Elektrospray-Massenspektrometrie von Biomakromoleülkomplexen mit nichtkovalenten Wechselwirkungen – neue analytische Perspektiven für supramolekulare Chemie und molekulare Erkennungsprozesse

Die Entwicklung von schonenden Ionisierungsmethoden hat in den letzten Jahren zu bedeutenden Fortschritten in der massenspektrometrischen Charakterisierung von Makromolekülen, insbesondere von Biopolymeren wie Proteinen und Nucleinsäuren, geführt. Während bei anderen Methoden wie dem Beschuß mit schnellen Atomen (Fast Atom Bombardment, FAB) und der Plasmadesorption noch Molekulargewichtsbegrenzungen bestehen, gelang mit Hilfe der Elektrospray- (ESI-MS) und der matrixunterstützten Laserdesorptions/ionisations-Massenspektrometrie (MALDI-MS) ein Durchbruch zu Makromolekülen > 100 kDa. Während ESI- und MALDI-MS bereits erfolgreich zur Molekulargewichts- und Primärstrukturbestimmung bei Biopolymeren eingesetzt wurden, eröffnet die – erst in jüngster Zeit entdeckte – direkte Charakterisierung von Komplexen mit nichtkovalenten Wechselwirkungen (nichtkovalente Komplexe) durch ESI-MS neue Perspektiven für die supramolekulare Chemie und die analytische Biochemie. Im Gegensatz zu anderen massenspektrometrischen Methoden läßt sich die ESI-MS in homogener Lösung unter nahezu physiologischen pH-, Konzentrations- und Temperaturbedingungen durchführen. Die ESI-MS von Biopolymeren, insbesondere Proteinen, liefert Serien vielfach geladener Makromolekülionen mit für die Tertiärstruktur charakteristischen Ladungszahlen und -verteilungen („Ladungsstrukturen”︁), die eine Differenzierung von nativen und denaturierten Strukturen ermöglichen. Die Grundlagen der ESI-Methode und bisherige Kenntnisse zum Ionenbildungsmechanismus, Beziehungen zwischen Tertiärstrukturen in Lösung und Ladungsstrukturen von Makro-Ionen in der Gasphase sowie experimentelle Voraussetzungen für den Nachweis nichtkovalenter Komplexe werden im ersten Teil dieser Übersicht beschrieben. Erfolgreiche Anwendungen zur Identifizierung von Enzym-Substrat- und -Inhibitor-Komplexen, supramolekularen Protein- und Protein-Nucleotid-Komplexen, Doppelstrang-Polynucleotiden sowie synthetischen supramolekularen Komplexen zeigen ein großes Potential für die direkte Analyse spezifischer nichtkovalenter Wechselwirkungen. Die bisherigen Ergebnisse lassen Charakterisierungen von supramolekularen Strukturen und molekularen Erkennungsprozessen erwarten, die bisher mit massenspektrometrischen Methoden nicht möglich waren; hierzu zählen die sequenzspezifische Oligomerisierung von Polypeptiden, Antigen-Antikörper-Komplexe, Enzym- und Rezeptor-Liganden-Wechselwirkungen sowie die Erkennungsstrukturen bei kombinatorischen Synthesen und selbstorganisierten Systemen.