Études thermochimiques des complexes ternaires Ni(II) et Zn(II) à l’aide de la mobilité ionique et de la spectrométrie de masse

Summary

Cet article décrit un protocole expérimental utilisant la spectrométrie de masse de mobilité des ions électrospray, des calculs quantiques semi-empiriques et la dissociation induite par collision de seuil résolu en énergie pour mesurer la thermochimie relative de la dissociation de complexes métalliques ternaires apparentés.

Abstract

Cet article décrit un protocole expérimental utilisant la spectrométrie de masse de mobilité par électronébulisation ionique (ES-IM-MS) et la dissociation induite par collision à seuil résolu en énergie (TCID) pour mesurer la thermochimie de la dissociation des complexes ternaires [amb+M(II)+NTA]- chargés négativement en deux canaux de produits : [amb+M(II)] + NTA ou [NTA+M(II)]^–  + amb, où M = Zn ou Ni et NTA est l’acide nitrilotriacétique. Les complexes contiennent l’un des heptapeptides alternatifs de liaison aux métaux (amb) avec les structures primaires acétyl-His 1-Cys 2-Gly 3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7 ou acétyl-Asp 1-Cys 2-Gly_{3-Pro 4-Tyr 5-His} 6-Cys 7, où les acides aminés Aa _1,2,6,7 Les positions sont les sites potentiels de liaison des métaux. Les états stationnaires optimisés pour la géométrie des complexes ternaires et de leurs produits ont été sélectionnés à partir de calculs de chimie quantique (actuellement le hamiltonien semi-empirique PM6) en comparant leurs énergies électroniques et leurs sections efficaces de collision (CCS) à celles mesurées par ES-IM-MS. À partir des calculs de fréquence PM6, les paramètres moléculaires du complexe ternaire et de ses produits modélisent les intensités dépendantes de l’énergie des deux canaux de produits en utilisant une méthode TCID compétitive pour déterminer les énergies seuils des réactions qui se rapportent aux enthalpies 0 K de dissociation (ΔH₀). Les corrections thermiques et d’entropie de la mécanique statistique utilisant les fréquences de rotation et de vibration PM6 fournissent les 298 K enthalpies de dissociation (ΔH₂₉₈). Ces méthodes décrivent une routine EI-IM-MS qui peut déterminer la thermochimie et les constantes d’équilibre pour une gamme de complexes d’ions métalliques ternaires.

Introduction

Cette étude décrit une nouvelle technique utilisant un spectromètre de masse à mobilité ionique disponible dans le commerce qui permet de déterminer la thermochimie relative pour la dissociation d’un complexe métallique ternaire de liaison métallique alternative (amb) [amb + M (II) + NTA], où M = Zn ou Ni et NTA = acide nitrilotriacétique (Figure 1). Ces réactions modélisent la dissociation de la protéine recombinante marquée par amb attachée au métal immobilisé par le NTA au cours de la chromatographie d’affinité pour les métaux immobilisés (IMAC)^1,2. A titre d’exemple, cette méthode est décrite à l’aide des marqueurs amb heptapeptide des amb A et H (Figure 2) (choisis parmi les études précédentes 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ) qui présentent des propriétés de liaison au Zn(II) et au Ni(II) et, par conséquent, ont des applications potentielles en tant qu’étiquettes de purification. Cependant, le procédé décrit peut être utilisé pour évaluer les énergies thermochimiques dans n’importe quel système organométallique. Ces peptides amb ont des sites de liaison aux métaux dans les positions Aa_{1-Aa 2} et Aa_{6-Aa 7} qui entrent en compétition avec les sites carboxylate et amine du NTA. Les trois acides aminés amb centraux fournissent un espaceur (Gly₃), la charnière pour les deux bras (Pro₄) et une interaction cationique π-métal à longue distance (Tyr₅).

L’état de charge global 1− des complexes [amb+M(II)+NTA]^– est déterminé par l’état de protonation de leurs sites de liaison potentiels. Puisqu’il y a Ni(II) ou Zn(II) avec l’état d’oxydation 2+, il doit y avoir un réseau de trois sites déprotonés chargés négativement. La modélisation moléculaire des complexes [amb+M(II)+NTA]- prédit qu’il s’agit de deux protons du NTA et d’un proton de l’amb (c’est-à-dire [amb-H+M(II)+NTA-2H]^–). Les canaux de produits contiennent une espèce ionique et une espèce neutre (c.-à-d. [NTA-3H+M(II)]- + amb ou [amb-3H+M(II)]^– + NTA). Dans le manuscrit, « -3H » est exclu dans les noms des complexes, mais le lecteur doit savoir que le -3H est implicite. L’instrument mesure les intensités relatives des deux espèces ioniques masse/charge (m/z). Un attribut majeur des analyses ES-IM-MS est qu’elles permettent d’examiner la réactivité d’une espèce m/z spécifique, telle qu’utilisée ici et dans les études antérieures^de l’amb 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12.

