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

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

מחקרים תרמוכימיים של קומפלקסים טרנריים Ni(II) ו-Zn(II) באמצעות ספקטרומטריית ניידות-מסה של יונים

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

Summary

מאמר זה מתאר פרוטוקול ניסיוני המשתמש בספקטרומטריית מסות-ניידות אלקטרו-יונים, חישובים קוונטיים אמפיריים למחצה ודיסוציאציה הנגרמת על ידי התנגשות סף הנפתרת על-ידי אנרגיה, כדי למדוד את התרמוכימיה היחסית של הדיסוציאציה של קומפלקסים של מתכות טרנריות קשורות.

Abstract

מאמר זה מתאר פרוטוקול ניסיוני המשתמש בספקטרומטריית מסות-ניידות של יונים אלקטרוספריים (ES-IM-MS) ובדיסוציאציה הנגרמת על-ידי התנגשות באנרגיה (TCID) כדי למדוד את התרמוכימיה של הדיסוציאציה של [amb+M(II)+NTA]- קומפלקסים טרנריים לשני ערוצי מכפלה: [amb+M(II)] + NTA או [NTA+M(II)]-  + amb, כאשר M = Zn או Ni ו- NTA היא חומצה ניטרילוטריאצטית. הקומפלקסים מכילים את אחד מההפטפטפטידים החלופיים לקשירת מתכת (amb) עם המבנים הראשוניים אצטיל-שלו 1-Cys 2-Gly 3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7 או אצטיל-Asp 1-Cys2-Gly 3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7, כאשר חומצות האמינו Aa 1,2,6,7 עמדות הן אתרי קשירת המתכת הפוטנציאליים. מצבים נייחים מותאמים לגיאומטריה של קומפלקסים טרנריים ומוצריהם נבחרו מחישובי כימיה קוונטית (כיום המילטוניאן החצי אמפירי PM6) על ידי השוואת האנרגיות האלקטרוניות שלהם וחתכי ההתנגשות שלהם (CCS) לאלה שנמדדו על ידי ES-IM-MS. מחישובי התדרים של PM6, הפרמטרים המולקולריים של הקומפלקס הטרנרי ותוצריו מדגימים את העוצמות התלויות באנרגיה של שני ערוצי המוצר באמצעות שיטת TCID תחרותית כדי לקבוע את אנרגיות הסף של התגובות המתייחסות לאנתלפיות 0 K של דיסוציאציה (ΔH0). מכניקה סטטיסטית תיקונים תרמיים ואנטרופיה באמצעות תדרי סיבוב ורטט PM6 מספקים את 298 K אנתלפיות של דיסוציאציה (ΔH298). שיטות אלה מתארות שגרת EI-IM-MS שיכולה לקבוע קבועי תרמוכימיה ושיווי משקל עבור מגוון קומפלקסים של יוני מתכת טרנריים.

Introduction

מחקר זה מתאר טכניקה חדשה המשתמשת בספקטרומטר ניידות-מסה של יונים הזמין באופן מסחרי, המאפשר לקבוע את התרמוכימיה היחסית לדיסוציאציה של קומפלקס מתכת חלופי (amb) של מתכת טרנרית [amb+M(II)+NTA], כאשר M = Zn או Ni ו-NTA = חומצה ניטרילוטריאלית (איור 1). תגובות אלה מדגימות את הדיסוציאציה של החלבון הרקומביננטי המתויג כ-amb המוצמד למתכת המשותקת על-ידי NTA במהלך כרומטוגרפיה של זיקת מתכת משותקת (IMAC)1,2. לדוגמה, שיטה זו מתוארת באמצעות תגי הפטפטפטיד amb של amb A ו– H (איור 2) (שנבחרו ממחקרים קודמים 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ) המציגים תכונות מחייבות Zn(II) ו- Ni(II), ולכן יש להם יישומים פוטנציאליים כתגי טיהור. עם זאת, התהליך המתואר יכול לשמש להערכת אנרגיות תרמוכימיות בכל מערכת אורגנומטלית. לפפטידים אמביים אלה יש אתרי קשירת מתכת בעמדות Aa1-Aa 2 ו-Aa6-Aa 7 המתחרים באתרי הקרבוקסילאט והאמין של ה-NTA. שלוש חומצות האמינו המרכזיות של אמב מספקות ספייסר (Gly3), ציר לשתי הזרועות (Pro4) ואינטראקציה בין קטיון π מתכות למרחקים ארוכים (Tyr5).

מצב המטען הכולל של 1− של קומפלקסי [amb+M(II)+NTA]– נקבע על ידי מצב הפרוטונציה של אתרי הקישור הפוטנציאליים שלהם. מכיוון שיש Ni(II) או Zn(II) עם מצב החמצון 2+, חייבת להיות רשת של שלושה אתרים טעונים שלילית. המידול המולקולרי של קומפלקסי [amb+M(II)+NTA]- מנבא שמדובר בשני פרוטונים מה-NTA ובפרוטון אחד מה-amb (כלומר, [amb-H+M(II)+NTA-2H]–). ערוצי המוצר מכילים מין יוני ומין נייטרלי (כלומר, [NTA-3H+M(II)]- + amb או [amb-3H+M(II)]- + NTA). בכתב היד, “-3H” אינו נכלל בשמות הקומפלקסים, אך הקורא צריך לדעת כי -3H משתמע. המכשיר מודד את העוצמות היחסיות של שני מיני המסה למטען היוניים (m/z). תכונה מרכזית של ניתוחי ES-IM-MS היא שהיא מאפשרת לבחון את התגובה של מין m/z מסוים, כפי שנעשה כאן ובמחקרים קודמים של amb 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12.

