Биофизическая химия. Том 2 - Кантон Ч.
Скачать (прямая ссылка):
Глава 9 Введение
в магнитный резонанс
9.1. Резонансные методы и их применение
Как явствует из содержания предыдущих глав, всестороннее исследование
оптических свойств биологических молекул позволяет получить много ценной
информации об их структуре и функциях. Наряду с этим в последние годы все
большее значение приобретает изучение магнитных свойств биологических
объектов. Это стало возможным благодаря развитию методов ядерного
магнитного резонанса и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР)
Во многих своих применениях ЯМР используется как спектроскопический метод
(подобно абсорбционной спектроскопии в инфракрасной, видимой и
ультрафиолетовой областях, рассмотренной в гл. 7 и 8). В спектроскопии
ЯМР регистрируется энергия, поглощаемая при переходах ядер с одного
уровня магнитной энергии на другой. При этом определяется зависимость
энергии либо от внешнего магнитного поля, либо от частоты
электромагнитного излучения. Эта зависимость поглощения от силы поля или
от его частоты и представляет собой спектр ЯМР. Такие спектры оказываются
весьма информативными, поскольку ядрам данного вида, входящим в состав
молекулы (например, ядрам атомов водорода в различных положениях), обычно
отвечают разные линии в спектре ЯМР. Полосы поглощения близких по своей
природе хромофоров, лежащие в оптическом диапазоне, чаще всего сильно
перекрываются; напротив, в спектрах ЯМР благодаря их очень высокой
чувствительности к локальному окружению сигналы от различных ядер
водорода часто оказываются хорошо разрешенными. Поэтому спектры ЯМР
служат своего рода "отпечатками пальцев" малых молекул: с их помощью
удается выявить даже незначительные различия в структуре таких молекул.
Высокая чувствительность спектров ЯМР к структурным особенностям нашла
свое применение и в исследованиях биологических макромолекул: по
изменениям спектра отдельных участков этих молекул иногда удается судить,
например, о наличии в системе специфического лиганда или о
конформационных изменениях. Если в ходе изучаемого процесса какая-либо
молекула периодически меняет свое окружение, то спектры ЯМР одного из ее
ядер часто могут служить источником количественной информации о частоте
этих изменений. Еще одной привлекательной особенностью ЯМР является
возможность измерять расстояния между ядрами в сложных ассоциатах,
например в фермент-субстратных комплексах.
В своей основе ЭПР не отличается от ЯМР: резонанс в ЭПР наблюдается при
переходе электрона с одного магнитного уровня энергии на соседний.
Однако, поскольку для наблюдения ЭПР молекула должна обладать неспаренным
электроном, а у большинства молекул электронные оболочки заполнены, этот
метод пригоден для исследования лишь весьма ограниченного круга
соединений. Правда, в случае биологических объектов этот недостаток
иногда оборачивается преимуществом. Например, парамагнитные центры
флавинов, бактериохлорофиллов и пероксидаз служат естественными зондами,
а их исследование при помощи ЭПР не осложняется посторонними сигналами,
так как все остальные группы этих молекул диамагнитны. Когда исследуемая
система не содержит
В зарубежной литературе наряду с сокращением ESR часто встречается ESR -
электронный спиновый резонанс.
ВВЕДЕНИЕ В МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
129
парамагнитных центров, можно использовать спиновую метку - относительно
небольшую молекулу, содержащую неспаренный электрон и способную
связываться с определенными центрами исследуемой молекулы. Спектры ЭПР
таких меток часто содержат интересную информацию о структуре участка
молекулы, непосредственно прилегающего к центру связывания с меткой, и о
его роли в функционировании молекулы.
Чтобы подробно осветить все вопросы, связанные с ЯМР и ЭПР и их
применением в биологии, необходимо написать отдельную книгу. Поэтому мы
ограничимся изложением лишь основных принципов и отдельных примеров
применения данных методов. Мы надеемся, что рассмотренный материал
послужит неплохим введением в обширный круг проблем использования методов
магнитного резонанса в биологии.
9.2.0бщие принципы ядерного магнитного резонана (ЯМР)
Природу магнитного резонанса можно до конца понять только с помощью
квантовой механики, однако многие основные его концепции вполне могут
быть изложены в классических рамках. Такой подход обладает очевидными
преимуществами, поскольку придает многим квантовомеханическим положениям
наглядный физический смысл.
В качестве иллюстрации классических и квантовых представлений рассмотрим
идеи, лежащие в основе измерений поглощения при ЯМР. Согласно
классической физике, ядро, обладающее магнитным моментом, взаимодействует
с постоянным магнитным полем Н, причем энергия взаимодействия равна Е = -
цт ¦ Н (в квантовой механике это выражение заменяется на гамильтониан
взаимодействия). Однако проекция ядерного магнитного момента цт на
направления поля изменяется не произвольно, как это имеет место в
классической физике, а квантуется. Следовательно, и энергия
