Ядерный эффект Оверхаузера - Nuclear Overhauser effect

В ядерный эффект Оверхаузера (NOE) - это передача поляризация ядерных спинов от одной популяции спин-активный ядра (например, 1ЧАС, 13C, 15N и т. Д.) К другому через кросс-релаксация. Феноменологическое определение НЭ в спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) - это изменение интегральной интенсивности (положительное или отрицательное) одного резонанса ЯМР, которое происходит, когда другой резонанс насыщается излучением RF поле. Изменение резонансной интенсивности ядра является следствием того, что ядра находятся в пространстве, близком к тем, на которые непосредственно влияет РЧ-возмущение.

NOE особенно важен для определения резонансов ЯМР, а также для выяснения и подтверждения структур или конфигураций органических и биологических молекул. Двумерный эксперимент NOE (NOESY) является важным инструментом для определения стереохимии белков и других биомолекул в растворе, тогда как в твердой форме для определения стереохимии необходимо использовать дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах.[1][2][3]

История

NOE разработан на основе теоретических работ американского физика. Альберт Оверхаузер который в 1953 году предложил ядерный спиновая поляризация может быть усилена микроволновым излучением проводимости электроны в некоторых металлах.[4] Электронно-ядерное усиление, предсказанное Оверхаузером, было экспериментально продемонстрировано в 7Ли-метал Т. Р. Карвера и К. П. Слихтера также в 1953 году.[5] Генерал теоретические основы и экспериментальное наблюдение эффекта Оверхаузера с участием только ядерный спины в молекуле HF были опубликованы Ионелом Соломоном в 1955 году.[6] Другое раннее экспериментальное наблюдение NOE было использовано Кайзером в 1963 году, чтобы показать, как NOE может использоваться для определения относительных знаков скалярной константы связи и отнести спектральные линии в спектрах ЯМР к переходам между уровнями энергии. В данной работе резонанс одной популяции протонов (1H) в органической молекуле было усилено, когда вторая отдельная популяция протонов в той же органической молекуле была насыщенный радиочастотным излучением.[7] Применение NOE было использовано Анет и Борном в 1965 году для подтверждения назначения ЯМР-резонансов для β, β-диметилакриловой кислоты и диметилформамида, показало, что информация о конформации и конфигурации органических молекул может быть получена.[8] Белл и Сондерс сообщили о прямой корреляции между усилением NOE и межъядерными расстояниями в 1970 г. [9] в то время как о количественных измерениях межъядерных расстояний в молекулах с тремя и более спинами сообщили Schirmer et al. [10]

Ричард Р. Эрнст был награжден 1991 Нобелевская премия по химии для развития преобразование Фурье и двумерная спектроскопия ЯМР, который вскоре был адаптирован для измерения NOE, особенно в больших биологических молекулах.[11] В 2002, Курт Вутрих получил Нобелевскую премию по химии за разработку спектроскопии ядерного магнитного резонанса для определения трехмерной структуры биологических макромолекул в растворе, демонстрируя, как метод 2D NOE (НЕТ) может использоваться для ограничения трехмерных структур больших биологических макромолекул.[12]. Профессор Анил Кумар был первым, кто применил двумерный Ядерный эффект Оверхаузера (2D-NOE, теперь известный как NOESY) эксперимент с биомолекулой, который открыл поле для определения трехмерных структур биомолекул в растворе с помощью ЯМР-спектроскопии.[13]

Расслабление

Диаграмма уровней энергии спина ядра для двух спинов12 ядра. [3]
Последовательность устойчивых импульсов для 1H NOE эксперименты

NOE и ядерная спин-решеточная релаксация являются тесно связанными явлениями. За одно вращение-12 ядра в магнитном поле есть два энергетических уровня, которые часто обозначаются как α и β, которые соответствуют двум возможным квантовым состояниям спина, +12 и -12, соответственно. При тепловом равновесии населенность двух уровней энергии определяется величиной Распределение Больцмана с населенностями спинов, заданными пα и пβ. Если спиновые населенности возмущены соответствующим радиочастотным полем на частоте энергии перехода, спиновые населенности возвращаются к тепловому равновесию в результате процесса, называемого спин-решеточная релаксация. Скорость переходов от α к β пропорциональна заселенности состояния α, пα, и является процессом первого порядка с константой скорости W. Условие выравнивания спиновых населенностей непрерывным радиочастотным излучением (пα = пβ) называется насыщенность и резонанс исчезает, поскольку вероятности переходов зависят от разности населенностей уровней энергии.

