Biomolekuláris szerkezeti dinamika

Átírás

1 Kísérletek, mérések célja Biomolekuláris szerkezeti dinamika Kellermayer Miklós Biomolekuláris szerkezet és működés pontosabb megismerése (folyamatok, állapotok, átmenetek, kölcsönhatások, stb.) Rádióspektroszkópiák : forradalmasították a fizikát, kémiát, biológiát és orvostudományt Atomi, molekuláris rendszerek elemi mágnesként viselkedhetnek Elektronspin rezonancia (ESR, elektron paramágneses rezonancia - EPR) Mágneses magrezonancia (NMR, MRI) EPR spektroszkópia NMR spektroszkópia Ferhérje molekuláris dinamika NMR-rel Nagyfelbontású, anatómiai MRI Stern-Gerlach kísérlet (1922) Az eredő mágneses dipólmomentumot az 5s 1 elektron adja (pályaperdület=0) A nyaláb két részre hasad Otto Stern ( ) Walther Gerlach ( ) Inhomogén mágneses térben nemcsak forgatónyomaték, hanem eredő erő is hat a mágneses dipólra: A spin mágneses momentum két értéket vehet fel. MRI spektroszkópia MRI angiográfia Funkcionális MRI (fmri) Diffúziós MRI (tractographia) Musculoskeletalis MRI Mágneses magrezonancia ( nuclear magnetic resonance, NMR) Nobel-díj, 1952 Isidor Rabi ( ) Felix Bloch ( ) Edward Mills Purcell ( ) Mágneses rezonancia: Mágneses térbe helyezett minta általi, rezonancia-abszorpció jellegű elektromágneses energia elnyelés.

2 Eredő spinnel rendelkező rendszerek: elemi mágnesek Elemi részecskék (p, n, e) saját spinnel rendelkeznek. Az elemi részecskék száma és bizonyos rendező elvek (pl. Pauli-elv) szerint a rendszerben eredő spin léphet fel. Atommag: páratlan tömegszám - feles magspin ( 1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 31 P); páros tömegszám, páratlan rendszám - magspin egész; páros tömegszám és rendszám - magspin zérus. Elektron: eredő elektronspin stabil párosítatlan elektront tartalmazó rendszerekben (pl. szabad gyökök). Töltés és eredő spin miatt mágneses momentum lép fel. Magmágneses momentum: γ N = atommag giromágneses hányadosa (mágneses momentum és perdület aránya) L = magspin ( ), ahol l=eredő spinkvantumszám. Elektronspin mágneses momentuma: Mágneses tér hiányában: elemi mágnesek orientációja random Paramágnesség: külső mágneses tér hatására fellépő mágnesezettség (mágneses dipólok orientációja). Mágneses térben: elemi mágnesek orientálódnak parallel E energiaszintek felhasadnak ΔE Rezonanciafeltétel: ΔE=hf Pörgettyűmodell g = elektron g-faktora (a mágneses momentum és giromágneses hányados kapcsolatát leíró dimenziónélküli arányszám) μ β = Bohr magneton (az elektron mágneses dipólmomentumának egysége) S = spinkvantumszám antiparallel B Precesszió NMR és EPR spektroszkópia Pörgettyűmodell szerint - Precessziós vagy Larmor frekvencia: ω 0 =γ NMR spektrum: elnyelt elektromágneses sugárzás intenzitása frekvencia függvényében. NMR-vonal görbe alatti területe az abszorbeáló atommagok számával arányos. Elektronfelhő (i.e., annak szerkezete) befolyásolja a lokális mágneses teret: frekvenciafeltétel elhangolódik ( kémiai eltolódás ). Kémiai szerkezetmeghatározás lehetősége. Acetaldehid NMR spektruma Rezonanciafeltétel: EPR spektrum: elnyelt elektromágneses sugárzás intenzitása a mágneses tér függvényében. NMR-énél alacsonyabb mágneses tér, de nagyobb elektromágneses sugárzási frekvenciák (mikrohullám). Spin-jelölés: stabil párosítatlan elektront tartalmazó vegyülettel való jelölés. Mozgási (rotációs) sebességek mérési lehetősége a s időtartományban. Mágneses tér (G) Spinjelölt citokróm-c ESR spektruma

