A BioNMR spektroszkópia alapjai

Hasonló dokumentumok
A BioNMR spektroszkópia alapjai

0) I=0 I=1/2 I=k (k=1,2,..) töltéssel forog (I=1/2)

NMR a peptid- és fehérje-kutatásban

Műszeres analitika II. (TKBE0532)

Magmágneses rezonancia (NMR) és elektronspinrezonancia (ESR) alapjai

Dóczy-Bodnár Andrea október 3. Magmágneses rezonancia (NMR) és elektronspinrezonancia (ESR) alapjai

Az NMR spektroszkópia a fehérjék szolgálatában. Bodor Andrea. ELTE Szerkezeti Kémia és Biológia Laboratórium Visegrád

Mágneses módszerek a mőszeres analitikában

MÁGNESES MAGREZONANCIA A KÉMIÁBAN, GYÓGYSZERÉSZETBEN, ORVOSTUDOMÁNYBAN

MÁGNESES MAGREZONANCIA A KÉMIÁBAN, GYÓGYSZERÉSZETBEN, ORVOSTUDOMÁNYBAN

Mágneses módszerek a műszeres analitikában

Mi mindenről tanúskodik a Me-OH néhány NMR spektruma

Magmágneses rezonancia. alapjai. Magmágneses rezonanciához kapcsolódó Nobel-díjak. γ N = = giromágneses hányados. v v

Lehetőségek és kihívások a modern bionmr spektroszkópia területén

M N. a. Spin = saját impulzus momentum vektor: L L nagysága:

Lehet ségek és kihívások a modern bionmr spektroszkópia területén

Alkalmazott spektroszkópia

Alkalmazott spektroszkópia Serra Bendegúz és Bányai István

Az NMR képalkotás alapjai. Bányai István Kolloid- és Környezetkémiai Tanszék DE, TEK

Szerves vegyületek szerkezetfelderítése NMR spektroszkópia

Mágneses rezonanciás képalkotás AZ MRI elve, fizikai alapok

A fény és az anyag kölcsönhatása

Biomolekuláris szerkezeti dinamika

24/04/ Röntgenabszorpciós CT

Biomolekuláris szerkezeti dinamika

FEHÉRJÉK A MÁGNESEKBEN. Bodor Andrea ELTE, Szerkezeti Kémiai és Biológiai Laboratórium. Alkímia Ma, Budapest,

lásd: enantiotóp, diasztereotóp

Spektroszkópiai módszerek 2.

NMR spektroszkópia (Nuclear Magnetic Resonance) Mágneses (atom)magrezonancia Spektroszkópia

MRI áttekintés. Orvosi képdiagnosztika 3. ea ősz

A nehézfémek növényi vízháztartásra gyakorolt hatásának vizsgálata Mágneses Rezonancia készülékkel. Készítette: Jakusch Pál Környezettudós

I. Az NMR spektrométer


Sohár Pál Varázslat, amitől láthatóvá válnak és életre kelnek a molekulák: Az NMR spektroszkópia

A fehérjék harmadlagos vagy térszerkezete. Még a globuláris fehérjék térszerkezete is sokféle lehet.

Vektorok, mátrixok, tenzorok, T (emlékeztető)

AZ ELEKTRON MÁGNESES MOMENTUMA. H mágneses erœtérben az m mágneses dipólmomentummal jellemzett testre M = m H forgatónyomaték hat.

NMR, MRI. Magnetic Resonance Imaging. Times, október 9 MRI

Morfológiai képalkotó eljárások CT, MRI, PET

Times, október 9 MRI

CT/MRI képalkotás alapjai. Prof. Bogner Péter

Rádióspektroszkópiai módszerek

Medical Imaging Mágneses rezonancia (MR, MRI, NMR) x B. Makroszkopikus tárgyalás

A Mössbauer-effektus vizsgálata

1D multipulzus NMR kísérletek

Hogyan bírhatjuk szóra a molekulákat, avagy mi is az a spektroszkópia?

Diszkrét Matematika. zöld könyv ): XIII. fejezet: 1583, 1587, 1588, 1590, Matematikai feladatgyűjtemény II. (

KÖLCSÖNHATÁS ÉS DINAMIKA. az NMR spektroszkópia, mint a modern szem. Bodor Andrea

palkotás alapjai Bányai István Kolloid- és Környezetkémiai Tanszék DE, TEK

Méréstechnika. Rezgésmérés. Készítette: Ángyán Béla. Iszak Gábor. Seidl Áron. Veszprém. [Ide írhatja a szöveget] oldal 1

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

Kirchhoff 2. törvénye (huroktörvény) szerint az áramkörben levő elektromotoros erők. E i = U j (3.1)

A kvantumszámok jelentése: A szokásos tárgyalás a pályák alakját vizsgálja, ld. majd azt is; de a lényeg: fizikai mennyiségeket határoznak meg.

