close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Лекция 1

код для вставкиСкачать
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
Документ
Категория
Презентации
Просмотров
76
Размер файла
9 926 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа