核磁共的振光谱.pdf

第八章 核磁共振光譜在結構生物學的應用 NMR Applications in Structural Biology 余靖 清華大學 化學系教授 一、前言 在結構生物學中，主要的是探討生物分子的三維結構。所謂生物分子，大多為蛋白質 或核酸。一般來說，生物分子的三維結構是相當重要的，它不但可以提供結構與功能之關 聯，更可以進一步地解釋造成特殊功能的機轉；在藥物的開發上，它更可運用於以結構為 基礎之循理性藥物設計。事實上大部份的生物巨分子三維結構的求出，主要是靠 X-ray 及 NMR 兩種工具，以Protein Data Bank (PDB)為例，目前大約有15,000 種蛋白質已被解出 來，其中有80%是用X-ray 解出來的，另有20%是用 NMR 解出的，雖然 NMR 解出來的 生物巨分子沒有X-ray 來的多，但NMR 解出三維結構時不需要長單晶(single crystal) ，只 要溶在水溶液當中即可，這是比較符合生物巨分子的生理狀態。台灣自 2002 年起，加強 基因體的研究，在探討結構生物的研究領域上，用的就是 X-ray 及 NMR 兩個主要的研究 工具。本章即介紹NMR 在結構生物學的應用。 二、NMR 之原理 1. NMR 之原理及訊號(Signal) 從量子力學的觀點看，週期表中所含 106 個元素，對每個元素中的核子(nucleus)而言， 其磁自旋量子數(magnetic spin quantum number)以I 來代表，若I ≠ 0 時，此核子在磁場中， 會產生NMR 訊號；反之，若I = 0 ，則此核子在磁場中，無法生成NMR 訊號。最明顯的例 12 12 13 子即為 C 核子，因其I = 0 ，故無法看到 C 的NMR 訊號。然而它的同位素 C 核子，其 13 I = 1/2 ，故可以觀察到 C 的NMR 訊號。 1 13 15 大體說來，液態核磁共振技術是強調在I = 1/2 的核子上，如 H ， C ， N 及其他如 19 31 F 及 P 。其中的道理是：若I = 0 ，則看不到它的NMR 訊號，若I = 1 ，3/2 ，2 ，2/5…等， 則會產生四極偶合(quadropolar coupling)作用，使得NMR 的譜線變得太寬，不易辨認。今 1 以 H 核子(I = 1/2)為例，說明NMR 訊號之來源： 1H 核子在磁場(B )作用之下，其能量會分裂為α及β兩個能階，二者能量差為∆E ，而∆E 0 = hγB /2π ，其中γ為磁旋比(magnetogyric ratio) 。而根據Boltzman 分布定理得知，在低能 0 91 階的 α態(state) ，其分布居數(population)會比 β態來得高，即 Nβ ＝exp (-∆E/kT) N α 而這比較多的分布居數在α態，會造成有一個淨磁化量(net magnetization)在z 軸(磁場 方向)上，如圖一所示。此時，核磁共振儀的射頻器(transmitter)打了一個脈衝(pulse) ，將此 淨磁化量偏移z 軸，此時在磁場B0 的作用之下，此偏移的磁化量就沿著磁場方向(z 軸)做進 動(precession) 。 B0 pulse