Modern Fizika Labor. A mérés száma és címe: A mérés dátuma: Értékelés: Infravörös spektroszkópia. A beadás dátuma: A mérést végezte:

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban 4/11/2016. A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Az elektromágneses hullámok

Műszeres analitika. Abrankó László. Molekulaspektroszkópia. Kémiai élelmiszervizsgálati módszerek csoportosítása

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

Modern Fizika Labor. 12. Infravörös spektroszkópia. Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 04. A mérés száma és címe: Értékelés:

MÁGNESES MAGREZONANCIA A KÉMIÁBAN, GYÓGYSZERÉSZETBEN, ORVOSTUDOMÁNYBAN

Bevezetés a részecske fizikába

Fizikai kémia Részecskék mágneses térben, ESR spektroszkópia. Részecskék mágneses térben. Részecskék mágneses térben

Fizikai kémia Mágneses magrezonancia spektroszkópia alapjai. Mágneses magrezonancia - NMR. Mágneses magrezonancia - NMR

Fizikai kémia 2. ZH V. kérdések I. félévtől

Több oxigéntartalmú funkciós csoportot tartalmazó vegyületek

Az MR(I) módszer elve. Dr.Fidy Judit 2012 március 7

Foton-visszhang alapú optikai kvantum-memóriák: koherens kontroll optikailag sűrű közegben

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 5. mérés: Elektronspin rezonancia március 18.

A Ca 2+ szerepe a tormaperoxidáz enzim aktív szerkezetében. Szigeti Krisztián

Az elméleti mechanika alapjai

Fizika 2 - Gyakorló feladatok

CD-spektroszkópia. Az ORD spektroskópia alapja

Gyakorlat 30B-14. a F L = e E + ( e)v B képlet, a gravitációs erőt a (2.1) G = m e g (2.2)

Az MR(I) módszer elve. Az MR(I) módszer. (Nuclear) Magnetic Resonance Imaging mag (atommag) mágneses rezonancia alapu képalkotó módszer

A fehérjék hierarchikus szerkezete

Készítette: NÁDOR JUDIT. Témavezető: Dr. HOMONNAY ZOLTÁN. ELTE TTK, Analitikai Kémia Tanszék 2010

Fizika M1, BME, gépészmérnök szak, szi félév (v6)

Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

Matematika (mesterképzés)

1. feladat R 1 = 2 W R 2 = 3 W R 3 = 5 W R t1 = 10 W R t2 = 20 W U 1 =200 V U 2 =150 V. Megoldás. R t1 R 3 R 1. R t2 R 2

Röntgen sugárzás. Wilhelm Röntgen. Röntgen feleségének keze

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Bordács Sándor doktorjelölt. anyagtudományban. nyban. Dr. Kézsmárki István Prof. Yohinori Tokura Prof. Ryo Shimano

Fourier transzformáció

Biológiailag aktív molekulák kölcsönhatásvizsgálata NMR-spektroszkópiával

A spin. November 28, 2006

5.4. Elektronspektroszkópia

3.1. ábra ábra

The magnetic pole model: two opposing poles, North (+) and South (-), separated by a distance d produce an H- field (lines).

1. fejezet. Gyakorlat C-41

Abszorpciós spektroszkópia

Az NMR spektroszkópia alapjai

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

9. Fotoelektron-spektroszkópia

Elektronspin rezonancia

Az ionizáló sugárzások fajtái, forrásai

Példák egyszerű szerves vegyületek 1 H és 13 C jelhozzárendelésére. Tartalomjegyzék: - etanol - (D)-glükópiranóz

FIZIKA II. Az áram és a mágneses tér kapcsolata

Átírás:

A BioNMR spektroszkópia alapjai

Az NMR-spektroszkópia szükséges feltétele a nullától különböző magspin (I 0) 1) I=0, ha mind a protonok mind a neutronok száma páros: ( 12 C, 16 O) 2) I=1/2, ha tömegszáma páratlan ( 1, 3, 13 C, 15 N, 19 F, 57 Fe, 113 Cd) vagy a protonok, vagy a neutronok száma páratlan. 3) I=k (k=1,2,..) mind a protonok mind a neutronok száma páratlan ( 2, 14 N) klasszikus modell: atommag egy töltéssel rendelkező részecske, mely továbbá egy adott tengely mentén forog. Töltéssel rendelkező mag + forgás = köráram létesítése köráram mágneses momentum (µ). Bio-NMR : Feles spin kvantumszámú (I=1/2) magok, ahol a µ egy mágneses dipolmomentum vektorral (rúdmágnessel) modellezhető. A mágneses dipólmomentum (µ) arányos a szögimpulzus-momentum vektorral (I). Giromágneses állandó (γ) egy, az atommagra jellemző mennyiség: µ =γ I.

