Bioanalytik
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| Format: | Buch |
|---|---|
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
München
Elsevier, Spektrum Akad. Verl.
2006
|
| Ausgabe: | 2. Aufl. |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
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Inhalt
Vorwort
Autoren
1 Bioanalytik - eine eigenständige Wissenschaft
1.1 Paradigmenwechsel in der Biochemie:
Von der Proteinchemie zur Systembiologie
1.1.1 Klassische Strategie
1.1.2 Holistische Strategie
1.2 Methoden begründen Fortschritt
1.2.1 Proteinanalytik
1.2.2 Molekularbiologie
1.2.3 Bioinformatik
1.2.4 Funktionsanalyse
Teil
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.5.1
2.5.2
2.6
2.7
2.8
2.8.1
2.8.2
2.9
Weiterführende Literatur
Proteinreinigung
Eigenschaften von Proteinen
Proteinlokalisation und Reinigungsstrategie
Homogenisierung und Zellaufschluss
Die Fällung
Zentrifugation
Grundlagen
Zentrifugationstechniken
Abtrennung von Salzen oder hydrophilen
Verunreinigungen
Konzentrierung
Detergenzien und ihre Entfernung
Eigenschaften von Detergenzien
Entfernen von Detergenzien
Probenvorbereitung für die Proteomanalyse
3
3.1
3.1.1
3.1.2
3.1.3
3.1.4
3.2
3.2.1
3.2.2
3.3
3.3.1
Weiterführende Literatur
Proteinbestimmungen
Quantitative Bestimmung durch Färbetests
Biuret-Assay
Lowry-Assay
Bicinchoninsäure-Assay (BCA-Assay)
Bradford-Assay
Spektroskopische Methoden
Messungen im UV-Bereich
Fluoreszenzmethode
Radioaktive Markierung von Peptiden
und Proteinen
Iodierungen
V
4
Enzymatische Aktivitätstests
47
YT
4.1
Grundlagen der Enzymkinetik
47
AI
4.2
Maßeinheiten der Enzymaktivität
48
i
4.3
Messtechniken
49
4.3.1
Photometrische Aktivitätstests
49
2
4.3.2
Kontinuierliche und diskontinuierliche Tests
50
2
4.4
Einflussgrößen auf die Enzymaktivität
51
2
4.4.1
pH-Wert und Puffersystem
51
3
4.4.2
Temperatur
52
5
4.4.3
Auswahl des Substrats
52
6
4.4.4
S ubstratkonzentration
53
7
4.4.5
Enzymkonzentration
55
7
4.4.6
Enzymstabilität
56
4.5
Aufbau eines Testsystems
56
4.6
Störquellen und Fehlermöglichkeiten
59
Weiterführende Literatur
60
13
5
Immunologische Techniken
61
13
5.1
Antikörper
61
16
5.1.1
Antikörper und Immunabwehr
61
17
5.1.2
Antikörper als Reagens
62
20
5.1.3
Eigenschaften von Antikörpern
62
21
5.1.4
Funktionelle Struktur von IgG
64
22
5.1.5
Antigenbindungsstelle (Haftstelle)
65
24
5.1.6
Handhabung von Antikörpern
65
5.2
Antigene
66
26
5.3
Antigen-
68
28
5.3.1
Immunagglutination
69
29
5.3.2
Immunpräzipitation
70
29
5.3.3
Immunbindung
82
32
5.4
Komplementfixation
93
33
5.5
Methoden der zellulären Immunologie
94
33
5.6
Alteration biologischer Funktionen
96
5.7
Herstellung von Antikörpern
97
35
5.7.1
Arten von Antikörpern
97
37
5.7.2
Neue Antikörpertechniken
38
(antibody engineering)
98
38
Weiterführende Literatur
101
jy
40
6
Chemische Modifikation von Proteinen und
41
Proteinkomplexen
103
41
6.1
Chemische Modifikation funktioneller Gruppen
43
von Proteinen
104
6.2
Modifizierung als Mittel zur Einführung von
44
Reportergruppen
112
46
6.2.1
Untersuchungen an natürlich vorkommenden
46
Proteinen
112
XII
Inhalt
6.2.2 Untersuchungen an überexprimierten oder
mutierten Proteinen
6.3
Proteinwechselwirkungen
6.3.1 Bifunktionelle Reagenzien
6.3.2 Photoaffinitätsmarkierung
9
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
116
117
118
118
127
129
130
130
130
138
141
142
144
144
145
152
152
153
155
158
160
160
161
163
164
164
166
168
169
169
172
174
175
175
176
177
183
190
193
194
199
200
201
201
202
203
Spaltung von Disulfidbrücken und Alkylierung 203
Enzymatische Fragmentierung 205
Weiterführende Literatur
7 Spektroskopie
7.1 Physikalische Prinzipien und Messtechniken
7.1.1 Physikalische Grundlagen optischer
spektroskopischer Messmethoden
7.1.2 Wechselwirkung Licht-Materie
7.1.3 Absorptionsmessungen
7.1.4 Photometer
7.1.5 Kinetische spektroskopische Untersuchungen
7.2 UV/VIS/NIR-Spektroskopie
7.2.1 Grundlagen
7.2.2 Chromoproteine
7.3 IR-Spektroskopie
