Kodolu magnētiskā rezonanse

Kodolu magnētiskā rezonanse (KMR jeb angliski NMR) ir augstfrekvences radioviļņu selektīva absorbcija vielā, kura atrodas ļoti spēcīgā magnētiskajā laukā. Tādi atomu kodoli, kuru spinu vērtība S ir 1/2 (magnētiski aktīvi ir arī pusveselie spini, kuru S ir lielāka par 1/2, kā piem. 3/2, 5/2, 7/2 utt., bet šie spini ir kvadrupoli), magnētiskajā laukā orientējas divējādi — vai nu magnētiskā lauka virzienā, vai arī pretēji tam. Līdz ar to izveidojas divi dažādi kodolu enerģijas apakšlīmeņi, turklāt vairāk kodolu parasti ir zemākajā enerģijas līmenī. Šie enerģijas līmeņi savstarpēji ir ļoti tuvi un to enerģijas starpībai atbilst tādu fotonu enerģija, kuru atbilstošais viļņa garums ir radioviļņu diapazonā (daži centimetri vai centimetra daļas). Tādējādi pie noteiktas magnētiskā lauka intensitātes noteikti atomu kodoli absorbē noteikta viļņu garuma radioviļņus, kas nodrošina atomu kodolu pāreju augstākajā enerģijas līmenī. Šādu selektīvu absorbciju sauc par rezonanses signālu. Kodoliem pārejot atpakaļ zemākajā līmenī, tāda paša viļņa garuma signāls tiek izstarots (to sauc par kodolu relaksāciju).

Kodolu magnētiskās rezonanses spektrometrs

Ja atomu kodoliem nav summārā spina (magnētiskā momenta), tie nedod KMR signālus (piemēram, tādi plaši izplatīti kodoli kā ogleklis-12 vai skābeklis-16). Savukārt spilgti izteiktus signālus dod ūdeņraža atomu kodoli jeb protoni, ogleklis-13, slāpeklis-15, fluors-19 un fosfors-31. Plaši izmantoto ūdeņraža kodolu rezonansi sauc par protonu magnētisko rezonansi (PMR).

Atoma kodola ar pusveselu spinu enerģētiskā līmeņa sašķelšanās magnētiskajā laukā. Jo intensīvāks magnētiskais lauks, jo lielāka ir enerģijas starpība ΔE starp apakšlīmeņiem.

KMR spektroskopija

Etilspirta ¹H KMR spektrs (oglekļa un skābekļa atomi signālus nedod). Redzams, ka ūdeņraža atomi, kas atrodas CH₃ grupā, CH₂ grupā, vai OH grupā, dod dažādus signālus. Signālu sīkstruktūra izskaidrojama ar protonu mijiedarbību savā starpā.

Kodolu magnētisko rezonansi izmanto vielas uzbūves un molekulārās struktūras pētīšanā (it sevišķi organiskajā ķīmijā) kā ļoti informatīvu spektroskopijas metodi.

Uzņemot KMR spektrus, var mainīt vai nu spēcīga (parasti supravadoša) elektromagnēta viendabīga magnētiskā lauka intensitāti pie pastāvīga radioviļņu garuma, vai arī izmantot pastāvīgo magnētu un mainīt radioviļņu garumu.

Mūsdienās KMR spektrus uzņem ierosinot visu spektru molekulai uzreiz. To realizē ar īsiem, bet spēcīgiem radio frekvenču impulsiem. Iegūto signālu tālāk matemātiski pārveido no laika skalas uz frekvenču skalu, izmantojot Furjē transformāciju. Šādas metodes pielietojums ievērojami paātrina spektru uzņemšanas laiku^[1] un paver iespējas veikt manipulācijas ar spiniem, kā arī ierakstīt multidimensionālus KMR spektrus. Par Furjē transformācijas un multidimensionālu KMR spektroskopijas metožu ieviešanu un attīstību Ričards R. Ernsts 1991. gadā bija apbalvots ar Nobela prēmiju ķīmijā.^[2]

KMR signāls ir atkarīgs arī no katra konkrētā kodolu veida atrašanās vietas molekulā, jo pārējie molekulas atomi un ķīmiskās saites var samazināt magnētiskā lauka iedarbību uz atomu (to sauc par signāla ķīmisko nobīdi).

