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核磁共振波谱学简介课件核磁共振波谱学简介在结构生物学上的应用吴季辉**第一部分什么是核磁共振核磁共振能提供什么信息核磁共振技术的特点核磁共振现象核磁共振（NuclearMagneticResonance，简写为NMR），是指核磁矩不为零的核，在外磁场的作用下，核自旋能级发生塞曼分裂（ZeemanSplitting），共振吸收某一特定频率的射频（radiofrequency简写为rf或RF）辐射的物理过程。核磁矩与磁场的相互作用1H,13C,15N等核自旋量子数I=½,在外磁场中有两种取向核磁能级间的跃迁核磁信号核磁共振信号是大量核的贡献...

核磁共振波谱学简介在结构生物学上的应用吴季辉**第一部分什么是核磁共振核磁共振能提供什么信息核磁共振技术的特点核磁共振现象核磁共振（NuclearMagneticResonance，简写为NMR），是指核磁矩不为零的核，在外磁场的作用下，核自旋能级发生塞曼分裂（ZeemanSplitting），共振吸收某一特定频率的射频（radiofrequency简写为rf或RF）辐射的物理过程。核磁矩与磁场的相互作用1H,13C,15N等核自旋量子数I=½,在外磁场中有两种取向核磁能级间的跃迁核磁信号核磁共振信号是大量核的贡献的总和受激辐射和受激吸收的几率相同，在射频场作用下的净跃迁由上下能级的布居数之差决定。很小的布居数差表明核磁信号很弱，因此核磁共振的灵敏度很低矢量模型在核磁共振的经典模型中，我们把每一个核磁矩看成是一个刚性矢量热平衡时的磁化矢量矢量模型下的核磁共振共振时，也就是当射频场园频率等于在恒定磁场中核磁矩的拉摩进动频率，即＝0＝H0此时Heff＝H1i,M在旋转坐标系中将绕Hb(也即x轴)以角频率1旋转，1＝H1弛豫自旋－晶格弛豫过程:核自旋系统与周围晶格交换能量,使各能级上的布居数恢复到热平衡状态自旋－自旋弛豫过程:等同核自旋系统内部各自旋之间交换能量,影响谱线线宽Bloch方程单位体积内核磁矩的矢量和称为磁化向量M此处R称为弛豫矩阵T1为纵向弛豫时间T2为横向弛豫时间核磁信号FID经过Fourier变换得到核磁图谱磁化向量的水平分量在接收线圈中可以产生自由感应衰减信号(FID)密度算符波函数密度算符任意力学量F的期望值任意力学量F的期望值Schrödinger方程Liouville-Neumann方程化学位移同一种核在分子中不同化学环境下共振频率的位移称为化学位移正戊醇C5H11OH的13C质子去耦谱化学位移的起因屏蔽磁场的形成自旋耦合两个邻近的成键的自旋间具有自旋耦合，即J耦合，这种相互作用通过成键电子对传递乙醇CH3CH2OH的高分辨1H谱自旋耦合造成的能级和谱线分裂无耦合有耦合Karplus关系式三键耦合常数3J的大小是二面角的函数核磁共振波谱学脉冲傅立叶变换及多维核磁共振波谱技术的发展使得NMR可以用于蛋白质溶液结构解析1946年Stanford的Bloch和Harvard的Purcell各自独立观察到核磁共振现象。1952年获得诺贝尔物理奖化学位移和自旋偶合的相继发现将NMR信号与化学结构联系起来，NMR开始广泛用于化学NOENOE(NuclearOverhauserEffect)指的是一个跃迁被扰动(饱和)时，另一个跃迁的强度发生改变这样一个效应产生NOE的相互作用是两核之间的偶极耦合，这种偶极相互作用的强度与核间距离的6次方成反比分子内运动现有谱仪的磁场强度下主要是偶极弛豫起作用这里J称为谱密度函数，同分子运动方式及快慢有关蛋白质的1H谱蛋白质的第一张1H谱(核糖核酸酶,40MHz),记于1957年[AdaptedfromJeremyN.S.Evans(1995)BiomolecularNMRSpectroscopy.p.3,OxfordUniversityPressInc.] 