核磁共振技术在蛋白质结构测定中的应用

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1、核磁共振技术在蛋白质结构测定中的应用化学与化工学院化学基地班徐周毅201000111136摘要：在强磁场中，原子核发生自旋能级分裂，当吸收外来电磁辐射时，将发生核自旋能级的跃迁，产生核磁共振现象。核自旋能级的共振频率和原子的类型有关，且受到所处化学结构微环境的影响。由此核磁共振能够提供分子的结构信息，并被广泛应用于化学领域的研究。随着技术的不断发展，核磁共振技术开始作为解析高分辨率蛋白质结构的重要方法。关键词：核磁共振；蛋白质结构NuclearmagneticresonanceapplicationsinstructuredeterminationAbstract:nuclea

2、rmagneticresonancespectroscopyhasemergedasthemethodofchoiceforstudyingproteinstructureinsolutionandsolid.Andhastheuniqueadvantageofbeingcapableofelucidatingthestructure.Inthisreview,IbrieflysummarizethemethodsforstudyingproteinstructurebyusingNMR,accompaniedbyexampletodemonstratethelatestdev

3、elopmentsinthefield.Keywords:NMR；proteinstructure引言：21世纪是生命科学的世纪。负责生命活动的是生物大分子，生物大分子之间的相互作用构成了生命活动的基础，因此，认识生物大分子，深入了解生物大分子的结构功能是掌握生命活动本质的要求。高分辨蛋白质的结构测定目前主要是依赖于两种检测手段：X射线晶体衍射和核磁共振。在蛋白质数据库（PDB）收录的生物大分子结构中，用X射线晶体学、核磁共振波普学（NMR）和电子显微学（EM）方法测定的结构各占有一定的比例。图1数据曲子2010年9月的PDB数据库，课件用NMR解析的结构数目逐年增加，在200

4、7年达到顶峰。NMR技术的最大优点在于他能对溶液和非晶态中的蛋白质进行检测，实验条件更接近于生物大分子的生理环境，适用于分析不能结晶或者结晶后的构象可能会改变的蛋白质，因此，NMR技术成为除X射线以外最主要的蛋白质结构测定方法之一。图1三种主要方法测定的生物大分子结构数逐年增加情况1.核磁共振技术测定生物大分子三维结构的发展历程核磁共振现象即是具有磁矩的原子核，或称核自旋，在静磁场和射频磁场的共同作用下，可以吸收射频场能量，由低能态跃迁到高能级的现象。产生这一共振吸收现象的静磁场强度与射频场频率成正比关系。后来，科学家们又发现了物质中原子核的核磁共振信号的化学位移，即共振信号的

5、频率位置与原子核所处的微观结构环境有关，可以提供分子的结构信息。由此，核磁共振方法被广泛的应用于化学研究。然而核磁共振技术也面临着诸多的问题，由于核磁共振本身固有的性质，极慢的信号采集方式和低灵敏度阻碍了核磁共振方法的进一步发展，直到1996年，Ernst教授将傅立叶变换概念引入核磁共振方法。在脉冲傅立叶变换核磁共振方法中，射频脉冲加到样品的原子核上，在时间域内收集共振信号，然后由傅里叶变换将时间域信号变成频率信号，获得一维核磁共振波谱。1971年，比利时的J.Jeener提出了二维核磁共振的理论和方法。基于二维核磁共振的基本原理，在二维核磁共振波谱，每一个共振峰都由两个频率定

6、位，如果其中一个频率与其他核的共振频率重叠，另一个频率仍然可以分辨该共振峰，而两个频率都发生重叠现象的几率更小。因此，二维核磁共振方法为研究生物大分子开辟了新的途径。80年代，基因工程技术进一步发展，13C和15N稳定同位素标记的蛋白质可以在微生物中大量表达，促使三维、四维核磁共振方法的迅猛发展。由于传统的NMR实验耗费时间，快速核磁共振方法越来越受到重视，近几年来发展的几种快速NMR方法突破了传统的采集技术或数据处理模式，最大限度地获得低维图谱的结构信息。2002年，Szyperski等人提出了“降维NMR”的思想，即把n维NMR谱的信息压缩到n-1维谱中[1]随后出现的GF

7、T-NMR方法[2]、投影重建的方法PR-NMR[3]和基于Hadamard变换[4]的快速NMR方法，可以使实验时间成数十倍的减小，并克服了RD-NMR多重峰的落点。随机采用模式是近来受到广泛关注的新型采用模式，该技术避开了传统的矩阵型采用模式，使采样点在间接维度上随机分布采样点数远小于传统方法，再通过强大的计算机重建技术还原成经典的核磁谱图。由于它不采用热河既定的采用图形（如辐射图、螺旋形、圆形等），谱图重建由于随机噪音相互抵消，谱图中的噪音伪峰较少，由快速采用方法而发展起来的多种谱图重