3 Makroszkópos mágnesezettség különböző energiaszinteken spintöbblet miatt Gerjesztés rádiófrekvenciás elektromágneses sugárzással M = mágneses tér M = makroszkópos mágnesezettség Rezonancia feltétel: Larmor frekvencia μ i Alacsony energia állapot proton esetében parallel M B 1 Magas energia állapot proton esetében antiparallel = mágneses tér M = makroszkópos mágnesezettség B 1 = besugárzott rádiófrekvenciás elektromágneses tér Spin-rács relaxáció T1 vagy longitudinális relaxáció Spin-spin relaxáció T2 vagy tranzverzális relaxáció M z M xy free induction decay (FID) T1 relaxációs idő: elemi mágnes (proton) és környezete közötti kölcsönhatásra utal t t T2 relaxációs idő: elemi mágnesek (protonok) közötti kölcsönhatásra utal

4 MRI: non-invazív tomográfiás módszer MRI: az emberi test makroszkópos mágnesezettségét hozza létre Nobel-díj (2003) Raymond V. Damadian (1936-) Paul C. Lauterbur (1929-) Ábra Damadian szabványügyi bejelentéséből indomitable : a rettenthetetlen Peter Mansfield (1933-) MRI képalkotás I: Térbeli felbontás NMR jel térbeli kódolása: a precesszió frekvenciaváltozására épül voxel: térfogatelem pixel: felületelem, elemi képpont Kép B z Elemi 3D képpontok (voxel) definiálása és címezhetősége: grádiens tér segítségével B y RF tekercs Fourier transzformáció B x

5 MRI képalkotás II: színfelbontás (kontraszt) relaxációs idők alapján MRI összefoglalás A szövet B szövet Tranzverzális jelveszteség Zsír Liquor Gerjesztő impulzus Tekercs Rövid T1 Hosszú T1 Idő (ms) A proton RF hullámot emittál gerjesztést követően. Kriogén mágnes Grádiens tekercs Rádiofrekvenciáns tekercs Vízmolekula Képanalízis (2D-FFT) NMR berendezés T1-súlyozás protonsűrűségsúlyozás T2-súlyozás MRI: képi információ manipulálása I MRI: Non-invazív angiográfia Újraszeletelés merőleges síkban képszelet telített spinek véráram telítetlen spinek Térbeli projekció ( volume rendering )

6 MRI mozgókép Nagy időfelbontású felvételek alapján Funkcionális MRI (fmri) Élettani folyamattal szinkron felvett Nagy időfelbontású képsorozat Aortabillentyű nyílása-záródása Villogó fény hatása a látókéregre Szuperponált MRI és PET képsorozat Függelék: FRET PET aktivitás: szemmozgatás során Térbeli rekonstrukció

7 Lumineszcencia A lumineszcencia lépései Gerjesztett állapotból fényemisszióval járó relaxáció A hőmérsékleti sugárzáson felül kibocsátott sugárzás Hideg fény Fluoreszcencia és foszforeszcencia Abszorpció Emisszió Gerjesztés (magasabb energiaszintre lépés) De-excitáció (relaxáció az alapállapotba) Gerjesztés során elnyelt energia sorsa Fluoreszcencia Rezonancia Energia Transzfer Belső konverzió (hő) Rendszerek közötti átmenet S T Fluoreszcencia (ns) Foszforeszcencia (ms) k isc k ic k Q ENERGIA k k FRET f Fluoreszcencia kioltás FRET Általánosan: A gerjesztett állapotban lévő molekula (donor), valamint egy megfelelő spektroszkópiás követelményeket kielégítő molekula (akceptor) között dipól-dipól kölcsönhatás révén, sugárzás nélküli energiaátadás formájában jön létre. Fluoreszcencia Rezonancia Energia Transzfer (FRET): ha az energiatranszfer szereplői fluorofórok. Sugárzásos v. nem sugárzásos átmenetek!

8 - D + FRET A gerjesztett donor relaxációjához hozzájárul az akceptor molekula emissziója! hν hν E ~ k FRET ~ 1/R 6 R - A + hν A FRET feltételei Fluoreszcens donor és akceptor molekula. A donor és akceptor molekula közötti távolság (R) 2-10 nm! Átfedés a donor emissziós spektruma és az akceptor abszorpciós spektruma között. Fl intenzitás ill. OD Hullámhossz (nm) A FRET távolságfüggése A FRET alkalmazása E = R 0 6 R R 6 A fluorofórok közötti aktuális távolság E Förster-távolság (Az a távolság melyen a FRET hatásfok felére csökken: transzferhatásfok 0.5) Molekuláris mérőszalag: távolságmérés a nm-es (10-9 m) tartományban. Nagyon érzékeny! Alkalmazás: Molekulák közötti kölcsönhatások tanulmányozása. Molekulákon belüli szerkezeti változások tanulmányozása. R 0