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Chimica

Estudos Termoquímicos de Ni(II) e Zn(II) Complexos Ternários utilizando Espectrometria de Ion Mobility-Mass

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

Summary

Este artigo descreve um protocolo experimental usando espectrometria eletrospray-ion mobilidade-massa, cálculos quânticos semi-empíricos e dissociação induzida por colisão limiar resolvida pela energia para medir a termoquímica relativa da dissociação de complexos metálicos ternários relacionados.

Abstract

Este artigo descreve um protocolo experimental usando espectrometria eletrospray-ion mobilidade-massa (ES-IM-MS) e dissociação induzida por colisão limiar (TCID) para medir a termoquímica de a dissociação de complexos ternários carregados negativamente [amb+M(II)+NTA]– complexos ternários em dois canais de produto: [amb+M(II)] + NTA ou [NTA+M(II)]–  + amb, onde M = Zn ou Ni e NTA é ácido nitrilotriactico. Os complexos contêm um dos heptapeptides de ligação metálica alternativa (amb) com as estruturas primárias acetil-His 1-Cys2-Gly 3-Pro 4-Tyr5-His 6-Cys 7 ou acetil-Asp1-Cys 2-Gly 3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7, onde os aminoácidos Aa1,2,6,7 posições são os potenciais locais de ligação metálica. Estados estacionários otimizados pela geometria dos complexos ternários e seus produtos foram selecionados a partir de cálculos de química quântica (atualmente o PM6 semi-empírico Hamiltoniano) comparando suas energias eletrônicas e suas seções transversais de colisão (CCS) às medidas pelo ES-IM-MS. A partir dos cálculos de frequência PM6, os parâmetros moleculares do complexo ternário e seus produtos modelam as intensidades dependentes de energia dos dois canais de produto utilizando um método TCID competitivo para determinar as energias limiares das reações que se relacionam com os 0 Kenthalpies de dissociação (ΔH0). Correções térmicas e entropias estatísticas utilizando as frequências rotacionais e vibracionais PM6 fornecem os 298 K de dissociação (ΔH298). Esses métodos descrevem uma rotina de EI-IM-MS que pode determinar as constantes termoquímicas e de equilíbrio para uma gama de complexos de íons metálicos ternários.

Introduction

Este estudo descreve uma nova técnica utilizando um espectrômetro de mobilidade de mobilidade de íons comercialmente disponível que permite a determinação da termoquímica relativa para a dissociação de um complexo metálico ternário de ligação metálica alternativa (amb) (amb+M(II)+NTA], onde M = Zn ou Ni e NTA = ácido nitrilotriactico (Figura 1). Essas reações modelam a dissociação da proteína recombinante amb marcada ligada ao metal imobilizado NTA durante a cromatografia de afinidade metálica imobilizada (IMAC)1,2. Como exemplo, este método é descrito utilizando as etiquetas amb heptapeptide de amb A e H (Figura 2) (escolhidas nos estudos anteriores 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ), que exibem propriedades de ligação Zn(II) e Ni(II) e, portanto, têm aplicações potenciais como etiquetas de purificação. No entanto, o processo descrito pode ser usado para avaliar energias termoquímicas em qualquer sistema organometólico. Estes peptídeos amb têm locais de ligação metálica nas posições Aa1-Aa 2 e Aa6-Aa 7 que competem com os locais de carboxilato e amina da NTA. Os três aminoácidos amb centrais fornecem um espaçador (Gly3), a dobradiça para os dois braços (Pro4) e uma interação de cation de π metais de longa distância (Tyr5).

O estado de carga geral 1− dos complexos [amb+M(II)+NTA]– é determinado pelo estado de protonação de seus potenciais locais de vinculação. Uma vez que existe Ni(II) ou Zn(II) com o estado de oxidação 2+, deve haver uma rede de três locais desprotosados negativamente carregados. A modelagem molecular dos complexos [amb+M(II)+NTA]– prevê que estes são dois prótons da NTA e um próton da amb (i.e., [amb-H+M(II)+NTA-2H]–). Os canais do produto contêm uma espécie iônica e uma espécie neutra (ou seja, [NTA-3H+M(II)]– + amb ou [amb-3H+M(II)]– + NTA). No manuscrito, “-3H” é excluído nos nomes dos complexos, mas o leitor deve saber que o -3H está implícito. O instrumento mede as intensidades relativas das duas espécies iônicas de massa a carga (m/z). Um dos principais atributos das análises do ES-IM-MS é que permite o exame da reatividade de uma espécie específica de m/z, conforme utilizado aqui e em estudos anteriores de AMB 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12.

