基于NMR自旋弛豫技术的蛋白质动力学研究

蛋白质的三维结构在很多情况下不能很好地解释其在生理过程中的作用机制. 动力学研究能够获悉蛋白质在不同时间尺度下的内运动信息,建立起动态结构和生物功能的联系. 该文综述了通过NMR自旋弛豫技术研究蛋白质动力学的原理和方法：ps~ns的快运动分析主要采用约化谱密度函数映射和Modelfree方法;μs~ms的慢运动涉及化学/构象交换过程,常借助CPMG和R_1ρ弛豫色散手段. 基于NMR的蛋白质动力学研究,将蛋白质科学从三维空间结构推进到四维时空结构的新层面.     

Direct Determination of Motional Correlation Times by 1D MAS and 2D Exchange NMR Techniques

One- and two-dimensional static and magic-angle spinning (MAS) exchange NMR experiments for quantifying slow (τ_c> 1 ms) molecular reorientation dynamics are analyzed, emphasizing the extent to which motional correlation times can be extracteddirectlyfrom the experimental data. The static two-dimensional (2D) exchange NMR experiment provides geometric information, as well as exchange time scales via straightforward and model-free application of Legendre-type orientational autocorrelation functions, particularly for axially symmetric interaction tensors, as often encountered in solid-state²H and¹³C NMR. Under conditions of MAS, increased sensitivity yields higher signal-to-noise spectra, with concomitant improvement in the precision and speed of correlation time measurements, although at the expense of reduced angular (geometric) resolution. For random jump motions, one-dimensional (1D)exchange-inducedsidebands (EIS)¹³C NMR and the recently developed ODESSA and time-reverse ODESSA experiments complement the static and MAS two-dimensional exchange NMR experiments by providing faster means of obtaining motional correlation times. For each of these experiments, the correlation time of a dynamic process may be obtained from a simple exponential fit to the integrated peak intensities measured as a function of mixing time. This is demonstrated on polycrystalline dimethylsulfone, where the reorientation rates from EIS, ODESSA, time-reverse ODESSA, and 2D exchange are shown to be equivalent and consistent with literature values. In the analysis, the advantages and limitations of the different methods are compared and discussed.     

壳聚糖和N-羟基苯并三氮唑相互作用的NMR研究

运用液体¹H谱、固体高分辨13C谱以及脉冲梯度场测量自扩散系数等核磁共振技术,研究了壳聚糖（CS）和N-羟基苯并三氮唑（HOBt）的相互作用.结果表明,CS重复单元中2位碳上的-NH₂和HOBt唑环上的-OH之间存在较强的氢键作用,HOBt的存在可以促进CS在水溶液中的溶解,使得在水溶液中对CS进行化学改性成为可能.通过测量CS与HOBt混合溶液中HOBt的自扩散系数,计算出复合物结合与解离的平衡常数K.     

PVPh/PEO共混物动力学演化过程的NMR研究

聚合物共混物中链段的慢取向运动与其玻璃化转变行为和宏观力学性质密切关联,而基于化学位移各向异性重聚的~(13)C CODEX(centerband-only detection of exchange)固体核磁共振(SSNMR)技术能够有效表征共混物中链段的慢取向运动.该文利用~(13)C CODEX NMR技术详细研究了相容性聚合物共混物聚乙烯基苯酚/聚氧乙烯(PVPh/PEO)中的刚性组分PVPh在较宽温度范围内的慢取向运动特性与玻璃化转变过程的关联.研究表明,在玻璃化转变起始温度以下,PVPh主链的分子运动被冻结,而侧基存在b-松弛的慢取向运动;在玻璃化转变起始温度附近,PVPh主链具有明显的慢取向运动,而且主链和侧基是一种协同的分子运动.该文利用NMR技术揭示了共混物中的玻璃化转变起止温度分别对应于高分子主链慢取向运动CODEX信号的开始和极大值处的温度.     

