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Ionen-Mobilitäts-Massenspektrometrie und molekulare Modellierungstechniken können die selektive Metallchelating-Performance von entworfenen metallbindenden Peptiden und dem kupferbindenden Peptid-Methanobactin charakterisieren. Die Entwicklung neuer Klassen von Metallchelat-Peptiden wird dazu beitragen, Therapeutika für Krankheiten im Zusammenhang mit Metallionen-Misbalance.
Die Elektrospray-Ionisation (ESI) kann einen wässrigen Peptid- oder Peptidkomplex in die Gasphase übertragen und gleichzeitig seine Masse, Gesamtladung, Metallbindungswechselwirkungen und Konformationsform erhalten. Die Kopplung von ESI mit der Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie (IM-MS) bietet eine instrumentelle Technik, die die gleichzeitige Messung des Masse-zu-Lade- (m/z) und des Kollisionsquerschnitts (CCS) eines Peptids ermöglicht, die sich auf seine Stoiximetrie, Protonationszustand, und konforme Form. Die Gesamtladung eines Peptidkomplexes wird durch die Protonierung von 1) den sauren und grundlegenden Stellen des Peptids und 2) dem Oxidationszustand des Metallions(en) gesteuert. Daher ist der Gesamtladungszustand eines Komplexes eine Funktion des pH-Werts der Lösung, die die Peptide MetallionenbindungAffinität beeinflusst. Für ESI-IM-MS-Analysen werden Peptid- und Metallionenlösungen aus wässrigen Lösungen hergestellt, wobei der pH-Wert mit verdünnter wässriger Essigsäure oder Ammoniumhydroxid eingestellt wird. Dadurch können pH-Abhängigkeit und Metallionenselektivität für ein bestimmtes Peptid bestimmt werden. Darüber hinaus können die m/z und CCS eines Peptidkomplexes mit B3LYP/LanL2DZ molekularer Modellierung verwendet werden, um Bindungsstellen der Metallionenkoordination und tertiären Struktur des Komplexes zu erkennen. Die Ergebnisse zeigen, wie ESI-IM-MS die selektive Chelaterfüllung einer Reihe alternativer Methanobactin-Peptide charakterisieren und mit dem kupferbindenden Peptid-Methanobactin vergleichen kann.
Kupfer- und Zinkionen sind für lebende Organismen unerlässlich und entscheidend für Prozesse wie oxidativen Schutz, Gewebewachstum, Atmung, Cholesterin, Glukosestoffwechsel und Genom-Lesung1. Um diese Funktionen zu ermöglichen, integrieren Gruppen wie das Thiolat von Cys, Imidazol seiner2,3, (seltener) Thioether von Methionin und Carboxylat von Glu und Asp selektiv Metalle als Kofaktoren in die aktiven Metalloenzyme. Die Ähnlichkeit dieser Koordinierungsgruppen wirft eine faszinierende Frage auf, wie die Seine und Cys-Liganden selektiv entweder Cu(I/II) oder Zn(II) integrieren, um ein korrektes Funktionieren zu gewährleisten.
Selektive Bindung erfolgt häufig durch Erwerb und Handel Peptide, die Zn(II) oder Cu(I/II) Ionenkonzentrationen steuern4. Cu(I/II) ist sehr reaktiv und verursacht oxidative Schäden oder zufällige Bindung an Enzyme, so dass seine freie Konzentration durch Kupferchaperones und kupferregulierende Proteine streng reguliert wird, die es sicher an verschiedene Stellen in der Zelle und fest transportieren. seine Homöostasekontrollieren 5,6. Störungen des Kupferstoffwechsels oder der Homöostase sind direkt in Menkes und Wilsons Krankheit7 sowieKrebserkrankungen 7 und neuronale Erkrankungen wie Prion8 undAlzheimer-Krankheit 9involviert.
