Кіріспе
Ядролық магниттік резонанс спектроскопиясының әсері
Ядролық Оверхаузер эффектісі (NOE) – спинге ие ядролардың бір тобынан (мысалы, 1H, 13C, 15N және т.б.) екінші топқа кері байланыс арқылы спин поляризациясының берілуі. Ядролық магниттік резонанс спектроскопиясында (ЯМР) NOE-нің феноменологиялық анықтамасы – радиожиілік өрісімен сәулелендіру арқылы қанықтырылған кезде, бір ЯМР резонансының интегралдық интенсивтілігінің (оң немесе теріс) өзгеруі. Ядроның резонанстық қарқындылығының өзгеруі – ядроның радиожиілік бұзылысына тікелей ұшырағандарға кеңістікте жақын болуының салдары. NOE, ЯМР резонанстарын анықтауда, сондай-ақ органикалық және биологиялық молекулалардың құрылымын және конфигурациясын анықтау мен растау үшін ерекше маңызды. 1H екі өлшемді NOE спектроскопиясы (NOESY) тәжірибесі және оның кеңейтімдері – ерітіндідегі ақуыздар мен басқа да биомолекулалардың стереохимиясын анықтау үшін маңызды құралдар, ал қатты күйдегі кристалдық рентгендік дифракция стереохимияны анықтау үшін көбінесе қолданылады. Гетероядролық NOE, 13C ЯМР спектроскопиясында протонға байланысқан көміртектерді анықтау, осындай көміртектерге поляризацияны арттыру арқылы сигнал-шу қатынасын жақсарту және осы көміртектердің релаксациясы диполь-диполь релаксациялық механизмімен қаншалықты бақыланатынын анықтау үшін аса маңызды.
The nuclear Overhauser effect (NOE) is the transfer of nuclear spin polarization from one population of spin active nuclei (e. g. 1H, 13C, 15N etc.) to another via cross relaxation. A phenomenological definition of the NOE in nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) is the change in the integrated intensity (positive or negative) of one NMR resonance that occurs when another is saturated by irradiation with an RF field. The change in resonance intensity of a nucleus is a consequence of the nucleus being close in space to those directly affected by the RF perturbation. The NOE is particularly important in the assignment of NMR resonances, and the elucidation and confirmation of the structures or configurations of organic and biological molecules. The 1H two dimensional NOE spectroscopy (NOESY) experiment and its extensions are important tools to identify stereochemistry of proteins and other biomolecules in solution, whereas in solid form crystal x ray diffraction typically used to identify stereochemistry. The heteronuclear NOE is particularly important in 13C NMR spectroscopy to identify carbons bonded to protons, to provide polarization enhancements to such carbons to increase signal to noise, and to ascertain the extent the relaxation of these carbons is controlled by the dipole dipole relaxation mechanism.
Тарих
NOE американдық физик Альберт Оверхаузердің теориялық еңбегінен туындады. 1953 жылы ол ядролық спин поляризациясын кейбір металдардағы өткізгіш электрондарды микротолқынды сәулелендіру арқылы күшейтуге болатынын ұсынды. Оверхаузер болжаған электрон-ядролық күшейту 1953 жылы Т.Р. Карвер мен К.П. Слихтер 7Li металлында тәжірибелік түрде көрсетілді. 1955 жылы Ионель Соломон HF молекуласындағы тек ядролық спиндерді ғана қамтитын Оверхаузер эффектісінің жалпы теориялық негізін және тәжірибелік байқауын жариялады. Кайзер 1963 жылы NOE-нің тағы бір ерте тәжірибелік байқауын скалярлық байланыс тұрақтыларының салыстырмалы белгілерін анықтау және ЯМР спектрлеріндегі спектрлік сызықтарды энергия деңгейлері арасындағы өтулерге сәйкестендіру үшін NOE-ні қалай қолдануға болатынын көрсету үшін пайдаланды. Осы зерттеуде органикалық молекуладағы бір протон (1H) популяциясының резонансы, сол органикалық молекуладағы екінші ерекше протон популяциясы радиожиілік сәулеленумен қанықтырылғанда күшейтілді. Анет пен Бурн 1965 жылы β,β-диметилакрил қышқылы мен диметилформамидтің ЯМР резонанстарын сәйкестендіруді растау үшін NOE-ні қолданды, осылайша ерітіндідегі органикалық молекулалар туралы конформациялық және конфигурациялық ақпаратты алуға болатынын көрсетті. Белл мен Сондерс 1970 жылы NOE күшеюі мен ядроаралық қашықтықтар арасындағы тікелей корреляцияны хабарлады, ал үш немесе одан көп спинді молекулалардағы ядроаралық қашықтықтардың сандық өлшемдері туралы Ширмер және авторлар тобы мәлімдеді. Ричард Р. Эрнст 1991 жылы химия саласындағы Нобель сыйлығын Фурье түрлендіруі және екі өлшемді ЯМР спектроскопиясын жасағаны үшін алды, ол жақын арада NOE өлшеміне, әсіресе ірі биологиялық молекулаларда бейімделді. 2002 жылы Курт Вутрих химия саласындағы Нобель сыйлығын ерітіндідегі биологиялық макромолекулалардың үш өлшемді құрылымын анықтау үшін ядролық магниттік резонанс спектроскопиясын дамытқаны үшін жеңіп алды, бұл 2D NOE әдісін (NOESY) ірі биологиялық макромолекулалардың үш өлшемді құрылымын шектеу үшін қалай қолдануға болатынын көрсетті. Профессор Анил Кумар биомолекулаға екі өлшемді ядролық үдемелі эффект (2D NOE, қазір NOESY деп аталады) экспериментін алғаш рет қолданды, бұл ЯМР спектроскопиясы арқылы ерітіндідегі биомолекулалардың үш өлшемді құрылымын анықтау саласын ашты.
