ЯМР-спектроскопия и структурный анализ

Практически сразу же после открытия ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) стал использоваться в молекулярном анализе, метод позволяет определять точное расположение атомов в молекуле, т.е. молекулярную структуру различных соединений.

Частота ЯМР зависит от типа ядра для которого наблюдается ядерный магнитный резонанс и напряженности магнитного поля. Т.к. окружающие ядро электроны частично экранируют магнитное поле, а степень экранировки зависит от вида соседствующих ядер и межядерных расстояний, то наблюдается сдвиг резонанса по частоте (по отношению к частоте резонанса независимого атома), так называемый химический сдвиг. Различные группы, напр. Н О, НС, НN и т.д. имеют разный химический сдвиг и ЯМР для них наблюдается на разных частотах. Для большего числа структурных элементов значения химических сдвигов сведены в таблицы. Поскольку ширина спектральных линий ядерно-магнитного резонанса чрезвычайно мала, а частота резонансного поглощения может быть измерена с высокой степенью точности, ЯМР-метод дает высокую точность при определении химических сдвигов.

Одномерные ЯМР спектры содержат информацию обо всех химических сдвигах и обо всех атомах водорода в молекуле, однако для определения индивидуальных химических сдвигов этого бывает недостаточно. Проблема решается использованием двумерной ЯМР спектроскопии, из которой можно получить информацию об относительном положении атомов водорода в молекулах. Полная структура рассчитывается путем последовательного учета взаимодействий в двумерных спектрах.

Развитие аналитических методов двухмерной спектроскопии ЯМР в начале 1970-х гг. с применением Фурье-преобразования существенно расширило возможности анализа строения молекул. Несколько позднее ядерный магнитный резонанс стал применяться для изучения структуры биологических макромолекул, в частности белков.

Вообще говоря, для изучения молекулярных структур существует множество методик, однако только две из них рентгеновская кристаллография и ЯМР обладают разрешением, позволяющим различать отдельные атомы. Рентгеновская кристаллография является весьма привлекательной методикой, ее разрешающая способность составляет порядка 2A, однако для определения структуры белка кристаллографическими методами необходим большой белковый кристалл, внутри которого белки формируют регулярную решетку. При этом практически невозможно разрешить неструктурированные или мобильные части молекулы. При использовании ядерно-магнитного резонанса эта проблема не возникает. В ЯМР исследования проводятся в растворах, а на определение затрачивается очень небольшое время. Поэтому ЯМР позволяет различать как подвижные, так и доменные структуры.

При определении структуры белков обычно используют ЯМР спектры протонов (ядер водорода Н¹ ). Делается это по следующим причинам: водород Н¹ присутствует во многих узлах белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов, кроме того ЯМР атома водорода Н¹ наиболее просто детектируется.

Для того, чтобы при получении ЯМР-спектров в растворах не вносить погрешностей в результаты измерений используются специальные растворители для ЯМР, с повышенным содержанием дейтерия.

В настоящее время предельный размер белков, чья структура может быть определена методами ядерно-магнитного резонанса составляет примерно 200 аминокислот.