Биофизическая химия. Том 2 - Кантон Ч.
Скачать (прямая ссылка):
рабочей частоте 220 МГц. Сплошные кривые - спектры в НгО, пунктирные - в
D20. [Wong Y.P. et al., J.Mol. Biol., 72, 725 (1972).]
Из спектров ЯМР трудно извлечь принципиально новую информацию о
высокомолекулярных нуклеиновых кислотах в водном растворе, однако одни
пример весьма плодотворного применения ЯМР в этой области можно привести:
речь идет об исследовании транспортной РНК. Одной из причин успешного
изучения этой молекулы послужил ее относительно небольшой размер (70 - 80
нуклеотидов). Другой причиной явилось то обстоятельство, что вопреки
обычной практике более информативными в этом случае оказались спектры,
снятые в Н20, а не в DzO. Как правило, в таких исследованиях ЯМР-спектры
ВВЕДЕНИЕ В МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
Н20, состоящие из большого числа сигналов, налагаются на спектры
протонного резонанса, но в данном случае сигналы, отвечающие атомам
водорода, которые участвуют в образовании водородных связей, оказались
смещенными в сторону более низких полей.
На рис. 9.25 приведены спектры фенилаланиновой дрожжевой тРНК при 35°С.
Эти спектры взяты из работы Д. Кирнса, Б. Рейда и Р. Шульмана -
исследователей, весьма интенсивно изучавших тРНК с помощью ЯМР. Приведены
спектры, снятые как в Н20, так и в D20. В Н20 сигналы в области - 11,5 н-
- 15 м.д. (стандарт - ДСС) порождаются атомами водорода, участвующими в
образовании уотсон-криковских связей между основаниями. В спектрах,
снятых в DzO, эти сигналы отсутствуют, что свидетельствует о замещении
указанных атомов дейтерием. Систематические исследования слабопольной
области позволили установить многие особенности структуры тРНК в растворе
(см. гл. 24).
9.7. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)
СХОДСТВО МЕЖДУ ЭПР И ЯМР
За последнее десятилетие электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)
(называемый также электронным спиновым резонансом) получил в
биофизической химии широкое распространение. Этот метод основан на
наличии у неспаренного электрона магнитного момента. В магнитном поле
неспаренный электрон, спиновое квантовое число которого равно S = /г (/лs
= ± Vi), прецессирует вокруг направления поля (ось z), причем его момент
количества движения либо параллелен (ms = + Vi), либо антипараллелен {ms
= - Vi) этой оси. Переменное магнитное поле, направленное под прямым
углом к осиг, вызывает переходы между двумя спиновыми состояниями, если
частота поля близка к ларморовой частоте прецессирующего электрона.
Из анализа уравнений (9.1) - (9.11) мы знаем, что круговая частота
прецессии равна оз - -уН, где у - гиромагнитное отношение. Параметр у
определяется как у = -g@e/h [см. уравнения (9.8.) и (9.10) и их
обсуждение]. Нам известно также, что ядерный магнетон более чем на три
порядка меньше магнетона Бора электрона. Величина g для свободного
электрона составляет 2,00232. Таким образом, для свободного электрона у =
-1,7 • 107 рад • Гс _1 ¦ с -1, что по абсолютной величине в 103 или более
раз превосходит значения у для ядер (табл. 9.1). Это означает, что при
данном магнитном поле резонансная частота для неспаренного электрона
обычно в 103 раз превышает частоты, используемые в ЯМР. Следовательно,
если эксперименты по ЯМР проводятся в диапазоне мегагерц, то эксперименты
по ЭПР требуют рабочих частот порядка гигагерц (1 ГГц= = 109 колебаний ¦
с-1 = 103 МГц).
Хотя рабочие частоты, используемые в ЯМР и ЭПР, заметно различаются,
полученные ранее уравнения ЯМР (в частности, уравнения Блоха) и их
следствия применимы и к ЭПР, т.е. такие параметры, как время продольной
(Г,) и поперечной (Т2) релаксации, играют ключевую роль при установлении
природы сигнала ЭПР. Однако некоторые особенности ЭПР заслуживают
специального рассмотрения; к ним мы сейчас и перейдем.
СВЕРХТОНКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
Рассмотрим неспаренный электрон, находящийся во внешнем магнитном поле Н.
Локальные постоянные поля Д Н лок, создаваемые окружением электрона,
суммируясь с Н, дают эффективное поле Н Эфф. Эти локальные поля обычно
связаны с наличием ядер, обладающих магнитным моментом. Когда электрон
локализован преимущественно вблизи одного ядра со спином /, проекция
ДНлок на направление внешнего поля может прини-
168
ГЛАВА 9
иг
РИС. 9.26. Изменение спиновых состояний электрона для случая / = Vi
(жирные линии); тонкими линиями показана ситуация, когда о=0. Внизу -
порождаемый этими переходами спектр ЭПР.
т = + 1/2
~т,= 1 О
-ш{:
-т. - -1 О
Н-
РИС. 9.27. Изменение спиновых состояний электрона для случая / = 1. -
Внизу - соответствующий спектр ЭПР.
мать 2/ + 1 значений, отвечающих 2/ + 1 значениям магнитного спинового
квантового числа ядра тг Следовательно, резонанс будет наблюдаться при 2/
+ 1 значениях //рез, которые определяются как
"рез = "рез - ат1> где/77,= -/, -/+ 1,---- /-1, / (9.46)
Здесь а - постоянная, такая, что произведение al равно величине
локального поля, а /Z(r), - значение поля, при котором наблюдался бы
резонанс, если бы а было равно ну-
ЛЮ.
В качестве примера рассмотрим атом водорода, для которого I = Vi. В этом
