JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chimica

Термохимические исследования троичных комплексов Ni(II) и Zn(II) с использованием масс-спектрометрии подвижности ионов

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

Summary

В данной статье описывается экспериментальный протокол с использованием электрораспылительно-ионной подвижности-масс-спектрометрии, полуэмпирических квантовых вычислений и пороговой диссоциации, вызванной столкновением с энергетическим разрешением, для измерения относительной термохимии диссоциации родственных троичных металлических комплексов.

Abstract

В данной статье описывается экспериментальный протокол, использующий электрораспылительно-ионную подвижность-масс-спектрометрию (ES-IM-MS) и пороговую диссоциацию, индуцированную столкновением с энергетическим разрешением (TCID), для измерения термохимии диссоциации отрицательно заряженных [amb+M(II)+NTA]–троичных комплексов в два канала продукта: [amb+M(II)] + NTA или [NTA+M(II)]–  + amb, где M = Zn или Ni и NTA — нитрилотриацетовая кислота. Комплексы содержат один из альтернативных гептапептидов связывания металлов (amb) с первичными структурами ацетил-Его1-Cys 2-Gly3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7 или ацетил-Asp1-Cys 2-Gly 3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7, где аминокислоты Aa1,2,6,7 позиции являются потенциальными металлообвязанными площадками. Оптимизированные для геометрии стационарные состояния троичных комплексов и их продуктов были выбраны из расчетов квантовой химии (в настоящее время полуэмпирический гамильтониан PM6) путем сравнения их электронных энергий и их поперечных сечений столкновений (CCS) с теми, которые измеряются ES-IM-MS. На основе расчетов частоты PM6 молекулярные параметры троичного комплекса и его продуктов моделируют энергозависимые интенсивности двух каналов продукта с использованием конкурентного метода TCID для определения пороговых энергий реакций, которые относятся к энтальпиям диссоциации 0 K (ΔH0). Статистическая механика тепловых и энтропийных поправок с использованием частот вращения и вибрации PM6 обеспечивает 298 К энтальпий диссоциации (ΔH298). Эти методы описывают процедуру EI-IM-MS, которая может определять термохимию и константы равновесия для ряда троичных комплексов ионов металлов.

Introduction

В этом исследовании описывается новый метод с использованием коммерчески доступного масс-спектрометра подвижности ионов, который позволяет определить относительную термохимию для диссоциации альтернативного комплекса троичных металлов [amb+M(II)+NTA], где M = Zn или Ni и NTA = нитрилотриацетовая кислота (рисунок 1). Эти реакции моделируют диссоциацию амб-меченого рекомбинантного белка, прикрепленного к NTA-иммобилизованному металлу во время иммобилизованной аффинной хроматографии металла (IMAC)1,2. В качестве примера этот метод описан с использованием гептапептидных меток amb A и H (рисунок 2) (выбран из предыдущих исследований 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ), которые проявляют Zn(II) и Ni(II)-связывающие свойства и, таким образом, имеют потенциальное применение в качестве меток очистки. Однако описанный процесс может быть использован для оценки термохимических энергий в любой металлоорганической системе. Эти пептиды amb имеют металлосвязывающие сайты в позициях Aa1-Aa 2 и Aa 6-Aa7, которые конкурируют с карбоксилатными и аминовыми сайтами NTA. Три центральные аминокислоты amb обеспечивают распорку (Gly3), шарнир для двух плеч (Pro4) и взаимодействие π катионов на большие расстояния (Tyr5).

Общее состояние 1− заряда комплексов [amb+M(II)+NTA]– определяется состоянием протонации их потенциальных сайтов связывания. Поскольку существует Ni(II) или Zn(II) со степенью окисления 2+, должна быть сеть из трех депротонированных отрицательно заряженных участков. Молекулярное моделирование комплексов [amb+M(II)+NTA] предсказывает, что это два протона из NTA и один протон из amb (т.е. [amb-H+M(II)+NTA-2H]–). Каналы продукта содержат ионные виды и нейтральные виды (т.е. [NTA-3H+M(II)]– + amb или [amb-3H+M(II)]– + NTA). В рукописи «-3Н» исключено в названиях комплексов, но читатель должен знать, что подразумевается -3Н. Прибор измеряет относительную интенсивность двух видов ионной массы к заряду (м/з). Основным атрибутом анализа ES-IM-MS является то, что он позволяет исследовать реакционную способность конкретного вида m/z, как это использовалось здесь и в предыдущих исследованиях amb 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12.

