Độ phân giải và chuyển tiếp cấu trúc của các trạng thái kéo dài của ubiquitin

American Chemical Society (ACS) - Tập 18 - Trang 322-331 - 2007
Stormy L. Koeniger1, David E. Clemmer1
1Department of Chemistry, Indiana University, Bloomington, USA

Tóm tắt

Kỹ thuật ion hóa bằng phun điện (electrospray ionization), kết hợp với phổ di động ion hai chiều và phổ khối lượng, được sử dụng để tạo ra, lựa chọn và kích hoạt các phân bố ion kéo dài, từ [M+11H]11+ đến [M+13H]13+, của ubiquitin. Phân tích này cho phép kiểm tra các chuyển tiếp giữa các trạng thái cho các loại cấu trúc, và các biểu đồ chuyển tiếp liên quan đến hiệu suất của sự thay đổi cấu trúc được trình bày. Các trạng thái điện tích +11 và +12 có thể hình thành bốn trạng thái có thể phân giải, trong khi chỉ một trạng thái được hình thành cho [M+13H]13+. Một số cấu hình, có vẻ thuộc về cùng một họ dựa trên phân tích di động của các trạng thái điện tích khác nhau, trải qua các chuyển tiếp tương tự, trong khi những cấu hình khác thì không. Việc kích hoạt các ion tồn tại trong cấu hình có độ phong phú thấp, có độ di động nằm giữa các đỉnh sắc nét liên quan đến các loài có độ phong phú cao hơn, cho thấy rằng các dạng có độ phong phú thấp trải qua chuyển đổi hiệu quả (∼90 đến 100%) sang các trạng thái gắn liền với các đỉnh rõ ràng. Hiệu suất này cao hơn đáng kể so với hiệu suất ∼10 đến 60% của các chuyển tiếp của các cấu trúc liên quan đến các đỉnh rõ ràng. Việc hình thành các đặc trưng sắc nét từ một loạt các loài có cường độ thấp với các tiết diện khác nhau cho thấy rằng các vùng lớn của không gian cấu hình phải không thuận lợi hoặc không thể tiếp cận trong pha khí. Những kết quả này được so sánh với một số phép đo IMS trước đây của hệ thống này cũng như thông tin về cấu trúc pha khí được cung cấp bởi các kỹ thuật khác.

Từ khóa

#ion hóa bằng phun điện #phổ di động ion hai chiều #phổ khối lượng #ubiquitin #cấu trúc hóa học

Tài liệu tham khảo

Karas, M.; Hillenkamp, F. Laser desorption ionization of proteins with molecular masses exceeding 10,000 daltons. Anal. Chem 1988, 60, 2299–2301. Tanaka, K.; Waki, H.; Ido, Y.; Akita, S.; Yoshida, Y.; Yoshida, T. Protein and polymer analyses up to m/z 100,000 by laser ionization time-of-flight mass spectrometry. Rapid Commun. Mass Spectrom 1988, 2, 151–153. Fenn, J. B.; Mann, M.; Meng, C. K.; Wong, S. F.; Whitehouse, C. M. Electrospray Ionization for Mass Spectrometry of Large Biomolecules. Science 1989, 246, 64–71. Takats, Z.; Wiseman, J. M.; Gologan, B.; Cooks, R. G. Mass Spectrometry Sampling Under Ambient Conditions with Desorption Electrospray Ionization. Science 2004, 306, 471–473. Suckau, D.; Shi, Y.; Beu, S. C.; Senko, M. W.; Quinn, J. P.; Wampler, F. W.; McLafferty, F. W. Coexisting Stable Conformations of Gaseous Protein Ions. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A 1993, 90, 790–793. Wood, T. D.; Chorush, R. A.; Wampler, F. M.; Little, D. P.; O’Connor, P. B.; McLafferty, F. W. Gas-Phase Folding and Unfolding of Cytochrome c Cations. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A 1995, 92, 2451–2454. Wolynes, P. G. Biomolecular Folding in Vacuo!!!(?). Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1995, 92, 2426–2427. Rodriguez-Cruz, S. E.; Klassen, J. S.; Williams, E. R. Hydration of Gas-Phase Gramicidin S (M+2H)2+ Ions Formed by Electrospray: The Transition From Solution to Gas-Phase Structure. J. Am. Soc. Mass. Spectrom 1997, 8, 565–568. Woenckhaus, J.; Mao, Y.; Jarrold, M. F. Hydration of Gas Phase Proteins: Folded +5 and Unfolded +7 Charge States of Cytochrome c. