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

Termokjemiske studier av Ni(II) og Zn(II) ternære komplekser ved bruk av ionemobilitet-massespektrometri

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

Summary

Denne artikkelen beskriver en eksperimentell protokoll ved hjelp av elektrospray-ion mobilitet-massespektrometri, semi-empiriske kvanteberegninger og energioppløst terskelkollisjonsindusert dissosiasjon for å måle den relative termokjemien til dissosiasjonen av relaterte ternære metallkomplekser.

Abstract

Denne artikkelen beskriver en eksperimentell protokoll ved hjelp av elektrospray-ion mobilitet-massespektrometri (ES-IM-MS) og energioppløst terskelkollisjonsindusert dissosiasjon (TCID) for å måle termokjemien til dissosiasjonen av negativt ladede [amb + M (II) + NTA] – ternære komplekser i to produktkanaler: [amb + M (II)] + NTA eller [NTA + M (II)] –  + amb, hvor M = Zn eller Ni og NTA er nitrilotrieddiksyre. Kompleksene inneholder et av de alternative metallbindende (amb) heptapeptidene med de primære strukturene acetyl-His 1-Cys 2-Gly 3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7 eller acetyl-Asp 1-Cys 2-Gly3-Pro 4-Tyr 5-His 6-Cys 7, hvor aminosyrenes Aa1,2,6,7 posisjoner er de potensielle metallbindingsstedene. Geometrioptimaliserte stasjonære tilstander i de ternære kompleksene og deres produkter ble valgt fra kvantekjemiske beregninger (for tiden PM6 semi-empirisk Hamiltonian) ved å sammenligne deres elektroniske energier og deres kollisjonstverrsnitt (CCS) med de som måles av ES-IM-MS. Fra PM6-frekvensberegningene modellerer molekylparametrene til det ternære komplekset og dets produkter de energiavhengige intensitetene til de to produktkanalene ved hjelp av en konkurransedyktig TCID-metode for å bestemme terskelenergiene til reaksjonene som relaterer seg til 0 K-entalpiene av dissosiasjon (ΔH0). Statistisk mekanikk termiske og entropi korreksjoner ved hjelp av PM6 rotasjons- og vibrasjonsfrekvenser gir 298 K entalpier av dissosiasjon (ΔH298). Disse metodene beskriver en EI-IM-MS-rutine som kan bestemme termokjemi og likevektskonstanter for en rekke ternære metallionkomplekser.

Introduction

Denne studien beskriver en ny teknikk ved bruk av et kommersielt tilgjengelig ionmobilitet-massespektrometer som tillater bestemmelse av den relative termokjemien for dissosiasjon av et alternativt metallbindende (amb) ternært metallkompleks [amb + M (II) + NTA], hvor M = Zn eller Ni og NTA = nitrilotrieddiksyre (figur 1). Disse reaksjonene modellerer dissosiasjonen av det amb-merkede rekombinante proteinet festet til det NTA-immobiliserte metallet under immobilisert metallaffinitetskromatografi (IMAC)1,2. Som et eksempel er denne metoden beskrevet ved hjelp av amb heptapeptidkodene til amb A og H (figur 2) (valgt fra de tidligere studiene 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ) som har Zn(II)- og Ni(II)-bindende egenskaper og dermed har potensielle anvendelser som rensemerker. Imidlertid kan den beskrevne prosessen brukes til å evaluere termokjemiske energier i ethvert organometallisk system. Disse amb-peptidene har metallbindingssteder i Aa 1-Aa2 og Aa6-Aa 7-posisjonene som konkurrerer med karboksylat- og aminstedene til NTA. De tre sentrale amb-aminosyrene gir en avstandsstykke (Gly3), hengslet for de to armene (Pro4) og en langdistanse π-metallkation-interaksjon (Tyr5).

