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

İyon Hareketliliği-Kütle Spektrometrisi Kullanılarak Ni(II) ve Zn(II) Üçlü Komplekslerinin Termokimyasal Çalışmaları

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

Summary

Bu makalede, ilgili üçlü metal komplekslerinin ayrışmasının nispi termokimyasını ölçmek için elektrosprey-iyon hareketliliği-kütle spektrometrisi, yarı ampirik kuantum hesaplamaları ve enerji çözümlü eşik çarpışma kaynaklı ayrışma kullanan deneysel bir protokol açıklanmaktadır.

Abstract

Bu makalede, negatif yüklü [amb + M (II) + NTA]- üçlü komplekslerin iki ürün kanalına ayrışmasının termokimyasını ölçmek için elektrosprey-iyon hareketliliği-kütle spektrometresi (ES-IM-MS) ve enerji çözümlü eşik çarpışma kaynaklı ayrışma (TCID) kullanan deneysel bir protokol açıklanmaktadır: [amb + M (II)] + NTA veya [NTA + M (II)]–  + amb, burada M = Zn veya Ni ve NTA nitrilotriasetik asittir. Kompleksler, birincil yapılara sahip alternatif metal bağlayıcı (amb) heptapeptitlerden birini içerir asetil-His 1-Cys 2-Gly 3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7 veya asetil-Asp 1-Cys 2-Gly3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7, burada amino asitlerin Aa1,2,6,7 pozisyonlar potansiyel metal bağlama bölgeleridir. Üçlü komplekslerin geometri için optimize edilmiş durağan durumları ve ürünleri, elektronik enerjilerini ve çarpışma kesitlerini (CCS) ES-IM-MS tarafından ölçülenlerle karşılaştırarak kuantum kimyası hesaplamalarından (şu anda PM6 yarı ampirik Hamiltonian) seçilmiştir. PM6 frekans hesaplamalarından, üçlü kompleksin ve ürünlerinin moleküler parametreleri, ayrışmanın 0 K entalpileri (ΔH0) ile ilgili reaksiyonların eşik enerjilerini belirlemek için rekabetçi bir TCID yöntemi kullanarak iki ürün kanalının enerjiye bağımlı yoğunluklarını modellemektedir. PM6 dönme ve titreşim frekanslarını kullanan istatistiksel mekanik termal ve entropi düzeltmeleri, ayrışmanın 298 K entalpini sağlar (ΔH298). Bu yöntemler, bir dizi üçlü metal iyon kompleksi için termokimya ve denge sabitlerini belirleyebilen bir EI-IM-MS rutinini tanımlar.

Introduction

Bu çalışmada, alternatif bir metal bağlama (amb) üçlü metal kompleksinin [amb + M (II) + NTA] ayrışması için göreceli termokimyanın belirlenmesine izin veren, ticari olarak temin edilebilen bir iyon hareketliliği-kütle spektrometresi kullanılarak yeni bir teknik tanımlanmaktadır; burada M = Zn veya Ni ve NTA = nitrilotriasetik asit (Şekil 1). Bu reaksiyonlar, immobilize metal afinite kromatografisi (IMAC) sırasında NTA immobilize metale bağlı amb etiketli rekombinant proteinin ayrışmasını modellemektedir1,2. Örnek olarak, bu yöntem amb A ve H’nin amb heptapeptid etiketleri kullanılarak tanımlanmıştır (Şekil 2) (önceki çalışmalardan seçilen 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ) Zn(II) ve Ni(II)-bağlayıcı özellikler sergileyen ve bu nedenle saflaştırma etiketleri olarak potansiyel uygulamalara sahip olanlar. Bununla birlikte, tarif edilen süreç, herhangi bir organometalik sistemdeki termokimyasal enerjileri değerlendirmek için kullanılabilir. Bu amb peptitleri, NTA’nın karboksilat ve amin bölgeleriyle rekabet eden Aa1-Aa 2 ve Aa6-Aa 7 pozisyonlarında metal bağlanma bölgelerine sahiptir. Üç merkezi amb amino asidi bir ara parça (Gly3), iki kol için menteşe (Pro4) ve uzun mesafeli bir π-metal katyon etkileşimi (Tyr5) sağlar.

[amb + M (II) + NTA] – komplekslerinin genel 1-yük durumu, potansiyel bağlanma bölgelerinin protonasyon durumu ile belirlenir. 2+ oksidasyon durumuna sahip Ni(II) veya Zn(II) olduğundan, üç deprotonlanmış negatif yüklü bölgeden oluşan bir ağ olmalıdır. [amb + M (II) + NTA] – komplekslerinin moleküler modellemesi, bunların NTA’dan iki proton ve amb’den bir proton olduğunu tahmin eder (yani, [amb-H + M (II) + NTA-2H]–). Ürün kanalları iyonik bir tür ve nötr bir tür içerir (yani, [NTA-3H + M (II)]- + amb veya [amb-3H + M (II)]– + NTA). Makalede, komplekslerin adlarında “-3H” hariç tutulmuştur, ancak okuyucu -3H’nin ima edildiğini bilmelidir. Araç, iki iyonik kütle-yük (m / z) türünün göreceli yoğunluklarını ölçer. ES-IM-MS analizlerinin önemli bir özelliği, burada ve önceki ambçalışmalarında 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 olarak kullanıldığı gibi, belirli bir m / z türünün reaktivitesinin incelenmesine izin vermesidir.

