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Article de méthode

Études thermochimiques des complexes ternaires Ni(II) et Zn(II) à l’aide de la mobilité ionique et de la spectrométrie de masse

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DOI :

10.3791/63722

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8 juin 2022

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1Department of Chemistry, Texas A&M University-Commerce, 2Laboratoire de Chimie Théorique, Sorbonne Université

Dans cet article

Résumé

Cet article décrit un protocole expérimental utilisant la spectrométrie de masse de mobilité des ions électrospray, des calculs quantiques semi-empiriques et la dissociation induite par collision de seuil résolu en énergie pour mesurer la thermochimie relative de la dissociation de complexes métalliques ternaires apparentés.

Résumé

Cet article décrit un protocole expérimental utilisant la spectrométrie de masse de mobilité par électronébulisation ionique (ES-IM-MS) et la dissociation induite par collision à seuil résolu en énergie (TCID) pour mesurer la thermochimie de la dissociation des complexes ternaires [amb+M(II)+NTA]- chargés négativement en deux canaux de produits : [amb+M(II)] + NTA ou [NTA+M(II)]-  + amb, où M = Zn ou Ni et NTA est l’acide nitrilotriacétique. Les complexes contiennent l’un des heptapeptides alternatifs de liaison aux métaux (amb) avec les structures primaires acétyl-His 1-Cys 2-Gly 3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7 ou acétyl-Asp 1-Cys 2-Gly3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7, où les acides aminés Aa 1,2,6,7 Les positions sont les sites potentiels de liaison des métaux. Les états stationnaires optimisés pour la géométrie des complexes ternaires et de leurs produits ont été sélectionnés à partir de calculs de chimie quantique (actuellement le hamiltonien semi-empirique PM6) en comparant leurs énergies électroniques et leurs sections efficaces de collision (CCS) à celles mesurées par ES-IM-MS. À partir des calculs de fréquence PM6, les paramètres moléculaires du complexe ternaire et de ses produits modélisent les intensités dépendantes de l’énergie des deux canaux de produits en utilisant une méthode TCID compétitive pour déterminer les énergies seuils des réactions qui se rapportent aux enthalpies 0 K de dissociation (ΔH0). Les corrections thermiques et d’entropie de la mécanique statistique utilisant les fréquences de rotation et de vibration PM6 fournissent les 298 K enthalpies de dissociation (ΔH298). Ces méthodes décrivent une routine EI-IM-MS qui peut déterminer la thermochimie et les constantes d’équilibre pour une gamme de complexes d’ions métalliques ternaires.

Introduction

Cette étude décrit une nouvelle technique utilisant un spectromètre de masse à mobilité ionique disponible dans le commerce qui permet de déterminer la thermochimie relative pour la dissociation d’un complexe métallique ternaire de liaison métallique alternative (amb) [amb + M (II) + NTA], où M = Zn ou Ni et NTA = acide nitrilotriacétique (Figure 1). Ces réactions modélisent la dissociation de la protéine recombinante marquée par amb attachée au métal immobilisé par le NTA au cours de la chromatographie d’affinité pour les métaux immobilisés (IMAC)1,2. A titre d’exemple, cette méthode est décrite à l’aide des marqueurs amb heptapeptide des amb A et H (Figure 2) (choisis parmi les études précédentes 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ) qui présentent des propriétés de liaison au Zn(II) et au Ni(II) et, par conséquent, ont des applications potentielles en tant qu’étiquettes de purification. Cependant, le procédé décrit peut être utilisé pour évaluer les énergies thermochimiques dans n’importe quel système organométallique. Ces peptides amb ont des sites de liaison aux métaux dans les positions Aa1-Aa 2 et Aa6-Aa 7 qui entrent en compétition avec les sites carboxylate et amine du NTA. Les trois acides aminés amb centraux fournissent un espaceur (Gly3), la charnière pour les deux bras (Pro4) et une interaction cationique π-métal à longue distance (Tyr5).

L’état de charge global 1− des complexes [amb+M(II)+NTA]- est déterminé par l’état de protonation de leurs sites de liaison potentiels. Puisqu’il y a Ni(II) ou Zn(II) avec l’état d’oxydation 2+, il doit y avoir un réseau de trois sites déprotonés chargés négativement. La modélisation moléculaire des complexes [amb+M(II)+NTA]- prédit qu’il s’agit de deux protons du NTA et d’un proton de l’amb (c’est-à-dire [amb-H+M(II)+NTA-2H]-). Les canaux de produits contiennent une espèce ionique et une espèce neutre (c.-à-d. [NTA-3H+M(II)]- + amb ou [amb-3H+M(II)]- + NTA). Dans le manuscrit, « -3H » est exclu dans les noms des complexes, mais le lecteur doit savoir que le -3H est implicite. L’instrument mesure les intensités relatives des deux espèces ioniques masse/charge (m/z). Un attribut majeur des analyses ES-IM-MS est qu’elles permettent d’examiner la réactivité d’une espèce m/z spécifique, telle qu’utilisée ici et dans les études antérieuresde l’amb 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12.

L’acquisition de données thermochimiques pour de grands complexes par dissociation induite par collision est un sujet d’intérêt significatif13,14. Les méthodologies, y compris la méthode cinétique, ne sont pas propices à l’ajustement des données sur une gamme d’énergies, ni ne tiennent compte des environnements à collisions multiples15,16,17,18. Ici, la méthode CID seuil (TCID), développée à l’aide de la spectrométrie de masse en tandem à faisceau d’ions guidés par Armentrout, Ervin et Rodgers, est appliquée19 à une nouvelle plate-forme d’instruments ES-IM-MS utilisant des guides ioniques à ondes progressives. La méthode TCID permet une analyse thermochimique relative de la dissociation des complexes ternaires en leurs deux canaux de produits et comprend une loi de seuil décrivant le transfert d’énergie de collision entre l’énergie de translation du réactif (complexe ternaire dans cette recherche) et un gaz cible inerte (argon dans ce cas). La méthode comprend l’intégration sur la distribution d’énergie interne du réactif20, les distributions d’énergie de translation entre le gaz réactif et cible 21 et les distributions de moment angulaire total22,23. Une probabilité de dissociation et une correction statistique de Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM) des décalages cinétiques résultant de la fenêtre temporelle limitée pour l’observation des produits sont incluses24. Pour deux canaux de produits indépendants, la méthode TCID concurrentielle permet l’ajustement simultané des deux canaux de produits concurrents. La dissociation du complexe se fait par un état de transition en orbite, qui a les propriétés des produits mais est maintenu ensemble par un dipôle verrouillé25. La méthode TCID est incorporée dans le programme CRUNCH26, et le fonctionnement de l’interface utilisateur est décrit ici pour évaluer la thermochimie des deux canaux de dissociation des complexes ternaires [amb+M(II)+NTA]-. Le programme CRUNCH est disponible sur demande auprès des développeurs26.