7.3.1 Grundlagen
7.3.2 Molekülschwingungen
7.3.3 Messtechniken
7.3.4 Infrarotspektroskopie von Proteinen
7.4 Raman-Spektroskopie
7.4.1 Grundlagen
7.4.2 Raman-Experimente
7.4.3 Resonanz-Raman-Spektroskopie
7.5 Fluoreszenzspektroskopie
7.5.1 Grundlagen
7.5.2 Fluoreszenzspektren als Emissionsspektren
und als Aktionsspektren
7.5.3 Fluoreszenzuntersuchungen mit intrinsischen
und extrinsischen Fluorophoren
7.6 Methoden mit polarisiertem Licht
7.6.1 Lineardichroismus
7.6.2 Optische Rotationsdispersion und
Circulardichroismus
Weiterführende Literatur
Lichtmikroskopische Verfahren -
Wegbereiter der Mikroskopie - von einfachen
Linsen zu hoch auflösenden Mikroskopen
Moderne Anwendungsbereiche
Physikalische Grundlagen
Nachweismethoden
Präparationsmethoden
Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie
Live cell imaging
8
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
Weiterführende Literatur
Internetseiten
Spaltung von Proteinen
Proteolytische Enzyme
Strategie
Denaturierung
9.5.1 Proteasen 206
9.5.2 Proteolysebedingungen 210
9.6 Chemische Fragmentierung 211
9.7 Ausblick 214
Weiterführende Literatur 214
10 Chromatographische Trennmethoden 215
10.1 Prinzip der Chromatographie 215
10.1.1 Grundbegriffe 216
10.1.2 Instrumentierung 216
10.1.3 Stationäre Phasen 216
10.1.4 Detektion der chromatographischen Trennung 217
10.2 Chromatographische Theorie 218
10.3 Reinigungsstrategie für Peptide und Proteine 220
10.4 Ionenaustauschchromatographie 221
10.5 Hydroxyapatitchromatographie 223
10.6
10.7 Hydrophobe Interaktionschromatographie 227
10.8 Affinitätschromatographie 228
10.9 Ausschlusschromatographie 231
Weiterführende Literatur 233
11 Elektrophoretische Verfahren 235
11.1 Geschichtlicher Überblick 235
11.2 Theoretische Grundlagen 237
11.3 Instrumentierung und Durchführung von
Gelelektrophoresen 240
11.3.1 Probenvorbereitung 242
11.3.2 Gelmedien für Elektrophoresen 242
11.3.3 Nachweis und Quantifizierung der getrennten
Proteine 244
11.3.4 Zonenelektrophorese 245
11.3.5 Porengradientengele 247
11.3.6 Puffersysteme 248
11.3.7 Disk-Elektrophorese 248
11.3.8 Saure Nativelektrophorese 249
11.3.9 SDS-Polyacrylamidgelelektrophorese 249
11.3.10 Blaue Nativ-Polyacrylamidgelelektrophorese 251
11.3.11 Isoelektrische Fokussierung 251
Präparative Verfahren 255
Elektroelution aus Gelen 255
Präparative Zonenelektrophorese 256
Präparative isoelektrische Fokussierung 257
Trägerfreie Elektrophorese 258
Hoch auflösende zweidimensionale
Elektrophorese 258
Probenvorbereitung 260
Vorfraktionierung 260
Erste Dimension: IEF in IPG-Streifen 261
Zweite Dimension: SDS-Polyacrylamid-
gelelektrophorese 262
Detektion und Identifizierung der Proteine 262
Differenzgelelektrophorese 263
Elektroblotting 264
Blotsy
Der Blotvorgang 266
Die Wahl der geeigneten Blotmembran 267
268
11.4
11.4.1
11.4.2
11.4.3
11.5
11.6
11.6.1
11.6.2
11.6.3
11.6.4
11.6.5
11.6.6
11.7
11.7.1
11.7.2
11.7.3
Weiterführende Literatur
Inhalt
XIII
12 Kapillarelektrophorese
12.1 Geschichtlicher Überblick
12.2 Prinzip der Kapillarelektrophorese
12.3 Gerätetechnik
12.3.1 Injektion der Proben
12.3.2 Detektion
12.4 Theoretische Grundlagen
12.4.1 Elektroosmotischer Fluss (EOF)
12.4.2 Joulesche Wärmeentwicklung
12.5 Trennprinzipien in der Kapillarelektrophorese
12.6 Kapillarzonenelektrophorese (CZE)
12.6.1 Elektrodispersion
12.6.2 Auflösung
12.6.3 Trennungsoptimierung
12.7 Kapillaraffinitätselektrophorese
12.8 Micellarelektrokinetische Chromatographie
(MEKC)
12.8.1 Theoretische Grundlagen
12.8.2 Chirale MEKC
12.9 Kapillargelelektrophorese (CGE)
12.10 Isoelektrische Fokussierung (CIEF)
12.10.1 Einschrittfokussierung
12.10.2 Fokussierung mit Druck-/Spannungs-
mobilisierung
12.10.3 Fokussierung mit chemischer Mobilisierung
12.11 Isotachophorese (ITP)
12.12 Spezielle Techniken
12.12.1 Online-Probenkonzentrierung
12.12.2 CE-MS-Kopplung
12.12.3 Fraktionierung
12.13 Ausblick
Weiterführende Literatur
13 Aminosäureanalyse
13.1 Proben Vorbereitung
