JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

Termokemiska studier av Ni(II) och Zn(II) ternära komplex med jonmobilitet-masspektrometri

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

Summary

Denna artikel beskriver ett experimentellt protokoll som använder elektrospray-jonmobilitet-masspektrometri, semi-empiriska kvantberäkningar och energiupplöst tröskelkollisionsinducerad dissociation för att mäta den relativa termokemin för dissociationen av relaterade ternära metallkomplex.

Abstract

Denna artikel beskriver ett experimentellt protokoll med elektrospray-jonmobilitet-masspektrometri (ES-IM-MS) och energiupplöst tröskelkollisionsinducerad dissociation (TCID) för att mäta termokemin för dissociationen av negativt laddad [amb + M (II) + NTA] – ternära komplex i två produktkanaler: [amb + M (II)] + NTA eller [NTA + M (II)] –  + amb, där M = Zn eller Ni och NTA är nitrilotriättiksyra. Komplexen innehåller en av de alternativa metallbindande (amb) heptapeptiderna med de primära strukturerna acetyl-His 1-Cys 2-Gly 3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7 eller acetyl-Asp 1-Cys 2-Gly 3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7, där aminosyrornas Aa1,2,6,7 positioner är de potentiella metallbindningsställena. Geometrioptimerade stationära tillstånd för de ternära komplexen och deras produkter valdes från kvantkemiska beräkningar (för närvarande PM6 semi-empirisk Hamiltonian) genom att jämföra deras elektroniska energier och deras kollisionstvärsnitt (CCS) med de som mättes av ES-IM-MS. Från PM6-frekvensberäkningarna modellerar de molekylära parametrarna för det ternära komplexet och dess produkter de energiberoende intensiteterna hos de två produktkanalerna med hjälp av en konkurrenskraftig TCID-metod för att bestämma tröskelenergierna för reaktionerna som relaterar till 0 K-entalpierna av dissociation (ΔH0). Statistisk mekanik termiska och entropikorrigeringar med hjälp av PM6 rotations- och vibrationsfrekvenser ger 298 K entalpier av dissociation (ΔH298). Dessa metoder beskriver en EI-IM-MS-rutin som kan bestämma termokemi och jämviktskonstanter för en rad ternära metalljonkomplex.

Introduction

Denna studie beskriver en ny teknik med hjälp av en kommersiellt tillgänglig jonmobilitetsmasspektrometer som möjliggör bestämning av den relativa termokemin för dissociation av ett alternativt metallbindande (amb) ternära metallkomplex [amb + M (II) + NTA], där M = Zn eller Ni och NTA = nitrilotriättiksyra (Figur 1). Dessa reaktioner modellerar dissociationen av det amb-taggade rekombinanta proteinet fäst vid den NTA-immobiliserade metallen under immobiliserad metallaffinitetskromatografi (IMAC)1,2. Som ett exempel beskrivs denna metod med hjälp av amb heptapeptidtaggarna amb A och H (figur 2) (vald från tidigare studier 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ) som uppvisar Zn(II) och Ni(II)-bindande egenskaper och därmed har potentiella tillämpningar som reningstaggar. Den beskrivna processen kan emellertid användas för att utvärdera termokemiska energier i vilket organometalliskt system som helst. Dessa amb-peptider har metallbindningsställen i positionerna Aa1-Aa 2 och Aa6-Aa 7 som konkurrerar med NTA: s karboxylat- och aminställen. De tre centrala amb-aminosyrorna ger en distans (Gly3), gångjärnet för de två armarna (Pro4) och en långdistansinteraktion mellan π och metall katjon (Tyr5).

Det totala 1− laddningstillståndet för [amb + M (II) + NTA] – –komplexen bestäms av protoneringstillståndet för deras potentiella bindningsställen. Eftersom det finns Ni(II) eller Zn(II) med oxidationstillståndet 2+ måste det finnas ett nät av tre deprotonerade negativt laddade platser. Den molekylära modelleringen av [amb + M (II) + NTA] – komplexen förutsäger att dessa är två protoner från NTA och en proton från amb (dvs [amb-H + M (II) + NTA-2H]-). Produktkanalerna innehåller en jonart och en neutral art (dvs. [NTA-3H+M(II)]- + amb eller [amb-3H+M(II)]– + NTA). I manuskriptet utesluts “-3H” i komplexens namn, men läsaren bör veta att -3H är underförstått. Instrumentet mäter de relativa intensiteterna hos de två joniska mass-till-laddning-arterna (m/z). En viktig egenskap hos ES-IM-MS-analyser är att den möjliggör undersökning av reaktiviteten hos en specifik m/z-art, som används här och i tidigare amb-studier 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12.

