Wykład IV
Metody pozwalające wyznaczyć struktury przestrzenne cząsteczek w różnych warunkach. Technika promieniowania Roentgena (dominująca)
Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR)
Techniki spektroskopowe wykorzystują zjawisko oddziaływania elektromagnetycznego. Fala elektromagnetyczna wzbudza różnego rodzaju cząsteczki.
Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR)
Próbkę umieszczamy w bardzo silnym zewnętrznym polu magnetycznym. Jądra uzyskują kwantowaną energię; ilość poziomów jest uzależniona od liczby spinowej (spinu jądra), która może być całkowita lub połówkowa (1/2, 3/2, itd.)
Spin jest wielkością kwantową, ale ma pewien odpowiednik klasyczny, można przyjąć, że jądra mają pewien wewnętrzny obrót, który powoduje, że jądro ma również własności magnetyczne. Większość jąder nas interesujących ma nie zerowy spin, tj. ma moment magnetyczny, np. protony, węgiel 13C; niestety dominujący węgiel 12C ma spin zerowy, więc nie mają własności magnetycznych - brak zastosowania w tej metodzie. 13C - 1% zawartości izotopowej. Azot 15N i 14N mają momenty magnetyczne, oba są stosowane, choć głównie 15N (mimo że zawartość izotopowa 0,3%); też P fosfor. Wszystkie te jądra mają spin równy ½, więc w zew polu mag takie jądro będzie miało dwa poziomy o … energii. Jeżeli do takiej próbki przyłoży się promieniowanie wzbudzające (fala radiowa o częstości dopasowanej do przerwy między poziomami energetycznymi (10-700mH). Częstość wzbudzania, żeby wywołać zjawisko magnetycznego rezonansu jądrowego, musi się zawierać w gamma x B; B - indukcja pola magnetycznego;
gamma - współczynnik żyromagnetyczny; różny dla różnych jąder;
Przy innej częstości wykazującej zjawisko rezonansu, czyli przejścia z niższego poziomu na wyższy (wzbudzenie podobne do absorpcji promieniowania). Inne częstości rezonansowe wykazują protony, inne węgle, inne azoty (różnią się o dziesiątki mH); mniej więcej ok. 900 mH (taki rząd wielkości jest stosowany)
Najprostszy eksperyment dający możliwość zarejestrowania prostego widma: mamy próbkę o objętości 1 ml (może być roztwór lub ciało stałe), do niej doprowadzamy impuls pola elektromagnetycznego, jądra po przerwaniu trwania tego impulsu oddają energię w procesach relaksacji, tj. przejścia bezpromienistego. Oddawanie energii wiąże się z obrotem momentów magnetycznych ……………… sygnał rezonansowy, czyli prąd zanikający w czasie. Następnie można tą zależność czasową sygnału przez transformację komputerową ….. zależność intensywności sygnału od częstości. Otrzymujemy widmo.
Intensywność sygnału zależy od ilości jąder, ilości typów jąder i od czasu relaksacji, czyli zaniku sygnału po wzbudzeniu.
(…)
… w technikach NMR in vivo - wymagane stężenie 0,1 mM. Silnie rozwija się wykorzystanie NMR do nieinwazyjnego obrazowania naszych wewnętrznych tkanek. Tu nie interesuje nas widmo, tylko uzyskanie przekroju w określonej płaszczyźnie przez fragment. Przykład rozkładu tkanek w mózgu. To co mierzymy to głównie woda, protony pochodzące od wody. Tkanki mają różne zawartości wody, w zależności od zawartości wody…
… zaawansowania (mm3).
Stosowane do obrazowania zarówno całych organizmów jak i pojedynczych komórek, w zależności od stosowanych pól i gradientów - mikroskopia NMRowa.
Największe zastosowanie ma połączenie technik in vivo NMR (widmo z określonego obszaru organizmu) i obrazowania - miejscowy magnetyczny rezonans TMR. Ważniejsze jest tu widmo, ale jest ono uzyskiwane w ten sposób, że przez obrazowanie wybiera…
….
Jeśli znamy strukturę chemiczną cząsteczki (np. sekwencję nukleotydów w kwasie nukleinowym), możemy uzyskiwać informacje o strukturze przestrzennej, tj. możemy zbudować model cząsteczki z położeniami poszczególnych atomów w roztworze. Stosowane w biofizyce molekularnej i proteomice. Można też wykonywać miareczkowanie grup kwasowych lub zasadowych w białkach, badać tworzenie kompleksów molekularnych, pewne…
… więc zobaczyć tylko niewiele metabolitów, dla widma fosforowego - nukleotydotrifosforany, fosfokreatyna, fosforan nieorganiczny; dla węglowego i protonowego - kreatyna, glikogen, tłuszcz.
Możemy badać przekształcenie wyznakowanych cząsteczek wprowadzanych z zewnątrz i niektóre metabolity żywej komórki w sposób nieinwazyjny. Bardzo prostym zastosowaniem techniki NMR jest określenie pH wewnątrzkomórkowego na podstawie położenia fosforanu nieorganicznego. Przykład procesu obserwowanego w mięśniu sercowym: fosfor jest przez kinazę kreatyny przerzucany pomiędzy kreatyną a ATP, fosfokreatyna jest zbiornikiem fosfory nieorganicznego, drugi proces - hydroliza ATP.
Widmo mięśnia sercowego. W normalnych warunkach mamy fosfokreatynę, ATP, alfa, beta i gamma sygnały (trójfosforan - 3 sygnały pochodzące niezależnie…
… zagadnienia dotyczące dynamiki ruchów molekularnych (zmiana konformacji, struktury, ruch fragmentów cząsteczek w roztworze).
Ostatnio też do badania białek związanych z błonami. Zastosowanie w biochemii:
Badanie w żywych komórkach i tkankach przekształcenia niektórych metabolitów,
Kliniczne:
Nieinwazyjne obrazowanie narządów, tkanek wewnętrznych (głównie rezonans protonowy 1H-NMR); konkurencyjna metoda…
... zobacz całą notatkę
Komentarze użytkowników (0)