Wikipédia

Reziduális dipoláris csatolás

fizikai-kémiai fogalom

Reziduális dipoláris csatolás vagy maradék dipoláris csatolás egy molekula két spinje között akkor lép fel, ha a molekulák az oldatban részlegesen rendeződnek, így a térben anizotróp dipoláris csatolások nem átlagolódnak ki teljesen.

A molekulák részleges irányba rendeződése az anizotróp mágneses kölcsönhatások részleges kiátlagolódásához vezet, ilyenek például a mágneses dipól-dipól kölcsönhatás (dipoláris csatolás), a kémiai eltolódás anizotrópia vagy az elektromos kvadrupól kölcsönhatás. Az ebből származó maradék anizotróp mágneses kölcsönhatások egyre fontosabbá válnak a biomolekuláris NMR-spektroszkópiában.[1]

Történet és úttörő munkák szerkesztés

Az NMR-spektroszkópiát részlegesen rendezett közegben 1963-ban fedezték fel,[2] és csupán egy évvel később Alfred Saupe egy alapvető fontosságú cikkben bemutatta az elméletet,[3] mellyel leírható és megérthető a megfigyelt jelenség. Ez után számos különféle folyadékkristály fázisban felvett NMR-spektrumot közöltek.[4][5][6][7]

Egy második technika a részleges rendeződésre, melyet nem korlátoz a minimális anizotrópia, a feszültség okozta rendeződés gélben (SAG: strain-induced alignment in a gel), Deloche és Samulski úttörő munkája nyomán.[8] A technikát széles körben használták polimer gélek tulajdonságainak tanulmányozására nagy felbontású deutérium NMR-módszerrel,[9] de csak nemrégiben kezdték alkalmazni gélben oldott molekulák RDC-inek mérésére.[10][11] A technika lehetővé teszi a rendeződés mértékének korlátlan változtatását, és vizes valamint szerves oldószerekkel is alkalmazható a felhasznált polimertől függően. Például beszámoltak már RDC-mérésekről CDCl3-ban duzzadt, nyújtott polisztirol gélben, mint ígéretes rendezett közeg.[12]

1995-ben James H. Prestegard és munkatársai bemutatták, hogy bizonyos fehérjék (esetükben cianometmyoglobin, mely nagy mértékben anizotróp paramágneses szuszceptibilitással rendelkezik) nagy térerőn felvett NMR-spektrumaiból olyan adatok nyerhetők, melyek kiegészítik az NOE-ket a harmadlagos szerkezet meghatározásában.[13]

1996-ban és 1997-ben Adriaan Bax és munkatársai megmérték egy diamágneses fehérje (ubiquitin) RDC-it, és az eredmények jó egyezést mutattak a kristályszerkezettel.[14][15]

Fizika szerkesztés

A két atommag közötti maradék dipoláris csatolás az atommagok távolságától függ, illetve a kötésvektoruk és a külső mágneses tér által bezárt szögtől. Két spin (I és S) dipoláris csatolásának Hamilton-operátora:

 

ahol

  •   a redukált Planck-állandó
  •   és   az I és S spinek giromágneses állandói
  •   a spinek közötti távolság
  •   a spinek kötésvektora és a külső mágneses mező által bezárt szög
  •   és   a spin operátorok vektorai

A fenti egyenlet átírható az alábbi formába:

 

ahol

 

Egy izotróp oldatban a molekuláris bukdácsolás (tumbling) DIS átlagos értékét 0-ra csökkenti, ezért nem figyelhető meg dipoláris csatolás. Ha az oldat nem izotróp, DIS átlagos értéke eltérhet 0-tól, és reziduális csatolást tapasztalhatunk.

Vegyük észre, hogy a maradék dipoláris csatolás értéke lehet pozitív vagy negatív, attól függően, milyen szögtartományban mérjük.[16]

Az RDC-k nem csak statikus információt szolgáltatnak a szögekről és a távolságokról, hanem a molekula belső mozgásáról is képet kaphatunk. A molekula minden atomjához hozzárendelhetünk egy B mozgási tenzort, melyek az RDC-kből lehet kiszámolni az alábbi egyenlet segítségével:[17]

 

ahol

A molekuláris rendezettségi tenzor. B sorai minden egyes atom mozgási tenzorát tartalmazzák. A mozgási tenzoroknak is 5 szabadsági foka van. Minden mozgási tenzorból 5 paraméter számolható. A változók (Si2, ηi, αi, βi és γi) jelölik az i atom 5 számolható paraméterét . Si2 az i atom mozgásának nagysága; ηi az i atom mozgásának anizotrópiáját jellemzi; αi és βi a kötésvektor polárkoordinátáihoz kapcsolódnak, tetszőleges koordináta-rendszerben megadva. Ha az atom mozgása anizotróp (vagyis ηi = 0), az utolsó paraméter, γi a mozgás fő orientációját jellemzi.

