Name: 用于测定金属结合寡聚肽的金属电子识别和机制的Ion流动性-质谱技术 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-09-07T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 4 s
Description: 了解离子淌度-质谱技术结合分子建模分析金属结合肽的分子组成与结构特征。该方法有助于开发针对阿尔茨海默病和癌症等金属离子失衡相关疾病的治疗策略。

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本材料基于美国国家科学基金会（项目编号 1764436）、国家科学基金会仪器支持（MRI-0821247）、Welch 基金会（T-0014）以及美国能源部（TX-W-20090427-0004-50）&#160;和 L3 Communications 提供的计算资源支持。我们感谢加州大学圣塔芭芭拉分校 Bower 课题组分享 Sigma 程序，以及 Ayobami Ilesanmi&#160;在视频中对本技术的演示。

1. 试剂的准备
<ol>
	<li>培养 Methylosinus trichosporium OB3b，分离不含 Cu(I) 的 mb-OB3b18,22,23，冻干样品并保存于 -80 °C，直至使用。</li>
	<li>合成 amb 肽（amb1、amb2、amb4 纯度 >98%；amb7 纯度 >70%），冻干样品，并保存于 -80 °C，直至使用。</li>
	<li>购买纯度 >98% 的氯化锰(II)、氯化钴(II)、氯化镍(II)、氯化铜(II)、硝酸铜(II)、硝酸银(I)、氯化锌(II)、氯化铁(III) 和氯化铅(II)。</li>
	<li>购买用于测定 amb 物种碰撞截面的校准物聚-DL-丙氨酸聚合物，以及 HPLC 级或更高纯度的氢氧化铵、冰醋酸和乙腈。</li>
</ol>
2. 储备液的制备
<ol>
	<li>肽段储备液
	<ol>
		<li>使用精度至少为三位有效数字的天平，准确称取 10.0–20.0 mg 的 mb-OB3b 或 amb 肽段，置于 1.7 mL 塑料离心管中。 
		注意：根据肽段的溶解度，加入 1.00 mL 去离子水（DI 水）后，所得浓度应为 12.5 mM 或 1.25 mM。</li>
		<li>使用移液器向已称重的肽段样品中加入 1.00 mL 去离子水（>17.8 MΩ cm），配制成 12.5 mM 或 1.25 mM 的溶液。盖紧管盖，并充分混匀，至少颠倒混匀 20 次。</li>
		<li>使用微量移液器从肽段储备液中分装 50.0 μL 等份至分别标记的 1.5 mL 离心管中，于 -80 °C 保存，待用。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>金属离子储备液
	<ol>
		<li>使用精度至少为三位有效数字的天平，准确称取 10.0–30.0 mg 的金属氯化物或硝酸银，置于 1.7 mL 离心管中。 
		注意：加入 1.00 mL 去离子水后，所得浓度应为 125 mM。</li>
		<li>向已称重的金属样品中加入 1.00 mL 去离子水，配制成 125 mM 溶液。盖紧管盖，并充分混匀，至少颠倒混匀 20 次。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>氢氧化铵储备液：通过将 57 μL 的 99.5% 乙酸溶液用去离子水稀释至终体积 1.00 mL，配制 1.0 M 乙酸溶液。通过将 90 μL 的 21% 氢氧化铵溶液用去离子水稀释至终体积 1.00 mL，配制 1.0 M 氢氧化铵溶液。分别取 100 μL 的 1.0 M 溶液进行连续两次稀释，制备 0.10 M 和 0.010 M 的乙酸与氢氧化铵溶液。</li>
	<li>聚-DL-丙氨酸储备液：称取 1.0 mg 聚-DL-丙氨酸（PA），溶于 1.0 mL 去离子水中，配制成 1,000 ppm 的溶液。充分混匀。使用微量移液器分装 50.0 μL 等份至 1.7 mL 离心管中，每管单独标记，于 -80 °C 保存。</li>
</ol>
3. 电喷雾-离子迁移率-质谱分析
<ol>
	<li>用约 500 μL 的 0.1 M 冰醋酸、0.1 M 氨水，最后用去离子水彻底清洗 ESI 进样管路和针尖毛细管。</li>
	<li>解冻 50.0 μL 的 1,000 ppm PA 储备液，加入 450 μL 去离子水稀释得到 100 ppm PA 溶液。取 100.0 μL 该溶液，用 500 μL 去离子水和 500 μL 乙腈定容至 1.00 mL，得到 10 ppm PA 溶液。</li>