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Protocole

Remarque : La figure 1 montre une vue d’ensemble du protocole.

1. Préparation des réactifs

  1. Achetez des peptides amb lyophilisés (pureté >98%) et conservez-les dans un congélateur à -80 °C.
  2. Achetez > nitrate de zinc(II) de pureté 99 % et nickel(II) nitrate hexahydraté.
    MISE EN GARDE : L’hexahydrate de nitrate de nickel(II) présente un danger pour l’environnement et la santé.
  3. Achetez l’acide nitrilotriacétique, les polymères poly-DL-alanine, l’acétate d’ammonium ultrapur/oligo-métaux, l’hydroxyde d’ammonium, l’acide acétique glacial et l’acétonitrile de qualité CLHP.

2. Préparation des solutions mères

  1. Solution mère de peptide amb
    1. Préparer une solution aqueuse de concentration de 12,5 mM amb en pesant 10 à 20 mg du peptide lyophilisé en utilisant au moins trois chiffres significatifs et en le plaçant dans un tube microcentrifuge en polypropylène de 1,7 mL.
    2. Ajouter le volume approprié d’eau désionisée (>17,8 MΩ cm) dans le tube de microcentrifugeuse. Fermez le couvercle et mélangez bien avec au moins 20 inversions.
    3. Créer des aliquotes de 50 μL à partir de la solution amb de 12,5 mM et les placer dans des tubes microcentrifuges marqués de 1,7 mL. Conserver les solutions mères aliquotes à −80 °C.
  2. Solutions mères d’ions métalliques
    1. Préparer les solutions aqueuses de Zn(II) et de Ni(II) à une concentration de 12,5 mM en pesant 10 à 30 mg de nitrate métallique hexahydraté à l’aide d’au moins trois chiffres significatifs et en le plaçant dans un tube microcentrifuge en polypropylène de 1,7 mL.
    2. Ajouter la quantité appropriée d’eau DI dans le tube de microcentrifugeuse. Fermez le couvercle et mélangez bien avec au moins 20 inversions. Conserver 50 μL de solutions mères aliquotes à −80 °C.
  3. Solutions mères d’ions NTA
    1. Préparer une solution aqueuse de NTA en pesant 10 à 30 mg de NTA en utilisant au moins trois chiffres significatifs et en la plaçant dans un tube microcentrifuge de 1,7 mL.
    2. Ajouter la quantité appropriée d’eau DI au NTA dans le tube microcentrifuge pour obtenir une concentration finale de 12,5 mM. Fermez le couvercle et mélangez bien avec au moins 20 inversions. Conserver 50 μL de solutions mères aliquotes à −80 °C.
  4. Solutions mères d’acétate d’ammonium : Peser 30,8 mg d’acétate d’ammonium et ajouter à 40 mL d’eau DI pour obtenir une solution de 10 mM. Ajuster le pH de la solution d’acétate d’ammonium à pH 7,7 avec 1 mM d’hydroxyde d’ammonium.
  5. Solution mère de poly-DL-alanine : Préparer une solution mère de poly-DL-alanine (PA) de 1 mL, 1 000 ppm en dissolvant 1,0 mg de PA dans de l’eau DI. Mélanger complètement. Créez des aliquotes de 50 μL et placez-les dans des tubes microcentrifugés étiquetés individuellement. Conserver la solution à 1 000 ppm à −80 °C.

