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Chimica

Thermochemische Untersuchungen von ni(II) und Zn(II) ternären Komplexen mittels Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie

Published: June 08, 2022
doi:
10.3791/63722
, , , , , ,
1Department of Chemistry,Texas A&M University-Commerce, 2Laboratoire de Chimie Théorique,Sorbonne Université

Summary

Dieser Artikel beschreibt ein experimentelles Protokoll unter Verwendung von Elektrospray-Ionen-Mobilitäts-Massenspektrometrie, semi-empirischen Quantenberechnungen und energieaufgelöster Schwellenkollisions-induzierter Dissoziation, um die relative Thermochemie der Dissoziation verwandter ternärer Metallkomplexe zu messen.

Abstract

Dieser Artikel beschreibt ein experimentelles Protokoll unter Verwendung der Elektrospray-Ionen-Mobilität-Massenspektrometrie (ES-IM-MS) und der energieaufgelösten Schwellenkollisions-induzierten Dissoziation (TCID) zur Messung der Thermochemie der Dissoziation von negativ geladenen [amb+M(II)+NTA]– ternären Komplexen in zwei Produktkanäle: [amb+M(II)] + NTA oder [NTA+M(II)]–  + amb, wobei M = Zn oder Ni und NTA Nitrilotriessigsäure ist. Die Komplexe enthalten eines der alternativen metallbindenden (amb) Heptapeptide mit den Primärstrukturen Acetyl-His 1-Cys 2-Gly 3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7 oder Acetyl-Asp 1-Cys 2-Gly3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7, wobei die Aminosäuren Aa 1,2,6,7 Positionen sind die potenziellen Metallbindungsstellen. Geometrieoptimierte stationäre Zustände der ternären Komplexe und ihrer Produkte wurden aus quantenchemischen Berechnungen (derzeit der semi-empirische PM6-Hamiltonian) ausgewählt, indem ihre elektronischen Energien und ihre Kollisionsquerschnitte (CCS) mit denen von ES-IM-MS verglichen wurden. Aus den PM6-Frequenzberechnungen modellieren die molekularen Parameter des ternären Komplexes und seiner Produkte die energieabhängigen Intensitäten der beiden Produktkanäle mit einer kompetitiven TCID-Methode, um die Schwellenenergien der Reaktionen zu bestimmen, die sich auf die 0-K-Dissoziationsenthalpien (ΔH0) beziehen. Statistische mechanische thermische und Entropiekorrekturen unter Verwendung der PM6-Rotations- und Schwingungsfrequenzen liefern die 298 K-Dissoziationsenthalpien (ΔH298). Diese Methoden beschreiben eine EI-IM-MS-Routine, die Thermochemie und Gleichgewichtskonstanten für eine Reihe ternärer Metallionenkomplexe bestimmen kann.

Introduction

Diese Studie beschreibt eine neue Technik unter Verwendung eines kommerziell erhältlichen Ionenmobilitätsmassenspektrometers, das die Bestimmung der relativen Thermochemie für die Dissoziation eines alternären Metallbindungskomplexes (amb+M(II)+NTA] ermöglicht, wobei M = Zn oder Ni und NTA = Nitrilotriessigsäure ist (Abbildung 1). Diese Reaktionen modellieren die Dissoziation des amb-markierten rekombinanten Proteins, das an das NTA-immobilisierte Metall während der immobilisierten Metallaffinitätschromatographie (IMAC) gebunden ist1,2. Als Beispiel wird diese Methode anhand der amb-Heptapeptid-Tags von amb A und H beschrieben (Abbildung 2) (ausgewählt aus den vorangegangenen Studien 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ), die Zn(II)- und Ni(II)-bindende Eigenschaften aufweisen und daher potenzielle Anwendungen als Reinigungsmarken haben. Das beschriebene Verfahren kann jedoch verwendet werden, um thermochemische Energien in jedem metallorganischen System zu bewerten. Diese amb-Peptide haben Metallbindungsstellen in den Positionen Aa1-Aa 2 und Aa6-Aa 7, die mit den Carboxylat- und Aminstellen des NTA konkurrieren. Die drei zentralen amb-Aminosäuren bieten einen Spacer (Gly3), das Scharnier für die beiden Arme (Pro4) und eine Fern-π-Metall-Kationen-Wechselwirkung (Tyr5).

Der gesamte 1− Ladungszustand der [amb+M(II)+NTA]– Komplexe wird durch den Protonierungszustand ihrer potentiellen Bindungsstellen bestimmt. Da es Ni(II) oder Zn(II) mit der Oxidationsstufe 2+ gibt, muss es ein Netz von drei deprotonierten negativ geladenen Stellen geben. Die molekulare Modellierung der [amb+M(II)+NTA]– Komplexe sagt voraus, dass dies zwei Protonen aus dem NTA und ein Proton aus dem amb sind (d.h. [amb-H+M(II)+NTA-2H]-). Die Produktkanäle enthalten eine ionische Spezies und eine neutrale Spezies (d.h. [NTA-3H+M(II)]– + amb oder [amb-3H+M(II)]– + NTA). Im Manuskript wird “-3H” in den Namen der Komplexe ausgeschlossen, aber der Leser sollte wissen, dass das -3H impliziert ist. Das Instrument misst die relativen Intensitäten der beiden ionischen Masse-zu-Ladungs-Spezies (m/z). Ein wesentliches Merkmal von ES-IM-MS-Analysen ist, dass sie die Untersuchung der Reaktivität einer bestimmten m/z-Spezies ermöglichen, wie sie hier und in früheren amb-Studien 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 verwendet wurde.