Получение термохимических данных для крупных комплексов с использованием диссоциации, вызванной столкновением, представляет значительный интерес13,14. Методологии, включающие кинетический метод, не способствуют подгонке данных по диапазону энергий и не учитывают среды с множественным столкновением 15,16,17,18. Здесь пороговый метод CID (TCID), разработанный с использованием тандемной масс-спектрометрии с управляемым ионным пучком Арментрутом, Эрвином и Роджерсом, применяется19 к новой инструментальной платформе ES-IM-MS, использующей направляющие ионов бегущей волны. Метод TCID позволяет проводить относительный термохимический анализ диссоциации троичных комплексов на два их продуктовых канала и включает пороговый закон, описывающий перенос энергии столкновения между поступательной энергией реагента (троичный комплекс в данном исследовании) и инертным целевым газом (в данном случае аргоном). Способ включает интеграцию по внутреннему распределению энергии реагента20, поступательные распределения энергии между реагентом и целевым газом21 и распределение общего момента импульса22,23. Вероятность диссоциации и статистическая коррекция Кинетических сдвигов Райса-Рамспергера-Касселя-Маркуса (RRKM), возникающих в результате ограниченного временного окна для наблюдения продуктов, включены24. Для двух независимых каналов продукта конкурентный метод TCID позволяет одновременно подгонять два конкурирующих канала продукта. Диссоциация комплекса происходит через орбитальное переходное состояние, которое обладает свойствами продуктов, но удерживается вместе замкнутым диполем25. Метод TCID включен в программу26 CRUNCH, и здесь описана работа пользовательского интерфейса для оценки термохимии двух каналов диссоциации троичных [amb+M(II)+NTA]– комплексов. Программа CRUNCH доступна по запросу разработчиков26.

Protocol

ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунке 1 показан обзор протокола. 1. Подготовка реагентов Приобретите сублимированные пептиды амб (чистотой >98%) и храните их в морозильной камере при температуре −80 °C. Покупайте >99% чистоты цинка(II) нитрата гексагидрата ?…

Representative Results

Соревновательная коллизионная диссоциация [amb+M(II)+NTA]- троичных комплексов A и H в [amb+M(II)]- + NTA или [NTA+M(II)]- + amb показана на рисунке 3. Amb отображается как A или H , а M = Zn или Ni. Тройной комплекс [A+Zn(II)+NTA]- (рисуно?…

