Name: Thermochemische Untersuchungen von ni(II) und Zn(II) ternären Komplexen mittels Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-06-08T13:50:00.000+00:00
Duration: 16 min 11 s
Description: Erfahren Sie thermochemische Untersuchungen von Ni(II)- und Zn(II)-ternären Komplexen mittels Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie und molekularer Modellierung. Diese Methode charakterisiert Reaktionswege und Ligandenaffinitäten.

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Dieses Material basiert auf Arbeiten, die von der National Science Foundation im Rahmen von 1764436, NSF REU-Programm (CHE-1659852), NSF-Instrumentenunterstützung (MRI-0821247), Physics and Astronomy Scholarship for Success (PASS) NSF-Projekt (1643567), Welch Foundation (T-0014) und Computerressourcen des Department of Energy (TX-W-20090427-0004-50) und L3 Communications unterstützt werden. Die Autoren danken Kent M. Ervin (University of Nevada - Reno) und Peter B. Armentrout (University of Utah) für das Teilen des CRUNCH-Programms und für die Beratung zur Anpassung durch PBA. Die Autoren danken der Gruppe von Michael T. Bower an der University of California - Santa Barbara für das Teilen des Sigma-Programms.

<ol><li>Kim, Y. -M., Chen, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ligand+binding+energy+in+%5B%28bipy%29Rh%28PCH%29%5D%2B+by+collision-induced+dissociation+threshold+measurements%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Mass+Spectrometry%22%5BJournal%5D)">Ligand binding energy in [(bipy)Rh(PCH)]+ by collision-induced dissociation threshold measurements.</a> International Journal of Mass Spectrometry. 202 (1-3), 1-3 (2000).</li>
<li>Plattner, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrospray+mass+spectrometry+beyond+analytical+chemistry%3A+Studies+of+organometallic+catalysis+in+the+gas+phase%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Mass+Spectrometry%22%5BJournal%5D)">Electrospray mass spectrometry beyond analytical chemistry: Studies of organometallic catalysis in the gas phase.</a> International Journal of Mass Spectrometry. 207 (3), 125-144 (2001).</li>
<li>Narancic, S., Bach, A., Chen, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simple+fitting+of+energy-resolved+reactive+cross+sections+in+threshold+collision-induced+dissociation+%28T-CID%29+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physical+Chemistry+A%22%5BJournal%5D)">Simple fitting of energy-resolved reactive cross sections in threshold collision-induced dissociation (T-CID) experiments.</a> Journal of Physical Chemistry A. 111 (30), 7006-7013 (2007).</li>
<li>Ervin, K., Armentrout, P. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Systematic+and+random+errors+in+ion+affinities+and+activation+entropies+from+the+extended+kinetic+method%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Mass+Spectrometry%22%5BJournal%5D)">Systematic and random errors in ion affinities and activation entropies from the extended kinetic method.</a> Journal of Mass Spectrometry. 39 (9), 1004-1015 (2004).</li>
<li>Cooks, R. G., Wong, P. S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kinetic+method+of+making+thermochemical+determinations%3A+Advances+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Accounts+of+Chemical+Research%22%5BJournal%5D)">Kinetic method of making thermochemical determinations: Advances and applications.</a> Accounts of Chemical Research. 31 (7), 379-386 (1998).</li>
<li>Ervin, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microcanonical+analysis+of+the+kinetic+method.+The+meaning+of+the+%26%2334%3Bapparent+entropy%26%2334%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Society+of+Mass+Spectrometry%22%5BJournal%5D)">Microcanonical analysis of the kinetic method. The meaning of the &#34;apparent entropy&#34.</a> Journal of the American Society of Mass Spectrometry. 13 (5), 435-452 (2002).</li>
<li>Amarasinghe, C., Jin, J. -P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+use+of+affinity+tags+to+overcome+obstacles+in+recombinant+protein+expression+and+purification%5BTitle%5D)+AND+%22Protein+%26+Peptide+Letters%22%5BJournal%5D)">The use of affinity tags to overcome obstacles in recombinant protein expression and purification.</a> Protein & Peptide Letters. 22 (10), 885-892 (2015).</li>
<li>Bornhorst, J. A., Falke, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Purification+of+proteins+using+polyhistidine+affinity+tags%5BTitle%5D)+AND+%22Methods+in+Enzymology%22%5BJournal%5D)">Purification of proteins using polyhistidine affinity tags.</a> Methods in Enzymology. 326, 245-254 (2000).</li>
<li>Yousef, E. N., Angel, L. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+the+pH-dependent+formation+of+His+and+Cys+heptapeptide+complexes+of+nickel%28II%29%2C+copper%28II%29%2C+and+zinc%28II%29+as+determined+by+ion+mobility-mass+spectrometry%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Mass+Spectrometry%22%5BJournal%5D)">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.</a> Journal of Mass Spectrometry. 55 (3), 4489(2020).</li>
<li>Lin, Y. -F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Weak+acid-base+interactions+of+histidine+and+cysteine+affect+the+charge+states%2C+tertiary+structure%2C+and+Zn%28II%29-binding+of+heptapeptides%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Society+of+Mass+Spectrometry%22%5BJournal%5D)">Weak acid-base interactions of histidine and cysteine affect the charge states, tertiary structure, and Zn(II)-binding of heptapeptides.</a> Journal of the American Society of Mass Spectrometry. 30, 2068-2081 (2019).</li>
