESI-Massenspektren, niedermolekulare Verbindungen 115 Charakteristik von ESI-Massenspektren, hochmolekulare Verbindungen 116 Massenspektrometrischer Nachweis von Ionen hoher Masse 117 Dekonvolution von ESI-Massenspektren 119 Ionenserien-unabhängige Bestimmung des Ladungszustands Instrumentierung bei ESI-MS 122 Konventionelle Instrumentierung 122 Flüssigchromatographie-ESI-MS 125 Fourier-Transform-Ionenzyklotron-Resonanz-MS (FT-ICR-MS) 126 Weiterführende Literatur Matrix-unterstützte Laserdesorption-Ionisation (MALDI) Prinzip und Probenpräparation Molekulargewichtsbestimmung mit MALDI 141 Richtigkeit der MALDI-TOF-Massenbestimmung von Peptiden 142 Richtigkeit der MALDI-TOF-Massenbestimmung von Proteinen 143 Fehlermöglichkeiten bei der MALDI-Molekulargewichtsbestimmung von Proteinen MALDI-Fragmentionenanalyse (MALDI-PSD) Instrumentierung bei MALDI 152 Weiterführende Literatur 153

4 Inhaltsverzeichnis XI 6 Kollisionsinduzierte Fragmentierung und MS/MS-Techniken Prinzip Hochenergie-Stoßaktivierung Niederenergie-Stoßaktivierung 160 Stoßaktivierung in der Transfer-Region (API-CID) 164 Produktionen(Tochterionen) -Analyse 167 Vorläuferionen-Analyse 170 Neutral verlust-analyse 170 Hybrid-Scantechniken 171 Weiterführende Literatur Lipide 177 Einleitung Lineare oxidierte Fettsäuren 177 Analyse von Hydroperoxyfettsäuren mit negativ-ionen ESI undesi-ms/ms 177 Analyse von Hydroxyfettsäuren mit GC-(EI)MS 180 Hydroxylierte Fettsäuren in Speichel, bestimmt mit GC-(EI)MS 185 Gesamtprofil hydroxylierter Fettsäuren in Maus-Epidermis, bestimmt mit GC-(EI)MS 188 Analyse von Hydroxyfettsäuren mit GC-(NICI)MS 192 HETE-Identifizierung mit MS/MS Cyclische oxidierte Fettsäuren Leukotriene 201 Leukotrien-Synthese 201 GC-MS-Analyse von Leukotrien-Metaboliten Metabolismus von Iod-markierten Fettsäuren 211 Weiterführende Literatur Polare und komplexe Lipide Analyse von Phospholipiden mit FAB- oder ESI-MS MS/MS zur Fettsäureanalyse von Phospholipiden 226 Phospholipide mit neutraler oder zwitterionischer Kopfgruppe 226 Phospholipide mit quartärer Ammonium-Kopfgruppe Oxidierte polare Lipide Nachweis von Lipid-Sulfatestern 241 Sulfat - bzw. Phosphat-spezifische Fragmente 241 Identifizierung von Cholesterin-3-sulfat in Keratinozyten 245 Weiterführende Literatur Peptide und Proteine Molekulargewichtsbestimmung von Peptiden 256 FAB-MS 256 ESI-MS 260 MALDI-MS 263

5 XII Inhaltsverzeichnis 9.2 Molekulargewichtsbestimmung von Proteinen 265 Isotopenverteilung von Protein-Molekülsignalen 265 Erreichbare Genauigkeit 268 Richtigkeit der Molekulargewichtsbestimmung, Fehlermöglichkeiten 269 Erkennung von Nebenkomponenten in rekombinant erzeugten Proteinen 270 Korrektur der Myoglobin- und Albumin-Sequenz Sequenzierung von Peptiden mit MS und MS/MS 274 Fragmentierung von Peptiden 274 Peptidsequenzierung mit Kollisions-induzierter Fragmentierung 276 Ablesen der Sequenzinformation aus Stoßaktivierungsspektren 279 Vergleich zwischen API-CID und Kollisionszellen-CID 282 Kollisionsaktivierung von größeren Peptiden (M r > lkd) 283 Fragmentierung von Metallion/Peptid-Komplexen 287 Verbesserung der MS/MS Sequenzinformation durch Derivatisierung 288 Stoßaktivierung und l3 C-Isotopenmuster 290 MALDI- und ESI -MS zur Unterstützung des Edman-Abbaus N- und C-terminale Leitersequenzierung 293 N-terminale Leitersequenzierung 294 Erzeugung von Peptidleitern durch Säurespaltung Modifizierte Proteine 299 Kohlenhydrat-Modifikationen 299 Phosphorylierte Proteine 304 Funktionalisierung von Peptiden O-Markierung in der Proteinanalytik 313 Protease/Substrat-Wechselwirkung 315 O-markierte Peptide als interne Standards 320 Bestimmung des C-terminalen Fragments 322 Verbesserung der Sequenzinformation aus MS/MS-Analysen 325 Bestimmung von N-Glykosylierungsstellen 329 Bestimmung von Succinimid-Derivaten Identifizierung von Proteinen mit MS Spezifische Metall-Protein-Wechselwirkungen 342 Spezifische versus unspezifische Metallionen-Wechselwirkung 342 Komplexierung von Alkalikationen durch einen Kronenether- Liganden 343 Spezifische Calcium-Komplexierung von Calmodulin und Lactalbumin 344 Spezifische Cu-His- und Zn-His-Komplexierung 347 Spezifische Zn-Cys- und Cd-Cys-Wechselwirkungen Spezifische nichtkovalente Wechselwirkungen 349 ESI-Bedingungen zur Beobachtung nichtkovalenter Wechselwirkungen 349 Spezifische Proteinkonformation 350

6 Inhaltsverzeichnis XIII Enzym-Coenzym-Komplex, Einfluß des Lösungsmittels 352 Streptavidin/Streptavidin und Strepavidin/Biotin-Wechselwirkungen 354 Spezifische DNA-Doppelstrangbildung 355 Nichtkovalente Wechselwirkung und H/D-Austauschkinetik 357 Spezifität der Adduktionenbildung 358 MALDI-MS und nichtkovalente Wechselwirkungen Nachweis und Sequenzierung von immunreaktiven Peptiden 360 Weiterführende Literatur Kohlenhydrate und Kohlenhydrat-Konjugate 371 Neutrale Oligosaccharide, Molekulargewichtsinformation 371 Strukturanalyse von Oligosacchariden 374 Glykolipide 378 Ionische Oligosaccharide 380 Weiterführende Literatur Nucleotide 387 ESI-MS von Oligonucleotiden 389 MALDI-MS von Oligonucleotiden 392 Weiterführende Literatur 397 Anhang 399 Index 411