Wilson-Krankheit ist verbunden mit erhöhten Kupferspiegeln in den Augen, Leber und Abschnitten des Gehirns, wo die Redox-Reaktionen von Cu(I/II) reaktive Sauerstoffspezies produzieren, was hepatolenticularundäre und neurologische Degeneration verursacht. Bestehende Chelationstherapien sind die kleine Thiol-Aminosäure Penicillamin und Triethylenetetramine. Alternativ weisen die methanotrophen Kupfer-Akquise-Peptide Methanobactin (mb)10,11 aufgrund ihrer hohen Bindungsaffinität zu Cu(I)12therapeutisches Potenzial auf. Als das Methanobactin (mb-OB3b) von Methylosinus trichosporium OB3b in einem Tiermodell der Wilson-Krankheit untersucht wurde, wurde Kupfer effizient aus der Leber entfernt und über die Galleausgeschieden 13. In-vitro-Experimente bestätigten, dass mb-OB3b das Kupfer aus dem kupfernen Metallothionein, das im Leberzytosolenthalten ist, chelatierenkonnte 13 . Laserablation induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie-Bildgebungstechniken haben die räumliche Verteilung von Kupfer in Wilsons Krankheitsleberproben14,15,16 untersucht und gezeigt, dass mb-OB3b entfernt das Kupfer mit kurzen Behandlungsperioden von nur 8 Tagen17.
Die mb-OB3b bindet auch mit anderen Metallionen, einschließlich Ag(I), Au(III), Pb(II), Mn(II), Co(II), Fe(II), Ni(II) und Zn(II)18,19. Der Wettbewerb um die physiologische Cu(I)-Bindungsstelle wird von Ag(I) ausgestellt, weil er Cu(I) aus dem mb-OB3b-Komplex verdrängen kann, wobei sowohl Ag(I) als auch Ni(II) eine irreversible Bindung an Mb aufweisen, die nicht durch Cu(I)19verdrängt werden kann. Kürzlich wurden eine Reihe alternativer Methanobactin (amb) Oligopeptide mit dem Bindungsmotiv 2His-2Cys20,21, und ihre Zn(II) und Cu(I/II) Bindungseigenschaften charakterisiert. Ihre primären Aminosäuresequenzen sind ähnlich, und sie alle enthalten das 2His-2Cys Motiv, Pro und einen acetylierten N-Terminus. Sie unterscheiden sich hauptsächlich von mb-OB3b, da das 2His-2Cys-Motiv die beiden Enethiol-Oxazolon-Bindungsstellen von mb-OB3b ersetzt.
Die Elektrospray-Ionisierung in Verbindung mit der Ionen-Mobilitäts-Massenspektrometrie (ESI-IM-MS) sorgt für eine leistungsstarke Instrumentaltechnik zur Bestimmung der Metallbindungseigenschaften von Peptiden, da sie deren Massen-Zu-Ladung (m/z) und Kollisionmisst Querschnitt (CCS) unter Beibehaltung ihrer Masse, Ladung und Konformationsform aus der Lösungsphase. Die m/z und CCS beziehen sich auf die Peptide Stoichiometrie, Protonationszustand und Konformationsform. Die Stoichiometrie wird bestimmt, da die Identität und Anzahl jedes elements, das in der Art vorhanden ist, explizit identifiziert wird. Die Gesamtladung des Peptidkomplexes bezieht sich auf den Protonationszustand der sauren und grundlegenden Stellen und den Oxidationszustand der Metallionen. Das CCS gibt Auskunft über die konforme Form des Peptidkomplexes, da es die rotationsgemittelte Größe misst, die sich auf die tertiäre Struktur des Komplexes bezieht. Der Gesamtladungszustand des Komplexes ist auch eine Funktion des pH-Werts und wirkt sich auf die Metallionenbindungsaffinität des Peptids aus, da die deprotonierten Basis- oder Saurierstellen wie Carboxyl, His, Cys und Tyr auch die potenziellen Bindungsstellen für das Metallion sind. Für die Analysen werden Peptid und Metallion in wässrigen Lösungen mit dem pH-Wert durch verdünnte wässrige Essigsäure oder Ammoniumhydroxid eingestellt. Dadurch können die pH-Abhängigkeit und die Metallionenselektivität für das Peptid bestimmt werden. Darüber hinaus können die von ESI-IM-MS ermittelten m/z und CCS mit B3LYP/LanL2DZ molekularer Modellierung verwendet werden, um die Art der Metallionenkoordination und die tertiäre Struktur des Komplexes zu ermitteln. Die in diesem Artikel gezeigten Ergebnisse zeigen, wie ESI-IM-MS die selektive Chelaterfüllung eines Satzes von Amb-Peptiden charakterisieren und mit dem Kupferbindenden Peptid mb-OB3b vergleichen kann.