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 847–851. Jarrold, M. F. Unfolding, Refolding, and Hydration of Proteins in the Gas Phase. Acc. Chem. Res 1999, 32, 360–367. Jarrold, M. F. Peptides and Proteins in the Vapor Phase. Ann. Rev. Phys. Chem 2000, 51, 179–207. Lee, S.-W.; Freivogel, P.; Schindler, T.; Beauchamp, J. L. Freeze-Dried Biomolecules: FT-ICR Studies of the Specific Solvation of Functional Groups and Clathrate Formation Observed by the Slow Evaporation of Water from Hydrated Peptides and Model Compounds in the Gas Phase. J. Am. Chem. Soc 1998, 120, 11758–11765. Hoaglund-Hyzer, C. S.; Counterman, A. E.; Clemmer, D. E. Anhydrous Protein Ions. Chem. Rev 1999, 99, 3037–3079. Woenckhaus, J. Drift Time Mass Spectrometric Protein Hydration Experiments. Int. J. Mass Spectrom 2002, 213, 9–24. Breuker, K.; McLafferty, F. W. The Thermal Unfolding of Native Cytochrome c in the Transition from Solution to Gas Phase Probed by Native Electron Capture Dissociation. Angew. Chem. Int. Ed 2005, 44, 4911–4914. Barran, P. E.; Polfer, N. C.; Campopiano, D. J.; Clarke, D. J.; Langridge-Smith, P. R. R.; Langley, R. J.; Govan, J. R. W.; Maxwell, A.; Dorin, J. R.; Millar, R. P.; Bowers, M. T. Is it Biologically Relevant to Measure the Structures of Small Peptides in the Gas-Phase?. Int. J. Mass Spectrom 2005, 240, 273–284. Chowdhury, S. K.; Katta, V.; Chait, B. T. Probing Conformational Changes in Proteins by Mass Spectrometry. J. Am. Chem. Soc 1990, 112, 9012–9013. Mirza, U. A.; Chait, B. T. Do Proteins Denature During Droplet Evolution in Electrospray Ionization? Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 1997, 162, 173–181. Konermann, L.; Douglas, D. J. Equilibrium Unfolding of Proteins Monitored by Electrospray Ionization Mass Spectrometry: Distinguishing Two-State from Multi-State Transitions. Rapid Commun. Mass Spectrom 1998, 12, 435–442. von Helden, G.; Wyttenbach, T.; Bowers, M. T. Conformation of Macromolecules in the Gas-Phase Use of Matrix-Assisted Laser-Desorption Methods in Ion Chromatography. Science 1995, 267, 1483–1485. Wyttenbach, T.; von Helden, G.; Bowers, M. T. Gas-Phase Conformation of Biological Molecules: Bradykinin. J. Am. Chem. Soc 1996, 118, 8355–8364. Clemmer, D. E.; Hudgins, R. R.; Jarrold, M. F. Naked Protein Conformations: Cytochrome c in the Gas Phase. J. Am. Chem. Soc 1995, 117, 10141–10142. Shelimov, K. B.; Jarrold, M. F. “Denaturation” and Refolding of Cytochrome c in Vacuo. J. Am. Chem. Soc 1996, 118, 10313–10314. Valentine, S. J.; Clemmer, D. E. H/D Exchange Levels of Shape-Resolved Cytochrome c Conformers in the Gas Phase. J. Am. Chem. Soc 1997, 119, 3558–3566. Valentine, S. J.; Anderson, J. G.; Ellington, A. D.; Clemmer, D. E. Disulfide-Intact and -Reduced Lysozyme in the Gas Phase: Conformations and Pathways of Folding and Unfolding. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 3891–3900. Jin, L.; Barran, P. E.; Deakin, J. A.; Lyon, M.; Uhrin, D. Conformation of Glycosaminoglycans by Ion Mobility Mass Spectrometry and Molecular Modeling. Phys. Chem. Chem. Phys 2005, 7, 3464–3471. Ruotolo, B. T.; Giles, K.; Campuzano, I.; Sandercock, A. M.; Bateman, R. H.; Robinson, C. V. Evidence for Macromolecular Protein Rings in the Absence of Bulk Water. Science 2005, 310, 1658–1661. Bernstein, S. L.; Wyttenbach, T.; Baumketnert, A.; Shea, J. E.; Bitan, G.; Teplow, D. B.; Bowers, M. T. Amyloid β-Protein: Monomer Structure and Early Aggregation States of A β 42 and its Pro(19) Alloform. J. Am. Chem. Soc 2005, 127, 