	<li>使用讨论部分所述的天然 ESI-IM-MS 条件，分别采集 10 ppm PA 溶液的负离子和正离子 IM-MS 谱图，每种模式采集 10 分钟。</li>
	<li>解冻 50.0 μL 的 12.5 mM 或 1.25 mM amb 储备液，用去离子水逐级稀释至终浓度为 0.125 mM amb。每次稀释后充分混匀。</li>
	<li>取 100.0 μL 的 125 mM 金属离子储备液，置于 1.7 mL 样品瓶中，用去离子水稀释至 1.00 mL，得到 12.5 mM 金属离子溶液。再连续进行两次稀释，得到终浓度为 0.125 mM 的金属离子溶液。每次稀释后均需充分混匀。</li>
	<li>取 200.0 μL 的 0.125 mM amb 溶液置于 1.7 mL 样品瓶中，加入 500 μL 去离子水稀释，并充分混匀。</li>
	<li>加入 50 μL 的 1.0 M 醋酸溶液，将样品 pH 调节至 3.0。</li>
	<li>向 pH 已调节的样品中加入 200.0 μL 的 0.125 mM 金属离子溶液，再加入去离子水使样品终体积为 1.00 mL，充分混匀后在室温下平衡 10 分钟。</li>
	<li>使用平头针筒取 500 μL 样品，分别采集负离子和正离子 ESI-IM-MS 谱图，每种模式采集 5 分钟。剩余 500 μL 样品用于记录最终 pH 值，使用校准过的微 pH 电极进行测定。</li>
	<li>重复步骤 3.6–3.9，其中修改步骤 3.7，通过添加不同体积的 0.010 M、0.10 M 或 1.0 M 醋酸或氨水溶液，将 pH 分别调节至 4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0 或 10.0。</li>
	<li>分别采集 10 ppm PA 溶液的负离子和正离子 ESI-IM-MS 谱图，每种模式采集 10 分钟。</li>
</ol>
4. amb 样品金属离子滴定的制备
<ol>
	<li>按照步骤 3.1–3.5 中所述的步骤进行操作。</li>
	<li>用移液器吸取 200.0 μL 的 0.125 mM amb 溶液至 1.7 mL 样品瓶中，加入 500.0 μL 去离子水稀释，并充分混匀。</li>
	<li>加入 80 μL 的 0.010 M 氢氧化铵溶液，将样品的 pH 值调节至 pH = 9.0。</li>
	<li>加入 28 μL 的 0.125 mM 金属离子溶液，使金属离子的摩尔当量为 0.14，再加入去离子水定容至样品终体积为 1.00 mL，充分混匀，并在室温下平衡 10 分钟。</li>
	<li>使用平头针筒吸取 500 μL 样品，分别采集负离子和正离子 ESI-IM-MS 谱图，每种模式采集 5 分钟。用剩余的 500 μL 样品，使用校准过的微型 pH 电极测定其最终 pH 值。</li>
	<li>重复步骤 4.2–4.5，但在步骤 4.3 中调整加入的 0.125 mM 金属离子溶液体积，使其金属离子摩尔当量分别为 0.28、0.42、0.56、0.70、0.84、0.98、1.12、1.26 或 1.40。</li>
	<li>分别采集 10 ppm PA 溶液的负离子和正离子 IM-MS 谱图，每种模式采集 10 分钟。</li>
</ol>
5. ESI-IM-MS pH 滴定数据的分析
<ol>
	<li>从离子迁移率-质谱（IM-MS）谱图中，通过将信号与理论的 m/z 同位素分布模式进行比对，确定存在的带电 ambs 物种。
	<ol>
		<li>打开 MassLynx，然后单击 色谱图 打开色谱图窗口。</li>
		<li>前往 文件 菜单和 开放 定位并打开 IM-MS 数据文件。</li>
		<li>通过在色谱图上右键单击并拖动后释放，提取离子迁移率-质谱（IM-MS）谱图。谱图窗口将打开，显示相应的离子迁移率-质谱（IM-MS）谱图。</li>
		<li>在谱图窗口中，单击 工具 和 同位素模型在同位素建模窗口中，输入待测物分子的分子式，勾选 显示带电离子 盒，并输入电荷状态。点击 好的.</li>
		<li>重复操作以鉴定 IM-MS 谱图中的所有物种，并记录其 m/z 同位素范围。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>针对每种离子物种（amb species），利用其质荷比（m/z）同位素分布模式将其偶然重叠的m/z物种分离，并提取各自的到达时间分布（ATD），以实现鉴定。
