規(guī)則-北京大學單分子與納米生物學室課件

BiomoleculeNMR

NuclearMagneticResonanceEelectromotorMagneticmoment

ofclosedloopBB0chargespinPropertyofnucleusNucleusinmagnetic?BMomentofforcer1F1r2F2r2?r1F2

F1?Xmomentrotationvrm

MomentofmomentumJX

Angularmomentum自旋角動量J宏觀轉(zhuǎn)動I自旋量子數(shù)自旋原子核質(zhì)子和中子的自旋量子數(shù)均為1/2質(zhì)子和中子的磁矩不相等，無法抵消質(zhì)子可看作帶正電的電流環(huán)中子可看作一正一負面積不等的兩個電流環(huán)核子的磁矩一般服從能量最小原理，同種核子的磁矩成對抵消奇數(shù)奇數(shù)或偶數(shù)1/2

1H,13C,19F,31P3/2

11B,35Cl質(zhì)量數(shù)原子序數(shù)自旋量子數(shù)常見核偶數(shù)偶數(shù)0

12C,16O,32S奇數(shù)12H,14NIm,Ze=ISn

n

r2=Zev2v

0

BSpinAngular

momentum宏觀常用核的天然豐度和旋磁比自旋量子數(shù)核g(g-1s-1)豐度%１／２1H2.67599.9813C0.67211.119F2.523610031P1.083100=

BB

=Bcos帶電粒子原子核=-

BB

=-mIhBNucleusinmagnetic無磁場取向隨機B0外加磁場B0自旋核(I=1/2)在磁場中的磁矩分量在磁場中存在兩個MI(+1/2,-1/2)+1/2a磁矩沿磁場方向(+1/2,a)-1/2b磁矩逆磁場方向(-1/2,

b)B0μBμB=·mI·?

=-mI

··?

·B01H,I=1/2

=±1/2·

·?

·

B0

Δ

E=ΔmI·

?B0

θB0=-

BB0(ΔmI

=1)NSNSSNE

=1/2(g?B0)mI=1/2B0E=-mI

··?

·B0Ea=-1/2(g?B0)mI=-1/2NomagneticfieldmI=-1/2,E

=1/2(g?B0)mI=1/2Ea=-1/2(g?B0)baEEnergyZeemanEnergyLevels共振吸收hn

E=g?B01H,I=1/2B0E

=-mI·?·B0w=gB0h

=ΔE=·?·B0核磁矩不為零的核在磁場中能級分裂，對高頻輻射產(chǎn)生共振吸收的物理現(xiàn)象E

=-mI·?·B0NuclearMagneticResonancegB02

=NucleusprecessesinanexternalmagneticfieldB0MXmgmgrM動量矩定理

經(jīng)典力學M=dJdtJB0

⊙M=

X

B0NucleusprecessesinanexternalmagneticfieldB0precessingnucleus

Larmorfrequence:

w=gB0B0

JosephLarmor(1857-1942)不同磁場B0(T)下

的共振頻率(MHz)NuclearI4.69711.74414.09218.7901H1/22005006008002H130.70176.75392.102122.80413C1/250.288125.721150.864201.15415N1/220.26550.64460.79681.06231P1/280.961202.404242.884323.84623Na3/252.902132.256158.706211.610不同原子核的共振頻率相差很大NuclearMagneticResonance為什么要提高外磁場強度?NomagneticfieldmI=-1/2,E

=1/2(g?B0)mI=1/2Ea=-1/2(g?B0)baEEnergyNMR信號與低能態(tài)原子核數(shù)的關(guān)系

E=g?B0Ｎ低〉Ｎ高Ｍ總和Ｈ保持一致B0沿磁場方向

低能態(tài)a逆磁場方向高能態(tài)bMThepopulationoftheα-andβ-statesaccordingtoaBoltzmanndistributionisalmostequal(~10-4difference)sincetheenergiesinvolvedarefairlysmall.Neverthelessthesmallpopulationdifferenceproducesaneffectivemagnetizationalongthez-axis.zB(T)(MHz)N

/N

1.4600,9999901000911.7445000,999992

280

595射頻RF的能量：

E=hn能級差：

E=g?B0共振吸收：n=(g/2p)B0

掃場共振吸收的能量分析Since

E

isverysmallNMRisaratherinsensitivespectroscopicmethod,andoptimizingthesignal-to-noiseratioisalwaysacriticalissueforNMR.gB0

2

n=B0=n/(g/2p)掃頻NMR

弛

豫relaxation共振吸收后，低自旋減少，吸收漸弱,飽和時無吸收。弛豫指通過非輻射躍遷，由高能態(tài)回到低能態(tài)的各種物理過程。以維持能態(tài)平衡Spin-latticerelaxationSpin-spinrelaxationNH4NO31950,W.G.Proctor&虞福春