Tartsuk észben, hogy az RDC-kből levezethető mozgási paraméterek lokálisak.

Mérés szerkesztés

Az oldatokban végzett RDC-mérések két lépésből állnak, ezek: a molekulák rendezése és az NMR-kísérletek.

Módszerek a molekulák rendezéséhez

Diamágneses molekulák mérsékelt térerőn nem hajlamosak orientálódni, és az átlagos dipoláris csatolások értéke 0-hoz tart. Mágneses mezőben a legtöbb molekula rendelkezik előnyben részesített orientációval, mivel a legtöbbnek anizotróp mágneses szuszceptibilitási tenzora van.[13]

A módszer olyan rendszerek esetében a legmegfelelőbb, melyek nagy mágneses szuszceptibilitási tenzor értékekkel rendelkeznek. Ilyen rendszerek a fehérje-nukleinsav komplexek, a nukleinsavak, a sok aromás aminosavat tartalmazó fehérjék, a porfirin tartalmú fehérjék és a fémkötő fehérjék.

Egy teljesen orientált molekula esetében egy 1H-15N amid csoport dipoláris csatolása 20 kHz feletti, és egy 5 Å távolságra lévő protonpár közötti csatolás ~1 kHz körüli. A mágneses mezőnek köszönhető rendeződés olyan kis mértékű, hogy a legnagyobb 1H-15N vagy 1H-13C dipoláris csatolások 5 Hz alattiak.[18] Ezért sok különböző rendezett közeget megterveztek:

  • Lipid bicellák (nagy mágneses szuszceptibilitással): a mért RDC-k száz Hz nagyságrendben voltak[19]
  • Folyékony kristályos bicellák: a mért RDC-k -40 és +20 Hz között[20]
  • Pálcika alakú vírusok: (nagy anizotróp mágneses szuszceptibilitás)[18][21]
  • DNS nanocsövek (membránfehérjék oldásához szükséges detergensekkel kompatibilisek)[22]

NMR-kísérletek

Számos módszert kifejlesztettek már atommagok közötti csatolási állandók pontos mérésére.[23] Két csoportra oszthatók ezek a módszerek: frekvencia alapú technikák, ahol a csúcsközepek közötti szétválást mérik a frekvencia dimenzióban, és az intenzitás alapú technikák, ahol a csatolás a rezonancia intenzitásából kapható meg, nem a felhasadásból. A két módszer kiegészíti egymást, mivel mindkettő másfajta szisztematikus hibákat hordoz.

A két csoportba tartozó NMR-kísérletek

Intenzitás alapú módszerek: kvantitatív J-modulációs kísérlet és fázismodulációs kísérlet

Frekvencia alapú kísérletek: SCE-HSQC, E.COSY és spin-állapot szelektív mérések

Szerkezeti biológia szerkesztés

Az RDC mérések a fehérje vagy fehérje-komplex globális feltekeredéséről adnak információt. A hagyományos NOE alapú szerkezetmeghatározással szemben az RDC-k nagy távolságokról hordoznak információt. A molekula nanoszekundumnál nagyobb időskálán vett mozgásairól is képet kaphatunk.

