Faculté des sciences de base SB, Section de chimie et génie chimique, Institut des sciences et ingénierie chimiques ISIC (Laboratoire de chimie physique moléculaire LCPM)

Infrared photofragment spectroscopy of charged amino acid water clusters in the gas phase

Kamariotou, Anthi ; Rizzo, Thomas (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3441.

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    Summary
    We present in this work a new technique, which combines laser photofragmentation spectroscopy with tandem mass spectrometry, for structural investigations of biomolecular ions in the gas phase. A novel apparatus was designed and built for the implementation of these studies. In this instrument closed shell ions are produced in the gas phase by electrospray ionization and stored in a hexapole ion trap prior to mass selection of a parent beam in a first quadrupole and then irradiation in an octupole ion guide using laser light. Mass analysis of the photofragmentaion products in a final stage quadrupole as a function of the wavelength generates an action spectrum. We applied this new technique to follow the microsolvation of charged amino acids in the gas phase. In these studies, the nanoelectrospray ionization source generates a distribution of water clusters of charged amino acids at various hydration levels. A particular size of cluster is selected and irradiated by infrared laser pulses resulting in the dissociation of one water molecule. Detection of the photofragmentation of this weak non-covalent bond allows us to generate the vibrational action spectrum of this particular cluster. We use a two-stage difference frequency mixing setup to produce laser light in the 2900–3800 cm-1, allowing us to probe the light-atom stretching region. IR photofragmentation spectra have been obtained for the hydrates of protonated and lithiated valine and those of protonated tryptophan. By probing the region of free and hydrogen-bonded N-H and O-H stretch vibrations and with the help of density functional theory calculations at the B3LYP/6-31++G** level, we relate spectral changes to the structure of clusters. In the study of lithiated valine water clusters, we addressed the question of zwitterion formation upon the combined effect of water and an external ion. Our data indicate the presence of the non-zwitterionic form of valine upon addition of up to four water molecules. In all of the species studied here, the hydration process is driven by solvation of the charge, and upon completion of a first shell around it, water preferentially forms a second solvation shell with no strong competition from other hydration sites on the amino acid backbone. Strikingly, similar water network structures have been observed at the highest hydration level of completely different species, probably indicating the existence of stable ordered water structures. We obtained evidence for a structrual change of the valine backbone in lithiated valine upon addition of the third water molecule, while no conformational change has been identified in the clusters of the protonated species. We have thus been able to answer questions related to the conformational preferences of the amino acid and the structuring of the water network.
    Résumé
    Au cours de ce travail, une nouvelle technique a été élaborée combinant spectroscopie laser de photofragmentation et spectrométrie de masse en tandem, afin d'étudier la structure en phase gazeuse de molécules d'intérêt biologique. Nous avons construit pour cela un nouvel appareil, où les ions produits par ionisation électrospray sont piégés dans un hexapole et sélectionnés en masse par un quadrupole, de sorte à permettre l'irradiation laser d'une seule masse parent. Un second analyseur quadripolaire effectue la mesure de masse d'un des fragments issus de la photodissociation en fonction de la longueur d'onde, générant ainsi le spectre d'action de la molécule. Cette technique a été appliquée à l'étude de microsolvatation d'acides aminés chargés en phase gazeuse. Une source nanospray permet de produire une distribution de clusters d'acides aminés avec un nombre variable d'adduits d'eau. Après sélection en masse d'un seul état d'hydratation, le complexe non-covalent est dissocié grâce à l'énergie d'un faisceau laser infrarouge de longueur d'onde variable permettant ainsi d'obtenir le spectre vibrationnel de la molécule. Nous avons utilisé un dispositif de mélange optique par différence de fréquence en deux étapes (DFM- Difference Frequency mixing) pour générer une radiation dans le domaine de fréquences d'absorption des vibrations C-H, N-H et O-H (2900–3800 cm-1). Les spectres de photofragmentation infrarouge ont été mesurés pour les complexes d'hydratation du tryptophane protoné (Trp•H+(H2O)n), de la valine protonée (Val•H+(H2O)n), et de la valine neutre coordinée à un atome de lithium (Val•Li+(H2O)n). Sur la base de ces données et grâce à des calculs de densité fonctionnelle B3LYP/6-31++G**, il a été possible de mettre en relation les déplacements des bandes d'absorption et les caractéristiques structurales de chaque complexe. Ainsi, l'étude de Val•Li+(H2O)n soulève le problème de formation du zwitterion de la valine dû à l'effet combiné du solvant et des interactions électrostatiques avec un ion externe. Nos données expérimentales indiquent la présence de la forme non zwitterionique de la valine malgré l'ajout de quatre molécules d'eau. Il semblerait, d'après les différents complexes d'hydratation étudiés, que la présence d'une charge dans le cluster contrôle le processus de solvatation. Après saturation de la première couche de solvatation, les molécules d'eau forment préférentiellement une seconde couche, alors que la présence d'autres sites propices à l'hydratation ne semble pas donner lieu à une compétition avec les interactions solvant-solvant. Par ailleurs, les similitudes observées dans les structures du réseau de solvant dans les complexes étudiés, indépendamment de la nature de l'acide aminé, indiquent probablement l'existence de structures ordonnées stables du solvant. De plus, un changement structural du squelette de la valine a été mis en évidence dans le complexe de Val•Li+(H2O)3, alors qu'aucun changement conformationnel n'a été identifié dans les clusters des espèces protonées. Ainsi, ces études de micro-solvatation ont fourni des informations utiles concernant l'influence du solvant sur les préférences conformationnelles des acides aminés étudiés et la structuration du solvant atour de ceux-ci.