Çarpışma kaynaklı ayrışma kullanarak büyük kompleksler için termokimyasal verilerin elde edilmesi önemli bir ilgi konusudur13,14. Kinetik yöntem de dahil olmak üzere metodolojiler, verileri bir dizi enerjiye sığdırmak için elverişli değildir ve çoklu çarpışma ortamlarını hesaba katmazlar15,16,17,18. Burada, Armentrout, Ervin ve Rodgers tarafından kılavuzlu iyon ışını tandem kütle spektrometresi kullanılarak geliştirilen eşik CID (TCID) yöntemi, seyahat eden dalga iyon kılavuzlarını kullanan yeni bir ES-IM-MS cihaz platformuna19 uygulanmaktadır. TCID yöntemi, üçlü komplekslerin iki ürün kanalına ayrışmasının göreceli termokimyasal analizine izin verir ve reaktanın translasyonel enerjisi (bu araştırmada üçlü kompleks) ile inert bir hedef gaz (bu durumda argon) arasındaki çarpışma enerjisinin transferini tanımlayan bir eşik yasası içerir. Yöntem, reaktanın iç enerji dağılımı20, reaktant ve hedef gaz arasındaki translasyonel enerji dağılımları 21 ve toplam açısal momentum dağılımları22,23 üzerinden entegrasyonu içerir. Ürünlerin gözlemlenmesi için sınırlı zaman aralığından kaynaklanan kinetik kaymaların ayrışma olasılığı ve istatistiksel Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM) düzeltmesi dahil edilmiştir24. İki bağımsız ürün kanalı için, rekabetçi TCID yöntemi, iki rakip ürün kanalının aynı anda takılmasına izin verir. Kompleksin ayrışması, ürünlerin özelliklerine sahip olan, ancak kilitli bir dipol25 tarafından bir arada tutulan yörüngedeki bir geçiş durumundan geçer. TCID yöntemi, CRUNCH program26’ya dahil edilmiştir ve üçlü [amb + M (II) + NTA] – komplekslerinin iki ayrışma kanalının termokimyasını değerlendirmek için kullanıcı arayüzünün çalışması burada açıklanmıştır. CRUNCH programı, geliştiricilerinisteği üzerine 26 tarafından kullanılabilir.

Protocol

NOT: Şekil 1’de protokole genel bir bakış gösterilmektedir. 1. Reaktiflerin hazırlanması Dondurularak kurutulmuş amb peptitleri (% >98 saflıkta) satın alın ve bunları -80 ° C’lik bir dondurucuda saklayın. % >99 saflıkta çinko (II) nitrat hekzahidrat ve nikel (II) nitrat hekzahidrat satın alın.DİKKAT: Nikel (II) nitrat hekzahidrat çevre ve sağlık tehlikesi oluşturur. Nitrilotriasetik asit, pol…

Representative Results

A ve H’nin [amb+M(II)+NTA]- üçlü komplekslerinin [amb+M(II)]- + NTA veya [NTA+M(II)]- + amb’ye rekabetçi çarpışma kaynaklı ayrışması Şekil 3’te gösterilmiştir. Amb ya A ya da H olarak gösterilir ve M = Zn veya Ni. [A + Zn (II) + NTA] – üçlü kompleksi (Şekil 3A), [A + Zn (II)] üretmek için yaklaşık 0.7 eV çarpışma enerjisi (CE)…

Discussion

Kritik adımlar
ES-IM-MS eşik çarpışma kaynaklı ayrışma (TCID) analizleri. TCID, transfer T-dalgası hücresini, çarpışma hücresi olarak argon varlığında kullandı. Ayrışmadan önce, öncü iyonlar, iyon hareketliliği (IM) hücresinden geçerken azot gazı ile düşük enerjili çarpışmalarla termalize edilir. Bu, tuzağın çarpışma hücresi 6,40 olarak kullanılmasıyla elde edilenden daha tekrarlanabili…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu materyal, 1764436 kapsamında Ulusal Bilim Vakfı, NSF REU programı (CHE-1659852), NSF enstrüman desteği (MRI-0821247), Başarı için Fizik ve Astronomi Bursu (PASS) NSF projesi (1643567), Welch Vakfı (T-0014) ve Enerji Bakanlığı (TX-W-20090427-0004-50) ve L3 İletişim’den bilgi işlem kaynakları tarafından desteklenen çalışmalara dayanmaktadır. Yazarlar, CRUNCH programını paylaştıkları ve PBA’dan uyum konusunda tavsiyelerde bulundukları için Kent M. Ervin’e (Nevada Üniversitesi – Reno) ve Peter B. Armentrout’a (Utah Üniversitesi) teşekkür eder. Yazarlar, Michael T. Bower’ın Kaliforniya Üniversitesi – Santa Barbara’daki grubuna Sigma programını paylaştıkları için teşekkür ediyor.

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

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