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Chemistry

Estudios termoquímicos de complejos ternarios de Ni(II) y Zn(II) utilizando movilidad iónica-espectrometría de masas

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

Summary

Este artículo describe un protocolo experimental que utiliza espectrometría de masas de movilidad de iones por electrospray, cálculos cuánticos semiempíricos y disociación inducida por colisión de umbral resuelta por energía para medir la termoquímica relativa de la disociación de complejos metálicos ternarios relacionados.

Abstract

Este artículo describe un protocolo experimental que utiliza electrospray-ion mobility-mass spectrometry (ES-IM-MS) y energía resuelta umbral de disociación inducida por colisión (TCID) para medir la termoquímica de la disociación de complejos ternarios [amb+M(II)+NTA]- cargados negativamente en dos canales de producto: [amb+M(II)] + NTA o [NTA+M(II)]–  + amb, donde M = Zn o Ni y NTA es ácido nitrilotriacético. Los complejos contienen uno de los heptapéptidos alternativos de unión metálica (amb) con las estructuras primarias 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, donde los aminoácidos’ Aa1,2,6,7 Las posiciones son los sitios potenciales de unión de metales. Los estados estacionarios optimizados por geometría de los complejos ternarios y sus productos se seleccionaron a partir de cálculos de química cuántica (actualmente el hamiltoniano semiempírico PM6) comparando sus energías electrónicas y sus secciones transversales de colisión (CCS) con las medidas por ES-IM-MS. A partir de los cálculos de frecuencia de PM6, los parámetros moleculares del complejo ternario y sus productos modelan las intensidades dependientes de energía de los dos canales de productos utilizando un método TCID competitivo para determinar las energías umbral de las reacciones que se relacionan con las entalpías 0 K de disociación (ΔH0). Las correcciones térmicas y de entropía de la mecánica estadística utilizando las frecuencias rotacionales y vibracionales PM6 proporcionan las entalpías de disociación de 298 K (ΔH298). Estos métodos describen una rutina EI-IM-MS que puede determinar la termoquímica y las constantes de equilibrio para un rango de complejos de iones metálicos ternarios.

Introduction

Este estudio describe una nueva técnica utilizando un espectrómetro de masas de movilidad iónica disponible comercialmente que permite la determinación de la termoquímica relativa para la disociación de un complejo metálico ternario de unión metálica alternativa (amb) [amb + M (II) + NTA], donde M = Zn o Ni y NTA = ácido nitrilotriacético (Figura 1). Estas reacciones modelan la disociación de la proteína recombinante marcada con AMB unida al metal inmovilizado con NTA durante la cromatografía de afinidad metálica inmovilizada (IMAC)1,2. Como ejemplo, este método se describe utilizando las etiquetas de heptapéptido amb de amb A y H (Figura 2) (elegidas de los estudios previos 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ) que exhiben propiedades de unión de Zn(II) y Ni(II) y, por lo tanto, tienen aplicaciones potenciales como etiquetas de purificación. Sin embargo, el proceso descrito se puede utilizar para evaluar las energías termoquímicas en cualquier sistema organometálico. Estos péptidos amb tienen sitios de unión a metales en las posiciones Aa1-Aa 2 y Aa6-Aa 7 que compiten con los sitios de carboxilato y amina de la NTA. Los tres aminoácidos de amb central proporcionan un espaciador (Gly3), la bisagra para los dos brazos (Pro4) y una interacción catiónica π-metal de larga distancia (Tyr5).

El estado general de carga 1− de los complejos [amb+M(II)+NTA]– está determinado por el estado de protonación de sus posibles sitios de unión. Dado que hay Ni(II) o Zn(II) con el estado de oxidación 2+, debe haber una red de tres sitios desprotonados cargados negativamente. El modelado molecular de los complejos [amb+M(II)+NTA]- predice que estos son dos protones del NTA y un protón del amb (es decir, [amb-H+M(II)+NTA-2H]–). Los canales del producto contienen una especie iónica y una especie neutra (es decir, [NTA-3H+M(II)]– + amb o [amb-3H+M(II)]– + NTA). En el manuscrito, “-3H” está excluido en los nombres de los complejos, pero el lector debe saber que el -3H está implícito. El instrumento mide las intensidades relativas de las dos especies iónicas de masa a carga (m/z). Un atributo importante de los análisis ES-IM-MS es que permite el examen de la reactividad de una especie específica m/z, como se utiliza aquí y en estudios amb anteriores 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12.