3. Analyse de dissociation induite par collision (CID) par spectrométrie de mobilité ionique électronébuleuse (ES-IM-MS)

  1. Préparer l’instrument en nettoyant le tube d’entrée ES et le capillaire métallique en injectant 500 μL d’acide acétique glacial 0,1 M, suivi de 500 μL d’hydroxyde d’ammonium 0,1 M, et enfin de 500 μL de solution d’acétate d’ammonium pH 7,7.
  2. Liquéfier la solution mère ampli 12,5 mM en la portant à température ambiante. Créer une concentration finale de 0,125 mM amb en effectuant deux dilutions successives avec de l’eau DI. Mélanger complètement après chaque dilution.
  3. Liquéfier la solution mère d’ions métalliques de 12,5 mM en la portant à température ambiante. Créer une concentration finale d’ion métallique de 0,125 mM en effectuant deux dilutions successives avec de l’eau DI. Mélanger complètement après chaque dilution.
  4. Liquéfier la solution mère de NTA de 12,5 mM. Créer une concentration finale de 0,125 mM de NTA en effectuant deux dilutions successives avec de l’eau DI. Mélanger complètement après chaque dilution.
  5. Pour faire un échantillon de 2 mL du complexe ternaire, ajouter 800 μL de solution de NTA 0,125 mM et 400 μL de solution d’ions métalliques 0,125 dans un tube microcentrifuge de 2 mL, et bien mélanger avec au moins 20 inversions. Ajouter 400 μL de solution d’acétate d’ammonium (pH 7,7) et 400 μL de solution 0,125 mM amb, bien mélanger avec au moins 20 inversions et laisser l’échantillon s’équilibrer pendant 10 minutes à température ambiante.
  6. Charger l’échantillon de 2 mL dans une seringue émoussée de 2,5 mL et injecter l’échantillon dans le SE de l’instrument à l’aide de la pompe à seringue de l’instrument à un débit de 10 μL/min.
  7. Placez l’instrument en mode IM-MS négatif. Utilisez les conditions de fonctionnement typiques de l’instrument27 pour ces expériences comme suit.
    1. Injecter l’échantillon à un débit de 10 μL/min dans le capillaire ES maintenu à −2 kV avec un débit de désolvatation d’azote de 500 L/h. Réglez les températures de source ES et de désolvatation à 130 °C et 263 °C, respectivement. Réglez les cônes d’échantillonnage et d’extraction sur 25 V et 3 V, respectivement.
    2. Pour les expériences CID, utilisez l’analyseur de masse quadripolaire pour sélectionner le motif isotopique du complexe ternaire [amb+M(II)+NTA]- en utilisant le m/z du pic monoisotopique avec des paramètres de résolution de faible masse = 4,5 et de masse élevée = 16,5.
      REMARQUE: Les ions [amb + M (II) + NTA]- sont transmis sur les guides ioniques séquentiels à trois ondes mobiles (onde T).
    3. Assurez-vous que le piège T-wave a un débit de gaz argon de 3 mL/min et une pression de 2,83 x 10-2 mbar. Réglez l’énergie de collision (CE) sur le piège à 5 V pour éviter toute dissociation du complexe ternaire. Laisser le piège recueillir les ions du complexe ternaire avant de les libérer (temps de libération de 200 μs) dans le guide ionique à ondes T de mobilité ionique (IM) en utilisant un biais CC du piège de 14 V, ce qui réduit au minimum la dissociation du complexe à l’entrée de l’IM.
    4. Assurez-vous que le guide ionique IM a une pression de 0,507 mbar en utilisant un débit de 20 mL/min de gaz tampon N2 ultrapur. Ramper les ondes T dans l’IM avec des hauteurs de 7 V à 30 V et avec des vitesses de 290 m/s à 801 m/s pour chaque balayage de départ et d’arrivée du guide ionique IM.
    5. Réglez le débit d’argon et la pression de l’onde T de transfert de la même manière que l’onde T du piège. L’onde T de transfert a été utilisée pour la dissociation induite par collision du complexe ternaire [amb + M (II) + NTA]- en utilisant le transfert CE.
  8. Sélectionnez le motif isotopique m/z du complexe [amb+M(II)+NTA]- chargé négativement en utilisant le quadripôle de transmission en mode résolution.
    1. Identifiez le diagramme isotopique m/z en ouvrant le programme de spectrométrie de masse et en sélectionnant Spectre. Sélectionnez Outils > modèle isotopique. Dans la fenêtre pop-up, listez la formule moléculaire du complexe, cochez la case Show Charged Ion, entrez 1 pour la charge de négatif et cliquez sur OK.
    2. Dans le diagramme isotopique affiché du complexe, notez le pic de masse le plus bas. Dans le logiciel de l’instrument, sélectionnez Setup > Quad Profile (Configuration profil quadruple). Dans la fenêtre qui s’ouvre, sélectionnez Fixe manuel et entrez la masse du pic isotopique le plus bas. Cliquez sur Mettre à jour , puis sur Fermer.
    3. Sélectionnez à nouveau Configuration , puis cliquez sur Résolution de Quad. Collectez les spectres ES-IM-MS d’ions négatifs de manière incrémentielle sur une gamme d’énergies de collision de transfert en utilisant une durée de 5 minutes et un temps de balayage de 2 s.
      NOTE: Les énergies de transfert préliminaires peuvent être testées de 26 à 60 V à des intervalles de 2 V. La gamme finale d’énergies de collision de transfert examinée devrait démontrer l’absence de dissociation du complexe ternaire à l’énergie la plus faible et la dissociation complète en produits à l’énergie la plus élevée. Pour une analyse statistique de haute qualité, cette analyse ES-IM-MS doit être effectuée pour chaque complexe ternaire amb au moins 3x par différentes personnes et à des jours différents pour déterminer les moyennes et les écarts-types.

4. Analyse de la section transversale de collision (CSC) ES-IM-MS

  1. Nettoyez le tube d’entrée ES et le capillaire métallique avec 500 μL d’acide acétique glacial 0,1 M, suivi de 500 μL d’hydroxyde d’ammonium 0,1 M et enfin de 500 μL de solution d’acétate d’ammonium pH 7,7.
  2. Liquéfier la solution mère de 1 000 ppm de PA à température ambiante et effectuer deux dilutions en série; diluer à 100 ppm de PA avec de l’eau DI, puis diluer dans une solution de PA à 10 ppm en diluant avec un rapport de 1:1 d’eau DI et d’acétonitrile de qualité CLHP.
  3. Recueillir les spectres IM-MS d’ions négatifs de l’échantillon de PA de 10 ppm pendant 10 minutes en utilisant des conditions de fonctionnement instrumentales.
    NOTE: Le débit d’injection et les conditions de source ES étaient les mêmes que pour les expériences CID (étape 3.). Pour les mesures du CCS, l’analyseur de masse quadripolaire était en mode non résolu et a transmis tous les ions sur les trois guides d’ions d’ondes T séquentiels. Le fonctionnement des guides ioniques piège T-wave et IM T-wave était le même que pour les expériences CID. L’énergie de collision de la cellule d’onde T de transfert était à 4 V pour permettre aux ions de passer sans dissociation.
  4. Préparer chacun des complexes ternaires comme décrit aux étapes 3.2.-3.6.
  5. Recueillir les spectres IM-MS de chaque complexe ternaire pendant 5 min.
    REMARQUE : Utilisez les mêmes conditions instrumentales qu’à l’étape 4.3.
  6. Recueillir les spectres d’ions négatifs IM-MS de l’échantillon de PA de 10 ppm pendant 10 min.
    NOTA: La moyenne des temps d’arrivée des étalons PA collectés avant et après les complexes ternaires amb est utilisée pour la détermination du CSC.

5. Analyse des données ES-IM-MS CID

  1. Identifier l’espèce en faisant correspondre les profils isotopiques théoriques m/z du complexe ternaire et de ses produits aux spectres expérimentaux IM-MS.
    1. Ouvrez le programme de spectrométrie de masse et sélectionnez Chromatogramme pour ouvrir une nouvelle fenêtre.
    2. Dans la fenêtre Chromatogramme , cliquez sur Fichier > Ouvrir pour rechercher et ouvrir le fichier de données IM-MS souhaité.
    3. Cliquez avec le bouton droit de la souris, faites glisser le pointeur sur le chromatogramme et relâchez. Le spectre MS sera affiché dans une fenêtre Spectre séparée.
    4. Dans la nouvelle fenêtre affichant les spectres, sélectionnez Outils > Modèle isotopique. Une petite fenêtre apparaîtra. Entrez la formule moléculaire de l’espèce amb, cochez la case Show Charged Ion (Afficher l’ion chargé) et entrez l’état de charge souhaité. Cliquez sur OK.
    5. Pour distinguer toutes les espèces du spectre IM-MS, répétez ce processus dans la fenêtre Spectre et enregistrez leur gamme d’isotopes m/z .
  2. Pour le complexe amb ternaire et ses produits, utilisez leur gamme d’isotopes m/z pour les identifier et extraire leurs distributions de temps d’arrivée (ATD).
    1. Ouvrez le logiciel de séparation de la mobilité ionique et sélectionnez Fichier > Ouvrir pour rechercher et ouvrir le fichier de données.
    2. Cliquez avec le bouton gauche de la souris et faites-le glisser avec la souris pour zoomer sur la plage isotopique m/z du complexe ternaire [amb+M(II)+NTA]-.
    3. À l’aide de l’outil Sélection , cliquez avec le bouton gauche de la souris et faites glisser pour sélectionner la plage d’isotopes spécifique pour [amb+M(II)+NTA]- identifiée à l’étape 5.1. Cliquez sur le bouton Accepter la sélection actuelle .
    4. Pour éliminer toute espèce m/z coïncidente ou signal de fond, utilisez l’outil Sélection pour choisir l’ATD associé au complexe ternaire. Cliquez sur le bouton Accepter la sélection actuelle .
    5. Pour exporter le fichier ATD vers le logiciel de spectrométrie de masse, accédez à Fichier > Exporter, puis cliquez sur Conserver le temps de dérive. Renommez le fichier si vous le souhaitez et enregistrez-le dans le dossier approprié.
  3. Déterminer par intégration de la surface sous la courbe ATD extraite l’intensité relative de l’espèce.
    1. Dans la fenêtre Chromatogramme, ouvrez le fichier exporté enregistré à partir du logiciel de séparation de la mobilité ionique. Sélectionnez Processus, puis Intégrer. Utilisez un réglage d’amplitude crête à crête de 20 et cliquez sur OK.
    2. Enregistrez la zone intégrée comme indiqué dans la fenêtre Chromatogramme. Répétez les étapes 5.2.2.-5.2.5. pour les deux produits, à savoir [NTA+M(II)]- et [amb+M(II)]-.
    3. Répétez les étapes 5.2.1.-5.3.2. pour chaque transfert d’énergie de collision enregistrée.
  4. Utiliser les aires ATD intégrées pour le complexe ternaire [amb+M(II)+NTA]- et deux produits [NTA+M(II)]- et [amb+M(II)]- à chaque point d’énergie de collision de transfert pour normaliser à une échelle relative en pourcentage.
    1. Créez une feuille de calcul en entrant les identités du complexe ternaire et de ses produits et leur ATD intégrée à chaque énergie de collision.
    2. Pour chaque énergie de collision, utiliser la somme des ATD intégrés pour [amb+M(II)+NTA]-, [NTA+M(II)]-, et [amb+M(II)]- pour normaliser leurs ATD individuels sur une échelle de pourcentage relatif.
    3. À partir des mesures TCID répliquées, trouvez la moyenne et les écarts-types de chaque point de données. Convertir l’énergie de collision de transfert de trame de laboratoire (laboratoire E) en énergie de collision du centre de masse (E cm) en utilisant les masses moyennes du gaz de collision argon (m Ar) et du complexe ternaire (complexe m) : E cm = Elaboratoire (m Ar)/(m Ar + complexe m).
      NOTE: Ecm représente l’énergie maximale de la collision avec le gaz argon, qui est disponible pour la dissociation du complexe ternaire.
    4. Représenter la moyenne et l’écart-type des intensités individuelles en pourcentage de [amb+M(II)+NTA]-, [NTA+M(II)]-, et [amb+M(II)]- dans un graphique de l’intensité relative (%) par rapport à l’énergie de collision (eV) du centre de masse pour montrer comment les intensités relatives de l’espèce changent en fonction de l’énergie de collision.