	<ol>
		<li>在 MassLynx 中点击 DriftScope 打开程序。在 DriftScope 中点击 文件 和 开放 定位并打开 IM-MS 数据文件。</li>
		<li>使用鼠标左键单击以放大目标 m/z 同位素峰型。</li>
		<li>使用 选择工具 并按住鼠标左键以选择同位素峰型。单击 接受当前选择 按钮</li>
		<li>为分离任何偶然重合的 m/z 物种，请使用 选择工具 并按住鼠标左键选择与amb物种同位素峰型时间对齐的ATD 接受当前选择 按钮</li>
		<li>要导出 ATD，请前往 文件 | 导出至 MassLynx，然后选择 保留漂移时间 并将文件保存至相应文件夹中。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>确定ATD的质心，并将ATD曲线下面积积分作为该物种种群数量的度量。
	<ol>
		<li>在 MassLynx 的色谱图窗口中打开已保存的导出文件。点击 过程 | 整合 从菜单中勾选 ApexTrack 峰面积积分选项，然后点击 好的.</li>
		<li>记录质心ATD（tA）以及如图所示的积分面积 色谱图 窗口。对所有保存的 amb 和 PA IM-MS 数据文件重复此操作。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在每个滴定点，使用集成的ATD对提取出的任一正离子或负离子的所有amb物种进行归一化处理，转换为相对百分比尺度。
	<ol>
		<li>将不同 pH 值下各 amb 物种的身份及其积分 ATD 输入电子表格中。</li>
		<li>对于每个 pH 值，使用积分后的 ATD 总和将各个 amb 的 ATD 归一化为百分比 scale。</li>
		<li>绘制每种amb物种的百分比强度随pH变化的曲线图，以显示各物种群体随pH的变化情况。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. 碰撞截面
<ol>
	<li>使用电子表格，将测得的 PA 阴离子25,26 和阳离子27 在 He 缓冲气体28 中的碰撞截面（CCS，单位：Ω）利用下方的公式 1转换为校正后的碰撞截面（Ωc），其中：z = 离子电荷；ec = 电子电荷（1.602×10-19 C）；mN2 = N2 气体的质量（Da）；mion = 离子质量。29</li>
</ol>
<img alt="回旋频率方程，带电粒子在电磁场中运动的公式，方程。" src="/files/ftp_upload/60102/60102equ01.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程 1">
<ol start="2">
	<li>使用下方的公式 2将PA校准物和环境物质的平均到达时间（tA）转换为漂移时间（tD），其中：c = 增强的占空比延迟系数（1.41），m/z为肽离子的质荷比。</li>
</ol>
<img alt="用于离子漂移时间计算的飞行时间质谱公式。" src="/files/ftp_upload/60102/60102equ02.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Equation 2">
<ol start="3">
	<li>绘制 PA 标准物的 tD 与其 Ωc 的关系图。然后，对下文所示的公式 3进行最小二乘法回归拟合，确定 A' 和 B 的值，其中：A' 用于校正温度、压力和电场参数；B 用于补偿 IM 装置的非线性效应。</li>
</ol>
<img alt="衰变速率常数方程，Ω = A' * t^B，在衰变速率分析研究中。" src="/files/ftp_upload/60102/60102equ03.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程 3">
<ol start="4">
	<li>利用这些 A' 和 B 值，以及来自 ambs 的迁移时间分布（ATD）的质心 tD 值，通过公式 3确定其 Ωc，并通过公式 1确定其 Ω。该方法可为肽类物质提供碰撞截面（CCS），其估计的绝对误差约为 2%25,26,27。</li>
</ol>
7. 计算方法
<ol>
	<li>采用包含Becke三参数杂化泛函的B3LYP/LanL2DZ理论水平30 以及 Dunning 基组31 和电子核势32,33,34 用于定位所有观察到的配位类型对应的几何优化构象体 m/z amb 物种35. 