Lai ķīmiskās nobīdes varētu savstarpēji salīdzināt, kādu no vielām pieņem par "standartsavienojumu". Bieži kā šādu savienojumu lieto tetrametilsilānu (CH₃)₄Si, jo tā visi 12 ūdeņraža atomi ir savā starpā pilnīgi simetriski un dod vienu vienīgu signālu.

Multidimensionālā KMR

Bieži 1D KMR spektros ir novērojama ķīmisko nobīžu pārklāšanās, kas ievērojami apgrūtina to interpretāciju. KMR spektru izšķiršanas spējas uzlabošanai, tos var ierakstīt divās (2D) vai vairākās (3D, 4D, 5D utt) dimensijās. Tādējādi signāli būs izkliedēti pa vairākām dimensijām, un signālu pārklāšanās būs mazāk iespējama. Parasti, priekš mazām organiskām molekulām 2D spektri ir pietiekami, lai interpretētu protonu un oglekļa-13 ķīmiskās nobīdes. Multidimensionālos spektros korelācijas signālus iegūst, veicot starpkodolu magnetizācijas pārnesi. To var realizēt caur spinu sadarbības (J coupling) vai caur dipolu sadarbības konstantēm.

Biomolekulārā KMR

Multdimensionālu KMR metožu attīstība atvēra plašas iespējas pētīt dažādu bioloģiski nozīmīgu molekulu (proteīnu, DNS, RNS, lipīdu, ogļhidrātu) struktūru un dinamiku gan šķīdumā,^[3] gan cietvielās.^[4] Salīdzinot ar citām proteīnu 3D struktūru noteikšanas metodēm, kā rentgenstaru difrakciju un 3D krio elektron-mikroskopiju, KMR spektroskopija ļauj analizēt biomolekulu struktūru un dinamiku (molekulusu kustība laikā un telpā) dažādos apstāķļos (piem. buferšķīdumi ar noteiktu pH līmeni, dažādas temperatūras, piemaisījumu klātbūtne utml.), kas ir tuvāk to dabiskajai videi.

Cilvēka insulīna KMR 3D struktūra (pdb kods 1HLS)^[5]

3D struktūru noteikšana parasti sastāv no 2D un 3D spektru ierakstīšanas un analīzes. Sākumā nosaka protonu, oglekļa-13 un slāpekļa-15 ķīmiskās nobīdes. Pēc tam atrod iekš un starpmolekulāros korelēcijas signālus starp kodoliem telpā. Šķīdumos šādu informāciju iegūst ar specifiskiem magnetizāijas pārneses eksperimentiem, kurus realīzē ar kodolu Overhauzera efektu (NOESY). Pēc tam iegūto informāciju ievada specifiskās datorprogrammās (kā piem. CYANA, ARIA, Xplor-NIH), kas izrēķina vairāku enerģētiski minimalizētu struktūru saišķi (bundle). 2020. gadā apmēram 8% no visām deponētām 3D struktūrām pdb datubāzē ir noteiktas ar KMR metodēm.^[6] Viena no KMR spektroskopijas būtiskākajām priekšrocībām ir iespēja noteikt dažādu kodolu relaksāciju parametrus. Šādi mērījumi ir tiešā veidā saistīti ar biomolekulu dinamiku. No KMR spektriem var aprēķināt dažādu kodolu kustību laika skalas un amplitūdas.^[7][8] Tālāk šos datus var interpretēt saistībā ar molekulu bioloģiskām īpašībām. Ar KMR metodēm var petīt biomolekulu hidratāciju^[9] (mijiedarbība ar ūdens molekulām) un to saistību ar ligandiem. Šādi pētijumi ir svarīgs solis jaunu zāļu vielu pirmatnējā izstrādē^[10] Viens no galvenajiem biomolekulārās KMR spektroskopijas trūkumiem ir molekulu izmēru limits. Jo vairāk atomi molekulā, jo spektros būs lielāka signālu pārklāšanās iespēja. Tas ievērojami var sarežģīt un limitēt KMR pielietojumu. To var daļēji kompensēt, ierakstot vairāk dimensiju spektrus (kā 4D, 5D, utt), bet tas ievērojami samazina iegūto signālu intensitāti. Par cik dabiskais oglekļa-13 un slāpekļa-15 sastāvs ir salīdzinoši mazs, tad lai detektētu šos kodolus ar multidimensionālām KMR metodēm ir nepieciešams proteīnu mākslīgi bagātināt ar šiem izotopiem. To realizē proteīnu iegūšanas stadijā, maksimāli daudz aizvietojot oglekļa-12 un slāpekļa-14 (kas dabiski ir līdz 99% izplatīti) izotopus ar attiecīgi oglekļa-13 un slāpekļa-15 izotopiem.

