«Спектроскопия ядерного магнитного резонанса биомолекул» Лекция 1 Краткий план лекционного мини-курса
advertisement
Краткий план лекционного мини-курса «Спектроскопия ядерного магнитного резонанса биомолекул» Лекция 1 •Введение в спектроскопию ЯМР •Принципы метода и его возможности для изучения биомолекул •Аппаратура ЯМР •Спектральные параметры и их связь со строением молекул •Основные подходы и методики, используемые для изучения строения биомолекул Лекция 2 •Методы отнесения сигналов в спектрах ЯМР к группам и атомам аминокислотных остатков белков •Установление структуры белков и нуклеиновых кислот методом ЯМР •Изучение динамических свойств белков •Методы ЯМР для изучения больших биомолекул •Перспективы развития метода Важнейшие области применения спектроскопии ЯМР 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Изучение строения и свойств органических соединений Определение структуры биомакромолекул Изучение динамических свойств биомолекул Изучение белок-лигандных взаимодействий (ЯМР-скрининг биологически активных соединений) Мониторинг состава биологических жидкостей (метабономика) Визуализация объектов живой и неживой природы (ЯМРтомография) Мониторинг процессов, происходящих в живом организме (in-vivo спектроскопия) Исследование функциональной активности мозга (f-MRI) Спектроскопия ЯМР – важный инструмент исследования структуры биомолекул Структура высокого разрешения в растворе для комплекса дигидрофолатредуктазы (16 кДа) с триметопримом и НАДФН The Nobel Prize in Physics 1944 Isidor Isaac Rabi, USA The Nobel Prize in Physics 1952 Felix Bloch, USA Edward Mills Purcell, USA The Nobel Prize in Chemistry 1991 Richard R. Ernst, Switzerland The Nobel Prize in Chemistry 2002 Kurt Wűthrich , Switzerland The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2003 Paul C. Lauterbur, USA Sir Peter Mansfield, UK За резонансный метод записи магнитных свойств атомных ядер За создание нового метода измерения ядерной магнитной прецессии и последующие связанные с ним открытия За вклад в развитие методологии спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) высокого разрешения За развитие методов спектроскопии ядерного магнитного резонанса для исследования трехмерной структуры биологических макромолекул в растворе За открытия в области визуализации биообъектов ЗАВОЙСКИЙ Евгений Константинович (1907 - 1976) 1941 г. - впервые зарегистрировал сигнал ядерного магнитного резонанса 1944 г. - открытие электронного парамагнитного резонанса Специализированные научные журналы по ЯМР Важнейшие научные журналы, публикующие ЯМР исследования Спиновый угловой момент ядра Некоторые ядра обладают спиновым угловым моментом P, который обуславливает появление у этого ядра магнитного момента m m = gP g – гиромагнитное отношение (свойство ядра) Угловой спиновый момент квантован. Собственные (разрешенные) значения проекции Рz: Pz=ħmI где магнитное квантовое число mI=I, I-1, I-2, …, -I I – спиновое квантовое число (свойство ядра) Спиновые состояния ядер Протон (p) Нейтрон (n) DE ~ 1011 kJ mol-1 Спин ядра в основном состоянии Свойства некоторых биологически важных ядер Магнитные свойства ядер J – момент количества движения m – магнитный момент ядра B0 – магнитное поле Прецессия ядра, обладающего магнитным моментом в магнитном поле Магнитные свойства ядер Расщепление энергетических уровней ядра в магнитном поле Энергия магнитного диполя в магнитном поле: E = mz·Bo E = g·ħ/2p·mI·Bo для DmI = 1 DE = g·h /2p ·Bo Частота прецессии ядер (Ламорова частота) DE = g·h/2p ·Bo DE = hn n = g·Bo/2p (частота в Гц) w = g·Bo (частота в рад/с) Области электромагнитного поля Влияние магнитного поля