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

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

Thermochemische studies van Ni (II) en Zn (II) Ternaire complexen met behulp van ionenmobiliteit-massaspectrometrie

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

Summary

Dit artikel beschrijft een experimenteel protocol met behulp van elektrospray-ion mobiliteit-massaspectrometrie, semi-empirische kwantumberekeningen en energie-opgeloste drempelbotsing-geïnduceerde dissociatie om de relatieve thermochemie van de dissociatie van gerelateerde ternaire metaalcomplexen te meten.

Abstract

Dit artikel beschrijft een experimenteel protocol met behulp van elektrospray-ion mobiliteit-massaspectrometrie (ES-IM-MS) en energie-opgeloste drempelbotsing-geïnduceerde dissociatie (TCID) om de thermochemie van de dissociatie van negatief geladen [amb + M (II) + NTA] – ternaire complexen in twee productkanalen te meten: [amb + M (II)] + NTA of [NTA + M (II)]–  + amb, waarbij M = Zn of Ni en NTA nitrilotriacetinezuur is. De complexen bevatten een van de alternatieve metaalbindende (amb) heptapeptiden met de primaire structuren acetyl-His1-Cys 2-Gly 3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7 of acetyl-Asp1-Cys 2-Gly 3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7, waar de aminozuren ‘ Aa1,2,6,7 posities zijn de potentiële metaalbindplaatsen. Geometrie-geoptimaliseerde stationaire toestanden van de ternaire complexen en hun producten werden geselecteerd uit kwantumchemieberekeningen (momenteel de PM6 semi-empirische Hamiltoniaan) door hun elektronische energieën en hun botsingsdoorsneden (CCS) te vergelijken met die gemeten door ES-IM-MS. Op basis van de PM6-frequentieberekeningen modelleren de moleculaire parameters van het ternaire complex en zijn producten de energieafhankelijke intensiteiten van de twee productkanalen met behulp van een concurrerende TCID-methode om de drempelenergieën te bepalen van de reacties die betrekking hebben op de 0 K-enthalpies van dissociatie (ΔH0). Statistische mechanica thermische en entropiecorrecties met behulp van de PM6 rotatie- en trillingsfrequenties leveren de 298 K-enthalpies van dissociatie (ΔH298). Deze methoden beschrijven een EI-IM-MS-routine die thermochemische en evenwichtsconstanten kan bepalen voor een reeks ternaire metaalionencomplexen.

Introduction

Deze studie beschrijft een nieuwe techniek met behulp van een in de handel verkrijgbare ionenmobiliteit-massaspectrometer die het mogelijk maakt de relatieve thermochemie te bepalen voor de dissociatie van een alternatief metaalbinding (amb) ternair metaalcomplex [amb +M(II)+NTA], waarbij M = Zn of Ni en NTA = salpeterriacetisch zuur (figuur 1). Deze reacties modelleren de dissociatie van het amb-tagged recombinante eiwit dat aan het NTA-geïmmobiliseerde metaal is bevestigd tijdens geïmmobiliseerde metaalaffiniteitschromatografie (IMAC)1,2. Als voorbeeld wordt deze methode beschreven met behulp van de amb heptapeptide tags van amb A en H (Figuur 2) (gekozen uit devorige studies 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ) die Zn(II) en Ni(II)-bindende eigenschappen vertonen en dus potentiële toepassingen hebben als zuiveringslabels. Het beschreven proces kan echter worden gebruikt om thermochemische energieën in elk organometaalsysteem te evalueren. Deze ambpeptiden hebben metaalbindingsplaatsen in de Aa1-Aa 2 en Aa6-Aa 7 posities die concurreren met de carboxylaat- en amineplaatsen van de NTA. De drie centrale amb aminozuren zorgen voor een afstandsmeter (Gly3), het scharnier voor de twee armen (Pro4) en een lange afstand π-metaal kation interactie (Tyr5).

De totale 1− ladingstoestand van de [amb+M(II)+NTA]– complexen wordt bepaald door de protonatietoestand van hun potentiële bindingsplaatsen. Aangezien er Ni(II) of Zn(II) is met de 2+ oxidatietoestand, moet er een netto van drie gedeprotoneerde negatief geladen locaties zijn. De moleculaire modellering van de [amb+M(II)+NTA]– complexen voorspelt dat dit twee protonen van de NTA en één proton van de amb zijn (d.w.z. [amb-H+M(II)+NTA-2H]–). De productkanalen bevatten een ionische soort en een neutrale soort (d.w.z. [NTA-3H + M (II)]– + amb of [amb-3H + M(II)]– + NTA). In het manuscript is “-3H” uitgesloten in de namen van de complexen, maar de lezer moet weten dat de -3H wordt geïmpliceerd. Het instrument meet de relatieve intensiteiten van de twee ionische massa-tot-lading (m/z) soorten. Een belangrijk kenmerk van ES-IM-MS-analyses is dat het het onderzoek van de reactiviteit van een specifieke m/z-soort mogelijk maakt, zoals hier en in eerdere ambstudiesgebruikt 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12.

