JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
화학

Termokemiske undersøgelser af Ni (II) og Zn (II) ternære komplekser ved hjælp af ionmobilitet-massespektrometri

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

Summary

Denne artikel beskriver en eksperimentel protokol ved hjælp af elektrospray-ion mobilitet-massespektrometri, semi-empiriske kvanteberegninger og energiopløst tærskelkollisionsinduceret dissociation for at måle den relative termokemi af dissociationen af relaterede ternære metalkomplekser.

Abstract

Denne artikel beskriver en eksperimentel protokol ved hjælp af elektrospray-ion mobilitet-massespektrometri (ES-IM-MS) og energiopløst tærskelkollisionsinduceret dissociation (TCID) til måling af termokemien for dissociationen af negativt ladede [amb + M (II) + NTA] – ternære komplekser i to produktkanaler: [amb + M (II)] + NTA eller [NTA + M (II)]–  + amb, hvor M = Zn eller Ni og NTA er nitrilotrieddikesyre. Komplekserne indeholder et af de alternative metalbindende (amb) heptapeptider med de primære strukturer acetyl-His1-Cys 2-Gly 3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7 eller acetyl-Asp1-Cys 2-Gly 3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7, hvor aminosyrernes Aa1,2,6,7 positioner er de potentielle metalbindende steder. Geometrioptimerede stationære tilstande af de ternære komplekser og deres produkter blev valgt fra kvantekemiske beregninger (i øjeblikket PM6 semi-empirisk Hamiltonian) ved at sammenligne deres elektroniske energier og deres kollisionstværsnit (CCS) med dem, der blev målt af ES-IM-MS. Fra PM6-frekvensberegningerne modellerer de molekylære parametre for det ternære kompleks og dets produkter de energiafhængige intensiteter af de to produktkanaler ved hjælp af en konkurrencedygtig TCID-metode til bestemmelse af tærskelenergierne for de reaktioner, der vedrører 0 K-entalpierne for dissociation (ΔH0). Statistisk mekanik termisk og entropi korrektioner ved hjælp af PM6 rotations- og vibrationsfrekvenser giver 298 K entalpier af dissociation (ΔH298). Disse metoder beskriver en EI-IM-MS-rutine, der kan bestemme termokemi og ligevægtskonstanter for en række ternære metalionkomplekser.

Introduction

Denne undersøgelse beskriver en ny teknik ved hjælp af et kommercielt tilgængeligt ionmobilitetsmassespektrometer, der muliggør bestemmelse af den relative termokemi til dissociation af et alternativt metalbinding (amb) ternært metalkompleks [amb + M (II) + NTA], hvor M = Zn eller Ni og NTA = nitrilotrieddikesyre (figur 1). Disse reaktioner modellerer dissociationen af det amb-mærkede rekombinante protein, der er bundet til det NTA-immobiliserede metal under immobiliseret metalaffinitetskromatografi (IMAC)1,2. Som et eksempel beskrives denne metode ved hjælp af amb heptapeptidmærkerne for amb A og H (figur 2) (valgt fra de tidligere undersøgelser 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ), der udviser Zn(II) og Ni(II)-bindende egenskaber og dermed har potentielle anvendelser som rensemærker. Den beskrevne proces kan imidlertid bruges til at evaluere termokemiske energier i ethvert organometallisk system. Disse ambpeptider har metalbindende steder i Aa1-Aa 2 og Aa6-Aa 7 positioner, der konkurrerer med carboxylat- og aminstederne i NTA. De tre centrale ambaminosyrer giver en afstandsstykke (Gly3), hængslet til de to arme (Pro4) og en langdistance π-metal kationinteraktion (Tyr5).

Den samlede 1− ladningstilstand for [amb+M(II)+NTA]–komplekserne bestemmes af protoneringstilstanden for deres potentielle bindingssteder. Da der er Ni (II) eller Zn (II) med 2+ oxidationstilstand, skal der være et net af tre deprotonerede negativt ladede steder. Den molekylære modellering af [amb+M(II)+NTA]–komplekserne forudsiger, at disse er to protoner fra NTA og en proton fra amb (dvs. [amb-H+M(II)+NTA-2H]–). Produktkanalerne indeholder en ionisk art og en neutral art (dvs. [NTA-3H + M (II)] – + amb eller [amb-3H + M (II)] – + NTA). I manuskriptet er “-3H” udelukket i navnene på komplekserne, men læseren skal vide, at -3H er underforstået. Instrumentet måler de relative intensiteter af de to ioniske masse-til-ladning (m / z) arter. En vigtig egenskab ved ES-IM-MS-analyser er, at det tillader undersøgelse af reaktiviteten af en bestemt m / z-art, som anvendt her og i tidligere amb-undersøgelser 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12.

