オリゴペプチドの気相酸性度の決定

Chemistry

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Summary

システイン含有オリゴペプチドの気相酸性度の判定について説明する。実験は三連四重極質量分析計を用いて行われる。ペプチドの相対的な酸性度は、衝突誘起解離実験を用いて測定し、定量的な酸性度は、拡張コック運動手法を用いて決定される。

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Ren, J., Sawhney, A., Tian, Y., Padda, B., Batoon, P. Determination of the Gas-phase Acidities of Oligopeptides. J. Vis. Exp. (76), e4348, doi:10.3791/4348 (2013).

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Abstract

折り畳まれたタンパク質中の異なる位置にあるアミノ酸残基は、しばしば、酸性度の異なる程度を示す。例えば、ヘリックスのN-末端またはその近傍に位置するシステイン残基は、しばしば、C-末端1-6または近くよりも酸性である。ペプチドの酸-塩基特性について鋭意実験研究は、水溶液6-8特に、凝縮相中で実施されてきたが、結果がしばしば溶媒効果7によって複雑になる。実際には、タンパク質中の活性部位のほとんどは、溶媒効果は9,10を最小化された内部領域の近くに位置しています。ペプチドおよびタンパク質の固有の酸 - 塩基の特性を理解するためには、溶媒のない環境で研究を行うことが重要である。

私たちは、気相中オリゴペプチドの酸性度を測定するための手法を提案する。私たちは、システイン含有オリゴペプチド、アラモ3 CysNHを使用3)。測定は、十分に確立された拡張厨運動方法( 図1)は 11-16に基づいています。実験は、エレクトロスプレーイオン化(ESI)イオン源( 図2)とインターフェーストリプル四重極質量分析計を用いて行われる。各ペプチド試料について、いくつかの基準酸が選択される。基準酸は公知の気相酸性度と構造的に類似の有機化合物である。ペプチドおよび基準酸の混合物の溶液を質量分析計に導入され、そしてペプチド基準酸の気相に結合したプロトンアニオン性クラスターが形成される。プロトン結合型クラスタは、質量分離し、その後、衝突誘起解離(CID)の実験を介して、断片化されている。得られたフラグメントイオンの存在量は、酸性度及びクラスターイオン解離速度との関係を使用して分析される。ペプチドの気相酸性度は、その後obtaiある熱運動プロット17,18の線形回帰によってNED。

方法は、有機化合物、アミノ酸及びその誘導体、オリゴヌクレオチド、およびオリゴペプチドを含む分子系の様々に適用することができる。異なる配座異性体について計算これらの値を実験的に測定された気相酸性度を比較することによって、酸性度にコンフォメーションの効果を評価することができる。

Introduction

アミノ酸残基の酸性度は、構造体に影響を与える最も重要な熱化学的性質、反応性、およびタンパク質9,19の折りたたみ展開プロセスの一つである。個々のアミノ酸残基は、しばしば、タンパク質のそれらの位置に応じて異なる有効な酸性度を示す。具体的には、活性部位に位置して残基はしばしば展示が大幅に酸性度を摂動。その一例は、酵素20,21のチオレドキシンスーパーファミリーの活性部位に存在するシステイン残基である。活性部位のシステインは、タンパク質3-5展開のものに比べて異常に酸性である。それはらせん構造が変わった酸性度に大きく貢献を有し得ることが示唆されている。特に、水溶液中2,6-8で、溶液中で行わペプチドの酸-塩基特性について鋭意実験研究がある。結果は、多くの場合、溶媒効果によって複雑にされた7。実際には、蛋白質中の活性部位のほとんどは溶媒効果は9,10最小化される内部領域の近くに配置されている。

