Glykane sind weitverbreitete Biomoleküle, die meist in Form von Glykokonjugaten, wie beispielsweise als Glykoproteine oder Glykolipide, vorliegen. Durch die Interaktion von Glykanen mit Glykan-bindenden Proteinen wird eine Vielzahl an biochemischen Prozessen ausgelöst, sowohl physiologischer, als auch pathologischer Art. Die Aufklärung der beteiligten Glykanstrukturen ist daher nicht nur wichtig für das Verständnis dieser Prozesse, sondern kann auch Hinweise auf verschiedene Erkrankungen geben.
Die Identifizierung von Glykanstrukturen kann über verschiedene Wege erfolgen. In der instrumentellen Analytik spielt dabei vor allem die ESI- und MALDI Massenspektrometrie eine wichtige Rolle, da diese sowohl für Detektion, als auch Fragmentierung großer Biomoleküle geeignet sind. Um die Analyse von Zuckern mittels chromatographischer und massenspektrometrischer Methoden zu erleichtern, werden häufig Derivatisierungsreagenzien eingesetzt. Diese verringern die Polarität der Zucker und erleichtern die Detektion durch das Einbringen von Chromo- oder Fluorophoren. Zur Derivatisierung am reduzierenden Terminus von Glykanen und Zuckern eignen sich vor allem Aminierungsreagenzien oder Hydrazide. Hydrazide haben gegenüber anderen Derivatisierungsreagenzien den Vorteil einer einfachen, salzfreien Umsetzung, aus der ein stabiles Derivat mit geschlossenem terminalen Zuckerring hervorgeht.
Für die vorliegende Arbeit wurde die Derivatisierung mit den neuen Hydrazid Reagenzien INH und BINH, sowie dem bereits von Dr. P. Kapková bearbeiteten BACH untersucht. Als Vergleich dienten die underivatisierten Kohlenhydrate, wie auch das standardmäßig eingesetzte Aminierungsreagenz 2-AB. Dabei sollte das Ver-halten verschiedener Zucker und Glykane in Bezug auf chromatographische Trennung, Signalintensität und Fragmentierung analysiert werden.
Zunächst wurde die Umsetzung von Mono-, Di- und Trisacchariden mit den neuen Derivatisierungsreagenzien INH und BINH optimiert. Dadurch konnte bei beiden Substanzen die komplette Umsetzung der Zucker in ihre Derivate gewährleistet werden. Auch die Derivatisierung mit Hilfe der Mikrowelle konnte bei INH erfolgreich durchgeführt werden. Auf diese Weise ließ sich die Reaktionszeit, im Vergleich zu den im Thermo-mixer® benötigten 90 Minuten, auf 20 Minuten verkürzen. Aufgrund der großen Men-gen an Zucker und Derivatisierungsreagenz, die für die Umsetzung in der Mikrowelle nötig sind, war der Versuch jedoch nur für INH geeignet.
Im nächsten Schritt wurde das Trennverhalten der verschiedenen Mono-, Di- und Tri-saccharid-Derivate auf RP-C18- und HILIC-Phasen untersucht. Bei den Monosaccha-riden konnte durch keines der Derivate eine vollständige Trennung auf einer der Pha-sen erreicht werden. Das beste Ergebnis wurde durch INH auf der HILIC-Säule erzielt, doch auch dort konnten die Epimere Glucose, Mannose und Galactose nicht vollstän-dig separiert werden. Die Trennung der Disaccharide Maltose, Cellobiose und Lactose konnte auf der HILIC-Phase mit allen Derivaten außer BACH erfolgreich durchgeführt werden, auf der RP-C18 erwies sich dagegen nur 2-AB als geeignet. Bei den Trisac-chariden 3'SLN und 6'SLN konnten sowohl underivatisierte Zucker, als auch sämtliche Derivate mittels HILIC getrennt werden. Auch auf der C18-Phase war eine Trennung der BINH, BACH und 2-AB-Derivate möglich. Des Weiteren konnte durch die Derivati-sierungen die Signalintensität gegenüber den underivatisierten Zuckern deutlich gesteigert werden.
