Kovalent olmayan komplekslerin stokiyometri ve kararlılıklarının kütle spektrometresi ile incelenmesi
Determination of stoichiometry and stability of the non-covalent complexes by mass spectrometry
Yazar: AYŞEGÜL ÖZGEN
Danışman: PROF. DR. BEKİR SALİH
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Konak-konuk kompleksleri bir konak (host) ve bir konuk (guest) molekülünün arasındaki kovalent olmayan etkileşimlerle oluşturdukları komplekslerin genel adıdır. Kovalent olmayan etkileşimler, kovalent bağlar kadar kuvvetli olmamalarına rağmen, molekülleri bir arada tutan kuvvetler oldukları için oldukça önemlidirler. Kütle spektrometresi (MS), kovalent olmayan komplekslerin tayini için kullanılan ve birçok belirgin avantajı ve aynı zamanda bazı dezavantajları olan bir yöntemdir. Modern kütle spektrometreleri hız, özgünlük ve hassasiyet gibi çok önemli avantajlara sahiptir. Diğer bir önemli avantajı ise, doğrudan kompleksin molekül kütlesi ölçülebildiği için kovalent olmayan etkileşimlerin stokiyometrilerinin kütle spektrometre ile kolaylıkla elde edilebilmesidir. Matriks Yardımlı Lazer Desorpsiyon/İyonlaştırmalı-Kütle Spektrometresi (MALDI-MS) ve Elektrosprey İyonlaştırmalı-Kütle Spektrometresi (ESI-MS) gibi yumuşak (soft) iyonlaştırmalı kütle spektrometreleri yüksek mol kütleli biyomoleküllerin, sentetik polimerlerin, makrosiklik aminlerin ve daha önce kütle spektrometresi ile tayin edilemeyen diğer birçok tür bileşiklerin analizinde bir devrim yaratmıştır. Yumuşak iyonlaştırma teknikleri ile moleküllere zarar vermeden, onları parçalamadan iyonlaştırma mümkün olmuştur. Belirli koşullar altında, yumuşak iyonlaştırma yöntemleri kovalent olmayan etkileşimlerle oluşmuş olan kompleksleri gaz fazına geçirmeye izin verir ve komplekslerin stokiyometrilerini, kovalent olmayan etkileşimlerin türünü, enerjisini ve bağlanmanın kuvvetini tayin edebilmeye olanak sağlar. Kovalent olmayan komplekslerin ESI-MS ve MALDI-MS kullanılarak gaz fazında tayini ile elde edilen kütle spektrumundan yola çıkılarak çözelti fazı ayrışma (dissociation) sabitinin (Kd) elde edilmesi mümkün olmuştur. ESI-MS ile hızlı ve oldukça kolay bir şekilde bağıl gaz fazı kararlılığı tayin edilebilmektedir. Çarpışma ile indüklenmiş ayrışma (CID) mekanizması ile moleküler iyonların gaz fazında fragmentlerinin oluşması sağlanır. CID deneylerinden elde edilen sonuçlar yorumlanarak komplekslerin kararlılıkları ve bağlanma sabitleri hakkında fikir edinilebilir. Bu tezin kapsamında yumuşak iyonlaştırma tekniğine sahip, yüksek mol kütleli komplekslerin parçalanmadan incelenmesini sağlayan yeni nesil kütle spektrometreleri olan ESI- MS ve MALDI-MS kullanılarak ß-siklodekstrin (ß-CD) ile yan zincirinde aromatik halka içeren aminoasitlerin (L-tirozin, D-fenilalanin ve L-fenilalanin) ve peptid zinciri (phe-gly-gly-phe) ile konak-konuk kompleksleri ve ayrıca hekzasiklen (HC) halkasal amin molekülünün ?+2? değerlikli geçiş metalleri (Cu2+, Ni2+ ve Co2+) ile oluşturdukları konak-konuk kompleksleri incelenmiştir. Kompleks stokiyometrileri, kararlılık sabitleri, ayrışma sabitleri hakkında bilgi edinilmiştir.Bu çalışmada, yan zincirinde aromatik halka içeren aminoasitlerin ß-CD ile 1:1 özgün stokiyometride kovalent olmayan kompleks oluşturma eğilimi L-tirozin > L-fenilalanin > D-fenilalanin sırasında olduğu belirlenmiştir. Özgün olmayan durumlar için (1:2 veya 2:1 stokiyometriler gibi) kompleks oluşumlarına spektrumlarda rastlanmamıştır. Komplekslerin bağlanma sabitleri (Kst) Benesi-Hildebrand yöntemi ile sırasıyla, 2,00x105 M-1, 1,39x105 M-1,1,06x105 M-1 ve Scatchard yöntemi ile sırasıyla, 8,82x104 M-1, 7,09x104 M-1, 6,54x104 M-1 olarak hesaplanmıştır. HC halkasal amin molekülünün ?2+? değerlikli geçiş metalleri ile pH 13,0'da oluşturdukları komplekslerin özgün stokiyometrilerinin 1:1 olarak belirlenmiştir. HC ile ?2+? değerlikli geçiş metallerinin oluşturdukları komplekslerin kararlılıklarının Cu(II) > Ni(II) > Co(II) sıralamasında olduğu tespit edilmiştir. ESI-MS'te çarpışma enerjisi ve MALDI-MS'te lazer enerjisi artırılarak oluşturulan komplekslerin kararlılıklarındaki azalış tespit edilmiş ve ayrıca çalışılan komplekslerin ayrışma sabitleri tayin edilmiştir.