A biomolekuláris szerkezet tanulmányozása

 
A kék nyíl a kiválasztott peptidkötések N-H kötésének orientációját jelöli. Ha elég kötés külső mágneses térhez viszonyított orientációját sikerül meghatározni, a fehérje szerkezete meghatározható. PDB 1KBH

A fehérjeszerkezet NMR-spektroszkópia segítségével történő tanulmányozása a legtöbb esetben a fehérje protonjai között fellépő nukleáris Overhauser hatás analízisén alapszik. Mivel az NOE az atommagok közötti távolság hatodik hatványával fordítottan arányos, az NOE-kből távolsági kényszerfeltételek kaphatóak, melyek felhasználhatók a szerkezetszámoláshoz. Az RDC-k orientációs kényszerfeltételeket adnak, és számos előnyük van az NOE-kkal szemben:

  • Az RDC-k a külső mágneses mezőhöz viszonyított szögről adnak információt, vagyis a molekula olyan részeinek relatív orientációiról, melyek egymástól messze vannak.
  • Nagy molekulákban (>25kDa) nehéz NOE-kat mérni a spindiffúzió miatt. Ez a probléma nem lép fel az RDC-k mérésénél.
  • Nagyszámú NOE feldolgozása időigényes.

Amennyiben egy komplett RDC készlet rendelkezésünkre áll, számos modellrendszernél bebizonyították, hogy lehetséges a szerkezetszámolás csupán ezek alapján, az NOE kényszerfeltételek nélkül. Gyakorlatban ez nem kivitelezhető, és az RDC-ket az NOE és J-csatolás alapján számolt szerkezet finomítására használják. A dipoláris csatolások szerkezetszámolás során történő használatával kapcsolatban felmerül az a probléma, hogy nem írják le egyedileg az internukleáris vektor orientációját. Ha csak kevés áll rendelkezésre, a finomítás ront a szerkezeten. Egy N aminosavból álló fehérje esetén 2N RDC kényszerfeltétel szükséges minimálisan a pontos finomításhoz.[24]

 
RDC célgörbék az Asp58 NH vektorához az ubiquitin szűk 10-modelles sokaságához (PDB:1D3Z)

Egy specifikus kötésvektor RDC mérésének információtartalma úgy értelmezhető, ha veszünk egy célgörbét, ami kirajzolja a tökéletes egyezést a megfigyelt RDC érték és a modell alapján számolt RDC érték között. Egy ilyen görbe (lásd az ábrán) két szimmetrikus elágazással rendelkezik, amik egy olyan gömbön helyezkednek el, amelynek poláris tengelye a mágneses tér irányába mutat. Távolságuk a gömb egyenlítőjétől a molekuláris rendezettségi tenzor aszimmetriájától függ. Ha a molekuláris rendezettség teljesen szimmetrikus lenne a mágneses tér iránya körül, a célgörbe csak két körből állna, melyek ugyanakkora szöget zárnának be a sarkokkal, mint amekkorát a specifikus kötésvektor bezár a mágneses térrel.[24]

Egy hosszúkás molekula, mint pl. az RNS esetében, ahol a lokális torziós információ és a rövid távolságok nem adnak elég kényszerfeltételt, az RDC-mérések információt szolgáltathatnak egy adott nukleinsavon belüli specifikus kémiai kötések helyzetéről egy koordináta-rendszerhez képest. Az RNS-molekulák protonban szegények, és a ribóz rezonanciák átfedései nagyon megnehezítik a J-csatolás és az NOE adatok használatát a szerkezet-meghatározásban. 5-6 Å-nél távolabbi atommagok közötti RDC-ket is detektálhatunk, ez NOE-jel felépüléséhez túl nagy távolság. Ennek az az oka, hogy az RDC a távolság harmadik hatványával arányos fordítottan.

RDC mérések rendkívül hasznosnak bizonyultak annak meghatározásában, milyen az egymáshoz viszonyított relatív helyzete ismert szerkezetű fehérjék egységeinek.[25][26] Egy szerkezeti alegység, mely lehet olyan kis méretű, mint egy turn vagy egy hélix, vagy olyan nagy, mint egy egész domén, jellemezhető alegységenként csak 5 RDC felhasználásával.[24]

Fehérjedinamika

Mivel egy RDC térben és időben átlagolt információt ad a külső mágneses tér és a kötésvektor által bezárt szögről, geometriai információt is hordoz a fehérjék lassú mozgásairól (>10−9 s). Tolman és munkatársai azt találták, hogy korábban közölt mioglobin szerkezetek nem magyarázzák a mért RDC adatokat, így kigondoltak egy egyszerű modellt lassú dinamikai mozgásokkal, hogy ezt orvosolják.[27]

