Page 58 - Perdih, Andrej, Katja Lakota, Alja Prah. 2020. Strukture bioloških molekul. Univerzitetni učbenik z recenzijo in navodila za vaje. Koper: Založba Univerze na Primorskem.
P. 58
rej perdih, katja lakota, alja prah
1. JEDRSKA MAGNETNA RESONANCA IN NMR EKSPERIMENT
Jedrska ali nuklearna magnetna resonanca (ang. Nuclear magnetic resonance - NMR) je najbolj
uporabljana spektroskopska tehnika v organski kemiji, ima pa tudi, kot bomo videli, pomembno
vlogo pri določevanju 3D strukture bioloških molekul, predvsem proteinov, pa tudi nukleinskih
kislin (npr. DNA, RNA). Najprej bomo spoznali splošne lastnosti NMR pojava, ki sta ga leta 1946
neodvisno odkrila Felix Bloch in Edward Mills Purcell in si za njegovo odkritje leta 1952 delila
Nobelovo nagrado za fiziko.
NMR pojav temelji na opažanju, da imajo atomska jedra pozitiven naboj, nekatera med njimi
pa tudi spin in zato od nič različen magnetni moment. Takšna magnetno aktivna jedra morajo
imeti liho število protonov ali nevtronov, kot npr. jedra 1H, 2H, 13C, 15N, 31P in 19F. Spin si v
klasični fiziki lahko predstavljamo kot vrtenje oz. natančneje precesijo nabitega delca, pri čemer
nastane okrog njega majhno magnetno polje, kot to prikazuje Slika 1. Smer takega spina in z
njim povezanega magnetnega momenta je poljubna, vse orientacije v prostoru imajo enako
energijo. Če pa magnetno aktivno jedro (npr. 1H proton) postavimo v zunanje magnetno polje
z magnetno gostoto B0, vse orientacije nimajo več enake energije. Spin se pri interakciji s
poljem B0 orientira tako, da se njegov magnetni moment postavi za večino jeder v smeri
vektorja B0 (energijsko ugodnejše stanje α), manjša populacija jeder pa v nasprotno smer
(energijsko manj ugodno stanje β) (Slika 1). V principu je možnih še več stanj, katerih število je
odvisno od spinskega kvantnega števila I. Energijska razlika med obema stanjema je podana z
enačbo:
Δ = ℎ = ℎ !
2
kjer je h Planckova konstanta, B0 jakost zunanjega magnetnega polja in giromagnetno
razmerje, ki je za vsako jedro konstantno (26.753 s-1gauss-1 za vodik).
Slika 1. (Zgoraj) Prikaz magnetno aktivnega jedra 1H kot vrtečega nabitega delca, ki se obnaša
kot majhen magnet, in primerjava s podobnimi sistemi, tokovno zanko in magnetom. (Spodaj)
Obnašanje jedra v zunanjem magnetnem polju.
Poglejmo si potek enodimenzionalnega NMR eksperimenta, kjer obravnavamo 1H protone kot
magnetno aktivna jedra. Vzorec s preiskovano molekulo, ki vsebuje magnetno aktivna jedra 1H,
damo v zunanje magnetno polje B0 in ga obsevamo z elektromagnetnim valovanjem primerne
frekvence. To so navadno radijski valovi s frekvencami med 60 in 1000 MHz. S tem kratkim
58
1. JEDRSKA MAGNETNA RESONANCA IN NMR EKSPERIMENT
Jedrska ali nuklearna magnetna resonanca (ang. Nuclear magnetic resonance - NMR) je najbolj
uporabljana spektroskopska tehnika v organski kemiji, ima pa tudi, kot bomo videli, pomembno
vlogo pri določevanju 3D strukture bioloških molekul, predvsem proteinov, pa tudi nukleinskih
kislin (npr. DNA, RNA). Najprej bomo spoznali splošne lastnosti NMR pojava, ki sta ga leta 1946
neodvisno odkrila Felix Bloch in Edward Mills Purcell in si za njegovo odkritje leta 1952 delila
Nobelovo nagrado za fiziko.
NMR pojav temelji na opažanju, da imajo atomska jedra pozitiven naboj, nekatera med njimi
pa tudi spin in zato od nič različen magnetni moment. Takšna magnetno aktivna jedra morajo
imeti liho število protonov ali nevtronov, kot npr. jedra 1H, 2H, 13C, 15N, 31P in 19F. Spin si v
klasični fiziki lahko predstavljamo kot vrtenje oz. natančneje precesijo nabitega delca, pri čemer
nastane okrog njega majhno magnetno polje, kot to prikazuje Slika 1. Smer takega spina in z
njim povezanega magnetnega momenta je poljubna, vse orientacije v prostoru imajo enako
energijo. Če pa magnetno aktivno jedro (npr. 1H proton) postavimo v zunanje magnetno polje
z magnetno gostoto B0, vse orientacije nimajo več enake energije. Spin se pri interakciji s
poljem B0 orientira tako, da se njegov magnetni moment postavi za večino jeder v smeri
vektorja B0 (energijsko ugodnejše stanje α), manjša populacija jeder pa v nasprotno smer
(energijsko manj ugodno stanje β) (Slika 1). V principu je možnih še več stanj, katerih število je
odvisno od spinskega kvantnega števila I. Energijska razlika med obema stanjema je podana z
enačbo:
Δ = ℎ = ℎ !
2
kjer je h Planckova konstanta, B0 jakost zunanjega magnetnega polja in giromagnetno
razmerje, ki je za vsako jedro konstantno (26.753 s-1gauss-1 za vodik).
Slika 1. (Zgoraj) Prikaz magnetno aktivnega jedra 1H kot vrtečega nabitega delca, ki se obnaša
kot majhen magnet, in primerjava s podobnimi sistemi, tokovno zanko in magnetom. (Spodaj)
Obnašanje jedra v zunanjem magnetnem polju.
Poglejmo si potek enodimenzionalnega NMR eksperimenta, kjer obravnavamo 1H protone kot
magnetno aktivna jedra. Vzorec s preiskovano molekulo, ki vsebuje magnetno aktivna jedra 1H,
damo v zunanje magnetno polje B0 in ga obsevamo z elektromagnetnim valovanjem primerne
frekvence. To so navadno radijski valovi s frekvencami med 60 in 1000 MHz. S tem kratkim
58