Discussion

Критические шаги
Анализ пороговой диссоциации, вызванной столкновением (TCID) ES-IM-MS. TCID использовал переходную Т-волновую ячейку в присутствии аргона в качестве коллизионной ячейки. До диссоциации ионы-предшественники термулизируются низкоэнергетическими столкнове…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Этот материал основан на работе, поддерживаемой Национальным научным фондом в рамках 1764436, программы NSF REU (CHE-1659852), инструментальной поддержки NSF (MRI-0821247), физико-астрономической стипендии для успеха (PASS), проекта NSF (1643567), Фонда Уэлча (T-0014) и вычислительных ресурсов Департамента энергетики (TX-W-20090427-0004-50) и L3 Communications. Авторы благодарят Кента М. Эрвина (Университет Невады – Рино) и Питера Б. Арментрута (Университет штата Юта) за то, что они поделились программой CRUNCH и за советы по примерке от PBA. Авторы благодарят группу Майкла Т. Бауэра в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре за участие в программе 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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  1. Kim, Y. -. M., Chen, P. Ligand binding energy in [(bipy)Rh(PCH)]+ by collision-induced dissociation threshold measurements. International Journal of Mass Spectrometry. 202 (1-3), 1-3 (2000).
  2. Plattner, D. Electrospray mass spectrometry beyond analytical chemistry: Studies of organometallic catalysis in the gas phase. International Journal of Mass Spectrometry. 207 (3), 125-144 (2001).
  3. Narancic, S., Bach, A., Chen, P. Simple fitting of energy-resolved reactive cross sections in threshold collision-induced dissociation (T-CID) experiments. Journal of Physical Chemistry A. 111 (30), 7006-7013 (2007).
  4. Ervin, K., Armentrout, P. B. Systematic and random errors in ion affinities and activation entropies from the extended kinetic method. Journal of Mass Spectrometry. 39 (9), 1004-1015 (2004).
  5. Cooks, R. G., Wong, P. S. H. Kinetic method of making thermochemical determinations: Advances and applications. Accounts of Chemical Research. 31 (7), 379-386 (1998).
  6. Ervin, K. Microcanonical analysis of the kinetic method. The meaning of the "apparent entropy&#34. Journal of the American Society of Mass Spectrometry. 13 (5), 435-452 (2002).
  7. Amarasinghe, C., Jin, J. -. P. The use of affinity tags to overcome obstacles in recombinant protein expression and purification. Protein & Peptide Letters. 22 (10), 885-892 (2015).
  8. Bornhorst, J. A., Falke, J. J. Purification of proteins using polyhistidine affinity tags. Methods in Enzymology. 326, 245-254 (2000).
  9. Yousef, E. N., Angel, L. A. Comparison of the pH-dependent formation of His and Cys heptapeptide complexes of nickel(II), copper(II), and zinc(II) as determined by ion mobility-mass spectrometry. Journal of Mass Spectrometry. 55 (3), 4489 (2020).
  10. Lin, Y. -. F., et al. Weak acid-base interactions of histidine and cysteine affect the charge states, tertiary structure, and Zn(II)-binding of heptapeptides. Journal of the American Society of Mass Spectrometry. 30, 2068-2081 (2019).
  11. Wagoner, S. M., et al. The multiple conformational charge states of zinc(II) coordination by 2His-2Cys oligopeptide investigated by ion mobility – mass spectrometry, density functional theory and theoretical collision cross sections. Journal of Mass Spectrometry. 51 (12), 1120-1129 (2016).
  12. Flores, A. A., et al. Formation of Co(II), Ni(II), Zn(II) complexes of alternative metal binding heptapeptides and nitrilotriacetic acid: Discovering new potential affinity tags. International Journal of Mass Spectrometry. 463, 116554 (2021).
  13. Flores, A. A., et al. Thermochemical and conformational studies of Ni(II) and Zn(II) ternary complexes of alternative metal binding peptides with nitrilotriacetic acid. International Journal of Mass Spectrometry. 473, 116792 (2022).
  14. Sesham, R., et al. The pH dependent Cu(II) and Zn(II) binding behavior of an analog methanobactin peptide. European Journal of Mass Spectrometry. 19 (6), 463-473 (2013).
  15. Choi, D., et al. Redox activity and multiple copper(I) coordination of 2His-2Cys oligopeptide. Journal of Mass Spectrometry. 50 (2), 316-325 (2015).
  16. Vytla, Y., Angel, L. A. Applying ion mobility-mass spectrometry techniques for explicitly identifying the products of Cu(II) reactions of 2His-2Cys motif peptides. Analytical Chemistry. 88 (22), 10925-10932 (2016).
  17. Yousef, E. N., et al. Ion mobility-mass spectrometry techniques for determining the structure and mechanisms of metal ion recognition and redox activity of metal binding oligopeptides. Journal of Visualized Experiments. (151), e60102 (2019).
  18. Ilesanmi, A. B., Moore, T. C., Angel, L. A. pH dependent chelation study of Zn(II) and Ni(II) by a series of hexapeptides using electrospray ionization – Ion mobility – Mass spectrometry. International Journal of Mass Spectrometry. 455, 116369 (2020).