<li>Wagoner, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+multiple+conformational+charge+states+of+zinc%28II%29+coordination+by+2His-2Cys+oligopeptide+investigated+by+ion+mobility+-+mass+spectrometry%2C+density+functional+theory+and+theoretical+collision+cross+sections%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Mass+Spectrometry%22%5BJournal%5D)">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.</a> Journal of Mass Spectrometry. 51 (12), 1120-1129 (2016).</li>
<li>Flores, A. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+of+Co%28II%29%2C+Ni%28II%29%2C+Zn%28II%29+complexes+of+alternative+metal+binding+heptapeptides+and+nitrilotriacetic+acid%3A+Discovering+new+potential+affinity+tags%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Mass+Spectrometry%22%5BJournal%5D)">Formation of Co(II), Ni(II), Zn(II) complexes of alternative metal binding heptapeptides and nitrilotriacetic acid: Discovering new potential affinity tags.</a> International Journal of Mass Spectrometry. 463, 116554(2021).</li>
<li>Flores, A. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermochemical+and+conformational+studies+of+Ni%28II%29+and+Zn%28II%29+ternary+complexes+of+alternative+metal+binding+peptides+with+nitrilotriacetic+acid%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Mass+Spectrometry%22%5BJournal%5D)">Thermochemical and conformational studies of Ni(II) and Zn(II) ternary complexes of alternative metal binding peptides with nitrilotriacetic acid.</a> International Journal of Mass Spectrometry. 473, 116792(2022).</li>
<li>Sesham, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+pH+dependent+Cu%28II%29+and+Zn%28II%29+binding+behavior+of+an+analog+methanobactin+peptide%5BTitle%5D)+AND+%22European+Journal+of+Mass+Spectrometry%22%5BJournal%5D)">The pH dependent Cu(II) and Zn(II) binding behavior of an analog methanobactin peptide.</a> European Journal of Mass Spectrometry. 19 (6), 463-473 (2013).</li>
<li>Choi, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Redox+activity+and+multiple+copper%28I%29+coordination+of+2His-2Cys+oligopeptide%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Mass+Spectrometry%22%5BJournal%5D)">Redox activity and multiple copper(I) coordination of 2His-2Cys oligopeptide.</a> Journal of Mass Spectrometry. 50 (2), 316-325 (2015).</li>
<li>Vytla, Y., Angel, L. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Applying+ion+mobility-mass+spectrometry+techniques+for+explicitly+identifying+the+products+of+Cu%28II%29+reactions+of+2His-2Cys+motif+peptides%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Applying ion mobility-mass spectrometry techniques for explicitly identifying the products of Cu(II) reactions of 2His-2Cys motif peptides.</a> Analytical Chemistry. 88 (22), 10925-10932 (2016).</li>
<li>Yousef, E. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ion+mobility-mass+spectrometry+techniques+for+determining+the+structure+and+mechanisms+of+metal+ion+recognition+and+redox+activity+of+metal+binding+oligopeptides%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Ion mobility-mass spectrometry techniques for determining the structure and mechanisms of metal ion recognition and redox activity of metal binding oligopeptides.</a> Journal of Visualized Experiments. (151), e60102(2019).</li>
<li>Ilesanmi, A. B., Moore, T. C., Angel, L. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((pH+dependent+chelation+study+of+Zn%28II%29+and+Ni%28II%29+by+a+series+of+hexapeptides+using+electrospray+ionization+-+Ion+mobility+-+Mass+spectrometry%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Mass+Spectrometry%22%5BJournal%5D)">pH dependent chelation study of Zn(II) and Ni(II) by a series of hexapeptides using electrospray ionization - Ion mobility - Mass spectrometry.</a> International Journal of Mass Spectrometry. 455, 116369(2020).</li>
<li>Armentrout, P. B., Ervin, K. M., Rodgers, M. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Statistical+rate+theory+and+kinetic+energy-resolved+ion+chemistry%3A+Theory+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physical+Chemistry+A%22%5BJournal%5D)">Statistical rate theory and kinetic energy-resolved ion chemistry: Theory and applications.</a> Journal of Physical Chemistry A. 112 (41), 10071-10085 (2008).</li>
<li>Dalleska, N. F., Honma, K., Sunderlin, L. S., Armentrout, P. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solvation+of+transition+metal+ions+by+water.+Sequential+binding+energies+of+M%2B%28H2O%29x+%28x+%3D+1-4%29+for+M+%3D+Ti+to+Cu+determined+by+collision-induced+dissociation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">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.</a> Journal of the American Chemical Society. 116 (8), 3519-3528 (1994).</li>
<li>Ervin, K. M., Armentrout, P. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Translational+energy+dependence+of+Ar+%2B+XY+%E2%86%92+ArX%2B+%2B+Y+%28XY+%3D+H2%2CD2%2CHD%29+from+thermal+to+30+eV+c.m%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Translational energy dependence of Ar + XY → ArX+ + Y (XY = H2,D2,HD) from thermal to 30 eV c.m.</a> Journal of Chemical Physics. 83, 166-189 (1985).</li>
<li>DeTuri, V. F., Ervin, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Competitive+threshold+collision-induced+dissociation%3A+Gas-phase+acidities+and+bond+dissociation+energies+for+a+series+of+alcohols%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physical+Chemistry+A%22%5BJournal%5D)">Competitive threshold collision-induced dissociation: Gas-phase acidities and bond dissociation energies for a series of alcohols.</a> Journal of Physical Chemistry A. 103 (35), 6911-6920 (1999).</li>