典型高分子材料的固体核磁共振研究

本论文通过固体核磁共振（NMR）谱及动力学参量的测量,并结合X-射线衍射技术和DSC测量等研究了两种典型高分子材料的相结构、链的运动以及相与相之间的关系.  乙烯-醋酸乙烯共聚物( EVA) 是最主要的乙烯共聚物之一. 研究发现,EVA的相组成非常复杂,共有5个不同的组分. 除了PE中所观察到的常规单斜晶相和刚性的正交晶相外,我们发现还存在第三个晶相分量－运动性较强的晶相（SOCP,可能是转动相）. 它不仅拥有自己的熔点,而且它的化学位移和分子运动性不同于刚性正交晶相（LOCP）. 另一方面,非晶相也由两种不同的分量组成：运动受限的各相异性的非晶界面相和高度可动的橡胶型的非晶相. 我们进一步详细研究了EVA中的晶区链动力学和非晶区的低温冻结行为. 实验发现,在正交晶相中,高分子链以180° flip-flop方式运动,同时伴随沿链方向的平移型跳跃运动,并引起正交晶相和非晶相之间的长程链扩散,通过NOE的测量证实了这种相间链扩散的存在,并进一步通过实验证实这种相间链扩散是一种受限扩散而不是自由扩散. 同时非晶相的两个组分具有不同的低温冻结行为：当温度低于-弛豫转变温度时,橡胶型的非晶相中的长程分子运动被冻结,但仍存在分子的局域运动;而界面非晶在低温时冻结成一种有序取向结构,并用质子自旋扩散实验证实该有序结构与正交晶相相邻近.  少量纳米级片层状粘土分散在聚合物中就可赋予材料许多优异的性能,我们用固体NMR技术对EVA/REC复合材料的结构和其中粘土的分散性质进行研究,发现上述复合材料中所形成的晶体类型不仅依赖于各组分的性质还依赖于所形成的复合材料的类型.  偏氟乙烯/三氟乙烯共聚物（P（VDF-TrFE））是最主要的铁电高聚物之一. 我们利用变温固体¹⁹F MAS NMR 谱及弛豫数据的测量详细研究了电子辐照对P(VDF-TrFE)共聚物的分子结构、构型、运动性以及相变等的影响. 发现,电子辐照不仅改变了分子链段的构型和运动性,同时也改变了局部分子化学结构. 电子辐照促使铁电相向顺电相(或者非晶相)转变,与此同时诱发了富含VDF和含-TrFE链段从全反式的构型到混合的反式-旁式构型的转变. 电子辐照加剧顺电区域中的分子运动而在高温熔融态中(>100 ℃）,分子的运动反而受限.     

19F固体核磁共振技术研究膜蛋白相互作用的进展

固体核磁共振技术因其可实现细胞膜环境中的蛋白质结构研究而广受关注.¹⁹F元素由于灵敏度高、天然丰度高,无生物背景等优点,被广泛应用于生物核磁共振技术中.氟标固体核磁共振技术常被用于细胞膜中蛋白质的相互作用研究,如：抗菌肽与细胞膜的相互作用、聚合膜蛋白结构分析等.此篇综述介绍了常用的蛋白质氟标修饰的实验方法,总结了常用的¹⁹F生物固体核磁共振实验技术,以及介绍了应用¹⁹F固体核磁共振研究膜蛋白的成功案例.此外,此篇综述讨论了¹⁹F固体核磁共振技术在蛋白质研究中的局限性.     

Narrowband Excitation of H Powder Pattern and Its Application to H 1D Exchange Sample-Turning NMR

Frequency-selective narrowband excitation of the ²H powder pattern was examined. Selection of a single spectral band with a linewidth of ca. 15 kHz was achieved by a narrowband ¹H → ²H cross polarization by using the time-averaged precession frequency method. Further narrowing with a ca. 5 kHz linewidth is achieved by DANTE irradiation. The narrowband excitation was applied to transform a recently developed 2D spin-exchange method for obtaining structural information (Chem. Phys. Lett. 260, 159, (1996)) into its 1D analogue. The determination of the D–C–D bond angle was demonstrated for α-glycine-[2,2-d₂]. Further, the intermolecular polarization transfer between two deuterons separated by 0.299 nm was detected with the mixing time of 500 ms.     

pH对血清影响的^1H NMR研究

维持血液的pH在7.35～7.45范围内,是生命的基本需要.人体生理状态的改变往往会伴随或者引发血液pH的变化.本文通过扩散加权、横向弛豫加权以及饱和转移差谱等1H NMR方法,对pH 7.0～7.8的血清体系进行研究,观察其中大分子和小分子代谢物的变化.实验结果表明pH的改变不仅能够引起血清中一些小分子代谢物化学位移的改变,还会影响小分子代谢物与蛋白的相互作用,引起这些小分子结合态和游离态含量的变化.此外,没有观察到血清蛋白信号的明显变化,仅血清白蛋白赖氨酰信号随pH增高有高场位移.     

C Selective Polarization and Spin Diffusion in a Lipid Bilayer-Bound Polypeptide by Solid-State NMR

While ¹⁵N solid-state NMR has proven to be very advantageous for the development of structural biological methods, ¹³C spectroscopy has increased sensitivity and spectral dispersion. However, large natural abundance signals and homonuclear dipolar interactions pose significant problems. Here we have used a pair of ¹³C-labeled sites in a lipid-solubilized polypeptide to show the selective polarization can be used in combination with spin diffusion to achieve simplified spectra. Both unoriented and oriented samples have been used, with the latter providing a well-resolved homonuclear dipolar splitting.     