Het verkrijgen van thermochemische gegevens voor grote complexen met behulp van botsing-geïnduceerde dissociatie is een onderwerp van aanzienlijk belang13,14. Methodologieën, waaronder de kinetische methode, zijn niet bevorderlijk voor het aanpassen van gegevens over een reeks energieën, noch houden ze rekening met omgevingen met meerdere botsingen 15,16,17,18. Hier wordt de drempel CID (TCID) methode, ontwikkeld met behulp van geleide ionenbundel tandem massaspectrometrie door Armentrout, Ervin en Rodgers, toegepast 19 op een nieuw ES-IM-MS instrumentplatform met behulp van reizende golf ionengeleiders. De TCID-methode maakt een relatieve thermochemische analyse mogelijk van de dissociatie van de ternaire complexen in hun twee productkanalen en omvat een drempelwet die de overdracht van botsingsenergie beschrijft tussen de translatie-energie van de reactant (ternair complex in dit onderzoek) en een inert doelgas (argon in dit geval). De methode omvat integratie over de interne energieverdeling van de reactant20, de translationele energieverdelingen tussen de reactant en het doelgas21 en de totale impulsmomentverdelingen22,23. Een dissociatiekans en statistische Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM) correctie van de kinetische verschuivingen als gevolg van het beperkte tijdvenster voor observatie van de producten zijn opgenomen24. Voor twee onafhankelijke productkanalen maakt de concurrerende TCID-methode het gelijktijdig aanbrengen van de twee concurrerende productkanalen mogelijk. Dissociatie van het complex vindt plaats door middel van een baanovergangstoestand, die de eigenschappen van de producten heeft, maar bij elkaar wordt gehouden door een locked-dipool25. De TCID-methode is opgenomen in het CRUNCH-programma26 en de werking van de gebruikersinterface wordt hier beschreven om de thermochemie van de twee dissociatiekanalen van de ternaire [amb+M(II)+NTA]– complexen te evalueren. Het CRUNCH-programma is beschikbaar op aanvraag bij de ontwikkelaars26.

Protocol

OPMERKING: Figuur 1 toont een overzicht van het protocol. 1. Bereiding van reagentia Koop gevriesdroogde ambpeptiden (>98% zuiverheid) en bewaar ze in een -80 °C vriezer. Koop >99% zuiverheid zink (II) nitraathexahydraat en nikkel (II) nitraathexahydraat.LET OP: Nikkel(II)nitraathexahydraat vormt een gevaar voor het milieu en de gezondheid. Koop het nitrilotriacetinezuur, poly-DL-alaninepolymeren, ultrapuur / tra…

Representative Results

De door competitieve botsingen geïnduceerde dissociatie van de [amb+M(II)+NTA]- ternaire complexen van A en H in [amb+M(II)]- + NTA of [NTA+M(II)]- + amb, wordt weergegeven in figuur 3. De amb wordt weergegeven als A of H en de M = Zn of Ni. Het [A+Zn(II)+NTA]- ternair complex (figuur 3A) vertoont schijnbare drempels van ongeveer 0,7 eV botsingsenergi…

Discussion

Kritieke stappen
ES-IM-MS threshold collision-induced dissociation (TCID) analyses. De TCID gebruikte de transfer T-golfcel in aanwezigheid van argon als botsingscel. Voorafgaand aan dissociatie worden de voorloperionen gethermiseerd door laagenergetische botsingen met stikstofgas terwijl ze door de ionenmobiliteitscel (IM) gaan. Dit resulteert in een meer reproduceerbare energie-opgeloste TCID dan wordt bereikt door de val te gebruiken als de botsingscel …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit materiaal is gebaseerd op werk dat wordt ondersteund door de National Science Foundation onder 1764436, NSF REU-programma (CHE-1659852), NSF-instrumentondersteuning (MRI-0821247), Physics and Astronomy Scholarship for Success (PASS) NSF-project (1643567), Welch Foundation (T-0014) en computerbronnen van het Department of Energy (TX-W-20090427-0004-50) en L3 Communications. De auteurs bedanken Kent M. Ervin (University of Nevada – Reno) en Peter B. Armentrout (University of Utah) voor het delen van het CRUNCH-programma en voor advies over het passen van PBA. De auteurs bedanken de groep van Michael T. Bower aan de Universiteit van Californië – Santa Barbara voor het delen van het Sigma-programma.

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