В простейшем случае, когда имеет значение NOE, резонансы двух спиновых12 ядра I и S химически сдвинуты, но не J-соединенный. Энергетическая диаграмма для такой системы имеет четыре энергетических уровня, которые зависят от спиновых состояний I и S, соответствующих αα, αβ, βα и ββ соответственно. В W 's - вероятности в единицу времени, что произойдет переход между четырьмя энергетическими уровнями, или, другими словами, скорость, с которой происходят соответствующие перевороты спина. Есть два одиночных квантовых перехода, W1я, соответствующие αα ➞ αβ и βα ➞ ββ; W1S, соответствующие αα ➞ βα и βα ➞ ββ; нулевой квантовый переход, W0, соответствующий βα ➞ αβ, и двойной квантовый переход, соответствующий αα ➞ ββ.

В то время как радиочастотное излучение может вызывать только одноквантовые переходы (из-за так называемого квантово-механического правила отбора ) приводя к наблюдаемым спектральным линиям, диполярная релаксация может происходить по любому из путей. Диполярный механизм - единственный распространенный механизм релаксации, который может вызывать переходы, в которых меняется более одного спина. В частности, механизм диполярной релаксации вызывает переходы между состояниями αα и ββ (W2) и между состояниями αβ и βα (W0).

Выраженный через их объемные намагниченности ЯМР, экспериментально наблюдаемый стационарный NOE для ядра I, когда резонанс ядра S является насыщенным () определяется выражением:

куда - намагниченность (резонансная интенсивность) ядра при тепловом равновесии. Аналитическое выражение для NOE можно получить, рассмотрев все пути релаксации и применив Уравнения Соломона чтобы получить

куда

и .

- полная скорость продольной дипольной релаксации () спина я из-за наличия спина s, называется кросс-релаксация скорость и и являются магнитогирические отношения характеристика и ядра соответственно.

Насыщение дегенеративного W1S переходы нарушают равновесие населения, так что пαα = пαβ и пβα = пββ. Однако пути релаксации системы остаются активными и действуют для восстановления равновесия, за исключением того, что W1S переходы не имеют значения, поскольку различия в населенности между этими переходами фиксируются радиочастотным излучением, в то время как разница в населенности между Wя переходов не меняется от своих равновесных значений. Это означает, что если бы только одиночные квантовые переходы были активны как пути релаксации, насыщая резонанс не повлияет на интенсивность резонанс. Следовательно, чтобы наблюдать NOE на резонансной интенсивности I, вклад и должно быть важно. Эти пути, известные как кросс-релаксация пути, вносят значительный вклад в спин-решеточную релаксацию только тогда, когда в релаксации преобладают диполь-дипольные или скалярные взаимодействия взаимодействия, но скалярное взаимодействие редко играет важную роль и предполагается, что им можно пренебречь. В гомоядерном случае, когда , если является доминирующим путем релаксации, затем насыщающий увеличивает интенсивность резонанс и NOE положительный, тогда как если основной путь релаксации, насыщающий снижает интенсивность резонанс и NOE отрицательный.

Молекулярное движение

Будет ли NOE положительным или отрицательным, во многом зависит от степени вращательного движения молекул.[3] Три пути дипольной релаксации вносят вклад в разную степень спин-решеточной релаксации в зависимости от ряда факторов. Ключевой из них является то, что баланс между ω2, ω1 и ω0 в решающей степени зависит от молекулярных время корреляции вращения, , время, необходимое молекуле для поворота на один радиан. Теория ЯМР показывает, что вероятности переходов связаны с и Частоты ларморовской прецессии, , отношениями:

куда это расстояние, разделяющее два спиновых12 Чтобы релаксация произошла, частота вращения молекул должна соответствовать ларморовской частоте ядра. В мобильных растворителях опрокидывание молекул происходит намного быстрее, чем . Так называемый предел экстремального сужения, где ). В этих условиях двухквантовая релаксация ω2 эффективнее, чем ω1 или ω0, поскольку τc и 2ω0 совпадение лучше, чем τc и ω1. Когда ω2 является доминирующим процессом релаксации, положительный результат ННЭ.

