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Chemistry

イオン移動度質量分析法を用いたNi(II)およびZn(II)三元錯体の熱化学的研究

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

Summary

この記事では、エレクトロスプレー-イオン移動度-質量分析、半経験的量子計算、およびエネルギー分解閾値衝突誘起解離を使用して、関連する三元金属錯体の解離の相対熱化学を測定する実験プロトコルについて説明します。

Abstract

この記事では、エレクトロスプレーイオン移動度質量分析(ES-IM-MS)とエネルギー分解閾値衝突誘起解離(TCID)を使用して、負電荷[amb+M(II)+NTA]-三元錯体の2つの製品チャネルへの解離の熱化学を測定する実験プロトコルについて説明します。 + amb、ここでM=ZnまたはNiおよびNTAはニトリロ三酢酸である。この複合体は、一次構造アセチル-His 1-Cys 2-Gly 3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7またはアセチル-Asp 1-Cys 2-Gly3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7を有する代替金属結合(amb)ヘプタペプチドの1つを含み、ここでアミノ酸はAa1,2,6,7 位置は潜在的な金属結合部位である。三元複合体とその生成物の幾何学的に最適化された定常状態は、電子エネルギーとその衝突断面積(CCS)をES-IM-MSによって測定されたものと比較することによって、量子化学計算(現在はPM6半経験的ハミルトニアン)から選択された。PM6周波数計算から、三元複合体とその生成物の分子パラメータは、競合TCID法を用いて2つの生成物チャネルのエネルギー依存強度をモデル化し、解離の0Kエンタルピー(ΔH0)に関連する反応の閾値エネルギーを決定する。PM6の回転周波数と振動周波数を用いた統計力学の熱およびエントロピー補正は、解離の298Kエンタルピー(ΔH298)を提供する。これらの方法は、一連の三元金属イオン錯体の熱化学および平衡定数を決定することができるEI-IM-MSルーチンを記述する。

Introduction

この研究は、代替金属結合(amb)三元金属錯体[amb + M(II)+NTA](M = ZnまたはNiおよびNTA = ニトリロ三酢酸)の解離のための相対熱化学の決定を可能にする市販のイオン移動度質量分析計を用いた新しい技術を説明する(図1)。これらの反応は、固定化金属アフィニティークロマトグラフィー(IMAC)1,2中のNTA固定化金属に結合したambタグ付き組換えタンパク質の解離をモデル化する。一例として、この方法は、amb AおよびHのambヘプタペプチドタグ(図2)を用いて記載される(先行研究3、4、5、6、7、8、9、10、11、12)は、Zn(II)およびNi(II)結合特性を示し、したがって、精製タグとしての潜在的な用途を有する。しかしながら、記載されたプロセスは、任意の有機金属系における熱化学エネルギーを評価するために使用することができる。これらのambペプチドは、NTAのカルボキシレート部位およびアミン部位と競合するAa1−Aa2およびAa6−Aa7位に金属結合部位を有する。3つの中心ambアミノ酸は、スペーサー(Gly3)、2つのアームのヒンジ(Pro4)、および長距離π金属カチオン相互作用(Tyr5)を提供する。

[amb+M(II)+NTA]-錯体の全体的な1–電荷状態は、それらの潜在的な結合部位のプロトン化状態によって決定される。2+酸化状態のNi(II)またはZn(II)が存在するため、3つの脱プロトン化された負電荷部位の正味がなければならない。[amb+M(II)+NTA]-複合体の分子モデリングは、これらがNTAからの2つの陽子とambからの1つの陽子(すなわち、[amb-H+M(II)+NTA-2H]–)であると予測する。生成物チャネルは、イオン種および中性種(すなわち、[NTA-3H+M(II)]- + ambまたは[amb-3H+M(II)]– + NTA)を含む。原稿では、複合体の名前に「-3H」が除外されていますが、読者は-3Hが暗示されていることを知っておくべきです。この装置は、2つのイオン質量電荷(m / z)種の相対強度を測定します。ES-IM-MS分析の主な属性は、ここおよび以前のAMB研究3,4,5,6,7,8,9,10,11,12で利用されているように、特定のM / Z種の反応性を調べることができることです。