Külső mágneses tér hiányában a magok spinjei rendezetlenül állnak kérdés: Egy ilyen elemi dipólmomentum vektor (µ) a külső térerőnek (B o ) megfelelően, azzal párhuzamos irányba rendeződik-e? válasz: Nem! magyarázat: Az említett atommagokhoz mágnese tulajdonsága mellett forgó mozgást is rendeltünk, ezért az elemi mágneses dipólmomentum vektorok (µ) a külső sztatikus mágneses térre (B 0 ) merőleges sík szerinti forgó mozgást, úgynevezett precessziót fognak végezni.

B 0 Külső mágneses tér hatására rendeződött és precesszáló magok z y B 0 x Külső mágneses tér hatására rendeződött és precesszáló spinek (közös origóból ábrázolva)

B 0 és B 1 után a helyzet: (búgócsiga modell) Impulzusmomentum ω o szögsebesség nagysága arányos a külső statikus térerő nagyságával: ω o = γb o. Az ω o szögsebességgel arányos ν o (Larmor-frekvencia): ν o = ω o /2π. A mágneses dipólmomentum vektor (µ) időbeli változását a következő vektoriális szorzat írja le: dµ/dt = γ B o µ Forgásirány Forgó korong impulzusmomentuma

A makroszkopikus-, globális- vagy mérhető-mágnesezettség (M), a megfelelő elemi vagy mikroszkopikus mennyiség additív összege: M = Σ µ i Ennek segítségével a Larmor-precesszió átírható makroszkopikus alakba: d M /dt = -γ B o M A µ i vektoroknak kizárólag a B o -al párhuzamos, szokásosan z irányúnak nevezett komponensei adódnak konstruktívan össze. A termikus egyensúly állapotában tehát, a M z = Σ (µ z ) i a tehát I =1/2 (pl. 1, 13 C, stb.) akkor a (2I+1)=2, azaz két állapot; két kvantumállapotot α> és β> két energia (E α és E β ) két betöltöttségek (N α és N β ) N / N β α = exp (- E/kT). Az egy átmenet (Zeeman-átmenet) energiakülönbsége ( E): E=hγΒ /2π ο

A BLOC-egyenletek z-irányú mágnesezettség időbeni alakulása: dm z' /dt= (M z' M o )/T 1 Az egyszerű differenciál-egyenletet megoldásaként a következő függvényt kapjuk: M z' (t)=m o (1 exp( t/t 1 ) az x,y-síkban zajló csillapított amplitúdójú rotációt precesszió alakulása: dm x' /dt=(ω o ω)m y' M x' /T 2 dm y' /dt= (ω o ω)m x' M y' /T 2 Csatolt differenciál-egyenletrendszer megoldásaként a következőt kapjuk: M x' (t)=m o exp( t/t 2 )sin(ω o ω) M y' (t)=m o exp( t/t 2 )cos(ω o ω), ahol (ω o ω) a forgó referencia rendszerben a precesszió szögsebessége.

Ennek a függvény a Fourier-transzformáltja az NMR-spektrum.

Külső mágneses térben a makroszkopikus mágnesezettség gerjesztése annak precessziójához vezet, amely mérhető indukált feszültséget eredményez

A nagy felbontású NMR-spektrumok öt jellemző paramétere: csatolási állandó (J érték) félértékszélesség multiplicitás terület kémiai eltolódás δ=[(υ M -υ R )/ υ R ]10 6 Jellegzetes proton kémiaieltolódás értékek COO 14 12 10 8 6 4 2 0 CO N=C Ar RCONQ Ar-O C=C RO RQN C C 2 C 3 TMS 14 12 10 8 6 4 2 0

Spin-spin csatolás (a színkép finomszerkezete) a b A B A és B magok indirekt módon a és b elektronokon keresztül csatoltak. A jelenség a spin-spin felhasadás, a skaláris csatolás vagy a J-csatolás dublet mintázat

triplet mintázat kvadruplet mintázat

Jellegzetes 13 C kémiaieltolódás értékek CO 210 180 150 120 90 60 30 0 CO COO COOQ CONQ CN Ar alkin alkilhalogenid alkilamin alkén alkán CO (alkohol, éter) 210 180 150 120 90 60 30 0

