電子捕獲解離

電子捕獲解離（ECD ）は、タンデム質量分析法でペプチドやタンパク質の構造を解明するために気相イオンを断片化する方法です。これは、MS/MSで質量選択された前駆イオンの活性化と解離に最も広く使用されている技術の1つです。これは、捕捉された気相イオンに低エネルギー電子を直接導入するものです。^{[1] [2]}

電子捕獲解離は、コーネル大学のフレッド・マクラフティ研究室にいたロマン・ズバレフとニール・ケレハーによって開発された。メリチン4+イオンとユビキチン10+イオン（FT-MSセルに捕捉）をレーザーパルスで照射すると、特異なc'、zフラグメンテーションだけでなく電荷減少も引き起こされた。FTセルを陽イオンと電子を同時に捕捉するように改変すると、UV光子によって放出される二次電子が電荷減少効果とc'、z•フラグメンテーションを増大させることが示唆された。UVレーザーをEIソースに置き換えることで、この新しい技術が開発された。^[3]

電子捕獲解離では、通常、多重プロトン化分子 M が自由電子と相互作用して奇数電子イオンを形成します。電位エネルギーの解放により、生成イオンが断片化されます。

${\displaystyle [{\ce {M}}+n{\ce {H}}]^{n+}+{\ce {e^- ->}}{\bigg [}[{\ce {M}} +n{\ce {H}}]^{(n-1)+}{\bigg ]}^{*}{\ce {-> フラグメント}}}$。

電子捕獲解離の速度は、イオン-電子フラグメンテーション反応の頻度だけでなく、イオン-電子相互作用体積内のイオンの数にも依存する。ECDの電子電流密度と断面積は、フラグメンテーション頻度に正比例する。^{[4] [5]}間接加熱ディスペンサーカソードを電子源として使用すると、電子電流が増加し、放出表面積が大きくなる。^{[6] [7]}

${\displaystyle {\text{ECD MS/MS の効率}}={\frac {\text{フラグメントイオンの総数（存在量）}}{\text{プリカーサーイオンの総数（存在量）}}}}$

ECDデバイスには2つの形式があります。ECD段階で分析対象イオンを捕捉するか、分析対象イオンがECD領域を連続的に流れるときに解離が起こるフロースルーモードを実行できます。フロースルーモードは、分析対象イオンビームのほぼすべてが使用されるため、他のモードよりも優れています。ただし、フロースルーモードではECDの効率が低下します。^[8]

ECD は、電子脱離解離 (EDD) (主に a および x タイプ) 、 ^{[10] [11] [ 12]}衝突誘起解離(CID) (主に b [13] および y タイプ)、および赤外多光子解離などの他の MS/MS フラグメンテーション方法とは大幅に異なるタイプのフラグメントイオン (主に c^およびzタイプですが、ECD では b イオンも確認されています^[9] )を生成します。CID と IRMPD は、何らかの方法で内部振動エネルギーを導入し、フラグメンテーション中に翻訳後修飾の損失を引き起こします。ECD では、固有のフラグメント (および CID を補完するフラグメント) が観察され^[14]、高分子全体を効果的にフラグメント化する能力が期待されています。

ECDは主にフーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分析法で使用されていますが、^[15]研究者らは、ECDがイオントラップ質量分析計でもうまく使用されていることを示唆しています。^{[16] [17] [18]} ECDは、外部蓄積と組み合わせて使用​​すると、FTICR-MSで複数のスキャンを迅速に統合することもできます。^[6]

ECDは最近導入されたMS/MSフラグメンテーション技術であり、現在も研究が続けられています。^{[19] [20]} ECDのメカニズムはまだ議論中ですが、必ずしも最も弱い結合を切断するわけではないようで、そのためエネルギーが分子内で自由に緩和されない高速プロセス（非エルゴード）であると考えられています。電子によって開始されるラジカル反応がECDの作用の原因である可能性があるという示唆がなされています。^[21]電子移動解離と呼ばれる同様のMS/MSフラグメンテーション技術では、電子は分析対象陽イオンと試薬陰イオンの衝突によって移動します。^{[22] [23] [24]}