<li>Iceman, C., Armentrout, P. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Collision-induced+dissociation+and+theoretical+studies+of+K%2B+complexes+with+ammonia%3A+a+test+of+theory+for+potassium+ions%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Mass+Spectrometry%22%5BJournal%5D)">Collision-induced dissociation and theoretical studies of K+ complexes with ammonia: a test of theory for potassium ions.</a> International Journal of Mass Spectrometry. 222 (1-3), 329-349 (2003).</li>
<li>Rodgers, M. T., Ervin, K. M., Armentrout, P. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Statistical+modeling+of+collision-induced+dissociation+thresholds%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Statistical modeling of collision-induced dissociation thresholds.</a> Journal of Chemical Physics. 106, 4499-4508 (1997).</li>
<li>Rodgers, M. T., Armentrout, P. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Statistical+modeling+of+competitive+threshold+collision-induced+dissociation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Statistical modeling of competitive threshold collision-induced dissociation.</a> Journal of Chemical Physics. 109, 1787-1800 (1998).</li>
<li>Armentrout, P. B., Ervin, K. M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aArmentrout%2C+PB+%22CRUNCH%2C+Fortran+program%2C+version+5.2002%22">CRUNCH, Fortran program, version 5.2002</a>. , (2016).</li>
<li>Pringle, S. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+investigation+of+the+mobility+separation+of+some+peptide+and+protein+ions+using+a+new+hybrid+quadrupole%2Ftravelling+wave+IMS%2Foa-ToF+instrument%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Mass+Spectrometry%22%5BJournal%5D)">An investigation of the mobility separation of some peptide and protein ions using a new hybrid quadrupole/travelling wave IMS/oa-ToF instrument.</a> International Journal of Mass Spectrometry. 261 (1), 1-12 (2007).</li>
<li>Smith, D. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Deciphering+drift+time+measurements+from+travelling+wave+ion+mobility+spectrometry-mass+spectrometry+studies%5BTitle%5D)+AND+%22European+Journal+of+Mass+Spectrometry%22%5BJournal%5D)">Deciphering drift time measurements from travelling wave ion mobility spectrometry-mass spectrometry studies.</a> European Journal of Mass Spectrometry. 15 (2), 113-130 (2009).</li>
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<li>Allen, S. J., Giles, K., Gilbert, T., Bush, M. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ion+mobility+mass+spectrometry+of+peptide%2C+protein%2C+and+protein+complex+ions+using+a+radio-frequency+confining+drift+cell%5BTitle%5D)+AND+%22Analyst%22%5BJournal%5D)">Ion mobility mass spectrometry of peptide, protein, and protein complex ions using a radio-frequency confining drift cell.</a> Analyst. 141 (3), 884-891 (2016).</li>
<li>Salbo, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Traveling-wave+ion+mobility+mass+spectrometry+of+protein+complexes%3A+accurate+calibrated+collision+cross-sections+of+human+insulin+oligomers%5BTitle%5D)+AND+%22Rapid+Communications+in+Mass+Spectrometry%22%5BJournal%5D)">Traveling-wave ion mobility mass spectrometry of protein complexes: accurate calibrated collision cross-sections of human insulin oligomers.</a> Rapid Communications in Mass Spectrometry. 26 (10), 1181-1193 (2012).</li>
<li>Stewart, J. J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimization+of+parameters+for+semiempirical+methods+V%3A+Modification+of+NDDO+approximations+and+application+to+70+elements%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Molecular+Modeling%22%5BJournal%5D)">Optimization of parameters for semiempirical methods V: Modification of NDDO approximations and application to 70 elements.</a> Journal of Molecular Modeling. 13, 1173(2007).</li>
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<li>Becke, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Density-functional+thermochemistry.+III.+The+role+of+exact+exchange%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange.</a> Journal of Chemical Physics. 98, 5648-5652 (1993).</li>
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<li>Shvartsburg, A. A., Jarrold, M. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+exact+hard-spheres+scattering+model+for+the+mobilities+of+polyatomic+ions%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">An exact hard-spheres scattering model for the mobilities of polyatomic ions.</a> Chemical Physics Letters. 261 (1-2), 86-91 (1996).</li>
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<li>Zanotto, L., Heerdt, G., Souza, P. C. T., Araujo, G., Skaf, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+performance+collision+cross+section+calculation-HPCCS%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Computational+Chemistry%22%5BJournal%5D)">High performance collision cross section calculation-HPCCS.</a> Journal of Computational Chemistry. 39 (21), 1675-1681 (2018).</li>
<li>https://cccbdb.nist.gov/pollistx.asp. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://cccbdb.nist.gov/pollistx.asp">https://cccbdb.nist.gov/pollistx.asp</a> (2022).</li>
<li>Raja, U. K. B., Injeti, S., Culver, T., McCabe, J. W., Angel, L. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+the+stability+of+insulin+oligomers+using+electrospray+ionization+ion+mobility+mass+spectrometry%5BTitle%5D)+AND+%22European+Journal+of+Mass+Spectrometry%22%5BJournal%5D)">Probing the stability of insulin oligomers using electrospray ionization ion mobility mass spectrometry.</a> European Journal of Mass Spectrometry. 21 (6), 759-774 (2015).</li>
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</ol>

