1 Spektroskopowe metody identyfikacji związkówSpektroskopia NMR – techniki dwuwymiarowe Obrazowanie rezonansem magnetycznym (MRI)

2 Widmo kamfory wykonane przy różnej rozdzielczości spektrometru

3 Eksperymenty jednowymiarowej spektroskopii NMR – badanie wiązań wodorowych NHGly(1) / NHΔAla(5) / NHGly(4) / NHΔAla(2) \ - NHGly(3) / NHGly(6) Wpływ temperatury na wartość przesunięcia chemicznego protonów amidowych dla peptydu Boc–Gly-ΔAla-Gly–Gly-ΔAla-Gly-OMe

4 Widmo 1H NMR aktyny – białka zbudowanego z 375 reszt aminokwasowych

5 W przypadku większych układów i makromolekuł widma jednowymiarowe nie dostarczają dostatecznych informacji – konieczne staje się zastosowanie technik dwuwymiarowych. Generalnie widma tego typu bazują na dwóch typach oddziaływań: - sprzężenie skalarne – przez wiązanie – badanie struktury, - sprzężenie dipolowe – przez przestrzeń – badania konformacyjne.

6 Problem przypisania sygnałów na widmie peptydu/białkaH3C CH3 Sprzężenie skalarne – poprze wiązania (J-couplings) Oddziaływanie przez przestrzeń - dipolowe (NOE) H C O H N C C N H H

7 Wielowymiarowy NMR 2D 3D 1D MW ~ 300 MW ~ 10000 MW ~ 30000

8

9 Schemat eksperymentu jednowymiarowego:

10 Eksperyment dwuwymiarowy

11 W rezultacie otrzymujemy:

12

13 Najpopularniejsze eksperymenty dwuwymiaroweRodzaj badanych oddziaływań zastosowanie COSY COrrelated SpectroscoPY Homo lub heterojądrowe sprzężenie spin-spin Analiza sprzężonych ze sobą atomów DQF COSY Double Quantum Filtered COSY Homojądrowe sprzężenie spin-spin Analiza sprzężonych ze sobą atomów, Pomiar stałych sprzężenia TOCSY TOtal Correlation SpectroscopY Korelowanie ze sobą całych układów spinowych

14 Heteronuclear Multiple Quantum coherence HMQC Heteronuclear Multiple Quantum coherence Heterojądrowe sprzężenia spin-spin Korelacja przesunięć chemicznych protonów i heteroatomòw związanych przez jedno wiązanie HMBC Heteronuclear Multiple Bond Correlation Korelacja przesunięć chemicznych protonów i heteroatomòw związanych przez kilka wiązań COSY-LR Longrange Correlated SpectroscopY Analiza sprzężeń dalekiego zasięgu

15 Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY NOESY Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY Homojądrowe oddziaływania dipolowe Wyznaczanie odległości pomiędzy atomami ROESY Rotating Frame NOESY Wyznaczanie odległości pomiędzy atomami, stosowane w badaniach makromolekul

16 W badaniach strukturalnych największe znaczenie mają eksperymenty bazujące na sprzężeniach skalarnych – poprzez wiązania. Na podstawie analizy otrzymanych w ten sposób rezultatów możliwe jest przypisanie sygnałòw na widmie a co za tym idzie określenie struktury. A oto kilka przykładów

17

18

19 Widmo HHCOSY β-butyrolaktonu

20 Widmo HHCOSY kodeiny H-5 —> H-3 —> H-10 —> OH H-10 -> H-9 H-3 —> H-16 H-16 —> H-11

21 Spektroskopia 13C NMR Metoda ta rozwinęła się stosunkowo niedawno – podstawowe przeszkody we wcześniejszym wykorzystaniu tej techniki stanowiły: - natruralna abundancja izotopu 13C wynosi zaledwie 1.1%, - czterokrotnie mniejsze odstępy poziomów spinowych (w porównaniu do 1H), co w rezultacie daje znacznie mniejszą intensywność sygnałów

22 Pełne wykorzystanie faktu zjawiska węglowego rezonansu jądrowego umożliwiły:- ulepszenie metodyki i aparatury – wprowadzenie rejestracji widm metodą impulsową z transformacją Fouriera, - wykonywanie widm z rozprzęganiem jąder 13C - brak multipletowości na widmie powoduje zwiekszęnie intensywności sygnałów. W przypadku spektroskopii podstawowym kryterium analizy widm jest przesunięcie chemiczne.

23 Zakresy przesunięć chemicznych na widmach 13C NMR

24 Widmo 1H i 13C NMR β-butyrolaktonu

25 Widmo CHCOSY β-butyrolaktonu

26 Widmo CHCOSY modyfikowanego glutationu

27

28 Widmo HH COSY

29 HMQC – Heteronuclear Multiple Quantum CoherenceKorelacja przesunięć chemicznych protonów związanych z jądrem X przez jedno wiązanie

30 HMBC – Heteronuclear Multiple Bond CorrelationKorelacja przesunięć chemicznych protonów związanych z X przez kilka wiązań

31 HMQC – Heteronuclear Multiple Quantum Coherence

32 HMBC – Heteronuclear Multiple Bond Correlation

33 Widmo HHCOSY i TOCSY reszty aminokwasowej:

34 2002 – nagroda Nobla z dziedziny chemii - Kurt Wüthrich – pokazał, że strukturę białekmożna badać za pomocą NMR

35 Widmo NMR białka

36 NOESY TOCSY

37 Widmo NOESY białka

38

39 Oddziaływania obserwowane na widmie NOESY

40 Spektroskopia NMR Przypisanie sygnałów Intensywność Sygnałów NOESprzężenia obliczenia dynamiki molekularnej

41

42 Magnetic Resonance Imaging – MRI – obrazowanie rezonansem magnetycznym

43 Na czym polega obrazowanie rezonansem magnetycznym?Obrazowana jest każda warstwa podzielona na komórki “voxels”

44 We wnętrzu każdej „komórki” jest woda.Jądra 1H w cząsteczkach H2O działają jak małe magnesy

45 Pod wplywem impulsu elektromagnetycznego o częstości radiowej można zmienić orientację spinów jądrowych N N Kiedy spiny jądrowe powracają do położenia równowagi to jest emitowane promieniowanie radiowe

46 fast Spiny jądrowe w różnych tkankach powracają do stanu równowagi w różnym czasie. Aby rozróżnić sygnały pochopdzące z różnych tkanek zastosowano pole magnetyczne z gradientem. slow

47 B0 B1

48 Obrazowanie bezkontrastowe

49 Przykładowe związki stosowane jako kontrast w MRI

50 Obrazowanie jamy brzusznej przy zastosowaniu kontrastuObrazowanie serca z zastosowaniem kontrastu

51 Obrazowanie kolana Protony pochodzenia tłuszczowegoProtony pochodzące z wody