Введение
Эффект ядерной магнитно-резонансной спектроскопии
Эффект ядерного Оверхаузера (NOE) – это передача ядерной спиновой поляризации от одной популяции спин-активных ядер (например, 1H, 13C, 15N и т.д.) к другой посредством перекрестной релаксации. Феноменологическое определение NOE в ядерной магнитно-резонансной спектроскопии (ЯМР) – это изменение интегральной интенсивности (положительное или отрицательное) одного ЯМР-сигнала, возникающее при насыщении другого сигнала радиочастотным полем. Изменение интенсивности сигнала ядра является следствием его пространственной близости к ядрам, непосредственно подвергающимся воздействию радиочастотного возмущения. NOE особенно важен для установления соответствия ЯМР-сигналам, а также для определения и подтверждения структур или конфигураций органических и биологических молекул. Двумерный ЯМР-эксперимент NOE (NOESY) и его модификации являются важными инструментами для определения стереохимии белков и других биомолекул в растворе, в то время как для определения стереохимии в твердом состоянии обычно используется рентгеноструктурный анализ. Гетероядерный NOE особенно важен в 13C ЯМР-спектроскопии для идентификации углеродов, связанных с протонами, для увеличения поляризации этих углеродов и повышения отношения сигнал/шум, а также для определения степени влияния диполь-дипольного релаксационного механизма на релаксацию этих углеродов.
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.
История
NOE развилась из теоретической работы американского физика Альберта Оверхаузера, который в 1953 году предложил, что ядерная спиновая поляризация может быть усилена микроволновым облучением электронов проводимости в определенных металлах. Электронное ядерное усиление, предсказанное Оверхаузером, было экспериментально продемонстрировано в металле 7Li Т. Р. Карвером и С. П. Слихтером также в 1953 году. Общая теоретическая база и экспериментальное наблюдение эффекта Оверхаузера, включающего только ядерные спины в молекуле HF, были опубликованы Ионелем Соломоном в 1955 году. Еще одно раннее экспериментальное наблюдение NOE было использовано Кайзером в 1963 году для демонстрации того, как NOE можно использовать для определения относительных знаков констант скалярного взаимодействия и для присвоения спектральных линий в спектрах ЯМР переходам между энергетическими уровнями. В этом исследовании резонанс одной популяции протонов (1H) в органической молекуле усиливался при насыщении второй, отличной популяции протонов в той же органической молекуле радиочастотным излучением. Анет и Бурн использовали NOE в 1965 году для подтверждения присвоения ЯМР-резонансов β,β-диметилакриловой кислоты и диметилформамида, показав тем самым, что информацию о конформации и конфигурации органических молекул в растворе можно получить. Белл и Сондерс сообщили о прямой корреляции между усилением NOE и межъядерными расстояниями в 1970 году, а Ширмер и др. сообщили о количественных измерениях межъядерных расстояний в молекулах с тремя или более спинами. Ричард Эрнст был удостоен Нобелевской премии по химии в 1991 году за разработку преобразования Фурье и двумерной ЯМР-спектроскопии, которая вскоре была адаптирована для измерения NOE, особенно в крупных биологических молекулах. В 2002 году Курт Вутрих получил Нобелевскую премию по химии за разработку спектроскопии ядерного магнитного резонанса для определения трехмерной структуры биологических макромолекул в растворе, продемонстрировав, как метод 2D NOE (NOESY) можно использовать для ограничения трехмерных структур крупных биологических макромолекул. Профессор Анил Кумар первым применил двухмерный эксперимент Nuclear Overhauser Effect (2D NOE, теперь известный как NOESY) к биомолекуле, что открыло область определения трехмерных структур биомолекул в растворе с помощью ЯМР-спектроскопии.
Расслабление
Диаграмма уровней энергии ядерных спинов для двух ядер со спином 1/2. Во многих случаях атомы углерода имеют присоединенный протон, что приводит к преобладанию диполярной релаксации и почти максимальному эффекту NOE. Для углеродных атомов, не содержащих протоны, усиление NOE невелико, а для углеродов, релаксирующих не за счет диполь-дипольных взаимодействий, усиление NOE может быть значительно снижено. Это одна из причин использования дейтерированных растворителей (например, CDCl3) в 13C ЯМР. Поскольку дейтерий релаксирует посредством квадрупольного механизма, перекрестные пути релаксации отсутствуют, и эффект NOE не наблюдается. Другой важный случай – 15N, пример, когда его магнитогирическое отношение отрицательно. Часто резонансы 15N ослаблены, а эффект NOE может даже подавлять резонанс при отстройке ядер 1H. Обычно целесообразно получать такие спектры с использованием импульсных методов, включающих передачу поляризации от протонов к 15N, чтобы минимизировать отрицательный эффект NOE.
Разъяснение структуры
[[Файл:Нет примеров.png|thumb|Первые NOE, о которых сообщили Ане и Борн, относятся к РНК, однако их сахара гораздо более конформационно гибкие и требуют более широких оценок нижних и верхних пределов. В структурной характеристике белков NOE используются для наложения ограничений на внутримолекулярные расстояния. В этом методе каждая пара протонов рассматривается изолированно, а интенсивность перекрестных пиков NOESY сравнивается с эталонным перекрестным пиком от пары протонов с известным расстоянием, например, от пары метиленовых протонов геминального типа или протонов ароматического кольца. Этот простой подход достаточно устойчив к эффектам спиновой диффузии или неоднородности времен корреляции и обычно позволяет определить общую укладку белка, при условии идентификации достаточного количества NOE. Перекрестные пики NOESY могут быть классифицированы как сильные, средние или слабые и соответствуют верхним ограничениям расстояний примерно в 2,5, 3,5 и 5,0 Å соответственно. Эти ограничения затем могут быть использованы в оптимизации молекулярной механики для получения представления о конформации белка в растворе. Полное определение структуры опирается на различные ЯМР-эксперименты и методы оптимизации, использующие как химические сдвиги, так и ограничения NOESY.
Примеры ядерного эффекта Оверхаузера
На рисунке (вверху) показано, как спектроскопия ядерного переупорядочения (ЯП) может помочь установить структуру переключаемого соединения. В этом примере протон, обозначенный как {H}, демонстрирует два различных набора ЯП в зависимости от состояния изомеризации (цис или транс) переключаемых азогрупп. В транс-состоянии протон {H} находится далеко от фенильной группы, что проявляется в ЯП синего цвета; тогда как в цис-состоянии протон {H} находится вблизи фенильной группы, что приводит к появлению новых ЯП (показано красным). Другой пример (внизу), где ЯП полезен для установления соответствия резонансов и определения конфигурации, – это полисахариды. Например, сложные глюканы имеют множество перекрывающихся сигналов, особенно в протонном спектре. Поэтому для установления соответствия сигналов целесообразно использовать двумерные ЯМР-эксперименты, включая NOESY. См., например, ЯП углеводов. На рисунке (слева) – гомоядерные ЯМР-методы в исследованиях углеводов.
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.