核磁共振技术原理及其在蛋白质研究中的应用刘畅(桂林理丄大学环境科学与丄程学院，广西桂林541006)摘要：核磁共振(NMR)是一种不破坏样品的无损伤分析技术，是分子结构分析不可或缺的手段。随卷新技术、新方法的不断发展，其研究领域和应用范围已扩展到了儿乎所奋的&然科学领域。文章简要叙述了核磁共振技术的基本原理，以及其在缶白质研究屮的应用。关键词：核磁丼振；蛋白质；结构解析中图分类号：Q71文献标识码：A1引言核磁K•振波错(nuclearmagneticrcsonaneespectroscopy,NMR)足分了•结构分析中一种重要的波谱学研究手段，它能够提供原了-水平的分子平而和立体结构，以及动态信息［1"\B1945年观察到凝聚态物质的NMR现象之后，经过60多年的发展，NMR的研究领域和应用范围已经从物理学延仲到化学、生物学、医学、材料科学、信息学等儿乎所有A然科学领域。先后有5次诺W尔奖授予Z核磁井振研究工作者，艽中物理学奖两次(Rabi,1944年;Bloch和Pur-cell,1952年)，化学奖两次(Ernst,1991年；Wthrich等，2002年)，生理和医学奖一次(La-uterbur和Mansfield,2003年)。NMR在生物学领域的应川最为广泛也最受关注，与其他分析技术相比，核磁井振技术具冇以下儿个特点:(1)无损伤性，不破坏样品的结构和性质，无辐射损伤［41;(2)不需提取分离或只需简单预处理即讨同时测定多种成分；(3)实验方法灵活多样。151经过二十多年的发展，核磁共振技术已经发展成为除X射线晶体衍射技术之外另一种可行的确定蛋白质空间结构的方法。由于其测试灵敏、技术方法齐全，在表征抗原抗体反应的微观结构上有着广泛的运用，并在蛋白质领域得到迅速发展|6"81。2核磁共振技术原理核磁共振光谱和传统的光谱有一定的相似性，传统光谱为电了吸收能S从菇态跃迁到激发态，而核磁井振光谱则足原了核吸收了能量从基态跃迁到激发态。有所不M的是核磁丼振光谱需要将样品置于外磁场中才能够使得原子核裂分出两个到多个能级，改变Y外加磁场的场强，就改变了原子核的特征频率。另外核磁共振激发态的寿命是电子激发态寿命的109倍，更长的寿命使得谱图的线宽更窄，使得吸收能量的过程中核A旋的微小差异都可以被观测到，同时氏时间处于激发态也使得能fi能够从一个核自旋传递到另一个，使得多维核磁实验成为可能，最后长寿命的激发态使核磁共振光谱在分了•动力学测暈上能够具有很宽的可供研究的吋间度。［9调在液体核磁中，样品管被放置在外强磁场Bg屮，NMR可检测的原子核磁距沿着磁场的Z方向有序的排列。在外磁场作用下，核磁转到x、y平而，核磁跑进行拉序进动。由于局部磁场的扰动，样品屮的原子核以各fl不M的速率进动。这些扰动受蛋白质结构、侧链带电性、芳香环电流、化学键的扭角和氣键结合的影响。原了核磁矩u和自旋角动量P之比为一常数：/=P=gN/2mP=gN*nN/h一/称为磁旋比；h足普朗克常数；m是原子核的磁量子数。/与核的质量、所带电荷以及朗德W子冇关。/是原了•核的基木属性之一。不同的原子核的/值不同，核的旋磁比/越人，核的磁性越强，4:核磁丼振中越容易被检测。下表1是一些常见核的性质。农1儿种核的性质U11同位素I天然丰度(%)u//107绝对灵敏度共振频率（MHz）/B=7.0463T'H1/299.982.7926.751.003002H10.0150.861.45*1O'646.0513C1/21.110.406.731.76*l（r475.43,4N199.630.40L0P10'321.67,5N1/20.37-0.28-2.741.85*1O'630.40,9F1/21002.6325.180.83282.233,p1/21001.1310.846.63W2121.40奩力轴拉摩进动：当磁核处于一•个均匀的外磁场Bo巾，核因受到Bo产生的磁场力作用围绕着外磁场方向作旋转运动，同时仍然保持本身的自旋。这种运动方式称为进动或拉摩进动(Larmorprocess)，它与陀螺在地球91力作用下的运动方式相似。如图1所示。图1核的进动3核磁共振在蛋白质研究中的应用蛋白质在稀溶液状态下，可通过核磁共振技术得到反/.、V位点的NMR参数来决定蛋白质的三级结构。这些参数包括弛豫时间(relaxation)、化学位移(chemicalshift)、自旋祸合(spincoupling)，NOE效应(nuclearoverhausereffect)、磁化专移(magnetizationtransfer)、自旋标记(spinlabeling)等|12d31。采用NMR法研究蛋內质存在着3个主要问题:①待测蛋白质存...