רכישת נתונים תרמוכימיים עבור קומפלקסים גדולים באמצעות דיסוציאציה הנגרמת על ידי התנגשות היא נושא בעל עניין משמעותי13,14. מתודולוגיות הכוללות את השיטה הקינטית אינן תורמות להתאמת נתונים על פני מגוון אנרגיות, והן גם אינן לוקחות בחשבון סביבות מרובות התנגשויות15,16,17,18. כאן, שיטת הסף CID (TCID), שפותחה באמצעות ספקטרומטריית מסה טנדם מונחית של קרן יונים על ידי ארמנטרוט, ארווין ורוג’רס, מיושמת19 על פלטפורמת מכשירים חדשה ES-IM-MS המשתמשת במדריכי יונים של גלים נעים. שיטת TCID מאפשרת אנליזה תרמוכימית יחסית של הדיסוציאציה של הקומפלקסים הטרנריים לשני ערוצי המכפלה שלהם וכוללת חוק סף המתאר את העברת אנרגיית ההתנגשות בין האנרגיה התרגומית של המגיב (קומפלקס טרנרי במחקר זה) לבין גז מטרה אינרטי (ארגון במקרה זה). השיטה כוללת אינטגרציה על התפלגות האנרגיה הפנימית של המגיב20, התפלגויות האנרגיה התרגומיות בין המגיב לגז המטרה 21, והתפלגות התנע הזוויתי הכוללת22,23. הסתברות דיסוציאציה ותיקון סטטיסטי של רייס-רמספרגר-קאסל-מרקוס (RRKM) של התזוזות הקינטיות הנובעות מחלון הזמן המוגבל לתצפית על התוצרים כלולים24. עבור שני ערוצי מוצרים עצמאיים, שיטת TCID התחרותית מאפשרת התאמה בו זמנית של שני ערוצי המוצרים המתחרים. דיסוציאציה של הקומפלקס היא באמצעות מצב מעבר מקיף, אשר יש את התכונות של המכפלות אבל מוחזק יחד על ידי דיפול נעול25. שיטת TCID משולבת בתוכנית CRUNCH26, ופעולת ממשק המשתמש מתוארת כאן כדי להעריך את התרמוכימיה של שני ערוצי הדיסוציאציה של הקומפלקסים הטרנריים [amb+M(II)+NTA]. תוכנית CRUNCH זמינה על פי בקשה מהמפתחים26.

Protocol

הערה: איור 1 מציג סקירה כללית של הפרוטוקול. 1. הכנת ריאגנטים רכשו פפטידים אמביים מיובשים בהקפאה (טוהר >98%) ואחסנו אותם במקפיא של 80 מעלות צלזיוס. רכוש אבץ >99% טוהר(II) הקסהידרט חנקתי וניקל(II) חנקתי הקסהידרט.אזהרה: ניקל(II) חנקתי הקסהידרט מהווה ס?…

Representative Results

הדיסוציאציה התחרותית הנגרמת על ידי התנגשות של [amb+M(II)+NTA]- קומפלקסים טרנריים של A ו-H לתוך [amb+M(II)]- + NTA או [NTA+M(II)]- + amb, מוצגת באיור 3. ה-amb מוצג כ-A או H וה-M = Zn או Ni. [A+Zn(II)+NTA]- קומפלקס טרנרי (איור 3A) מציג סף נראה …

Discussion

שלבים קריטיים
ניתוחי דיסוציאציה הנגרמת על-ידי התנגשות (TCID) של סף ES-IM-MS. ה-TCID השתמש בתא גל ה-T ההעברה בנוכחות ארגון כתא ההתנגשות. לפני הדיסוציאציה, היונים המבשרים עוברים תרמית על ידי התנגשויות באנרגיה נמוכה עם גז חנקן כשהם עוברים דרך תא ניידות היונים (IM). התוצאה היא TCID הניתן…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

חומר זה מבוסס על עבודה הנתמכת על ידי הקרן הלאומית למדע תחת 1764436, תוכנית NSF REU (CHE-1659852), תמיכה במכשירי NSF (MRI-0821247), מלגת פיזיקה ואסטרונומיה להצלחה (PASS) פרויקט NSF (1643567), קרן וולש (T-0014), ומשאבי מחשוב ממחלקת האנרגיה (TX-W-20090427-0004-50) ותקשורת L3. המחברים מודים לקנט מ. ארווין (אוניברסיטת נבאדה – רינו) ופיטר ב. ארמנטרוט (אוניברסיטת יוטה) על שיתוף תוכנית CRUNCH ועל עצות לגבי התאמה מ- PBA. המחברים מודים לקבוצה של מייקל ט’ באואר באוניברסיטת קליפורניה – סנטה ברברה על שיתוף תוכנית סיגמא.

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