Solvent dependence of chemical shifts *chemical shift changes with solvent used*

p dependence of chemical shifts 13 C-NMR spectra of wild type BCX (xylanase from Bacillus circulans) recorded as function of p at 25C. Peaks corresponding to E78 and E172 are highlighted black to emphasize the titration of these residues. McIntosh, L.P. et al. Biochemistry 35 (1996) 9958.

p dependence of chemical shifts 13 C-NMR spectra of wild E172Q BCX recorded as function of p at 25C. The peak corresponding to E78 is highlighted in black. McIntosh, L.P. et al. Biochemistry 35 (1996) 9958.

Temperature dependence of chemical shifts double stranded single stranded (imino protons exchange with water protons) O O N N N N 2 N N N guanine N N N N 2 N N N O N O N cytosine imino resonance signals of d(gcgcgcgc) 2 in water

Peptid és fehérje NMR-spektroszkópia alapjelenség eltérő kémiai környezet eltérő rezonancia frekvencia N α- β- γ-

Peptid és fehérje NMR-spektroszkópia 1. jelhozzárendelés a jelhozzárendelés vagy spektrum asszignáció ez előbbi megfigyelésen alapszik eltérő rezonancia frekvencia eltérő kémiai környezet N α- β- γ-

omonukleáris NMR-spektroszkópia egy dimenzióban N(W indol) N(amid gerinc) N(amid oldallánc) (aromás) C(α) C(ε) C(β) C(δ) C(γ) C 3 TMS 14 12 10 8 6 4 2 0 14 12 10 8 6 4 2 0

omo- vagy eteronukleáris NMR-spektroszkópia két dimenzióban

DQF-COSY = Double-Quantum Filtered- COrrelated SpectroscopY TOCSY =TOtal-Correlated SpectroscopY NOESY = Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY

Ala A 3 X COSY * N C C C 3 O α β TOCSY Gly COSY α 1 α 2 AX TOCSY * O N C C

Val A 3 B 3 MX COSY * O N C C C C 3 C 3 α β γ 1 γ 2 TOCSY Lys COSY A 2 (F 2 T 2 )MPX * O N C C C C 2 C 2 α ε β 1 β 2 γ δ TOCSY C 2 N 2

Leu A 3 B 3 MPTX COSY α β 1 β 2 γ δ 1 δ 2 TOCSY * N O C C C C C 3 C 3 Ile A 3 MPT(B 3 )X COSY α β γ 11 γ 12 γ 2 δ TOCSY * N O C C γ 2 C C 3 C γ 11 γ 12 C 3

J típus COSY AMX O N * C C C R α β 1 β 2 TOCSY R = O Ser S Cys COO Asp CON 2 Asn C 6 5 Phe C 6 5 O Tyr C 3 3 N 2 is C 8 6 N 1 Trp

Phe gyűrű COSY AA XX M N * O C C δ C 2 ε ζ δ ε ζ TOCSY Tyr gyűrű COSY AA XX * O N C C C 2 δ δ ε TOCSY ε O

is gyűrű COSY AX O N C C * C 2 N δ 2 ε 1 N * TOCSY Trp gyűrű COSY A(X)MP + A * N O C C C 2 N * δ ζ 2 ε 3 ε 3 η 2 ζ 2 ε 3 δ ε 3 η 2 TOCSY

NOESY B D β Ala A G F C α Ala β1 Ser β2 Ser E α Ser N Ser N Ala TOCSY E C CO F C C N G D CO O Ser intrareziduális NOE (A,B,E,F,G) A C N B C 3 Ala interreziduális NOE (C,D)

omonukleáris NMR-spektroszkópia Jelhozzárendelés

Peptid és fehérje NMR-spektroszkópia 2. szerkezetmeghatározás Távolság jellegű adatok (NOE) 3D-szerkezet

1-1 -NOESY

Schistocerca gregaria kimotripszin inhibitor (SGCI) hidrofób magja

Makromolekulák 3D szerkezetének meghatározása NMR adatok alapján NMR spektrumok NMR jelhozárendelés távolság jellegű kényszerfeltételek torziószög típusú kényszerfeltételek Kezdeti szerkezet distance geometry restrained dynamics simulated annealing IGEN Konvergencia? Restrained dynamics Restrained minimization NEM 3D szerkezet