	注意：有关如何构建和提交计算的详细信息，请参阅 GaussView 的使用方法 补充文件.</li>
	<li>比较每种构象体的预测自由能，并使用 Sigma 程序中的离子尺度化 Lennard-Jones（LJ）方法计算其理论碰撞截面（CCS）36.</li>
	<li>从最低自由能构象体中确定哪种构象体表现出与离子迁移率质谱（IM-MS）测得的碰撞截面（CCS）相符的Lennard-Jones（LJ）碰撞截面，以鉴定实验中观察到的构象体的三级结构及其配位类型。</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

关键步骤：通过电喷雾电离-离子淌度-质谱法检测溶液相行为时的注意事项 
必须采用保持肽类化学计量比、电荷态和构象结构的天然电喷雾电离（ESI）仪器参数。在天然条件下，需优化电喷雾源中的锥孔电压、温度和气体流速等条件。此外，还需考察源区、捕集区、离子淌度区和传输行波区（尤其是控制离子注入离子淌度池的直流捕集偏压）的压力和电压对电荷态分布及离子淌度分布的影响。
以下是本研究中使用的典型操作条件。使用平头1.0 mL注射器进样含水肽样品，流速为10 μL min−1，毛细管电压为+2.0 kV（正离子模式）或−1.8 kV（负离子模式），离子源温度130 °C，去溶剂化温度250 °C，采样锥电压20 V，提取锥电压4.0 V。离子淌度（IM）段的捕集池入口电压设为6.0 V，氩气压力为2.25 × 10−2 mbar，气体流速为1.5 mL/min。将离子注入IM池的电压（捕集池直流偏压）设为12 V，以避免离子在初始与氮气缓冲气体碰撞时发生解离。IM池根据离子的电荷和碰撞截面进行分离，氮气压力为0...

铜离子和锌离子对生物体至关重要，参与多种生理过程，包括氧化防护、组织生长、呼吸作用、胆固醇代谢、葡萄糖代谢以及基因组信息读取1。为了实现这些功能，半胱氨酸（Cys）的硫醇盐、组氨酸（His）的咪唑基2,3、（较少见的）甲硫氨酸的硫醚基，以及谷氨酸（Glu）和天冬氨酸（Asp）的羧酸盐等配位基团可选择性地将金属离子作为辅因子整合到金属酶的活性位点中。这些配位基团结构上的相似性引发了一个引人关注的问题：组氨酸和半胱氨酸配体如何选择性地结合 Cu(I/II) 或 Zn(II)，以确保其功能的正确实现。
选择性结合通常由获取和转运肽介导，这些肽可调控 Zn(II) 或 Cu(I/II) 离子的浓度4。Cu(I/II) 具有高度反应性，可导致氧化损伤或非特异性地结合到酶上，因此其游离浓度受到铜伴侣蛋白和铜调控蛋白的严格调控，这些蛋白可将铜安全转运至细胞内的不同部位，并严密维持其稳态5,6。铜代谢或稳态的紊乱直接与门克斯病和威尔逊病7、癌症7以及神经性疾病（如朊病毒病8和阿尔茨海默病9）相关。
肝豆状核变性与眼睛、肝脏及脑部某些区域铜水平升高有关，其中 Cu(I/II) 的氧化还原反应会产生活性氧，导致肝豆状核变性和神经退行性病变。目前的螯合疗法主要使用小分子巯基氨基酸青霉胺和三乙烯四胺。另一种具有治疗潜力的方法是利用嗜甲烷菌铜获取肽——甲烷单加氧酶辅因子（methanobactin, mb）10,11，因其对 Cu(I) 具有极高的结合亲和力12。在肝豆状核变性的动物模型中研究来自 Methylosinus trichosporium OB3b 的 methanobactin（mb-OB3b）时发现，该肽可有效将铜从肝脏中清除，并通过胆汁排泄13。体外实验进一步证实，mb-OB3b 能够螯合肝细胞质中金属硫蛋白所含的铜13。激光剥蚀电感耦合等离子体质谱成像技术已被用于研究肝豆状核变性患者肝脏样本中铜的空间分布14,15,16，结果表明，mb-OB3b 在仅 8 天的短期治疗后即可有效去除铜17。