1. Herstellung von Reagenzien
2. Vorbereitung der Lagerlösung
3. Elektrospray-Ionen-Mobilitäts-Massenspektrometrie-Analyse
4. Vorbereitung der Metallionentitration von Ambproben
5. Analyse der ESI-IM-MS pH-Titrationsdaten
6. Kollisionsquerschnitte
7. Berechnungsmethoden
Metallbindung von amb1
Die IM-MS-Studie20 von amb1 (Abbildung 1A) zeigte, dass sowohl Kupfer- als auch Zinkionen, die auf pH-abhängige Weise an amb1 gebunden sind (Abbildung 2). Kupfer und Zink sind jedoch durch unterschiedliche Reaktionsmechanismen an verschiedenen Koordinationsstellen an amb1 gebunden. Das Hinzufügen von Cu(II) zu amb1 führte ...
Kritische Schritte: Erhaltung von Lösungsphasenverhalten zur Untersuchung über ESI-IM-MS
Native ESI-Instrumenteinstellungen müssen verwendet werden, um die Peptide Stoichiometrie, Ladezustand und Konformationsstruktur zu erhalten. Für native Bedingungen müssen die Bedingungen in der ESI-Quelle wie Kegelspannungen, Temperaturen und Gasströme optimiert werden. Außerdem müssen die Drücke und Spannungen in der Quelle, Falle, Ionenmobilität und Übertragungs-Reisewellen (insbesondere die DC-Falle...
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Dieses Material basiert auf Arbeiten, die von der National Science Foundation unter 1764436, NSF-Instrumentenunterstützung (MRT-0821247), Welch Foundation (T-0014) und Rechenressourcen des Department of Energy (TX-W-20090427-0004-50) und L3 Communications unterstützt werden. . Wir danken der Bower-Gruppe der University of California - Santa Barbara für die gemeinsame Nutzung des Sigma-Programms und Ayobami Ilesanmi für die Demonstration der Technik im Video.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
acetonitrile HPLC-grade | Fisher Scientific (www.Fishersci.com) | A998SK-4 | |
ammonium hydroxide (trace metal grade) | Fisher Scientific (www.Fishersci.com) | A512-P500 | |
cobalt(II) chloride hexahydrate 99.99% | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | 255599-5G | |
copper(II) chloride 99.999% | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | 203149-10G | |
copper(II) nitrate hydrate 99.99% | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | 229636-5G | |
designed amb1,2,3,4,5,6,7 peptides | Neo BioLab (neobiolab.com) | designed peptides were synthized by order | |
designed amb5B,C,D,E,F peptides | PepmicCo (www.pepmic.com) | designed peptides were synthized by order | |
Driftscope 2.1 software program | Waters (www.waters.com) | software analysis program | |
Freeze-dried, purified, Cu(I)-free mb-OB3b | cultured and isolated in the lab of Dr. DongWon Choi (Biology Department, Texas A&M-Commerce) | ||
glacial acetic acid (Optima grade) | Fisher Scientific (www.Fishersci.com) | A465-250 | |
Iron(III) Chloride Anhydrous 98%+ | Alfa Aesar (www.alfa.com) | 12357-09 | |
lead(II) nitrate ACS grade | Avantor (www.avantormaterials.com) | 128545-50G | |
manganese(II) chloride tetrahydrate 99.99% | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | 203734-5G | |
MassLynx 4.1 | Waters (www.waters.com) | software analysis program | |
nickel chloride hexahydrate 99.99% | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | 203866-5G | |
poly-DL-alanine | Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com) | P9003-25MG | |
silver nitrate 99.9%+ | Alfa Aesar (www.alfa.com) | 11414-06 | |
Waters Synapt G1 HDMS | Waters (www.waters.com) | quadrupole - ion mobility- time-of-flight mass spectrometer | |
zinc chloride anhydrous | Alfa Aesar (www.alfa.com) | A16281 |
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