  19. Armentrout, P. B., Ervin, K. M., Rodgers, M. T. Statistical rate theory and kinetic energy-resolved ion chemistry: Theory and applications. Journal of Physical Chemistry A. 112 (41), 10071-10085 (2008).
  20. Dalleska, N. F., Honma, K., Sunderlin, L. S., Armentrout, P. B. Solvation of transition metal ions by water. Sequential binding energies of M+(H2O)x (x = 1-4) for M = Ti to Cu determined by collision-induced dissociation. Journal of the American Chemical Society. 116 (8), 3519-3528 (1994).
  21. Ervin, K. M., Armentrout, P. B. Translational energy dependence of Ar + XY → ArX+ + Y (XY = H2,D2,HD) from thermal to 30 eV c.m. Journal of Chemical Physics. 83, 166-189 (1985).
  22. DeTuri, V. F., Ervin, K. M. Competitive threshold collision-induced dissociation: Gas-phase acidities and bond dissociation energies for a series of alcohols. Journal of Physical Chemistry A. 103 (35), 6911-6920 (1999).
  23. Iceman, C., Armentrout, P. B. Collision-induced dissociation and theoretical studies of K+ complexes with ammonia: a test of theory for potassium ions. International Journal of Mass Spectrometry. 222 (1-3), 329-349 (2003).
  24. Rodgers, M. T., Ervin, K. M., Armentrout, P. B. Statistical modeling of collision-induced dissociation thresholds. Journal of Chemical Physics. 106, 4499-4508 (1997).
  25. Rodgers, M. T., Armentrout, P. B. Statistical modeling of competitive threshold collision-induced dissociation. Journal of Chemical Physics. 109, 1787-1800 (1998).
  26. Armentrout, P. B., Ervin, K. M. . CRUNCH, Fortran program, version 5.2002. , (2016).
  27. Pringle, S. D., et al. An investigation of the mobility separation of some peptide and protein ions using a new hybrid quadrupole/travelling wave IMS/oa-ToF instrument. International Journal of Mass Spectrometry. 261 (1), 1-12 (2007).
  28. Smith, D. P., et al. Deciphering drift time measurements from travelling wave ion mobility spectrometry-mass spectrometry studies. European Journal of Mass Spectrometry. 15 (2), 113-130 (2009).
  29. Forsythe, J. G., et al. Collision cross section calibrants for negative ion mode traveling wave ion mobility-mass spectrometry. Analyst. 140 (20), 6853-6861 (2015).
  30. Allen, S. J., Giles, K., Gilbert, T., Bush, M. F. Ion mobility mass spectrometry of peptide, protein, and protein complex ions using a radio-frequency confining drift cell. Analyst. 141 (3), 884-891 (2016).
  31. Salbo, R., et al. Traveling-wave ion mobility mass spectrometry of protein complexes: accurate calibrated collision cross-sections of human insulin oligomers. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 26 (10), 1181-1193 (2012).
  32. Stewart, J. J. P. Optimization of parameters for semiempirical methods V: Modification of NDDO approximations and application to 70 elements. Journal of Molecular Modeling. 13, 1173 (2007).
  33. Frisch, M. J., et al. . Gaussian 09, Revision C.01. Wallingford CT: Gaussian, Inc. , (2012).
  34. Becke, A. D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange. Journal of Chemical Physics. 98, 5648-5652 (1993).
  35. Wyttenbach, T., von Helden, G., Batka, J. J., Carlat, D., Bowers, M. T. Effect of the long-range potential on ion mobility measurements. Journal of the American Society of Mass Spectrometry. 8, 275-282 (1997).
  36. Shvartsburg, A. A., Jarrold, M. F. An exact hard-spheres scattering model for the mobilities of polyatomic ions. Chemical Physics Letters. 261 (1-2), 86-91 (1996).
  37. Heerdt, G., Zanotto, L., Souza, P. C. T., Araujo, G., Skaf, M. S. Collision cross section calculations using HPCCS. Methods in Molecular Biology. 2084, 297-310 (2020).
  38. Zanotto, L., Heerdt, G., Souza, P. C. T., Araujo, G., Skaf, M. S. High performance collision cross section calculation-HPCCS. Journal of Computational Chemistry. 39 (21), 1675-1681 (2018).
  39. . https://cccbdb.nist.gov/pollistx.asp Available from: https://cccbdb.nist.gov/pollistx.asp (2022)
  40. Raja, U. K. B., Injeti, S., Culver, T., McCabe, J. W., Angel, L. A. Probing the stability of insulin oligomers using electrospray ionization ion mobility mass spectrometry. European Journal of Mass Spectrometry. 21 (6), 759-774 (2015).
  41. Merenbloom, S. I., Flick, T. G., Williams, E. R. How hot are your ions in TWAVE ion mobility spectrometry. Journal of the American Society of Mass Spectrometry. 23 (3), 553-562 (2012).

Tags

Keywords: Ion Mobility-mass SpectrometryTernary ComplexesThermochemistryMolecular ModelingReaction DynamicsRecombinant Protein PurificationMetal ChelationNitrilotriacetic AcidCollision-induced DissociationCollision Cross-section
check_url/it/63722?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
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).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image