Die Autoren haben keinen Interessenkonflikt offenzulegen.

Kritische Schritte ES-IM-MS Schwellenkollisions-induzierte Dissoziation (TCID) Analysen. Das TCID verwendete die Transfer-T-Wellenzelle in Gegenwart von Argon als Kollisionszelle. Vor der Dissoziation werden die Vorläuferionen durch niederenergetische Kollisionen mit Stickstoffgas thermalisiert, wenn sie die Zelle der Ionenmobilität (IM) passieren. Dies führt zu einer reproduzierbareren energieaufgelösten TCID als durch die Verwendung der Falle als Kollisionszelle</s...

Diese Studie beschreibt eine neue Technik unter Verwendung eines kommerziell erhältlichen Ionenmobilitätsmassenspektrometers, das die Bestimmung der relativen Thermochemie für die Dissoziation eines alternären Metallbindungskomplexes (amb+M(II)+NTA] ermöglicht, wobei M = Zn oder Ni und NTA = Nitrilotriessigsäure ist (Abbildung 1). Diese Reaktionen modellieren die Dissoziation des amb-markierten rekombinanten Proteins, das an das NTA-immobilisierte Metall während der immobilisierten Metallaffinitätschromatographie (IMAC) gebunden ist1,2. Als Beispiel wird diese Methode anhand der amb-Heptapeptid-Tags von amb A und H beschrieben (Abbildung 2) (ausgewählt aus den vorangegangenen Studien 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ), die Zn(II)- und Ni(II)-bindende Eigenschaften aufweisen und daher potenzielle Anwendungen als Reinigungsmarken haben. Das beschriebene Verfahren kann jedoch verwendet werden, um thermochemische Energien in jedem metallorganischen System zu bewerten. Diese amb-Peptide haben Metallbindungsstellen in den Positionen Aa1-Aa 2 und Aa6-Aa 7, die mit den Carboxylat- und Aminstellen des NTA konkurrieren. Die drei zentralen amb-Aminosäuren bieten einen Spacer (Gly3), das Scharnier für die beiden Arme (Pro4) und eine Fern-π-Metall-Kationen-Wechselwirkung (Tyr5).
Der gesamte 1− Ladungszustand der [amb+M(II)+NTA]- Komplexe wird durch den Protonierungszustand ihrer potentiellen Bindungsstellen bestimmt. Da es Ni(II) oder Zn(II) mit der Oxidationsstufe 2+ gibt, muss es ein Netz von drei deprotonierten negativ geladenen Stellen geben. Die molekulare Modellierung der [amb+M(II)+NTA]- Komplexe sagt voraus, dass dies zwei Protonen aus dem NTA und ein Proton aus dem amb sind (d.h. [amb-H+M(II)+NTA-2H]-). Die Produktkanäle enthalten eine ionische Spezies und eine neutrale Spezies (d.h. [NTA-3H+M(II)]- + amb oder [amb-3H+M(II)]- + NTA). Im Manuskript wird "-3H" in den Namen der Komplexe ausgeschlossen, aber der Leser sollte wissen, dass das -3H impliziert ist. Das Instrument misst die relativen Intensitäten der beiden ionischen Masse-zu-Ladungs-Spezies (m/z). Ein wesentliches Merkmal von ES-IM-MS-Analysen ist, dass sie die Untersuchung der Reaktivität einer bestimmten m/z-Spezies ermöglichen, wie sie hier und in früheren amb-Studien 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 verwendet wurde.
Die Erfassung thermochemischer Daten für große Komplexe mittels kollisionsinduzierter Dissoziation ist ein Thema von erheblichem Interesse13,14. Methoden, einschließlich der kinetischen Methode, sind nicht förderlich für die Anpassung von Daten über einen Energiebereich, noch berücksichtigen sie Multikollisionsumgebungen15,16,17,18. Hier wird die Schwellen-CID-Methode (TCID), die unter Verwendung der geführten Ionenstrahl-Tandem-Massenspektrometrie von Armentrout, Ervin und Rodgers entwickelt wurde19 auf eine neue ES-IM-MS-Instrumentenplattform unter Verwendung von Wanderwellen-Ionenleitern angewendet. Die TCID-Methode ermöglicht die relative thermochemische Analyse der Dissoziation der ternären Komplexe in ihre beiden Produktkanäle und beinhaltet ein Schwellenwertgesetz, das die Übertragung der Kollisionsenergie zwischen der Translationsenergie des Reaktanten (ternärer Komplex in dieser Forschung) und einem inerten Zielgas (in diesem Fall Argon) beschreibt. Das Verfahren umfasst die Integration über die interne Energieverteilung 20 des Reaktanten, die translationalen Energieverteilungen zwischen dem Reaktanten und dem Zielgas21 und die Gesamtdrehimpulsverteilungen22,23. Eine Dissoziationswahrscheinlichkeit und statistische Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM)-Korrektur der kinetischen Verschiebungen, die sich aus dem begrenzten Zeitfenster zur Beobachtung der Produkte ergeben, sindenthalten 24. Für zwei unabhängige Produktkanäle ermöglicht das kompetitive TCID-Verfahren die gleichzeitige Anpassung der beiden konkurrierenden Produktkanäle. Die Dissoziation des Komplexes erfolgt durch einen umkreisenden Übergangszustand, der die Eigenschaften der Produkte aufweist, aber durch einen gesperrten Dipol25 zusammengehalten wird. Die TCID-Methode ist in das CRUNCH-Programm26 integriert, und die Funktionsweise der Benutzeroberfläche wird hier beschrieben, um die Thermochemie der beiden Dissoziationskanäle der ternären [amb+M(II)+NTA]-Komplexe zu bewerten. Das CRUNCH-Programm ist auf Anfrage bei den Entwicklern26 erhältlich.