на ансамбль ядерных спинов Ансамбль ядерных спинов Ансамбль ядерных спинов в присутствии магнитного поля Поляризация намагниченности ансамбля ядерных спинов Na/Nb= exp(-DE/kT) При 1.4 T (60 МГц) избыток населенности ядер 1Н составляет всего 0.001% При 18.7 T (800 МГц) избыток населенности ядер 1Н составляет 0.064% Поведение ядерных спинов в присутствии переменного электромагнитного поля Воздействие радиочастотного импульса на систему ядер, имеющих магнитный момент Наблюдение сигнала магнитной индукции Регистрация сигнала Наблюдение сигнала магнитного резонанса Фурьепреобразование Резонансная частота (Ламорова частота) w = -gB Схема спектрометра ЯМР Сердце спектрометра ЯМР - магнит Магнит спектрометра Bruker AVANCE 600 МГц в Центре магнитной томографии и спектроскопии МГУ Магнит спектрометра Varian 900 МГц Чувствительность эксперимента ЯМР Чувствительность спектрометра ЯМР S/N ~ 1/Tp1/2 «холодный» датчик Ампулы ЯМР Обычная ампула 5 мм Ампула Shigemi Фурье-спектроскопия ЯМР Измеряемые параметры ЯМР Наблюдаемые параметры Получаемая из них информация Химические сдвиги 1H, 13C, 15N, 19F, 31P Отнесение сигналов, вторичная структура белка, НК и т.д. Интегральные интенсивности сигналов Количество измеряемого компонента, кинетические характеристики Скорости обмена подвижных протонов на дейтерий Положение водородных связей, сворачивание и разворачивание белка и НК Константы спин-спинового взаимодействия (через химическую связь) Характеристика хим. связей (1J и 2J), диэдральные углы (3J), водородные связи (2hJ и 3hJ) Ядерные эффекты Оверхаузера (взаимодейств. через пространство) Расстояния между ядрами (1H – 1H < 5A), динамические характеристики (1H – 15N и т.п.) Ширины линий, времена релаксации ядер, кросс-релаксация Динамика, подвижность биомолекулы, конформационные переходы Константы диполь-дипольного взаимодействия Ориентация белковых доменов и биомолекулы в целом, динамические эффекты Магнитное экранирование ядер Ламорова частота (частота прецессии ядра): w = -gBloc Bloc = B0 - Binduced Внешнее магнитное поле индуцирует токи электронов Индуцированное локальное магнитное поле Химический сдвиг B = Bo (1-) = (w-wref) · 106/ wref - константа экранирования - химический сдвиг, м.д. Спектр ЯМР простого вещества Ванилин Влияние величины магнитного поля на вид спектра ЯМР Диапазон химических сдвигов различных ядер Кольцевые токи электронов Ароматические протоны (~6-8 м.д.) винильные протоны (~5-6 м.д.) альдегидные протоны (~9-10 м.д.) Спектр ЯМР простого вещества Взаимодействие ядер Спин-спиновое взаимодействие (посредством системы электронов => через химические связи) Взаимодействие ядер Спин-спиновое взаимодействие (посредством системы электронов => через химические связи) -CH2-CH3 Вицинальная константа спин-спинового взаимодействия (через 3 связи) Уравнение Карплуса Взаимодействие ядер Прямое диполь-дипольное взаимодействие В твердых телах или ориентированных средах – расщепление сигналов Qjk Djk ~ 1/rjk3 (3cos2Qjk – 1) В жидкостях – скорость релаксации сигнала ЯМР и ядерный эффект Оверхаузера NOE ~ 1/rjk6 Спектр ЯМР белка Двумерная спектроскопия ЯМР Фурье-преобразование по t2 Фурье-преобразование по t1 Двумерная спектроскопия ЯМР t1 t2 f2 t1 f2 f1 COSY – COrrelated SpectroscopY COSY – COrrelated SpectroscopY 2D спектр COSY белка ~ 20 кДа NOESY – Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY Интенсивность сигнала ~ ЯЭО между протонами i и j ~ 1/rij6 NOESY – Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY 1 mM h-DHFR in D2O, 800 MHz Гетероядерная 2D спектроскопия ЯМР 2D спектр гетероядерной (15N-1H) корреляции 2D спектр гетероядерной (13С-1H) корреляции