Jegyzetek szerkesztés

  1. ↑ Brunner, Eike (2001. április 4.). „Residual dipolar couplings in protein NMR” (angol nyelven). Concepts in Magnetic Resonance 13 (4), 238–259. o. DOI:10.1002/cmr.1012. ISSN 1043-7347.  
  2. ↑ Saupe, A. (1963. november 15.). „High-Resolution Nuclear Magnetic Resonance Spectra of Orientated Molecules”. Physical Review Letters 11 (10), 462–464. o. DOI:10.1103/PhysRevLett.11.462.  
  3. ↑ Saupe, A Z. Naturforsch. 19a, 161-171. (1964)
  4. ↑ Yannoni, Costantino S., Benjamin P. (1967. június 1.). „Nuclear magnetic resonance spectrum of oriented (cyclobutadiene)iron tricarbonyl” (angol nyelven). Journal of the American Chemical Society 89 (12), 2833–2836. o. DOI:10.1021/ja00988a006. ISSN 0002-7863.  
  5. ↑ Sackmann, Erich., Lawrence Clement. (1967. november 1.). „Relation of nematic to cholesteric mesophases” (angol nyelven). Journal of the American Chemical Society 89 (23), 5981–5982. o. DOI:10.1021/ja00999a062. ISSN 0002-7863.  
  6. ↑ https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.1696638
  7. ↑ Luckhurst, G. R. (1968. április 4.). „Liquid crystals as solvents in nuclear magnetic resonance” (angol nyelven). Quarterly Reviews, Chemical Society 22 (2), 179. o. DOI:10.1039/QR9682200179. ISSN 0009-2681.  
  8. ↑ Deloche, Bertrand (1981. május 1.). „Short-range nematic-like orientational order in strained elastomers: a deuterium magnetic resonance study” (angol nyelven). Macromolecules 14 (3), 575–581. o. DOI:10.1021/ma50004a024. ISSN 0024-9297.  
  9. ↑ (1985. február 1.) „Investigations of polymer chains in oriented fluid phases with deuterium nuclear magnetic resonance” (angol nyelven). Polymer 26 (2), 177–189. o. DOI:10.1016/0032-3861(85)90027-8. ISSN 0032-3861.  
  10. ↑ Sass, Hans-Jürgen (2000. április 4.). „Solution NMR of proteins within polyacrylamide gels: Diffusional properties and residual alignment by mechanical stress or embedding of oriented purple membranes” (angol nyelven). Journal of Biomolecular NMR 18 (4), 303–309. o. DOI:10.1023/a:1026703605147. ISSN 0925-2738.  
  11. ↑ Tycko, Robert, Yoshitaka (2000. szeptember 1.). „Alignment of Biopolymers in Strained Gels: A New Way To Create Detectable Dipole−Dipole Couplings in High-Resolution Biomolecular NMR” (angol nyelven). Journal of the American Chemical Society 122 (38), 9340–9341. o. DOI:10.1021/ja002133q. ISSN 0002-7863.  
  12. ↑ Luy, Burkhard, Horst (2004. február 20.). „An Easy and Scalable Method for the Partial Alignment of Organic Molecules for Measuring Residual Dipolar Couplings” (angol nyelven). Angewandte Chemie International Edition 43 (9), 1092–1094. o. DOI:10.1002/anie.200352860. ISSN 1433-7851.  
  13. ↑ a b Tolman, J. R., M. A. (1995. szeptember 26.). „Nuclear magnetic dipole interactions in field-oriented proteins: information for structure determination in solution” (angol nyelven). Proceedings of the National Academy of Sciences 92 (20), 9279–9283. o. DOI:10.1073/pnas.92.20.9279. ISSN 0027-8424. PMID 7568117.  
  14. ↑ Tjandra, Nico, Ad (1996. január 1.). „Protein Backbone Dynamics and15N Chemical Shift Anisotropy from Quantitative Measurement of Relaxation Interference Effects” (angol nyelven). Journal of the American Chemical Society 118 (29), 6986–6991. o. DOI:10.1021/ja960510m. ISSN 0002-7863.  
  15. ↑ (1997. február 1.) „Measurement of Dipolar Contributions to1JCHSplittings from Magnetic-Field Dependence ofJModulation in Two-Dimensional NMR Spectra” (angol nyelven). Journal of Magnetic Resonance 124 (2), 512–515. o. DOI:10.1006/jmre.1996.1088. ISSN 1090-7807.  