Nach ihrer Trennung lassen sich massegleiche Di- und Trisaccharide anhand des Fragmentierungsmusters unterscheiden. Während bei den underivatisierten Disaccha-riden Maltose, Cellobiose und Lactose die charakteristischen Fragmente nur schwach sichtbar waren, konnte mit Hilfe der Hydrazide INH, BINH und BACH die Differenzie-rung deutlich erleichtert werden. Die 2-AB-Derivatisierung zeigte dagegen keine Ver-besserung der Fragmentierungseigenschaften. Bei der Unterscheidung der Trisaccharide 3’SLN und 6’SLN waren ebenfalls sowohl underivatisierte, als auch Hydrazid-derivatisierte Zucker im Vorteil gegenüber den 2-AB-Derivaten.
Die Derivatisierung der N-Glykane von Ribonuclease B und Ovalbumin führte bei der Analyse mittels MALDI-TOF zu einer deutlichen Steigerung der Sensitivität. Beispiels-weise ließen sich bei den Glykanen des Ovalbumins durch die Derivatisierungen drei zusätzliche Strukturen im Vergleich zu den nativen Glykanen detektieren. Auch das Fragmentierungsverhalten der Glykane am MALDI-TOF/TOF konnte mit Hilfe der Derivatisierungen erheblich verbessert werden. Besonders die Umsetzung mit BINH führte zu einer Vielzahl charakteristischer Ringfragmente, wodurch die Aufklärung der verschiedenen Glykanstrukturen deutlich vereinfacht wurde. Auch im Vergleich zu 2 AB zeigten die Hydrazid-Derivate sowohl bessere Fragmentierungseigenschaften, als auch eine einfachere Handhabung für die Messung mittels MALDI-MS.
Eine weitere Möglichkeit zur Identifikation von Glykanstrukturen liegt in der spezifischen Bindung durch Lektine. Diese Untersuchung gibt des Weiteren auch einen Hinweis auf funktionelle Eigenschaften der Glykane. Dafür wird die hohe Affinität von Biotin-haltigen Derivatisierungsreagenzien zu Avidin und Streptavidin genutzt. Nach der auf diese Weise erfolgten Immobilisierung der Glykane können diese mittels spezifischer Lektine nachgewiesen werden. Die Eignung des neuen Derivatisierungsreagen-zes BINH für diese Zwecke wurde anhand eines Glykan-Arrays getestet. Dadurch ließ sich bestätigen, dass BINH-derivatisierte Glykane und Zucker sowohl in der Lage sind an Streptavidin zu binden, als auch durch Lektine nachgewiesen werden können. Daher kann davon ausgegangen werden, dass BINH grundsätzlich für den Einsatz in bio-chemischen Methoden geeignet ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Derivatisierung von Kohlenhydraten mit INH, BINH und BACH zu einer deutlichen Verbesserung der Trenn- und Fragmentierungseigenschaften führten. Dadurch konnten Identifizierung und Strukturanalyse sowohl von kleinen Zuckern, als auch von Glykanen erleichtert werden. Im Vergleich zu dem Standard-Derivatisierungsreagenz 2-AB zeigten die Hydrazide nicht nur im Bereich der Fragmentierungen, sondern auch durch die einfachere Derivatisierungsreaktion wesentliche Vorteile. / Glycans are widely spreaded biomolecules, which are commonly presented as gly-coconjugates, e.g. glycoproteins or glycolipids. The interaction of glycans with glycan-binding proteins triggers numerous physiological and pathological processes in bio-chemistry. Therefore the determination of the participating glycanstructures is of immens interest for the understanding of such processes. The structures of the involved glycans may even provide evidence on several diseases.
Identification of glycan structures can be performed by means of various techniques. Favorable techniques in analytical chemistry are ESI- and MALDI- mass spectrometry, since they can be used for the detection, as well as for the fragmentation of large bio-molecules. To simplify the analysis of carbohydrates by means of chromatographic and mass spectrometric methods, different derivatization reagents are available. The chemical modification of the sugars leads to a decrease in polarity and to an enhanced detection by coupling to chromo- or fluorophores. Derivatization at the reducing end of saccharides and glycans can be performed through reductive amination, or coupling to hydrazide reagents. The advantage of hydrazides in comparison to other derivatization reagents lies in a simple, salt-free reaction and results in a stable derivative with closed terminal sugar ring, as the reduction step is not necessary.