衝突誘発解離を用いた大型錯体の熱化学的データの取得は、重要な関心の対象である13,14。キネティック法を含む方法論は、ある範囲のエネルギーにわたってデータをフィッティングするのに役立たず、また、多重衝突環境15,16,17,18を説明するものでもない。ここで、Armentrout、Ervin、Rodgersによる誘導イオンビームタンデム質量分析法を用いて開発された閾値CID(TCID)法は、走行波イオンガイドを利用した新しいES-IM-MS機器プラットフォームに19で適用されています。TCID法は、三元錯体の2つの生成物チャネルへの解離の相対熱化学的分析を可能にし、反応物(本研究における三元錯体)と不活性標的ガス(この場合はアルゴン)の並進エネルギー間の衝突エネルギーの移動を記述する閾値法則を含む。この方法は、反応物の内部エネルギー分布20にわたる積分、反応物と標的ガス21との間の並進エネルギー分布、および総角運動量分布22、23を含む。解離確率および生成物の観察のための限られた時間枠から生じる動態シフトの統計的ライス・ラムスペルガー・カッセル・マーカス(RRKM)補正が含まれる24。2つの独立した製品チャネルの場合、競合TCID方式により、競合する2つの製品チャネルを同時にフィッティングできます。複合体の解離は、生成物の性質を有するが、ロックダイポール25によって一緒に保持される軌道遷移状態を通る。TCID法はCRUNCHプログラム26に組み込まれており、ここでは三元系[amb+M(II)+NTA]-錯体の2つの解離チャネルの熱化学を評価するためのユーザインタフェースの動作について説明する。CRUNCHプログラムは、開発者26からの要求に応じて利用可能です。

Protocol

メモ: 図 1 に、プロトコルの概要を示します。 1. 試薬の調製 フリーズドライアンブペプチド(純度>98%)を購入し、-80°Cの冷凍庫に保管してください。 純度>99%の硝酸亜鉛(II)六水和物と硝酸ニッケル(II)六水和物を購入してください。警告: 硝酸ニッケル(II)六水和物は、環境および健康上の危険があります。 ニトリ…

Representative Results

AとHの[amb+M(II)+NTA]-三元錯体の[amb+M(II)]-+NTAまたは[NTA+M(II)]-+ambへの競合衝突誘発解離を図3に示す。amb は A または H のいずれかで示され、M = Zn または Ni として表示されます。[A+Zn(II)+NTA]-三元複合体(図3A)は、[A+Zn(II)]を生成するために約0.7eVの衝突エネルギー(CE…

Discussion

重要なステップ
ES-IM-MS しきい値衝突誘発解離 (TCID) 解析。 TCIDは、衝突セルとしてアルゴンの存在下での転送T波セルを使用した。解離に先立ち、前駆体イオンは、イオン移動度(IM)セルを通過する際に窒素ガスとの低エネルギー衝突によって熱化される。これは、トラップをコリジョンセル6、40として使用することによっ…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この資料は、1764436、NSF REUプログラム(CHE-1659852)、NSF機器サポート(MRI-0821247)、成功のための物理学と天文学奨学金(PASS)NSFプロジェクト(1643567)、ウェルチ財団(T-0014)、エネルギー省(TX-W-20090427-0004-50)およびL3コミュニケーションズのコンピューティングリソースによってサポートされている作業に基づいています。著者らは、ケント・M・アービン(ネバダ大学リノ校)とピーター・B・アーメントラウト(ユタ大学)がCRUNCHプログラムを共有し、PBAからのフィッティングに関するアドバイスをくれたことに感謝します。著者らは、シグマプログラムを共有してくれたカリフォルニア大学サンタバーバラ校のMichael T. Bowerのグループに感謝します。

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
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References

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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).
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