Это выражение показывает, что для гомоядерного случая, когда я = S, особенно для 1ЧАС ЯМР, максимальный NOE, который можно наблюдать, составляет 1 2 независимо от близости ядер. В гетероядерном случае, когда яSмаксимальное значение NOE равно 1 2 (γS/γя), что при наблюдении гетероядер в условиях широкополосной развязки протонов может привести к значительному повышению чувствительности. Самый важный пример в органической химии - это наблюдение 13C при развязке 1H, который также насыщает 1J-резонансы. Значение γS/γя близко к 4, что дает максимальное усиление NOE на 200%, давая резонансы в 3 раза сильнее, чем они были бы без NOE.[14] Во многих случаях к атомам углерода присоединен протон, из-за чего в релаксации преобладает диполярная релаксация, а NOE приближается к максимуму. Для непротонированных атомов углерода усиление NOE невелико, в то время как для атомов углерода, релаксация которых осуществляется за счет механизмов релаксации, отличных от диполь-дипольных взаимодействий, усиление NOE может быть значительно уменьшено. Это одна из причин использования дейтерированных растворителей (например, CDCl3 ) в 13C ЯМР. Поскольку дейтерий релаксирует по квадрупольному механизму, пути перекрестной релаксации отсутствуют, и NOE не существует. Еще один важный случай 15N, пример, когда значение его магнито-гироскопического отношения отрицательно. Часто 15N резонансов уменьшается или NOE может фактически обнулить резонанс, когда 1Ядра H не связаны. Обычно такие спектры выгодно снимать импульсными методами, которые включают передачу поляризации от протонов к 15N для минимизации отрицательного ННЭ.

Выяснение структуры

Анет и Борн сообщили о первых NOE [8]

В то время как связь между установившимся NOE и межъядерным расстоянием является сложной, в зависимости от скоростей релаксации и молекулярного движения, во многих случаях для небольших быстро падающих молекул в пределе экстремального сужения полуколичественная природа положительных NOE полезна для многих структурных приложений. часто в сочетании с измерением констант J-связи. Например, улучшения NOE можно использовать для подтверждения назначений резонанса ЯМР, различения структурных изомеров, идентификации паттернов замещения ароматических колец и конфигураций алифатических заместителей и определения конформационных предпочтений.[3]

Тем не менее, межатомные расстояния, полученные из наблюдаемого NOE, часто могут помочь подтвердить трехмерную структуру молекулы.[3][14] В этом приложении NOE отличается от приложения J-муфта в том, что NOE происходит через пространство, а не через химические связи. Таким образом, атомы, которые находятся в непосредственной близости друг от друга, могут давать NOE, тогда как спиновая связь наблюдается только тогда, когда атомы соединены 2–3 химическими связями. Однако отношение ηяS(макс) =12 затемняет, как NOE связано с межъядерными расстояниями, потому что это применимо только для идеализированного случая, когда в релаксации на 100% доминируют диполь-дипольные взаимодействия между двумя ядрами I и S. На практике значение ρя содержит вклад других конкурирующих механизмов, которые служат только для уменьшения влияния W0 и W2 за счет увеличения W1. Иногда, например, релаксация из-за электронно-ядерных взаимодействий с растворенным кислородом или примесями ионов парамагнитных металлов в растворителе может препятствовать наблюдению слабых усилений NOE. Наблюдаемый NOE при наличии других механизмов релаксации определяется выражением

где ρ - дополнительный вклад в общую скорость релаксации от механизмов релаксации, не связанных с перекрестной релаксацией. Используя ту же идеализированную двухспиновую модель для дипольной релаксации в пределе экстремального сужения:

Легко показать [14] который

Таким образом, двухспиновый стационарный NOE зависит от межъядерного расстояния только тогда, когда есть вклад от внешней релаксации. Белл и Сондерс показали, что при строгих предположениях ρ/ τc почти постоянна для подобных молекул в пределе экстремального сужения.[9] Следовательно, взяв отношения стационарных значений NOE, можно получить относительные значения для межъядерного расстояния. р. Хотя стационарный эксперимент полезен во многих случаях, он может предоставить информацию только об относительных межъядерных расстояниях. С другой стороны, начальная ставка при котором NOE растет пропорционально рЯВЛЯЕТСЯ−6, который предоставляет другие, более сложные альтернативы для получения структурной информации с помощью временных экспериментов, таких как 2D-NOESY.