6. Analyse des temps d’arrivée moyens pour déterminer les sections transversales de collision (CSC)

  1. Ouvrez le logiciel de séparation de la mobilité ionique et le fichier contenant le spectre IM-MS de l’échantillon de PA de 10 ppm prélevé avec l’énergie de collision de transfert réglée à 4 V. Extrayez l’ATD de chacune des espèces de PA chargées négativement et exportez les fichiers vers le logiciel de spectrométrie de masse en utilisant l’option Conserver le temps de dérive (voir étape 5.2.5.). Répétez l’opération pour le deuxième fichier d’étalonnage PA.
  2. Ouvrez le logiciel de séparation de la mobilité ionique. Utilisez Fichier > Ouvrir pour ouvrir l’un des fichiers contenant les spectres IM-MS des complexes ternaires amb enregistrés entre les étalons PA. Extraire l’ATD de chacun des complexes ternaires et exporter leurs fichiers vers le logiciel de spectrométrie de masse à l’aide de l’option Conserver le temps de dérive (voir étape 5.2.5.).
  3. Utiliser une méthode d’étalonnage transversal28 pour calculer le CSC du complexe ternaire et de ses produits.
    1. Dans une feuille de calcul, calculer le CSC corrigé (Ω c) pour chacune des espèces de PA chargées négativement à partir de leur CSC (Ω)29,30 mesuré dans le gaz tampon d’hélium31 à l’aide de l’équation 1, où z = charge du complexe ternaire, ec = 1,602 x 10−19 C; m N2 = masse d’azote (u) et mion = masse du complexe ternaire28.
       figure-protocol-1(1)
    2. Trouver les temps de dérive (tD) des étalons PA et des complexes ternaires en obtenant d’abord les temps d’arrivée moyens (tA) à partir des maxima des courbes ATD correspondantes, puis en appliquant l’équation 2, où c = coefficient de retard du détecteur (1,41 ms; vérifier l’instrument car cela peut varier d’un instrument à l’autre) et m/z = rapport masse /charge du calibrant PA ou du complexe ternaire amb.
      tD =tA figure-protocol-2 (2)
    3. Créez un graphique en traçant le tD des étalonneurs PA par rapport à Ωc. Ensuite, à l’aide de l’équation 3, ajustez les données avec une régression des moindres carrés pour trouver les constantes A' et B, où A' corrige le champ électrique, la température et la pression dans l’instrument et B corrige le comportement non linéaire du dispositif IM T-wave.
      Ωc = A' tDB (3)
    4. En utilisant les constantes A' et B et la valeur tD des complexes ternaires amb, calculer leur Ωc en utilisant l’équation 3 et leur Ω en utilisant l’équation 1. Les valeurs de CSC estimées par cette méthode comportent des erreurs absolues d’environ 2 %29.

7. Méthodes de calcul

  1. Utiliser la méthode semi-empirique PM632 mise en œuvre dans les logiciels de modélisation structurelle et de calcul33 pour localiser les conformers optimisés pour la géométrie des complexes ternaires [amb+M(II)+NTA]- et les paires ionique et produit neutre : [amb+M(II)]- + NTA et [NTA+M(II)]- + amb observées à partir des expériences CID. Reportez-vous à l’utilisation du visualiseur de calcul dans le fichier supplémentaire pour plus de détails sur la façon de développer et d’envoyer des calculs.
    NOTE: Pour les systèmes actuels, la méthode PM6 a correctement reproduit les données expérimentales, mais en général, toute méthode de chimie quantique fiable et réalisable sur le plan informatique peut être utilisée.
  2. Exécutez des optimisations géométriques et des calculs de fréquence sur plusieurs structures de départ différentes pour explorer différentes conformations, états de protonation et sites de liaison potentiels. Enregistrer les énergies électroniques + point zéro de chacun des points stationnaires situés pour chacun des complexes ternaires et leurs produits.
    NOTE: Les structures de départ pour les optimisations géométriques doivent étudier différentes combinaisons possibles de sites de liaison et d’arrangements conformationnels. Les structures de départ étaient basées sur les conformistes B3LYP34 [amb+M(II)]- 3,4,6 précédemment situés. Pour [amb+M(II)+NTA]-, NTA était positionné pour concurrencer les sites substituants de l’amb au niveau de l’Aa1-Aa 2-Aa 6-Aa 7 et l’extrémité carboxylate pour l’état de spin singulet de Zn(II) ou l’état de spin triplet de Ni(II).
  3. Utilisez un programme capable d’effectuer des mesures précises de la section efficace de collision mesurée dans le gaz tampon d’hélium (CCSHe) en utilisant les coordonnées atomiques de ces calculs chimiques quantiques35.
    REMARQUE: Les programmes développés pour calculer le CCSHe précis à partir de structures peptidiques localisées par des calculs chimiques quantiques comprennent MobCal 36 et HPCCS37,38.
  4. Choisissez le conformateur d’énergie le plus bas présentant le CCSHe de Lennard-Jones qui est en accord avec le CCSHe mesuré par IM-MS pour sélectionner les structures des complexes ternaires et les produits de dissociation à inclure dans la modélisation CRUNCH ci-dessous.

8. Modélisation CRUNCH

  1. Créez un fichier texte dans le format décrit dans la section de discussion (« Format de fichier texte d’entrée CRUNCH »).
    REMARQUE : Le fichier comprend les colonnes suivantes : (−1) énergie de collision du centre de masse (Ecm), (1) moyenne de l’intensité relative du produit [amb+M(II)]-, (2) écart type de l’intensité [amb+M(II)]-, (3) moyenne de l’intensité relative du produit [NTA+M(II)]- et (4) écart type de l’intensité [NTA+M(II)]-.
  2. Modélisez le ECm-intensités dépendantes des deux canaux de réaction [amb+M(II)+NTA]-à [amb+M(II)]- + NTA et [amb+M(II)+NTA]- à [NTA+M(II)]- + amb en utilisant la technique TCID dans le programme CRUNCH.
    NOTE: Utilisez les fréquences vibrationnelles et rotationnelles PM6 pour le complexe ternaire et les deux canaux ioniques et neutres. Utilisez les masses moyennes du complexe ternaire, du gaz de collision de l’argon et des produits ioniques et neutres. Utilisez les valeurs des calculs des PM6 ou de la base de données NIST pour les polarisabilités (Å3) et les moments dipolaires (Debye) pour les produits neutres.
    1. Dans le menu principal du CRUNCH, ouvrez le fichier texte (. GB5) contenant les intensités relatives dépendantes de Ecm des produits. Répondez Non pour lire les paramètres.
    2. Dans le menu principal de CRUNCH, sélectionnez Modélisation > Définir tous les paramètres. Dans les options du modèle de réaction, choisissez l’option CID seuil par défaut suivie de RRKM avec intégration sur la distribution de transfert d’énergie du complexe ternaire20, entrez 2 pour les canaux de produits indépendants modélisés, puis sélectionnez Calculer les sections efficaces. Entrez Non à Deux canaux de produit ont-ils la même masse ionique ?
    3. Pour le canal de produit # 1, entrez la colonne [1] pour les données expérimentales du produit [amb+M(II)]-, la colonne [2] pour les écarts-types du produit [amb+M(II)]-, la colonne [5] pour la section efficace du modèle non alambiqué et la colonne [6] pour la section efficace du modèle alambiqué. Entrez 0 pour les résidus d’ajustement.
      Remarque : Ces numéros de colonne correspondent aux colonnes dans le fichier d’entrée à l’étape 8.1. comme décrit dans la discussion (« CRUNCH input text file format »).
    4. Pour le canal de produit # 2, entrez la colonne [3] pour les données expérimentales du produit [NTA+M(II)]-, la colonne [4] pour les écarts-types du produit [NTA+M(II)]-, la colonne [7] pour la section efficace du modèle non alambiqué et la colonne [8] pour la section efficace du modèle alambiqué. Entrez 0 pour les résidus d’ajustement.
    5. Pour le type de modèle non alambiqué, choisir une section efficace de 0 K (décalage cinétique inclus), qui inclut la correction statistique RRKM des décalages cinétiques dus à la fenêtre de temps de 50 μs entre la cellule de collision et le détecteur TOF18.
    6. Pour les options de convolution, choisissez la double intégrale de Tiernan, qui inclut la convolution sur les distributions d’énergie translationnelle entre l’ion complexe ternaire et le gaz de collision argon21.
    7. Pour la méthode d’intégration numérique, choisissez la quadrature gaussienne avec des sections transversales préenregistrées, suivie du nombre de points d’intégration = 32, du nombre d’écarts-types = 3,0 et du nombre d’écarts-types pour la deuxième intégrale = 3,0.
    8. La masse de l’ion complexe ternaire (u) est lue automatiquement à partir du . Fichier texte GB5, suivi de la masse du gaz de collision (39,948 pour l’argon); utiliser les valeurs par défaut de 0,20 eV pour le FWHM du faisceau d’ions et de 298,15 K pour la température du gaz. Le programme lit automatiquement les énergies de collision minimale et maximale du centre de masse du . Fichier texte GB5; Utilisez la valeur par défaut pour l’incrément d’énergie minimal.
    9. Utilisez la valeur par défaut pour le facteur d’échelle Sig0, Non pour autoriser la mise à l’échelle des canaux de produits individuels et les valeurs par défaut pour N et M. Pour la méthode de calcul g(i), choisissez intégrer sur la densité ro-vibratoire des états, qui inclut la distribution d’énergie interne20 du complexe ternaire [amb+M(II)+NTA]-.
    10. Parmi les options de saisie des paramètres moléculaires, entrez G pour lire le fichier de modélisation structurale33 avec les fréquences vibrationnelles et rotationnelles PM6 du complexe ternaire. Réponse Oui à la question l’un des réactifs est-il atomique ? Écrivez l’emplacement et le nom du fichier de modélisation.
      REMARQUE: Les autres options pour entrer les fréquences vibratoires et rotationnelles incluent le fichier de paramètres de lecture, qui lira les paramètres à partir d’un fichier texte, ou les constantes d’édition / entrée, ce qui permet la saisie manuelle de chaque paramètre.
    11. Mettez à l’échelle les fréquences en utilisant le facteur d’échelle PM6 recommandé par le NIST (1,062). Pour plus de détails sur la mise à l’échelle, voir la discussion (« facteurs d’échelle pour les fréquences vibratoires »). Le nombre d’atomes dans le complexe ternaire est lu à partir du fichier. Réponse Non à la molécule est-elle linéaire ? Entrez la description des réactifs (par exemple, H+Zn+NTA- + Ar).
    12. Entrez 1 pour la charge sur ion et 1,664 pour la polarisabilité du gaz argon39. La masse de l’ion et la masse de la cible sont respectivement pour le complexe ternaire et l’argon, et sont automatiquement lues à partir du . Fichier texte GB5. Entrez 0 pour les vibrations harmoniques.
      REMARQUE: Les options suivantes permettent de choisir différents facteurs d’échelle pour les fréquences vibratoires élevées ou basses. Entrez 1,062 pour les hautes fréquences et 0,0 pour les basses fréquences (voir discussion : facteurs d’échelle pour les fréquences vibratoires ). Les fréquences mises à l’échelle sont affichées. Choisissez 0 pour sélectionner Aucune modification.
    13. Appuyez sur Entrée pour lire les constantes de rotation 1D et 2D du fichier de modélisation structurelle33 entré à l’étape 8.2.10. Sélectionnez les valeurs par défaut de 0 pour les traitements de rotor entravé et de 1 pour la symétrie moléculaire.
      Remarque : Le programme affiche les données saisies ; appuyez sur Entrée pour aucune modification.
    14. Choisissez la valeur par défaut 300 K pour la température du réactif. Sélectionnez Intégration pour la méthode de réduction de la densité du tableau d’états. Sélectionnez Oui pour tronquer la distribution d’énergie. Entrez 40000 cm−1 pour l’énergie maximale pour la distribution, 2,0 cm−1 pour la taille du bac et 32 pour le nombre de points dans la distribution d’énergie.
      REMARQUE: Appuyez sur Entrée 2x et vérifiez que le tableau tronqué à 32 pts a une population >0,9. Si >0,9, entrez Non pour changer les bacs ou le facteur de condensation. Si <0,9, entrez Oui et modifiez l’énergie maximale pour la distribution et/ou la taille du bac.
    15. Pour les paramètres du modèle TCID/RRKM, choisissez Oui pour Modifier, entrez 0 pour le temps fixe et 0,000050 s pour la limite supérieure de la fenêtre de détection. Pour l’instrument utilisé, il s’agit du temps nécessaire aux ions pour se déplacer de la cellule de collision de transfert au détecteur TOF et est calculé à l’aide de l’équation 2.
    16. Pour la molécule sous tension, entrez C pour copier les valeurs des réactifs déjà saisis. Entrez −1 pour l’état de transition source (TS), 0 pour le TS de destination et P pour continuer.
    17. Pour le canal de produit 1, sélectionnez 1 pour l’état de transition unique dans les options de canal de dissociation et 0 pour aucun pour la dissociation séquentielle. Pour le type d’état de transition, choisissez 1 pour orbite.