ペプチドおよびタンパク質の固有の酸 - 塩基の特性を理解するためには、溶媒のない環境での試験を行うことが重要である。ここでは、気相酸性度の測定のための質量分析ベースの方法をご紹介します。アプローチは、拡張されたコックの運動方法と呼ばれる。この方法は、正常に例えば気相酸性度、プロトン親和力、金属イオンアフィニティー、電子親和力およびイオン化エネルギー11-15等の各種熱特性の測定のための化学系の広い範囲に適用されている22-26。私たちは、オリゴシステインポリアラニンとシステインポリグリシンペプチド17,18,27の一連の気相酸性度を決定するためにこの方法を適用している。これらの研究は、N-末端システインpeptidことを示しているエスは、対応するC-末端のものよりも著しく酸性である。前者の高い酸性度は、おそらくチオレートアニオンが強くらせんマクロ双極子との相互作用により安定化された螺旋状の立体構造の影響によるものである。なぜならペプチドの非揮発性および熱的に不安定な性質のため、運動方法は、ペプチド28のかなり正確な酸塩基熱の量を生成するために、現時点で入手可能な最も実用的なアプローチである。

一般的なスキームと運動メソッドに関連付けられた式は、 図1に示されている。ペプチドの気相酸性度の決定は、(AH)プロトン結合型クラスターアニオンの一連の形成から始まり、[A•H•A i]が ¯(または[A¯•H +•A I¯] ¯)、¯¯とは、ペプチドの脱プロトン化形態である質量分析計のイオンソース領域、およびそれぞれ基準酸である。基準酸は公知の気相酸性度を有する有機化合物である。基準酸は、互いに類似した構造を有するべきである(ただし、ペプチドのものと必ずしも同様)。参照核酸間の構造の類似性は、それらの間の脱プロトン化のエントロピーの類似性を保証します。プロトン結合型クラスタ 陰イオンは質量選択し、対応するモノマーのアニオンを生成する衝突誘起解離(CID)の実験を使用して衝突で活性化し、その後、解離、¯とA I¯、 図1aに示すそれぞれkおよびkの Iの速度定数、とされています。二次フラグメンテーションが無視できる場合、CIDフラグメントイオンの存在比は、[A¯] / [A iの¯]、iが k個 / kと速度定数の比の概算値を表している。全く逆activatが存在しないという仮定の下両方の解離チャネル、比率分岐CIDプロダクトイオンのためのイオン障壁はln [A¯] / [A iの ¯]、直線的気相ペプチドの酸性度(Δ H)及びそれらに相関する基準酸(Δ H i)は図1bに示すように、この式で、Δ H 平均が基準酸の平均気相酸性度であり、Δ(ΔS)は (基準酸は、互いに構造的に類似している場合に一定であると仮定することができる)エントロピー用語であり、Rは一般気体定数、およびT effは 、システムの有効な温度である。効果的な温度は、衝突エネルギーを含むいくつかの実験的な変数に依存する経験的なパラメータである。

気相酸性度の値は、熱運動プロットの二組を構築することによって決定される。最初のセットはOBです。LNをプロットしtained([A¯] / [A I¯])Δ酸 H Iに対して- Δ H 平均図4aに示すように。線形回帰は、YのX = 1 / RT EFFとインターセプトの斜面と直線の集合が得られます= - [Δ H - Δ H 平均 ] / RT EFF - Δ(ΔS)/ R。プロットの第二のセットは、 図4bに示すように、対応する斜面(X)に対する第一のセットから得られたインターセプト(Y)をプロットすることによって得られる。 Δ H 平均Δ(ΔS)/ Rの切片-線形回帰は、Δ Hの傾きを持つ新しい行を生成します。 Δ Hの値は、勾配から得られる、エントロピー用語、Δ(ΔS)は 、から得られるインターセプト。

