Reinigung und Analytik 1. Reinigung RP-HPLC 2. Aminosäureanalytik 3. Sequenzierung Edman-Abbau Massenspektrometrie -44- Reinigung synthetischer Peptide Typischer Synthesemaßstab 10 - 200 :mol (10mer Peptid: ca. 1 - 200 mg) K Flüssigchromatographie 1. Ausschlusschromatographie (SEC) • Entsalzung (Kartusche) • niedriger Salzgehalt, flüchtige Puffer • entfernt effektiv: Salze, Scavenger, Schutzgruppen, Lösungsmittel aber nicht: Fehlsequenzen, partiell geschützte Peptide • hohe Wiederfindungsrate • niedrige Auflösung • geringe Kosten • relativ geringer apparativer Aufwand • auch auf größere Peptidmengen anwendbar Anwendungsbeispiel • Peptide mit wenigen Fehlsequenzen • Probenvorbereitung für biologische Testsysteme falls Reinheit ausreichend • Reinheit: ca. 70-80% -45- 2. Ionenaustauschchromatographie (IEC) Basische Peptide: Kationenaustauscher Arginin, Histidin, Lysin und N-Terminus Saure Peptide: Anionenaustauscher Asparagin- und Glutaminsäure, C-Terminus Viele Peptide können über beide Ionenaustauscher getrennt werden Trennung durch Retention positiv oder negativ geladener Gruppen an der stationären Phase Vorteile: • Relativ hohe Auflösung • Für kurze und lange Peptide geeignet • Zur Reinigung von Phosphopeptiden Nachteile: • Apparativer Aufwand (HPLC) • Gradienten (lange Trennzeit) • Teure Säulen (insbesondere für größere Mengen) • Peptide enthalten Salze Problem: Peptidmenge schwierig bestimmbar Meist folgt eine Entsalzung (z.B. SEC) -46- 3. Umkehrphasen Hydrophobe Wechselwirkung Polare Peptide werden eventuell nicht retardiert >6mer Peptide werden meist retardiert Stationäre Phase: C18 (C8) Eluenten: meist Wasser/Acetontril-Gradient Elutionsreihenfolge: nach zunehmender Hydrophobizität Zusatz von Ionenpaareagenzien: Ionenpaar-Reagenzien Säuren • Essigsäure, Ameisensäure • Trifluoressigsäure (TFA), Heptafluorobuttersäure (HFBA) K Silika-Phasen: Si-OH nicht deprotoniert ! Basen (selten für Peptide) • Triethylamin (TEA) • Tetramethylammonium (TMA) • Tetrabutylammonium (TBA) • Triethylammoniumacetat (TEAA) -47- Konzept 1. Ionenpaar Wird in Lsg. gebildet und bindet an stationäre Phase + SM + PM− ↔ ( S + P − ) M Ionenpaar in Lösung Wechselwirkung (S + P− ) M ↔ (S + P− ) S 2. Dynamischer Ionenaustauscher Ionenpaarreagenz bindet an stationäre Phase, Ionische Ww Ionenpaarreagenz bindet: PM− ↔ PS− Ionische Wechselwirkung + SM + PS− ↔ ( S + P − ) S -48- RP-HPLC Vorteile: • Hohe Auflösung (Typische Reinheit: 95% bis 98%) • Trennung nach Hydrophobizität (Schutzgruppen) • auch große Peptide werden eluiert • Problem: sehr hydrophobe Peptide (C4-Phase) • Fehlsequenzen werden abgetrennt (#30 Reste) • Gradient dem Trennproblem anpassen • Hohe Wiederfindungsrate • Flüchtige Eluenten (Lyovac, Speedvac) Nachteile: • hoher apparativer Aufwand (HPLC, UV-Detektor) • teure Säulen • Acetonitril ist toxisch Reinheitskontrolle: • oft mit RP-HPLC (nicht orthogonal!) Eluent, Ionenpaarreagenz, stat. Phase variieren • Massenspektrometrie (Fehlsequenzen (Deletion) und partiell geschützte Peptide können identifiziert werden) • Ionenaustauschchromatographie • Kapillarelektrophorese (selten) -49- Aminosäureanalyse: Saure Hydrolyse Moore (1963) • 6 mol/L HCl, 110/C, 24 h unter Ausschluss von Sauerstoff Kompromiss zwischen Freisetzung und Stabilität der Aminosäuren • Ile-Val, Val-Val, Ile-Ile Bindungen sehr stabil (bis zu 96 