木果楝中Xyloccensin K的NMR研究

从红树植物木果楝的果实中分离并鉴定了2个limonoid 类化合物Xyloccensin K和 6-acetoxycedrodrorin，应用高分辨NMR 技术对Xyloccensin K 的¹H 和¹³C NMR 数据进行了准确的归属，并纠正了文献中部分碳氢信号归属的错误.     

Protein dynamics measurements by TROSY-based NMR experiments

The described TROSY-based experiments for investigating backbone dynamics of proteins make it possible to elucidate internal motions in large proteins via measurements of T(1), T(2), and NOE of backbone (15)N nuclei. In our proposed sequences, the INEPT sequence is eliminated and the PEP sequence is replaced by the ST2-PT sequence from the HSQC-based experiments. This has the benefit of shortening the pulse sequences by 5.4 ms (=1/2J) and results in an increase in the intrinsic sensitivity of the proposed TROSY-based experiments. The TROSY-based experiments are on average of 13% more sensitive than the corresponding HSQC-based experiments on a uniformly (15)N-labeled Xenopus laevis calcium-bound calmodulin sample on a 750-MHz spectrometer at 5 degrees C. The amide proton linewidths of the TROSY-based experiments are 2-13 Hz narrower than those of the HSQC experiments. More sensitivity gain and higher resolution are expected if the protein sample is deuterated.     

高压NMR在蛋白质结构和动力学研究中的应用

与温度一样,压力是基本的热力学变量.蛋白质在溶液中是多种构象的热力学平衡体.在不同的温度和压力等条件下,蛋白质包括折叠构象、变性构象以及各种中间体在内的不同构象的存在频率各不相同.当用压力作为扰动时,由于这些构象的偏摩尔体积不同,它们的存在频率便会因而发生变化,加压可将平衡向具有较小偏摩尔体积的方向移动.因此,利用高压核磁共振(NMR)技术,不仅可以研究高压对蛋白质结构和动力学的影响,还可以通过改变压力,在更为广泛的构象空间研究蛋白质结构和动力学.例如,利用平衡体系在加压时向体积小的构象方向移动这一特性,能够对在常压下因其存在频率低而难于检测、但在高压下因其体积小而存在频率增加了的构象进行深入研究,而这些构象往往与蛋白质的功能密切相关.该篇综述首先介绍了高压在蛋白质科学研究中的历史、有关概念和高压NMR技术;其次,结合实例,阐述高压NMR技术在蛋白质结构、折叠以及动力学研究中的应用;最后,对高压NMR技术在蛋白质研究中的应用前景进行展望.     

一种新的六氢喹啉衍生物的NMR研究

应用¹H NMR,¹³C NMR,DEPT,¹H-¹H COSY,HSQC,HMBC等多种NMR实验测试分析方法,确证了一种新的六氢喹啉衍生物2,7,7-三甲基-4-(4-羟基-3-甲氧基）苯基-5-氧代-1,4,5,6,7,8-六氢喹啉-3-羧酸甲酯的结构,并对它的¹H、¹³C信号进行了归属.     

Initial conditions for carbon-13 MAS NMR 1D exchange involving chemically equivalent and inequivalent nuclei

A major problem in dynamic 1D ¹³C MAS NMR concerns the exchange between magnetically inequivalent, but chemically equivalent sites, whose signals are not resolved in the regular 1D spectrum. This difficulty may be overcome by properly preparing the initial nonequilibrium state of the spin system in the exchange experiments. In the present paper we discuss the advantages and limitations of several such experiments already in use and propose a new sequence, which we term SELDOM-ODESSA. Unlike the other 1D-exchange methods, this experiment yields pure absorption spectra that can more readily be analyzed quantitatively. The experiment is a hybrid comprising a SELDOM sequence, for selective excitation of one of the spinning sideband manifolds in the spectrum, followed by the ODESSA sequence, which induces alternate polarization in the excited sideband manifold. The evolution of the spectrum following this sequence provides information on both the exchange between congruent sites belonging to the same group of equivalent nuclei, and the exchange between inequivalent sites. Results are presented for a tropolone sample specifically enriched in carbon-13 at the carbonyl and hydroxyl sites. The dominant exchange mechanism in this sample involves spin diffusion. The various spin exchange processes in this sample, in the presence and absence of proton decoupling during the mixing time, are measured and discussed.     

Molecular Dynamics of Alkenylphenol Derivatives in Solution as Studied by NMR Spectroscopy

The formation of hydrogen bonds and molecular dynamics of alkenylphenol derivatives has been investigated in solution using nuclear magnetic resonance. The results confirm formation of an N···H, O···H-type intramolecular hydrogen bond. The spin–lattice relaxation times (T ₁) and activation energy of molecular dynamics have been investigated confirming the importance of relaxation times as a very sensitive tool for studying molecular mobility.     