Die Erfassung thermochemischer Daten für große Komplexe mittels kollisionsinduzierter Dissoziation ist ein Thema von erheblichem Interesse13,14. Methoden, einschließlich der kinetischen Methode, sind nicht förderlich für die Anpassung von Daten über einen Energiebereich, noch berücksichtigen sie Multikollisionsumgebungen15,16,17,18. Hier wird die Schwellen-CID-Methode (TCID), die unter Verwendung der geführten Ionenstrahl-Tandem-Massenspektrometrie von Armentrout, Ervin und Rodgers entwickelt wurde19 auf eine neue ES-IM-MS-Instrumentenplattform unter Verwendung von Wanderwellen-Ionenleitern angewendet. Die TCID-Methode ermöglicht die relative thermochemische Analyse der Dissoziation der ternären Komplexe in ihre beiden Produktkanäle und beinhaltet ein Schwellenwertgesetz, das die Übertragung der Kollisionsenergie zwischen der Translationsenergie des Reaktanten (ternärer Komplex in dieser Forschung) und einem inerten Zielgas (in diesem Fall Argon) beschreibt. Das Verfahren umfasst die Integration über die interne Energieverteilung 20 des Reaktanten, die translationalen Energieverteilungen zwischen dem Reaktanten und dem Zielgas21 und die Gesamtdrehimpulsverteilungen22,23. Eine Dissoziationswahrscheinlichkeit und statistische Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM)-Korrektur der kinetischen Verschiebungen, die sich aus dem begrenzten Zeitfenster zur Beobachtung der Produkte ergeben, sindenthalten 24. Für zwei unabhängige Produktkanäle ermöglicht das kompetitive TCID-Verfahren die gleichzeitige Anpassung der beiden konkurrierenden Produktkanäle. Die Dissoziation des Komplexes erfolgt durch einen umkreisenden Übergangszustand, der die Eigenschaften der Produkte aufweist, aber durch einen gesperrten Dipol25 zusammengehalten wird. Die TCID-Methode ist in das CRUNCH-Programm26 integriert, und die Funktionsweise der Benutzeroberfläche wird hier beschrieben, um die Thermochemie der beiden Dissoziationskanäle der ternären [amb+M(II)+NTA]–Komplexe zu bewerten. Das CRUNCH-Programm ist auf Anfrage bei den Entwicklern26 erhältlich.

Protocol

HINWEIS: Abbildung 1 zeigt eine Übersicht über das Protokoll. 1. Herstellung von Reagenzien Kaufen Sie gefriergetrocknete AMB-Peptide (>98% Reinheit) und lagern Sie sie in einem Gefrierschrank von -80 °C. Kaufen Sie >99% Reinheit Zink(II)-nitrathexahydrat und Nickel(II)-nitrathexahydrat.ACHTUNG: Nickel(II)-nitrathexahydrat stellt eine Gefahr für Umwelt und Gesundheit dar. Kaufen Sie die Nitrilotriessigsäure, …

Representative Results

Die kompetitive kollisionsinduzierte Dissoziation der [amb+M(II)+NTA]- ternären Komplexe von A und H in [amb+M(II)]- + NTA oder [NTA+M(II)]- + amb ist in Abbildung 3 dargestellt. Die amb wird entweder als A oder H und M = Zn oder Ni angezeigt. Der [A+Zn(II)+NTA]- ternäre Komplex (Abbildung 3A) weist scheinbare Schwellenwerte von etwa 0,7 eV Kollisionsenergie (C…

Discussion

Kritische Schritte
ES-IM-MS Schwellenkollisions-induzierte Dissoziation (TCID) Analysen. Das TCID verwendete die Transfer-T-Wellenzelle in Gegenwart von Argon als Kollisionszelle. Vor der Dissoziation werden die Vorläuferionen durch niederenergetische Kollisionen mit Stickstoffgas thermalisiert, wenn sie die Zelle der Ionenmobilität (IM) passieren. Dies führt zu einer reproduzierbareren energieaufgelösten TCID als durch die Verwendung der Falle als Kollisionszelle<sup class="xref"…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dieses Material basiert auf Arbeiten, die von der National Science Foundation im Rahmen von 1764436, NSF REU-Programm (CHE-1659852), NSF-Instrumentenunterstützung (MRI-0821247), Physics and Astronomy Scholarship for Success (PASS) NSF-Projekt (1643567), Welch Foundation (T-0014) und Computerressourcen des Department of Energy (TX-W-20090427-0004-50) und L3 Communications unterstützt werden. Die Autoren danken Kent M. Ervin (University of Nevada – Reno) und Peter B. Armentrout (University of Utah) für das Teilen des CRUNCH-Programms und für die Beratung zur Anpassung durch PBA. Die Autoren danken der Gruppe von Michael T. Bower an der University of California – Santa Barbara für das Teilen des Sigma-Programms.

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
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Riferimenti

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Keywords: Ion Mobility-mass SpectrometryTernary ComplexesThermochemistryMolecular ModelingReaction DynamicsRecombinant Protein PurificationMetal ChelationNitrilotriacetic AcidCollision-induced DissociationCollision Cross-section
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Citazione di questo articolo
Corrales, A. J., Arredondo, A. V., Flores, A. A., Duvak, C. L., Mitchell, C. L., Spezia, R., Angel, L. A. Thermochemical Studies of Ni(II) and Zn(II) Ternary Complexes Using Ion Mobility-Mass Spectrometry. J. Vis. Exp. (184), e63722, doi:10.3791/63722 (2022).
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