13.1.1 Saure Hydrolyse
13.1.2 Alkalische Hydrolyse
13.1.3 Enzymatische Hydrolyse
13.2 Freie Aminosäuren
13.3 Derivatisierung
13.3.1 Nachsäulenderivatisierung
13.3.2 Vorsäulenderivatisierung
13.4 Datenauswertung und Beurteilung der
Analysen
Weiterführende Literatur
14 Proteinsequenzanalyse
14.1
Der Edman-Abbau
14.1.1 Reaktionen des Edman-Abbaus
14.1.2 Identifizierung der Aminosäuren
14.1.3 Die Qualität des Edman-Abbaus:
Die
14.1.4 Instrumentierung
14.1.5 Probleme der Aminosäuresequenzanalyse
14.1.6 Stand der Technik
14.2 C-terminale Sequenzanalyse
14.2.1 Chemische Abbaumethoden
269
269
270
270
271
272
274
274
275
276
276
278
279
279
281
283
283
286
287
288
290
290
291
291
293
293
294
295
296
297
299
300
300
301
301
301
302
302
304
308
309
311
313
313
315
317
317
320
324
324
324
14.2.2 Peptidmengen und Qualität des chemischen
Abbaus 326
14.2.3 Abbau der Polypeptide mit
Carboxypeptidasen 327
Weiterführende Literatur 328
15 Massenspektrometrie 329
15.1 Matrixassistierte Laserdesorption/Ionisations-
Massenspektrometrie (MALDI-MS) 330
15.1.1 Ionisierungsprinzip 330
15.1.2 Massenanalyse der Ionen mit dem Flugzeit-
massenspektrometer 333
15.1.3 Detektion der Ionen 337
15.1.4 Molekulargewichtsbestimmung mit MALDI 338
15.1.5 Sequenzierung von Peptiden mit MALDI 344
15.2 Elektrosprayionisations-Massenspektrometrie
(ESI-MS) 351
15.2.1 Ionisierungsprinzip 352
15.2.2 ESI-Quelle und Interface 355
15.2.3 Massenanalyse der Ionen mit dem Quadrupol-
massenspektrometer 357
15.2.4 Massenanalyse mit der Ionenfalle 359
15.2.5 Molekulargewichtsbestimmung mit ESI-MS 361
15.2.6 Strukturanalyse mit ESI-MS 366
15.2.7 Sequenzierung von Peptiden mit
15.3 Relative quantitative Analyse von Proteinen
mit MS 372
Weiterführende Literatur 372
16 Protein-Protein-Wechselwirkungen: das
two-hybrid-System und andere Methoden 373
16.1 Das two-hybrid-System 373
16.1.1 Das Konzept des two-h
16.1.2 Die Elemente des
16.1.3 Konstruktion des Köderproteins 376
16.1.4 Welche Köderproteine eignen sich für das
two-hybrid-System? 379
16.1.5 Aktivator-Fusionsprotein und cDNA-
Bibliotheken 379
16.1.6 Durchführung des rwo-/!.vi>n'i/-Screenings 380
16.1.7 Modifizierte Anwendungen und Weiterent¬
wicklungen der
16.1.8 Biochemische und funktionale Analyse
der Interaktoren 386
16.2 In vifro-Interaktionsanalyse: GST-pulldown 387
16.3 Ko-Immunpräzipitation 388
16.4
16.5 Plasmonenspektroskopie
resonance)
16.6 Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer
16.6.1 Interaktions- und Strukturanalyse mittels
FRET
16.6.2 Experimentelle Bestimmung der
FRET-Effizienz 393
16.6.3 Methoden der FRET-Messung 394
16.6.4 Verwendete Sonden 396
16.7 Analytische Ultrazentrifugation 397
16.7.1 Instrumentelle Grundlagen 397
XIV
Inhalt
16.7.2 Grundtypen von Experimenten
16.7.3 Sedimentationsgeschwindigkeitsexperimente
16.7.4 Sedimentationsgleichgewichtsexperimente
16.8 Was tun mit den gefundenen Interaktionen?
Weiterführende Literatur
Teil
17 Magnetische Resonanzspektroskopie von
Biomolekülen
17.1 NMR-Spektroskopie von Biomolekülen
17.1.1 Theorie der NMR-Spektroskopie
17.1.2 Eindimensionale NMR-Spektroskopie
17.1.3 Zweidimensionale NMR-Spektroskopie
17.1.4 Dreidimensionale NMR-Spektroskopie
17.1.5 Signalzuordnung
17.1.6 Bestimmung der Proteinstruktur
17.1.7 Proteinstrukturen und mehr - ein Ausblick
17.2 EPR-Spektroskopie an biologischen Systemen
17.2.1 Grundlagen der EPR-Spektroskopie
17.2.2 cw-EPR-Spektroskopie
17.2.3 g-Wert
17.2.4 Elektronenspin-Kernspin-Kopplung
(Hyperfeinkopplung)
17.2.5 g- und Hyperfeinanisotropie
17.2.6 Elektronenspin-Elektronenspin-Kopplung
17.2.7 Gepulste EPR-Experimente
17.2.8 Weitere Anwendungsbeispiele für EPR
17.2.9 Generelle Bemerkungen zur Aussagekraft
von EPR-Spektren
17.2.10 Vergleich EPR/NMR
Weiterführende Literatur
18 Elektronenmikroskopie
18.1 Transmissionselektronenmikroskopie -
Instrumentation
18.2 Präparationsverfahren
18.2.1 Negativkontrastierung
18.2.2 Bedampfung mit Schwermetallen
18.2.3 Einbettung in Eis