  16. ↑ (1994. január 1.) „Magnetically-oriented phospholipid micelles as a tool for the study of membrane-associated molecules” (angol nyelven). Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 26, 421–444. o. DOI:10.1016/0079-6565(94)80012-X. ISSN 0079-6565.  
  17. ↑ Tolman, Joel R. (2002. október 1.). „A Novel Approach to the Retrieval of Structural and Dynamic Information from Residual Dipolar Couplings Using Several Oriented Media in Biomolecular NMR Spectroscopy” (angol nyelven). Journal of the American Chemical Society 124 (40), 12020–12030. o. DOI:10.1021/ja0261123. ISSN 0002-7863.  
  18. ↑ a b Hansen, Mark R., Arthur (1998. december 1.). „Tunable alignment of macromolecules by filamentous phage yields dipolar coupling interactions” (angol nyelven). Nature Structural Biology 5 (12), 1065–1074. o. DOI:10.1038/4176. ISSN 1072-8368.  
  19. ↑ Metz, G., W. B. S. (1995. január 1.). „NMR Studies of Ubiquinone Location in Oriented Model Membranes: Evidence for a Single Motionally-Averaged Population” (angol nyelven). Journal of the American Chemical Society 117 (1), 564–565. o. DOI:10.1021/ja00106a078. ISSN 0002-7863.  
  20. ↑ Tjandra, Nico (1997. november 7.). „Direct Measurement of Distances and Angles in Biomolecules by NMR in a Dilute Liquid Crystalline Medium” (angol nyelven). Science 278 (5340), 1111–1114. o. DOI:10.1126/science.278.5340.1111. ISSN 0036-8075. PMID 9353189.  
  21. ↑ Clore, G. Marius, Angela M. (1998. október 1.). „Measurement of Residual Dipolar Couplings of Macromolecules Aligned in the Nematic Phase of a Colloidal Suspension of Rod-Shaped Viruses” (angol nyelven). Journal of the American Chemical Society 120 (40), 10571–10572. o. DOI:10.1021/ja982592f. ISSN 0002-7863.  
  22. ↑ Douglas, Shawn M., William M. (2007. április 17.). „DNA-nanotube-induced alignment of membrane proteins for NMR structure determination” (angol nyelven). Proceedings of the National Academy of Sciences 104 (16), 6644–6648. o. DOI:10.1073/pnas.0700930104. ISSN 0027-8424. PMID 17404217.  
  23. ↑ Prestegard, J. H., J. R. (2000/11). „NMR structures of biomolecules using field oriented media and residual dipolar couplings” (angol nyelven). Quarterly Reviews of Biophysics 33 (4), 371–424. o. DOI:10.1017/s0033583500003656. ISSN 1469-8994.  
  24. ↑ a b c (2005. október 1.) „Weak alignment NMR: a hawk-eyed view of biomolecular structure” (angol nyelven). Current Opinion in Structural Biology 15 (5), 563–570. o. DOI:10.1016/j.sbi.2005.08.006. ISSN 0959-440X.  
  25. ↑ Clore, G. Marius (2000. augusztus 1.). „Accurate and rapid docking of protein–protein complexes on the basis of intermolecular nuclear Overhauser enhancement data and dipolar couplings by rigid body minimization” (angol nyelven). Proceedings of the National Academy of Sciences 97 (16), 9021–9025. o. DOI:10.1073/pnas.97.16.9021. ISSN 0027-8424. PMID 10922057.  
  26. ↑ Tang, Chun, Rodolfo (2005. március 25.). „Solution Structure of Enzyme IIAChitobiose from the N,N′-Diacetylchitobiose Branch of the Escherichia coli Phosphotransferase System” (angol nyelven). Journal of Biological Chemistry 280 (12), 11770–11780. o. DOI:10.1074/jbc.M414300200. ISSN 0021-9258. PMID 15654077.  
  27. ↑ Tolman, J. R., M. A. (1997. április 1.). „NMR evidence for slow collective motions in cyanometmyoglobin” (angol nyelven). Nature Structural Biology 4 (4), 292–297. o. DOI:10.1038/nsb0497-292. ISSN 1072-8368.  
A lap eredeti címe: „https://hu.wikipedia.org/w/index.php?title=Reziduális_dipoláris_csatolás&oldid=26153578”