h) • 10-40% Verlust an Serin, Threonin und Methionin • 50-100% Verlust an Cystein, Tryptophan, Phosphoaminosäuren • Hydrolyse von Asparagin und Glutamin (Asp, Glu) Bei der Hydrolyse werden am leichtesten Kontaminationen eingebracht: • Oberflächen, Gefäße, Lösungsmittel Gasphasenhydrolyse: • Reduktion der Verunreinigungen • sensitivere Analysetechnik • Standardbedingungen: 4 h bei 145/C oder 1,5 h bei 165/C Sauerstoffausschluss (evakuieren + Stickstoff einleiten) • reduziert Verluste von Methionin und Tryptophan durch Oxidation • Zusatz von Antioxidantien: 1% Phenol, 0,5% Thioglykolsäure, 0,1% 2-Mercaptoethanol Mikrowellenhydrolyse: Hydrolysezeit von wenigen Minuten! -50- Aminosäure-Derivatisierung Ideales Derivatisierungsreagenz • reagiert mit primären und sekundären Aminen • quantitative reproduzierbare Reaktion • nur ein Reaktionsprodukt pro Aminosäure • sensitive Detektion (Absorption, Fluoreszenz) • Reagenz soll Analytik nicht stören • „milde” Reaktionsbedingungen Nachsäulenderivatisierung • Trennung der freien Aminosäuren (Ionenaustauscher) • Derivatisierung nach der Säule aber vor dem Detektor -51- Ninhydrin • Reaktionsschleife, 120/C • Detektion bei 570 nm (Nachweisgrenze: 50 pmol) • Prolin ergibt ein gelbliches Produkt (440 nm) • Identifizierung über die Retentionszeit • Ionenaustauscher (Salz- und pH-Gradient kombiniert) A. Bildung der Schiffschen Base O O OH OH R R -2 H2O + H2N CO2H H N pH 8-9 O Ninhydrin H O OH B. Decarboxylierung R -CO2 N Aldimin H +H+ O OH C. Hydrolyse +H2O NH2 O O O + Ninhydrin N -H2O, CO2H -H+ O O Ruhemanns Violett -52- + O R H ortho-Phthaldialdehyd (OPA) • reagiert nur mit primären Aldehyden • fluoreszierendes Isoindol-Derivat Anregung 330 nm, Emission 460 nm UV-Absorption bei 330 nm • Raumtemperatur; pH 9,5; Reaktionszeit: wenige Minuten • Sekundäre Amine reagieren nicht • Nachweisgrenze 50 pmol (Fluoreszenz) O S H H + R NH2 + R' SH -2 H2O R' N O Vorsäulenderivatisierung: K RP-HPLC • polare Aminosäuren werden deutlich hydrophober • kurze Trennzeiten (15 min) • höhere Sensitivität durch Chromo- und Fluorophore • Nachweisgrenzen: Fluoreszenz > 50 fmol (UV > 10 pmol) • meist vollständig automatisiert • 2-Mercaptoethanol, Ethanthiol, 3-Mercaptopropionsäure • je nach Thiol unterschiedliche Hydrophobizität und Stabilität -53- R Phenylisothiocyanat (PITC) • reagiert mit primären und sekundären Aminen • alkalische Bedingungen, Reaktionszeit 20 min • Phenylthiocarbamoylderivate der Aminosäuren sind relativ stabil • in RPC keine störenden Nebenprodukte der Aminosäuren • Detektion bei 254 nm • Nachweisgrenze: 1 pmol (UV) R N C S + H2N R CO2H H N H C S CO2H N H H Fluorenylmethoxycarbonyl (Fmoc)-chlorid • reagiert sehr schnell mit primären und sekundären Aminen • Absorption bei 260 nm • Fluoreszenz bei 310 nm (Anregung: 260 nm) • Detektionsgrenze: 50 fmol (Fluoreszenz) -54- Enantiomere Chirale Reagenzien • Enantiomerenanalyse • chirale Reagenzien: Bildung von Diastereomeren (+)-1-(9-Fluorenyl)-ethylchlorformiat (FLEC) • Reaktion ähnlich wie Fmoc • Bedingungen: Boratpuffer pH 6,8; Raumtemperatur; wenige Minuten • RP-HPLC (C8 oder C18-Phasen) • Detektion bei 254 nm (UV-Absorption) oder Fluoreszenz bei 315 nm (Anregung: 260 nm) Chirale stationäre Phasen • diastereomere Komplexe zwischen chiraler stationärer Phase und Aminosäure-Derivat Problem: Racemisierung der Aminosäuren