2075–2084. Baumketner, A.; Bernstein, S. L.; Wyttenbach, T.; Bitan, G.; Teplow, D. B.; Bowers, M. T.; Shea, J. E. Amyloid β-Protein Monomer Structure: A Computational and Experimental Study. Prot. Sci 2006, 15, 420–428. Clemmer, D. E.; Jarrold, M. F. Ion Mobility Measurements and Their Applications to Clusters and Biomolecules. J. Mass Spectrom 1997, 32, 577–592. Wu, C.; Siems, W. F.; Klasmeier, J.; Hill, H. H. Separation of Isomeric Peptides Using Electrospray Ionization/High-Resolution Ion Mobility Spectrometry. Anal. Chem 2000, 72, 391–395. Hoaglund-Hyzer, C. S.; Lee, Y. J.; Counterman, A. E.; Clemmer, D. E. Coupling Ion Mobility Separations, Collisional Activation Techniques, and Multiple Stages of MS for Analysis of Complex Peptide Mixtures. Anal. Chem 2002, 74, 992–1006. Collins, D. C.; Lee, M. L. Developments in Ion Mobility Spectrometry-Mass Spectrometry. Anal. Bioanal. Chem 2002, 372, 66–73. Wyttenbach, T.; Bowers, M. T. Gas-Phase Conformations: The Ion Mobility/Ion Chromatography Method. Top. Curr. Chem 2003, 225, 207–232. Creaser, C. S.; Griffiths, J. R.; Bramwell, C. J.; Noreen, S.; Hill, C. A.; Thomas, C. L. P. Ion Mobility Spectrometry: A Review. Part 1. Structural Analysis by Mobility Measurement. Analyst 2004, 129, 984–994. Guevremont, R. High-Field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometry: A New Tool for Mass Spectrometry. J. Chrom. A 2004, 1058, 3–19. McLean, J. A.; Ruotolo, B. T.; Gillig, K. J.; Russell, D. H. Ion Mobility-Mass Spectrometry: A New Paradigm for Proteomics. Int. J. Mass Spectrom 2005, 240, 301–315. Tang, K. Q.; Li, F. M.; Shvartsburg, A. A.; Strittmatter, E. F.; Smith, R. D. Two-Dimensional Gas-Phase Separations Coupled to Mass Spectrometry for Analysis of Complex Mixtures. Anal. Chem 2005, 77, 6381–6388. Clowers, B. H.; Hill, H. H. Mass Analysis of Mobility-Selected Ion Populations Using Dual Gate Ion Mobility Quadrupole Ion Trap Mass Spectrometry. Anal. Chem 2005, 77, 5877–5885. Tang, K.; Shvartsburg, A. A.; Lee, H. N.; Prior, D. C.; Buschbach, M. A.; Li, F. M.; Tolmachev, A. V.; Anderson, G. A.; Smith, R. D. High-Sensitivity Ion Mobility Spectrometry/Mass Spectrometry Using Electrodynamic Ion Funnel Interfaces. Anal. Chem 2005, 77, 3330–3339. Koeniger, S. L.; Merenbloom, S. I.; Valentine, S. J.; Jarrold, M. F.; Udseth, R. D.; Smith, R. D.; Clemmer, D. E. An IMS-IMS Analogue of MS-MS. Anal. Chem 2006, 78, 4161–4174. Koeniger, S. L.; Merenbloom, S. I.; Clemmer, D. E. Evidence for Many Resolvable Structures within Conformation Types of Electrosprayed Ubiquitin Ions. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 7017–7021. Merenbloom, S. I.; Koeniger, S. L.; Valentine, S. J.; Plasencia, M. D.; Clemmer, D. E. IMS-IMS and IMS-IMS-IMS/MS for Separating Peptide and Protein Fragment Ions. Anal. Chem 2006, 78, 2802–2809. Koeniger, S. L.; Merenbloom, S. I.; Sevugarajan, S.; Clemmer, D. E. Transfer of Structural Elements from Compact to Extended States in Unsolvated Ubiquitin. J. Am. Chem. Soc 2006, 128, 11713–11719. Katta, V.; Chait, B. T. Conformational Changes in Proteins Probed by Hydrogen-Exchange Electrospray-Ionization Mass Spectrometry. Rapid Commun. Mass Spectrom 1991, 5, 214–217. Katta, V.; Chait, B. T. Hydrogen-Deuterium Exchange Electrospray-Ionization Mass-Spectrometry—A Method for Probing Protein Conformational Changes in Solution. J. Am. Chem. Soc 1993, 115, 6317–6321. Loo, R. R. O.; Smith, R. D. Investigation of the Gas-Phase Structures of Electrosprayed Proteins Using Ion-Molecule Reactions. J. Am. Soc. Mass Spectrom 1994, 5, 207–220. Loo, J. A.; Quinn, J. P.; Ryu, S. I.; Henry, K. D.; Senko, M. W.; McLafferty, F. W. High-Resolution Tandem Mass-Spectrometry of Large Biomolecules. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A 1992, 89, 286–289. Senko, M. W.; Hendrickson, C. L.; Pasa-Tolic, L.; Marto, J. A.; White, F. M.; Guan, S. H.; Marshall, A. G. Electrospray Ionization Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance at 9.4 T. Rapid Commun. Mass Spectrom 1996, 10, 1824–1828. Valentine, S. J.; Counterman, A. E.; Clemmer, D. E. Conformer-Dependent Proton-Transfer Reactions of Ubiquitin Ions. J. Am. Chem. Soc. Mass Spectrom 1997, 8, 954–961. Li, J.; Taraszka, J. A.; Counterman, A. E.; Clemmer, D. E. Influence of Solvent Composition and Capillary Temperature on the Conformations of Electrosprayed Ions: Unfolding of Compact Ubiquitin Conformers from Pseudonative and Denatured Solutions. Int. J. Mass Spectrom 1999, 185/186/187, 37–47. Covey, T.; Douglas, D. J. Collision Cross-Sections for Protein Ions. J. Am. Soc. Mass Spectrom 1993, 4, 616–623. Cox, K. A.; Julian, R. K., Jr.; Cooks, R. G.; Kaiser, R. E., Jr. Conformer Selection of Protein Ions by Ion Mobility in a Triple Quadrupole Mass-Spectrometer. J. Am. Chem. Soc. Mass Spectrom 1994, 5, 127–136. Schnier, P. D.; Gross, D. S.; Williams, E. R. Electrostatic Forces and Dielectric Polarizability of Multiply Protonated Gas-Phase Cytochrome c Ions Probed by Ion/Molecule Chemistry. J. Am. Chem. Soc 1995, 117, 6747–6757. Gross, D. S.; Williams, E. R. Experimental Measurement of Coulomb Energy and Intrinsic Dielectric Polarizability of a Multiply Protonated Peptide Ion Using Electrospray Ionization Fourier-Transform Mass Spectrometry. J. Am. Chem. Soc 1995, 117, 883–890. Williams, E. R. Proton Transfer Reactivity of Large Multiply Charged Ions. J. Mass Spectrom 1996, 31, 831–842. Cassady, C. J.; Wronka, J.; Kruppa, G. H.; Laukien, F. H. Deprotonation Reactions of Multiply Protonated Ubiquitin Ions. Rapid Commun. Mass Spectrum 1994, 8, 394–400. Cassady, C. J.; Carr, S. R. Elucidation of Isomeric Structures for Ubiquitin [M+12H]12+ Ions Produced by Electrospray Ionization Mass Spectrometry. J. Mass Spectrom 1996, 31, 247–254. Zhang, X.; Cassady, C. J. Apparent Gas-Phase Acidities of Multiply Protonated Peptide Ions: Ubiquitin, Insulin B, and Renin Substrate. J. Am. Soc. Mass Spectrom 1996, 7, 1211–1218. Freitas, M. A.; Hendrickson, C. L.; Emmett, M. R.; Marshall, A. G. Gas-Phase Bovine Ubiquitin Cation Conformations Resolved by Gas-Phase Hydrogen/Deuterium Exchange Rate and Extent. Int. J. Mass Spectrom 1999, 187, 565–575. Evans, S. E.; Lueck, N.; Marzluff, E. M. Gas Phase Hydrogen/Deuterium Exchange of Proteins in an Ion Trap Mass Spectrometer. Int. J. Mass Spectrom 2003, 222, 175–187. Geller, O.; Lifshitz, C. A Fast Flow Tube Study of Gas Phase H/D Exchange of Multiply Protonated Ubiquitin. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 2217–2222. Robinson, E. W.; Williams, E. R. Multidimensional Separations of Ubiquitin Conformers in the Gas Phase: Relating Ion Cross Sections to H/D Exchange Measurements. J. Am. Soc. Mass Spectrom 2005, 16, 1427–1437. Badman, E. R.; Hoaglund-Hyzer, C. S.; Clemmer, D. E. Gas-Phase Separations of Protein and Peptide Ion Fragments Generated by Collision-Induced Dissociation in an Ion Trap. Anal. Chem 2001, 73, 6000–6007. Myung, S.; Badman, E.; Lee, Y. J.; Clemmer, D. E. Structural Transitions of Electrosprayed Ubiquitin Ions Stored in an Ion Trap over ∼10 ms to 30 s. J. Phys. Chem. A 