Двумерный ЯМР

Последовательность импульсов для стандартного двумерного эксперимента NOESY
2D NOESY спектр кодеина

Причины использования двумерного ЯМР для измерения NOE такие же, как и для других двумерных методов. Максимальное разрешение улучшается за счет распространения затронутых резонансов по двум измерениям, поэтому разрешается больше пиков, можно наблюдать более крупные молекулы и можно наблюдать больше NOE за одно измерение. Что еще более важно, когда молекулярное движение находится в режиме промежуточного или медленного движения, когда NOE либо равно нулю, либо отрицательно, стационарный эксперимент NOE не может дать результатов, которые могут быть связаны с межъядерными расстояниями.[3]

Молекула кодеина

Ядерная спектроскопия на эффекте Оверхаузера (NOESY) - это метод двумерной ЯМР-спектроскопии, используемый для идентификации ядерных спинов, подвергающихся кросс-релаксации, и измерения их скоростей кросс-релаксации. С 1H-диполь-дипольные связи обеспечивают первичные средства перекрестной релаксации для органических молекул в растворе, спины, подвергающиеся перекрестной релаксации, - это спины, близкие друг к другу в пространстве. Следовательно, кросс-пики спектра NOESY показывают, какие протоны находятся близко друг к другу в пространстве. В этом отношении эксперимент NOESY отличается от эксперимента CZY, который полагается на J-связь для обеспечения спин-спиновой корреляции, и чьи кросс-пики показывают, какие 1H близки к другим 1H через химические связи молекулы.

Базовая последовательность NOESY состоит из трех импульсов под углом 90 °. Первый импульс создает поперечную спиновую намагниченность. Спины прецессируют за время эволюции t1, которая увеличивается в ходе 2D эксперимента. Второй импульс создает продольную намагниченность, равную поперечной составляющей намагниченности, ортогональной направлению импульса. Таким образом, идея состоит в том, чтобы создать начальное условие для периода перемешивания τм. Во время смешивания NOE может происходить перенос намагниченности посредством кросс-релаксации. Для базового эксперимента NOESY τм остается постоянным на протяжении всего 2D эксперимента, но выбирается для оптимальной скорости перекрестной релаксации и увеличения NOE. Третий импульс создает поперечную намагниченность из оставшейся продольной намагниченности. Сбор данных начинается сразу после третьего импульса, и поперечная намагниченность наблюдается как функция времени задержки импульса t.2. Спектр NOESY генерируется двумерным преобразованием Фурье по t1 и т2. Проводят серию экспериментов с увеличением времени перемешивания, и отслеживают увеличение NOE. Самые близкие протоны показывают самые быстрые темпы нарастания NOE.

Расстояние между протонами может быть определено из однозначно заданных, хорошо разрешенных спектров NOESY с высоким отношением сигнал / шум путем анализа интенсивностей кросс-пиков. Их можно получить путем объемного интегрирования и преобразовать в оценки межпротонных расстояний. Расстояние между двумя атомами и можно рассчитать из объемов кросс-пиков и постоянная масштабирования

куда могут быть определены на основе измерений известных фиксированных расстояний. Диапазон расстояний может быть указан на основе известных расстояний и объемов в спектре, что дает среднее и стандартное отклонение , измерение нескольких областей в спектре NOESY, не показывающее пиков, т.е. шум , а ошибка измерения . Параметр устанавливается так, чтобы все известные расстояния находились в пределах ошибки. Это показывает, что может отображаться нижний диапазон громкости NOESY.

