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.

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.