<table><tbody><tr><td>Acetonitril HPLC-Qualität</td><td>Fisher Scientific (www.Fishersci.com)</td><td>A998SK-4</td><td></td></tr><tr><td>Alternative metallbindende (amb) Peptide</td> Die von <td>PepmicCo (www.pepmic.com)</td><td></td> <td>entwickelten Peptide wurden durch Ordnung synthetisiert</td></tr><tr><td>Ammoniumacetat (ultrarein)</td><td>VWR</td><td>97061-014</td><td></td></tr><tr><td>Ammoniumhydroxid (Spurenmetallqualität)</td><td>Fisher Scientific (www.Fishersci.com)</td><td>A512-P500</td><td></td></tr><tr><td>Driftscope 2.1 Softwareprogramm</td><td>Waters (www.waters.com)</td><td></td><td>Softwareanalyseprogramm</td></tr><tr><td>Gaussian 09</td><td>Gaußsche</td><td></td><td>Software zur elektronischen Strukturmodellierung</td></tr><tr><td>GaussView</td><td>Gaußsche</td><td></td><td>grafische Benutzeroberfläche zur Visualisierung von Berechnungen</td></tr><tr><td>Eisessig (Optima-Qualität)</td><td>Fisher Scientific (www.Fishersci.com)</td><td>A465-250</td><td></td></tr><tr><td>Ionenskalierte Lennard-Jones (LJ)-Methode</td><td>Sigma</td><td></td><td>Michael T. Bowers' Gruppe der University of California in Santa Barbara</td></tr><tr><td>, MassachusettsLynx 4.1</td><td>Waters (www.waters.com)</td><td></td><td>Software-Analyseprogramm</td></tr><tr><td>Mikrozentrifugenröhrchen</td><td>VWR</td><td>87003-294</td><td>1,7 mL,</td></tr><tr><td>Mikrozentrifugenröhrchen</td> aus Polypropylen <td>VWR</td><td>87003-298</td><td>2,0 mL, Polypropylen-Ni</td></tr><tr><td>(II)-nitrat-Hexahydrat (99% Reinheit)</td><td>Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com)</td><td>A15540</td><td></td></tr><tr><td>Poly-DL-Alanin</td><td>Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com)</td><td>P9003-25MG</td><td></td></tr><tr><td>Waters Synapt G1 HDMS</td><td>Waters (www.waters.com)</td><td></td><td>&nbsp; Quadrupol - Ionenmobilität - Flugzeit-Massenspektrometer</td></tr><tr><td>Zn(II)-Nitrathexahydrat (99%+ Reinheit)</td><td>Alfa Aesar (www.alfa.com)</td><td>12313</td><td></td></tr></tbody></table>

thermochemische untersuchungen von ni(ii) und zn(ii) ternären komplexen mittels ionenmobilitäts-massenspektrometrie

Thermochemical Studies of Ni(II) and Zn(II) Ternary Complexes Using Ion Mobility-Mass Spectrometry

Dieser Artikel beschreibt ein experimentelles Protokoll unter Verwendung der Elektrospray-Ionen-Mobilität-Massenspektrometrie (ES-IM-MS) und der energieaufgelösten Schwellenkollisions-induzierten Dissoziation (TCID) zur Messung der Thermochemie der Dissoziation von negativ geladenen [amb+M(II)+NTA]- ternären Komplexen in zwei Produktkanäle: [amb+M(II)] + NTA oder [NTA+M(II)]-  + amb, wobei M = Zn oder Ni und NTA Nitrilotriessigsäure ist. Die Komplexe enthalten eines der alternativen metallbindenden (amb) Heptapeptide mit den Primärstrukturen Acetyl-His 1-Cys 2-Gly 3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7 oder Acetyl-Asp 1-Cys 2-Gly3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7, wobei die Aminosäuren Aa 1,2,6,7 Positionen sind die potenziellen Metallbindungsstellen. Geometrieoptimierte stationäre Zustände der ternären Komplexe und ihrer Produkte wurden aus quantenchemischen Berechnungen (derzeit der semi-empirische PM6-Hamiltonian) ausgewählt, indem ihre elektronischen Energien und ihre Kollisionsquerschnitte (CCS) mit denen von ES-IM-MS verglichen wurden. Aus den PM6-Frequenzberechnungen modellieren die molekularen Parameter des ternären Komplexes und seiner Produkte die energieabhängigen Intensitäten der beiden Produktkanäle mit einer kompetitiven TCID-Methode, um die Schwellenenergien der Reaktionen zu bestimmen, die sich auf die 0-K-Dissoziationsenthalpien (ΔH0) beziehen. Statistische mechanische thermische und Entropiekorrekturen unter Verwendung der PM6-Rotations- und Schwingungsfrequenzen liefern die 298 K-Dissoziationsenthalpien (ΔH298). Diese Methoden beschreiben eine EI-IM-MS-Routine, die Thermochemie und Gleichgewichtskonstanten für eine Reihe ternärer Metallionenkomplexe bestimmen kann.

Die kompetitive kollisionsinduzierte Dissoziation der [amb+M(II)+NTA]- ternären Komplexe von A und H in [amb+M(II)]- + NTA oder [NTA+M(II)]- + amb ist in Abbildung 3 dargestellt. Die amb wird entweder als A oder H und M = Zn oder Ni angezeigt. Der [A+Zn(II)+NTA]- ternäre Komplex (Abbildung 3A) weist scheinbare Schwellenwerte von etwa 0,7 eV Kollisionsenergie (CE)...

Dieser Artikel beschreibt ein experimentelles Protokoll unter Verwendung von Elektrospray-Ionen-Mobilitäts-Massenspektrometrie, semi-empirischen Quantenberechnungen und energieaufgelöster Schwellenkollisions-induzierter Dissoziation, um die relative Thermochemie der Dissoziation verwandter ternärer Metallkomplexe zu messen.

Thermochemische Untersuchungen von ni(II) und Zn(II) ternären Komplexen mittels Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie

This article describes an experimental protocol using electrospray-ion mobility-mass spectrometry (ES-IM-MS) and energy-resolved threshold ...

Diese neue Technik kombiniert die Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie mit molekularer Modellierung und Reaktionsdynamiktheorie, um die relative Thermochemie zweier konkurrierender Dissoziationsreaktionen eines ternären Komplexes zu bestimmen. Die Kombination dieser Techniken charakterisiert die Reaktionswege der Reaktanten und Produkte, die Konformationsstrukturen und die Affinität des Liganden, einen ternären Komplex mit dem Metallion zu bilden. Diese Forschung modelliert die Reaktivität von zwei potenziellen Peptid-Tags für die rekombinante Proteinreinigung, bei der das Tag mit dem durch Nitrilotriessigsäure chelatierten Metall in einer immobilisierten Metallaffinitätssäule reagiert.Beginnen Sie mit dem Laden der 2-Milliliter-Probe in eine 2,5-Milliliter-Stumpfnasenspritze und injizieren Sie die Probe mit der Spritzenpumpe des Instruments mit einer Durchflussrate von 10 Mikrolitern pro Minute in das Elektrospray des Geräts. Versetzen Sie das Gerät in den negativen Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie oder IM-MS-Modus. Identifizieren Sie das Masse-zu-Ladungs-Isotopenmuster des negativ geladenen alternativen Metallbindungs-ternären Komplexes oder amb-Metall-NTA-Komplexes, indem Sie das Massenspektrometrieprogramm öffnen und Spektrum auswählen.Wählen Sie dann Extras und dann Isotopenmodell. Listen Sie im Popup-Fenster die Summenformel des Komplexes auf, aktivieren Sie das Kontrollkästchen Geladenes Ion anzeigen, geben Sie 1 für die Ladung des negativen eins ein und klicken Sie auf OK.In angezeigten Isotopenmuster des Komplexes, notieren Sie den niedrigsten Massenpeak. Wählen Sie in der Gerätesoftware Setup und dann Quad Profile (Quad Profile) aus.Wählen Sie dann Manual Fixed (Manuell fixiert) und geben Sie die Masse des niedrigsten Isotopenmusterpeaks ein. Klicken Sie auf Aktualisieren und schließen Sie das Fenster. Wählen Sie erneut Setup und klicken Sie dann auf Resolving Quad.Sammeln Sie die negativen IM-MS-Spektren des Ions beginnend mit der ersten Transferkollisionsenergie mit einer Laufzeit von 5 Minuten und einer Scanzeit von 2 Sekunden. Wiederholen Sie diesen Vorgang, um die IM-MS-Spektren für jede der anderen Kollisionsenergien zu erfassen. Verwenden Sie die integrierten Ankunftszeitverteilungen oder ATD-Bereiche für den ternären amb-metal-NTA-Komplex und zwei Produkte, NTA-Metallkomplex und amb-Metall-Komplex, um auf eine relative Prozentskala zu normalisieren.Aus den TCID-Messungen (replicate threshold collision-induced dissociation) werden der Mittelwert und die Standardabweichungen jedes Datenpunkts ermittelt. Wandeln Sie dann die Laborrahmen-Transferkollisionsenergie in die Kollisionsenergie des Massenschwerpunkts um. Um Kollisionsquerschnitte zu messen, sammeln Sie die negativen Ionen-IM-MS-Spektren der 10-ppm-Poly-DL-Alanin- oder PA-Probe für 10 Minuten unter Verwendung der instrumentellen Betriebsbedingungen.Sammeln Sie dann die IM-MS-Spektren jedes ternären Komplexes für 5 Minuten. Extrahieren Sie die ATD jedes PA- und ternären Komplexes und exportieren Sie ihre Dateien mit der Option Driftzeit beibehalten in die Massenspektrometrie-Software. Ermitteln Sie die durchschnittlichen Ankunftszeiten aus den Maxima der entsprechenden ATD-Kurven.Verwenden Sie eine Querschnittskalibriermethode, um die durchschnittlichen Ankunftszeiten in Kollisionsquerschnitte des ternären Komplexes umzurechnen. Öffnen Sie im Hauptmenü CRUNCH die GB5-Textdatei, die