D эксперименты ЯМР. Ядерный эффект Оверхаузера. Быстрые методы регистрации спектров ЯМР. Перенос насыщения

Доменная структура белков. Диаграммы топологии.

Длинные полипептидные цепи (длиной около 200 аминокислотных остатков или больше) обычно имеют доменную пространственную структуру. Доменом называют часть пептидной цепи, образующей как бы самостоятельную глобулу, причем на одной пептидной цепи может быть два или больше доменов.

Что такое домен?
• Домен – это часть полипептидной цепи (или вся цепочка) , которая сворачивается независимо в стабильную третичную структуру

• Доменами в белках называют области в третичной структуре, которым свойственна определенная автономия структурной организации. Нередко, хотя и не всегда, структурная автономия домена дополняется функциональной. Домены составляют подуровень структурной организации белка на пути от вторичной к третичной структуре.

Три основных класса структур белков: 1. α домен 2. β домен 3. α/β домен

Соседние участки в аминокислотной последовательности очень часто также оказываются близкорасположенными друг к другу в пространстве. Триозфосфат изомераза состоит из четырех β-α-β-α участков, которые также повторяются в аминокислотной последовательности (а) и трехмерной структуре (б)

Третичная структура (или трёхмерная структура[1]) — пространственное строение (включая конформацию) всей молекулы белка или другой макромолекулы, состоящей из единственной цепи.

Третичной структурой белка называется способ укладки полипептидной цепи в пространстве. По форме третичной структуры белки делятся в основном на глобулярные и фибриллярные. Глобулярные белки чаще всего имеют эллипсовидную форму, а фибриллярные (нитевидные) белки — вытянутую (форма палочки, веретена).

Однако конфигурация третичной структуры белков еще не дает основания думать, что фибриллярные белки имеют только β-структуру, а глобулярные α-спиральные. Есть фибриллярные белки, имеющие спиральную, а не слоисто-складчатую вторичную структуру. Например, α-кератин и парамиозин (белок запирательной мышцы моллюсков), тропомиозины (белки скелетных мышц) относятся к фибриллярным белкам (имеют палочковидную форму), а вторичная структура у них — α-спираль; напротив, в глобулярных белках может быть большое количество β-структур.

Спирализация линейной полипептидной цепи уменьшает ее размеры примерно в 4 раза; а укладка в третичную структуру делает ее в десятки раз более компактной, чем исходная цепь.

Диаграммы топологии.

удобный инструмент классификации белков

Элементы вторичной структуры соединяются неупорядоченными участкам Две α спирали соединены короткой петлей с определенным геометрическим расположением спираль-петля-спираль (а) или спираль-поворот-спираль (б).
Участок в виде β-шпильки Предположительный путь сворачивания шпильки в виде Греческого ключа. β нити 2 и 3 сворачиваются таким образом, что нить 2 антипараллельно располагается напротив нити 1.
Участок β-α-β содержит две параллельные β-нити β-α-β участок имеет два варианта расположения. Первый вариант это спираль расположенная над β-листом. Данный тип структуры присутствует почти во всех белках и называется правосторонним (а). Левосторонний вариант – когда спираль расположена под β-листом. Этот вариант встречается очень редко и обнаружен в единственной структуре субтилизина, где играет определенную специальную функцию.

D эксперименты ЯМР. Ядерный эффект Оверхаузера. Быстрые методы регистрации спектров ЯМР. Перенос насыщения

Приложение ЯМР спектроскопии к исследованию белков

Большинство последних инноваций в ЯМР спектроскопии сделаны в так называемой ЯМР спектроскопии белков, которая становится очень важной техникой в современной биологии и медицине. Общей задачей является получение 3-мерной структуры белка в высоком разрешении, подобно изображениям, получаемым в рентгеновской кристаллографии. Из-за присутствия большего числа атомов в белковой молекулe в сравнении с простым органическим соединением, базовый 1H спектр переполнен перекрывающимися сигналами, поэтому прямой анализ спектра становится невозможным. Поэтому были разработаны многомерные техники, чтобы решить эту проблему.

Чтобы улучшить результаты этих экспериментов, применяют метод меченых атомов, используя 13С или 15N. Таким образом становится возможным получить 3D-спектр белкового образца, что стало прорывом в современной фармацевтике. В последнее время получают распространение методики(имеющие как преимущества, так и недостатки) получения 4D-спектров и спектров большей размерности, основанные на методах нелинейного семплирования с последующим восстановлением сигнала спада свободной индукции с помощью специальных математических методик.

1. Отнесение сигналов внутри спиновой системы каждого аминокислотного остатка – 3D HSQC-TOCSY

2. Попарное сочленение двух аминокислотных остатков по белковой цепи (последовательное отнесение) – 3D HSQC-NOESY

Наблюдаемые параметры

Химические сдвиги 1H, 13C, 15N, 19F, 31P

 Интегральные интенсивности сигналов

Скорости обмена подвижных протонов на дейтерий

Константы спин-спинового взаимодействия (через химическую связь)

Ядерные эффекты Оверхаузера (взаимодейств. через пространство)

 Ширины линий, времена релаксации ядер, кросс-релаксация

 Константы диполь-дипольного взаимодействия

Эффект Оверхаузера — увеличение поляризации ядерной магнитной системы и, как следствие, ядерного магнитного резонанса при насыщении электронного парамагнитного резонанса. Предсказан в 1953 г. А. Оверхаузером для взаимодействия спиновых систем электронов проводимости и ядер в металлах Ядерным эффектом Оверхаузера (ЯЭО) называется явление резкого изменения интенсивности сигнала ЯМР при взаимодействии спинов разных ядер, например X и Y. Увеличение интенсивности сигнала ядер X при резонансном облучении ядер Y тем сильнее, чем больше вклад магнитного диполь-дипольного взаимодействия ядер X и Y в релаксацию ядер X. Максимально возможное повышение интенсивности сигнала X в условиях полной развязки от ядер Y вычисляется по формуле: 

{\displaystyle {\frac {I_{2}}{I_{1}}}=1+{\frac {1}{2}}{\frac {\gamma _{X}}{\gamma _{Y}}}}, где I₁ и I₂ - интенсивности в спектрах монорезонанса и двойного резонанса, {\displaystyle \gamma _{X}} и {\displaystyle \gamma _{Y}} - гиромагнитные отношения ядер X и Y.Чем сильнее взаимодействие ядер X и Y, тем сильнее эффект.