Физическая биохимия - Фрайфелдер Д.
Скачать (прямая ссылка):
Д. _ . ,0», (3)
где Яобр и Нът — магнитные поля, вызывающие явление резонанса для образца и эталона соответственно. Если меняется v,
vo6p V3T 1
М. Д. = ---------Ю6.
Преимущество такой безразмерной шкалы состоит в том, что химические сдвиги не зависят от действительной величины Я0 или частоты радиочастотного сигнала и можно сравнивать спектры, полученные на различных ЯМР-спектрометрах. Тем не менее еще
довольно часто можно увидеть данные, выраженные в виде смещения в единицах частоты или поля при соответственно фиксированном поле или частоте.
На рис. 17-3 показан протонный спектр лизина, на котором ясно видно большое количество резонансов ядер одного вида и влияние химической группы, к которой принадлежит протон, на положение сигнала.
На химический сдвиг оказывают влияние многие факторы; те из них, которые играют важную роль в биохимии, рассматриваются ниже.
Внутримолекулярное экранирование
Этот эффект вызывает сдвиги порядка 10—20 м. д. Он принадлежит к типу явлений, о которых вкратце упоминалось ранее, а именно: внешнее магнитное поле индуцирует движение электронов, окружающих ядро. Это создает у ядра поле противоположного направления по сравнению с приложенным полем, так что Я0фф<Я0. Несколько большие эффекты наблюдаются в том случае, если ядро находится у ароматического кольца или у системы сопряженных колец. я-Электроны колец «делокализованы» и мо-
РИС. 17-4.
Электронная плотность, кольцевые токи и магнитные силовые линии бензольного кольца. Сплошная тонкая стрелка обозначает приложенное поле Но-Сплошная жирная стрелка — магнитное поле, которое индуцируют циркулирующие электроны. [Из работы Dwek R. Л., Nuclear Magnetic Resonance in Biochemistry, Clarendon Press, 1973.]
гут свободно циркулировать в плоскости кольца. Если перпендикулярно плоскости кольца приложено магнитное поле, то в результате циркуляции электронов индуцируется магнитное поле, которое в центре кольца антипараллельно, а вне кольца параллельно приложенному полю (рис. 17-4). Это аналогично тому, что происходит при прохождении тока через проволоку. Направление результирующего химического сдвига, следовательно, зависит от локализации ядра по отношению к атомам углерода кольца. Химический сдвиг такого типа называется сдвигом, обусловленным кольцевыми токами. Он наблюдается в случае ароматических аминокислот, пуринов, пиримидинов, порфиринов и флавииов.
Парамагнитные эффекты
Большой химический сдвиг возникает при наличии неспаренного электрона (например, в свободных радикалах или в некоторых ионах металлов) ввиду того, что сам электрон имеет значитель-ный магнитный момент. Сдвиг составляет от 20 до 30 м. д.; его можно обнаружить, когда неспаренный электрон находится на расстоянии 10 А от ядра, дающего резонанс; кроме того, так как величина сдвига обратно пропорциональна кубу расстояния, эти эффекты могут быть использованы для измерений молекулярных расстояний. Однако для многих парамагнитных веществ происходит очень сильное уширение резонансных линий, так что их трудно наблюдать в спектре ЯМР. Такие парамагнитные соединения изучают с помощью электронного парамагнитного резонанса.
Межмолекулярные эффекты
Когда взаимодействуют две молекулы, распределение электронов в одной молекуле может влиять на химические сдвиги ядер другой. Если ядро находится в полимере, проявляется взаимное влияние различных участков или остатков, которые отдалены в цепи полимера, но находятся по соседству в трехмерном пространстве. Иначе говоря, при свертывании молекулы и формировании третичной структуры полимера могут оказаться сближенными удаленные химические группы, в результате чего создается новое окружение ядер и изменяются химические сдвиги; эти изменения могут быть меньше тех, которые наблюдались вследствие внутримолекулярных эффектов, описанных в предыдущем разделе. Межмолекулярные эффекты имеют большое значение для биохимии, так как с их помощью можно контролировать связывание лиганда с макромолекулой (например, взаимодействия между ферментом, кофактором и субстратом) и описать пространственную структуру участка полимера.
РИС. 17-5.
Форма линий при различных скоростях обмена.
ZX
Химический обмен
Если ядро находится в молекуле, которая подвергается быстрым обратимым химическим превращениям, его окружение непрерывно изменяется. Следовательно, воздействие на химический сдвиг зависит от временной шкалы обмена. Рассмотрим лиганд, который может либо связаться с другой молекулой, либо остаться свободным в растворе,— ясно, что этому отвечают два различных окружения. Если происходит очень медленный обмен лиганда между двумя состояниями, то для каждого из этих состояний будет наблюдаться свой отдельный сигнал и, следовательно, ядро в лиганде будут характеризовать два разных химических сдвига, обусловленных различным окружением ядра в двух состояниях (рис. 17-5,А). Если происходит более быстрый обмен, то это будет проявляться в уширении резонансных линий (рис. 17-5,5). По мере того как обмен станет еще более быстрым, линии отдельных состояний сигнала уширяются настолько, что начинают перекрываться, а затем вместо них появится одна широкая полоса, занимающая промежуточное положение (рис. 17-5, В). Если обмен очень быстрый, то будет наблюдаться узкая резонансная линия, химический сдвиг которой есть среднее химических сдвигов ядра в свободном и связанном лиганде (рис. 17-5,Г). Используя это явление, удобно изучать обменные реакции и механизм ферментативных реакций. Например, можно определять число ядер в каждом состоянии, поскольку площадь резонансного сигнала пропорциональна числу ядер, дающих сигнал (см. разд. «Данные, получаемые из спектров ЯМР»).
