JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
العربية

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

الدراسات الكيميائية الحرارية للمجمعات الثلاثية Ni(II) و Zn(II) باستخدام مطياف الكتلة الأيونية

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

Summary

توضح هذه المقالة بروتوكولا تجريبيا يستخدم مطياف الكتلة الحركية لأيون البخاخ الكهربائي ، والحسابات الكمومية شبه التجريبية ، والتفكك الناجم عن تصادم العتبة الذي تم حله بالطاقة لقياس الكيمياء الحرارية النسبية لتفكك المجمعات المعدنية الثلاثية ذات الصلة.

Abstract

توضح هذه المقالة بروتوكولا تجريبيا باستخدام مطياف الكتلة الحركية لأيون البخاخ الكهربائي (ES-IM-MS) والتفكك الناجم عن تصادم العتبة الذي تم حله بالطاقة (TCID) لقياس الكيمياء الحرارية لتفكك المجمعات الثلاثية المشحونة سالبة [amb + M (II) + NTA] إلى قناتي منتج: [amb + M (II)] + NTA أو [NTA + M (II)]–  + amb ، حيث M = Zn أو Ni و NTA هو حمض النتريلوترياسيتيك. تحتوي المجمعات على أحد الببتيدات السباعي البديلة الملزمة للمعادن (amb) مع الهياكل الأساسية الأسيتيل – له 1-Cys 2-Gly 3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7 أو acetyl-Asp 1-Cys 2-Gly3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7 ، حيث الأحماض الأمينية ‘Aa1,2,6,7 المواقع هي مواقع ربط المعادن المحتملة. تم اختيار الحالات الثابتة المحسنة هندسيا للمجمعات الثلاثية ومنتجاتها من حسابات كيمياء الكم (حاليا PM6 شبه التجريبية Hamiltonian) من خلال مقارنة طاقاتها الإلكترونية ومقاطعها العرضية التصادمية (CCS) بتلك التي تم قياسها بواسطة ES-IM-MS. من حسابات تردد PM6 ، تقوم المعلمات الجزيئية للمجمع الثلاثي ومنتجاته بنمذجة الكثافة المعتمدة على الطاقة لقناتي المنتج باستخدام طريقة TCID تنافسية لتحديد طاقات عتبة التفاعلات التي تتعلق بالمحتوى الحراري 0 K للتفكك (ΔH0). توفر التصحيحات الحرارية والانتروبية الإحصائية باستخدام الترددات الدورانية والاهتزازية PM6 298 K للتفكك (ΔH298). تصف هذه الطرق روتين EI-IM-MS الذي يمكنه تحديد الكيمياء الحرارية وثوابت التوازن لمجموعة من مجمعات أيون المعادن الثلاثية.

Introduction

تصف هذه الدراسة تقنية جديدة باستخدام مطياف حركة الأيونات والكتلة المتاح تجاريا والذي يسمح بتحديد الكيمياء الحرارية النسبية لفصل مركب معدني ثلاثي بديل ملزم (amb) [amb + M (II) + NTA] ، حيث M = Zn أو Ni و NTA = حمض nitrilotriacetic (الشكل 1). تمثل هذه التفاعلات تفكك البروتين المؤتلف الموسوم ب amb المرتبط بالمعدن المثبت بواسطة NTA أثناء كروماتوغرافيا تقارب المعادن المجمدة (IMAC) 1,2. على سبيل المثال ، يتم وصف هذه الطريقة باستخدام علامات سباعي الببتيد amb من amb A و H (الشكل 2) (تم اختيارها من الدراسات السابقة 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ) التي تظهر خصائص ربط Zn(II) و Ni(II)، وبالتالي يكون لها تطبيقات محتملة كعلامات تنقية. ومع ذلك ، يمكن استخدام العملية الموصوفة لتقييم الطاقات الكيميائية الحرارية في أي نظام عضوي معدني. تحتوي ببتيدات amb هذه على مواقع ربط معدنية في مواقع Aa1-Aa 2 و Aa6-Aa 7 التي تتنافس مع مواقع الكربوكسيلات والأمين في NTA. توفر الأحماض الأمينية المركزية الثلاثة amb فاصل (Gly3) ، ومفصل للذراعين (Pro4) ، وتفاعل كاتيون π معدني لمسافات طويلة (Tyr5).

يتم تحديد حالة الشحنة الإجمالية 1− لمجمعات [amb + M (II) + NTA] من خلال حالة البروتونات لمواقع الارتباط المحتملة الخاصة بها. نظرا لوجود Ni(II) أو Zn(II) مع حالة الأكسدة 2+ ، يجب أن يكون هناك صافي من ثلاثة مواقع سالبة مشحونة بالبروتون. تتنبأ النمذجة الجزيئية لمجمعات [amb + M (II) + NTA] بأن هذين البروتونين من NTA وبروتون واحد من amb (أي [amb-H + M (II) + NTA-2H]–). تحتوي قنوات المنتج على نوع أيوني ونوع محايد (أي [NTA-3H+M(II)]- + amb أو [amb-3H+M(II)]– + NTA). في المخطوطة ، يتم استبعاد “-3H” في أسماء المجمعات ، ولكن يجب أن يعرف القارئ أن -3H ضمني. ويقيس هذا الجهاز الكثافة النسبية للنوعين الأيونيين من الكتلة إلى الشحنة (m/z). تتمثل إحدى السمات الرئيسية لتحليلات ES-IM-MS في أنها تسمح بفحص تفاعل نوع معين من أنواع M / Z ، كما هو مستخدم هنا وفي دراسات AMB السابقة 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12.