Erhvervelse af termokemiske data for store komplekser ved hjælp af kollisionsinduceret dissociation er et emne af betydelig interesse13,14. Metoder, herunder den kinetiske metode, er ikke befordrende for tilpasning af data over en række energier, og de tager heller ikke højde for miljøer med flere kollisioner 15,16,17,18. Her anvendes tærskel CID (TCID) -metoden, udviklet ved hjælp af guidet ionstråle tandem massespektrometri af Armentrout, Ervin og Rodgers19 på en ny ES-IM-MS instrumentplatform ved hjælp af rejsebølge ion guider. TCID-metoden muliggør relativ termokemisk analyse af dissociationen af de ternære komplekser i deres to produktkanaler og inkluderer en tærskellov, der beskriver overførslen af kollisionsenergi mellem reaktantens translationelle energi (ternært kompleks i denne forskning) og en inert målgas (argon i dette tilfælde). Metoden inkluderer integration over reaktantens interne energifordeling20, de translationelle energifordelinger mellem reaktanten ogmålgassen 21 og de samlede vinkelmomentfordelinger22,23. En dissociationssandsynlighed og statistisk Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM) korrektion af de kinetiske skift som følge af det begrænsede tidsvindue for observation af produkterne er inkluderet24. For to uafhængige produktkanaler giver den konkurrenceprægede TCID-metode mulighed for samtidig tilpasning af de to konkurrerende produktkanaler. Dissociation af komplekset sker gennem en kredsende overgangstilstand, som har produkternes egenskaber, men holdes sammen af en låst dipol25. TCID-metoden er indarbejdet i CRUNCH-programmet26, og driften af brugergrænsefladen er beskrevet her for at evaluere termokemien af de to dissociationskanaler i de ternære [amb + M (II) + NTA] – komplekser. CRUNCH-programmet er tilgængeligt efter anmodning fra udviklerne26.

Protocol

BEMÆRK: Figur 1 viser en oversigt over protokollen. 1. Fremstilling af reagenser Køb frysetørrede ambpeptider (>98% renhed) og opbevar dem i en -80 ° C fryser. Køb > 99% renhed zink (II) nitrathexahydrat og nikkel (II) nitrathexahydrat.FORSIGTIG: Nikkel (II) nitrathexahydrat udgør en miljø- og sundhedsfare. Køb nitrilotrieddikesyre, poly-DL-alaninpolymerer, ultrarent / spormetalkvalitet ammoniumacetat, amm…

Representative Results

Den konkurrencemæssige kollisionsinducerede dissociation af de [amb+M(II)+NTA]- ternære komplekser af A og H til [amb+M(II)]- + NTA eller [NTA+M(II)]- + amb er vist i figur 3. Amb vises som enten A eller H og M = Zn eller Ni. Det [A+Zn(II)+NTA]- ternære kompleks (figur 3A) udviser tilsyneladende tærskler på ca. 0,7 eV kollisionsenergi (CE) til at …

Discussion

Kritiske trin
ES-IM-MS tærskelkollisions-induceret dissociation (TCID) analyser. TCID anvendte overførsels-T-bølgecellen i nærværelse af argon som kollisionscelle. Før dissociation termiskiseres forløberionerne ved lavenergikollisioner med nitrogengas, når de passerer gennem ionmobilitetscellen (IM). Dette resulterer i et mere reproducerbart energiopløst TCID, end der opnås ved at anvende fælden som kollisionscelle 6,40</…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette materiale er baseret på arbejde støttet af National Science Foundation under 1764436, NSF REU-program (CHE-1659852), NSF-instrumentstøtte (MRI-0821247), Fysik og Astronomi Stipendium til Succes (PASS) NSF-projekt (1643567), Welch Foundation (T-0014) og computerressourcer fra Institut for Energi (TX-W-20090427-0004-50) og L3 Communications. Forfatterne takker Kent M. Ervin (University of Nevada – Reno) og Peter B. Armentrout (University of Utah) for at dele CRUNCH-programmet og for råd om tilpasning fra PBA. Forfatterne takker Michael T. Bowers gruppe ved University of California – Santa Barbara for at dele Sigma-programmet.

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

References

  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

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

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image