18.3 Abbildung von Molekülen im
Elektronenmikroskop
18.3.1 Auflösung eines Transmissionselektronen¬
mikroskops
18.3.2 Wechselwirkung des Elektronenstrahls
mit dem Objekt
18.3.3 Kryoelektronenmikroskopie
18.4 Bildanalyse, Bildverarbeitung und
3D-Rekonstruktion
18.4.1 Digitalisierung
18.4.2
18.4.3 Analyse der Kontrastübertragungsfunktion
und der Kristallinität des Objekts
18.4.4 Erhöhung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses
18.4.5 Korrespondenzanalyse und Klassifizierung
18.4.6 Dreidimensionale Elektronenmikroskopie
18.5 Elektronentomographie individueller Objekte
398
18.5.1
Kryoelektronentomographie intakter Zellen
399
18.5.2
Identifizierung von Proteinkomplexen in
401
Zel ltomogrammen
403
18.5.3
Perspektiven der Kryoelektronenmikroskopie
404
Weiterführende Literatur
19
Rasterkraftmikroskopie
19.1
Funktionsprinzip des Rasterkraftmikroskops
19.2
Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe
19.3
Präparationsverfahren
407
19.4
Abbilden biologischer Makromoleküle
407
19.5
Kraftspektroskopie einzelner Moleküle
408
Weiterführende Literatur
412
417
20
Röntgenstrukturanalyse
423
20.1
Kristallisation
428
20.2
Kristalle und Röntgenbeugung
433
20.3
Das Phasenproblem
440
20.3.1
Isomorpher Ersatz:
441
replacement (SIR)
442
replacement
444
20.3.2
Multiple anomale Dispersion
444
20.3.3
Molekularer Ersatz
20.4
Modellbau und Strukturverfeinerung
444
Weiterführende Literatur
445
448
449
455
Teil
III
21
Analytik synthetischer Peptide
457
21.1
Prinzip der Peptidsynthese
458
21.2
Untersuchung der Reinheit synthetischer
459
Peptide
21.3
Charakterisierung und Identität synthetischer
461
Peptide
21.4
Charakterisierung der Struktur synthetischer
462
Peptide
464
21.5
Analytik von Peptidbibliotheken
464
Weiterführende Literatur
466
467
22
Kohlenhydratanalytik
22.1
Allgemeine stereochemische Grundlagen
468
22.1.1
Die Reihe der D-Zucker
22.1.2
Stereochemie der D-Glucose
468
22.1.3
Wichtige Monosaccharidbausteine
22.1.4
Die Reihe der L-Zucker
469
22.1.5
Die glykosidische Bindung
473
22.2
Die Proteinglykosylierung
22.2.1
Aufbau der /V-Glykane
475
22.2.2
Der Aufbau der O-Glykane
475
22.3
Glykoanalytik am intakten Glykoprotein
475
22.3.1
Ist mein Protein glykosyliert?
22.3.2
Charakterisierung der Glykosylierung mittels
478
Lectinen
480
22.3.3
Isoelektrische Fokussierung
484
22.3.4
Analyse der neutralen Monosaccharid-
486
komponenten
490
22.3.5
Af-Acetylneuraminsäure (Sialinsäure)
490
492
493
494
495
496
497
498
499
501
502
503
503
505
508
508
510
511
511
514
517
517
522
524
528
529
532
533
534
534
535
536
537
538
541
542
543
544
544
547
548
549
551
Inhalt
XV
Freisetzung und Isolierung des N-Glykanpools
Enzymatische Freisetzung mittels PNGase
Enzymatische Freisetzung mittels
Endoglykosidasen
Chemische Freisetzung mittels Hydrazinolyse
Isolierung einzelner Af-Glykane
Charakterisierung der Glykane im Glykanpool
Mapping
Kartierung derivatisierter TV-Glykane
Kartierung mittels Kapillarelektrophorese
(CE)
Glykoanalytik isolierter N-Glykane
(Strukturanalyse)
Kompositionsanalyse
Methylierungsanalyse
Sequenzierung in Verbindung mit Gelfiltration
Massenspektrometrie
ESI-MS)
1 H-NMR-Spektroskopie
Genom, Proteom, Glykom
Schlussbetrachtung
22.4
22.4.1
22.4.2
22.4.3
22.5
22.6
22.6.1
22.6.2
22.6.3
22.7
22.7.1
22.7.2
22.7.3
22.7.4
22.7.5
22.8
22.9
Weiterführende Literatur
Lipidanalytik
Aufbau und Einteilung von Lipiden
Extraktion von Lipiden aus biologischem
Material
Flüssigphasenextraktion
Festphasenextraktion
Methoden der Lipidanalytik
Chromatographische Methoden
Massenspektrometrie
Immunoassays
Weitere Methoden in der Lipidanalytik
Online-Kopplung verschiedener Analyse¬
systeme
Analytik ausgewählter Lipidklassen
Gesamtlipidextrakte
Fettsäuren
Unpolare Neutrallipide
Polare Esterlipide
Lipidhormone und intrazelluläre
Signal transduktoren
Lipidvitamine
Lipidomanalytik
Ausblick
23
23.1
23.2
23.2.1
23.2.2
23.3
23.3.1
23.3.2
23.3.3
23.3.4
23.3.5
23.4
23.4.1
23.4.2
23.4.3
23.4.4
23.4.5
23.5
23.6.