и что верхняя граница равна

Такие фиксированные расстояния зависят от исследуемой системы. Например, заблокированные нуклеиновые кислоты имеют много атомов, расстояние между которыми в сахаре очень мало варьируется, что позволяет оценить гликозидные торсионные углы, что позволило ЯМР сравнивать предсказания молекулярной динамики LNA.[15] РНК, однако, содержат сахара, которые намного более гибки в конформационном отношении и требуют более широких оценок низких и высоких границ.[16]

В работе с белками NOE используются для ограничения внутримолекулярных расстояний. В этом методе каждая пара протонов рассматривается изолированно, и интенсивности кросс-пиков NOESY сравниваются с эталонным кросс-пиком от протонной пары на фиксированном расстоянии, такой как пара геминальных метиленовых протонов или протонов ароматического кольца. Этот простой подход достаточно нечувствителен к воздействию спиновая диффузия или неоднородное время корреляции, и обычно может привести к определению глобальной складки белка при условии, что было идентифицировано достаточно большое количество NOE. Перекрестные пики NOESY можно классифицировать как сильные, средние или слабые и могут быть переведены в верхние ограничения расстояния около 2,5, 3,5 и 5,0 Å соответственно. Такие ограничения затем могут быть использованы при оптимизации молекулярной механики, чтобы получить картину конформации состояния раствора белка.[17] Определение полной структуры основано на различных экспериментах ЯМР и методах оптимизации, использующих как химический сдвиг, так и ограничения NOESY.

Экспериментальные методы

Некоторые примеры экспериментальных методов одно- и двумерного ЯМР, использующих NOE, включают:

  • NOESY, Ядерная спектроскопия эффекта Оверхаузера
  • HOESY, Гетероядерная спектроскопия эффекта Оверхаузера
  • РОУЗИ, Ядерная спектроскопия на основе эффекта Оверхаузера с вращающейся рамой
  • TRNOE, перенесенный ядерный эффект Оверхаузера
  • DPFGSE-NOE, эксперимент с двойным импульсным полевым градиентом спинового эха NOE

NOESY - это определение относительной ориентации атомов в молекуле, например, в белке или другой большой биологической молекуле, создавая трехмерную структуру. HOESY - это NOESY взаимная корреляция между атомами разных элементов. ROESY включает спин-синхронизацию намагниченности, чтобы предотвратить ее стремление к нулю, что применяется для молекул, для которых обычный NOESY не применим. TRNOE измеряет NOE между двумя разными молекулами, взаимодействующими в одном растворе, как при связывании лиганда с белком.[18] В эксперименте DPFGSE-NOE - переходный эксперимент, который позволяет подавить сильные сигналы и, таким образом, обнаружить очень маленькие NOE.

Примеры ядерного эффекта Оверхаузера

Ядерный эффект Оверхаузера[19]

На рисунке (вверху) показано, как ядерная спектроскопия на эффекте Оверхаузера может выяснить структуру переключаемого соединения. В этом примере[19] протон, обозначенный как {H}, показывает два разных набора NOE в зависимости от изомеризация государственный (СНГ или же транс) переключаемого азо группы. в транс состояние протона {H} далеко от фенильная группа показаны NOE синего цвета; в то время как СНГ состояние удерживает протон {H} вблизи фенильной группы, что приводит к появлению новых NOE (показаны красным).

Другой пример (внизу), где приложение, в котором NOE полезно для назначения резонансов и определения конфигурации, - это полисахариды. Например, сложные глюканы обладают множеством перекрывающихся сигналов, особенно в протонном спектре. Следовательно, полезно использовать эксперименты 2D ЯМР, включая NOESY, для определения сигналов. См., Например, ННЭ углеводов.