die Energie des Massenschwerpunkts oder ECM-abhängige relative Intensitäten der Produkte enthält. Antworten Sie mit Nein, um Parameter zu lesen.Wählen Sie dann Modellierung und anschließend Alle Parameter festlegen. Wählen Sie aus den Reaktionsmodelloptionen die Standardoption Threshold CID gefolgt von RRKM mit Integration über die Energieübertragungsverteilung des ternären Komplexes. Geben Sie 2 für unabhängige modellierte Produktkanäle ein, und wählen Sie Querschnitte berechnen aus.Wählen Sie für den Typ des unverworrenen Modells den 0-Kelvin-Querschnitt, der die statistische RRKM-Korrektur der kinetischen Verschiebungen aufgrund des 50-Mikrosekunden-Zeitfensters von der Kollisionszelle zum Time-of-Flight-Detektor beinhaltet. Für die Faltungsoptionen wählen Sie das Doppelintegral von Tiernan, das die Faltung über translationale Energieverteilungen zwischen dem ternären Komplexion und dem Argon-Kollisionsgas umfasst. Wählen Sie für die numerische Integrationsmethode Gaußsche Quadratur mit vorgespeicherten Querschnitten.Geben Sie aus den Optionen zur Eingabe der molekularen Parameter G ein, um die Strukturmodellierungsdatei mit den PM6-Schwingungs- und Rotationsfrequenzen des ternären Komplexes zu lesen. Antwort Ja auf die Frage:Ist einer der Reaktanten atomar? Schreiben Sie den Speicherort und den Namen der Modellierungsdatei.Geben Sie 1 für die Ladung am Ion und 1,664 für die Polarisierbarkeit des Argongases ein. Die Ionenmasse und die Zielmasse beziehen sich auf den ternären Komplex bzw. Argon und werden automatisch aus der GB5-Textdatei gelesen. Geben Sie 0 für harmonische Schwingungen ein.Drücken Sie die Eingabetaste, um die 1D- und 2D-Rotationskonstanten aus der Strukturmodellierungsdatei zu lesen. Wählen Sie die Standardwerte 0 für die behinderten Rotorbehandlungen und 1 für die Molekülsymmetrie. Wählen Sie den Standardwert von 300 Kelvin für die Reaktantentemperatur.Wählen Sie Integration für die Methode zur Reduzierung der Zustandsdichte aus. Wählen Sie Ja, um die Energieverteilung zu kürzen. Geben Sie 40000 Wellenzahl für maximale Energie für die Verteilung, 2 Wellennummer für die Behältergröße und 32 für die Anzahl der Punkte in der Energieverteilung ein.Wählen Sie für Parameter für das TCID/RRKM-Modell Yes (Ja) für Change (Ja) aus, geben Sie 0 für Fixed Time (Feste Zeit) und 0,000050 Sekunden für die obere Grenze des Erkennungsfensters ein. Wählen Sie für Produktkanal 1 1 für einen einzelnen Übergangszustand aus den Dissoziationskanaloptionen und 0 für keine der sequenziellen Dissoziationen aus. Wählen Sie als Übergangszustandstyp 1 für die Umkreisung aus.Wählen Sie G, um die Modellierungsprogrammdateien zu lesen, die die PM6-Rotations- und Schwingungsparameter für den amb-metal-Komplex plus NTA-Produkte enthalten. Geben Sie Nein ein für:Ist einer der Phasenraumbegrenzungsübergänge oder PSL TS atomar? Geben Sie den Speicherort und den Namen der komplexen Datei amb-metal ein.Verwenden Sie 1,062 für Skalierungsfrequenzen, drücken Sie die Eingabetaste für die Anzahl der Atome und geben Sie Nein für: Ist das Molekül linear? Wiederholen Sie dasselbe für die Modellierungsdatei, die die Schwingungs- und Rotationsfrequenzen des NTA-Produkts enthält. Geben Sie die Beschreibung des umkreisenden TS ein. Geben Sie 1,0 für die Ladung des AMB-Metallions ein und geben Sie dann die Polarisierbarkeit und das Dipolmoment von NTA ein.Wählen Sie 0 Kelvin für die Rotationstemperatur und den gesperrten Dipol für die Behandlung des umkreisenden Übergangszustands. Geben Sie die durchschnittlichen Massen des amb-Metallions und NTA ein. Drücken Sie die Eingabetaste, um die 1-D- und 2-D-Rotationskonstanten aus den Modellierungsdateien zu lesen.Wählen Sie 0 für behinderte Rotoren, 1 für Molekülsymmetrie und 1 für Reaktionsdegeneration. Geben Sie die Option Keine Änderungen ein. Wählen Sie für Produktkanal 2 1 für den einzelnen Übergangszustand, 0 für keinen für die sequenzielle Dissoziation und 1 für die Umkreisung für den Übergangszustandstyp aus.Wählen Sie G, um Modellierungsdateien einzulesen, die die PM6-Rotations- und Schwingungsparameter für den NTA-Metallkomplex und die amb-Produkte enthalten. Geben Sie dann die Beschreibung des umkreisenden TS ein. Geben Sie 1,0 für die Ladung des NTA-Metallkomplexions ein und geben Sie die Polarisierbarkeit und das Dipolmoment des amb ein. Wählen Sie 0 Kelvin für die Rotationstemperatur und Locked-Dipole für die