実験は、エレクトロスプレーイオン化(ESI)イオン源とインターフェーストリプル四重極質量分析計を用いて行われる。質量分析計の概略図を図2に示されている。 CID実験は質量が第1四重極ユニットと結合したプロトンのクラスターアニオンを選択し、それらを約0.5トルの圧力で保持される衝突室に漏れアルゴン原子との衝突を受けるようにすることによって行われる。解離生成イオンは、質量第四重極ユニットを分析する。 CIDスペクトルはすべての可能な二次のフラグメントをカバーするのに十分な幅のm / z範囲を持ついくつかの衝突エネルギーで計上される。 CIDプロダクトイオン強度は、スキャンが選択されたプロダクトイオンに焦点を当てていた選択反応モニタリング(SRM)モードでの機器を設定することによって測定される。 CID実験に対応する4つの異なる衝突エネルギー、で行われるそれぞれ1.0、1.5、2.0、2.5 eVでの重心エネルギー(E センチ )。重心エネルギーは式を用いて計算される:E センチ = E ラボ 〔m /(M + m)は]、E 実験、実験室フレーム内の衝突エネルギーであり、mはアルゴンの質量であり、Mはプロトン結合型クラスターイオンの質量。

本稿では、モデル化合物として、オリゴペプチドアラモ3 CysNH 2(CH 3)を使用します。 C末端がアミド化されとシステイン残基のチオール基(SH)が酸性のサイトになります。適切な基準酸の選択は、気相酸性度の正常な測定のために重要である。理想的な基準酸は、構造的に類似している(相互に)十分に確立された気相酸性度値を有する有機化合物。基準酸は、ペプチドの酸性度に近い値を有するべきである。ペプチド3 CHの場合、6はカルボンハロゲン化C酸が基準酸として選択される。 6参照酸は、クロロ酢酸(MCAH)、ブロモ酢酸(MBAH)、ジフルオロ酢酸(DFAH)、ジクロロ酢酸(DCAH)、ジブロモ酢酸(DBAH)、およびトリフルオロ(TFAH)です。そのうちの二つ、DFAHとMBAHは、プロトコルを示すために使用される。

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Protocol

1。試料溶液の調製

  1. 第一のペプチドのストック溶液と1:1の体積比でメタノールと水との混合溶媒を用いて6参照酸を調製。ストック溶液は、約10 -3 Mの濃度を持っている必要があり
  2. 1.5ミリリットルエッペンドルフチューブ中の固形ペプチド試料1mgを、CH 3を秤量し、メタノールと水との混合溶媒を1.0 mLを加え、ボルテックスを用いて混合する。
  3. ジフルオロ酢酸(DFAH)1mgのを秤量し、メタノールと水の混合溶媒1.0mlのを追加し、ボルテックスを用いて混合する。
  4. 他の5参照酸クロロ酢酸(MCAH)、ブロモ酢酸(MBAH)、ジクロロ酢酸(DCAH)、ジブロモ酢酸(DBAH)、およびトリフルオロ酢酸(TFAH)用原液を作ることと同じ手順を使用します。
  5. 1.5ミリリットルエッペンドルフチュー​​ブにペプチドストック溶液約50μlを描画、およびSAにDFAHの原液の約50μLを描く私エッペンドルフチュー​​ブ。約10 -4 Mの最終濃度を達成するためにメタノールと水の混合溶媒900μlの混合溶液を希釈この希釈溶液を、質量分析測定用試料溶液として使用される。基準酸ペプチドの実際の比率と同様に、試料溶液の最終濃度は、質量分析計で観察されたイオン信号の存在量に基づいて調整される。
  6. 他の5参照酸とペプチドのサンプル溶液を調製するには、同じ手順を使用します。