bei saurer Hydrolyse (1-5%) -55- Quantifizierung Nullwertanalyse Hintergrund in Lösungsmittel, Gefäßen usw. abziehen Analyse ohne Probe Interne Standards Norleucin, $-Alanin in definierter Menge der Probe zusetzen korrigiert Verluste der einzelnen Analyseschritte Korrekturfaktoren unvollständige Hydrolyse hydrophobe Aminosäuren, Val-Val, Leu-Leu, Ile-Ile usw. Hydrolyse bei 24, 48 und 72 h, Extrapolation auf 100 h Zerstörung der Aminosäuren Serin, Threonin, Tryptophan usw. Hydrolyse bei 24, 48 und 72 h, Extrapolation auf 0 h Unvollständige Derivatisierung Mehrere Peaks pro Aminosäure (z.B. Cystein) -56- Probleme - Randbedingungen Aminosäure Effekte Saure Hydrolyse Glu, Ser, Gly Kontaminationen in Lösungsmitteln, Gefäßen Thr, Ser langsam zerstört Trp, Cys, Asn, Gln Nahezu komplett zerstört Tyr, Met Werden oxidiert Val, Ile, Leu hydrophobe Bindungen hydrolysieren langsam Vorsäulenderivatisierung Pro Geringe Ausbeute, schlecht zu quantifizieren Nachsäulenderivatisierung Asp, Glu Sehr starke Signale, schwer zu quantifizieren Oft Nebenprodukte Allgemein Matrixeffekte stören die Quantifizierung -57- Eigenschaften wichtiger Reagenzien Reagenz Detektion Nachweisgrenze Analysezeit Reaktion Ninhydrin UV 570 nm, 50 pmol 80 min prim./sek. Amine 10 pmol 30 min prim./sek. Amine 90 min prim. Amine 440 nm PITC UV 245 nm Fluorescamin Fluoreszenz 390 nm/475 nm Dabsyl-Cl UV 436 nm 1 pmol 30 min prim./sek. Amine OPA UV 360 nm 10 pmol 30 min prim. Amine Fluoreszenz 50 fmol 30 min prim./sek. Amine 330 nm/460 nm Fmoc Fluoreszenz 50 fmol 266 nm/305 nm -58- Edman-Sequenzierung Reaktion: Abbau der jeweils N-terminalen Aminosäure Kopplung R C N S + H2N Peptid N H Me3N Phenylisothiocyanat (PITC) C S CO2H N H H Spaltung H N H N R NH2 H N TFA R' N R O S S NH R' + O Konvertierung H N O N R S O TFA R N H2O S N H Phenylthiohydantoin (PTH) Zyklische Reaktionsführung Reaktor: Kopplung + Spaltung Konvertierung separat (danach RP-HPLC Analytik) -59- O Edman-Abbau: Prinzip -60- Auswertung Wiederfindungsrate -61- Beispiel -62- Beispiel -63- Geräte-Aufbau -64- Edman-Abbau: Probleme Einige Aminosäuren werden partiell zerstört (Von Position abhängig) Serin bis zu 80% (Dehydratisierung) Threonin bis zu 50% (Dehydratisierung) Cystein nahezu quantitativ (Derivatisierung) Tryptophan etwa 30% bis 100% (nach vielen Zyklen) Arginin und Histidin werden nicht quantitativ aus dem Reaktor transferiert (Polarität) Peptidbindung zu Prolin (Iminosäure) wird nicht quantitativ gespalten Hydrolyse von Proteinketten: Peptidbindung % Spaltung pro Zyklus X-Ser-X 0,1-0,15% X-Ser-Thr 0,35% X-Thr-X 0,25-0,5% X-Asp-Pro ? X-Asp-X 0,02% Andere <0,02% -65- Massenspektrometrie (MS) Schonende Ionisierungsmethoden Elektrospray-Ionisierung (ESI-MS) auch RPC-ESI-Kopplung (on-line) möglich geringer Probendurchsatz Matrix-unterstützte Laser Desorption/Ionisierung (MALDI-MS) hoher Probendurchsatz automatisierbar Bestätigung des Molekulargewichts fehlende Aminosäure und geschützte Peptide identifizieren Analyse der RP-HPLC Fraktionen nach Reinigung Massendifferenz > 50 Bestätigung der Sequenz Tandemmassenspektrometrie • Peptidkette wird an Peptidbindung gebrochen • jede Peptidbindung kann brechen • Der Massenabstand zweier benachbarter Signale entspricht der Masse einer Aminosäure Inkrementmasse: Aminosäure - H2O K Masterstudiengang: Modul Massenspektrometrie -66-