Den totale 1- ladningstilstanden til [amb + M (II) + NTA] – kompleksene bestemmes av protoneringstilstanden til deres potensielle bindingssteder. Siden det er Ni(II) eller Zn(II) med 2+ oksidasjonstilstand, må det være et nett på tre deprotonerte negativt ladede steder. Den molekylære modelleringen av [amb + M (II) + NTA] – kompleksene forutsier at disse er to protoner fra NTA og en proton fra amb (dvs. [amb-H + M (II) + NTA-2H] –). Produktkanalene inneholder en ionisk art og en nøytral art (dvs. [NTA-3H+M(II)]- + amb eller [amb-3H+M(II)]– + NTA). I manuskriptet er “-3H” utelukket i navnene på kompleksene, men leseren bør vite at -3H er underforstått. Instrumentet måler de relative intensitetene til de to ioniske masse-til-ladning (m / z) artene. En viktig egenskap ved ES-IM-MS-analyser er at den tillater undersøkelse av reaktiviteten til en bestemt m / z-art, som brukt her og i tidligere amb-studier 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12.

Innhenting av termokjemiske data for store komplekser ved bruk av kollisjonsindusert dissosiasjon er et emne av betydelig interesse13,14. Metoder inkludert kinetisk metode bidrar ikke til å tilpasse data over en rekke energier, og de står heller ikke for multikollisjonsmiljøer15,16,17,18. Her er terskelen CID (TCID) -metoden, utviklet ved hjelp av guidet ionstråle tandem massespektrometri av Armentrout, Ervin og Rodgers, påført19 til en ny ES-IM-MS instrumentplattform ved hjelp av reisebølge-ionguider. TCID-metoden tillater relativ termokjemisk analyse av dissosiasjonen av de ternære kompleksene i deres to produktkanaler og inkluderer en terskellov som beskriver overføringen av kollisjonsenergi mellom reaktantens translasjonsenergi (ternært kompleks i denne undersøkelsen) og en inert målgass (argon i dette tilfellet). Metoden inkluderer integrasjon over reaktantens interne energifordeling 20, translasjonelle energifordelinger mellom reaktanten og målgassen21, og de totale vinkelmomentfordelingene22,23. Dissosiasjonssannsynlighet og statistisk Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM)-korreksjon av kinetiske skift som følge av det begrensede tidsvinduet for observasjon av produktene er inkludert24. For to uavhengige produktkanaler tillater den konkurrerende TCID-metoden samtidig montering av de to konkurrerende produktkanalene. Dissosiasjon av komplekset er gjennom en baneovergangstilstand, som har egenskapene til produktene, men holdes sammen av en låst dipol25. TCID-metoden er innlemmet i CRUNCH-programmet26, og driften av brukergrensesnittet er beskrevet her for å evaluere termokjemien til de to dissosiasjonskanalene i de ternære [amb + M (II) + NTA] – kompleksene. CRUNCH-programmet er tilgjengelig på forespørsel fra utviklerne26.

Protocol

MERK: Figur 1 viser en oversikt over protokollen. 1. Fremstilling av reagenser Kjøp frysetørkede amb-peptider (>98% renhet) og oppbevar dem i en fryser på -80 °C. Kjøp >99% renhet sink (II) nitratheksahydrat og nikkel (II) nitratheksahydrat.FORSIKTIG: Nikkel(II)nitratheksahydrat utgjør en miljø- og helsefare. Kjøp nitrilotrieddiksyre, poly-DL-alaninpolymerer, ultrarent / spormetallkvalitet ammoniumacetat, …

Representative Results

Den konkurrerende kollisjonsinduserte dissosiasjonen av [amb+M(II)+NTA]- ternære komplekser av A og H i [amb+M(II)]- + NTA eller [NTA+M(II)]- + amb, er vist i figur 3. Amb vises som enten A eller H og M = Zn eller Ni. [A+Zn(II)+NTA]- ternært kompleks (figur 3A) viser tilsynelatende terskler på ca. 0,7 eV kollisjonsenergi (CE) for å produsere [A+Zn(II)]- og ca…