La adquisición de datos termoquímicos para grandes complejos utilizando disociación inducida por colisión es un tema de gran interés13,14. Las metodologías, incluido el método cinético, no son propicias para ajustar los datos en un rango de energías, ni tienen en cuenta los entornos de colisión múltiple15,16,17,18. Aquí, el método CID de umbral (TCID), desarrollado utilizando espectrometría de masas en tándem de haz de iones guiado por Armentrout, Ervin y Rodgers, se aplica19 a una nueva plataforma de instrumentos ES-IM-MS utilizando guías de iones de onda viajera. El método TCID permite el análisis termoquímico relativo de la disociación de los complejos ternarios en sus dos canales de producto e incluye una ley de umbral que describe la transferencia de energía de colisión entre la energía de traslación del reactivo (complejo ternario en esta investigación) y un gas objetivo inerte (argón en este caso). El método incluye la integración sobre la distribución interna de energía del reactivo20, las distribuciones de energía de traslación entre el reactivo y el gas objetivo 21, y las distribuciones de momento angular total22,23. Se incluye una probabilidad de disociación y una corrección estadística de Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM) de los cambios cinéticos resultantes de la ventana de tiempo limitada para la observación de los productos24. Para dos canales de productos independientes, el método TCID competitivo permite el ajuste simultáneo de los dos canales de productos competidores. La disociación del complejo es a través de un estado de transición orbital, que tiene las propiedades de los productos, pero se mantiene unido por un dipolo bloqueado25. El método TCID se incorpora al programa CRUNCH26, y aquí se describe el funcionamiento de la interfaz de usuario para evaluar la termoquímica de los dos canales de disociación de los complejos ternarios [amb+M(II)+NTA]–. El programa CRUNCH está disponible a petición de los desarrolladores26.

Protocol

NOTA: La figura 1 muestra una descripción general del protocolo. 1. Preparación de los reactivos Compre péptidos amb liofilizados (>98% de pureza) y guárdelos en un congelador de -80 °C. Compre >99% de pureza de zinc (II) nitrato hexahidratado y níquel (II) nitrato hexahidratado.PRECAUCIÓN: El nitrato de níquel (II) hexahidratado presenta un peligro para el medio ambiente y la salud. Compre el ácido nitri…

Representative Results

La disociación competitiva inducida por colisión de los complejos ternarios [amb+M(II)+NTA]- de A y H en [amb+M(II)]- + NTA o [NTA+M(II)]- + amb, se muestra en la Figura 3. El amb se muestra como A o H y M = Zn o Ni. El complejo ternario [A+Zn(II)+NTA]- (Figura 3A) exhibe umbrales aparentes de aproximadamente 0,7 eV de energía de colisión (CE) para producir […

Discussion

Pasos críticos
Análisis de disociación inducida por colisión por umbral (TCID) de ES-IM-MS. El TCID utilizó la célula de onda T de transferencia en presencia de argón como célula de colisión. Antes de la disociación, los iones precursores son termalizados por colisiones de baja energía con gas nitrógeno a medida que pasan a través de la celda de movilidad iónica (IM). Esto da como resultado un TCID de energía resuelta más reproducible que el que se logra utilizando la …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este material se basa en el trabajo apoyado por la National Science Foundation bajo 1764436, NSF REU program (CHE-1659852), NSF instrument support (MRI-0821247), Physics and Astronomy Scholarship for Success (PASS) NSF project (1643567), Welch Foundation (T-0014), y recursos informáticos del Departamento de Energía (TX-W-20090427-0004-50) y L3 Communications. Los autores agradecen a Kent M. Ervin (Universidad de Nevada – Reno) y Peter B. Armentrout (Universidad de Utah) por compartir el programa CRUNCH y por los consejos sobre ajuste de PBA. Los autores agradecen al grupo de Michael T. Bower en la Universidad de California – Santa Bárbara por compartir el 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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References

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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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