Abstract:
Host-guest complexes are formed by one host and one guest molecules by non-covelent interactions. The interactions that are mentioned here are binding or complexation. Mass spectrometry has many advantages and disadvantages to determine non-covalent complexes. Modern mass spectrometries have three ?S? advantages which are specifity, sensitivity and speed. The other major advantage is the fourth ?S? which means stoichiometry of individual complexes is easily observed from mass spectrum because the molecular weight of the complex is directly measured. Soft ionization mass spectrometries, especially Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization-Mass Spectrometry (MALDI-MS) and Electrospray Ionisation-Mass Spectrometry (ESI-MS) have been used to determine the high molecular weight biomolecules, synthetic polymers, macrocyclic amines and many other compounds which were previously not accessible with mass spectrometry. Molecules can be investigated by soft ionisation techniques which gently ionize the molecules without fragmentation in covalent bonds. Under certain conditions, non-covalently bound complexes are allowed to transfer to gas phase by soft ionization techniques and complex stoichiometries, class of non-covalent interactions, energies and strength of binding of non-covalent complexes can be determined by soft ionization. ESI-MS and MALDI-MS allow us to obtain solution phase dissociation constant (Kd) of non-covalent complexes with mass spectra which is taken from gas phase measurements. Relative gas phase stability is able to measure by ESI-MS very fast and easily. Collision induced dissociation (CID) mechanism provides to obtain fragments of molecular ions in gas phase. Resulting CID spectra give informations about the stability of the complexes and the binding constants. In this study, the host-guest complexes of ß-cyclodextrin with L-tyrosine, D-phenylalanine and L-phenylalanine amino acids which have aromatic ring on their side chain and the peptide chain (phe-gly-gly-phe), and the host-guest complexes of hexacyclene molecule (cyclic amine) with transition metal ions (Cu2+, Ni2+ and Co2+) were examined by ESI-MS and MALDI-MS. Stoichiometries, stability constants, dissociation constants of these complexes were investigated.In this study, specific complex formation stoichiometry of ß-cyclodextrin with amino acids which have aromatic ring on their side chain were defined as 1:1 ratio and the complex formation tendency was determined as L-tyrosine > L-phenylalanine > L-phenylalanine placement. The non-specific complex formation stoichiometry (such as 1:2 or 2:1 stoichiometric ratio) was not acquired. Stability constants (Kst) of complexes were calculated with Benesi-Hildebrand method that were 2,00x105 M-1, 1,39x105 M-1,1,06x105 M-1, respectively and with Scatchard method that were 8,82x104 M-1, 7,09x104 M-1, 6,54x104 M-1, respectively. Stoichiometry of specific non-covalent complexes of hexacyclene with transition metal ions at pH 13.0 were defined as 1:1 ratio. Sequence of complex stability constants were identified as Cu(II) > Ni(II) > Co(II). The decrease of the stability of complexes were detected while collision energy in ESI-MS and laser energy in MALDI-MS were increased gradually and also dissociation constants of studied complexes were determined.