Физическая биохимия - Фрайфелдер Д.
Скачать (прямая ссылка):
Вопрос о том, как подойти к проблеме определения структуры, занимает важное место в этой главе. К сожалению, из-за большой сложности предмета обсуждение будет ограниченным. Преследуемая цель состоит в том, чтобы читатель мог понимать биохимическую литературу, связанную с использованием ЯМР, и в будущем знал, когда при решении различных биохимических задач следует обращаться за помощью к ЯМР.
Из дальнейшего станет очевидным еще одно 'различие между ЯМР и другими методами изучения макромолекул: ограниченность применения ЯМР вызвана в основном не сложностью теории, а скорее доступностью сложной аппаратуры и сложностью получаемых спектров. Мы заострили на этом внимание, так как, по-видимому, большие успехи в применении метода определяются и будут определяться главным образом улучшением аппаратуры.
Основы теории ЯМР
Для наших целей будем рассматривать простейшее ядро (хотя большинство представлений применимо к более сложным ядрам). Кроме заряда и массы, протон обладает угловым момен-
РИС. 17-1.
Прецессия вектора магнитного момента в двух спиновых состояниях (/=±72), индуцируемая магнитным полем Н0.
том, или спином. Вращающийся заряд порождает мапштное поле; его можно представить как крошечный стержневой магниг, ориентированный вдоль оси вращения. Напряженность этого магнитного поля выражается как магнитный момент \х. Подобно стержневому магниту, имеющему северный и южный полюс, jli имеет направление. Во внешнем магнитном поле макроскопический стержневой магнит ориентируется таким образом, что его магнитный момент направлен вдоль магнитных силовых линий этого поля. В случае атомных и ядерных частиц найдено, что, если протон находится в магнитном поле с напряженностью Н0у магнитный момент протона образует по отношению к направлению Hq один из двух углов, а именно угол 0 и 180 — 0, где 0 выражено в градусах (рис. 17-1). Эти две ориентации магнитного момента именуются соответственно по полю Н0 и против него. Потенциальная энергия, отвечающая каждой ориентации, есть —|xtfosin0 и +jutfosin0 соответственно, так что разность энергий двух энергетических уровней равняется 2jitfosin0. Как обсуждалось в гл. 14, при поглощении электромагнитного излучения (в ультрафиолетовой и инфракрасной областях), энергия которого равняется разности энергий (Д?) двух энергетических состояний, могут происходить переходы между электронными и колебательными уровнями. Возможны переходы и между энерге-
тическими уровнями ядер, только для этого требуется поглощение излучения, лежащего в области радиочастот. Так как Д? = = hvt где v — частота поглощаемого излучения и h — постоянная Планка,
_ 2fхЯ0 sin 0 h
На жаргоне исследователей ЯМР поглощение излучения этой частоты приводит к «перебросу протона из одной ориентации в другую» (т. е. изменению ориентации магнитного момента).
Чтобы распространить сказанное на другие ядра, помимо протона, необходимо прибегнуть к характерному для каждого ядра спиновому квантовому числу /. (В литературе, приведенной в конце главы, рассматриваются факторы, от которых зависит величина /.) Число различных ориентаций и, значит, энергетических уровней данного ядра в магнитном поле равно 21 + 1, где / всегда целое или полуцелое число. Для протонов, имеющих два уровня, / = 1/г. (В этой главе будут рассматриваться только ядра с /= 72.) Величина \i также изменяется от ядра к ядру. Значения / и jli для данного ядра трудно предсказать, так что во всех случаях они определялись путем непосредственного измерения.
В табл. 17-1 приведены характеристики нескольких ядер, представляющих интерес для биологов. Энергетические уровни ядер в отличие от электронных и колебательных уровней находятся на равном расстоянии друг от друга и в обычных условиях переходы могут происходить только между соседними уровнями. Это означает, что для данного ядра для каждого значения Н0 имеется только одна частота перехода.
ТАБЛИЦА 17-1
Данные ЯМР для ядер, важных в биологических системах
Изотоп Естественное Спин Чувствитель Относитель Приблизительный
содержание, I ность а ная чувстви диапазон химичес
% тельность6 ких сдвигов, м. д.
1Н 99,98 V* 1,000 1,00 12
2Н 0,016 г 0,0096 1,5.10'° 12
13С 1,1 */з 0,016 0,0002 350
15N 0,37 Ч» 0,001 3,7-10~G 1000
19 р 100 */, 0,83 0,83 500
81р 100 0,066 0,066 700
а Относительно при равном числе ядер.
® Произведение естественного содержания на чувствительноегь. В случае 2Н, 13С и 16N возможно обогащение (до > 99% для 2Н и 16N), чувствительность может возрастать.
РИС. 17-2.
Магнитный момент ц вращается относительно Н0. Перпендикулярно направленное поле Я] при ларморовой частоте индуцирует у ц вращающий момент; если Hi вращается с ларморовой частотой, оно может вызывать вращающий момент непрерывно.