Discussion

Kritiske trinn
ES-IM-MS terskelkollisjonsindusert dissosiasjon (TCID) analyser. TCID brukte overførings-T-bølgecellen i nærvær av argon som kollisjonscelle. Før dissosiasjon blir forløperionene termisk av lavenergikollisjoner med nitrogengass når de passerer gjennom ionmobilitetscellen (IM). Dette resulterer i en mer reproduserbar energioppløst TCID enn det som oppnås ved å bruke fellen som kollisjonscelle 6,40. Term…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette materialet er basert på arbeid støttet av National Science Foundation under 1764436, NSF REU-programmet (CHE-1659852), NSF-instrumentstøtte (MR-0821247), fysikk og astronomistipend for suksess (PASS) NSF-prosjekt (1643567), Welch Foundation (T-0014) og databehandlingsressurser fra Department of Energy (TX-W-20090427-0004-50) og L3 Communications. Forfatterne takker Kent M. Ervin (University of Nevada – Reno) og Peter B. Armentrout (University of Utah) for å dele CRUNCH-programmet og for råd om montering fra PBA. Forfatterne takker Michael T. Bowers gruppe ved University of California – Santa Barbara for å dele Sigma-programmet.

Materials

Acetonitrile HPLC-grade Fisher Scientific (www.Fishersci.com) A998SK-4
Alternative metal binding (amb) peptides PepmicCo (www.pepmic.com) designed peptides were synthized by order
Ammonium acetate (ultrapure) VWR 97061-014
Ammonium hydroxide (trace metal grade) Fisher Scientific (www.Fishersci.com) A512-P500
Driftscope 2.1 software program Waters (www.waters.com) software analysis program
Gaussian 09 Gaussian Electronic Structure Modeling Software
GaussView Gaussian Graphical Interface to Visualize Computations
Glacial acetic acid (Optima grade) Fisher Scientific (www.Fishersci.com) A465-250
Ion-scaled Lennard-Jones (LJ) method Sigma Michael T. Bowers’ group of University of California at Santa Barbara
MassLynx 4.1 Waters (www.waters.com) software analysis program
Microcentrifuge Tubes VWR 87003-294 1.7 mL, polypropylene
Microcentrifuge Tubes VWR 87003-298 2.0 mL, polypropylene
Ni(II) nitrate hexahydrate (99% purity) Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) A15540
Poly-DL-alanine Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) P9003-25MG
Waters Synapt G1 HDMS Waters (www.waters.com)  quadrupole – ion mobility- time-of-flight mass spectrometer
Zn(II) nitrate hexahydrate (99%+ purity) Alfa Aesar (www.alfa.com) 12313
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kim, Y. -. M., Chen, P. Ligand binding energy in [(bipy)Rh(PCH)]+ by collision-induced dissociation threshold measurements. International Journal of Mass Spectrometry. 202 (1-3), 1-3 (2000).
  2. Plattner, D. Electrospray mass spectrometry beyond analytical chemistry: Studies of organometallic catalysis in the gas phase. International Journal of Mass Spectrometry. 207 (3), 125-144 (2001).
  3. Narancic, S., Bach, A., Chen, P. Simple fitting of energy-resolved reactive cross sections in threshold collision-induced dissociation (T-CID) experiments. Journal of Physical Chemistry A. 111 (30), 7006-7013 (2007).
  4. Ervin, K., Armentrout, P. B. Systematic and random errors in ion affinities and activation entropies from the extended kinetic method. Journal of Mass Spectrometry. 39 (9), 1004-1015 (2004).
  5. Cooks, R. G., Wong, P. S. H. Kinetic method of making thermochemical determinations: Advances and applications. Accounts of Chemical Research. 31 (7), 379-386 (1998).
  6. Ervin, K. Microcanonical analysis of the kinetic method. The meaning of the "apparent entropy&#34. Journal of the American Society of Mass Spectrometry. 13 (5), 435-452 (2002).
  7. Amarasinghe, C., Jin, J. -. P. The use of affinity tags to overcome obstacles in recombinant protein expression and purification. Protein & Peptide Letters. 22 (10), 885-892 (2015).