mb-OB3b 还可与其他金属离子结合，包括 Ag(I)、Au(III)、Pb(II)、Mn(II)、Co(II)、Fe(II)、Ni(II) 和 Zn(II)18,19。Ag(I) 会与生理性的 Cu(I) 结合位点发生竞争，因为它能够从 mb-OB3b 复合物中置换出 Cu(I)；此外，Ag(I) 和 Ni(II) 均表现出对肌红蛋白（Mb）的不可逆结合，且这种结合无法被 Cu(I) 所取代19。最近，一系列具有 2His-2Cys 结合模序的替代型甲烷单加氧酶辅蛋白（amb）寡肽已被研究20,21，并对其 Zn(II) 和 Cu(I/II) 的结合特性进行了表征。这些寡肽的主要氨基酸序列相似，均含有 2His-2Cys 模序、Pro 以及一个乙酰化的 N 末端。它们与 mb-OB3b 的主要区别在于，2His-2Cys 模序取代了 mb-OB3b 中的两个烯硫醇-恶唑酮结合位点。
电喷雾电离联用离子淌度-质谱法（ESI-IM-MS）是一种强大的分析技术，可用于测定肽类的金属结合特性，因为它能够在保持肽在溶液相中的质量、电荷和构象形状的同时，测量其质荷比（m/z）和碰撞截面（CCS）。质荷比（m/z）和碰撞截面（CCS）与肽的化学计量比、质子化状态及构象形状相关。化学计量比的确定基于明确识别出该物种中每种元素的种类和数量。肽复合物的总电荷与其酸性和碱性位点的质子化状态以及金属离子的氧化态有关。碰撞截面（CCS）提供了肽复合物构象形状的信息，因为它测量的是旋转平均尺寸，该尺寸与复合物的三级结构相关。复合物的整体电荷态还受pH值影响，并进一步影响肽对金属离子的结合亲和力，因为去质子化的碱性或酸性位点（如羧基、His、Cys和Tyr）同时也是金属离子的潜在结合位点。在分析过程中，将肽和金属离子溶于水溶液中，并通过稀释的乙酸水溶液或氢氧化铵调节pH值，从而可确定肽的pH依赖性及金属离子选择性。此外，通过ESI-IM-MS测定的m/z和CCS数据可与B3LYP/LanL2DZ分子模拟方法结合，用于揭示金属离子配位类型及复合物的三级结构。本文展示的结果说明了ESI-IM-MS如何表征一组amb肽的选择性螯合性能，并将其与铜结合肽mb-OB3b进行比较。

<table><tbody><tr><td>乙腈 HPLC级</td><td>Fisher Scientific（www.Fishersci.com）</td><td>A998SK-4</td><td></td></tr><tr><td>氨水（痕量金属级）</td><td>Fisher Scientific（www.Fishersci.com）</td><td>A512-P500</td><td></td></tr><tr><td>六水合氯化钴(II) 99.99%</td><td>Sigma-Aldrich（www.sigmaaldrich.com）</td><td>255599-5G</td><td></td></tr><tr><td>氯化铜(II) 99.999%</td><td>Sigma-Aldrich（www.sigmaaldrich.com）</td><td>203149-10G</td><td></td></tr><tr><td>硝酸铜(II)水合物 99.99%</td><td>Sigma-Aldrich（www.sigmaaldrich.com）</td><td>229636-5G</td><td></td></tr><tr><td>设计的 amb1,2,3,4,5,6,7 肽</td><td>Neo BioLab (neobiolab.com)</td><td></td><td>设计的多肽通过定制合成</td></tr><tr><td>设计的 amb5B、C、D、E、F 肽</td><td>PepmicCo (www.pepmic.com)</td><td></td><td>设计的多肽通过订购合成</td></tr><tr><td>Driftscope 2.1 软件程序</td><td>沃特世（www.waters.com）</td><td></td><td>软件分析程序</td></tr><tr><td>冻干、纯化的无Cu(I) mb-OB3b</td><td></td><td></td><td>在德克萨斯农工大学生物学系董文俊博士实验室中培养并分离&amp;移动商务</td></tr><tr><td>冰乙酸（Optima 级）</td><td>Fisher Scientific（www.Fishersci.com）</td><td>A465-250</td><td></td></tr><tr><td>无水三氯化铁 