2002, 106, 9976–9982. Purves, R. W.; Barnett, D. A.; Ells, B.; Guevremont, R. Investigation of Bovine Ubiquitin Conformers Separated by High-Field Asymmetric Waveform Ion Mobility spectrometry: Cross Section Measurements Using Energy-Loss Experiments with a Triple Quadrupole Mass Spectrometer. J. Am. Soc. Mass Spectrom 2000, 11, 738–745. Purves, R. W.; Barnett, D. A.; Ells, B.; Guevremont, R. Elongated Conformers of Charge States +11 to +15 of Bovine Ubiquitin Studied Using. ESI-FAIMS-MS. J. Am. Soc. Mass Spectrom 2001, 12, 894–901. Shvartsburg, A. A., Fumin, L., Tang, K., Smith, R. D. Characterizing the Structures and Folding of Free Proteins Using 2-D Gas-Phase Separations: Observation of Multiple Unfolded Conformers. Anal. Chem. Articles ASAP, DOI: 10.1021/ac060283z. Purves, R. W.; Barnett, D. A.; Guevremont, R. Separation of Protein Conformers Using Electrospray-High Field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometry-Mass Spectrometry. Int. J. Mass Spectrom 2000, 197, 163–177. Wyttenbach, T.; Kemper, P. R.; Bowers, M. T. Design of a New Electrospray Ion Mobility Mass Spectrometer. Int. J. Mass Spectrom 2001, 212, 13–23. Badman, E.; Myung, S.; Clemmer, D. E. Evidence for Unfolding and Refolding of Gas Phase Cystochrome c Ions in a Paul Trap. J. Am. Soc. Mass Spectrom 2005, 16, 1493–1497. McLuckey, S. A.; Wells, J. M.; Stephenson, J. L.; Goeringer, D. E. Novel Quadrupole Ion Trap Methods for Characterizing the Chemistry of Gaseous Macro-Ions. Int. J. Mass Spectrom 2000, 200, 137–161. Rockwood, A. L.; Busman, M.; Smith, R. D. Coulombic Effects in the Dissociation of Large Highly Charged Ions. Int. J. Mass Spectrom 1991, 111, 103–129. Gross, D. S.; Schnier, P. D.; Rodriguez-Cruz, S. E.; Fagerquist, C. K.; Williams, E. R. Conformations and Folding of Lysozyme Ions in Vacuo. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A 1996, 93, 3143–3148. Mason, E. A.; McDaniel, E. W. Transport Properties of Ions in Gases; Wiley: New York, 1988, p 276. Badman, E. R.; Hoaglund-Hyzer, C. S.; Clemmer, D. E. Dissociation of Different Conformations of Ubiquitin Ions. J. Am. Soc. Mass Spectrom 2002, 13, 719–723. Edman, L.; Mets, U.; Rigler, R. Conformational Transitions Monitored for Single Molecules in Solution. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A 1996, 93, 6710–6715. Kellermayer, M. S. Z.; Smith, S. B.; Granzier, H. L.; Bustamante, C. Folding-Unfolding Transitions in Single Titin Molecules Characterized with Laser Tweezers. Science 1997, 276, 1112–1116. Lu, H. P.; Xun, L. Y.; Xie, X. S. Single-Molecule Enzymatic Dynamics. Science 1998, 282, 1877–1882. Ha, T. J.; Ting, A. Y.; Liang, J.; Caldwell, W. B.; Deniz, A. A.; Chemla, D. S.; Schultz, P. G.; Weiss, S. Single-Molecule Fluorescence Spectroscopy of Enzyme Conformational Dynamics and Cleavage Mechanism. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A 1999, 96, 893–898. Deniz, A. A.; Laurence, T. A.; Beligere, G. S.; Dahan, M.; Martin, A. B.; Chemla, D. S.; Dawson, P. E.; Schultz, P. G.; Weiss, S. Single-Molecule Protein Folding: Diffusion Fluorescence Resonance Energy Transfer Studies of the Denaturation of Chymotrypsin Inhibitor 2. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2000, 97, 5179–5184. Schuler, B.; Lipman, E. A.; Eaton, W. A. Probing the Free-Energy Surface for Protein Folding with Single-Molecule Fluorescence Spectroscopy. Nature 2002, 419, 743–747. Fernandez, J. M.; Li, H. B. Force-Clamp Spectroscopy Monitors the Folding Trajectory of a Single Protein. Science 2004, 303, 1674–1678.