Egy helikális fragmens szerkezetének finomítása

Makromolekulák 3D szerkezetének Meghatározása NMR adatok alapján

Miért NMR? Powerful modern structural tools for looking at complexes Electron microscopy ~190 Crystallography ~ 45,000 structures Modelling Nuclear Magnetic Resonance ~7,500 - can also give Kd and k

eteronukleáris egyszeres-kvantum koherencia spektrum SQC = eteronuclear Single-Quantum Coherence z -2 z N y +2 z N y cos(ω N t 1 ) x cos(ω N t 1 ) x cos(ω N t 1 )cos(ω t 2 ) Ω N Ω

3D-NOESY-SQC

2D és 3D NMR-spektrumok összevetése omonukleáris 2D TOCSY omonukleáris 2D TOCSY amid N (ujjlenyomat) tartománya 1-15 N 3D TOCSY csíkok (strips) EVTCEPGTTFKDKCNTCRCGSDGKSAACTLKACPQ

A proteomika és genomika korát éljük több mint 800 organizmus teljes genom ismert az emberi genom 30 000 gén fehérje a gyümölcsök nem maguktól érnek meg új közelítésmód szükséges: szerkezeti genomika (structural genomics) Mi a szerkezeti genomikában az NMR szerepe: 14 000 fehérje szerkezet található a PDB, ebből 17% NMR (2200) és 82% Röntgen (2001 január) célkitűzés: minden szerkezet minden fehérjecsalád egy-egy reprezentatív elemének meghatározása (Prestegard et al. Biochem. 2001, 40, 8677-8685

A program: Nagy mennyiségű fehérje expresszálása - Európa (einemann Nat. Struct. Biol. 2000) - Japán (Yokoyama et al. Prog. Biophys.Mol.Biol.2000) - USA (NI) 7 kiemelt centrum (Terwillinger Nat. Struct. Biol. 2000) Legfontosabb eszközök: - röntgenkrisztallográfia - NMR spektroszkópia Az NMR szerepe: - kristályosítás peremfeltételeinek optimálása - a helyes feltekeredés társmolekuláinak azonosítása - alternatív szerkezetmeghatározó eszköz - ha nincs egykristály - aggregáció esetén - poszttranszlációs módosítás esetén - membrán fehérje esetén Japán RIKEN (39 spektrométer) pl. hélix köteg (helical bundle) fehérjék 75 millió $/év a teljes genom 15 milliárd Ft/év akár 20-25 % ilyen fehérje

Az NMR mint szerkezetmeghatározó eszköz: - NOE alapú közelítés (mérethatár <50kDa) (nem deuterált de 15 N és 13 C jelölt minta <25kDa) molekulatömeg vonalszélesség spektrális felbontás Kedvező tény: fehérjék átlagos doménjének mérete: 17kDa ( 150 aminosav) atékonyság: csúcs: egy 90 aminosav hosszú fehérje esetében plazmidtól a 3D szerkezetig mindössze 30 nap (Kozlov et al. J.Biomol.NMR 2000) stratégia: automatizáció

Az NMR mint rosta (screening tool): -az amidok N frekvenciáin keresztül kiszűrjük a fehérje rendezetlen részeit (CLEANEX wang et al. J.Am.Soc.Chem. 1997, 119, 6203) - a kémiai eltolódásban rejlő információk kiaknázása ( 1-15 N correlation (e.g. SQC)

The Nobel Prize in Chemistry 1991 Richard R. Ernst "for his contributions to the development of the methodology of high resolution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy"

The Nobel Prize in Chemistry 2002 Kurt Wüthrich "for the development of methods for identification and structure analyses of biological macromolecules"

Magnetic Resonance Imaging (MRI) a gyógyászatban előnyök: - nem használ ionizáló sugárzást mint a röntgen - nem kell festék vagy kontrasztanyagot bevinni - lágy-szövetek kontrasztosabbak kivitelezés: tipikus 1 -NMR kisérlet ahol a szöveteket felépítő sejtek protonjait figyeljük meg. képalkotás függ: az adott szövetben lévő protonok számától, az adott protonok relaxációs idejétől (T1 spin-mátrix relaxációs idő és T2 spin-spin relaxációs idő) felhasználási terület: tumor sejtek, ödémák, koros elváltozások azonosítása 31 P-NMR sejt-metabolizmusok követése

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2003 Paul C. Lauterbur The Lancet, 1999 354: 645-646 "for their discoveries concerning magnetic resonance imaging" Sir Peter Mansfield RepProgPhys, 2002 65: 1489-1511