الحصول على البيانات الكيميائية الحرارية للمجمعات الكبيرة باستخدام التفكك الناجم عن الاصطدام هو موضوع ذو أهمية كبيرة13,14. المنهجيات بما في ذلك الطريقة الحركية لا تفضي إلى ملاءمة البيانات عبر مجموعة من الطاقات ، كما أنها لا تأخذ في الاعتبار بيئات التصادم المتعدد15،16،17،18. هنا ، يتم تطبيق طريقة CID العتبة (TCID) ، التي تم تطويرها باستخدام قياس الطيف الكتلي الترادف للحزمة الأيونية الموجهة بواسطة Armentrout و Ervin و Rodgers19 على منصة أدوات ES-IM-MS الجديدة باستخدام أدلة أيون الموجة المتنقلة. تسمح طريقة TCID بإجراء تحليل كيميائي حراري نسبي لتفكك المجمعات الثلاثية إلى قناتي المنتج الخاصة بهما وتتضمن قانون عتبة يصف نقل طاقة التصادم بين الطاقة الانتقالية للمتفاعل (المركب الثلاثي في هذا البحث) والغاز المستهدف الخامل (الأرجون في هذه الحالة). تتضمن الطريقة التكامل على توزيع الطاقة الداخلي للمتفاعل 20 ، وتوزيعات الطاقة الانتقالية بين المتفاعل والغاز المستهدف21 ، وإجمالي توزيعات الزخم الزاوي22,23. يتم تضمين احتمال الانفصال والتصحيح الإحصائي رايس رامسبرجر كاسل ماركوس (RRKM) للتحولات الحركية الناتجة عن النافذة الزمنية المحدودة لمراقبة المنتجات24. بالنسبة لقناتي منتج مستقلتين ، تسمح طريقة TCID التنافسية بالتركيب المتزامن لقناتي المنتج المتنافستين. يتم تفكك المجمع من خلال حالة انتقالية مدارية ، والتي لها خصائص المنتجات ولكن يتم الاحتفاظ بها معا بواسطة ثنائي القطب25 مقفل. تم دمج طريقة TCID في برنامج CRUNCH26 ، ويتم وصف تشغيل واجهة المستخدم هنا لتقييم الكيمياء الحرارية لقناتي التفكك للمجمعات الثلاثية [amb + M (II) + NTA]. يتوفر برنامج CRUNCH عند الطلب من المطورين26.

Protocol

ملاحظة: يوضح الشكل 1 نظرة عامة على البروتوكول. 1. إعداد الكواشف شراء الببتيدات amb المجففة بالتجميد (نقاء >98٪) وتخزينها في ثلاجة -80 درجة مئوية. شراء >99٪ نقاء الزنك (II) نترات سداسي هيدرات والنيكل (II) نترات سداسي الهيدرات.تنبيه: يمثل سداسي هيدرا…

Representative Results

ويبين الشكل 3 التفكك التنافسي الناجم عن التصادم للمجمعات الثلاثية [amb+M(II)+NTA] إلى [amb+M(II)]- + NTA أو [NTA+M(II)]- + amb. يظهر amb إما A أو H و M = Zn أو Ni. يظهر المركب الثلاثي [A+Zn(II)+NTA] (الشكل 3A) عتبات واضحة تبلغ حوالي 0.7 eV ?…

Discussion

خطوات حاسمة
تحليلات التفكك الناجم عن تصادم عتبة ES-IM-MS (TCID). استخدم TCID خلية نقل الموجة T في وجود الأرجون كخلية تصادم. قبل الانفصال ، يتم تسخين أيونات السلائف حراريا عن طريق الاصطدامات منخفضة الطاقة مع غاز النيتروجين أثناء مرورها عبر خلية حركة الأيونات (IM). ينتج عن ذلك TCID أك?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

تستند هذه المواد إلى العمل المدعوم من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم في إطار 1764436 ، وبرنامج NSF REU (CHE-1659852) ، ودعم أدوات NSF (MRI-0821247) ، ومنحة الفيزياء وعلم الفلك للنجاح (PASS) مشروع NSF (1643567) ، ومؤسسة ويلش (T-0014) ، وموارد الحوسبة من وزارة الطاقة (TX-W-20090427-0004-50) و L3 Communications. يشكر المؤلفون كينت م. إرفين (جامعة نيفادا – رينو) وبيتر ب. أرمنتروت (جامعة يوتا) على مشاركة برنامج CRUNCH وعلى المشورة بشأن التركيب من PBA. يشكر المؤلفون مجموعة مايكل تي باور في جامعة كاليفورنيا – سانتا باربرا لمشاركة برنامج سيجما.

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