The present work concentrates on the derivatization of sugars and glycans using the newly developed hydrazides INH and BINH, in addition to BACH, which was already used by Dr. P. Kapková [99]. The derivatives of those reagents were compared to the underivatized carbohydrates, as well as to the commonly used derivatization reagent 2 AB, in order to observe the characteristics related to liquid chromatography, signal intensity and fragmentation behavior.
In the first step, the derivatization reaction of mono, di- and trisaccharides with INH and BINH was optimized, in order to ensure a complete transformation of the carbohy-drates into their derivatized equivalents. The derivatization with INH was also per-formed via microwave. In this way, the reaction time was reduced from 90 minutes us-ing the thermomixer®, to 20 minutes. Since this method required a high amount of sample, it was only performed with INH.
Next, the chromatographic behaviour of the different saccharide derivatives was ana-lyzed by reversed phase and HILIC high performance liquid chromatography. In case of the monosaccharides, none of the mixtures of derivatives could be separated com-pletely on either of these columns. For HILIC the best effect was achieved with INH, even though glucose and its epimers, mannose and galactose could not be separated completely. On reversed phase, derivatization with BACH and 2-AB showed the best results for the separation of the monomers, but here as well the epimers were not dis-solved. The separation of the INH, BINH and 2-AB derivatives of the disaccharides maltose, cellobiose and lactose was performed successfully on HILIC, with RP-C18 only 2-AB was proved to be suitable. For the trisaccharides 3’SLN and 6’SLN the na-tive forms, as well as all of the derivatives were separated using HILIC. Even by using reversed-phase, the separation of the BINH, BACH and 2-AB derivatives was possible. Furthermore the signal intensity of the derivatized carbohydrates was considerably en-hanced compared to the native saccharides. The chromatography of sugars on HILIC phase showed presence of isomers (very probably the anomers) of the analyzed sug-ars. If the appearance of these isomers is not desirable, separation on reversed-phase can be applied.
After separation, di- and trisaccharides of the same mass can be distinguished, based on their fragmentation pattern. Whereas the native disaccharides maltose, cellobiose and lactose showed only slight differences in fragmentation, the derivatization with INH, BINH and BACH increased the number of characteristic fragments. In contrast, with 2-AB no improvement was achieved. The discrimination between 3’SLN and 6’SLN was also simplified by derivatization with the different hydrazides. In contrast to the 2-AB derivatives, the native trisaccharides showed a high content of characteristic fragments as well.
For the glycans of ribonuclease B and ovalbumin, the sensitivity was clearly improved through derivatization. In the case of ovalbumin, three additional structures were detected, compared to the native glycans. Regarding the fragmentation by means of MALDI TOF/TOF, the fragmentation behaviour of the glycans was considerably better after derivatization. Especially the BINH derivatives generated a high amount of characteristic cross-ring fragmentations. This way, the elucidation of different isomeric glycan structures was enhanced. Again, 2-AB had worse characteristics in terms of fragmentation behaviour and application properties, compared to the hydrazide derivatives.
Another option for the investigation of glycan structures is the specific recognition by lectins. This kind of study also provides information on the functional properties of gly-cans. Biotinylated derivatives possess a high affinity to avidin and streptavidin. This feature is used to immobilise glycans on (strept-)avidin coated surfaces, so they can be further analyzed by specific lectins. Due to this, the suitability of BINH for functional studies was tested. In initial studies BINH derivatized glycans and sugars were con-firmed to bind to streptavidin and were recognized by lectins as well. Hence, it can be assumed that BINH derivatives are suitable for this kind of biochemical analysis.
In summary, the derivatization of carbohydrates using INH, BINH and BACH improved the behaviour of the analytes during liquid chromatography and mass spectrometric fragmentation. Hence, identification and structural analysis of small saccharides, as well as glycans were considerably simplified. Compared to common derivatization reagents like 2-AB, the hydrazides showed significant advantages, not only in terms of mass spectrometric fragmentation, but also because of their simple derivatization reaction.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:10608 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Bank, Stephanie |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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