?理論上講，同種原子核處于同樣的磁場中能級裂分，接受射頻時應該在同一位置發(fā)生共振。不同基團中的同種核，因屏蔽不同,造成共振峰位不同，從而產(chǎn)生不同的化學位移H0H’H=H0-sH0=(1-s)H0s:屏蔽系數(shù)w=g(H+H0)化學位移CH3-CH2-OHCH2CH3OHa.參比-內(nèi)標：1H:Tetramethy-silane,Si(CH3)4,

TMS,

13C:CS2,

TMS19F:AcF3,CCl431P:85%H3PO4gB0

2

n=1,單峰

便于比較2,屏蔽強

高場強3,化學惰性不與樣品反應4,沸點低

有利于樣品回收b.數(shù)值表示:(unit:ppm)CH3Br/TMS質(zhì)子的化學位移B0=1.4092T,

TMS=60MHz,

CH3=60MHz+162Hz

d:2.70ppmB0=2.3486T,

TMS=100MHz,

CH3=100MHz+270Hz

:2.70ppmppm:partspermillionJ耦合、自旋-自旋耦合Spin-SpinCouplingCH2CH3低分辨高分辨J自旋偶合：兩個鄰近的、＂成鍵＂的自旋對間具有自旋偶合，又稱Ｊ偶合不同的n和H引起主峰間距變化譜線裂分規(guī)則（ｎ＋１）規(guī)則ABA核：自旋量子數(shù)IB核將裂分為(2I+1)條譜線Examples:-CH:2x1x(1/2)+1=2如果有n個A核與B耦合，B將裂分為(2nI+1)條譜線.對于(I=1/2)核，可簡化為(n+1)規(guī)則DihedralangleinformationfromcouplingconstantsKarplus:3J=J0cos2

+C(=0-90)3J=J180cos2

+C(=90-180)3J=A+Bcos

+Ccos2

(J180>J90)DihedralanglesintheproteinbackboneJ-couplingsover3bondsareusedinsecondarystructureassignment研究蛋白質(zhì)溶液構(gòu)象1,通過COSY(TOCSY,DGFCOSY)等指認出各氨基酸的氫峰，耦合系數(shù)并計算相應的二面角。2，測定一系列的NOESY譜，找出各對空間距離小于0.5nm的核以約束結(jié)構(gòu)3，基于上述數(shù)據(jù)進行幾何結(jié)構(gòu)的計算以及能量優(yōu)化MagneticresonanceimagingBrainhaemorrhage

cerebralhaemorrhageLauterburMansfieldApplicationinclinic

Nobelprizes(2003)EdwardMillsPurcell

FelixBloch1946,1952RaymondV.Damadian1969空間差異性反映出不同環(huán)境、不同位置的差異空間的定位性能夠準確地對空間進行分辨和定位gB0

2

n=GradsMagneticfieldComputerizedtomograph磁共振成像儀（MRI）

第一張活體手指的X-射線影像圖打開了X-射線攝影應用于醫(yī)學診斷領(lǐng)域的大門，無獨有偶，第一張活體形態(tài)的NMR影像也是活體手指的橫斷面NMR圖像,它是曼斯菲爾得1976年通過掃描技術(shù)產(chǎn)生的

形態(tài)學觀察normaltumorBrainhaemorrhage生理學研究對胎兒顱腦主要結(jié)構(gòu)MRI信號分析發(fā)現(xiàn)：不同孕期胎兒的大腦(基底神經(jīng)核除外)、小腦實質(zhì)、腦干、基底神經(jīng)核以及腦室等NMR信號有較大差異。因此，可以判斷:胎兒期的大腦(基底神經(jīng)核除外)、小腦實質(zhì)內(nèi)髓鞘尚未形成，而腦干、基底神經(jīng)核的髓鞘在孕29周后形成，胎兒腦脊液的循環(huán)速度較成人快,其流速至少為4～5cm/s。由此可以預見，核磁共振成像技術(shù)在發(fā)育生物學領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用。外科手術(shù)前的重要診斷工具

急癥導航基礎(chǔ)醫(yī)學研究領(lǐng)域2005年，美國卡內(nèi)基梅隆大學理學院生物科學助理教授EricAhrens最初為了實現(xiàn)首次基因表達的高清晰、深層組織成像，曾“編制”細胞來制造他們自己的造影劑。腦功能研究---fMRI

基于血氧水平(BOLD)的原理━━即腦功能活動能引起血氧水平改變,MRI能夠探測到這種變化，從而可以定位腦功能活動區(qū)域。1991年,S.Ogawa等第一次用MRI成功獲得了人腦初級視皮層的神經(jīng)功能活動信號,使MRI成為探索大腦功能的一種快速、準確的成像工具

KurtWüthrich(2001),ThewaytoNMRstructuresofproteins.NatureStructuralBiology8,923-925.AnnFerentz&GerhardWagner(2000),NMRspectroscopy:amultifacetedapproachtomacromolecularstructure.QuarterlyReviewsofBiophysics33,29-65.JeremyN.S.Evans(1995),BiomolecularNMRSpectroscopy,OxfordUniversity