  8. Bornhorst, J. A., Falke, J. J. Purification of proteins using polyhistidine affinity tags. Methods in Enzymology. 326, 245-254 (2000).
  9. Yousef, E. N., Angel, L. A. Comparison of the pH-dependent formation of His and Cys heptapeptide complexes of nickel(II), copper(II), and zinc(II) as determined by ion mobility-mass spectrometry. Journal of Mass Spectrometry. 55 (3), 4489 (2020).
  10. Lin, Y. -. F., et al. Weak acid-base interactions of histidine and cysteine affect the charge states, tertiary structure, and Zn(II)-binding of heptapeptides. Journal of the American Society of Mass Spectrometry. 30, 2068-2081 (2019).
  11. Wagoner, S. M., et al. The multiple conformational charge states of zinc(II) coordination by 2His-2Cys oligopeptide investigated by ion mobility – mass spectrometry, density functional theory and theoretical collision cross sections. Journal of Mass Spectrometry. 51 (12), 1120-1129 (2016).
  12. Flores, A. A., et al. Formation of Co(II), Ni(II), Zn(II) complexes of alternative metal binding heptapeptides and nitrilotriacetic acid: Discovering new potential affinity tags. International Journal of Mass Spectrometry. 463, 116554 (2021).
  13. Flores, A. A., et al. Thermochemical and conformational studies of Ni(II) and Zn(II) ternary complexes of alternative metal binding peptides with nitrilotriacetic acid. International Journal of Mass Spectrometry. 473, 116792 (2022).
  14. Sesham, R., et al. The pH dependent Cu(II) and Zn(II) binding behavior of an analog methanobactin peptide. European Journal of Mass Spectrometry. 19 (6), 463-473 (2013).
  15. Choi, D., et al. Redox activity and multiple copper(I) coordination of 2His-2Cys oligopeptide. Journal of Mass Spectrometry. 50 (2), 316-325 (2015).
  16. Vytla, Y., Angel, L. A. Applying ion mobility-mass spectrometry techniques for explicitly identifying the products of Cu(II) reactions of 2His-2Cys motif peptides. Analytical Chemistry. 88 (22), 10925-10932 (2016).
  17. Yousef, E. N., et al. Ion mobility-mass spectrometry techniques for determining the structure and mechanisms of metal ion recognition and redox activity of metal binding oligopeptides. Journal of Visualized Experiments. (151), e60102 (2019).
  18. Ilesanmi, A. B., Moore, T. C., Angel, L. A. pH dependent chelation study of Zn(II) and Ni(II) by a series of hexapeptides using electrospray ionization – Ion mobility – Mass spectrometry. International Journal of Mass Spectrometry. 455, 116369 (2020).
  19. Armentrout, P. B., Ervin, K. M., Rodgers, M. T. Statistical rate theory and kinetic energy-resolved ion chemistry: Theory and applications. Journal of Physical Chemistry A. 112 (41), 10071-10085 (2008).
  20. Dalleska, N. F., Honma, K., Sunderlin, L. S., Armentrout, P. B. Solvation of transition metal ions by water. Sequential binding energies of M+(H2O)x (x = 1-4) for M = Ti to Cu determined by collision-induced dissociation. Journal of the American Chemical Society. 116 (8), 3519-3528 (1994).
  21. Ervin, K. M., Armentrout, P. B. Translational energy dependence of Ar + XY → ArX+ + Y (XY = H2,D2,HD) from thermal to 30 eV c.m. Journal of Chemical Physics. 83, 166-189 (1985).
  22. DeTuri, V. F., Ervin, K. M. Competitive threshold collision-induced dissociation: Gas-phase acidities and bond dissociation energies for a series of alcohols. Journal of Physical Chemistry A. 103 (35), 6911-6920 (1999).
  23. Iceman, C., Armentrout, P. B. Collision-induced dissociation and theoretical studies of K+ complexes with ammonia: a test of theory for potassium ions. International Journal of Mass Spectrometry. 222 (1-3), 329-349 (2003).