ECD自体、および他のMSとの組み合わせは、複数のジスルフィド結合を含むタンパク質やペプチドに非常に有用である。 ECDと組み合わせたFTICRは、ジスルフィド結合を含むペプチドを認識するのに役立つ。 ECDは、より高電荷のタンパク質を活性化することで重要な配列情報にアクセスすることもできる。 さらに、ESIによって生成された多重電荷タンパク質またはペプチドのECDによってジスルフィド結合切断が起こる。^[25 ]これらのタンパク質による電子捕獲により、ジスルフィド結合に捕獲されたH原子が放出され、その解離を引き起こす。^[26]

${\displaystyle {\ce {RS-SR'+\bullet H->RS(H)\bullet SR'->RSH{}+\bullet SR'}}}$

UVベースの活性化を伴うECDは、ジスルフィド結合を含むタンパク質のトップダウンMS配列カバレッジを増加させ、ジスルフィド結合をホモリシス的に切断して2つの分離されたチオールラジカルを生成します。この技術はインスリンとリボヌクレアーゼで観察され、最大3つのジスルフィド結合を切断し、配列カバレッジを増加させました。^[27]

^{ECD-MSフラグメントは、カルボキシル化、リン酸化[28] [29]}、O-グリコシル化^{[6] [30] [31]}などの翻訳後修飾を保持することができます。ECDは、タンパク質の主要なタイプの翻訳後修飾をトップダウンで特性評価する可能性があります。ECDは、208のバックボーン結合のうち87を切断することに成功し、リン酸化タンパク質であるウシβカゼインの直接特性評価を初めて提供し、同時に5つのリン酸化部位の位置を制限しました。リン酸の損失を最小限に抑えてリン酸化の程度を測定し、リン酸化ペプチド/リン酸化タンパク質マッピングを行う点でCADよりも優れているため、ECDは優れた技術となっています。^[32]

ECD はキャピラリー電気泳動(CE)と組み合わせて、ペプチドとタンパク質消化物の混合物の構造分析に関する洞察を得ています。^[33] ECD FTICR と組み合わせたマイクロ HPLC は、シトクロム c のペプシン消化物の分析に使用されました。^[34] LC ECD FTICR MS を使用した場合、ペプチドとウシ血清アルブミンのトリプシン消化物の混合物を分析することでシーケンス タグが提供されました。 ^[35]さらに、LC-ECD-MS/MS は、タンパク質の同定に LC-CID-MS/MS よりも長いシーケンス タグを提供します。^[14]無線周波数四重極イオン トラップを使用する ECD デバイスは、ハイスループットプロテオミクスに適しています。^{[36] [8]}最近、大気圧電子捕獲解離 (AP-ECD) は、スタンドアロンのイオン源デバイスとして実装でき、メイン機器を変更する必要がないため、より優れた手法として浮上しています。^{[37] [38]}

タンパク質の分析は、トップダウンまたはボトムアップのアプローチのいずれかを使用して行うことができます。ただし、トップダウン分析の方が配列カバレッジが高くなります。^[39] ECDとFTICR MSの組み合わせにより、このアプローチが普及しました。また、完全なタンパク質内の複数の修飾部位を決定するのにも役立ちました。^{[40] [41]}ネイティブ電子捕獲解離（NECD）は、シトクロムc二量体の研究に使用され^[42]、最近では馬の脾臓フェリチンの鉄結合チャネルを解明するために使用されています。^[43]

ポリアルケングリコール、ポリアミド、ポリアクリレート、ポリエステルのECD研究は、ポリマーサンプルの組成を理解するのに役立ちます。合成ポリマーのMS/MS中に前駆体イオンの構造情報を分析するための強力な技術となっています。ECDの単結合切断傾向により、ポリマー化学における生成物イオンスキャンの解釈がシンプルかつ容易になります。^[44]

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