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Chimica

이온 이동성-질량 분광법을 이용한 Ni(II) 및 Zn(II) 삼항 복합체의 열화학적 연구

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

Summary

이 기사에서는 전기 분무 이온 이동성 – 질량 분광법, 반 경험적 양자 계산 및 에너지 해결 임계 충돌 유도 해리를 사용하여 관련 삼원 금속 착물의 해리의 상대적 열화학을 측정하는 실험 프로토콜을 설명합니다.

Abstract

이 기사에서는 전기 분무 이온 이동성 – 질량 분광법 (ES-IM-MS) 및 에너지 분해 임계 충돌 유도 해리 (TCID)를 사용하여 음전하를 띤 [amb + M (II) + NTA]- 삼원 복합체를 두 개의 제품 채널로 해리시키는 열화학을 측정하는 실험 프로토콜을 설명합니다 : [amb + M (II)] + NTA 또는 [NTA + M (II)]–  + amb, 여기서 M=Zn 또는 Ni이고 NTA는 니트릴로트리아세트산이다. 상기 복합체는 1차 구조를 갖는 대체 금속 결합(amb) 헵타펩타이드 중 하나를 함유하며, 여기서 아미노산은 아세틸-His 1-Cys 2-Gly 3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7 또는 아세틸-Asp1-Cys 2-Gly3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys7이며, 여기서 아미노산’ Aa 1,2,6,7 위치는 잠재적인 금속 결합 부위이다. 삼항 복합체와 그 제품의 기하학적으로 최적화된 고정 상태는 양자 화학 계산(현재 PM6 반경험적 해밀턴)에서 전자 에너지와 충돌 단면(CCS)을 ES-IM-MS에 의해 측정된 것과 비교하여 선택되었다. PM6 주파수 계산에서, 삼원 복합체 및 그 생성물의 분자 파라미터는 경쟁적인 TCID 방법을 사용하여 두 제품 채널의 에너지 의존적 강도를 모델링하여 해리의 0K 엔탈피(ΔH0)와 관련된 반응의 임계 에너지를 결정한다. PM6 회전 및 진동 주파수를 사용하는 통계 역학 열 및 엔트로피 보정은 해리의 298K 엔탈피를 제공합니다 (ΔH298). 이들 방법은 삼항 금속 이온 착물의 범위에 대한 열화학 및 평형 상수를 결정할 수 있는 EI-IM-MS 루틴을 기술한다.

Introduction

이 연구는 대체 금속 결합 (amb) 삼원 금속 착물 [amb + M (II) + NTA]의 해리에 대한 상대 열화학의 결정을 허용하는 상업적으로 이용 가능한 이온 이동성 질량 분광계를 사용하는 새로운 기술을 설명합니다 (여기서 M = Zn 또는 Ni 및 NTA = 니트릴로 트리아세트산 (그림 1). 이들 반응은 고정화된 금속 친화성 크로마토그래피(IMAC)1,2 동안 NTA 고정화된 금속에 부착된 amb-태깅된 재조합 단백질의 해리를 모델링한다. 예로서, 이 방법은 amb A 및 H의 amb 헵타펩티드 태그를 사용하여 기술된다 (도 2) (이전 연구로부터 선택된 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 )는 Zn(II) 및 Ni(II) 결합 특성을 나타내므로, 정제 태그로서 잠재적인 응용을 갖는다. 그러나, 기술된 공정은 임의의 유기금속 시스템에서 열화학적 에너지를 평가하는데 사용될 수 있다. 이들 amb 펩티드는 NTA의 카르복실레이트 및 아민 부위와 경쟁하는 Aa1-Aa2 및 Aa6-Aa7 위치에 금속 결합 부위를 갖는다. 3개의 중앙 amb 아미노산은 스페이서(Gly3), 두 팔에 대한 힌지(Pro4), 및 장거리 π-금속 양이온 상호작용(Tyr5)을 제공한다.

복합체의 전체 1-전하 상태는 [amb+M(II)+NTA]–복합체의 잠재적 결합 부위의 양성자화 상태에 의해 결정된다. 2+ 산화 상태를 갖는 Ni(II) 또는 Zn(II)이 존재하기 때문에, 세 개의 탈양성자화된 음전하를 띤 부위의 그물이 있어야 한다. [amb+M(II)+NTA]- 복합체의 분자 모델링은 이들이 NTA로부터의 두 양성자와 amb로부터의 하나의 양성자(즉, [amb-H+M(II)+NTA-2H]–)임을 예측한다. 생성물 채널은 이온성 종 및 중성 종(즉, [NTA-3H+M(II)]– + amb 또는 [amb-3H+M(II)]– + NTA)를 함유한다. 원고에서 “-3H”는 복합체의 이름에서 제외되지만 독자는 -3H가 암시되어 있음을 알아야합니다. 이 기기는 두 개의 이온성 질량 대 전하 (m / z) 종의 상대적 강도를 측정합니다. ES-IM-MS 분석의 주요 특성은 여기와 이전 amb 연구 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 에서 활용 된 특정 M / Z 종의 반응성을 검사 할 수 있다는 것입니다.

