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Chimica

Studi termochimici di complessi ternari Ni(II) e Zn(II) mediante mobilità ionica-spettrometria di massa

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

Summary

Questo articolo descrive un protocollo sperimentale che utilizza la spettrometria di massa a mobilità ionica elettrospray, calcoli quantistici semi-empirici e dissociazione indotta da collisione di soglia risolta dall’energia per misurare la termochimica relativa della dissociazione dei complessi metallici ternari correlati.

Abstract

Questo articolo descrive un protocollo sperimentale che utilizza la spettrometria di mobilità-massa elettrospray-ioni (ES-IM-MS) e la dissociazione indotta da collisione di soglia risolta in energia (TCID) per misurare la termochimica della dissociazione di complessi ternari [amb+M(II)+NTA]- caricati negativamente in due canali di prodotto: [amb+M(II)] + NTA o [NTA+M(II)]–  + amb, dove M = Zn o Ni e NTA è acido nitrilotriacetico. I complessi contengono uno degli eptapeptidi alternativi di legame dei metalli (amb) con le strutture primarie acetil-His 1-Cys 2-Gly 3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7 o acetil-Asp 1-Cys 2-Gly 3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7, dove gli amminoacidi ‘Aa1,2,6,7 Le posizioni sono i potenziali siti di legatura dei metalli. Gli stati stazionari ottimizzati per la geometria dei complessi ternari e dei loro prodotti sono stati selezionati dai calcoli di chimica quantistica (attualmente l’hamiltoniana semi-empirica PM6) confrontando le loro energie elettroniche e le loro sezioni trasversali di collisione (CCS) con quelle misurate da ES-IM-MS. Dai calcoli di frequenza PM6, i parametri molecolari del complesso ternario e dei suoi prodotti modellano le intensità dipendenti dall’energia dei due canali del prodotto utilizzando un metodo TCID competitivo per determinare le energie di soglia delle reazioni che si riferiscono alle entalpie 0 K di dissociazione (ΔH0). Le correzioni termiche ed entropiche della meccanica statistica che utilizzano le frequenze rotazionali e vibrazionali PM6 forniscono le entalpie di dissociazione da 298 K (ΔH298). Questi metodi descrivono una routine EI-IM-MS in grado di determinare la termochimica e le costanti di equilibrio per una gamma di complessi ternari di ioni metallici.

Introduction

Questo studio descrive una nuova tecnica che utilizza uno spettrometro di mobilità ionica-massa disponibile in commercio che consente la determinazione della termochimica relativa per la dissociazione di un complesso metallico ternario alternativo legante il metallo (amb) [amb + M (II) + NTA], dove M = Zn o Ni e NTA = acido nitrilotriacetico (Figura 1). Queste reazioni modellano la dissociazione della proteina ricombinante amb-tagged attaccata al metallo immobilizzato NTA durante la cromatografia di affinità metallica immobilizzata (IMAC)1,2. Ad esempio, questo metodo è descritto utilizzando i tag eptapeptide amb di amb A e H (Figura 2) (scelti dagli studi precedenti 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ) che presentano proprietà leganti lo Zn(II) e il Ni(II) e, pertanto, hanno potenziali applicazioni come etichette di purificazione. Tuttavia, il processo descritto può essere utilizzato per valutare le energie termochimiche in qualsiasi sistema organometallico. Questi peptidi amb hanno siti di legame dei metalli nelle posizioni Aa 1-Aa2 e Aa6-Aa 7 che competono con i siti carbossilato e amminico della NTA. I tre amminoacidi amb centrali forniscono un distanziatore (Gly3), la cerniera per i due bracci (Pro4) e un’interazione cationica π-metallo a lunga distanza (Tyr5).

Lo stato di carica 1− complessivo dei complessi [amb+M(II)+NTA]– è determinato dallo stato di protonazione dei loro potenziali siti di legame. Poiché esiste Ni(II) o Zn(II) con lo stato di ossidazione 2+, deve esserci una rete di tre siti deprotonati caricati negativamente. La modellazione molecolare dei complessi [amb+M(II)+NTA]– prevede che questi siano due protoni dell’NTA e un protone dell’amb (cioè [amb-H+M(II)+NTA-2H]–). I canali del prodotto contengono una specie ionica e una specie neutra (cioè [NTA-3H+M(II)]- + amb o [amb-3H+M(II)]– + NTA). Nel manoscritto, “-3H” è escluso nei nomi dei complessi, ma il lettore dovrebbe sapere che il -3H è implicito. Lo strumento misura le intensità relative delle due specie ioniche di massa-carica (m/z). Una delle principali caratteristiche delle analisi ES-IM-MS è che consente l’esame della reattività di una specifica specie m/z, come utilizzato qui e nei precedenti studi amb 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12.