23.6
Weiterführende Literatur
24 Analytik posttranslationaler
Modifikationen: Phosphorylierung und
Acetylierung von Proteinen
24.1 Funktionelle Bedeutung von Phosphorylierung
und Acetylierung
24.1.1 Phosphorylierung
24.1.2 Acetylierung
24.2 Strategie zur Analyse der posttranslationalen
Phosphorylierung und Acetylierung von
Proteinen und Peptiden
552
552
553
553
553
555
555
559
562
564
564
566
568
569
571
578
579
580
581
581
583
583
584
585
585
590
591
591
593
595
595
595
597
599
602
605
608
610
611
613
613
613
614
615
24.3 Analyse posttranslational modifizierter
Proteine
24.3.1 Trennung und Anreicherung phosphorylierter
und acetylierter Proteine
24.3.2 Detektion phosphorylierter und acetylierter
Proteine mittels enzymatischer, radioaktiver,
immunchemischer und fluoreszenzbasierender
Methoden
24.3.3 Detektion phosphorylierter und acetylierter
Proteine mittels Massenspektrometrie
24.4 Analyse posttranslational modifizierter
Peptide
24.4.1 Trennung und Anreicherung phosphorylierter
und acetylierter Peptide
24.4.2 Detektion phosphorylierter und acetylierter
Peptide mittels Massenspektrometrie
24.5 Lokalisation und Identifizierung
posttranslational modifizierter Aminosäuren
24.5.1 Lokalisation phosphorylierter und acetylierter
Aminosäuren mittels Edman-Sequenzierung
24.5.2 Lokalisation phosphorylierter und acetylierter
Aminosäuren mittels massenspektrometrischer
Fragmentionen-Analyse
24.6 Quantitative Analyse phosphorylierter und
acetylierter Aminosäuren
24.7 Zukunft der Analytik posttranslationaler
Modifikationen
Weiterführende Literatur
Teil
25 Isolierung und Reinigung von
Nucleinsäuren
25.1 Reinigung und Konzentrationsbestimmung
von Nucleinsäuren
25.1.1 Phenolextraktion
25.1.2 Gelfiltration
25.1.3 Ethanolpräzipitation der Nucleinsäuren
25.1.4 Konzentrationsbestimmung von Nucleinsäuren
25.2 Isolierung genomischer DNA
25.3 Isolierung niedermolekularer DNA
25.3.1 Isolierung von Plasmid-DNA aus Bakterien
25.3.2 Isolierung niedermolekularer DNA aus
eukaryotischen Zellen
25.4 Isolierung viraler DNA
25.4.1 Isolierung von Phagen-DNA
25.4.2 Isolierung von DNA aus eukaryotischen Viren
25.5 Isolierung einzelsträngiger DNA
25.5.1 Isolierung von M13-DNA
25.5.2 Trennung von einzel- und doppelsträngiger
DNA
25.6 Isolierung von RNA
25.6.1 Isolierung von cytoplasmatischer RNA
25.6.2 Isolierung von poIy(A)+-RNA
25.7 Isolierung von Nucleinsäuren unter
Verwendung von magnetischen Partikeln
Weiterführende Literatur
617
617
618
619
620
620
622
624
625
626
628
629
630
633
633
633
634
635
636
637
639
639
644
644
644
645
646
646
647
647
648
649
650
651
XVI
Inhalt
26 Aufarbeitung von Nucleinsäuren 653
26.1 Restriktionsanalyse 653
26.1.1 Prinzip der Restriktionsanalyse 653
26.1.2 Historischer Überblick 654
26.1.3 Restriktionsenzyme 654
26.1.4 Der Restriktionsansatz und seine
Anwendungen 657
26.2 Elektrophorese 663
26.2.1 Gelelektrophorese von DNA 664
26.2.2 Gelelektrophorese von RNA 670
26.2.3 Pulsfeldgelelektrophorese (PFGE) 672
26.2.4 Zweidimensionale Gelelektrophorese 675
26.2.5 Kapillargelelektrophorese 678
26.3 Färbemethoden 679
26.3.1 Fluoreszenzfarbstoffe 679
26.3.2 Silberfärbung 681
26.4 Nucleinsäureblotting 681
26.4.1 Blottingverfahren 681
26.4.2 Wahl der Membranen 682
26.4.3
26.4.4
26.4.5
26.4.6 Kolonie- und Plaquehybridisierungen 687
26.5 Fragmentisolierung 688
26.5.1 Reinigung über Glas-beads 688
26.5.2 Reinigung über Gelfiltrations- oder
phase-Säulen 689
26.5.3 Elektroelution 689
26.5.4 Andere Methoden 690
26.6 LC-MS von Oligonucleotiden 690
26.6.1 Prinzip der Synthese von Oligonucleotiden 690
26.6.2 Untersuchung der Reinheit und
Charakterisierung von Oligonucleotiden 693
26.6.3 Massenspektrometrische Untersuchung von
Oligonucleotiden 694
26.6.4 IP-RP-HPLC-MS-Untersuchung eines
Phosphorothioatoligonucleotids 696
Weiterführende Literatur 699
27 Hybridisierung und Nachweistechniken 701
27.1 Grundlagen der Hybridisierung 702
27.1.1 Prinzip und Durchführung der Hybridisierung 703
27.1.2 Spezifität der Hybridisierung und Stringenz 704
27.1.3 Hybridisierungsformate 705
27.2 Sonden zur Nucleinsäureanalytik 713
27.2.1 DNA-Sonden 714
27.2.2 RNA-Sonden 715
27.2.3 PNA-Sonden 716
27.2.4 LNA-Sonden 717
27.3 Markierungs verfahren 717