충돌-유도된 해리를 사용하여 대규모 복합체에 대한 열화학적 데이터를 획득하는 것은 상당한 관심의 대상이다(13,14). 운동 방법을 포함한 방법론은 에너지 범위에 걸쳐 데이터를 피팅하는 데 도움이되지 않으며 다중 충돌 환경15,16,17,18을 설명하지도 않습니다. 여기서, Armentrout, Ervin, Rodgers에 의해 유도 이온 빔 탠덤 질량 분광법을 사용하여 개발된 임계 CID(TCID) 방법은 이동파 이온 가이드를 활용한 새로운 ES-IM-MS 계측기 플랫폼에19를 적용한다. TCID 방법은 삼원 복합체를 두 제품 채널로 해리시키는 상대적 열화학적 분석을 허용하며, 반응물의 번역 에너지 (이 연구에서 삼원 복합체)와 불활성 표적 가스 (이 경우 아르곤) 사이의 충돌 에너지 전달을 설명하는 임계 법칙을 포함합니다. 이 방법은 반응물의 내부 에너지 분포(20), 반응물과 표적 가스(21) 사이의 번역 에너지 분포, 및 총 각운동량 분포(22,23)를 통한 통합을 포함한다. 제품의 관찰을 위한 제한된 시간 윈도우로부터 기인하는 운동 이동의 해리 확률 및 통계적 라이스-람스퍼거-카셀-마커스(RRKM) 보정이 포함된다(24). 두 개의 독립적인 제품 채널의 경우, 경쟁력 있는 TCID 방식을 통해 두 개의 경쟁 제품 채널을 동시에 장착할 수 있습니다. 복합체의 해리는 궤도 전이 상태를 통해 이루어지며, 이는 생성물의 특성을 갖지만 잠긴 쌍극자(25)에 의해 함께 유지된다. TCID 방법은 CRUNCH 프로그램(26)에 통합되고, 사용자 인터페이스의 동작은 삼원(amb+M(II)+NTA]–복합체의 두 해리 채널의 열화학을 평가하기 위해 여기에서 설명된다. CRUNCH 프로그램은 개발자26의 요청에 따라 사용할 수 있습니다.

Protocol

참고: 그림 1 에서는 프로토콜의 개요를 보여 줍니다. 1. 시약의 제조 동결건조된 amb 펩티드(>98% 순도)를 구입하여 -80°C 냉동고에 보관한다. >99% 순도의 아연(II) 질산염 육수화물과 니켈(II) 질산염 육수화물을 구입합니다.주의: 니켈(II) 질산염 육수화물은 환경 및 건강에 위험을 초래합니다. 니트릴로트리아세트산, 폴…

Representative Results

A 및 H의 삼항 복합체를 [amb+M(II)]- + NTA 또는 [NTA+M(II)]- + amb로 [amb+M(II)+NTA]- + amb로 경쟁적 충돌-유도된 해리가 도 3에 도시되어 있다. amb는 A 또는 H로 표시되고 M=Zn 또는 Ni로 표시된다. [A+Zn(II)+NTA]- 삼원 복합체(도 3A)는 [A+Zn(II)]를 생성하기 위해 약 0.7eV 충돌 에너지(CE)의 겉?…

Discussion

중요한 단계
ES-IM-MS 역치 충돌 유도 해리(TCID) 분석. TCID는 아르곤의 존재하에 전달 T-파 셀을 충돌 셀로 사용했다. 해리 전에, 전구체 이온은 이온 이동성 (IM) 셀을 통과 할 때 질소 가스와의 저에너지 충돌에 의해 열화됩니다. 이는 트랩을 충돌 셀(6,40)로서 사용함으로써 달성되는 것보다 더 재현가능한 에너지 분해능 TCID를 초?…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 자료는 1764436, NSF REU 프로그램 (CHE-1659852), NSF 계측기 지원 (MRI-0821247), 성공을위한 물리학 및 천문학 장학금 (PASS) NSF 프로젝트 (1643567), 웰치 재단 (T-0014) 및 에너지부 (TX-W-20090427-0004-50) 및 L3 통신의 컴퓨팅 자원에 따라 국립 과학 재단이 지원하는 작업을 기반으로합니다. 저자들은 CRUNCH 프로그램을 공유하고 PBA의 피팅에 대한 조언을 해준 Kent M. Ervin (University of Nevada – Reno)과 Peter B. Armentrout (University of Utah)에게 감사드립니다. 저자들은 시그마 프로그램을 공유해 준 캘리포니아 대학교 산타바바라의 마이클 T. 보워(Michael T. Bower) 그룹에게 감사를 표한다.

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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