L’acquisition de données thermochimiques pour de grands complexes par dissociation induite par collision est un sujet d’intérêt significatif^13,14. Les méthodologies, y compris la méthode cinétique, ne sont pas propices à l’ajustement des données sur une gamme d’énergies, ni ne tiennent compte des environnements à collisions multiples^15,16,17,18. Ici, la méthode CID seuil (TCID), développée à l’aide de la spectrométrie de masse en tandem à faisceau d’ions guidés par Armentrout, Ervin et Rodgers, est appliquée¹⁹ à une nouvelle plate-forme d’instruments ES-IM-MS utilisant des guides ioniques à ondes progressives. La méthode TCID permet une analyse thermochimique relative de la dissociation des complexes ternaires en leurs deux canaux de produits et comprend une loi de seuil décrivant le transfert d’énergie de collision entre l’énergie de translation du réactif (complexe ternaire dans cette recherche) et un gaz cible inerte (argon dans ce cas). La méthode comprend l’intégration sur la distribution d’énergie interne du réactif²⁰, les distributions d’énergie de translation entre le gaz réactif et cible 21 et les distributions de moment angulaire total^22,23. Une probabilité de dissociation et une correction statistique de Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM) des décalages cinétiques résultant de la fenêtre temporelle limitée pour l’observation des produits sont incluses²⁴. Pour deux canaux de produits indépendants, la méthode TCID concurrentielle permet l’ajustement simultané des deux canaux de produits concurrents. La dissociation du complexe se fait par un état de transition en orbite, qui a les propriétés des produits mais est maintenu ensemble par un dipôle verrouillé²⁵. La méthode TCID est incorporée dans le programme CRUNCH²⁶, et le fonctionnement de l’interface utilisateur est décrit ici pour évaluer la thermochimie des deux canaux de dissociation des complexes ternaires [amb+M(II)+NTA]^–. Le programme CRUNCH est disponible sur demande auprès des développeurs²⁶.

Protocol

Remarque : La figure 1 montre une vue d’ensemble du protocole. 1. Préparation des réactifs Achetez des peptides amb lyophilisés (pureté >98%) et conservez-les dans un congélateur à -80 °C. Achetez > nitrate de zinc(II) de pureté 99 % et nickel(II) nitrate hexahydraté.MISE EN GARDE : L’hexahydrate de nitrate de nickel(II) présente un danger pour l’environnement et la santé. Achetez l’acide nitri…

Representative Results

La dissociation compétitive induite par collision des complexes ternaires [amb+M(II)+NTA]- de A et H en [amb+M(II)]- + NTA ou [NTA+M(II)]- + amb, est représentée à la figure 3. L’amb est représenté par A ou H et le M = Zn ou Ni. Le complexe ternaire [A+Zn(II)+NTA]- (Figure 3A) présente des seuils apparents d’environ 0,7 eV d’énergie de co…

Discussion

Étapes critiques
Analyses ES-IM-MS de dissociation induite par collision (TCID). Le TCID a utilisé la cellule d’onde T de transfert en présence d’argon comme cellule de collision. Avant la dissociation, les ions précurseurs sont thermalisés par des collisions de faible énergie avec l’azote gazeux lorsqu’ils traversent la cellule de mobilité ionique (IM). Il en résulte un TCID résolu en énergie plus reproductible que celui obtenu en utilisant le piège comme cellule d…

Materials

Acetonitrile HPLC-grade	Fisher Scientific (www.Fishersci.com)	A998SK-4
Alternative metal binding (amb) peptides	PepmicCo (www.pepmic.com)		designed peptides were synthized by order
Ammonium acetate (ultrapure)	VWR	97061-014
Ammonium hydroxide (trace metal grade)	Fisher Scientific (www.Fishersci.com)	A512-P500
Driftscope 2.1 software program	Waters (www.waters.com)		software analysis program
Gaussian 09	Gaussian		Electronic Structure Modeling Software
GaussView	Gaussian		Graphical Interface to Visualize Computations
Glacial acetic acid (Optima grade)	Fisher Scientific (www.Fishersci.com)	A465-250
Ion-scaled Lennard-Jones (LJ) method	Sigma		Michael T. Bowers’ group of University of California at Santa Barbara
MassLynx 4.1	Waters (www.waters.com)		software analysis program
Microcentrifuge Tubes	VWR	87003-294	1.7 mL, polypropylene
Microcentrifuge Tubes	VWR	87003-298	2.0 mL, polypropylene
Ni(II) nitrate hexahydrate (99% purity)	Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com)	A15540
Poly-DL-alanine	Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com)	P9003-25MG
Waters Synapt G1 HDMS	Waters (www.waters.com)		quadrupole – ion mobility- time-of-flight mass spectrometer
Zn(II) nitrate hexahydrate (99%+ purity)	Alfa Aesar (www.alfa.com)	12313