2。質量分析測定1:プロトンバウンドクラ​​スターイオン形成

  1. 質量分析測定の最初のステップは、基準酸ペプチドの安定なプロトン結合したクラスターイオンを生成することである。
  2. -4.5 kVの、約-35 Vでキャピラリー電圧、及び乾燥ガス温度でのESIニードル電圧と負イオンMSモードで楽器を設定150℃に維持較正されたスケールの両方Q1とQ3ピーク幅のピーク幅を設定し(ピーク幅は、ピークの解像度を調整するために使用できる計器パラメータである。 "校正されたスケール"の設定が良いピーク分離のための狭いピークを表示することができ)。キャピラリー電圧及び乾燥ガス温度が観測されたイオンの存在量を高めるために調整することができる。
  3. 1ミリリットルハミルトンシリンジにペプチドDFAHの試料溶液約0.5mlを注入し、PEEKチューブを使用してESIニードル入口にシリンジを接続します。その後、シリンジポンプへシリンジを配置。 10μL/分の流量でESIニードルに試料溶液を注入するシリンジポンプの電源をオンにします。
  4. ESIのプロセスをアクティブにするにはESIニードル電圧をオンにします。検出器の電源をオンにします。質量スペクトル表示をプロファイルモードにおいて観察されるべきである。ディスプレイが重心モードである場合、プロファイルモードに切り替える。 monitoriによってプロトン結合型クラスターイオン形成を見るNG のm / z 428のピーク。クラスターイオンの存在量信号を微調整装置によって調整することができる。 1つの重要なパラメータは、キャピラリー電圧である。一つは、手動でのm / z 428のピークの豊かさを最大化するために(一般的には-20〜-50Vの範囲で)キャピラリー電圧を変更することができます。

3。質量分析測定2:CIDブラケット実験

  1. 次のステップは、CIDブラケット実験を行うことである。
  2. クラスターイオンの豊富さが所望の値(約100 mVの)に達すると、MS / MSモードに楽器を切り替える。このモードでは、質量分析器として、クラスターイオン、衝突セルとしてQ2機能し、Q3機能を分離するための質量フィルタとしてQ1機能する。
  3. 衝突ガス(アルゴン、この場合)0.5トルの圧力および17 eVの衝突時のエネルギーを設定する。三ピークがマススペクトル表示画面において観察されるべきである。 のm / z 428のピークはクラスターイオン、[に対応DFA•H•3 CS]¯。 のm / z 332およびm / zの 95で2つのピークがそれぞれ、脱プロトン化ペプチド(3 CS¯)と脱プロトン化ジフルオロ酢酸(DFA¯)に対応しています。 のm / z 298でマイナーピークは脱プロトン化ペプチドからの二次フラグメントである。 2分、 図3aのためのCIDスペクトルを取得する。
  4. 類似したCID実験を行うとブロモ酢酸(MBAH)、 図3bを有するペプチドの試料溶液のためCIDスペクトルを取得する。
  5. 類似したCID実験を行うと、他のすべての参照酸とペプチドのサンプルソリューションのCIDスペクトルを取得する。得られたCIDスペクトルは、図3a及び図3bに定性的に類似しているが、m / z値および相対ピーク高さが異なることになる。

4。質量分析測定3:運動方法

  1. 最後のステップは、SRMスペクトルを取得することである。
  2. 重心にスペクトラム表示を切り替えると、選択反応モニタリング(SRM)モードに楽器を設定します。最初の四重極(Q1)で孤立したイオンとしてのm / z 428を維持し、そして第三の四重極(Q3)によって監視するために4つの塊(質量電荷比)に記入。 4大衆のm / z 428(クラスターイオン) のm / z 332(ペプチドイオン) のm / z 298(ペプチドイオンの断片)、およびm / zの 95(DFAイオン¯)である。 0.5トルで衝突ガス圧を保つ。
  3. 11.7 eVの衝突エネルギーを設定し、5分間スペクトルを取得する。
  4. 17.6 eVのに衝突エネルギーを変更し、5分間のスペクトルを取得する。
  5. 23.4 eVであり、29.3 eVのに衝突エネルギーを変更し、5分間衝突エネルギーの両方でスペクトルを取得する。
  6. 他のすべての参照アミノ酸とペプチドについて同様の測定を行います。