A aquisição de dados termoquímicos para grandes complexos por meio da dissociação induzida por colisão é um assunto de interesse significativo13,14. Metodologias, incluindo o método cinético, não são propícias à montagem de dados sobre uma série de energias, nem são responsáveis por ambientes multi-colisão 15,16,17,18. Aqui, o método CID (TCID) limiar, desenvolvido usando espectrometria de massa de feixe de íons guiados por Armentrout, Ervin e Rodgers é aplicado19 a uma nova plataforma de instrumentos ES-IM-MS utilizando guias de íons de ondas de viagem. O método TCID permite a análise termoquímica relativa da dissociação dos complexos ternários em seus dois canais de produtos e inclui uma lei limiar descrevendo a transferência de energia de colisão entre a energia translacional do reagente (complexo ternário nesta pesquisa) e um gás alvo inerte (argônio neste caso). O método inclui a integração sobre a distribuição interna de energia20 do reagente, as distribuições de energia translacional entre o reagente e o gás alvo21, e as distribuições totais de momento angular22,23. Uma probabilidade de dissociação e correção estatística de Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM) dos turnos cinéticos resultantes da janela de tempo limitada para observação dos produtos estão incluídos24. Para dois canais independentes de produtos, o método TCID competitivo permite o encaixe simultâneo dos dois canais de produtos concorrentes. A dissociação do complexo é através de um estado de transição em órbita, que tem as propriedades dos produtos, mas é mantido em conjunto por um dipolobloqueado 25. O método TCID é incorporado ao programa CRUNCH26, e o funcionamento da interface do usuário é descrito aqui para avaliar a termoquímica dos dois canais de dissociação dos complexos ternários [amb+M(II)+NTA]. O programa CRUNCH está disponível mediante solicitação dos desenvolvedores26.

Protocol

NOTA: A Figura 1 mostra uma visão geral do protocolo. 1. Preparação de reagentes Compre peptídeos amb congelados (>98% de pureza) e armazene-os em um congelador de −80 °C. Compre >99% de pureza de zinco (II) hexahidrato de nitrato e níquel (II) hexahidrato de nitrato.ATENÇÃO: O hexahidrato de nitrato de níquel (II) apresenta um risco ambiental e à saúde. Compre o ácido nitrilotriactico, polímeros po…

Representative Results

A dissociação competitiva induzida por colisão dos [amb+M(II)+NTA]- complexos ternários de A e H em [amb+M(II)]- + NTA ou [NTA+M(II)]- + amb, são mostrados na Figura 3. O amb é mostrado como A ou H e o M = Zn ou Ni. O complexo ternário [A+Zn(II)+NTA]- possui limiares aparentes de cerca de 0,7 eV de energia de colisão (CE) para produzir [A+Zn(II)]- e cerca de 0,9 …

Discussion

Passos críticos
Análises de dissociação induzida por colisão de limiar eS-IM-MS (TCID). O TCID usou a célula de onda T de transferência na presença de argônio como célula de colisão. Antes da dissociação, os íons precursores são termeléculados por colisões de baixa energia com gás nitrogênio à medida que passam pela célula de mobilidade de íons (IM). Isso resulta em um TCID mais reprodutível resolvido pela energia do que é alcançado usando a armadilha como a c…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este material é baseado em trabalho apoiado pela Fundação Nacional de Ciência sob 1764436, programa NSF REU (CHE-1659852), suporte a instrumentos NSF (MRI-0821247), Bolsa de Física e Astronomia para o Sucesso (PASS) Projeto NSF (1643567), Fundação Welch (T-0014) e recursos de computação do Departamento de Energia (TX-W-20090427-0004-50) e L3 Communications. Os autores agradecem a Kent M. Ervin (Universidade de Nevada – Reno) e Peter B. Armentrout (Universidade de Utah) por compartilharem o programa CRUNCH e por conselhos sobre a montagem da PBA. Os autores agradecem ao grupo de Michael T. Bower na Universidade da Califórnia – Santa Barbara por compartilhar o programa 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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