Тынығу
[[File:NOE энергия деңгейлері 2. png|thumb|upright=1.3|Екі спин 1/2 ядросы үшін ядролық спин энергия деңгейлерінің схемасы. Көп жағдайда көміртек атомдарында протоны болады, бұл релаксацияның диполярлық релаксация арқылы жүруіне және NOE-нің максимумқа жақын болуына себеп болады. Протонсыз көміртек атомдары үшін NOE күшеюі шамалы, ал диполь-дипольдік өзара әрекеттесулерден өзгеше релаксациялық механизмдер арқылы релаксацияланатын көміртектер үшін NOE күшеюі айтарлықтай төмендеуі мүмкін. Осы себепті 13C ЯМР-де дейтерийленген еріткіштер (мысалы, CDCl3) қолданылады. Дейтерий төртполярлы механизм арқылы релаксацияланады, сондықтан қиылысқан релаксация жолдары болмайды және NOE байқалмайды. Тағы бір маңызды жағдай – 15N, оның магнитогиролық қатынасының мәні теріс болатын мысал. Көбінесе 15N резонанстары әлсірейді немесе 1H ядролары бөлшектелген кезде NOE резонансты жоюы мүмкін. Мұндай спектрлерді протондардан 15N-ге поляризацияны беруді қамтитын импульстік техникалар арқылы алу тиімді, бұл теріс NOE-ні азайтуға көмектеседі.
Құрылымын түсіндіру
[[Файл:Мысалдар жоқ.png|thumb|Anet және Bourne еңбектерінде алғаш хабарланған NOE-лерде конформациялық жағынан икемді қанттар бар, сондықтан төменгі және жоғарғы шектерді бағалауда кең ауқым қажет. Ақуыз құрылымын сипаттауда NOE молекулаішілік қашықтықтарды шектеу үшін қолданылады. Бұл әдісте әрбір протон жұбы жеке қарастырылады және NOESY қиылыс интенсивтіліктері белгілі қашықтықтағы протон жұбының, мысалы, геминалды метилен протон жұбының немесе ароматикалық сақина протондарының эталондық қиылыс интенсивтіліктерімен салыстырылады. Бұл қарапайым тәсіл спин диффузиясының әсеріне немесе біркелкі емес корреляциялық уақыттарға салыстырмалы сезімтал емес және жеткілікті мөлшерде NOE анықталған жағдайда ақуыздың жалпы бүктелуін анықтауға көмектеседі. NOESY қиылыс шыңдары күшті, орташа немесе әлсіз деп жіктелуі мүмкін және олар тиісінше 2.5, 3.5 және 5.0 Å шамасындағы жоғарғы қашықтық шектеулеріне ауыстырылады. Мұндай шектеулер молекулалық механиканы оңтайландыруда ақуыздың ерітіндідегі конформациясын бейнелеу үшін қолданылуы мүмкін. Толық құрылымды анықтау үшін химиялық ығысу және NOESY шектеулерін пайдаланатын түрлі NMR эксперименттері мен оңтайландыру әдістері қажет.
Ядролық Overhauser әсерінің мысалдары
thumb|upright=1.3|Ядролық Оверхаузер эффектісі
Суретте (жоғарыда) Ядролық Оверхаузер эффектісі спектроскопиясы алмастырылатын қосылыстың құрылымын қалай анықтай алатыны көрсетілген. Бұл мысалда {H} деп белгіленген протон, ауыстырылатын азотоптардың изомеризациялық күйіне (цис немесе транс) байланысты NOE-нің екі түрлі жиынтығын көрсетеді. Транс күйде протон {H} фенил тобынан алыс орналасқан, көк түсті NOE-лерді көрсетеді; ал цис күйде протон {H} фенил тобының жанында орналасқан, нәтижесінде жаңа NOE-лер пайда болады (қызыл түспен көрсетілген). Резонанстарды анықтау және конфигурацияны белгілеу үшін NOE пайдалы болатын тағы бір мысал (төменде) – полисахаридтер. Мысалы, күрделі глюкандарда, әсіресе протон спектрінде, көптеген үсті-үстіне жатқан сигналдар болады. Сондықтан сигналдарды анықтау үшін NOESY-ді қоса алғанда, 2D ЯМР эксперименттерін пайдалану тиімді. Мысалы, көмірсулардың NOE-ін қараңыз. thumb|left|upright=1.5|Көмірсуларды зерттеудегі гомонуклеарлық ЯМР әдістері.
The figure (top) displays how Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy can elucidate the structure of a switchable compound. In this example, the proton designated as {H} shows two different sets of NOEs depending on the isomerization state (cis or trans) of the switchable azo groups. In the trans state proton {H} is far from the phenyl group showing blue coloured NOEs; while the cis state holds proton {H} in the vicinity of the phenyl group resulting in the emergence of new NOEs (show in red). Another example (bottom) where application where the NOE is useful to assign resonances and determine configuration is polysaccharides. For instance, complex glucans possess a multitude of overlapping signals, especially in a proton spectrum. Therefore, it is advantageous to utilize 2D NMR experiments including NOESY for the assignment of signals. See, for example, NOE of carbohydrates. thumb|left|upright=1.5|Homonuclear NMR techniques in carbohydrate studies.