  24. Rodgers, M. T., Ervin, K. M., Armentrout, P. B. Statistical modeling of collision-induced dissociation thresholds. Journal of Chemical Physics. 106, 4499-4508 (1997).
  25. Rodgers, M. T., Armentrout, P. B. Statistical modeling of competitive threshold collision-induced dissociation. Journal of Chemical Physics. 109, 1787-1800 (1998).
  26. Armentrout, P. B., Ervin, K. M. . CRUNCH, Fortran program, version 5.2002. , (2016).
  27. Pringle, S. D., et al. An investigation of the mobility separation of some peptide and protein ions using a new hybrid quadrupole/travelling wave IMS/oa-ToF instrument. International Journal of Mass Spectrometry. 261 (1), 1-12 (2007).
  28. Smith, D. P., et al. Deciphering drift time measurements from travelling wave ion mobility spectrometry-mass spectrometry studies. European Journal of Mass Spectrometry. 15 (2), 113-130 (2009).
  29. Forsythe, J. G., et al. Collision cross section calibrants for negative ion mode traveling wave ion mobility-mass spectrometry. Analyst. 140 (20), 6853-6861 (2015).
  30. Allen, S. J., Giles, K., Gilbert, T., Bush, M. F. Ion mobility mass spectrometry of peptide, protein, and protein complex ions using a radio-frequency confining drift cell. Analyst. 141 (3), 884-891 (2016).
  31. Salbo, R., et al. Traveling-wave ion mobility mass spectrometry of protein complexes: accurate calibrated collision cross-sections of human insulin oligomers. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 26 (10), 1181-1193 (2012).
  32. Stewart, J. J. P. Optimization of parameters for semiempirical methods V: Modification of NDDO approximations and application to 70 elements. Journal of Molecular Modeling. 13, 1173 (2007).
  33. Frisch, M. J., et al. . Gaussian 09, Revision C.01. Wallingford CT: Gaussian, Inc. , (2012).
  34. Becke, A. D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange. Journal of Chemical Physics. 98, 5648-5652 (1993).
  35. Wyttenbach, T., von Helden, G., Batka, J. J., Carlat, D., Bowers, M. T. Effect of the long-range potential on ion mobility measurements. Journal of the American Society of Mass Spectrometry. 8, 275-282 (1997).
  36. Shvartsburg, A. A., Jarrold, M. F. An exact hard-spheres scattering model for the mobilities of polyatomic ions. Chemical Physics Letters. 261 (1-2), 86-91 (1996).
  37. Heerdt, G., Zanotto, L., Souza, P. C. T., Araujo, G., Skaf, M. S. Collision cross section calculations using HPCCS. Methods in Molecular Biology. 2084, 297-310 (2020).
  38. Zanotto, L., Heerdt, G., Souza, P. C. T., Araujo, G., Skaf, M. S. High performance collision cross section calculation-HPCCS. Journal of Computational Chemistry. 39 (21), 1675-1681 (2018).
  39. . https://cccbdb.nist.gov/pollistx.asp Available from: https://cccbdb.nist.gov/pollistx.asp (2022)
  40. Raja, U. K. B., Injeti, S., Culver, T., McCabe, J. W., Angel, L. A. Probing the stability of insulin oligomers using electrospray ionization ion mobility mass spectrometry. European Journal of Mass Spectrometry. 21 (6), 759-774 (2015).
  41. Merenbloom, S. I., Flick, T. G., Williams, E. R. How hot are your ions in TWAVE ion mobility spectrometry. Journal of the American Society of Mass Spectrometry. 23 (3), 553-562 (2012).

Tags

Ion Mobility-mass SpectrometryTernary ComplexesThermochemistryMolecular ModelingReaction DynamicsRecombinant Protein PurificationMetal ChelationNitrilotriacetic AcidCollision-induced DissociationCollision Cross-section

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Corrales, A. J., Arredondo, A. V., Flores, A. A., Duvak, C. L., Mitchell, C. L., Spezia, R., Angel, L. A. Thermochemical Studies of Ni(II) and Zn(II) Ternary Complexes Using Ion Mobility-Mass Spectrometry. J. Vis. Exp. (184), e63722, doi:10.3791/63722 (2022).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image