Att förvärva termokemiska data för stora komplex med hjälp av kollisionsinducerad dissociation är ett ämne av betydande intresse13,14. Metoder inklusive den kinetiska metoden bidrar inte till att anpassa data över en rad energier, och de tar inte heller hänsyn till miljöer med flera kollisioner15,16,17,18. Här tillämpas tröskel-CID (TCID) -metoden, utvecklad med hjälp av styrd jonstråle tandemmasspektrometri av Armentrout, Ervin och Rodgers19 på en ny ES-IM-MS-instrumentplattform som använder resevågsjonguider. TCID-metoden möjliggör relativ termokemisk analys av dissociationen av de ternära komplexen i deras två produktkanaler och inkluderar en tröskellag som beskriver överföringen av kollisionsenergi mellan reaktantens translationella energi (ternära komplex i denna forskning) och en inert målgas (argon i detta fall). Metoden inkluderar integration över reaktantens interna energifördelning 20, de translationella energifördelningarna mellan reaktanten och målgasen21 och de totala rörelsemängdsmomentfördelningarna22,23. En dissociationssannolikhet och statistisk Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM) korrigering av de kinetiska skiften till följd av det begränsade tidsfönstret för observation av produkterna ingår24. För två oberoende produktkanaler möjliggör den konkurrenskraftiga TCID-metoden samtidig anpassning av de två konkurrerande produktkanalerna. Dissociation av komplexet sker genom ett kretsande övergångstillstånd, som har produkternas egenskaper men hålls samman av en låst dipol25. TCID-metoden ingår i CRUNCH-programmet26, och användargränssnittets funktion beskrivs här för att utvärdera termokemin för de två dissociationskanalerna i de ternära [amb + M (II) + NTA] – komplexen. CRUNCH-programmet är tillgängligt på begäran från utvecklarna26.

Protocol

OBS: Figur 1 visar en översikt över protokollet. 1. Beredning av reagenser Köp frystorkade amb-peptider (>98% renhet) och förvara dem i en −80 °C frys. Köp >99% renhet zink (II) nitrathexahydrat och nickel (II) nitrathexahydrat.VARNING: Nickel(II)nitrathexahydrat utgör en miljö- och hälsorisk. Köp nitrilotriättiksyra, poly-DL-alaninpolymerer, ultraren / spår metallkvalitet ammoniumacetat, ammoniumhyd…

Representative Results

Den konkurrenskollisionsinducerade dissociationen av [amb + M (II) + NTA] – ternära komplex av A och H till [amb + M (II) – + NTA eller [NTA + M (II) – + amb, visas i figur 3. Amb visas som antingen A eller H och M = Zn eller Ni. [A+Zn(II)+NTA]- ternära komplex (figur 3A) uppvisar uppenbara trösklar på cirka 0,7 eV kollisionsenergi (CE) för att producera [A+…

Discussion

Kritiska steg
ES-IM-MS analyser av tröskelkollisionsinducerad dissociation (TCID). TCID använde överförings-T-vågcellen i närvaro av argon som kollisionscell. Före dissociation termiseras prekursorjonerna av lågenergikollisioner med kvävgas när de passerar genom jonmobilitetscellen (IM). Detta resulterar i en mer reproducerbar energiupplöst TCID än vad som uppnås genom att använda fällan som kollisionscell 6,40….

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta material är baserat på arbete som stöds av National Science Foundation under 1764436, NSF REU-programmet (CHE-1659852), NSF-instrumentstöd (MRI-0821247), Physics and Astronomy Scholarship for Success (PASS) NSF-projekt (1643567), Welch Foundation (T-0014) och datorresurser från Department of Energy (TX-W-20090427-0004-50) och L3 Communications. Författarna tackar Kent M. Ervin (University of Nevada – Reno) och Peter B. Armentrout (University of Utah) för att de delar CRUNCH-programmet och för råd om montering från PBA. Författarna tackar Michael T. Bowers grupp vid University of California – Santa Barbara för att dela 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/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