A Gas-Phase Approach to Biomolecular Structure: Combining Ion Mobility-Mass Spectrometry with Spectroscopy
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Beschreibung
Die Struktur und Funktion von Biomolekülen sind eng miteinander verbunden. Um biochemische Prozesse in lebenden Organismen auf molekularer Ebene zu verstehen, ist daher die Kenntnis von strukturellen Details der beteiligten Moleküle von großer Bedeutung. Proteine sind molekulare Maschinen, die lebenswichtige Aufgaben im Organismus erfüllen, und sind als solche eines der wichtigsten Forschungsobjekte in den Lebenswissenschaften. Für Strukturuntersuchungen von Proteinen bieten Gasphasenmethoden vielversprechende Ansätze. Im Gegensatz zu Methoden die auf Untersuchungen in der Flüssig- oder Festphase basieren, bietet die Gasphase eine einzigartige Reinraumumgebung, die es erlaubt den Analyten isoliert, und frei von Umgebungseinflüssen zu untersuchen. Ein zentraler Bestandteil der vorliegenden Dissertation ist die Beschreibung, die Charakterisierung und Etablierung eines neuen Versuchsaufbaus in dem verschiedene struktursensible Gasphasenmethoden vereint sind. Durch diesen soll eine detaillierte Untersuchung von Strukturen biologisch relevanter Moleküle ermöglicht werden.
Die Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie (IM-MS) erlaubt sowohl die Trennung als auch die Bestimmung der Größe von Molekülionen mit gleichem Masse-zu-Ladungs Verhältnis (m/z), und unterschiedlicher Form. In der vorliegenden Arbeit wird sie zunächst verwendet um den Einfluss der Ladungen eines Proteinions auf dessen Faltung in der Gasphase zu untersuchen. Die Studie zeigt, dass intramolekulare Ladungssolvatation eine wichtige Rolle bei der (Um)Faltung von Proteinen in der Gasphase spielt. Darüber hinaus wird gezeigt wie selektive Mikrosolvatisierung von geladenen Gruppen dazu beitragen kann die Umfaltung potentiell nativer Strukturelemente nach dem Transfer des Proteins in die Gasphase zu verhindern.
IM-MS ist jedoch nur empfindlich auf die äußere Form eines Molekülions. Die Photodissoziation von Proteinionen mittels Photonen im ultravioletten (UV) Wellenlängenbereich hingegen, ist potentiell empfindlich auf Details von Proteinstrukturen. Sie ist ein vielversprechendes Werkzeug zur Sequenzierung von Proteinen, da die Dissoziation des Proteinrückgrates statistisch über die gesamte Proteinsequenz erfolgt. In dem hier beschriebenen neuen Versuchsaufbau wird diese Methode mit IM-MS kombiniert um deren Empfindlichkeit auf höhere Proteinstrukturelemente zu untersuchen. Die präsentierte Studie zeigt, dass UV (193 nm) Photodissoziation strukturelle Ähnlichkeiten zwischen Gruppen verschiedener Proteinkonformere auösen kann. Des Weiteren wird durch den Vergleich mit theoretischen Modellstrukturen deutlich, dass die hier beobachteten Strukturunterschiede auf die cis/trans Isomerisierung einer einzigen Peptidbindung zurückzuführen sind.
Eine Methode, die sehr direkte Information über Molekülstruktur liefern kann, ist die Infrarot-(IR) Spektroskopie. Absorptionsbanden in einem experimentellen Infrarot-Molekülspektrum sind höchst indikativ für bestimmte Vibrationen innerhalb eines Moleküls. Diese wiederum sind stark von der lokalen Struktur der jeweiligen Oszillatoren abhängig. Eine große Anzahl experimenteller und theoretischer Studien haben die Methode auch für die Untersuchung von Gasphasenmolekülen etabliert. Die Kombination von IR-Spektroskopie mit IM-MS zur spektroskopischen Untersuchung von größen- und m/z-selektierten Molekülionen ist einer der Schwerpunkte dieser Dissertation. Es wird zunächst gezeigt, dass die kombinierten Methoden, in Verbindung mit quantenchemischen Rechnungen, eindeutige Indizien für zwei verschiedene Protomere des relativ kleinen Moleküls Benzocain liefern kann. Die Rechnungen zeigen zudem, dass die dielektrischen Eigenschaften der direkten Molekülumgebung großen Einfluss auf die Stabilität bestimmter Strukturen haben können.
Dass der kombinierte Gasphasenansatz auch auf größere Moleküle und Molekülaggregate anwendbar ist, wird im letzten Kapitel dieser Arbeit gezeigt. Hier werden die Strukturen von frühen Oligomeren kurzer, amyloidogener Peptidsequenzen untersucht. Solche amyloidogene Peptide und Proteine spielen eine zentrale Rolle in einer Vielzahl neurodegenerativer Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson. Im Krankheitsfall gehen die involvierten Proteine spontan von einer löslichen, teilweise gefalteten Form zu unlöslichen Fibrillen über, die reich an ß-Faltblatt-Sekundärstrukturelementen sind. Größen- und m/z-selektive IR-Spektroskopie bietet hier erste Anhaltspunkte, dass schon frühe Oligomere mit nur vier oder fünf Peptid-Untereinheiten einen erheblichen Anteil an ß -Faltblättern besitzen können. Diese Studie stellt die erste direkte Messung von Sekundärstruktur von isolierten Amyloid-Intermediaten dar, und eröffnet somit neue Wege auf dem Feld der Amyloidforschung.
Autor*in
Stephan Warnke
Themen in »A Gas-Phase Approach to Biomolecular Structure: Combining Ion Mobility-Mass Spectrometry with Spectroscopy«
Biomolecular Structure Gas-Phase Approach Mobility-Mass Spectrometry Spectroscopy