98%+</td><td>Alfa Aesar（www.alfa.com）</td><td>12357-09</td><td></td></tr><tr><td>硝酸铅(II) ACS级</td><td>Avantor（www.avantormaterials.com）</td><td>128545-50G</td><td></td></tr><tr><td>四水合氯化锰(II) 99.99%</td><td>Sigma-Aldrich（www.sigmaaldrich.com）</td><td>203734-5G</td><td></td></tr><tr><td>MassLynx 4.1</td><td>沃特斯（www.waters.com）</td><td></td><td>软件分析程序</td></tr><tr><td>六水合氯化镍 99.99%</td><td>Sigma-Aldrich（www.sigmaaldrich.com）</td><td>203866-5G</td><td></td></tr><tr><td>聚-DL-丙氨酸</td><td>Sigma-Aldrich（www.sigmaaldrich.com）</td><td>P9003-25MG</td><td></td></tr><tr><td>硝酸银 99.9%+</td><td>Alfa Aesar（www.alfa.com）</td><td>11414-06</td><td></td></tr><tr><td>Waters Synapt G1 HDMS</td><td>沃特世（www.waters.com）</td><td></td><td>四极杆-离子淌度-飞行时间质谱仪</td></tr><tr><td>无水氯化锌</td><td>Alfa Aesar（www.alfa.com）</td><td>A16281</td><td></td></tr></tbody></table>

离子淌度-质谱技术用于研究金属结合寡肽的金属离子识别结构与氧化还原活性机制

Ion Mobility-Mass Spectrometry Techniques for Determining the Structure and Mechanisms of Metal Ion Recognition and Redox Activity of Metal Binding Oligopeptides

电喷雾电离（ESI）可将水相中的肽或肽复合物转移至气相，同时保留其质量、总电荷、金属结合相互作用及构象形状。将 ESI 与离子淌度-质谱联用（IM-MS）相结合，提供了一种仪器分析技术，可同时测定肽的质荷比（m/z）和碰撞截面积（CCS），这些参数与其化学计量比、质子化状态及构象形状相关。肽复合物的总电荷由以下两方面控制：1）肽的酸性和碱性位点的质子化，以及 2）金属离子的氧化态。因此，复合物的总电荷态是溶液 pH 的函数，而 pH 会影响肽对金属离子的结合亲和力。在进行 ESI-IM-MS 分析时，肽和金属离子溶液均采用纯水溶液配制，并使用稀释的乙酸水溶液或氢氧化铵调节 pH。这使得能够确定特定肽的 pH 依赖性及金属离子选择性。此外，肽复合物的 m/z 和 CCS 可结合 B3LYP/LanL2DZ 分子模拟，用于解析金属离子配位的结合位点及复合物的三级结构。实验结果表明，ESI-IM-MS 可用于表征一组替代性甲烷单加氧酶肽的选择性螯合性能，并将其与铜结合肽甲烷单加氧酶进行比较。

amb1的金属结合 
对 amb1 的离子淌度质谱（IM-MS）研究20（图 1A）表明，铜和锌离子均以 pH 依赖性方式与 amb1 结合（图 2）。然而，铜和锌在不同的配位位点通过不同的反应机制与 amb1 结合。例如，向 amb1 中加入 Cu(II) 会通过二硫键的形成导致 amb1 氧化（生成 amb1ox），在 pH > 6 时形成 [amb1ox−3H+Cu(II)]− 离子（图 2A）。这表明两个咪唑𬭩、一个羧基以及另外两个参与 Cu(II) 配位的位点发生了去质子化。
<p class...