KMR ienākšana strukturālajā bioloģijā bija nozīmīgs solis. Tas palīdzēja noteikt iepriekš nezināmu proteīnu struktūras, to dinamiku un mijiedarbības.

KMR medicīnā

Pamatraksts: Magnētiskās rezonanses tomogrāfija

Tā kā cilvēka organisms satur ļoti daudz ūdeņraža, ūdeņraža kodolu — protonu — magnētiskās rezonanses parādību var izmantot arī organisma izpētei, jo dažādi audi un orgāni satur dažādu ūdeņraža daudzumu. Atšķirībā no KMR spektroskopijas, kurā izmanto pilnīgi homogēnu magnētisko lauku, magnētiskās rezonanses tomogrāfijā (MRT) lieto magnētiskā lauka gradientu, jo šeit svarīga nevis spektrālo līniju tīrība, bet rezonējošo kodolu telpiskais sadalījums.

Parasti medicīnā šo metodi sauc nevis par kodolu magnētisko rezonansi, bet vienkārši par magnētisko rezonansi, jo termins "kodolu" var rosināt pacientos radiofobiju. Īstenībā šai metodei nav nekāda sakara ar radioaktivitāti vai jonizējošo radiāciju.

Literatūra

• O. Neilands. Organiskā ķīmija. R:, Zvaigzne, 1977, 54.-55. lpp.

Skatīt arī

• Elektronu paramagnētiskā rezonanse
• Radiospektroskopija

Atsauces

1. R. R. ERNST AND W. A. ANDERSON (1965). "Application of Fourier Transform Spectroscopy to Magnetic Resonance". The review of scientific instruments 37.
2. «Nobel prize in chemistry, 1991».
3. Kurt Wuthrich. NMR Structures of Biological Macromolecules. New York, 1986. ISBN 0-471-82893-9.
4. Federica Castellani, Barth van Rossum, Annette Diehl, Mario Schubert, Kristina Rehbein & Hartmut Oschkinat (2002). "Structure of a protein determined by solid-state magic-angle-spinning NMR spectroscopy". Nature 420: 99–102.
5. «PDB data base».
6. «statistics from pdb». 2020.
7. Giovanni Lipari and Attila Szabo (1982). "Model-free approach to the interpretation of nuclear magnetic resonance relaxation in macromolecules. 1. Theory and range of validity". Journal of American Chemical Society: 4546–4559.
8. Giovanni Lipari and Attila Szabo (1982). "Model-free approach to the interpretation of nuclear magnetic relaxation in macro molecules. 2. Analysis of experimental results". Journal of American Chemical Society: 4559–4570.
9. G. Otting, E. Liepinsh, K. Wuthrich (15.11.1992). "Protein hydration in aqueous solution". Science 254: 974-980.
10. Suzanne B. Shuker, Philip J. Hajduk, Robert P. Meadows, Stephen W. Fesik (29.11.1996). "Discovering High-Affinity Ligands for Proteins: SAR by NMR". Science 274: 1531-1534.