27.3.1 Markierungspositionen 719
27.3.2 Enzymatische Markierungsreaktionen 720
27.3.3 Photochemische Markierungsreaktionen 721
27.3.4 Chemische Markierungsreaktionen 722
27.4 Nachweissysteme 723
27.4.1 Färbemethoden 723
27.4.2 Radioaktive Systeme 723
27.4.3 Nichtradioaktive Systeme 725
27.5 Amplifikationssysteme
27.5.1 Targetamplifikation
27.5.2 Targetspezifische Signalamplifikation
27.5.3 Signalamplifikation
Weiterführende Literatur
Polymerasekettenreaktion
Möglichkeiten der PCR
Grundlagen
Instrumentierung
Amplifikation von DNA
Amplifikation von RNA (RT-PCR)
Optimierung der Reaktion
Quantitative PCR
Spezielle PCR-Techniken
Nested PCR
Asymmetrische PCR
Einsatz von degenerierten Primern
Multiplex-PCR
Cycle sequencing
In y/fro-Mutagenese
Homogene PCR-Detektionsverfahren
Quantitative Amplifikationsverfahren
In situ-PCR
28
28.1
28.2
28.2.1
28.2.2
28.2.3
28.2.4
28.2.5
28.3
28.3.1
28.3.2
28.3.3
28.3.4
28.3.5
28.3.6
28.3.7
28.3.8
28.3.9
28.3.10 Weitere Verfahren
28.4 Kontaminationsproblematik
28.4.1 Vermeidung von Kontaminationen
28.4.2 Dekontamination
28.5 Anwendungen
28.5.1 Nachweis von Infektionskrankheiten
28.5.2 Nachweis von genetischen Defekten
28.5.3 Humangenomprojekt
28.6 Alternative Verfahren der Amplifikation
28.6.1
(NASBA)
28.6.1.1
28.6.2
28.6.3
28.6.4
26.6.5
28.7 Ausblick
Weiterführende Literatur
29 DNA-Sequenzierung
29.1 Gelgestützte DNA-Sequenzierungsverfahren
29.1.1 Sequenzierung nach Sanger: das Didesoxy-
verfahren
29.1.2 Markierungstechniken und Nachweisverfahren
29.1.3 Chemische Spaltung nach Maxam und Gilbert
29.2 Gelfreie DNA-Sequenzierungsmethoden
Weiterführende Literatur
30 Gezielte Genmodifikation in der Maus
30.1 Strategien zur gezielten Genmodifikation
30.2 Vom DNA-Konstrukt zur Maus
30.2.1 Mikroinjektion von ES-Zellen in Blastocysten,
Moralaaggregation von ES-Zellen, ES-Mäuse
30.2.2 Pronucleusinjektion von DNA,
736
737
738
738
740
743
744
746
746
746
749
752
753
755
755
756
756
757
757
758
760
760
760
761
761
762
763
764
764
765
768
769
769
771
771
772
773
774
774
775
777
781
781
789
794
800
803
805
806
807
807
810
Inhalt
XVIi
30.3 Das Cre/loxP-Rekombinasesystem als
Beispiel für einen Genschalter
30.4 Strategien zur gezielten Genmodifikation
unter Verwendung von Genschaltern
30.5 Konditionale Mutagenese
Weiterführende Literatur
31
31.1
31.2
31.2.1
31.2.2
31.2.3
31.3
31.4
31.5
31.6
31.7
Weiterführende Literatur
Analyse der genomischen
DNA-Methylierung
Überblick über die Detektionsmethoden
der DNA-Methylierung
Methylierungsanalyse mit der Bisulfittechnik
Amplifikation und Sequenzierung von
bisulfitbehandelter DNA
Restriktionsanalyse nach Bisulfit-PCR
Methylierungsspezifische PCR
Methylierungsanalyse mit Hydrazin- und
Permanganatmodifikationen
Analyse der DNA mit methylierungs-
spezifischen Restriktionsenzymen
Methylierungsanalyse durch methylcytosin-
bindende Proteine
Methylierungsanalyse durch DNA-Hydrolyse
und
Ausblick
32 Protein-Nucleinsäure-Wechselwirkungen
32.1 DNA-Protein-Wechselwirkungen
32.1.1 Grundlagen der DNA-Protein-Erkennung:
helikale Doppelstränge
32.1.2 DNA-Krümmung
32.1.3 DNA-Topologie
32.2 DNA-Bindungsmotive
32.3 Spezielle Analysemethoden
32.3.1 Filterbindung
32.3.2 Gelelektrophorese
32.3.3 Bestimmung von Dissoziationskonstanten
32.3.4 Analyse der Dynamik von DNA-Protein-
Komplexen
32.4 DNA-/oo/pn'ni-Analysen
32.4.1 Markierung der DNA
32.4.2 Primer-extension-Analyse für DNA
32.4.3 Hydrolyse-Methoden
32.4.4 Chemische Reagenzien für Modifikation
von DNA-Protein-Komplexen
32.4.5 Interferenzbedingungen
32.4.6 Chemische Nucleasen
32.5 Physikalische Analysen
32.5.1 Fluoreszenz-Methoden
32.5.2 Fluorophore und Markierungsverfahren
32.5.3 Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer
32.5.4 Molekulare Lichtsonden
32.5.5
32.5.6
32.5.7
32.5.8
32.6
32.6.1
Funktionsvielfalt der RNA
860
812
32.6.2
RNA-Sekundärstrukturparameter und
ungewöhnliche Basenpaarungen
861
813
32.6.3
Dynamik der RNA-Protein-Erkennung
861
815
32.7
Charakteristische RNA-Bindungsmotive
863
819
32.8
Spezielle Methoden zur Analyse von RNA-
Protein-Komplexen
865
32.8.1
Limitierte enzymatische Hydrolyse
865
821
32.8.2
Markierungsmethoden
865
32.8.3
Primer-extension
866
822
32.8.4
Gebräuchliche RNasen
867
823
32.8.5