    18. Sélectionnez G pour lire les fichiers programme de modélisation qui contiennent les paramètres de rotation et de vibration PM6 pour les produits [amb+M(II)]- + NTA. Entrez No pour l’une des espèces PSL TS est-elle atomique? Entrez l’emplacement et le nom du fichier [amb+M(II)]- . Utilisez 1,062 pour les fréquences d’échelle, appuyez sur Entrée pour le nombre d’atomes et entrez Non pour la molécule est-elle linéaire?
    19. Entrez l’emplacement et le nom du fichier de modélisation qui contient les fréquences vibratoires et rotationnelles pour le produit NTA. Utilisez 1,062 pour les fréquences d’échelle, appuyez sur Entrée pour le nombre d’atomes et entrez Non pour la molécule est-elle linéaire? Entrez la description du TS en orbite, par exemple, H+Zn-... NTA.
    20. Entrez 1 pour la charge de [amb+M(II)]-ion, et entrez la polarisabilité (16,12 Å3) et le moment dipolaire (4,6183 Debye) de NTA. Sélectionnez 0 K pour la température de rotation et le dipôle verrouillé pour le traitement de l’état de transition en orbite. Entrez les masses moyennes (u) de l’ion [amb+M(II)]- et du NTA.
    21. Entrez 0 pour les vibrations harmoniques. Entrez 1,062 pour les hautes fréquences et 0,0 pour les basses fréquences. Voir la section de discussion pour plus de détails sur les fréquences de mise à l’échelle; Les fréquences mises à l’échelle sont affichées. Choisissez 0 pour sélectionner Aucune modification. Appuyez sur Entrée pour lire les constantes de rotation 1D et 2D des fichiers de modélisation. Sélectionnez 0 pour les rotors entravés, 1 pour la symétrie moléculaire et 1 pour la dégénérescence réactionnelle. Entrez l’option Aucune modification.
    22. Pour le canal de produit 2, sélectionnez 1 pour l’état de transition unique, 0 pour aucun pour la dissociation séquentielle et 1 pour l’orbite pour le type d’état de transition.
    23. Sélectionnez G pour lire les fichiers de modélisation contenant les paramètres de rotation et de vibration PM6 pour les produits [NTA+M(II)]- et amb. Entrez No pour l’une des espèces PSL TS est-elle atomique? Écrivez l’emplacement et le nom du fichier de modélisation [NTA+M(II)]- .
    24. Utilisez 1,062 pour les fréquences d’échelle, appuyez sur Entrée pour lire le nombre d’atomes et entrez N pour la molécule est-elle linéaire? Écrivez l’emplacement et le nom du fichier de modélisation amb. Utilisez 1,062 pour les fréquences d’échelle, appuyez sur Entrée pour le nombre d’atomes et entrez N pour la molécule est-elle linéaire?
    25. Entrez la description du TS en orbite (par exemple, NTA+Zn-... H). Entrez 1,0 pour la charge de [NTA+M(II)]- ion, et entrez la polarisabilité (Å3) et le moment dipolaire (Debye) de l’amb. Sélectionnez 0,0 K pour la température de rotation et le dipôle verrouillé pour le traitement de l’état de transition orbitale. Entrez les masses moyennes (u) des produits [NTA+M(II)]- et amb.
      Remarque : Le fichier de sortie contient la polarisabilité et les moments dipolaires de l’amb. La polarisabilité est en unités de Bohr 3 et doit être convertie en unités de Å3.
    26. Entrez 0 pour les vibrations harmoniques. Entrez 1,062 pour les hautes fréquences et 0 pour les basses fréquences. Voir la discussion pour plus de détails sur les fréquences de mise à l’échelle. Les fréquences mises à l’échelle sont affichées. Choisissez 0 pour sélectionner Aucune modification. Appuyez sur Entrée pour lire les constantes de rotation 1D et 2D des fichiers de modélisation. Sélectionnez 0 pour les rotors entravés, 1 pour la symétrie moléculaire et 1 pour la dégénérescence réactionnelle. Entrez Aucune modification.
    27. Pour gérer les rotations 2D inactives, sélectionnez les options par défaut de distribution statistique du moment angulaire et intégrez P(E,J) sur la distribution J. Utilisez la valeur par défaut de 32 dans le nombre de points d’intégration.
      NOTE: Ces sélections choisissent la méthode d’intégration sur le moment angulaire total J niveaux16,17. La sortie résultante permet à l’enquêteur de vérifier que toutes les entrées sont correctes.
    28. Sélectionnez les énergies d’activation relatives à l’option de molécule sous tension et entrez l’énergie relative (eV) pour le canal de produit 1 qui est proche de l’énergie seuil observée dans le graphique de l’intensité relative par rapport à l’énergie de collision du centre de masse du produit [amb+M(II)]- (Figure 4).
    29. Pour le canal de produit 2, entrez l’énergie relative (eV) proche de l’énergie seuil observée dans le graphique de l’intensité par rapport à l’énergie de collision du centre de masse du produit [NTA+M(II)]-. Pour calculer le nombre d’états pour chaque canal de produit, utilisez une taille de bac de 2,0. Appuyez sur Entrée, puis sur Non pour continuer.
    30. Dans le menu Modèle , sélectionnez Optimiser les paramètres pour ajuster les données, puis entrez respectivement l’énergie minimale et l’énergie maximale pour commencer et terminer l’ajustement des données.
      REMARQUE: Utilisez une petite plage d’énergie qui inclut les seuils des deux canaux. Pour plus de détails, voir la discussion: gamme d’énergie pour ajuster le modèle TCID sélectionné aux données expérimentales.
    31. Sélectionnez -1 pour les modes de pondération des écarts-types expérimentaux. Sur la base des données, sélectionnez un écart minimum acceptable de 0,01 à 0,001. Sélectionnez Non pour une mise à l’échelle optimisée des canaux individuels et 0 pour le nombre d’itérations.
      REMARQUE : Une alternative à l’utilisation des écarts-types est l’option statistique .
    32. Utilisez la valeur par défaut de la limite de convergence E0 et sélectionnez Non pour conserver un paramètre à la valeur actuelle. Entrez 0,5 et 2,0 eV pour les limites inférieure et supérieure afin d’éviter les échecs d’optimisation et sélectionnez la différence finie centrale pour la méthode d’évaluation de la dérivée. Utilisez la valeur par défaut pour la précision numérique et sélectionnez Non pour modifier la taille des pas dérivés.
      Remarque : Une autre méthode consiste à sélectionner Oui pour conserver n’importe quel paramètre à la valeur actuelle. Cette méthode est décrite plus en détail dans la discussion: optimisation des paramètres.
    33. Dans le menu Optimisation , sélectionnez Commencer l’optimisation. Le programme CRUNCH optimisera le modèle TCID sélectionné en fonction des données expérimentales.
      REMARQUE: Si l’optimisation ne trouve pas d’ajustements satisfaisants, dans le menu des modifications, essayez de modifier la plage d’énergie pour couvrir uniquement les premières intensités augmentant à partir des seuils. Lorsqu’un ajustement raisonnable est localisé, augmentez la plage d’énergie et ajustez à nouveau. D’autres options qui peuvent aider à trouver des ajustements aux données comprennent le choix de conserver n’importe quel paramètre à la valeur actuelle dans les paramètres optimisés et la modification des options de pondération dans les poids. Voir la discussion pour ces options.
    34. Lorsqu’un modèle adapté aux données est trouvé, appuyez sur Entrée jusqu’à ce que le menu Modèle apparaisse. Si seule une partie de la gamme d’énergie des données expérimentales est équipée du modèle TCID, sélectionnez Calculer et convoluer le modèle pour étendre l’ajustement du modèle à toutes les énergies de collision expérimentales.
    35. Dans le menu Modèle , sélectionnez Delta H et S à T.
      NOTE: Le modèle CRUNCH non alambiqué relie les énergies seuil 0 K aux enthalpies 0 K (ΔH0) de dissociation du complexe ternaire en deux canaux de produits indépendants (tableau 2). Les 298 K enthalpies (ΔH 298) et les énergies libres de Gibbs (ΔG298) de dissociation sont également dérivées avec des corrections thermiques et d’entropie de mécanique statistique utilisant le réactif et les produits des fréquences de rotation et de vibration PM6.