2-酮基-L-古龙酸结构发生改变的核磁共振研究

发现并揭示了2-酮基-L-古龙酸在许多种溶剂中发生了结构改变,该物质在室温条件下,无需施加任何外力因素,分子中极易发生分子内成环结构变化:分子中的羰基(-C=O)双键断开变单键,形成了2,5位半缩醛五元环衍生物,使分子内出现了O-C-O基团,其标题化合物的核磁共振碳谱(13C NMR)羰基特征峰的化学位移(约200)变到了96,核磁共振2D HMBC异核相关谱,充分证明了2-酮基-L-古龙酸发生的分子内环合成衍生物的主要产物是五元环的2,5位半缩醛衍生物,而非六元环的2,6位半缩醛衍生物.     

蝎毒素LmKTT-1a 与胰蛋白酶相互作用研究

LmKTT-1a 是最近发现的一个蝎毒素,该多肽分子不仅具有钾离子通道调节剂的功能,还具有胰蛋白酶（Trypsin）抑制剂的活性,是第一个被发现的双功能蝎毒素．虽然前期工作已对LmKTT-1a 的溶液结构和钾离子通道调节剂的功能进行了研究,但未阐明LmKTT-1a 和Trypsin 的作用方式和位点．文中利用液体NMR 的手段,采用化学位移扰动分析的方法,确定了LmKTT-1a 的loop 区域V10~F17 等氨基酸位点可能参与了与Trypsin的相互作用．进一步采用定点突变的方法验证了NMR 实验的结果,并确认了LmKTT-1a与Trypsin 相互作用最关键的氨基酸位点是K14．该研究结果有助于进一步理解LmKTT-1a具有双功能活性的结构基础．     

广西大风子中2个新木脂素的NMR研究

从广西大风子的皮中分离得到两个新木脂素1和2,并通过高分辨质谱和核磁共振确定了其结构. 利用多种二维核磁共振技术,包括HSQC, HMBC, DQF-COSY 和NOESY谱,对其碳氢信号进行了全归属. 毛细管电泳分析显示1和2均为外消旋体.     

双过氧钒配合物与2-甲基咪唑相互作用的NMR研究

为探讨过氧钒配合物上有机配体对反应平衡的影响,在模拟生理条件下（0.15 mol/L NaCl溶液）应用多核（¹H, ¹³C, 和⁵¹V）多维（COSY和DOSY）NMR以及变温技术等谱学方法研究双过氧钒配合物[OV(O₂)₂L]^n- {n=1~3, L=oxalate （缩写为oxa）, picolinate（缩写为pic）, bipyridine（缩写为bipy）, 和1,10-phenanthroline（缩写为hen）,与它们配位的含钒物种分别缩写为bpV(oxa), bpV(pic), bpV(bipy)和bpV(phen)}与2-甲基咪唑（缩写为2-Me-Imi）的相互作用,实验结果表明2-Me-Imi与4种双过氧钒配合物的反应性从强到弱的顺序为：bpV(oxa)>bpV(pic)>bpV(bipy)>bpV(phen). 研究表明金属中心上配体的配位能力和空间位阻都对反应平衡产生较大的影响, 同时竞争配位的结果导致新的六配位的过氧物种[OV(O₂)₂(2-Me-Imi)]-的生成.     

先进固体NMR技术研究高分子结构与动力学

随着固体NMR理论和谱仪硬件技术的不断发展,近年来固体NMR技术在高分子多尺度结构与动力学研究领域中正发挥着越来越重要的作用. 多脉冲及高速魔角旋转（MAS）等质子高分辨技术的发展使得高灵敏度的¹H谱可有效地用于高分子化学结构与链间相互作用的检测;基于化学键（J-耦合）相关和通过空间（偶极耦合）相互作用的各种二维异核相关谱NMR新技术,使得复杂高分子的链结构得以严格解析. 基于MAS下同核和异核偶极-偶极相互作用、化学位移各向异性等各向异性相互作用重聚的系列新技术,使得研究者可在采用高分辨¹H或¹³C 检测信号的同时检测准静态下的各向异性相互作用,进而获得与之密切相关的结构和动力学信息. 通过质子偶极滤波技术可有效检测多相聚合物中的界面相与相区尺寸、高分子共混物中的相容性等问题. 在动力学的研究中,通过质子间自旋扩散的有效压制技术和化学位移各向异性的重聚,目前已经可以有效地获取链段上单个化学键的快速局域运动以及链段的超慢分子运动. 上述丰富的多尺度NMR技术可以使研究者在不同空间和时间尺度上对高分子聚合物的微观结构、相分离和动力学行为等进行详细的研究,进而阐明高分子微观结构与宏观性能的关联. 该文以固体NMR中最主要的2类核（¹H和¹³C）的检测技术为主线,简单介绍近年来固体NMR领域的一些最新研究进展及其在高分子结构和动力学研究中的应用.