Chemische Modifikation von RNA-Protein-
Komplexen
868
824
32.8.6
Chemische Quervernetzung
870
825
32.8.7
Einbau photoreaktiver Nucleotide
871
826
32.9
Genetische Methoden
872
32.9.1
Tri-hybrid-Meihodz
872
827
32.9.2
Aptamere und das Selex-Verfahren
873
32.9.3
Gezielte Mutationen in Bindedomänen
874
828
Weiterführende Literatur
875
830
831
832
832
analytik
33
Sequenzanalyse
879
833
33.1
Sequenzanalyse und Bioinformatik
879
833
33.2
Datenbanken
881
33.2.1
Datenabruf
881
833
33.3
Webdienste
885
834
33.4
Analyse der Sequenzzusammensetzung
885
836
33.5
Muster in Sequenzen
886
837
33.5.1
Sequenzsignale: funktionale Motive
887
838
33.5.2
Bindungsstellen von Transkriptionsfaktoren
888
838
33.5.3
Identifizierung codierender Bereiche in DNA
888
839
33.5.4
Proteinlokalisierung
889
842
33.5.5
Sekundärstruktur
890
33.6
Homologie
890
843
33.6.1
Identität, Ähnlichkeit und Homologie
890
845
33.6.2
Alignment
892
847
33.6.3
Optimales
893
847
33.6.4
Alignment
848
BLAST
895
33.6.5
Profilbasierte Datenbanksuche: PSI-BLAST
897
850
33.7
Multiples
897
853
33.8
Sequenz und Struktur
898
854
33.9
Ausblicke
899
855
Weiterführende Literatur
900
855
856
34
Analyse von Promotorstärke und aktiver
856
RNA-Synthese
971
857
34.1
Methoden zur Analyse von RNA-Transkripten
901
857
34.1.1
Überblick
901
859
34.1.2
Nuclease Sl-Analyse von RNA
902
859
34.1.3
Ribonucleaseprotektionsassay (RPA)
905
859
34.1.4
Primerverlängerung
908
860
34.1.5
Northern-Blot, Dot-
909
XVI
Inhalt
34.1.6 Quantitative Polymerasekettenreaktion
(real time-PCR)
34.2 Analyse der RNA-Syntheserate in vivo
(nuclear run-on-Assay)
34.2.1 Zellaufschluss
34.2.2 Die
Detektion der Transkripte
34.3 Die in v/iro-Transkription klonierter Gene in
Extrakten und Proteinfraktionen
34.3.1 Komponenten des in v/iro-Transkriptions-
ansatzes
34.3.2 Herstellung transkriptionsaktiver Extrakte
und Proteinfraktionen
34.3.3 Promotorspezifische Matrizen-DNA und
Detektion der in v/fro-Transkripte
34.4 Die in v/vo-Analyse klonierter Promotoren in
Säugerzellen
34.4.1 Plasmidvektoren für die Analyse von
cis-aktiven Elementen in Säugerzellen
34.4.2 Einschleusen von Fremd-DNA in Säugerzellen
34.4.3 Die Charakterisierung der in vivo-Transkripte
der klonierten Promotoren
Weiterführende Literatur
35 Fluoreszenzmarkierte DNA-Hybridisierung
zur Genomanalyse in der molekularen
Cytogenetik
35.1 Methoden der fluoreszenzmarkierten DNA-
Hybridisierung
Markierungsstrategie
DNA-Sonden für
Markierung der DNA-Sonden
In
Fluoreszenzauswertung der Hybridisierungs-
signale
35.2 Anwendungen:
35.2.1 Analyse genomischer DNA durch
35.2.2. Vergleichende genomische Hybridisierung
(CGH)
Weiterführende Literatur
35.
35.
35.
35.
35.
36 Physikalische und genetische Gen-
kartierung
36.1 Genetische Kartierung: Lokalisierung von
Loci
36.1.1 Rekombination
36.1.2 Genetische Marker
36.1.3 Kopplungsanalyse - die Erstellung genetischer
Karten
36.1.4 Die genetische Karte des menschlichen
Genoms
36.1.5 Genetische Kartierung von Krankheitsgenen
36.2 Physikalische Kartierung
36.2.1 Restriktionskartierung ganzer Genome
36.2.2 Kartierung mittels rekombinanter Klone
36.2.3 Erstellung der physikalischen Karte
36.2.4 Isolierung und Identifizierung von Genen
36.2.5 Transkriptkarten des menschlichen Genoms
911
Mutationssuche
952
36.3
Integration der Genkarten
953
912
36.4
Das Humangenomprojekt
954
912
Weiterführende Literatur
955
913
37
Differenzielle Genaktivität
957
37.1
Grundprinzip des
957
913
37.2
Experimentelle Durchführung des
display
958
913
37.2.1
RNA-Isolierung
958
37.2.2
Synthese der cDNA
958
914
37.2.3
Amplifikation durch die erste PCR
959
37.2.4
Modifikationen der PCR und der Nachweis¬
914
reaktion
960
37.2.5
Polyacrylamidgelelektrophorese
961
917
37.2.6
Aufreinigung von PCR-Produkten
961
37.2.7
Northern-Blot-Analyse
962
917
37.2.8
Klonierung der cDNAs
962
919
37.2.9
Alternative zur Northern-Blot-Analyse:
Microarray-Analysen
963
920
37.3
Leistungsfähigkeit des
963
922
37.3.1
Abgeleitete Methoden
963
37.3.2
Methodenkombinationen mit
display
963
37.3.3
Differential
964
923
37.4
Einsatzmöglichkeiten des
964
Weiterführende Literatur
965
924
924
38
DNA-Microarray-Technologie
967
924
38.1
RNA-Analysen
968
925
38.1.1
Transcriptional
968
926
38.1.2
RNA-Reifung
969
38.1.3