Behandlung des umkreisenden Übergangszustands.Geben Sie die durchschnittlichen Massen des NTA-Metallkomplexes und der amb-Produkte ein. Drücken Sie die Eingabetaste, um die 1-D- und 2-D-Rotationskonstanten aus den Modellierungsdateien zu lesen. Wählen Sie 0 für behinderte Rotoren, 1 für Molekülsymmetrie und 1 für Reaktionsdegeneration.Geben Sie dann Keine Änderungen ein. Um inaktive 2D-Rotationen zu verarbeiten, wählen Sie die Standardoptionen für die statistische Drehimpulsverteilung und integrieren Sie die Verteilung P-E, G über J. Verwenden Sie den Standardwert von 32 für die Anzahl der Punkte in der Integration.Wählen Sie im Menü Modell die Option Parameter optimieren, um Daten anzupassen, und geben Sie die minimale Energie und die maximale Energie ein, um die Datenanpassung zu beginnen bzw. zu beenden. Wählen Sie 1 für die experimentellen Standardabweichungen der Gewichtungsmodelle. Wählen Sie basierend auf den Daten eine minimal akzeptable Standardabweichung von typischerweise 0,01 bis 0,001 aus.Verwenden Sie den Standardwert für die E0-Konvergenzgrenze, und wählen Sie Nein, um einen beliebigen Parameter bei Barwert zu halten, 0,5 und 2,0 Elektronenvolt für die untere und obere Grenze und 2 für die abgeleitete Bewertungsmethode. Wählen Sie im Menü Optimierung die Option Optimierung beginnen. Das CRUNCH-Programm optimiert das ausgewählte TCID-Modell auf die experimentellen Daten.Wählen Sie schließlich im Menü Modell delta-H und S bei T für die thermochemische Bewertung der beiden Dissoziationskanäle aus. Das repräsentative Bild zeigt die Primärstrukturen alternativer metallbindender A- und H-Peptide. Die Farbe hebt die potenziellen Metallbindungsstellen hervor.Die Energieabhängigkeit für die Bildung der amb-Metall- und NTA-Metall-Produktionen ist hier dargestellt. Die Kollisionsenergie des Massenschwerpunkts, bei der eine 50%ige Dissoziation des ternären amb-Metall-NTA-Komplexes vorliegt, ist in den Graphen enthalten. Die repräsentativen Bilder zeigen das Dynamikmodell für die energieaufgelöste TCID-Methode.Die Kollisionen zwischen dem ambH-Zink-NTA-Komplex plus Argon führen zur Dissoziation zum ambH-Zink-Komplex und freiem NTA oder NTA-Zink-Komplex und freien ambH-Produkten. Die Schwellenenergien E1 und E2 entsprechen den 0-Kelvin-Dissoziationsenthalpien für die Reaktionen ambH-Zink-NTA-Komplex zu ambH-Zink-Komplex und freiem NTA bzw. ambH-Zink-NTA-Komplex zu NTA-Zink-Komplex bzw. freiem ambH. Hier werden die PM6-geometrieoptimierten ternären amb-Metall-NTA-Komplexe von A und H gezeigt.Diese Conformere wurden in der TCID-Modellierung der experimentellen Daten verwendet und aus anderen Kandidatenstrukturen ausgewählt, indem ihre elektronischen PM6-Energien und ihre berechneten Kollisionsquerschnitte mit den IM-MS-gemessenen Kollisionsquerschnitten verglichen wurden. Die energieaufgelöste TCID der vier amb-Metall-NTA-Komplexe ist in diesen Bildern dargestellt. Für die Spezies A und H sind hier die Produktionen von amb-Metall und NTA-Metall mit den gewundenen CRUNCH-Schwellenwerten dargestellt.Die Energiewerte sind die Dissoziationsenthalpien bei 0 Kelvin für die Reaktionen amb-Metall-NTA zu amb-Metall und freiem NTA oder amb-metaL-NTA zu NTA-Metall und freiem amb. Ein Vergleich der freien Gibbs-Assoziationsenergien in Kilojoule pro Mol und der Bildungskonstanten, die aus den Dissoziationsenthalpien, Netto-Null-Kelvin, abgeleitet sind, mit statisch-mechanischen Berechnungen unter Verwendung der PM6-Parameter sind hier gezeigt. Die Reaktion von NTA-Nickel und freiem ambA zur Bildung des ambA-Nickel-NTA-Komplexes weist die höchste Bildungskonstante auf und stellt die Reaktion dar, bei der das ambA-markierte Protein durch das NTA-Nickel in der Affinitätssäule immobilisiert wird.Die CRUNCH-Anpassung erfordert ein sorgfältiges Screening von Reaktanten und Produkten, um genaue Schwellenenergien zu erhalten. Kenntnisse in der molekularen Modellierung, um die Strukturen und zuverlässigen molekularen Parameter zu erhalten, sind erforderlich. Die hier beschriebenen Gesamtmethoden könnten entwickelt werden, um die Wirksamkeit von Molekülen zu überprüfen, die Metallkofaktoren und aktive Zentren von Proteinen binden sollen, um die enzymatischen Funktionen zu blockieren.

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Forschung

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Chemistry

Chemie

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