2.0mMRnaseT1的900MHz1H谱二维NMR比列时的Jeener于1971年提出二维NMR的思想瑞士的Ernst对二维NMR进行了深入研究，于1976年用量子统计的系综理论对二维NMR原理进行详尽的理论阐述，1983年又提出乘积算符理论，大大简化了脉冲序列的分析。由于在PFT-NMR及2DNMR二方面的贡献而获得1991年诺贝尔化学奖瑞士的Wüthrich首先将2D-NMR的方法用于蛋白质，发展了将2D-NMR和距离几何结合得到蛋白质在溶液中的空间结构的方法，第一个用NMR方法解析出蛋白质的空间结构。获得2002年诺贝尔化学奖二维核磁共振波谱的基本思想二维NMR实验在时间域上可分为四个时期2D-FID记录的是时间域的二维信号S(t1,t2)，经二维Fourier变换即得频率域的二维核磁共振谱S(1,2)二维核磁共振波谱的特点引入另一个频率变量，使原来拥挤在一个线段上的密集谱线，可以分散在一个平面上，提高图谱的分辨率S(1,2)并不是S(1)和S(2)的简单叠加，其交叉峰包含了比一维谱丰富得多的信息实验方法灵活多样，被称为“自旋工程”(Spinengineering)可以间接检测到在普通一维NMR实验中检测不到的跃迁，如多量子跃迁堆积图方式表示的二维谱等高线图方式表示的二维谱蛋白质研究中常用的二维谱同核化学位移相关谱（COSY）双量子滤波COSY（DQF-COSY）全相关谱（TOCSY）核欧沃豪斯效应增强谱（NOESY，ROESY）异核化学位移相关谱（HMQC，HSQC）相敏COSY相位循环：1＝022013312＝02021313R＝02201331乙醇CH3CH2OH的COSY谱COSY谱（不考虑其精细结构）(a)一个三自旋体系AMX;(b)两个三自旋体系AMX、AMX同核Relay相关谱(a)AMX体系，(b)AMX和A'M'X'体系相敏COSY谱交叉峰的精细结构A、交叉截面B、交叉峰的等高线图C、自旋-耦合TOCSY相位循环：1＝022013312＝02021313R＝02201331NOESY相位循环：1＝02020202020202022＝00000000222222223＝0022113300221133R＝02201331200231132D-NMR的限制2D-NMR在确定蛋白质溶液的结构方面已取得了巨大的成就，可以获得小于100个残基的小蛋白的溶液结构，在准确度方面类似于2.0-2.5Å分辨率的晶体结构随着蛋白质分子量的进一步提高，由于化学位移的重叠或简并，使得在2DNMR方法中所使用的自旋系统识别和序列识别方法不再完全有效其次是随着分子量增加，谱线变宽，因而使得较难利用建立在小的同核耦合(耦合常数12Hz)之上的一些位移相关实验小蛋白和大蛋白二维谱的比较BmP02(28个残基)部分NOESY谱ADR6(115个残基)部分NOESY谱异核多维NMR增加谱的维数，提高分辨率将大的单键异核耦合用于磁化转移多维NMR分辨率的提高1H-15N异核相关谱15N编辑三维NOESY谱核磁共振在生物科学中的主要应用测定生物大分子空间结构研究生物大分子与配基的相互作用测定生物大分子的动力学性质跟踪蛋白质的折叠过程,捕获折叠过程中瞬态中间物测定可滴定基团的解离常数测量溶液中分子的扩散系数研究酶反应机理跟踪活细胞的代谢过程用于医学成像以及神经科学中的脑功能成像核磁共振技术的特点天然状态下对样品进行探测提供原子分辨率上的结构及动力学信息NMRstructureoftherecombinantmurineprionprotein核磁共振技术的特点灵敏度低,样品需要量大样品制备成本高可研究分子的分子量有限制仪器昂贵天然状态下对样品进行探测提供原子分辨率上的结构及动力学信息500MHz核磁共振谱仪磁体内部结构800MHz核磁共振谱仪900MHz核磁共振谱仪Thefirst900MHzsystemreadyfordelivery谢谢

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