RNA-Struktur und Funktionalität
969
927
38.2
DNA-Analysen
969
928
38.2.1
DNA-Kartierung
969
928
38.2.2
Comparative genomic hybridisation (CGH)
970
38.2.3
Protein-DNA-Interaktionen
971
930
38.2.4
Genotypisierung
972
933
38.2.5
Epigenetische Studien
973
38.2.6
DNA-Sequenzierung
973
38.3
Molekülsynthese
974
935
38.3.1
DNA-Synthese
974
38.3.2
Herstellung von RNAi
975
935
38.3.3
Chipgebundene Proteinexpression
975
935
38.4
Neue Ansätze
976
937
38.4.1
Eine universelle Chip-Plattform
976
38.4.2
Strukturanalysen
976
939
38.4.3
Jenseits von Nucleinsäuren
977
Weiterführende Literatur
977
941
942
39
Oligonucleotide als zellbiologische
943
Werkzeuge
979
943
39.1
/4/zii.seH.se-Oligonucleotide
980
945
39.1.1
Wirkweisen von anr/senie-Oligonucleotiden
981
947
39.1.2
Triplexbildende Oligonucleotide
982
949
39.1.3
Modifikationen von Oligonucleotiden zur
951
Steigerung der Nucleasestabilität
982
Inhalt
XIX
39.1.4
Einsatz von
43
Zellkultur und in Tiermodellen
984
43.1
39.1.5
Aniwense-Oligonucleotide
Arzneimittel
985
43.2
39.2
Ribozyme
986
39.2.1
Entdeckung und Klassifikation von
43.2.1
Ribozymen
986
43.2.2
39.2.2
Anwendungen von Ribozymen
986
39.3
RNA-Interferenz
987
43.2.3
39.3.1
Grundlagen der RNA-Interferenz
987
39.3.2
RNA-Interferenz durch Expressions Vektoren
988
43.2.4
39.3.3
Anwendungen der RNA-Interferenz
989
43.2.5
39.4
Aptamere: Hoch affine RNA- und DNA-
43.3
Oligonucleotide
990
43.3.1
39.4.1
Selektion von Aptameren
990
43.3.2
39.3.2
Anwendungen von Aptameren
992
43.3.3
39.5
Ausblick
992
43.3.4
Weiterführende Literatur
993
43.3.5
40
Proteomanalyse
995
43.3.6
40.1
Definition der Ausgangsbedingungen und
der Fragestellung, Projektplanung
998
43.3.7
40.2
Probenvorbereitung
999
40.3
Die quantitative Analyse des Proteoms
1000
43.3.8
40.3.1
Klassische gelbasierte Proteomanalyse
1001
Weitei
40.3.2
Zweidimensionale differenzielle Gel¬
elektrophorese (2D-DIGE)
1005
44
40.3.3
Nicht gelbasierte Proteomanalyse
1006
44.1
40.4
Bioinformatik
1014
44.1.1
40.5
Diskussion und Ausblick
1014
44.2
Weiterführende Literatur
1016
44.2.1
44.2.2
41
Metabolomics und Peptidomics
1017
44.2.3
41.1
Systembiologie und Metabolomics
1018
44.3
41.2
Technologische Plattformen für Metabolomics
1019
44.3.1
41.3
Metabolomisches
1021
44.3.2
41.4
Peptidomics
1022
44.3.3
41.5
Metabolomics -
1023
44.4
41.6
Data
1024
41.7
Anwendungsfelder
1025
44.5
41.8
Ausblick
1026
Weitei
Weiterführende Literatur
1026
Interactomics - Systematische Protein-
Protein-Wechselwirkungen 1027
Protein-Microarrays 1027
Sensitivität durch Miniaturisierung -
analyte
Von DNA- zu Protein-Microarrays 1030
Anwendungen von Protein-Microarrays 1031
42
42.1
42.1.1
42.1.2
42.1.3
Weiterfuhrende Literatur
Toponomanalyse
Lichtmikroskopische Methoden im
Hochdurchsatz
Antikörperbasierte Toponomanalyse mit
Multi-Epitop-Ligand-Kartierung (MELK)
Konzept des Proteintoponoms
Imaging cycler robots:
Toponomlesetechnologie
Ein Beispiel: Spezifität und Selektivität
des Zelloberflächentoponoms
Methoden der Toponomanalyse
Zusammenfassung und Ausblick
Abbildende Massenspektrometrie
Analytische Mikrosonden
Images: Massenspektrometrische Rasterbilder
SMALDI-MS: Das Matrixdilemma
SIMS- und ME-SIMS-i/nag/>!g: Die
Erweiterung des Massenbereichs
Auflösung versus Empfindlichkeit
Organe und Gewebe: MALDl-imaging mit
niedriger Auflösung
Biologische Zellen und Zellorganellen:
MS-imaging mit hoher Auflösung
Identifizierung und Charakterisierung
Weiterführende Literatur
Systembiologie
Ziele der Systembiologie
Definition
Methodische Ansätze
Modellaufbau
Induktiver versus deduktiver Lösungsansatz
Mathematische Werkzeuge
Beispiele für systembiologische Modelle
Studien in der pharmakologischen Forschung
Signaltransduktion JAK/STAT
Signaltransduktion EGF-Rezeptor/MAPK
Hürden und Perspektiven für die System¬
biologie
Internationale Forschungsnetzwerke
Weiterführende Literatur
Anhang
1033
Anhang 1: Strahlenschutz im Labor
Anhang 2: Aminosäuren und posttranslationale
Modifikationen
Anhang 3: Symbole und Abkürzungen
Index
1035
1035
1036
1037
1038
1039
1040
1047
1048
1048
1049
1049
1050
1050
1051
1051
1052
1052
1055
1055
1055
1056
1056
1056
1057
1058
1058
1060
1061
1062
1062
1063
1067
1093
1095
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