生物物理学 第09讲核磁共振技术的生物物理学应用

NMRSpectroscopyinBiophysics核磁共振技术的生物物理学应用2核磁共振基本原理半数以上的原子核具有自旋，旋转时产生一小磁场。当加一外磁场，这些原子核的能级将分裂，即塞曼效应。2023/2/183B(magneticfield)Energynuclearspin,I=½+½-½产生核磁共振的基本条件核磁共振基本原理2023/2/184Thespectrometer2023/2/185核磁共振基本原理Figure.测定在强磁场中的样品。图中标示出了在液氮和液氦冷却下的核磁仪内部，把脉冲无线电波发射到样品上，从而得到样品的响应电频信号，分析此响应信号即得到NMR谱图。2023/2/186化学位移(Thechemicalshift)化学位移取决于原子的化学环境:

• theatomtype(NH,aliphaticCH,aromaticCH,...)

• theaminoacidtype(Ala,Phe,...)

• thechemical(spatial)environmentTheresonantfrequencyofacertainatomiscalledchemicalshift.Forconvenience,thechemicalshiftisexpressedasfollows:n(sample)–n(reference)spectrometerfrequency(ppm)=106

•2023/2/187The1DspectrumofapeptideNHCHCNOHCH28765432ppm2023/2/188自旋耦合(spincoupling)

邻近质子之间会因互相之间的作用影响对方的核磁共振吸收,并引起谱线增多。这种原子核之间的相互作用称为自旋偶合(spincoupling)。因自旋偶合而引起的谱线增多的现象称为自旋-自旋裂分，简称自旋裂分。

2023/2/189NOE效应由于二个核的空间位置很靠近，相互弛豫较强，当A受到磁照射达饱和时,它要把能量转移给B，于是B吸收的能量增多，共振信号增大。这一效应的大小与核间距离的六次方成反比。自旋偶合是解决氢基团之间相邻的关系，它们之间的能量是通过键(n<3)传递的。NOE效应是描述氢原子之间的空间相近。2023/2/1810TheassignmentproblemWhichresonancecorrespondstowhichatom?NHCHCNOHCH3CHH3Cthrough-bondsmagnetizationtransfer(J-couplings)through-spacemagnetizationtransfer(NOE)2023/2/1811The2DspectrumTheinformationcontainedin1Dspectracanbeexpandedinasecond(frequency)dimension2DNMRIna1Dexperimentaresonance(line)isidentifiedbyasinglefrequency:NH(f1nh)In2Dspectra,aresonance(cross-peak)isidentifiedbytwodifferentfrequencies:NH(f1nh,f2ha)NH(f1nh,f2ha)Usually,thesecondfrequencydependsonhowtheNMRexperimentisdesigned.f1f22023/2/1812The2Dspectrumofapeptide(DQF-COSY)Ac-GRGGFGGRG-NH2NHCHCNOHCH2Ph2023/2/1813+NHCHCNOHCH2~++++++++NOESY谱:确定核在空间相对位置的2D谱2023/2/1814发展历史1924年Pauli假设特定的原子核具有自旋和磁矩，放入磁场中会产生能级分裂1952年Stanford大学的Bloch和Harvard大学的Purcell各自独立证实了上述假设，获NobelPrize1953年，诞生第一台NMR仪器FT-NMR1991年，Ernst对高分辨核磁共振方法发展，获NobelPrize2002年，生物大分子的核磁分析获NobelPrize2023/2/1815从2002年诺贝尔化学奖说起2023/2/1816溶液中测定生物大分子结构原理:选择生物大分子中的质子(氢原子核)作为测量对象，利用核磁共振技术连续测定所有相邻的两个质子之间的距离和方位，这些数据经计算机处理后就可形成生物大分子的三维结构。2023/2/1817首个利用NMR测定的蛋白1985年,维特里希等人公布了第一次利用NMR法测定的溶液中蛋白质，蛋白酶抑制剂IIA(proteinaseinhibitorIIA)的结构。

1990年用NMR测定的蛋白质结构有23个,而到1994年一年测定的蛋白质结构数上升到100个。2023/2/1818利用NMR测定蛋白感染素1997年,维特里希应用NMR方法首次测定了蛋白感染素(prionprotein)的结构。PDBID:1AG22023/2/1819作业:在PDB数据库里面查找1AG2的三维结构，并决定在结构中有几个beta-sheet(β折叠)和alpha-helices(α螺旋),并结合以前学到的知识，简要阐述为什么这样的结构具有传染性。(提示:可查找原始文献)2023/2/1820NMR技术主要优点蛋白质处于溶液状态，适合研究蛋白质-蛋白质，蛋白质-核酸以及蛋白质-配体相互作用；可研究膜蛋白；2023/2/1821NMR技术主要优点操作测量相对简单，精度较高；现在大约15-20%的新蛋白质的结构由核磁共振方法得到；2023/2/1822NMR蛋白结构确定的基本原理Magnetizationistransferredfromhydrogento13Cnuclei.Fromhereitistransferredtoother13Cnucleiwhicharecloseinspace2023/2/1823NMR蛋白结构研究的步骤可行性验证必须判断多肽或蛋白质是否在溶液中聚集必须判断蛋白质的折叠态是否对温度和pH稳定必须判断化学位移的分散度是否足够大一般来讲在溶液中测定的蛋白质大小上限为300个残基左右

2023/2/1824NMR蛋白结构研究的步骤选择最适的温度，pH值及溶剂条件进行一系列核磁实验；进行谱峰证认,即确定不同核磁谱上的各个谱峰对应的蛋白质中原子；获得一系列与空间结构相关的信息如NOE等,用距离几何或分子动力学方法计算空间结构。2023/2/18252023/2/1826磁共振技术在医学上应用MRI(核磁共振摄影)-2003年诺贝尔医学奖第一台原型机由PaulC.Lauterbur在SUNY-StonyBrook发明2023/2/1827磁共振技术在医学上应用机器造价高，检查费用高检查时间相对较长。身体有不能除去的金属异物如心脏起博器、固定支架等绝对不能做核磁共振检查，此为禁忌症。遗留在体内的金属铁离子影响图像质量，甚至不能做诊断。2023/2/1828Ernst(1991.诺贝尔奖得主)曾形象的把核磁共振技术比喻成一棵大树，发展最早和