5。データ解析

  1. アルからのイオン強度の値をコピーExcelのワークシート上にlはSRMスペクトル。
  2. CIDプロダクトイオン分岐比を計算し、LN([A¯] / [A I¯])、4つのすべての衝突エネルギーで全6プロトン結合型クラスターを測定した。サンプル値を表1に示す。
  3. Δ H 平均 - Δ H、i値に対してはln([A¯] / [A I¯])の値をプロットします。これは、4つの衝突エネルギー、 図4aのデータに対応した4つのプロットを与える。
  4. 4プロットの線形回帰によって斜面やインターセプトの値を抽出します。この場合には、傾きが正の値であると切片が負の値である。シンボルの斜面やインターセプトに記号 "Y"を "X"を与える。結果を表2に示す。 -1でYの値を乗算し、(これはDISにy軸を可能に正の値を表現するために記号Y 'を使用)正の値を果たす。なお、この変換は、対応する値は、次のステッププロットを作成するために使用される限り、任意である。
  5. X、 図4bの値に対してY 'の値をプロットします。プロットの線形回帰は、1.706の傾きと-0.536の切片が得られます。 Δ H 平均 -傾きはΔ Hに対応しています。 Δ H 平均値が選択された基準酸のセットによって決定される330.5キロカロリー/モルであることが知られている。ペプチドの気相酸性度の値は、勾配から得られる:Δ H(CH 3)= 332.2キロカロリー/モルである。

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Representative Results

  1. CIDブラケット実験は、選択された基準のアミノ酸に比べペプチドの相対的な酸性度に関する情報を提供します。二つの基準酸、DFAHとMBAHを有するペプチド(CH 3)の2つの代表的CIDスペクトルは、 図3に示されている。 図3aにペプチドイオンのイオンの存在量は、(ピーク高さ)DFA¯よりも弱くなり、 図3bに、ペプチドイオンのイオン豊富MBAと¯よりも強い。 2つのスペクトルは、ペプチドの気相酸性度は、これら二つの基準酸の酸性度の範囲内にあることを示唆している。
  2. ペプチドの気相酸性度の定量値は、定量CID実験から決定される。 6参照酸とペプチドのプロトン結合したクラスターの解離のための熱動力学的プロットを図4に示す。熱運動relatiに従ってプロットの線形回帰気相酸性度およびCIDプロダクトイオン分岐比( 図1b)との間onshipは、ペプチド332.2キロカロリー/モルで3 CHの気相酸性度の値を与える。傾きと切片のサンプル値を表1及び表2に示す。

図1
図1。拡張厨運動方法の全体スキーム。)プロトンバウンドクラスターイオン解離のスキーム。気相酸性度と比率を分岐CIDプロダクトイオンの間にb)の熱運動の関係。この式で、Δ H iは個々の参照酸の気相酸性度値であり、Δ H 平均である基準酸のverage気相酸性度、Δ Hはペプチド気相酸性度であり、Δ(ΔS)がエントロピー用語であり、Rは普遍気体定数であり、T effは 、システムの有効温度である。

図2
図2。トリプル四重極質量分析計の概略図。ESIは、エレクトロスプレーイオン化イオン源である。 Q1とQ3は、それぞれ、第一および第三の四重極ユニットを表す。 CID実験を行う際に、プロトン結合したクラスターイオンは、質量Q1によって選択され、衝突セル内に漏れたアルゴン(Ar)原子と衝突し、衝突セルに導かれ、得られた断片イオンはQ3によって分析される。

図3 図3。ザ 二つの基準酸とペプチドのプロトン結合したクラスターイオンのCIDスペクトル)[DFA•H•A 3 C]¯と、b)[MBA•H•A 3 C]¯。スペクトルは相対としてプロットされm / z値に対してイオン豊富。

図4
図4。 4衝突エネルギーで収集6参照酸とペプチド熱運動のプロット)は、Yのプロット= LN([A¯] / [A I¯])に対して、X =Δ H I - 。Δ H 平均 。b)の Y 'のプロット= [Δ H - Δ H </ em>は平均 ] / RT EFF - Δ(ΔS)/ R X = 1 / RT EFFに対して。

表1。 CIDプロダクトイオン分岐比の値は、LN([A¯] / [A I¯])、DFAHとMBAH有するペプチドのクラスターイオンのために。

HA I 11.7 eVの 17.6 eVの 23.4 eVの 29.3 eVの
MCAH 3.68 3.50 3.39 3.45
MBAH 2.83 2.65 2.45 2.24
DFAH -0.442 -0.268 -0.0921 0.167
DCAH -2.60 -2.41 -2.22 -2.13
DBAH -2.43 -2.44 -2.49 -2.60
TFAH -5.41 -5.02 -4.71 -4.44
表2。熱運動のプロットの最初のセットの線形回帰から得られる傾き(X)と切片の値(Y)。

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Discussion

ペプチドの気相酸性度の測定は、主に成功した適切な基準酸の選択に依存している。理想的な基準酸は、十分に確立された気相酸性度値を有する構造的に類似の有機化合物である。基準酸は、互いに類似した構造を有するべきである。これは、セット内の基準酸のそれぞれの脱プロトン化の同様のエントロピーを確保する。基準酸は、ペプチドの酸性度に近い値を有するべきである。短いシステイン含有アミド化C-末端を有するオリゴペプチドは、ハロゲン化カルボン酸は、適切な基準酸である。成功したCIDの実験に向けた重要なステップは、高い豊かで安定したプロトン結合型クラスターイオンの形成である。安定性および存在量が大きく、基準酸、試料溶液の濃度、及び器械条件(例えば、針電圧として、乾燥ペプチドの比率を調整することによって改善することができるガス温度、およびキャピラリー電圧)。一つの重大な楽器の状態が毛細管電圧(または器具のいくつかの他の種類のコーン電圧)である。一つ注意は、あまりにも集中している試料溶液を使用して回避することです。

記載された方法は、オリゴペプチドに限定されるものではない。方法は、極性有機化合物、アミノ酸及びそれらの誘導体、有機金属化合物、オリゴヌクレオチド、およびペプチド模倣分子ポリマーを含む様々なシステムに適用することができる。トリプル四重極質量分析計を使用することに加えて、実験は、イオントラップおよびQ-TOF質量分析計を用いて行うことができる。

この実験で使用したペプチドは、固相ペプチド合成29-31の標準的な方法を用いて、我々の研究室で合成した。 Rinkアミド樹脂は、C末端アミドを得るために固体支持体として使用した。クックス運動方法の利点は、トンで少量の不純物彼ペプチド試料は限り不純物がペプチドまたは参照酸と同じ質量を持っていないような、酸味の測定に影響を及ぼさない。

実験的測定は、酸性度にコンフォメーションの影響を調べるために、計算の研究と結合することができる。計算の研究は、その計算された酸性度と一致するペプチドのコンホメーションの予測を提供します。計算値と実験的に測定された酸性度を比較することにより、ペプチドのコンフォメーションを評価することができる。

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Disclosures

開示することは何もありません。

Acknowledgements

Materials

E コッリ 、eVの

X

1 / RT EFF

Y

- [(Δ H - Δ H 平均 )/ RT EFF - Δ(ΔS)/ R]

11.7 0.744 -0.728
17.6 0.700 -0.665
23.4 0.665 -0.611
29.3 0.645 -0.553
Name Company Catalog Number Comments
Mass Spectrometer Varian 1200 L and 320 L
Chloroacetic acid Sigma-Aldrich 402923
Bromoacetic acid Sigma-Aldrich B56307
Difluoroacetic acid Sigma-Aldrich 142859
Dichloroacetic acid Sigma-Aldrich D54702
Dibromoacetic acid Sigma-Aldrich 242357
Trifluoroacetic acid Sigma-Aldrich T6508

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References

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