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Résultats

La dissociation compétitive induite par collision des complexes ternaires [amb+M(II)+NTA]- de A et H en [amb+M(II)]- + NTA ou [NTA+M(II)]- + amb, est représentée à la figure 3. L’amb est représenté par A ou H et le M = Zn ou Ni. Le complexe ternaire [A+Zn(II)+NTA]- (Figure 3A) présente des seuils apparents d’environ 0,7 eV d’énergie de collision (CE) p...

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Discussion

Étapes critiques
Analyses ES-IM-MS de dissociation induite par collision (TCID). Le TCID a utilisé la cellule d’onde T de transfert en présence d’argon comme cellule de collision. Avant la dissociation, les ions précurseurs sont thermalisés par des collisions de faible énergie avec l’azote gazeux lorsqu’ils traversent la cellule de mobilité ionique (IM). Il en résulte un TCID résolu en énergie plus reproductible que celui obtenu en utilisant le piège comme cellule de collision

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.

Remerciements

Ce matériel est basé sur des travaux soutenus par la National Science Foundation dans le cadre du 1764436 programme NSF REU (CHE-1659852), du soutien aux instruments de la NSF (MRI-0821247), du projet NSF Scholarship for Success (PASS) de la NSF (1643567), de la Welch Foundation (T-0014) et des ressources informatiques du ministère de l’Énergie (TX-W-20090427-0004-50) et de L3 Communications. Les auteurs remercient Kent M. Ervin (Université du Nevada - Reno) et Peter B. Armentrout (Université de l’Utah) d’avoir partagé le programme CRUNCH et pour les conseils sur l’ajustement de PBA. Les auteurs remercient le groupe de Michael T. Bower à l’Université de Californie à Santa Barbara pour avoir partagé le programme Sigma.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Acétonitrile de qualité HPLCFisher Scientific (www.Fishersci.com)A998SK-4
Peptides alternatifs de liaison métallique (amb)PepmicCo (www.pepmic.com)ont été synthétisés par ordre Acétate d’ammonium
(ultrapur)VWR97061-014
Hydroxyde d’ammonium (qualité oligo-métallique)Fisher Scientific (www.Fishersci.com)A512-P500
Driftscope 2.1 logicielWaters (www.waters.com)programme d’analyse logicielle
Gaussienne 09Logiciel de modélisation de structure électroniquegaussienne
GaussViewgaussiennepour visualiser les calculs
Acide acétique glacial (grade Optima)Fisher Scientific (www.Fishersci.com)A465-250
Méthode Lennard-Jones (LJ) à l’échelle ioniqueGroupe de SigmaMichael T. Bowers de l’Université de Californie à Santa Barbara
MassLynx 4.1Waters (www.waters.com)programme d’analyse logicielle
Tubes de microcentrifugationVWR87003-2941,7 mL, en polypropylène
Tubes de microcentrifugationVWR87003-2982,0 mL, polypropylène
Ni(II) nitrate hexahydraté (pureté de 99 %)Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com)A15540
Poly-DL-alanineSigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com)P9003-25MG
Waters Synapt G1 HDMSWaters (www.waters.com)  ; quadripôle - mobilité ionique- spectromètre de masse à temps de vol
Zn(II) nitrate hexahydraté (pureté 99 %+)Alfa Aesar (www.alfa.com)12313
Les peptides conçus par Interface graphique

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Complexes m talliques ternairesdissociation induite par collision au seuilanalyse thermochimiquecomplexe d acide nitrilotriac tiquecomplexes de nickelcomplexes de zinccalculs de chimie quantiqueliaison m tal peptidesection efficace de collision
Études thermochimiques des complexes ternaires Ni(II) et Zn(II) à l’aide de la mobilité ionique et de la spectrométrie de masse
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