L’acquisizione di dati termochimici per grandi complessi utilizzando la dissociazione indotta da collisione è un argomento di notevole interesse13,14. Le metodologie, incluso il metodo cinetico, non sono favorevoli all’adattamento dei dati su un intervallo di energie, né tengono conto degli ambienti multi-collisione15,16,17,18. Qui, il metodo CID di soglia (TCID), sviluppato utilizzando la spettrometria di massa tandem a fascio ionico guidato da Armentrout, Ervin e Rodgers viene applicato19 a una nuova piattaforma di strumenti ES-IM-MS che utilizza guide ioniche a onda viaggiante. Il metodo TCID consente l’analisi termochimica relativa della dissociazione dei complessi ternari nei loro due canali di prodotto e include una legge di soglia che descrive il trasferimento di energia di collisione tra l’energia traslazionale del reagente (complesso ternario in questa ricerca) e un gas bersaglio inerte (argon in questo caso). Il metodo include l’integrazione sulla distribuzione interna dell’energia del reagente20, le distribuzioni di energia traslazionale tra il reagente e il gas target 21 e le distribuzioni del momento angolare totale22,23. Sono incluse una probabilità di dissociazione e una correzione statistica Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM) degli spostamenti cinetici risultanti dalla finestra temporale limitata per l’osservazione dei prodotti24. Per due canali di prodotto indipendenti, il metodo TCID competitivo consente l’adattamento simultaneo dei due canali di prodotto concorrenti. La dissociazione del complesso avviene attraverso uno stato di transizione orbitante, che ha le proprietà dei prodotti ma è tenuto insieme da un dipolo25 bloccato. Il metodo TCID è incorporato nel programma CRUNCH26, e il funzionamento dell’interfaccia utente è descritto qui per valutare la termochimica dei due canali di dissociazione dei complessi ternari [amb+M(II)+NTA]–. Il programma CRUNCH è disponibile su richiesta presso gli sviluppatori26.

Protocol

NOTA: nella Figura 1 viene illustrata una panoramica del protocollo. 1. Preparazione dei reagenti Acquistare peptidi amb liofilizzati (purezza >98%) e conservarli in un congelatore a -80 °C. Acquistare nitrato di zinco (II) esaidrato di purezza >99% e nitrato di nichel (II) esaidrato.ATTENZIONE: Il nitrato di nichel(II) esaidrato presenta un rischio per l’ambiente e la salute. Acquista l’acido nitrilotriacetico, …

Representative Results

La dissociazione indotta da collisione competitiva dei complessi ternari [amb+M(II)+NTA]- di A e H in [amb+M(II)]- + NTA o [NTA+M(II)]- + amb, è mostrata nella Figura 3. L’amb è mostrato come A o H e M = Zn o Ni. Il complesso ternario [A+Zn(II)+NTA] (Figura 3A) mostra soglie apparenti di circa 0,7 eV di energia di collisione (CE) per produrre [A+Zn(I…

Discussion

Passaggi critici
Analisi ES-IM-MS threshold collision-induced dissociation (TCID). Il TCID ha utilizzato la cella di trasferimento dell’onda T in presenza di argon come cella di collisione. Prima della dissociazione, gli ioni precursori vengono termicizzati da collisioni a bassa energia con azoto gassoso mentre passano attraverso la cellula di mobilità ionica (IM). Ciò si traduce in un TCID risoluto in energia più riproducibile di quanto si ottenga utilizzando la trappola<sup class…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo materiale si basa sul lavoro sostenuto dalla National Science Foundation nell’ambito di 1764436, programma NSF REU (CHE-1659852), supporto per strumenti NSF (MRI-0821247), Physics and Astronomy Scholarship for Success (PASS) NSF project (1643567), Welch Foundation (T-0014) e risorse di calcolo del Dipartimento dell’Energia (TX-W-20090427-0004-50) e L3 Communications. Gli autori ringraziano Kent M. Ervin (University of Nevada – Reno) e Peter B. Armentrout (University of Utah) per aver condiviso il programma CRUNCH e per i consigli sul fitting da parte di PBA. Gli autori ringraziano il gruppo di Michael T. Bower presso l’Università della California – Santa Barbara per aver condiviso il programma Sigma.

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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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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