Методы гомоядерного ЯМР в исследованиях углеводов.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Noggle, Джозеф H .; Ширмер, Роджер Э. (1971). Ядерный эффект Оверхаузера: применение в химии. Академическая пресса.
  2. ^ Нейгауз, Давид; Уильямсон, Майкл П. (2000). Ядерный эффект Оверхаузера в структурном и конформационном анализе, 2-е изд.. Wiley-VCH.
  3. ^ а б c d е ж Кларидж, Тимоти Д.В. (2016). Методы ЯМР высокого разрешения в органической химии, 3-е изд.. Эльзевир. п. 315. ISBN  978-0080999869.
  4. ^ Оверхаузер, Альберт В. (1953). «Поляризация ядер в металлах». Физический обзор. 92 (2): 411–5. Дои:10.1103 / PhysRev.92.411.
  5. ^ Carver, T.R .; Слихтер, К. (1953). «Поляризация ядерных спинов в металлах». Физический обзор. 92 (1): 212–213. Дои:10.1103 / PhysRev.92.212.2.
  6. ^ Соломон, I (1955). «Релаксационные процессы в системе двух спинов» (PDF). Phys. Rev. 99 (2): 559. Дои:10.1103 / PhysRev.99.559.
  7. ^ Кайзер, Р. (1962). «Использование ядерного эффекта Оверхаузера в анализе спектров ядерного магнитного резонанса высокого разрешения». Журнал химической физики. 39 (1): 2435–2442. Дои:10.1063/1.1734045.
  8. ^ а б Anet, F. A. L .; Борн, А. Дж. Р. (1965). "Спектральные отнесения ядерного магнитного резонанса от ядерных эффектов Оверхаузера". Журнал Американского химического общества. 87 (22): 5250–5251. Дои:10.1021 / ja00950a048.
  9. ^ а б R.A., Bell; Сондерс, Дж. (1970). «Корреляция внутримолекулярного ядерного эффекта Оверхаузера с межъядерным расстоянием». Может. J. Chem. 48 (7): 1114–1122. Дои:10.1139 / v70-184.
  10. ^ Schirmer, R.E .; Noggle, J.H .; Davis, J.P .; Харт, П.А. (1970). «Определение молекулярной геометрии путем количественного применения ядерного эффекта Оверхаузера». Варенье. Chem. Soc. 92 (11): 3266–3273. Дои:10.1021 / ja00714a005.
  11. ^ "Нобелевская премия по химии 1991 г.". Nobelprize.org. Получено 2018-03-07.
  12. ^ "Нобелевская премия по химии 2002 г.". Nobelprize.org. Получено 2011-03-24.
  13. ^ Кумар, Анил; Эрнст, Р.Р .; Вютрих, К. (июль 1980 г.). «Двумерный ядерный эксперимент по усилению Оверхаузера (2D NOE) для выяснения полных протон-протонных сетей кросс-релаксации в биологических макромолекулах». Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях. 95 (1): 1–6. Дои:10.1016 / 0006-291X (80) 90695-6. PMID  7417242.
  14. ^ а б c Дером, Эндрю Э. (1987). Современные методы ЯМР для химических исследований. Пергамон. п.106. ISBN  978-0080325149.
  15. ^ Дэвид Э. Кондон; Ильяс Йылдырым; Скотт Д. Кеннеди; Брендан С. Морт; Рышард Кежек; Дуглас Х. Тернер (декабрь 2013 г.). «Оптимизация силового поля AMBER для искусственной нуклеиновой кислоты, LNA и сравнительный анализ с помощью ЯМР L (CAAU)». J. Phys. Chem. B. 118 (5): 1216–1228. Дои:10.1021 / jp408909t. ЧВК  3917691. PMID  24377321.
  16. ^ Кондон Д.Е., Кеннеди С.Д., Морт BC, Кежек Р., Йилдирим И., Тернер Д.Х. (июнь 2015 г.). «Укладка в РНК: ЯМР четырех тетрамеров, эталон молекулярной динамики». Журнал химической теории и вычислений. 11 (6): 2729–2742. Дои:10.1021 / ct501025q. ЧВК  4463549. PMID  26082675.
  17. ^ Браун, В .; Го, Н. (1985). «Расчет конформаций белков с помощью ограничений протон-протонного расстояния - новый эффективный алгоритм». J. Mol. Биол. 186 (3): 611–626. Дои:10.1016/0022-2836(85)90134-2. PMID  2419572.
  18. ^ Ни, Фэн; Шерага, Гарольд А. (1994). «Использование перенесенного ядерного эффекта Оверхаузера для определения конформации лигандов, связанных с белками». Отчеты о химических исследованиях. 27 (9): 257–264. Дои:10.1021 / ar00045a001. ISSN  0001-4842.
  19. ^ а б М. Казем-Ростами, Н. Г. Ахмедов и С. Фарамарзи (2019). «Молекулярные световые переключатели в форме лямбда: спектроскопические и вычислительные исследования фотоизомеризации бисазо-аналогов основания Трегера». Журнал молекулярной структуры. 1178: 538–543. Дои:10.1016 / j.molstruc.2018.10.071.

внешняя ссылка