离子淌度-质谱联用技术和分子模拟技术可用于表征设计型金属结合肽及铜结合肽methanobactin的选择性金属螯合性能。开发新型金属螯合肽有望为与金属离子失衡相关疾病的治疗提供新途径。

电喷雾电离（ESI）可将水相中的肽或肽复合物转移至气相，同时保持其质量、总电荷……

离子淌度-质谱联用技术（IM-MS）可鉴定肽类分子在pH依赖性氧化还原反应及甲基结合反应中生成的各种产物离子。结合其三级结构的分子模拟，可确定金属相关性。IM-MS能够分辨每种产物离子，并通过同时测定其质荷比和到达时间，关联其化学计量比、质子化状态及构象结构，从而鉴定其分子组成。开发金属螯合肽的类别将有助于治疗与金属离子失衡相关的疾病，例如门克斯病和威尔逊病、癌症以及阿尔茨海默病。首先，用约500微升的0.1摩尔冰醋酸、0.1摩尔氢氧化铵，最后用去离子水彻底清洗ESI进样管和针尖毛细管。根据文本方案中所述的天然ESI-IM-MS条件，分别采集10 ppm聚-DL-丙氨酸溶液的负离子和正离子IM-MS谱图，每种模式采集10分钟。用移液器将200.0微升0.125毫摩尔的替代性甲烷单胞菌素（amb）溶液加入1.7毫升样品瓶中。加入500微升去离子水稀释，并充分混匀溶液。通过加入50微升1.0摩尔的乙酸溶液，将样品的pH值调节至3.0。向pH值已调节的样品中加入200.0微升0.125毫摩尔的金属离子溶液。然后加入去离子水，使样品最终体积达到1.00毫升。充分混匀，并在室温下静置平衡10分钟。使用钝头注射器取 500 微升样品，分别采集负离子和正离子电喷雾电离离子淌度质谱（ESI-IM-MS）谱图，每种模式各采集五分钟。使用剩余的 500 微升样品，通过校准的微型 pH 电极测定其最终 pH 值。重复上述步骤，通过加入不同体积的乙酸或氢氧化铵溶液，将样品 pH 分别调节至 4、5、6、7、8、9 或 10。分别采集所得溶液的负离子和正离子电喷雾电离-离子淌度-质谱（ESI-IM-MS）谱图，每种各10分钟。通过将离子淌度-质谱（IM-MS）谱图中的信号与其理论质荷比同位素分布模式进行比对，确定其中存在的替代型甲烷单加氧菌素（methanobactin）的带电物种。为此，打开MassLynx软件，点击“Chromatogram”以打开色谱窗口。转到“文件”菜单，选择“打开”以定位并打开离子迁移-质谱（IM-MS）数据文件。通过右键点击、在色谱图上拖动并释放，提取IM-MS谱图。谱图窗口将打开，显示IM-MS谱图。在谱图窗口中，点击“工具”和“同位素模型”。在同位素建模窗口中，输入 amb 物种的分子式，勾选“显示带电离子”框，并输入电荷态。点击“确定”。重复此过程以鉴定 IM-MS 谱图中的所有物种，并记录它们的质荷比同位素范围。针对每种amb物种，利用其质荷比同位素图谱识别并分离任何偶然重叠的质荷比物种，并提取它们的到达时间分布（ATDs）。打开DriftScope软件，点击文件（File）并选择打开（Open），定位并打开离子迁移谱-质谱（IM-MS）数据文件。使用鼠标左键单击以放大amb物种的质荷比同位素图谱。使用选择工具并单击鼠标左键来选中同位素峰型。单击“接受当前选择”按钮。为分离任何偶然重叠的质荷比物种，使用选择工具并单击鼠标左键，选择与 amb 物种同位素峰型相对应的到达时间分布（ATD）时间。单击“接受当前选择”按钮。要导出ATD，请转到“文件”菜单，选择“导出至MassLynx”。然后选择保留漂移时间，并将文件保存到相应文件夹中。在 MassLynx 的色谱图窗口中，打开已保存的导出文件。从菜单中点击 Process（处理），选择 Integrate（积分），勾选 ApexTrack Peak Integration（ApexTrack 峰积分）选项框，然后点击 OK（确定）。记录 ATD 的质心位置和积分面积。对所有保存的 amb 以及 poly-DL-丙氨酸 IM-MS 数据文件重复此操作后，使用在每个滴定点提取的 amb 物种（正离子或负离子）的 ATD 积分值，归一化为相对百分比尺度。为此，将每种 amb 物种在不同 pH 条件下的身份信息及其积分 ATD 值输入电子表格中。针对每个 pH 值，使用积分 ATD 的总和将各个 amb 物种的 ATD 标准化为百分比形式。绘制每种 amb 物种的百分比强度随 pH 变化的关系图，以显示各物种群体组成随 pH 的变化情况。使用电子表格，将聚-DL-丙氨酸阴离子和阳离子在氦气缓冲气体中测得的碰撞截面转换为校正后的碰撞截面。然后，将聚-DL-丙氨酸校准物和amb物种的平均到达时间转换为漂移时间。绘制聚-DL-丙氨酸校准物的漂移时间与其校正后碰撞截面的关系图。然后，使用最小二乘回归拟合，确定 A' 和 B 值，其中 A' 用于校正温度、压力和电场参数，B 用于补偿离子淌度（IM）装置的非线性效应。结合这些 A' 和 B 值以及质心漂移时间值，计算其校正后的碰撞截面以及碰撞截面。该方法可为肽类物质提供碰撞截面，其估计的绝对误差约为 2%。使用 Gaussian 软件配合 GaussView，采用 B3LYP/LanL2DZ 理论水平，对所有可能的观测到的质荷比（m/z）配合物物种的配位构型进行几何优化，寻找其稳定构象。B3LYP LanL2DZ 理论水平由 Becke 三参数杂化泛函、Dunning 基组和电子核势组成。从 Gaussian 输出文件中提取每个优化构象体的热化学分析数据，并使用 Sigma 程序中的离子缩放 Lennard-Jones 方法计算其理论碰撞截面。从自由能最低的构象体中，确定哪一个构象体的 Lennard-Jones 碰撞截面与离子迁移率-质谱（IM-MS）测得的碰撞截面相符。该过程可确定实验中观察到的构象体的三级结构及其配位类型。分子建模需要比较具有不同金属螯合位点、顺式和反式肽键、盐桥、氢键以及π-阳离子相互作用的构象体的自由能和碰撞截面。对另一种甲烷氧化菌素one的离子迁移率-质谱（IM-MS）研究表明，它能以pH依赖的方式螯合铜离子和锌离子，但其反应机制和配位位点不同。在 pH 大于六的条件下，观察到锌(II)的结合，主要形成单一的带负电荷的复合物，表明锌(II)由两个咪唑基团和两个硫醇盐以四面体方式配位。铜(II)的结合伴随着巯基形成二硫键桥。当 pH 大于六时，形成单一的带负电荷的铜(II)复合物，表明铜(II)由咪唑基团和两个去质子化的酰胺氮原子配位。然而，在 pH 低于六时，加入铜(II)不仅形成了单一的带正电荷的铜(I)复合物，还形成了在 pH 高于六时出现的单一带正电荷的铜(II)复合物。对amb two和amb four的离子迁移率-质谱（IM-MS）研究还表明，铜反应产物在分子内或分子间二硫键的数量、铜(I)或铜(II)离子的数量以及去质子化位点的数量上均存在差异，且这些差异随pH值的变化而改变。结合分子模拟的IM-MS结果显示，替代型甲烷单加氧菌素可通过硫醇盐、咪唑和羧酸盐基团配位多达三个铜(I)离子。如文中所述，必须谨慎选择IM-MS仪器参数，以保持肽的化学计量比、电荷分布和构象结构。结合更广泛尺寸范围的影响因素（如天冬氨酸位点的酪氨酸）对金属配位的作用，将有助于更深入理解结构与功能之间的关系。离子迁移率-质谱（IM-MS）与分子模拟已成为加速解析蛋白质、DNA、脂质及其复合物构象结构的替代技术，可作为晶体学和核磁共振波谱学的补充。

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